Les primeres màquines de vapor descrites —Giovanni Battista della Porta (1601), Edward Sommerset (1663)— no aconseguiren aplicacions pràctiques. El 1690 Denis Papin proposà l’obtenció de treball a partir del buit produït per la condensació del vapor a l’interior d’un cilindre proveït d’un èmbol; però fou Thomas Savery qui construí, el 1698, la primera màquina de vapor, aplicada al bombament d’aigua de les mines. La màquina de Savery constava d’una caldera i de dos grans dipòsits ovalats, a cadascun dels quals hom introduïa, alternativament, vapor d’aigua i de refredament; el buit produït per la condensació del vapor aspirava l’aigua de la mina; la posterior introducció de vapor expulsava l’aigua del dipòsit i permetia de repetir un altre cop el cicle. L’ús d’aquesta màquina, molt estès en el proveïment d’aigua per als pobles i en la tracció de rodes hidràuliques, restà limitat a les mines per l’altura del bombament, que depenia de la pressió del vapor. El 1705 Thomas Newcomen, seguint el projecte de D.Papin, construí una màquina de vapor en la qual l’arbre solidari amb l’èmbol accionava una bomba d’aigua per mitjà d’un balancí amb un contrapès; en entrar el vapor dins el cilindre, l’èmbol pujava, per efecte del contrapès, i el buit produït posteriorment per la condensació del vapor feia baixar l’èmbol i aixecava altre cop el contrapès; la nova entrada de vapor expulsava l’aigua de condensació i feia pujar novament l’èmbol. Aquesta màquina, que començà a introduir-se a les mines cap al 1711, hi tingué una gran aplicació durant tot el s XVIII, per tal com l’altura del bombament no era limitada per la pressió del vapor. Cap a mitjan s XVIII, James Watt, intentant de resoldre el problema de la pèrdua d’energia produïda pel refredament del cilindre en la condensació, introduí l’ús del condensador independent i el manteniment de la temperatura del cilindre per mitjà d’una camisa de vapor. El buit era produït en el condensador, i hom el mantenia per mitjà d’una bomba; el cilindre era tancat per tots dos caps, i la pressió atmosfèrica a la cambra superior del cilindre era mantinguda per la introducció de vapor. Amb aquestes variacions, patentades el 1769, hom aconseguia un gran estalvi de combustible, tot i que no modificaven substancialment la màquina de Newcomen. El 1781 Watt patentà diversos sistemes per a convertir el moviment alternatiu en rotatiu, però no acceptà l’ús de la biela i del cigonyal fins que expirà la patent de James Pickard, el qual ell considerava un plagiari de les seves idees. L’any següent patentà dues modificacions d’una gran importància, inventades anys abans. L’una era l’aplicació del doble efecte (utilització de les dues cares de l’èmbol com a superfícies de treball), i l’altra, inventada el 1769, l’aplicació de l’expansió del vapor per a la producció de treball. Avançà també l’ús de la vàlvula reguladora de la velocitat d’admissió del vapor i un regulador centrífug per al control de la vàlvula reguladora. Tot i l’avantatge que suposava l’ús de l’expansió del vapor, Watt continuà emprant baixes pressions (fins a 0,7 MPa). No fou fins el 1789 que Richard Trevithick introduí la màquina de vapor d’alta pressió i sense condensació per a la impulsió de carruatges de rodes. El 1804 Arthur Woolf ressuscità la màquina compound , patentada per Jonathan Hornblower el 1781, en la qual el vapor d’alta pressió s’expandia en un cilindre i, a continuació, passava a un cilindre més gros, on experimentava una segona expansió a pressió més baixa, i obtenia, així, un rendiment més elevat i una distribució de l’esforç mecànic més uniforme. Aquesta màquina, però, topà amb la competència de la màquina de Trevithick, de construcció més simple, i el seu ús no es generalitzà fins que, el 1845, proposà la millora del sistema de transmissió de Watt aplicant l’acció del cilindre d’alta pressió en un punt del balancí entre el centre i un dels extrems. Així hom aconseguia un augment de la potència i un estalvi de combustible. 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. La màquina de vapor moderna consta, essencialment, d’una caldera , generalment d’alta pressió, que forneix el vapor, el qual és conduït a un cilindre o a uns quants a través d’un regulador centrífug i d’un distribuïdor , sincronitzat amb els moviments de l’èmbol, que pot ésser de corredora, de vàlvules, o de claus. El vapor que surt del cilindre pot ésser expulsat a l’atmosfera, com en el cas de les locomotores, o bé passa al condensador , i el vapor condensat és tornat a conduir a la caldera, per mitjà d’una bomba. El moviment de l’èmbol és transmès per mitjà d’un sistema de biela i cigonyal. La fracció de calor que hom converteix en treball mecànic és anomenat rendiment tèrmic . L’ús del condensador incrementa el rendiment tèrmic, i alhora complica l’aparell, per tal com requereix l’aigua suplementària de refrigeració i un mitjà per a mantenir la baixa pressió en el condensador.
f
Tecnologia
Gènesi històrica del desenvolupament de la màquina de vapor
© Fototeca.cat
Màquina tèrmica de funcionament alternatiu que utilitza el vapor d’aigua com a substància de treball i que transforma una part de l’energia interna del vapor en energia mecànica.