Motors coet de vapor

L'eolípila representa el principi d'ús de vapor en motors a reacció, tot i que es tracta d'una propulsió indirecta.

En temps més moderns ha sorgit un ús limitat del vapor per a coeteria, particularment amb l'ús de propulsió amb coet per automoció. Aquesta tècnica és, en concepte, molt simple. Es tracta de plenar un tanc a pressió amb un tanc d'aigua calenta a alta pressió i d'obrir una vàlvula que permet el pas de corrent cap a una tovera. La pèrdua de pressió dóna lloc immediatament a la transformació en vapor de part de l'aigua, fent circular vapor cap a la tovera. Això crea una força propulsiva significant.

Podria esperar-se que l'aigua del tanc a pressió s'emmagatzemés a alta pressió, però ja en la pràctica els tancs tenen molta massa, cosa que redueix l'acceleració del vehicle. No obstant, es fa servir una pressió molt baixa, que permet fer servir tancs més lleugers que donen una major velocitat al vehicle.

Suposadament, també s'han visualitzat com a possible propulsor de vehicle espacial, tot i que els coets a vapor són relativament ineficient en l'ús de líquid propulsor, l'extracció d'aigua com a propulsor és viable al trobar-se en forma de gel, cosa que pot abaratir el cost d'obtenir propulsor en comptes d'aconseguir hidrogen per a coets convencionals.

Motors d'expansió simple

Aquesta tipologia comprèn aquelles màquines on el vapor només treballa una vegada al cilindre. Una vegada s'ha expandit el vapor i s'ha transmès l'energia mecànica al mecanisme biela-manovella, el gas és directament expulsat a l'atmosfera o bé dins un condensador, tot i que el calor remanent també pot trobar aplicació en l'ús en calefacció d'un espai habitat o en el subministrament d'aigua preescalfada la caldera.


A la majoria de pistons alternatius de les màquines de vapor, el flux d'aquest sol invertir-se en cada cicle, entrant i sortint del cilindre per la mateixa presa. El cicle sencer del motor fa servir una rotació de la manovella o cigonyal i dos carreres del pistó. El cicle també es pot dir que es comprèn de quatre esdeveniments – admissió, expansió, expulsió i compressió – . Aquestos esdeveniments són controlats per vàlvules que treballen sovint dins una gola de vapor adjacent al cilindre; les vàlvules distribueixen el vapor obrint i tancant les preses de vapor que comuniquen amb el final del cilindre i que són moguts per una vàlvula d'engranatge, de la qual poden existir diferents tipus. La vàlvula més simple dóna lloc a esdeveniments de longitud fixa durant el cicle del motor i sovint fan rotar el motor en una única direcció. No obstant, tenen un mecanisme d'inversió amb el que es pot estalviar vapor al guanyar-se velocitat i inèrcia de rotació gràcies a un escurçament de la velocitat de tall progressiu o, en certa mesura, l'escurçament de l'esdeveniment d'admissió que augmentaria el període d'expansió. No obstant, al ser controlat el flux per les vàlvules, el tall en l'admissió de vapor afecta adversament als períodes d'expulsió i de compressió, que han de romandre, en teoria constants. Si l'esdeveniment d'expulsió és massa curt, no es pot evacuar tot el vapor del cilindre, de manera que queda blocat i dóna massa compressió (“contrapressió”).

Motors d'expansió múltiple

És l'extensió lògica del motor compost per tal de dividir l'expansió entre més d'una etapa per tal d'incrementar l'eficiència. El resultat és un motor d'expansió múltiple. Aquestos motors fan servir tres o quatre etapes d'expansió i s'anomenen motors de triple o quàdruple expansió respectivament. Aquestos motors fan servir una sèrie de cilindres de doble efecte que incrementen progressivament el diàmetre o la carrera, incrementant-ne alhora el volum. Aquestos cilindres es dissenyen per tal de dividir el treball entre tres o quatre, segons convé, porcions iguals per cada etapa d'expansió. Com al motor de doble expansió, on l'espai és escàs, dos cilindres més petits d'una gran suma de volum poden fer-se servir per a l'etapa de baixa pressió. Els motors d'expansió múltiple típicament tenien els cilindres arranjats en línia, tot i que van sorgir diverses tipologies d'organització. Al final del segle XIX, el sistema de balanceig de Yarrow-Schlick-Tweedy es feia servir en alguns motors de triple expansió marins. Els motors Y-S-T dividien les etapes d'expansió de baixes pressions entre dos cilindres, un a cada extrem del motor. Això permetia un millor balanceig del cigonyal, de manera que s'obtenia una resposta més suau i ràpida, amb menors vibracions generades pel motor. Això va fer popular la configuració de motor de triple expansió de quatre cilindres als vaixells de passatgers que, no obstant, sigueren reemplaçats per turbines, virtualment sense vibracions.

