TRABAJO DE INVESTIGACIÓN MAQUINA A VAPOR THOMAS NEWCOMEN

Laura Roncancio ValbuenaArmando Barbosa Fuentes

Yurani Lisseth MoralesJuan Julián Méndez

Angie Dorado

Universidad de la SalleFacultad de Ingeniería

Termodinámica Bogotá2012

TRABAJO DE INVESTIGACIÓN MAQUINA A VAPOR THOMAS NEWCOMEN

Laura Roncancio ValbuenaArmando Barbosa Fuentes

Yurani Lisseth MoralesJuan Julián Méndez

Angie Dorado

Trabajo de investigación “Maquina a vapor Thomas Newcomen”

Profesor:Ing. Yaneth Parra.

Docente académica

Universidad de la SalleFacultad de Ingeniería

Programa Ingeniería Ambiental y SanitariaTermodinámica

Bogotá2012

1. PRINCIPIOS DEL TEMA DE INVESTIGACIÓN

1.1 Thomas Newcomen:

Thomas Newcomen (nacido el 12 de febrero de 1663 - 5 de agosto de

1729), herrero e inventor, nació en Darthmouth, Devon, Inglaterra. Es

frecuentemente citado como el padre de la revolución industrial como

su primer innovador y empresario. En 1712 Newcomen, con su socio

Thomas Savery, construyó una máquina de vapor atmosférica utilizada

para bombear agua fuera de las minas de carbón y estaño existentes

en la zona nativa de Newcomen, en el sudoeste de Inglaterra,

particularmente en Cornualles. Más máquinas fueron instaladas por el

propio Newcomen en Inglaterra, lo que llevó a la construcción de más

de 100 máquinas antes de que la patente expirara en 1733. El diseño

fue mejorado más tarde por James Watt.1.

1.2 Historia

Había inventado y patentado en 1698, una bomba de vapor para el

drenaje de las minas; sin embargo, esta bomba planteaba numerosos

problemas ya que trabajaba con altas presiones, lo que con cierta

frecuencia provocaba serios accidentes. Ante los problemas y

dificultades que planteaba este sistema de drenaje, Thomas Newcomen,

que había trabajado para Savery, pensó que podía utilizarse la fuerza

del vapor para mover a distancia una bomba impelente colocada en el

interior del pozo de drenaje de la mina. La máquina de Newcomen

consistía en un balancín, uno de cuyos extremos se unía a una barra

rígida contrapesada que descendía por el pozo de drenaje hasta la

bomba mecánica colocada en su interior. El otro extremo se unía al

1 http://enciclopedia.us.es/index.php/M%C3%A1quina_de_Newcomen

pistón de un cilindro que se llenaba con el vapor proveniente de la

caldera. A medida que el cilindro se iba llenando de vapor el pistón era

desplazado hacia arriba y el contrapeso de la barra que accionaba la

bomba en el interior de la mina hacía que ésta bajase. Cuando el pistón

llegaba al final de su recorrido, se inyectaba un chorro de agua fría en el

interior del cilindro, con lo que condensaba el vapor, produciéndose un

vacío parcial que hacía retraerse el pistón hasta la parte inferior, tirando

del balancín que transmitía el movimiento hasta la bomba a través de la

barra rígida del otro extremo. De esta manera tan simple se conseguía

accionar a distancia el brazo de la bomba de achique, sin necesidad de

colocar la máquina en el interior de la mina y sin utilizar grandes

presiones de vapor con lo que se reducía sensiblemente el riesgo de

explosiones. Básicamente la máquina de Newcomen era un motor de

combustión externa que convertía calor en energía mecánica, mientras

que la de Savery no era más que una bomba de vapor especializada en

drenaje de minas. Las ventajas, desde el punto de vista práctico, de esta

máquina eran tantas que rápidamente sustituyeron a las máquinas de

Savery y a finales de la década de 1710 prácticamente todas las minas

de carbón de Gran Bretaña tenían instalados los sistemas de bombeo de

Newcomen, exportándose, en los años siguientes, a las colonias

americanas y a otros países.

