La energía de vapor durante la Revolución Industrial

Las mejoras en la máquina de vapor fueron algunas de las tecnologías más importantes de la Revolución Industrial , aunque el vapor no reemplazó a la energía hidráulica en importancia en Gran Bretaña hasta después de la Revolución Industrial. Desde la máquina atmosférica del inglés Thomas Newcomen , de 1712, hasta los importantes desarrollos del inventor e ingeniero mecánico escocés James Watt , la máquina de vapor comenzó a usarse en muchos entornos industriales, no solo en la minería, donde las primeras máquinas se habían utilizado para bombear agua de pozos profundos. Los primeros molinos habían funcionado con éxito con energía hidráulica, pero al usar una máquina de vapor se podía ubicar una fábrica en cualquier lugar, no solo cerca de una fuente de agua. La energía hidráulica variaba con las estaciones y no siempre estaba disponible.

En 1776 Watt formó una sociedad de ingeniería y construcción de motores con el fabricante Matthew Boulton . La sociedad Boulton & Watt se convirtió en una de las empresas más importantes de la Revolución Industrial y sirvió como una especie de centro técnico creativo para gran parte de la economía británica. Los socios resolvieron problemas técnicos y difundieron las soluciones a otras empresas. Empresas similares hicieron lo mismo en otras industrias y fueron especialmente importantes en la industria de las máquinas herramienta . Estas interacciones entre empresas fueron importantes porque redujeron la cantidad de tiempo de investigación y los gastos que cada empresa tenía que dedicar a trabajar con sus propios recursos. Los avances tecnológicos de la Revolución Industrial se produjeron más rápidamente porque las empresas a menudo compartían información, que luego podían utilizar para crear nuevas técnicas o productos. El desarrollo de la máquina de vapor estacionaria fue un elemento temprano muy importante de la Revolución Industrial. Sin embargo, debe recordarse que durante la mayor parte del período de la Revolución Industrial, la mayoría de las industrias todavía dependían de la energía eólica e hidráulica, así como de la fuerza de los caballos y la mano de obra para impulsar pequeñas máquinas.

El uso industrial de la energía de vapor comenzó con Thomas Savery en 1698. Construyó y patentó en Londres la primera máquina, a la que llamó "Amigo del minero", ya que pretendía bombear agua de las minas. Las primeras versiones utilizaban una caldera de cobre soldado que estallaba fácilmente a bajas presiones de vapor. Las versiones posteriores con caldera de hierro eran capaces de elevar el agua unos 46 metros (150 pies). La máquina Savery no tenía partes móviles aparte de válvulas operadas manualmente. El vapor una vez admitido en el cilindro se condensaba primero mediante un rociador de agua fría externo, creando así un vacío parcial que hacía subir el agua a través de una tubería desde un nivel inferior; luego se abrían y cerraban las válvulas y se aplicaba una nueva carga de vapor directamente sobre la superficie del agua que ahora estaba en el cilindro, forzándola a subir por una tubería de salida que descargaba en un nivel superior. La máquina se utilizó como bomba de agua de baja elevación en algunas minas y numerosas plantas de tratamiento de agua, pero no tuvo éxito porque tenía una altura de bombeo limitada y era propensa a explosiones de calderas. ^[1]

El primer motor de vapor mecánico práctico fue presentado por Thomas Newcomen en 1712. Newcomen aparentemente concibió su máquina independientemente de Savery, pero como este último había sacado una patente de amplio alcance, Newcomen y sus asociados se vieron obligados a llegar a un acuerdo con él, comercializando el motor hasta 1733 bajo una patente conjunta. ^[2] El motor de Newcomen parece haberse basado en los experimentos de Papin llevados a cabo 30 años antes, y empleaba un pistón y un cilindro, uno de cuyos extremos estaba abierto a la atmósfera por encima del pistón. El vapor justo por encima de la presión atmosférica (todo lo que la caldera podía soportar) se introducía en la mitad inferior del cilindro debajo del pistón durante la carrera ascendente inducida por la gravedad; luego, el vapor se condensaba mediante un chorro de agua fría inyectado en el espacio de vapor para producir un vacío parcial; La diferencia de presión entre la atmósfera y el vacío a cada lado del pistón lo desplazaba hacia abajo, dentro del cilindro, elevando el extremo opuesto de una viga oscilante a la que se encontraba unida una serie de bombas de fuerza recíprocas accionadas por gravedad alojadas en el pozo de la mina . La carrera de potencia descendente del motor elevaba la bomba, cebándola y preparando la carrera de bombeo. Al principio, las fases se controlaban a mano, pero en diez años se había ideado un mecanismo de escape accionado por un árbol de tapón vertical suspendido de la viga oscilante que hacía que el motor actuara por sí solo.

