motors tèrmics de combustió externa i alternatius: la màquina de vapor

Antecedents

Abans de James Watt, altres ja havien dissenyat màquines que aprofitaven el vapor per produir moviment.

• 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.

• Màquina de vapor de Denis Papin: L’any 1680, el físic francès Denis Papin va dissenyar una marmita per cuinar el menjar més ràpidament. Era la predecessora de les olles a pressió.

Uns anys més tard, el 1687, va presentar una màquina senzilla que podia fer pujar aigua gràcies al foc.

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.

• Amic del miner de Thomas Savery: L’any 1698, l’enginyer britànic Thomas Savery va patentar un dispositiu que bombejava l’aigua de les mines. La màquina era coneguda com l’amic del miner i la màquina de foc.

Escalfava aigua líquida en una caldera per transformar-la en vapor. Quan s’obria una vàlvula, el vapor circulava per un tub que el portava a un tanc. Quan el tanc estava ple de vapor, es refredava amb aigua per la part exterior, de manera que el vapor es condensava. I com que estava comunicat amb l’aigua de la mina per un altre tub, en produir-se el buit, l’aigua pujava.

• Màquina de vapor de Thomas Newcomen:L’any 1712, el ferreter Thomas Newcomen 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. Newcomen 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. Així era com bombejava aigua de les mines subterrànies amb un pistó de simple efecte.

Estructura

L’any 1769, James Watt va patentar la seva màquina de vapor. Francesc Santponç i Francesc Salvà van introduir la màquina de vapor a Catalunya. Va inspirar-se en la màquina de Newcomen, però 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.

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

Funcionament

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. Lèmbol 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.