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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Máquina de vapor. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. Una máquina de vapor es una máquina térmica de combustión externa que convierte la energía del vapor de agua en trabajo mecánico del movimiento alternativo del pistón y luego en el movimiento de rotación del eje. En un sentido más amplio, una máquina de vapor es cualquier motor de combustión externa que convierte la energía del vapor en trabajo mecánico. La primera máquina de vapor se construyó en el siglo XVII. Papen y representaba un cilindro con un pistón, que se elevaba por la acción del vapor y bajaba por la presión de la atmósfera después de que el vapor de escape se espesara. Con el mismo principio, las máquinas de vapor de Savery y Newcomen se construyeron en 1705 para extraer agua de las minas. Las mejoras finales en la máquina de vapor fueron realizadas por Watt (Watt) en 1769.
Hasta la segunda mitad del siglo XVIII, la gente utilizaba principalmente motores de agua para las necesidades de producción. Dado que es imposible transmitir el movimiento mecánico de una rueda hidráulica a largas distancias, todas las fábricas debían construirse a orillas de los ríos, lo que no siempre era conveniente. Además, para el funcionamiento eficiente de un motor de este tipo, a menudo se requería un trabajo preparatorio costoso (dispositivo de estanques, construcción de presas, etc.). Las ruedas hidráulicas también tenían otros inconvenientes: tenían poca potencia, su trabajo dependía de la estación y era difícil de ajustar. Gradualmente, la necesidad de un motor fundamentalmente nuevo comenzó a sentirse agudamente: potente, económico, autónomo y fácil de controlar. La máquina de vapor se convirtió en tal máquina durante todo un siglo. La idea de una máquina de vapor fue sugerida en parte a sus inventores por el diseño de una bomba de agua alternativa, que se conocía en la antigüedad. El principio de su funcionamiento era muy simple: cuando se levantaba el pistón, se aspiraba agua al interior del cilindro a través de una válvula en su parte inferior. La válvula lateral que conectaba el cilindro con la tubería de elevación de agua estaba cerrada en ese momento, ya que el agua de esta tubería también tendía a ingresar al cilindro y por lo tanto cerraba esta válvula. Cuando se bajó el pistón, comenzó a ejercer presión sobre el agua en el cilindro, por lo que la válvula inferior se cerró y la válvula lateral se abrió. En este momento, el agua del cilindro se suministró por la tubería ascendente. En una bomba de pistón, el trabajo recibido del exterior se gastó en mover el fluido a través del cilindro de la bomba. Los inventores de la máquina de vapor intentaron usar el mismo diseño, pero solo en la dirección opuesta. El pistón-cilindro es la base de todos los motores de pistón de vapor.
Las primeras máquinas de vapor, sin embargo, no eran tanto máquinas como bombas de vapor utilizadas para bombear agua de las minas profundas. El principio de su funcionamiento se basaba en el hecho de que, después de enfriarse y condensarse en agua, el vapor ocupaba 170 veces menos espacio que en estado calentado. Si fuerza el aire fuera del recipiente con vapor caliente, lo cierra y luego enfría el vapor, la presión dentro del recipiente será mucho menor que en el exterior. La presión atmosférica externa comprimirá dicho recipiente, y si se coloca un pistón en él, se moverá hacia adentro con mayor fuerza, cuanto mayor sea su área. Por primera vez, Papin propuso un modelo de una máquina de este tipo en 1690. En 1702 creó su propia bomba Severi. Pero la más utilizada en la primera mitad del siglo XVIII fue la máquina de vapor Newcomen, creada en 1711.
El cilindro de vapor se colocó en Newcomen sobre la caldera de vapor. El vástago del pistón (el vástago conectado al pistón) estaba conectado mediante una conexión flexible al extremo de la barra de equilibrio. La varilla de la bomba estaba conectada al otro extremo del balanceador. El pistón subió a la posición superior bajo la acción de un contrapeso unido al extremo opuesto de la barra de equilibrio. Además, el movimiento ascendente del pistón fue asistido por el vapor lanzado en ese momento al interior del cilindro. Cuando el pistón estaba en su posición más alta, se cerraba la válvula, lo que permitía que el vapor de la caldera entrara en el cilindro y se rociaba agua en el cilindro. Bajo la acción de esta agua, el vapor en el cilindro se enfrió rápidamente, se condensó y la presión en el cilindro cayó. Debido a la diferencia de presión creada dentro y fuera del cilindro, la fuerza de la presión atmosférica movió el pistón hacia abajo, mientras realizaba un trabajo útil: puso en movimiento el equilibrador, que movió la varilla de la bomba. Por lo tanto, el trabajo útil se realizó solo cuando el pistón se movió hacia abajo. Luego se lanzó nuevamente vapor al cilindro. El pistón volvió a subir y todo el cilindro se llenó de vapor. Cuando se volvía a salpicar agua, el vapor se condensaba de nuevo, después de lo cual el pistón realizaba otro útil movimiento hacia abajo, y así sucesivamente. De hecho, en la máquina de Newcomen, la presión atmosférica hacía el trabajo y el vapor sólo servía para crear un espacio enrarecido.