En Gran Bretaña se utilizaron con éxito varias máquinas Newcomen para drenar minas profundas que hasta entonces no se podían explotar, con la máquina en la superficie; eran máquinas grandes, que requerían mucho capital para su construcción y producían unos 5 hp. Eran extremadamente ineficientes según los estándares modernos, pero cuando se ubicaban donde el carbón era barato en las bocaminas, abrieron una gran expansión en la minería del carbón al permitir que las minas fueran más profundas. A pesar de sus desventajas, las máquinas Newcomen eran confiables y fáciles de mantener y continuaron utilizándose en las cuencas mineras hasta las primeras décadas del siglo XIX. En 1729, cuando Newcomen murió, sus máquinas se habían extendido a Francia , Alemania , Austria , Hungría y Suecia . Se sabe que se construyeron un total de 110 en 1733, cuando expiró la patente conjunta, de las cuales 14 estaban en el extranjero. En la década de 1770, el ingeniero John Smeaton construyó algunos ejemplos muy grandes e introdujo una serie de mejoras. En 1800 se habían construido un total de 1454 máquinas.

Un cambio fundamental en los principios de funcionamiento fue introducido por James Watt . Con la estrecha colaboración de Matthew Boulton , en 1778 había logrado perfeccionar su máquina de vapor que incorporaba una serie de mejoras radicales; en particular, el uso de una camisa de vapor alrededor del cilindro para mantenerlo a la temperatura del vapor y, lo más importante, una cámara de condensador de vapor separada de la cámara del pistón. Estas mejoras aumentaron la eficiencia de la máquina en un factor de aproximadamente cinco, ahorrando un 75% en costos de carbón.

En aquella época, la máquina de Newcomen no podía adaptarse fácilmente para accionar una rueda giratoria, aunque Wasborough y Pickard lo consiguieron en torno a 1780. Sin embargo, en 1783 la máquina de vapor Watt, más económica, se había desarrollado por completo hasta convertirse en un tipo rotativo de doble efecto con regulador centrífugo , movimiento paralelo y volante de inercia , lo que significaba que podía utilizarse para accionar directamente la maquinaria rotativa de una fábrica o molino. Ambos tipos básicos de máquinas de Watt tuvieron un gran éxito comercial.

En 1800, la firma Boulton & Watt había construido 496 motores, con 164 para impulsar bombas reciprocantes, 24 para dar servicio a altos hornos y 308 para alimentar maquinaria de molino; la mayoría de los motores generaban de 5 a 10 hp. Se estima que la potencia total que podían producir todos estos motores era de unos 11.200 hp. Esto seguía siendo solo una fracción de la capacidad total de generación de energía en Gran Bretaña mediante ruedas hidráulicas (120.000 hp) y molinos de viento (15.000 hp); sin embargo, la energía hidráulica y eólica variaban estacionalmente. ^[3] Newcomen y otras máquinas de vapor generaban al mismo tiempo unos 24.000 hp.

El desarrollo de máquinas herramienta , como tornos , cepilladoras y perfiladoras accionadas por estos motores, permitió que todas las partes metálicas de los motores se cortaran con facilidad y precisión y, a su vez, posibilitó la construcción de motores más grandes y potentes. ^[4]

A principios del siglo XIX, tras la expiración de la patente de Boulton & Watt en 1800, la máquina de vapor experimentó grandes aumentos de potencia debido al uso de vapor de mayor presión, que Watt siempre había evitado debido al peligro de explosión de las calderas, que se encontraban en un estado muy primitivo de desarrollo. ^{[4] [5]}

Hasta aproximadamente 1800, el modelo más común de máquina de vapor era la máquina de viga , construida como parte integral de una sala de máquinas de piedra o ladrillo, pero pronto se desarrollaron varios modelos de máquinas portátiles autónomas (fácilmente desmontables, pero no sobre ruedas), como la máquina de mesa . Una mayor disminución en el tamaño debido al uso de mayor presión se produjo hacia fines del siglo XVIII cuando el ingeniero de Cornualles Richard Trevithick y el ingeniero estadounidense Oliver Evans comenzaron a construir de forma independiente motores de mayor presión (alrededor de 40 libras por pulgada cuadrada (2,7  atm )) que expulsaban vapor a la atmósfera, aunque Arthur Wolf, que trabajaba en la cervecería Meux en Londres, ya estaba experimentando con vapor de mayor presión en sus esfuerzos por ahorrar carbón. Esto permitió combinar un motor y una caldera en una sola unidad compacta y lo suficientemente liviana como para usarse en locomotoras móviles de carretera y ferrocarril y barcos de vapor . ^[4]

