mini|300x300px| Versión tardía de una máquina de vapor de Watt de doble efecto, construida por D. Napier & Son (Londres) en 1859, ahora en el vestíbulo de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la UPM (Madrid). Motores de vapor de este tipo impulsaron la Revolución Industrial en Gran Bretaña y en el mundo
La máquina de vapor de Watt, también conocida como la máquina de vapor de Boulton y Watt, fue la primera máquina de vapor práctica, convirtiéndose en una de las fuerzas impulsoras de la Revolución Industrial. James Watt desarrolló el diseño esporádicamente entre 1763 y 1775, con el apoyo de Matthew Boulton. Su diseño permitió ahorrar mucho combustible en comparación con las máquinas anteriores, de forma que concedían licencias basándose en la cantidad de combustible que se podía economizar. Watt nunca dejó de desarrollar la máquina de vapor, introduciendo diseños de doble efecto (con dos cilindros) y varios sistemas para lograr producir el movimiento rotativo a partir de sus máquinas. El diseño de Watt se convirtió en sinónimo de máquina de vapor, y pasaron muchos años antes de que otros diseños significativamente nuevos comenzaran a reemplazar la configuración que ideó.
Las primeras máquinas de vapor, introducidas por Thomas Newcomen en 1712, eran de diseño "atmosférico". Se introducía vapor en un cilindro, que luego se enfriaba con un chorro de agua. Esto hacía que el vapor se condensara, formando un vacío parcial en el cilindro, y la presión atmosférica en la parte superior empujaba el pistón hacia abajo. Watt notó que el rocío de agua también enfriaba el propio cilindro, y se requería una cantidad significativa de calor para calentarlo hasta el punto en que el vapor podía entrar al cilindro sin condensarse inmediatamente de nuevo. Abordó este problema agregando un cilindro separado lleno de agua, que se abría una vez que se llenaba el cilindro principal. El vapor entraba en la cámara secundaria y se condensaba, extrayendo el vapor restante del cilindro principal para continuar el proceso. El resultado final utilizaba el mismo ciclo que el diseño de Newcomen, pero sin ningún enfriamiento del cilindro principal, que estaba inmediatamente listo para otra carrera. Watt trabajó en el diseño durante un período de varios años, introduciendo el condensador y mejoras en prácticamente todas las partes del diseño, en particular una larga serie de pruebas sobre las formas de sellar el pistón en el cilindro. Todos estos cambios produjeron un diseño más fiable, y que necesitaba la mitad de carbón para producir la misma cantidad de energía.
El nuevo diseño se introdujo comercialmente en 1776, con el primer ejemplar vendido al taller mecánico Carron Company. Watt continuó trabajando para mejorar el motor, y en 1781 introdujo un sistema que usaba un engranaje sol y planeta para convertir el movimiento lineal de los motores en movimiento rotativo. Esto lo hizo útil no solo en su cometido de bombeo original, sino también como un reemplazo directo en aquellas tareas en las que previamente se utilizaron ruedas hidráulicas. Este fue un momento clave en la revolución industrial, ya que desde entonces las fuentes de energía podrían ubicarse en cualquier lugar, evitando la anterior necesidad de disponer de una fuente de agua y de una topografía adecuadas. Boulton comenzó a desarrollar numerosas máquinas que hicieron uso de esta potencia rotativa, desarrollando la primera fábrica industrializada moderna, la Fundición Soho, que a su vez produjo nuevos diseños de máquinas de vapor. Los primeros motores de Watt coincidían con los diseños originales de Newcomen en que usaban vapor a baja presión, y la mayor parte de la acción era causada por la presión atmosférica, debido principalmente a los problemas de seguridad que suponía el empleo de presiones de vapor más elevadas. Sin embargo, buscando mejorar su rendimiento, Watt comenzó a considerar el uso de vapor a alta presión, así como los diseños con cilindros múltiples, tanto según el concepto de doble acción como según el concepto de expansión múltiple. Estos motores de doble acción requirieron la invención del movimiento paralelo, que permitió que las varillas de los cilindros individuales se movieran en línea recta, manteniendo el pistón alineado con el cilindro, mientras que el extremo del balancín móvil se desplazaba describiendo un arco, algo análogo a una cruceta en las máquinas de vapor posteriores.
Introducción En 1698, el diseñador mecánico inglés Thomas Savery inventó un aparato de bombeo que utilizaba vapor para extraer agua directamente de un pozo, valiéndose del vacío creado por la condensación de vapor de agua. El dispositivo se propuso para drenar minas, pero solo podía extraer agua a aproximadamente un máximo de 7,5 m de profundidad, lo que significaba que tenía que ubicarse sin superar este desnivel con respecto al suelo de la mina que se estaba drenando. A medida que las minas se hicieron más profundas, esta máquina a menudo no era práctica. Y además, consumía una gran cantidad de combustible en comparación con los motores posteriores. mini| Modelo del motor de Newcomen con el que Watt experimentó La solución para drenar minas profundas fue encontrada por Thomas Newcomen, quien desarrolló un motor "atmosférico" que también funcionaba bajo el principio del vacío. Empleaba un cilindro que contenía un pistón móvil conectado por una cadena a un extremo de un balancín oscilante, que accionaba una bomba de elevación mecánica desde su extremo opuesto. Al final de cada carrera, se permitía que el vapor ingresara al cilindro debajo del pistón. Cuando el pistón se elevaba dentro del cilindro, arrastrado hacia arriba por un contrapeso, absorbía vapor a presión atmosférica. En la parte superior de la carrera, la válvula de vapor se cerraba y se inyectaba agua fría brevemente en el cilindro para enfriar el vapor. Esta agua condensaba el vapor y creaba un vacío parcial debajo del pistón. La presión atmosférica fuera del motor era entonces mayor que la presión dentro del cilindro, empujando así el pistón hacia el cilindro. El pistón, unido a una cadena y a su vez unido a un extremo de la "viga oscilante", empujaba hacia abajo su extremo de la viga, levantando el extremo opuesto. Por lo tanto, era impulsada la bomba situada en lo profundo de la mina, que estaba unida al extremo opuesto de la viga a través de cuerdas y cadenas. La bomba empujaba (en lugar de absorber) la columna de agua hacia arriba, y por lo tanto, podría elevar el agua a prácticamente cualquier altura. Una vez que el pistón llegaba a la parte inferior, el ciclo se repetía.
