Máquina de Vapor 

n este esquema elemental de la máquina de vapor podemos observar, a nivel básico, como la válvula de la parte superior izquierda de la máquina distribuye el vapor a derecha o izquierda, provocando el movimiento del pistón que hay en el interior del cilindro y que transmite su movimiento rectilíneo a un sistema formado por una biela y una manivela, que transforman este movimiento en un movimiento rotatorio del volante. El vapor utilizado es expulsado a través de un conducto (azul más oscuro) hacia el condensador.

Historia de la máquina de vapor.

n el siglo XVIII, la creciente utilización de la máquina de vapor estuvo relacionada con el consumo de carbón, pues una de las funciones más importantes de esta máquina fue la de bombear agua fuera de las minas de carbón y posteriormente el transporte de este mineral mediante las locomotoras de vapor. De hecho, en Inglaterra la producción de carbón creció espectacularmente a partir de 1700 debido a las necesidades de las máquinas de vapor, como muestran los siguientes datos:

vanzada la Edad Moderna, en concreto en el siglo XVII, se produjeron una serie de experimentos que constituyeron los fundamentos de la máquina de vapor:

l italiano Evangelista Torricelli (1608-1647) enunció, en 1644, que la presión atmosférica era igual a la ejercida por una columna de mercurio de 760 milímetros de altura aproximadamente, por tanto la presión de la atmósfera sería menor a medida que aumentase la altitud sobre el nivel del mar. Esta teoría fue comprobada experimentalmente en 1647.

l físico alemán Otto von Guericke (1602-1686) en otro experimento mostró que cuando se creaba un vacío parcial bajo un émbolo de grandes dimensiones introducido en un cilindro, la fuerza sumada de cincuenta personas no podía evitar que la presión atmosférica llevase el émbolo al fondo del cilindro.

os experimentos mencionados y otros que se produjeron a lo largo de este tiempo hicieron surgir la idea de que si se pudiese encontrar un medio sencillo para crear el vacío repetidas veces se podría utilizar la presión atmosférica como fuente de energía. De hecho, las primeras máquinas de vapor fueron denominadas máquinas atmosféricas, ya que la presión de la atmósfera era la que proporcionaba la fuente motriz.

n 1680 el holandés Christian Huygens (1629-1695) ideó una máquina en la que se hacía explotar pólvora en un cilindro cerrado por un pistón. Al prender fuego a la pólvora, la mayoría de los gases calientes en que se convertía, junto con parte del aire que originalmente estaba en el interior del cilindro, dilatado por el calor, eran expulsados a través de válvulas de escape. Al enfriarse las válvulas se cerraban y se creaba un vacío parcial en el interior del cilindro. Una vez frío, el gas ocupaba un espacio mucho menor que cuando estaba caliente, luego la presión atmosférica llevaba al pistón hacia el fondo del cilindro. No obstante, este procedimiento poseía una serie de desventajas, tales como:

- Se originaban considerables residuos de gas en el interior del cilindro, que provocaban que sólo se lograra un vacío parcial.

- Era peligroso volver a cargar el cilindro con pólvora.

or la razones que anteceden, el francés Denis Papin (1647-1712) dirigió su atención hacia el vapor del agua y en 1690 expuso el modo de actuar de las primeras máquinas de vapor, de la siguiente forma: "Como el agua goza de la propiedad de que una pequeña cantidad de ella transformada en vapor por medio del calor tiene una fuerza elástica similar a la del aire y por medio del frío se transforma de nuevo en agua, de manera que no queda ni rastro de aquella fuerza elástica, se pueden construir máquinas en cuyo interior, por medio de un calor no demasiado intenso y a bajo costo, se pueda producir el vacío perfecto, que de ningún modo se podría conseguir utilizando la pólvora".