Trevithick era un hombre de talentos versátiles y sus actividades no se limitaban a pequeñas aplicaciones. Trevithick desarrolló su gran caldera de Cornualles con un conducto de humos interno a partir de 1812 aproximadamente. Estas también se emplearon para modernizar una serie de motores de bombeo Watt; para entonces, Arthur Wolf ya había producido motores de alta presión mientras trabajaba en la cervecería Meux, en su esfuerzo por mejorar la eficiencia, ahorrando así carbón, ya que había sido formado por Joseph Bramah en el arte del control de calidad, lo que le llevó a convertirse en ingeniero jefe en Harveys of Hayle en Cornualles, con diferencia el mayor y principal fabricante de motores de vapor del mundo.

El motor de Cornualles se desarrolló en la década de 1810 para bombear agua en las minas de Cornualles. Era el resultado de utilizar los gases de escape de un motor de alta presión para alimentar un motor de condensación. El motor de Cornualles se destacaba por su eficiencia relativamente alta.

La última mejora importante de la máquina de vapor fue la máquina Corliss . ^[6] Bautizada con el nombre de su inventor, George Henry Corliss , esta máquina de vapor estacionaria se introdujo al mundo en 1849. La máquina contaba con una serie de características deseadas, incluida la eficiencia del combustible (reduciendo el costo del combustible en un tercio o más), bajos costos de mantenimiento, una tasa de producción de energía un 30% mayor, alta eficiencia térmica y la capacidad de operar con cargas ligeras, pesadas o variables mientras se mantiene una alta velocidad y una velocidad constante. ^{[7] [8] [9] [10]} Si bien la máquina se basó vagamente en las máquinas de vapor existentes, manteniendo el diseño simple de volante de pistón, la mayoría de estas características fueron provocadas por las válvulas y los engranajes de válvulas únicos de la máquina. A diferencia de la mayoría de las máquinas empleadas durante la época que usaban principalmente engranajes de válvulas deslizantes , Corliss creó su propio sistema que usaba una placa de muñeca para controlar una serie de válvulas diferentes. Cada cilindro estaba equipado con cuatro válvulas, con válvulas de escape y entrada en ambos extremos del cilindro. ^[4] Mediante una serie de eventos ajustados con precisión que abren y cierran estas válvulas, se admite y libera vapor a una velocidad precisa, lo que permite un movimiento lineal del pistón. Esto proporcionó la característica más notable del motor, el mecanismo de corte variable automático. ^[11] Este mecanismo es lo que permitió que el motor mantuviera una velocidad establecida en respuesta a cargas variables sin perder eficiencia, detenerse o dañarse. Usando una serie de engranajes de leva , que podían ajustar la sincronización de la válvula (actuando esencialmente como un acelerador), se ajustó la velocidad y la potencia del motor. Esto resultó extremadamente útil para la mayoría de las aplicaciones del motor. En la industria textil , permitió la producción a velocidades mucho más altas al tiempo que reducía la probabilidad de que se rompieran los hilos. ^{[8] [12]} En la metalurgia , las variaciones extremas y abruptas de carga experimentadas en los laminadores también fueron contrarrestadas por la tecnología. Estos ejemplos demuestran que el motor Corliss pudo generar tasas de producción mucho más altas, al tiempo que evitaba daños costosos a la maquinaria y los materiales. Se lo denominó "la regulación de velocidad más perfecta". ^[13]