El Motor

Una unitat de motor pren el subministrament del vapor a alta pressió i temperatura i dóna com a sortida vapor d'aigua a un estat de menor pressió i temperatura, fent servir la diferència d'energies d'entrada i sortida en la mesura de les possibilitats d'eficiència de la màquina per tal de transformar-la en treball mecànic.

Una unitat de motor sol anomenar-se 'motor de vapor' per definició. També poden operar amb aire comprimit o qualsevol altre gas.

La Caldera

Les calderes són dipòsits a pressió que contenen l'aigua a bullir, que disposen d'alguna mena de mecanisme per tal de transferir el calor a l'aigua de manera que acaba bullint.

Els dos mètodes de transferència del calor a l'aigua més emprat són:

1.Caldera aigua-tub – L'aigua és continguda o es mou travessant un o diversos tubs rodejats de gasos calents.
2.Caldera foc-tub – L'aigua plena parcialment un tanc per baix o per dins del qual hi ha una càmera de combustió o una llar amb tubs de foc per on discorren els gases calents.

Una vegada s'ha transformat l'aigua en vapor, algunes calderes fan servir sobreescalfament per tal d'augmentar la temperatura del vapor encara més. Això permet una major eficiència.

Motors composts

Al expandir-se el vapor en un motor d'alta pressió, la temperatura disminueix, degut a que no s'allibera calor per part del sistema, això és conegut com a expansió adiabàtica i resulta en vapor entrant en el cilindre a alta temperatura i abandonant-lo a baixa temperatura. D'aquesta manera es causen cicles d'escalfament i refredament del cilindre amb cada carrera, causant certes ineficiències.

Un mètode per tal de disminuir la magnitud d'aquest escalfament i refredament es va inventar el 1804 per part de l'enginyer britànic Arthur Woolf, que va patentar el seu motor compost d'alta pressió Woolf el 1805. Al motor compost, el vapor d'alta pressió provinent de la caldera s'expandeix a un cilindre d'alta pressió (AP) i després entra a un cilindre de baixa pressió (BP). L'expansió completa del vapor ara és causada travessant múltiples cilindres ocorrent a cada cilindre una expansió menor. Aquesta configuració permet reduir la magnitud del cicle d'escalfament i refredament, augmentant l'eficiència del motor. Per tal de derivar igual càrrega de treball al funcionar amb càrregues de menor pressió es requereix un volum major de cilindre, al ocupar el vapor expandit un volum més gran. És per això que el diàmetre, i de vegades la carrera, s'incrementen en cilindres de baixa pressió, donant com a resultat cilindres més grans.

Els motors d'expansió doble (anomenada composta de manera sovint) expandeixen el vapor en dos etapes. Les parelles poden ser duplicades o el treball d'un cilindre de baixa pressió pot dividir-se amb un cilindre d'alta pressió, expulsant en un o en l'altre, donant lloc a una configuració de 3 cilindres on els diàmetres del cilindre i l'èmbol són aproximadament el mateix fent així les masses alternatives fàcils de balancejar.

Aplicacions estacionàries

Els motors de vapor estacionaris es poden classificar en dos tipus principals:

1.Motors bobinats, corrons de laminat, mules de vapor, motors marins i aplicacions similars que necessiten parades i marxa reversa freqüent.

2.Motors que donen potència, que rarament paren i no necessiten reversa. Això inclou els motors que es fan servir a les centrals tèrmiques i en aquells que es feien servir en estacions de bombeig, molins, fàbriques i per donar potència als trens i tramvies abans de l'ús estès de l'electricitat.