stas ideas fueron puestas en prácticas por el propio Papin, quien construyó una máquina que consistía en un tubo vertical de unos 63 milímetros de diámetro, cerrado por la parte inferior, que contenía un émbolo con un vástago. Se ponía un poco de agua en el fondo del cilindro y a continuación se introducía el émbolo y se calentaba la parte inferior del tubo para hacer hervir al agua. Así se generaba el vapor que hacía elevarse al émbolo, el cual se sostenía en el punto más alto de su recorrido por medio de un pasador. Entonces se enfriaba el aparato, lo que hacía que el vapor se condensara para convertirse otra vez en agua, creando el vacío debajo del émbolo. Al quitar el pasador, el émbolo era empujado hacia el fondo del cilindro por la fuerza de la presión atmosférica. Con esta experiencia, Papin estableció el siguiente principio: "es posible utilizar vapor para mover un émbolo hacia arriba y hacia abajo en el interior de un cilindro". Dicho principio fue trasladado a la práctica por Savery, Newcomen y Smeaton.

homas Savery construyó la primera máquina de vapor utilizable, conocida como la "máquina de fuego" o "el amigo del minero". Fue utilizada en los primeros años del siglo XVIII para bombear agua a grandes edificios o a ruedas hidráulicas. Pero la altura máxima a que podía elevar agua no era suficiente como para permitir su uso en el drenaje de las minas. En un intento de aumentar la altura, Savery utilizó vapor a alta presión, es decir, vapor a una presión entre 8 y 10 atmósferas, para tener la posibilidad de elevar el agua unos 90 metros. Sin embargo, este tipo de máquina presentaba problemas de construcción y tuvo que transcurrir una centuria para que las máquinas de vapor a alta presión fueran de uso común.

l inglés Thomas Newcomen (1663-1729) adoptó el cilindro y el pistón propuestos por Papin. Su máquina se movía sólo por la presión atmosférica, por lo que fue fácil de construir. Con ella se logró extraer aproximadamente 45 litros de agua de una profundidad de unos 46 metros por medio de una serie de bombas de extracción escalonadas, lo que equivale a unos 5,5 cv frente a 1 del "amigo del minero" de Savery. Cabe señalar que su eficacia estaba limitada por el hecho de que a principios del siglo XVIII era imposible asegurar que el interior de un cilindro iba a ser perfecto, algo que se necesitaba en los cañones y bombas de agua si superaban los 18 centímetros de diámetro.

n 1767 Smeaton inició un estudio científico sobre el rendimiento de una máquina de vapor, medido en términos de la cantidad de agua que podía levantar a 0,3 metros de altura por cada bushel (36,3 decímetros cúbicos). Descubrió que el rendimiento medio era entonces de unos 4 millones de metros por kilogramo, y con la ayuda de una máquina especial para barrenar cilindros procedió a diseñar un cierto número de máquinas mucho más eficaces con cilindros de gran tamaño. En 1774 había logrado duplicar el rendimiento.

ames Watt (1736-1819), ingeniero mecánico escocés, se dio cuenta de que la causa principal del mal funcionamiento de la máquina de Newcomen era el hecho de tener que enfriar el cilindro, con objeto de condensar el vapor, entre movimiento y movimiento del pistón, luego, si se pudiese mantener el cilindro siempre caliente, se podría esperar una gran mejora de su rendimiento. Watt dedujo que al ser el vapor un cuerpo elástico se precipitaría a ocupar cualquier vacío y que si se establecía una comunicación entre el cilindro y un recipiente en cuyo interior se hubiese hecho el vacío, el vapor pasaría del cilindro a este recipiente, en donde se podría condensar sin necesidad de enfriar el cilindro.

