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Jun 21, 2023

Columna: diseños iniciales de máquinas de vapor destinados a la minería

13 de mayo de 2023 Cuando Thomas Savery recibió una patente británica para su máquina de vapor

13 de mayo de 2023

Cuando Thomas Savery recibió una patente británica para su máquina de vapor en 1689, no fue del todo su invención. Según muchos historiadores, Savery basó su diseño en una idea anterior de Edward Somerset, Second Marquee of Worcester. Según Royal Collection Trust, la idea de Somerset, a la que llamó "máquina de control de agua", fue un precursor de la máquina de vapor. The Trust afirma que era una máquina hidráulica construida a partir del cañón de un cañón y Worcester esperaba que pudiera ser Se utiliza en la agricultura para acelerar el riego.

Savery diseñó su motor, no para riego, sino para bombear agua de una mina en Cornualles.

Hay una ironía en que el motor de Savery, que diseñó para las minas, no se usó para bombear minas, pero su bomba de vapor fue útil para suministrar agua a fincas y casas de campo, no encontró interés entre los propietarios de minas, afirma el American Physical. Society, en su julio de 2018, vol. 27, edición número 7 de APS News. El artículo, "2 de julio de 1698: Thomas Savery patenta una de las primeras máquinas de vapor"

El artículo de la revista académica en línea Economic Historian del 31 de julio de 2022, "Steam Engine", afirma que el motor de Savery estaba destinado a usar fuego para bombear agua fuera de las minas. Funcionaba llenando un tanque con vapor y luego aislando el tanque de la fuente de vapor. Cuando la temperatura en el tanque lleno de vapor descendió debido al aislamiento, el vapor se condensó y creó un vacío en el tanque. El vacío se formó por la diferencia de volumen entre las fases líquida y gaseosa del agua. El agua de las minas se precipitó para llenar el vacío y, aunque el sistema de vacío tuvo éxito, solo pudo funcionar de manera eficiente a poca profundidad. El agua que ingresaba al tanque era expulsada o forzada a una altura de hasta 80 pies usando presión de vapor.

El motor tenía varios defectos, afirma APS News. No era eficiente para levantar agua, en parte porque aún no existía la tecnología para mecanizar juntas herméticamente selladas. Todas las partes estaban hechas de latón, cobre y bronce, ensambladas a partir de piezas fundidas o moldeadas y luego soldadas o remachadas. El sellado imperfecto significaba que los motores eran propensos a explotar. También consumía demasiado combustible para que fuera económicamente viable para aplicaciones mineras.

Thomas Newcomen era un herrero (ferretero), contratado por Savery para forjar su propio motor. NPS afirma que Savery permitió a Newcomen falsificar una copia de la máquina para su propia investigación en el patio trasero. En 1712, Newcomen construyó su propia máquina de vapor basada en el diseño de Savery, pero la máquina de vapor atmosférica de Newcomen era muy superior a la de Savery, dice NPS. El motor de Newcomen mostró un rendimiento muy mejorado, diferencias mecánicas significativas, no necesitaba presión de vapor y usaba el vacío de manera diferente.

El motor Newcomen utilizaba un pistón que funcionaba dentro de un cilindro con la parte superior abierta, afirma National Museums Scotland, que alberga un motor Newcomen original. El pistón estaba conectado por cadenas a una viga oscilante. En el otro extremo, la viga estaba conectada a las bombas de la mina mediante una varilla. En la carrera ascendente, el cilindro se llena con vapor de la caldera y luego se inyecta agua fría en el cilindro para convertir el vapor nuevamente en agua y crear un vacío (cuando el agua se convierte en vapor se expande 1500 veces, por lo que un volumen contenido de vapor, si se condensa de nuevo en agua, creará un vacío). Luego, el vacío tiró del pistón hacia abajo y, a través de la viga oscilante, levantó el émbolo en la bomba de agua.

El uso de una viga basculante en el motor de Newcomen fue la forma en que el motor más tarde se denominó motor de viga.

Como señala Economic Historian, el principal defecto del motor Newcomen era que consumía un exceso de vapor para recalentar el pistón durante cada carrera de calentamiento y enfriamiento. por el momento, sin embargo, era el mejor diseño disponible.

El siguiente desarrollo, y fue importante, provino de un fabricante de instrumentos de Escocia llamado James Watt. Watt no inventó una máquina de vapor; había inventado un condensador de vapor. Estudió uno de los motores de Newcomen que le habían pedido reparar, vio sus fallas y las mejoró, usando su propia invención. Revolucionó la aplicación de vapor.