Corliss mantuvo un registro detallado de la producción, la potencia colectiva y las ventas de sus motores hasta que expiró la patente . ^[13] Lo hizo por varias razones, entre ellas el seguimiento de quienes infringieron los derechos de patente, los detalles de mantenimiento y actualización, y especialmente como datos utilizados para ampliar la patente. Con estos datos, se proporciona una comprensión más clara de la influencia del motor. En 1869, se habían vendido casi 1200 motores, con un total de 118.500 caballos de fuerza. Se estima que otros 60.000 caballos de fuerza estaban siendo utilizados por motores creados por fabricantes que infringían la patente de Corliss, lo que elevaba la potencia total a aproximadamente 180.000. ^[8] Esta cantidad relativamente pequeña de motores produjo el 15% de los 1,2 millones de caballos de fuerza totales de los Estados Unidos. ^[14] La potencia media de todos los motores Corliss en 1870 era de 100, mientras que la media de todos los motores de vapor (incluidos los motores Corliss) era de 30. Algunos motores muy grandes incluso permitían aplicaciones de hasta 1400 caballos de fuerza. Muchos estaban convencidos de los beneficios del motor Corliss, pero la adopción fue lenta debido a la protección de la patente. Cuando a Corliss se le negó una extensión de la patente en 1870, se convirtió en un modelo predominante para los motores estacionarios en el sector industrial . ^[8] A finales del siglo XIX, el motor ya estaba teniendo una gran influencia en el sector manufacturero, donde representaba solo el 10% de los motores del sector, pero producía el 46% de la potencia. ^[14] El motor también se convirtió en un modelo de eficiencia fuera de la industria textil, ya que se utilizó para bombear las vías fluviales de Pawtucket, Rhode Island en 1878, y jugó un papel esencial en la expansión del ferrocarril al permitir operaciones a gran escala en los laminadores. ^{[6] [8]} Muchas máquinas de vapor del siglo XIX han sido reemplazadas, destruidas o reutilizadas, pero la longevidad del motor Corliss es evidente hoy en día en destilerías selectas, donde todavía se utilizan como fuente de energía. ^[15]

A mediados de la década de 1750, la máquina de vapor se aplicó a las industrias del hierro, el cobre y el plomo, que requerían de energía hidráulica para impulsar los fuelles de los explosivos. Estas industrias estaban ubicadas cerca de las minas, algunas de las cuales utilizaban máquinas de vapor para bombear las minas. Las máquinas de vapor eran demasiado potentes para los fuelles de cuero, por lo que en 1768 se desarrollaron cilindros de soplado de hierro fundido. Los altos hornos alimentados por vapor alcanzaban temperaturas más altas, lo que permitía el uso de más cal en la alimentación de los altos hornos de hierro. ( La escoria rica en cal no fluía libremente a las temperaturas utilizadas anteriormente). Con una proporción suficiente de cal, el azufre del carbón o el coque reacciona con la escoria de modo que el azufre no contamina el hierro. El carbón y el coque eran combustibles más baratos y abundantes. Como resultado, la producción de hierro aumentó significativamente durante las últimas décadas del siglo XVIII. ^[16]

La energía hidráulica , la fuente de energía precedente del mundo, siguió siendo una fuente de energía esencial incluso durante el apogeo de la popularidad de la máquina de vapor . ^[17] Sin embargo, la máquina de vapor proporcionó muchos beneficios que no se podían lograr confiando únicamente en la energía hidráulica, lo que le permitió convertirse rápidamente en la fuente de energía dominante de las naciones industrializadas (pasando del 5% al ​​80% de la energía total en los EE. UU. entre 1838 y 1860). ^[18] Si bien muchos consideran que el potencial de un aumento en la energía generada es el beneficio dominante (la potencia promedio de los molinos a vapor produce cuatro veces la potencia de los molinos a agua ), otros favorecen el potencial de aglomeración . ^{[19] [20]} Las máquinas de vapor hicieron posible trabajar, producir, comercializar, especializarse y expandirse de manera viable hacia el oeste fácilmente sin tener que preocuparse por la presencia menos abundante de vías fluviales y vivir en comunidades que no estuvieran geográficamente aisladas en la proximidad de ríos y arroyos. ^[8] Las ciudades y pueblos se construyeron entonces alrededor de fábricas donde las máquinas de vapor servían como base para el sustento de muchos de los ciudadanos. Al promover la aglomeración de individuos, se establecieron mercados locales que a menudo tuvieron un éxito impresionante, las ciudades crecieron rápidamente y finalmente se urbanizaron , la calidad de vida aumentó a medida que se puso en marcha la infraestructura , se pudieron producir bienes más finos a medida que la adquisición de materiales se volvió menos difícil y costosa, la competencia local directa condujo a mayores grados de especialización y la mano de obra y el capital eran abundantes. ^[7] En algunos condados donde los establecimientos utilizaban la energía del vapor, incluso se vio que el crecimiento de la población aumentaba. ^[21] Estas ciudades impulsadas por vapor fomentaron el crecimiento a escala local y nacional, lo que validó aún más la importancia económica de la máquina de vapor.