a innovación más importante de la máquina de Watt es su condensador independiente, aunque también introdujo otras mejoras. La máquina fabricada en 1788 funcionaba de la siguiente manera: el cilindro se mantenía a una temperatura elevada por medio de un baño de vapor y existía un condensador independiente vaciado por medio de una bomba de aire. Cuando el pistón alcanzaba el punto más elevado de su recorrido, la válvula de escape se abría, y de forma simultánea se hacía entrar vapor por medio de otra válvula de admisión en el espacio comprendido entre el pistón y la parte superior del cilindro. La presión de vapor y la presión atmosférica combinadas hacían descender el pistón. Cuando el pistón alcanzaba el punto inferior de su recorrido, las dos válvulas anteriores (la de admisión y la de escape) se cerraban y se abría una válvula de equilibrio. Todo ello servía para igualar la presión a ambos lados del pistón, que entonces era llevado de nuevo a la parte más alta de su recorrido por el peso del vástago de la bomba de agua.

as mejoras introducidas por Watt son las siguientes:

1) La innovación de la máquina de doble efecto, que la hacía doblemente potente por medio de la inyección alternativa de vapor a cada lado del pistón, llevó a Watt a inventar en 1782 el mecanismo del "paralelogramo articulado". El problema a resolver era la transmisión del impulso del pistón, en su camino hacia arriba, al balancín. La cadena que hacía descender al balancín en la máquina de simple efecto no servía para este propósito, puesto que era necesaria una conexión rígida para empujar al balancín hacia arriba y no se podía unir directamente el balancín al pistón, dado que mientras el segundo se movía siempre en línea recta, el extremo del balancín describía un arco.

2) La segunda innovación fue usar la fuerza expansiva del vapor, cortando su entrada al poco de haber iniciado su recorrido el pistón y dejando que el resto del trabajo lo hiciese su fuerza de expansión.

3) Un regulador para gobernar la entrada de vapor y mantener la máquina funcionando a una velocidad regular.

Las mencionadas innovaciones y otras más triplicaron el rendimiento de las bombas de agua, en relación a las de Smeaton.

Watt conquistó el campo industrial añadiendo una nueva innovación, una máquina capaz de producir un movimiento rotativo. Desarrolló un engranaje planetario, en el que la rueda planetaria, unida al extremo del vástago del pistón, se movía alrededor del parámetro del piñón central, unido éste al extremo del balancín. En 1784, se construyó una máquina de este tipo, de una potencia de 10 cv.

n 1802 Richard Trevithick construyó una máquina de bombeo de pequeño tamaño pero de gran potencia, con una caldera de hierro colado cuyas paredes medían unos 38 milímetros de espesor, y lograba una presión de 10 kilogramos por centímetro cuadrado, es decir, diez veces la presión de la atmósfera. En 1800 había construido una máquina de doble efecto y alta presión para extraer minerales en Cornualles. En 1804 construyó la primera locomotora para ferrocarril.

a máquina "Cornualles" se usó hasta finales de siglo para trabajos de bombeo y para múltiples aplicaciones industriales, tales como la laminación de hierro, la molienda de cereales y la fabricación de azúcar. En 1844 el rendimiento de esta máquina era de unos 45 millones de metros por kilogramo por cada 36,3 decímetros cúbicos de carbón, frente a los 4 millones de metros por kilogramo que rendía una máquina de Newcomen en 1767.

Otra vía de progreso fue la de las máquinas de expansión múltiple, pero no se usó hasta entrado el siglo XIX.

l tamaño y el peso de las primeras máquinas de vapor serían los causantes de que las primeras aplicaciones del vapor al transporte se hiciese sobre barcos. En los barcos se necesitaba un centro de gravedad muy bajo para lograr la estabilidad y el enorme balancín de las primeras máquinas de vapor estaba colocado a gran altura, por lo que se necesitó una modificación en el diseño que situase el balancín a menor altura. Se necesitaban máquinas marinas que ofrecieran tamaño reducido, eficacia y seguridad.

n 1807 el americano Robert Fulton logró el primer éxito comercial con una máquina que conducía al vapor de ruedas de paletas Clermont de Nueva York a Albany. El primer barco a vapor europeo entró en servicio en 1812 y era similar a la máquina de Fulton, pues tenía un par de balancines situados a muy baja altura a ambos lados del cilindro vertical.

