Aula Z Tecnologia 3r ESO

HISTÒRIA I EVOLUCIÓ DE LES MÀQUINES TÈRMIQUES


Les màquines tèrmiques han estat un dels factors que més han influït en el desenvolupament dels transports i de les indústries.

Actualment segueixen sent protagonistes ja que mouen gran part de l'economia de totes les societats industrialitzades.

L'ús massiu d'aquests màquines ha provocat també greus problemes als diferents ecosistemes ja que la majoria utilitzen combustibles fòssils que són els responsables, en gran part, de l'efecte hivernacle, de els pluges àcides i de les boires fotoquímiques.

Com que la seva substitució resulta difícil em molts camps i les investigacions actuals van en la línea de millorar el seu rendiment i de reduir les emissions nocives al medi ambient que provoca el seu ús.


EOLÍPILA D'HERÓ D'ALEXANDRIA: En el segle I dC, aproximadament, l’inventor grec Heró d’Alexandria va dissenyar la primera màquina de vapor i la va anomenar eolípila. Va servir només d’entreteniment, i no va utilitzar-se com a motor en processos de producció.

Cremant fusta o una altra font d’energia, escalfava aigua continguda en un recipient. L’aigua líquida s’anava transformant en vapor, que pujava per uns braços verticals i arribava a un altre recipient. Era l’eolípila pròpiament dita, i podia fer voltes entorn d’un eix. El vapor acabava sortint per uns petits tubs amb forma de colze i encarats en sentits contraris. Això feia que l’eolípila girés.

Però fins pràcticament el segle XVII, els avenços pel que fa a l'ús del vapor d'aigua com a fluid energètic va ser gairebé nul. A partir d'aquesta època cal destacar:


PapinDENIS PAPIN (1647 - 1714): Inventa una marmita per a cuinar el menjar més ràpid, és a dir la primera olla a pressió i construeix algunes bombes hidràuliques on l'aigua es bombejada primer pel vapor a pressió i posteriorment a partir del buit que provoca la seva condensació.

Papin

Cremant fusta, escalfava aigua líquida en un cilindre. L’aigua líquida s’anava transformant en vapor i movia verticalment un èmbol a dins del cilindre. Si lligava un extrem de la corda a l’èmbol i l’altre a un cubell, i la passava per una politja, podia treure aigua d’un pou, per exemple.


Amiga del minerTHOMAS SAVERY (1650 - 1715): Patenta "l'amiga del miner", una bomba hidràulica que extreia aigua de la mina amb l'ajuda del vapor.

Estava formada per dos dipòsits que funcionaven alternativament. El primer dipòsit es troba ple d'aigua que serà impulsada a la superfície empesa per la pressió del vapor provinent de la caldera.

L'altre dipòsit es troba ple de vapor i quan hi introduïm aigua freda es condensa i fa el buit, com que estava comunicant amb l'aigua de la mina per un altre tub, en produir-se el buit feia aspirar l'aigua.

per tant, mitjançant un joc de vàlvules accionades manualment s'anaven omplint i buidant alternativament els dipòsits.




Amiga del miner


El dipòsit no podia estar a més de 10 metres per sobre el nivell de l'aigua a aspirar. Això feia que sovint es rebentessin les canonades o les calderes degut a la potència.







THOMAS NEWCOMEN ( 1663 - 1729): L’any 1712, va construir la primera màquina de vapor atmosfèrica que funcionava amb pistó. La idea va sorgir perquè alguns dels seus clients més importants eren propietaris de mines d’estany i tenien problemes seriosos amb les inundacions. Pretenia trobar una solució que els permetés treure l’aigua de la mina. Tot i que la seva màquina consumia molt de combustible, es desgastava fàcilment i tenia un rendiment baix, va tenir èxit i s’utilitzava molt.

Escalfava aigua líquida per transformar-la en vapor. El vapor feia avançar l’èmbol, i quan arribava al final del cilindre deixava anar un raig d’aigua, que condensava el vapor i feia baixar l’èmbol l'accionament de les bombes encarregades d'aspirar l'agua. Així era com bombejava aigua de les mines subterrànies amb un pistó de simple efecte.

Després d'això cal evacuar l'aigua de l'interior del cilindre i tornar a omplir el cilindre de vapor per a repetir el cicle.

màquina de vaporHi havia un seguit de dificultats importants:

* era difícil de construir cilindres i èmbols que ajustessin bé ja que els materials no estaven encara prou desenvolupats i s'usaven juntes de cuir mullades.

* era necessària una gran quantitat de vapor per omplir el cilindre, ja que aquest es refredava i calia tornar-lo a escalfar a cada cicle.