El motor Newcomen era más potente que el motor Savery. Por primera vez, el agua podría elevarse desde una profundidad de más de 45 metros. El primer ejemplar de 1712 fue capaz de reemplazar a un equipo de 500 caballos de tiro que se habían utilizado para bombear la mina. Se instalaron setenta y cinco motores de bombeo Newcomen en distintas minas de Gran Bretaña, Francia, Holanda, Suecia y Rusia. En los siguientes cincuenta años, solo se hicieron algunos pequeños cambios en el diseño del motor. Fue un gran avance.
Si bien los motores Newcomen trajeron beneficios prácticos, fueron ineficientes en términos del uso de la energía necesaria para impulsarlos. El sistema de enviar alternativamente chorros de vapor, y después agua fría sobre el cilindro, significaba que las paredes del cilindro se calentaban alternativamente y luego se enfriaban con cada carrera. Cada carga de vapor introducida continuaría condensándose hasta que el cilindro se acercara nuevamente a la temperatura de trabajo. Entonces, en cada ciclo, se perdía parte del potencial del vapor.
Condensador separado izquierda|mini|300x300px| Los componentes principales de un motor de bombeo de Watt En 1763, James Watt trabajaba como fabricante de instrumentos en la Universidad de Glasgow, cuando se le asignó el trabajo de reparar un modelo de motor Newcomen y se dio cuenta de lo ineficiente que era.
En 1765, Watt concibió la idea de equipar el motor con una cámara de condensación separada, a la que llamó un "condensador". Debido a que el condensador y el cilindro de trabajo estaban separados, la condensación se producía sin una pérdida significativa del calor del cilindro. El condensador permanecía frío y por debajo de la presión atmosférica en todo momento, mientras que el cilindro permanecía caliente en todo momento.
El vapor de la caldera entraba al cilindro por debajo del pistón. Cuando el pistón alcanzaba la parte superior del cilindro, la válvula de entrada de vapor se cerraba y la válvula que controlaba el paso al condensador se abría. Al estar el condensador a una presión más baja, extraía el vapor del cilindro al condensador, donde se enfriaba y se condensaba, pasando de vapor de agua a agua líquida, y manteniendo un vacío parcial en el condensador que se comunicaba al espacio del cilindro por debajo del pistón a través del conducto de conexión. La presión atmosférica externa empujaba el pistón hacia abajo del cilindro.
La separación del cilindro y el condensador eliminó la pérdida de calor que se producía cuando el vapor se condensaba en el cilindro de un motor Newcomen trabajando. Esto le dio al motor Watt una mayor eficiencia que la del motor Newcomen, reduciendo la cantidad de carbón consumido mientras realizaba la misma cantidad de trabajo que el antiguo motor.
En el diseño de Watt, el agua fría se inyectaba solo en la cámara de condensación. Este tipo de condensador se conoce como condensador de chorro. El condensador está ubicado en un baño de agua fría debajo del cilindro. El volumen de agua que entraba al condensador como rocío absorbía el calor latente del vapor, y se determinó como siete veces el volumen del vapor condensado. El condensado y el agua inyectada eran eliminados por la bomba de aire, y el agua fría circundante sirvió para absorber la energía térmica restante para retener una temperatura del condensador de entre 30 y 45 °C y la presión equivalente de 0,04 a 0,1 bar.
En cada carrera, el condensado caliente se extraía del condensador y se enviaba a un pozo caliente por una bomba de vacío, que también ayudaba a evacuar el vapor de debajo del cilindro de potencia. El condensado aún caliente se reciclaba como agua de alimentación para la caldera.
La siguiente mejora de Watt al diseño de Newcomen fue sellar la parte superior del cilindro y rodear el cilindro con una camisa. Se pasaba el vapor a través de la camisa antes de ser admitido debajo del pistón, manteniendo el pistón y el cilindro calientes para evitar la condensación dentro de él. La segunda mejora fue la utilización de la expansión de vapor contra el vacío en el otro lado del pistón. El suministro de vapor se cortaba durante la carrera, y el vapor se expandía contra el vacío en el otro lado. Esto aumentó la eficiencia del motor, pero también creó un par variable en el eje que no era deseable para muchas aplicaciones, en particular el bombeo. Por lo tanto, Watt limitó la expansión a una relación de 1:2 (es decir, el suministro de vapor se cortaba a media carrera). Esto aumentó la eficiencia teórica del 6.4% al 10.6%, con solo una pequeña variación en la presión del pistón. Watt no usó vapor a alta presión debido a problemas de seguridad.
Estas mejoras llevaron a la versión completamente desarrollada de 1776, que fue la que realmente entró en producción.Hulse David K (1999): "The early development of the steam engine"; TEE Publishing, Leamington Spa, U.K., ISBN, 85761 107 1 p. 127 et seq.
La asociación de Matthew Boulton y James Watt