Les mules de vapor són motors tècnicament estacionaris, tot i que són muntats en patins i poden transportar-se. Són dissenyades per a la indústria de la fusta i poden transportar-se elles mateixes a cada lloc. Una vegada assegurades mitjançant cable a un arbre a la localització desitjada, la màquina es mou cap al punt d'ancoratge a la qual es troba enganxada.

El motor portàtil és un motor estacionari muntat sobre rodes, que pot ser transportat mitjançant cavalls a cada lloc o també per un motor de tracció, en comptes d'estar fix en un determinat emplaçament.

Aplicacions de logística i transport

Els motors de vapor es fan servir per donar potència a una gran diversitat d'aplicacions autotransportades:

Marines: Vaixell de vapor, Barca de vapor, Iot de vapor
Rail: Locomotora de vapor
Agricultura: Motor de tracció, Tractor de vapor
Transport per carretera: Furgó de vapor, Autobús de vapor, Tricicle de vapor, Cotxe de vapor
Construcció: Corró de vapor, Excavadora de vapor
Militar: Tanc de vapor, Catapulta de vapor
Espai: Coet de vapor
En algunes d'aquestes aplicacions, avui dia es fan servir motors de combustió interna degut a la seva alta relació potència-pes, al menor manteniment requerit i als requeriments d'espai.

Com funciona una màquina de vapor?

Una màquina de vapor no crea energia, utilitza el vapor per activar l'energia calorífica alliberada per la combustió de combustible alternatiu en giratori i la llançadora, per tal de realitzar un treball. Una màquina de vapor té un forn, que es crema carbó, petroli, fusta o un altre combustible per produir energia tèrmica. En la intervenció d'un reactor d'energia atòmica planta com un forn i la desintegració dels àtoms genera calor. Una màquina de vapor té una caldera. La calor de la crema de combustible presa l'aigua per convertir-se, i ocupa un espai molt més gran que el ocupat per l'aigua.

Aquesta expansió de l'energia es pot utilitzar de dues maneres: (1) mou un èmbol amb un moviment de vaivé o (2) conduir una turbina.

Qui va començar a utilitzar el vapor com a força?

Durant els segles XVII i XVIII van començar a aplicar sistemes d'assaig que utilitzaven la força d'expansió del vapor.

Això va portar a l'inici d'una etapa essencial en la transformació industrial.

Va tenir els seus antecedents però acabat en el segle XVIII es va perfeccionar i va aplicar.

Entre aquests antecedents, es troba el tractat "Pneumàtica" escrit pel científic grec Heró d'Alexandria al segle I abans de Crist, en el qual estudiava la força generada per l'expansió del vapor. Així mateix va inventar la eolípila, una màquina simple de vapor que feia servir el principi de propulsió però sense finalitat pràctica.

El Marquès de Worcester, a Anglaterra, cap a 1640 va fer proves per utilitzar el vapor, però el van prendre per boig i el van tancar.

El francès Denis Papin (1674-1714) va crear una olla a pressió, amb l'ús de la força del vapor.

Però qui va inventar la primera màquina de vapor útil, va ser Thomas Newcomen, anglès, (1663-1729). Va aconseguir una bomba a vapor per extreure aigua de pou a les mines. Se la va anomenar màquina de contrapès per tenir al capdavant un enorme trapezi que es movia d'endavant cap enrere transferint aquestes forces a un pistó que es movia dins d'un cilindre.

Però aquests primers intents gastaven molt combustible, dispersaven l'energia i es sobreescalfava.

James Watt, escocès, el 1765, va introduir un condensador separat del cilindre, va aconseguir un estalvi d'energia i un augment de la potència.

La màquina posada en marxa per Watt va ser el motor més important inventat fins aquell moment i va assenyalar l'inici de la industrialització moderna.

Antecedents

La història dels primers passos de la màquina de vapor ens exigeix alguns aclariments previs sobre els principis en què està basada i en particular sobre l'evolució de les idees referents a la pressió atmosfèrica.

El 1644 Torricelli va enunciar que la pressió de l'atmosfera era igual a la exercida per una columna de mercuri d'uns 760 mm d'alçada.