n 1837 se introdujeron las máquinas verticales de acción directa, en las que la longitud adecuada de la bielas se consiguió por medio de los más diversos artificios, entre ellos la eliminación del vástago del pistón, uniendo directamente las dos bielas laterales a la parte superior del émbolo.

l barco de vapor sufrió un cambio decisivo con la sustitución de las ruedas de paletas por hélices. Para este nuevo método de propulsión se necesitaba una velocidad de rotación relativamente elevada, de forma que en los vapores de hélice la transmisión al eje propulsor debía ser objeto de una multiplicación.

n 1842 la Marina de los Estados Unidos introdujo en uno de sus barcos, en concreto en el Princeton, un motor de hélice, diseñado para mantener toda la maquinaria del barco debajo de la línea de flotación con objeto de lograr una mayor seguridad. Un año después, el barco Great Britain fue la primera nave de vapor que cruzó el océano Atlántico.

n 1784 Watt patentó una máquina de pistón tubular o troncal, en la cual la biela estaba unida directamente al pistón. Esta máquina fue muy utilizada a mediados del siglo XIX a causa del importante ahorro de espacio transversal que suponía. Cuando los barcos de guerra comenzaron a estar equipados con blindaje lateral, la máquina vertical invertida se convirtió en la más empleada en este tipo de barcos.

as máquinas de triple expansión empezaron a utilizarse durante la década de 1870, trabajando a una presión de 10,5 kg/cm², mientras que en 1900, para la utilización más económica del combustible, con presiones superiores a 12,5 kg/cm², se consideraba imprescindible el uso de las máquinas de cuádruple expansión.

os cambios introducidos en los diseños de las máquinas de vapor, sobre todo en el uso de presiones más elevadas, originaron las correspondientes modificaciones en las calderas que las alimentaban. Los problemas básicos fueron cómo aumentar la eficacia de las calderas y cómo obtener el suficiente vapor a presiones cada vez más altas para mantener el ritmo de desarrollo de las máquinas de vapor. Las dificultades causadas en los primeros momentos por la corrosión se vieron reducidas cuando los tubos de hierro fueron sustituidos por tubos de acero. La sustitución de los tubos de hierro por otros de cobre mitigó los problemas, pero no hubo solución satisfactoria hasta 1834, cuando Samuel Hall introdujo el condensador de superficie que proveía de agua estilada para alimentar la caldera.

ue realmente complicado resolver el problema de acomodar la máquina de vapor dentro de unos límites tan reducidos como los de los locomóviles por carretera y por ferrocarril. Los problemas básicos fueron resueltos en la locomotora "Rocket" de Stephenson.

n el primer año del siglo XIX, Trevithick sacó a la luz su primer carruaje movido a vapor. Para mantener caliente el cilindro vertical lo sumergió a medias en la caldera; la transmisión se efectuaba por medio de una biela conectada desde el vástago del pistón a las ruedas traseras. La máquina incluía un proceso especial inventado por el propio Trevithick que consistía en expulsar el vapor de exhaustación por la chimenea para incrementar el tiro de ésta. Trevithick introdujo también un manómetro y una válvula de seguridad en la caldera.

revithick ideó una combinación de la locomotora de vapor y los raíles, dado su convencimiento de la importancia de este tipo de transporte no sólo para mercancías sino también para pasajeros.

n 1804 Trevithick diseñó una locomotora capaz de arrastrar una carga de 10 toneladas sobre rieles de hierro colado a lo largo de un recorrido de 15,5 kilómetros, a la velocidad de 8 km/h. Al año siguiente, se construyó una máquina similar para una mina de carbón de Tyneside, que constituyó un acontecimiento de especial relevancia, pues sería en esta zona industrial del norte de Inglaterra donde Stephenson pondría en marcha por primera vez su "máquina ambulante", denominada Blucher, con idéntico objetivo.