Cuando el vapor en el motor de Newcomen se condensó nuevamente en agua, también enfrió el cilindro. Debido a que el cilindro necesitaba ser recalentado constantemente, usaba cantidades excesivas de carbón.

Mientras probaba su motor de vapor recién reparado, afirman los autores, Nicholas Hatch en su artículo académico, "James Watt's Steam Engine and the Start of the Industrial Revolution" (publicado en el sitio web StMU Research Scholars) Watt se dio cuenta de que más de una cuarta parte de los el vapor creado por el motor se liberaba y se desperdiciaba, lo que hacía que no fuera eficiente cuando se usaba en el campo de trabajo.

Eventualmente, uno de los inventos patentados de Watt, el condensador, eliminaría esta ineficiencia.

Ben Russell, en su artículo del Museo de Ciencias de enero de 2019, "James Watt y el condensador separado", declaró: El condensador separado resolvió el problema fundamental del motor, que para lograr la máxima economía de combustible, el cilindro de vapor tenía que mantenerse lo más caliente posible, mientras que para máxima eficiencia térmica se debe enfriar una vez por ciclo de trabajo.

Al condensar el vapor en un condensador separado mantenido permanentemente frío, se maximizaron tanto la economía de combustible como el uso eficiente del calor, afirma Russell. Las máquinas de vapor con el condensador de Watt quemaron dos tercios menos de carbón, haciéndolas capaces de trabajar no solo en minas sino también en fábricas, molinos, talleres y en cualquier otro lugar que necesite energía. Russell afirma que la patente del condensador de Watts de 1769 ahora se considera una de las patentes más importantes jamás otorgadas en el Reino Unido.

El motor no solo era popular en la minería, sino que rápidamente se dio cuenta de que también podía aplicarse a otros usos. En 1800, había más de 500 vatios en fábricas y minas de Gran Bretaña, incluido Cornualles.

Los mineros e ingenieros inmigrantes de Cornualles importaron tecnología británica y de Cornualles a la región del cobre del Lago Superior a partir de mediados del siglo XIX. The Mining Magazine, en 1853, al hablar de la mina Cliff, cerca de Keweenaw Point, declaró:

"El trabajo de bombear la mina y de extraer el mineral y la roca se realiza con una máquina de vapor, mientras que otra gran máquina de palanca, de forma vertical y de gran potencia, realiza el trabajo de estampación. Las estampillas de esta mina llevan veinticuatro cabezas, y son las más perfectas y eficientes del lago Superior".

La misma publicación, en 1856, publicó el informe anual del agente de la Compañía Nacional de Minería, en el que se proponía modificar el funcionamiento de un motor de viga de Cornualles:

"Es casi indudable que con un cilindro de 40 pulgadas y una carrera de 12 pies, que es simplemente un motor de Cornualles al revés, el cilindro descansa sobre una placa de base fuerte sobre la boca del eje, y la varilla del pistón unida directamente La bomba de aire es de diámetro pequeño, con la misma longitud de carrera que el motor, eliminando así la viga pesada, el movimiento paralelo y la mampostería pesada del pedestal del cilindro, la pared de la palanca y el motor. y obtener cualquier longitud de carrera deseable simplemente agregando a la longitud del cilindro y el vástago del pistón, aumentando así la eficiencia de las bombas y haciendo que las más pequeñas hagan el mismo trabajo".

El informe pasó a describir, en términos muy técnicos, el sistema de vacío empleado en el funcionamiento del motor. Cuando se simplifica a términos "profanos", el agente estaba describiendo la aplicación de válvulas de corredera.

En Cornualles, el impulso para mejorar la eficiencia de las máquinas de vapor fue constante, porque las máquinas eran necesarias para mantener el agua fuera de las profundidades de las minas. Pero, debido al alto costo del carbón, que se compraba a las minas de carbón de Gales y se enviaba por mar, la eficiencia de los motores tenía que mejorarse para que fuera económica.

Las minas en el distrito del Lago Superior enfrentaron el mismo problema, porque las minas de cobre de Michigan compraban su carbón principalmente de Pensilvania, lo que también requería envíos de larga distancia.

La próxima semana, continuaremos nuestra charla sobre el impacto que tuvo la energía de vapor en las minas del Lago Superior, y sus desafíos similares compartidos con las minas en Cornualles.

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