El 1654, Von Guericke, amb el seu famós experiment de Magdeburg, va demostrar la immensa força que l'atmosfera podia exercir. Va mostrar que quan dos hemisferis de 50 centímetres de diàmetre perfectament ajustats eren units de manera que formessin una esfera i es feia el buit al seu interior, dos tirs de vuit cavalls no podien separar-los. En un altre experiment més immediatament relacionat amb la història de la màquina de vapor va mostrar que quan es creava un buit parcial sota un èmbol de grans dimensions introduït en un cilindre, la força sumada de cinquanta homes no podia evitar que la pressió atmosfèrica portés l'èmbol al fons del cilindre.

Aquests experiments van donar vida a la idea que si es pogués trobar algun mitjà senzill per crear el buit repetides vegades es podria utilitzar la pressió atmosfèrica com una avantatjosa font d'energia. En això es basen les màquines de vapor trucades atmosfèriques.

James Watt: Biography

Watt was a Scottish inventor and mechanical engineer, renowned for his improvements in steam engine technology.

James Watt was born in Greenock on 18 January 1736. His father was a prosperous shipwright. Watt initially worked as a maker of mathematical instruments, but soon became interested in steam engines.

The first working steam engine had been patented in 1698 and by the time of Watt's birth, Newcomen engines were pumping water from mines all over the country. In around 1764, Watt was given a model Newcomen engine to repair. He realised that it was hopelessly inefficient and began to work to improve the design. He designed a separate condensing chamber for the steam engine that prevented enormous losses of steam. His first patent in 1769 covered this device and other improvements on Newcomen's engine.

Watt's partner and backer was the inventor John Roebuck. In 1775, Roebuck's interest was taken over by Matthew Boulton who owned an engineering works in Birmingham. Together he and Watt began to manufacture steam engines. Boulton & Watt became the most important engineering firm in the country, meeting considerable demand. Initially this came from Cornish mine owners, but extended to paper, flour, cotton and iron mills, as well as distilleries, canals and waterworks. In 1785, Watt and Boulton were elected fellows of the Royal Society.

By 1790, Watt was a wealthy man and in 1800 he retired and devoted himself entirely to research work. He patented several other important inventions including the rotary engine, the double-action engine and the steam indicator, which records the steam pressure inside the engine.

Watt died on 19 August 1819.

James Watt: Vida

James Watt (19 de gener de 1736 - 19 d'agost de 1819) va ser un matemàtic, inventor i enginyer escocès. Va néixer a Greenock, Escòcia, i va viure i treballar a Birmingham, Anglaterra.

Amb motiu de la reparació d'una màquina de vapor de Newcomen, ideà una sèrie de perfeccionaments per a aprofitar més bé el vapor mitjançant un condensador separat (1765); poc després (1769) patentà el seu invent. Les seves millores a la màquina de vapor van ser fonamentals per la Revolució industrial al Regne Unit i a tot el món. Ideà diversos sistemes per a la conversió del moviment alternatiu en rotatiu; ideà també l'èmbol de doble efecte (1785) i el famós regulador de boles que duu el seu nom. Per la seva contribució en desenvolupar l'enginy hom el considera, sovint, com el veritable creador de la màquina de vapor moderna.

Video etapes del funcionament

Video de la Història

Steam Engine's Operation

The steam engine consists of a steam piston/cylinder that moves a large wooden beam to drive the water pump. The engine does not use steam pressure to push up the steam piston! Rather, the system is constructed so that the beam is heavier on the main pump side, and gravity pulls down the main pump side of the beam. Weights are added to the main pump side if necessary. The pumps in Figure 1 expel water on a upward pump piston stroke, in agreement with the pumps used in the equipment at the time, and the discussion follows that design. In order to draw water into the main pump on the right side of the diagram, consider a cycle that starts with the beam tipped down on the right. The cylinder below the steam piston is first filled with atmospheric pressure steam and then water is sprayed into the cylinder to condense the steam. The resulting vacuum pulls the steam piston down, pulling the main pump piston upwards, lifting the water above the main pump piston and filling the lower main pump chamber with water. At the bottom of the steam piston stroke, a valve opens to restore the steam cylinder to atmospheric pressure, and the beam tips down on the right by gravity, permitting the main piston to fall. As the main piston falls, the water from below the piston passes to the chamber above the piston as explained later. Atmospheric pressure steam enters the steam cylinder during this step, enabling the process to be repeated.