El trabajo de Newcomen sobre la máquina de vapor fue

fundamentalmente empírico, fruto de la habilidad, experiencia y

conocimientos adquiridos mientras fabricaba componentes para las

bombas de Savery. El hecho de que el sistema de bombeo de

Newcomen no estuviera basado en una serie de fundamentos teóricos

relacionados con la producción y empleo del vapor como fuerza motriz,

hizo que las sucesivas máquinas que se construyeron tuvieran eficacias

muy dispares, dependiendo de los tamaños relativos de los diferentes

componentes que lo conformaban. Era frecuente que bombas que se

construían de mayor tamaño con la intención de conseguir mayores

caudales de bombeo, resultaba que apenas eran capaces de bombear

un caudal ligeramente superior al de otras máquinas de menor tamaño,

pero eso sí, generalmente con un mayor consumo de combustible. Se

requería por tanto realizar un estudio cuidadoso, siguiendo una

metodología científica, a fin de descubrir de qué factores dependía su

eficacia. En otras palabras, se requería realizar un proceso de

optimización experimental que condujera a introducir las mejoras

necesarias para conseguir el máximo rendimiento de estas máquinas.

Este proceso de optimización fue llevado a cabo por John Smeaton

(1724-1792), un ingeniero con formación teórico-científica que en 1769

realizó un catálogo de máquinas de Newcomen instaladas en minas

británicas, en el que detallaba el tamaño y el rendimiento de

aproximadamente un centenar de estas máquinas. Una vez que dispuso

del catálogo y no encontrando la relación existente entre las máquinas y

los rendimientos observados, se dedicó a evaluar, por separado, las

diferentes partes que conformaban la máquina. Para ello construyó un

modelo a escala y con él realizó unos ciento treinta experimentos

distintos. En cada uno de estos experimentos Smeaton modificaba uno

de los factores que podían afectar al rendimiento de la máquina,

mientras mantenía los demás constantes. En unos experimentos

estudiaba la longitud del pistón manteniendo su diámetro constante, en

otros, partiendo de una longitud de pistón determinada, estudiaba la

influencia del diámetro, en otros estudiaba el tamaño de la caldera, la

presión que había que mantener en ésta, etc. Así fue como, en tan sólo

tres años, entre 1769 y 1772 fue capaz de establecer y predecir cual

sería la eficacia de estas máquinas, obteniendo los valores óptimos para

el diámetro del cilindro, la longitud del pistón, el número de pasos por

minuto de éste, el tamaño de la caldera, la cantidad de agua introducida,

la temperatura del agua inyectada y hasta el consumo más probable de

carbón para cualquier máquina, desde la más pequeña de un caballo de

potencia hasta la más grande de setenta caballos y para demostrar la

validez de su resultados, él mismo construyó en 1774 una máquina de

76,5 caballos, la más potente lograda hasta ese momento, cuyas

prestaciones cayeron dentro de las previsiones realizadas por Smeaton.

La máquina de Newcomen y las mejoras introducidas por Smeaton

constituyeron el primer gran paso de la denominada Revolución

industrial, periodo histórico caracterizado por un radical cambio en los

procesos de producción, comunicación y transporte, pues el empleo del

motor de vapor permitió reemplazar la energía muscular de hombres y

animales en energía mecánica producida por el vapor. Si una máquina,

como la de Newcomen, podía mover el brazo de una bomba de sacar

agua, muy bien podía utilizarse como motor para realizar otros muchos

trabajos o incluso para arrastrar o desplazar grandes pesos o

mercancías. Pocos años después de que Smeaton presentara las

mejoras de la máquina de Newcomen, un ingeniero escocés de nombre

James Watt (1736-1819) presentó una serie de mejoras todavía más

revolucionarias, como hacer que el vapor condensara en una cámara

diferente a la del pistón, o que éste fuera empujado por el vapor tanto en

sentido ascendente como descendente. Con estas mejoras la eficacia y

rendimiento de la máquina mejoró notablemente, pues ahora el cilindro

del pistón se mantenía siempre caliente, reduciendo el consumo de

carbón. Sin embargo, la mejora que introdujo Watt y que supuso la

consagración de la máquina de vapor como motor térmico fue la

adaptación mecánica que hizo de la máquina de vapor de Newcomen

para que el movimiento vertical del balancín se convirtiera en un

movimiento giratorio que pudiera transmitirse horizontalmente por medio

de poleas o engranajes hasta las máquinas, o que pudiera mover las

palas o las hélices de los barcos o las ruedas de una locomotora. Había

nacido la era del transporte mediante vehículos autopropulsados2.

1.3 Desarrollo de l a máquina de vapor:

El más grande logro de Newcomen fue el desarrollo de la máquina a

vapor probablemente diseñada en 1710 combinando las ideas de

Thomas Savery y Denis Papin. El trabajo de Newcomen sobre la

máquina de vapor fue fundamentalmente empírico, fruto de la habilidad,

experiencia y conocimientos adquiridos mientras fabricaba

componentes para las bombas de Savery. El hecho de que el sistema

de bombeo de Newcomen no estuviera basado en una serie de

fundamentos teóricos relacionados con la producción y empleo del

vapor como fuerza motriz, hizo que las sucesivas máquinas que se

construyeron tuvieran eficacias muy dispares, dependiendo de los

tamaños relativos de los diferentes componentes que lo conformaban.