egún se iba incrementando la construcción y uso de las locomotoras, se fue perfeccionando su diseño. Así, Marc Seguin patentó la caldera multitubular y Henry Giffard fue el responsable de los primeros inyectores. A mediado del siglo XIX, los ingenieros de locomotoras de vapor de todo el mundo basaban su trabajo bien en un bastidor de chapa característico de las locomotoras de vapor inglesas o bien en tipo de bastidor de barras elaborado en Estados Unidos. Entonces las velocidades habituales eran de 95 km/h.

no de los objetivos de los diseñadores de locomotoras fue el de economizar combustible a base de usar máquinas de expansión múltiple, pues la distancia que la máquina podía recorrer sin detenerse estaba limitada por la cantidad de combustible y agua que podía llevar encima y la exigencia de reducir la proporción peso-energía era constante. A finales del siglo XIX, la expansión múltiple estaba totalmente implantada.

n la segunda mitad del siglo XIX las locomotoras habían experimentado un considerable incremento de tamaño; las primeras locomotoras rápidas con seis bogies acoplados aparecieron en Italia en 1884. En Inglaterra se introdujeron en 1859 las ruedas motrices acopladas que proporcionaron un mejor agarre sobre raíles y el uso de modernos bogies de cuatro ruedas, con amplia la base y pivote lateral, contribuyó a alentar la construcción de locomotoras más grandes y potentes, a lo que contribuyeron los frenos Westinghouse usados por primera vez en 1868 en trenes americanos de pasajeros.

n la segunda mitad del siglo XIX la máquina de vapor se adueñó del mundo civilizado. Entre 1840 y 1880, la potencia de las máquinas de vapor instaladas en el mundo pasó de 2 millones a 28 millones de cv. Año tras año se extendía a nuevos países, nuevas industrias, nuevos servicios. A modo de ejemplo se puede mencionar que, en 1860, se transformaron por completo las bombas contra incendios y la red de comunicaciones servida por los barcos de vapor, y el ferrocarril se ampliaba y unificaba en las áreas civilizadas. No obstante, no hubo cambios significativos en la máquina de vapor como tal, exceptuando la introducción de la turbina de vapor a finales de siglo.

í se mejoró en el diseño, en los materiales y en los métodos de manufactura, lo que dio como resultado una proporción energía/peso más favorable y un uso más económico del combustible, el desarrollo de la industria de las máquinas-herramienta también tuvo profundas consecuencias. El progreso se apoyaba también en la creciente eficacia de la maquinaria a la que iba conectada la fuerza motriz como en el caso de la sustitución de la rueda de paletas por hélices en los barcos de vapor.

n el último cuarto del siglo XIX se hicieron necesarias máquinas que desarrollasen altas velocidades capaces de impulsar dinamos. En Inglaterra, P.W. Willans ideó una máquina de expansión múltiple, con los cilindros de alta presión en su parte superior, de simple efecto y movimiento muy uniforme, en la que el vapor era distribuido por un sistema nuevo de válvulas de pistones verticales que se movían arriba y abajo en el interior del vástago del pistón, que era hueco y con una serie de lumbreras abiertas en su superficie. Willans fue el precursor de la normalización, elaborando piezas de máquinas con un error menor de 0,025 mm y haciendo que el cilindro de alta presión para una máquina de un tamaño determinado correspondiese exactamente al cilindro de baja presión de la otra; pistones, juntas, válvulas y otras muchas piezas también eran intercambiables. Entre 1890 y 1900 fueron construidas muchas máquinas de este tipo para mover generadores eléctricos y a finales de siglo el máximo de potencia había subido hasta 2.400 cv.

as máquinas con condensación de vapor de escape y triple expansión, de mayor tamaño, que utilizaban vapor recalentado, podían desarrollar hasta 2.900 cv en las proximidades del año 1900, pero para entonces ya se encontraba en funcionamiento la turbina de vapor y había empezado el declinar de las grandes máquinas de vapor alternativas.

Enciclopedia Universal Multimedia ©Micronet S.A. 1998