A la luz del mayor desarrollo de la máquina de vapor, el principal inconveniente de la máquina de Newcomen se vuelve claro: el cilindro de trabajo era al mismo tiempo un condensador. Debido a esto, era necesario enfriar y luego calentar alternativamente el cilindro, y el consumo de combustible resultó ser muy alto. Hubo casos en que había 50 caballos con el automóvil, sin apenas tiempo para entregar el combustible necesario. El coeficiente de rendimiento (COP) de esta máquina apenas superaba el 1%. En otras palabras, el 99% de toda la energía calorífica se desperdiciaba inútilmente. Sin embargo, esta máquina estaba muy extendida en Inglaterra, especialmente en las minas, donde el carbón era barato. Los inventores posteriores hicieron varias mejoras a la bomba Newcomen. En particular, en 1718, Bayton ideó un mecanismo de distribución automático que encendía o apagaba automáticamente el vapor y dejaba entrar el agua. También añadió una válvula de seguridad a la caldera de vapor. Pero el concepto de la máquina de Newcomen se mantuvo sin cambios durante 50 años, hasta que James Watt, mecánico de la Universidad de Glasgow, se encargó de su mejora. En 1763-1764 tuvo que reparar una muestra de la máquina de Newcomen perteneciente a la universidad. Watt hizo un pequeño modelo de él y comenzó a estudiar su funcionamiento. Al mismo tiempo, pudo utilizar algunos de los instrumentos que pertenecían a la universidad, y utilizó los consejos de los profesores. Todo esto le permitió ver el problema de manera más amplia que muchos mecánicos antes que él, y pudo crear una máquina de vapor mucho más avanzada.
Trabajando con el modelo, Watt descubrió que cuando se lanzaba vapor a un cilindro enfriado, se condensaba en cantidades significativas en sus paredes. Inmediatamente Watt se dio cuenta de que para un funcionamiento más económico del motor, era más conveniente mantener el cilindro constantemente calentado. Pero, ¿cómo en este caso condensar vapor? Durante varias semanas reflexionó sobre cómo resolver este problema y finalmente se dio cuenta de que el enfriamiento del vapor debería tener lugar en un cilindro separado conectado al tubo corto principal. Watt mismo recordó que una vez, durante una caminata nocturna, pasó por una lavandería y luego, al ver nubes de vapor que escapaban de la ventana, supuso que el vapor, al ser un cuerpo elástico, debería precipitarse en un espacio enrarecido. En ese momento se le ocurrió la idea de que la máquina de Newcomen debería complementarse con un recipiente separado para la condensación de vapor. Una simple bomba, accionada por la propia máquina, podría extraer aire y agua del condensador, de modo que con cada golpe de la máquina se crearía allí un espacio de descarga.