La máquina que creó Newcomen, junto con su socio Thomas Savery,

fue una máquina de vapor atmosférica que se utilizó para bombear el

agua de las minas. Inicialmente, Thomas Savery inventó una bomba de

vapor para drenar las minas, pero esto acarreaba varios problemas

porque trabajaba con altas presiones y, con frecuencia, provocaba

accidentes. Para eliminar estos problemas, a Thomas Newcomen se le

ocurrió utilizar la fuerza de vapor para mover a distancia una bomba

impelente colocada en el pozo de drenaje de la mina. Esto consistía en

un balancín, donde se unía a uno de sus extremos una barra rígida

contrapesada, que bajaba por el pozo de drenaje hasta la bomba

mecánica de su interior. El otro extremo iba unido al pistón de un

cilindro que se llenaba del vapor que provenía de la caldera. Según el

2 Rolt, Lionel Thomas Caswell; John S. Allen (1977). The Steam Engines of Thomas Newcomen (2 ed.). Hartington: Moorland Publishing Company. pp. 160. ISBN 0-903485-42-7

cilindro se llenaba de vapor, el pistón se desplazaba hacia arriba y el

contrapeso de la barra que accionaba la bomba desde el interior de la

mina la hacía bajar. Cuando el pistón llegaba al final del recorrido, se

inyectaba un chorro de agua fría en el interior del cilindro y condensaba

el vapor que hacía retraerse al pistón hacia la parte inferior, tirando del

balancín y realizando unos 10 o 12 golpes por minuto. De esta manera

conseguía accionar el brazo de la bomba de achique a distancia, sin

colocar la máquina en el interior de la mina y sin usar grandes

presiones, reduciendo el riesgo de explosiones en la mina3.

Imagen #1. Máquina a vapor de Thomas Newcomen

Fuente: http://www.numericana.com/answer/steam.htm#newcomen

3 http://redalyc.uaemex.mx/redalyc/src/inicio/ArtPdfRed.jsp?iCve=93701109

2Contextualización nacional maquina de vapor de newcomen la industrialización llego al continente europeo abarcando el mercado y empezando a crear sistemas de producción con alta eficacia en donde la expansión del comercio seria instantánea la creación de nuevas maquinas principalmente a vapor fue el broche de apertura a la globalización industrial que actualmente domina el mundo, paralelamente en cuanto en Europa se vivenciaba uno de los fenómenos mas importantes en américa latina específicamente este fenómeno fue mucho mas tardío; la economía agrícola y de transportes, fuente principal de ingresos tomo otro rumbo al descubrir las nuevas tecnología existentes para la producción aunque el termino nuevas tecnología se aplicaba únicamente en Colombia ya que las primeras maquinas que fueron traídas al país eran bastante atrasadas tecnológicamente a lo que ya se desarrollaba en el continente europeo.«José Eusebio Otálora Martínez fue uno de los dirigentes que más se preocupó por estimular la industrialización de Colombia en los finales del siglo XIX. Entre otros cargos que desempeño el cargo de cónsul de Colombia en Italia, y posteriormente en Inglaterra, le dio contacto directo en el mundo de la revolución industrial y la modernización.» En 1836 la ley en Colombia sobre la posibilidad del uso de maquinas a vapor que constaban de un sistema parecido a l planteado a la maquina de vapor de newcomen fue una nueva esperanza de desarrollo para el país trayendo consigo la consolidación del proyecto de traer estos grandes gigantes desde el continente europeo en barcos a vapor; la construcción de las vías fue un desafío mucho mas grande construyendo las vías ferroviarias de la ciudad de barranquilla en 1869-1873, a partir de este gran acontecimiento las maquinas a vapor fueron teniendo gran acogida las grandes calderas traídas desde el continente europeo fueron el engrane principal para auspiciar la industria férrea en Colombia.

En la actualidad las maquinas de vapor se utilizan pero en pocas proporciones en mayor medida en la industria textil donde aun se hace el planchado en planchas a vapor también se utilizan en las lavanderías e industria alimenticia para la esterilización de muchos alimento a latas temperaturas, en si las maquinas a vapor en Colombia fueron la biela que impulso la industria en nuestro país por muchos años y todavía en ciertas regiones del país el uso indiscriminado de estos sistemas causa un impacto ambiental de gran alcance ya que la principal materia prima para el funcionamiento de estas maquinas es el carbón obtenido de la tala de arboles actualmente no son sistemas ambientalmente amigable por o que los combustibles a base de hidrocarburos remplazaron en gran medida pero con un mayor impacto negativo ambientalmente.