Este período de crecimiento económico, que fue inaugurado por la introducción y adopción del barco de vapor, fue uno de los mayores que se hayan experimentado en los Estados Unidos. Robert Fulton, Robert Livingston y Henry Shreve contribuyeron en gran medida a la introducción del barco de vapor ^[22] al público estadounidense. Alrededor de 1815, los barcos de vapor comenzaron a reemplazar a las barcazas y los barcos planos en el transporte de mercancías por los Estados Unidos. Antes del barco de vapor, los ríos generalmente solo se usaban para transportar mercancías de este a oeste y de norte a sur, ya que luchar contra la corriente era muy difícil y, a menudo, imposible. ^[23] Los barcos y balsas sin motor se ensamblaban río arriba, llevaban su carga río abajo y, a menudo, se desarmaban al final de su viaje; sus restos se usaban para construir casas y edificios comerciales. Después de la llegada del barco de vapor, Estados Unidos experimentó un crecimiento increíble en el transporte de mercancías y personas, lo que fue clave en la expansión hacia el oeste. Antes de la llegada del barco de vapor, el trayecto entre Nueva Orleans y Louisville podía llevar entre tres y cuatro meses, con una media de treinta kilómetros diarios. ^[23] Con el barco de vapor, este tiempo se redujo drásticamente, y los viajes duraban entre veinticinco y treinta y cinco días. Esto era especialmente beneficioso para los agricultores, ya que ahora sus cosechas podían transportarse a otros lugares para venderlas.

El barco de vapor también permitió una mayor especialización. El azúcar y el algodón se enviaban al norte, mientras que los productos como las aves de corral, los cereales y la carne de cerdo se enviaban al sur. Lamentablemente, el barco de vapor también contribuyó al comercio interno de esclavos. ^[24]

Con el barco de vapor surgió la necesidad de mejorar el sistema fluvial. El sistema fluvial natural tenía características que no eran compatibles con el viaje en barco de vapor o solo estaban disponibles durante ciertos meses, cuando el caudal de los ríos crecía. Algunos obstáculos incluían rápidos, bancos de arena, aguas poco profundas y cascadas. Para superar estos obstáculos naturales, se construyó una red de canales, esclusas y presas. Esta mayor demanda de mano de obra estimuló un enorme crecimiento del empleo a lo largo de los ríos. ^[25]

Los beneficios económicos de los barcos de vapor se extendieron mucho más allá de la construcción de los propios barcos y de las mercancías que transportaban. Estos barcos propiciaron directamente el crecimiento de las industrias del carbón y de los seguros, además de generar una demanda de instalaciones de reparación a lo largo de los ríos. ^[26] Además, la demanda de mercancías en general aumentó a medida que los barcos de vapor hicieron que el transporte a nuevos destinos fuera de amplio alcance y eficiente.

Después de que se inventó el barco de vapor y se lograron una serie de pruebas exitosas, fue rápidamente adoptado y condujo a un cambio aún más rápido en la forma de transporte acuático .

En 1814, la ciudad de Nueva Orleans registró 21 llegadas de barcos de vapor, pero en el transcurso de los siguientes 20 años esa cifra se disparó a más de 1200. El papel del barco de vapor como fuente importante de transporte estaba asegurado. ^[27] El sector del transporte experimentó un enorme crecimiento tras la aplicación de la máquina de vapor, lo que dio lugar a importantes innovaciones en canales , barcos de vapor y ferrocarriles . El sistema de barcos de vapor y canales revolucionó el comercio de los Estados Unidos. A medida que los barcos de vapor ganaron popularidad, creció el entusiasmo por la construcción de canales .

En 1816, Estados Unidos contaba con tan solo 160 kilómetros de canales . Sin embargo, esto debía cambiar, ya que el posible aumento de los bienes comercializados de este a oeste convenció a muchos de que los canales eran una conexión necesaria entre las vías fluviales de Mississippi y Ohio con los Grandes Lagos .

El uso de las máquinas de vapor en los ferrocarriles resultó extraordinario, ya que permitía transportar grandes cantidades de mercancías y materias primas tanto a ciudades como a fábricas. Los trenes podían transportarlas a lugares lejanos por una fracción del coste de viajar en carreta. Las vías del tren, que ya se utilizaban en las minas y en otras situaciones, se convirtieron en el nuevo medio de transporte tras la invención de la primera locomotora.

• Portal de historia
• Portal de tecnología

General

• El crecimiento de la máquina de vapor. Robert H. Thurston, AM, CE, Nueva York: D. Appleton and Committee, 1878.
• Burstall, Aubrey F. (1965). Una historia de la ingeniería mecánica . The MIT Press. ISBN 0-262-52001-X.
• Hills, Richard L. (1989). Energía a partir del vapor. Cambridge University Press . ISBN 0-521-45834-X.