Después de eso, Watt realizó varias mejoras más, como resultado de lo cual la máquina tomó la siguiente forma. Los tubos estaban conectados a ambos lados del cilindro: por el inferior entraba vapor de la caldera de vapor y por el superior se descargaba al condensador. El condensador constaba de dos tubos de estaño colocados verticalmente y conectados entre sí en la parte superior por un tubo horizontal corto con un orificio tapado por un grifo. El fondo de estos tubos estaba conectado a un tercer tubo vertical que servía como bomba de salida de aire. Los tubos que componían el refrigerador y la bomba de aire se colocaron en un pequeño cilindro de agua fría. El tubo de vapor estaba conectado a una caldera, desde la cual se liberaba vapor en un cilindro. Cuando el vapor llenó el cilindro, se cerró la válvula de vapor y se elevó el pistón de la bomba de aire del condensador, como resultado de lo cual se obtuvo un espacio altamente descargado en los tubos del condensador. El vapor se precipitó en los tubos y se condensó allí, y el pistón se elevó, arrastrando consigo la carga (así se midió el trabajo útil del pistón). Luego se cerró la llave de salida. En 1768, sobre la base de este modelo, se construyó la gran máquina de Watt en la mina del minero Rebuk, por cuya invención recibió su primera patente en 1769. Lo más fundamental e importante de su invención fue la separación del cilindro de vapor y el condensador, por lo que no se gastó energía en el calentamiento constante del cilindro. El coche se ha vuelto más económico. Su eficiencia ha aumentado. Durante los siguientes años, Watt trabajó duro para mejorar su motor. Al mismo tiempo, tuvo que superar muchas dificultades, tanto financieras como técnicas. Entró en una empresa con el dueño de una planta metalúrgica, Bolton, quien le proporcionó dinero. Había otros problemas: el motor requería hermeticidad y ajuste preciso de las piezas entre sí. El pistón y el cilindro tenían que tener el tamaño perfecto para evitar que se escapara el vapor. Tal precisión era nueva para la ingeniería mecánica de aquellos tiempos, ni siquiera existían las máquinas de precisión necesarias. El socavado de cilindros de gran diámetro parecía ser un problema casi insoluble. Como resultado, las primeras máquinas de Watt funcionaron de manera insatisfactoria: el vapor se escapaba del cilindro, los condensadores no funcionaban bien, el vapor silbaba a través del orificio en el que se movía el vástago del pistón, se filtraba entre las paredes del pistón y el cilindro. Tuve que crear máquinas especiales para taladrar cilindros. (En general, la creación de una máquina de vapor marcó el comienzo de una verdadera revolución en la construcción de máquinas herramienta: para dominar la producción de máquinas de vapor, la ingeniería mecánica tuvo que elevarse a un nivel cualitativamente superior). Finalmente, se superaron todas las dificultades. , y a partir de 1776 comenzó la producción en fábrica de máquinas de vapor. Se realizaron varias mejoras fundamentales en la máquina de 1776 en comparación con el diseño de 1765. El pistón se colocó dentro del cilindro, rodeado por una camisa de vapor (chaqueta). Como resultado, la pérdida de calor se redujo al mínimo. La carcasa se cerró desde arriba, mientras que el cilindro estaba abierto. El vapor ingresaba al cilindro desde la caldera a través de un tubo lateral. El cilindro estaba conectado al condensador por una tubería equipada con una válvula de salida de vapor. Un poco por encima de esta válvula y más cerca del cilindro, se colocó una segunda válvula de balanceo. Cuando ambas válvulas estaban abiertas, el vapor liberado por la caldera llenó todo el espacio por encima y por debajo del pistón, forzando el aire a través de una tubería hacia el condensador. Cuando las válvulas estaban cerradas, todo el sistema continuaba en equilibrio. Luego se abrió la válvula de salida inferior, separando el espacio debajo del pistón del condensador. El vapor de este espacio se enviaba al condensador, se enfriaba aquí y se condensaba. En este caso, se creó un espacio enrarecido debajo del pistón y la presión cayó. Desde arriba, el vapor procedente de la caldera seguía ejerciendo presión. Bajo su acción, el pistón descendió y realizó un trabajo útil, que se transfirió a la varilla de la bomba con la ayuda de un equilibrador. Después de que el pistón descendiera a su posición más baja, se abrió la válvula de equilibrio superior. El vapor volvió a llenar el espacio por encima y por debajo del pistón. La presión en el cilindro estaba equilibrada. Bajo la acción de un contrapeso ubicado al final de la barra de equilibrio, el pistón se elevó libremente (sin realizar ningún trabajo útil). Entonces todo el proceso continuó en la misma secuencia. Aunque esta máquina de Watt, como el motor de Newcomen, seguía siendo unidireccional, ya tenía una diferencia importante: si el trabajo de Newcomen se realizaba mediante la presión atmosférica, entonces el vapor lo hacía por Watt. Al aumentar la presión del vapor, era posible aumentar la potencia del motor y así influir en su funcionamiento. Sin embargo, esto no eliminó el principal inconveniente de este tipo de máquina: solo realizaban un movimiento de trabajo, trabajaban a tirones y, por lo tanto, solo podían usarse como bombas. En los años 1775-1785 se construyeron 66 de estas máquinas de vapor. Para que una máquina de vapor pudiera impulsar otras máquinas, era necesario que creara un movimiento circular uniforme. La diferencia fundamental entre una máquina de este tipo era que el pistón tenía que hacer dos movimientos de trabajo, tanto hacia adelante como hacia atrás. Este motor de doble efecto fue desarrollado por Watt en 1782. Aquí se liberaba vapor de un lado del pistón, luego del otro, y el espacio del lado opuesto a la entrada de vapor se conectaba cada vez al condensador. Este problema se solucionó con la ayuda de un ingenioso sistema de tubos de salida, cerrados y abiertos con la ayuda de un carrete.