3Contextualización internacional maquina de vapor de Newcomen

La idea de Newcomen de una maquina a vapor tuvo repercusiones internacionales representadas en la revolución industrial, uno de los mas grandes avances tecnológicos en la historia de la humanidad. Es por esto que la contextualización internacional está enfocada principalmente en este importante suceso pues pocas décadas después el vapor remplazado por el petróleo, a continuación se describirá la revolución industrial en su desarrollo y como la maquina evolucionada de vapor de newcomen fue el principal motor de esta:

3.1 La Revolución Industrial en Inglaterra

Se denomina Revolución Industrial a un conjunto de cambios económicos y sociales que comenzaron en Inglaterra a fines del siglo XVIII. Esas transformaciones se vinculaban con la introducción de nuevas tecnologías y nuevas formas de organizar el trabajo, que afectaron en lo sucesivo la vida de las personas, primero en Inglaterra, luego en Europa y posteriormente en todo el mundo.

3.1.1 ¿Por qué se produjo en Inglaterra?

- Posición Estratégica: Insular - Reservas de carbón y de hierro - Gobierno: Monarquía Parlamentaria (Rey + Parlamentos -> burgueses) - Adelantos tecnológicos -> aplicados al campo - Capital derivado del comercio internacional

3.1.2 ¿Por qué a fines del siglo XVIII?

El desarrollo de las explotaciones coloniales fue el elemento disparador de la Revolución Industrial. Los dueños de las plantaciones demandaban trabajadores esclavos. Como los esclavos no hacían sus propias vestimentas y herramientas sus amos debían comprar estos bienes manufacturados a Europa. Como la demanda de textiles y herramientas aumentó, empresarios ingleses introducieron cambios para producir en menor tiempo, en mayor cantidad y a menor costo.

3.1.3 Primera fase de la Revolución Industrial

La primera etapa de la Revolución Industrial fue entre 1760 y 1830, y se la llama fase textil. El proceso comenzó con la introducción de las maquinarias hiladoras. Se probaron de manera sucesiva hasta definir la mejor para la producción de hilo. Las maquinas eran muy grandes.

Las maquinas hiladoras introducidas fueron:

-Spinning Jenny: inventada en 1760 por James Margraves. Era de madera, tenía una rueda sobre la que se montaban varios husos, el problema era que hacia hilos quebradizos pero finos.

-Water-frame: de 1768, inventada por Richard Arkwight. Utilizaba energía hidráulica. Producía un hilo más resistente pero muy grueso.

-Mule o Mule-Jenny: inventada por Samuel Cromptom. Esta copio lo mejor de las anteriores y logro un hilo fino y resistente.

A comienzos del siglo XVIII, Thomas Savery y Thomas Newcomen crearon las maquinas de vapor para extraer agua de las minas de carbón. En 1763 Watt lo adapto para generar energía capaz de mover maquinarias industriales. Las innovaciones industriales provocaron un nuevo desequilibrio: el hilo se fabricaba a ritmo mayor. Esto motivo la invención del telar mecánico por Edmund Cartwright.

4 Modificaciones:

La máquina de Newcomen no tuvo modificaciones de importancia

durante mucho tiempo, excepto la automatización de las válvulas, un

cambio realizado por Potter y los cambios que introdujo John Smeaton,

que realizó varios experimentos en una máquina a escala, estudiando

las proporciones de la máquina y acabó determinando que los cilindros

debían ser de mayor longitud y que las calderas eran demasiado

pequeñas. En 1774 construyó en Long Benton la primera máquina de

este tipo4.

El ingeniero militar inglés Thomas Savery fue quien materializó por

primera vez esa idea para aplicarla a un artificio funcional. Su «ingenio

de vapor» (la palabra «ingenio» se aplicó originalmente a todo artificio

mecánico) sirvió para extraer agua de minas y pozos o mover una

rueda hidráulica, llamándolo él, por tal razón, El amigo del minero . Pero

4 http://inventors.about.com/od/nstartinventors/a/Newcomen.htm

resultaba peligroso (porque la alta presión del vapor solía hacer

reventar calderas o tuberías) y poco eficaz (porque se perdía el calor

del vapor cada vez que se enfriaba el recipiente). Siete años después,

en 1698, Savery patentó su ingenio, y un herrero inglés llamado

Thomas Newcomen construyó una máquina más perfecta que

funcionaba a bajas presiones; tenía pistón y cilindro, empleándose la

presión del aire para mover hacia abajo el pistón. 