* aquesta màquina podia situar-se a la superfície, ja que no aspirava l'aigua directament sinó que ho feia a través d'ella accionant les bombes hidràuliques.




màquina de vapor


JAMES WATT (1736 - 1819): L’any 1769, James Watt va patentar la seva màquina de vapor. Va inspirar-se en la màquina de Newcomen i la perfecciona, va introduir diverses modificacions que complicaven notablement el sistema i en milloraven molt l’eficàcia. Entre d’altres, destaquen:

• La construcció d’una cambra de condensació aïllada (el condensador) per refredar el vapor d’aigua i transformar-lo en aigua líquida.

• L’ús d’un cilindre de doble efecte, que accepta vapor d’aigua pels dos costats de l’èmbol alternativament.

Allò que realment va marcar la diferència va ser el sistema per fer entrar i sortir el vapor del cilindre que allotjava l’èmbol. 

màquina de vapor

Watt introdueix el regulador centrífug o de boles, també anomenat de Watt, que permet regular el cabal de vapor al cilindre i mantenir constant la velocitat de la màquina  (va  ser un dels primers dispositius automàtics). Aquest regulador constava de dues boles pesants que giraven a una velocitat proporcional a la màquina principal. A l’accelerar la màquina la força centrífuga feia enlairar les boles que tancaven la vàlvula d’accés del vapor i feien disminuir la velocitat. Quan les boles tornaven a baixar la vàlvula es tornava a obrir i la màquina s’accelerava de nou

Amb aquestes millores es guanya eficiència en el procés i es redueix el consum de carbó.

A partir d'aquest moment s'estén molt l'ús de les màquines de vapor a nivell industrial i no només en la mineria.

Continua sent una màquina atmosfèrica ja que no pot treballar a altes pressions per la limitació en encara tenien els materials.

La màquina de vapor de James Watt va jugar un paper especialment destacat en la indústria tèxtil britànica durant la Revolució Industrial.

Simplificadament, el funcionament d’una màquina de vapor és el següent:

1. Cremant combustible, s’escalfa aigua líquida en una caldera fins a transformar-la en vapor.

2. El vapor d’aigua arriba, a través d’una vàlvula, al cilindre on hi ha l’èmbol.

3. L'èmbol mou el mecanisme de transformació del moviment i produeix treball.

4. El vapor d’aigua que ja s’ha utilitzat es fa passar per un condensador que el refreda per transformar-lo en aigua líquida, que es reenvia a la caldera.

màquina de vapor


màquina de vapor  màquina de vapor


L'impuls definitiu de les altes pressions arriba amb el ferrocarril, entre altres coses degut a la millora de la indústria metal·lúrgica que proporcionava materials i sistemes que podien aguantar altes temperatures i potències.

Cap a finals del segle XIX apareixen les primeres turbines de vapor amb Charles Parson cap al 1884, que han quedat actualment restringides a la producció d'electricitat i a l'impuls de grans vaixell o avions.

Aprofiten l'energia tèrmica produïda en l'encesa d'un combustible dins d'un cilindre i utilitzen el treball realitzat en l'expansió dels gasos produïts.

El primer intent van ser els motors de pólvora sense èxit degut a la seva perillositat.

A la segona meitat del segle XIX es desenvolupa el motor d'explosió i comença a ser factible el seu ús. Cal destacar-ne:

BARSANTI i MATEUCCI amb el motor d'explosió de gas d'un sol cilindre i refrigerat amb aigua amb 5 CV.

ETIENNE LENOIR que construeix el primer automòbil amb motor d'explosió de gas i a posteriori amb gasolina.

NIKOLAS OTTO i EUGEN LANGEN que construeixen un motor similar als de Barsanti i Mateucci però amb menor vibració i pes. També construeixen el Silent-Otto amb un mecanisme de biela-maneta i de quatre temps aconseguint major eficiència i menys soroll. És el que encara es coneix com a cicle Otto.

RUDOLF DIESEL cap a finals del segle XIX proposa un motor amb encesa per compressió, sense espurna, és a dir el cicle Diesel.

A Catalunya, la màquina de vapor va ser introduïda per Francesc Santponç i Francesc Salvà.

Actualment es van introduint millores però els principis de funcionament segueixen sent els mateixos, el cicle Otto per a motors de gasolina i el cicle Diesel per a motor de gasoil.



Aula Z                            CONTACTA:  Mario Domenech i Conxita Sabartrés  Licencia de Creative Commons
Valid CSSValid html 4.01Valid WAI 1.0 AAA