El carrete era una válvula que se movía frente a dos agujeros para pasar el vapor. Con cada carrera de la válvula hacia un lado o hacia el otro, se abría un orificio y se cerraba otro, por lo que cambiaba el camino por el que podía pasar el vapor. El movimiento de la bobina tenía un carácter complejo en cada posición extrema, cuando un orificio estaba abierto y el otro cerrado, tenía que detenerse por un tiempo para saltar una parte del vapor y pasar la posición media lo más rápido posible. posible. El movimiento del carrete estaba controlado por un mecanismo especial ubicado en el eje. La parte principal en ella era un excéntrico.
La excéntrica, inventada por Watt, consistía en una placa de una forma especial, asentada sobre un eje ubicado no en el centro de esta placa, sino a cierta distancia de ella. Con este montaje, había más placa en un lado del eje que en el otro. La placa en sí estaba rodeada por un anillo, al que se unía una varilla para mover el carrete. Durante la rotación de la placa, su redondez presionaba constantemente sobre un nuevo punto dentro de la superficie del anillo y, con su lado más ancho, lo ponía en movimiento. Junto con cada vuelta del eje, se producía una carrera del carrete. La naturaleza de la rotación del anillo (y, en consecuencia, el movimiento de empuje) dependía de la forma de la placa insertada en la excéntrica. A través de cálculos, se seleccionó tal forma, que durante una revolución causó aceleración, desaceleración o detención del carrete. Con la introducción de este dispositivo, Watt hizo que el funcionamiento de su máquina fuera completamente automático. Al principio, el funcionamiento de la máquina era observado por un trabajador, cuyo deber era regular el suministro de vapor. Si el motor comenzaba a dar demasiada velocidad, bloqueaba la tubería de distribución de vapor con un amortiguador especial y, por lo tanto, reducía la presión del vapor. Luego, esta función se asignó a un regulador centrífugo especial, dispuesto de la siguiente manera. El movimiento del eje de trabajo se transmitía a la polea reguladora. Cuando este último comenzaba a girar demasiado rápido (y por lo tanto la velocidad del motor aumentaba demasiado), las bolas reguladoras se elevaban bajo la acción de la fuerza centrífuga y ponían en movimiento un manguito de válvula y una palanca que limitaba la cantidad de vapor. Con una disminución en el número de revoluciones, las bolas cayeron y la válvula se abrió ligeramente.
Dado el funcionamiento de todos estos dispositivos, es fácil imaginar el principio general de la máquina. Desde la caldera de vapor, el vapor pasaba a través de la tubería hacia el espacio b, y desde allí, debido al movimiento del carrete, se dirigía al cilindro, ya sea por encima del pistón B o por debajo de él. Cuando el vapor entraba en el espacio por encima del pistón, éste descendía y, una vez debajo del pistón, lo elevaba. Había una válvula en la tubería de vapor que dejaba pasar más o menos vapor, según la necesidad. La posición de la válvula fue regulada por un regulador centrífugo de vapor f. Una e excéntrica se sentaba en el eje principal, cuya barra SS pasaba al otro lado de la máquina debajo de la caja del carrete y, con la ayuda de una palanca, levantaba o bajaba el carrete. El movimiento del pistón B se transmitió a la varilla O, que pasó completamente ajustada a la culata, y de allí al balancín móvil. En el extremo opuesto del balancín estaba la parte G, que capturaba desde abajo la manivela del eje principal K. Por lo tanto, con cada ascenso y descenso del pistón, había una revolución de este eje y el volante L sentado sobre él. la fuerza se transmitía desde el eje principal mediante correas u otros medios allí, donde se suponía que debía utilizarse. El condensador estaba ubicado en la parte inferior de la máquina. Consistía en un depósito lleno de agua, que se renovaba constantemente mediante una bomba q, y un depósito D donde se producía la condensación. El agua fría no solo rodeó el tanque, sino que también lo salpicó a través de muchos agujeros pequeños. El agua caliente drenada se bombeaba constantemente con la ayuda de la bomba de agua C. El agua caliente entraba en la caja y se bombeaba nuevamente a la caldera de vapor con la ayuda de la bomba Mm.