Tampoco fue muy eficiente el ingenio de Newcomen, y el ingenio de

vapor siguió siendo un artilugio secundario durante más de sesenta

años, hasta que un mecánico de precisión escocés, llamado James

Watt, ideó el medio de darle efectividad. Lo contrató la Universidad de

Glasgow para diseñar un nuevo modelo del ingenio Newcomen, cuyo

funcionamiento dejaba mucho que desear. Watt comenzó a cavilar

sobre la pérdida inútil de combustible. ¿Por qué se creía necesario

enfriar cada vez el recipiente de vapor? ¿Por qué no mantener siempre

caliente la cámara de vapor y conducir éste hasta otra cámara

condensadora mantenida a baja temperatura? Watt introdujo varias

mejoras más: se aprovechó la presión de vapor para mover el pistón, se

diseñó una serie de conexiones mecánicas para mantener en línea

recta el movimiento del pistón, se enlazó este movimiento alternativo

con un cigüeñal que hacía girar a una rueda, y así sucesivamente. En

1782, su máquina de vapor, rindiendo con una tonelada de carbón tres

veces mas que la de Newcomen, quedó lista para prestar servicio como

caballo universal de fuerza. 

En épocas ulteriores se acrecentó sin cesar la eficiencia de la máquina

Watt, principalmente mediante la aplicación de vapor cada vez más

caliente a presiones cada vez más altas. El invento de la

Termodinámica por Carnot (véase capítulo VII) se debió principalmente

a la percepción que el rendimiento máximo de cualquier máquina

térmica era proporcional a la diferencia de temperatura entre el depósito

caldeado (vapor en los casos ordinarios) y el frío. 

La primera aplicación de la máquina de vapor con fines más

espectaculares que el drenaje de minas fue la navegación marítima. En

1787, el inventor estadounidense John Fitch construyó el primer vapor

funcional, pero su aventura fue un fracaso financiero, y Fitch murió

olvidado sin conocer el merecido crédito. Robert Fulton, un promotor

más capacitado que él, botó en 1807 su barco de vapor, el Clermont ,

con tanto alarde y publicidad, que se le consideró el inventor del barco

de vapor aunque, realmente, fuera al constructor de esa primera nave

tanto como Watt pudiera haberlo sido de la primera máquina de vapor. 

Tal vez sería preferible recordar a Fulton por sus tenaces tentativas

para construir sumergibles. Sus naves submarinas no fueron prácticas,

pero sí precursoras de varios proyectos modernos. Construyó una,

llamada Nautilus , que, probablemente, inspiró a Julio Verne para

imaginar aquel sumergible fantástico del mismo nombre en la

obra Veinte mil leguas de viaje submarino , publicada el año 1870. Éste,

a su vez, sirvió de inspiración para bautizar al primer submarino nuclear

(véase capítulo I). 

Imagen #2. Máquina a vapor de James

Fuente: Google images

A partir de 1830, los barcos de vapor cruzaron ya el Atlántico

propulsados por hélices, una mejora considerable en comparación con

las ruedas laterales de palas. Y en 1850 los veloces y bellos Yankee

Clippers empezaron a arriar definitivamente sus velas para ser

remplazados por vapores en todas las marinas mercantes y de guerra

del mundo. 

Mientras tanto, la máquina de vapor empezaba a dominar el transporte

terrestre. En 1814, el inventor inglés George Stephenson, quien debió

mucho a los trabajos precedentes de un ingeniero inglés, Richard

Trevithick- construyó la primera locomotora funcional de vapor. El

movimiento alternativo de los pistones movidos a vapor pudo hacer

girar las ruedas metálicas sobre los rieles tal como había hecho girar

antes las ruedas de palas en el agua. Y, allá por 1830, el fabricante

americano Peter Cooper construyó la primera locomotora comercial de

vapor en el hemisferio occidental. Por primera vez en la Historia, los

viajes terrestres estuvieron al mismo nivel que los marítimos, y el

comercio tierra adentro pudo competir con el tráfico marítimo. En 1840,

la vía férrea alcanzó el río Mississippi, y en 1869, la superficie entera de

los Estados Unidos quedó cubierta por una red ferroviaria. 

Los inventores británicos marcaron también la pauta introduciendo el

ingenio en las fábricas para mover su maquinaria. Con esa «revolución

industrial» (término ideado en 1837 por el economista francés Jérôme-

Adolphe Blanqui), el hombre culminó su transición del empleo de la

fuerza muscular al de la fuerza mecánica.

5 ANEXOS: ARTICULOS CIENTIFICOS

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