Steam Engine's History

One of the most significant industrial challenges of the 1700's was the removal of water from mines. Steam was used to pump the water from the mines. Now, this might seem to have very little to do with modern steam-powered electrical power plants. However, one of the fundamental principles used in the development of steam-based power is the principle that condensation of water vapor can create a vacuum. This brief history discusses how condensation was used to create vacuum for operation of early steam-based pumps, and how James Watt invented the separate condenser. Although the cyclic processes presented in this history are not used in today's continuous flow steam turbines, current systems use separate condensers operating at subatmospheric pressure, adapting the principles explained here. Also, the stories of the inventors and their inventions offer insight into the process of technological discovery.

Components dels motor de vapor

Hi han dos components fonamentals als motors de vapor: la caldera o generador de vapor, i la unitat motriu que, normalment, és anomenada “motor de vapor”. Els dos components poden ser integrats en una unitat simple o poden ser situats a certa distància l'un de l'altre, en una gran varietat de configuracions.
Altres components són comuns a moltes configuracions:

• Bombes (com a injectors) per tal de subministra aigua a la caldera durant la operació.
  
• Condensadors per tal de recircular l'aigua i recuperar així el calor latent de vaporització.
  
• Sobreescalfadors per tal d'augmentar la temperatura del vapor per damunt del seu punt de saturació de vapor
  
• Altres mecanismes per tal d'incrementar el flux a les càmeres de combustió. Quan es fa servir carbó, una cadena o un mecanisme d'empenta per hèlix, juntament amb un accionador pot incloure's per tal de moure el combustible d'un tanc de subministrament a la càmera de combustió.

Aplicacions de la Màquina de vapor

Des de començaments del segle XVIII, les màquines de vapor s'han fet servir per a donar potència a una multitud d'usos. Al principi es feien servir com a bombes de pistó i des que començaren a aparèixer els motors alternatius als anys 1780, també serviren per tal de donar potència a les fàbriques. Al principi del segle XIX, el transport de vapor per terra i per mar començà a aplicar-se amb cada vegada més presència als mitjans de transport.

Es diu que els motors de vapor varen ser la força motriu de la Revolució industrial, essent útils per moure maquinària en fàbriques, molins, estacions de bombeig i aplicacions de transport, com per exemple locomotores, vaixells i vehicles terrestres. El seu ús en agricultura va resultar en un augment de la terra disponible per a ser cultivada.

També solen fer-se servir màquines de molt baixa potència per donar potència a prototips o models, fins i tot existeixen algunes aplicacions anecdòtiques com el rellotge de vapor.

Etapes del funcionament

• Etapa I. En una caldera es genera vapor mitjançant la crema d'algun combustible (antigament fusta o carbó, actualment petroli i gas natural). El vapor és introduït al cilindre arrossegant l'èmbol o pistó.
• Etapa II. Portant a terme un rave de biela-manovella, aquest es pot convertir en un moviment de rotació, per exemple, del rotor d'un generador elèctric.
• Etapa III. Un cop finalitzades les dues etapes, l'èmbol (o pistó) retorna a la seva posició inicial, expulsant el vapor d'aigua. El cicle es controla mitjançant una sèrie de vàlvules d'entrada i de sortida, que regulen la renovació de la càrrega, és a dir, els fluxos del vapor cap al cilindre i des del cilindre.

Desenvolupament

El desenvolupament de la màquina de vapor fou impulsat per la seva aplicació en els camps fonamentals de la industrialització: els transports (ferrocarrils, vaixells) i l'energia de tracció de les indústries. Les primeres màquines de vapor descrites —Giovanni Battista della Porta (1601), Edward Sommerset (1663)— no aconseguiren aplicacions pràctiques. El 1705, Thomas Newcomen, seguint el projecte de Denis Papin, construí una màquina de vapor. Cap a mitjan del segle XVIII, James Watt, intentant de resoldre el problema de la pèrdua d'energia presentà un model ja amb força millores. Durant el segle XIX l'evolució de la màquina aconseguiria un augment de la potència i un estalvi de combustible.