La creación de un mecanismo para transmitir el movimiento del pistón al eje requirió un enorme esfuerzo por parte de Watt. Muchas de las tareas que resolvió estaban generalmente al borde de las posibilidades técnicas de la época. Uno de los problemas era crear la estanqueidad necesaria. En un cilindro de doble efecto, a diferencia de un cilindro de simple efecto, ambos lados tenían que estar bien cerrados. Pero como el pistón tenía que tener una conexión con partes externas, se dejó un orificio redondo en la tapa, en el que la varilla del pistón (varilla) quedó completamente apretada. A Watt se le ocurrió la idea de poner una gruesa capa de estopa aceitada firmemente atornillada en la tapa, a lo largo de la cual la varilla se deslizaba sin tocar el metal del cilindro. Además, la varilla, debido a su suavidad, rozaba muy poco. Otro problema estaba en el propio mecanismo de conversión de movimiento: después de todo, para transferir el trabajo útil realizado por el pistón cuando se movía hacia arriba, era necesario que el vástago del pistón estuviera rígidamente conectado a la barra de equilibrio. En todas las máquinas de vapor anteriores, estaban conectados por una cadena. Ahora tenía que pensar en cómo conectar rígidamente la barra que se movía en línea recta y el extremo del balanceador que se movía a lo largo de un arco. Watt logró esto mediante la creación de un dispositivo de transmisión especial, que se llama paralelogramo de Watt.
El extremo del balancín A estaba conectado aquí por un eslabón de pivote ADB al punto B de la palanca BC conectada por el punto C a alguna parte fija del motor. Así, todo el sistema tenía dos puntos fijos de rotación: el centro de la barra de equilibrio, alrededor del cual oscilaba la barra de equilibrio, y el punto C, alrededor del cual giraba la palanca CB. El punto A al final de la barra de equilibrio y el punto B al final de la palanca CB se movieron a lo largo de los arcos descritos desde el centro de la barra de equilibrio y desde el punto C. Al mismo tiempo, el punto D en la barra ADB que conecta los puntos A y B realizó movimientos muy cercanos a la vertical y rectilínea. Este punto estaba conectado al vástago del pistón. Posteriormente, Watt mejoró este dispositivo transmisor al obtener dos puntos que conectan el movimiento rectilíneo. Conectó uno de ellos al vástago del pistón y el otro al vástago de la bomba auxiliar que servía al motor. La creación de este dispositivo de transmisión requirió tanto esfuerzo de Watt que lo consideró su mayor invento. Escribió: "Aunque no me importa particularmente mi fama, estoy más orgulloso de la invención del paralelogramo que de cualquiera de mis otros inventos".
Luego, los movimientos oscilatorios de la barra de equilibrio se convirtieron con la ayuda de una manivela en rotacional (dado que el mecanismo de manivela fue patentado por Picard, en las primeras máquinas de Watt, el movimiento oscilatorio de la barra de equilibrio se convirtió en movimiento de rotación utilizando el sol-planetario mecanismo creado por Watt, tan pronto como expiró la patente de Picard, comenzaron a utilizar una transmisión de manivela). Gracias al movimiento de rotación del eje de trabajo obtenido como resultado de todas estas transformaciones, el nuevo motor de Watt era apto para accionar otras máquinas de trabajo. Esto le permitió desempeñar un papel revolucionario en el desarrollo de una gran industria de máquinas. Durante los años 1785-1795, se produjeron 144 máquinas de vapor de este tipo, y para 1800, las máquinas de vapor de 321 vatios ya estaban funcionando en Inglaterra. Fueron utilizados literalmente en todas las esferas de producción. La gran creación de Watt fue debidamente apreciada por sus contemporáneos y descendientes. Después de la muerte del inventor en 1819, el parlamento inglés honró su memoria con la construcción de un monumento de mármol en la Abadía de Westminster. Autor: Ryzhov K.V.
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