maquina de savery
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BOMBA DE VAPOR PARA SUMINISTRAR AGUA A CASA
ABITACION EN ZONAS RURALES.
INTRODUCCION.
Hasta la invención de las máquinas de vapor, máquinas que producen trabajo
mecánico a partir del calor, las únicas máquinas capaces de producir trabajo eran
los molinos, molinos de viento y molinos de agua. La máquina de Savery inicio el
camino de las maquinas térmicas.
La máquina de vapor que fue patentada el 25 de julio de 1698, presentada a la
royal society en 1699 y construida en 1702 por Thomas Savery represento el
inicio de las maquinas térmicas.
La fuerza del vapor del agua y la fuerza de la atmósfera ,en realidad, la presión de
vapor del agua y la presión atmosférica, que ejercidas sobre una superficie dan
lugar a una fuerza, son difíciles de apreciar debido a que en general se aplican a
ambos lados de una superficie y el resultado es una fuerza resultante nula. Una
demostración de esta fuerza del vacío, la ejercida sobre una superficie por la
diferencia entre la presión atmosférica de un lado y el vacío de otro, se tiene
cuando se extrae el aire del interior de un recipiente deformable utilizando vapor
de agua y cerrando herméticamente el recipiente. A medida que la temperatura
disminuye en el interior del recipiente la presión de vapor del vapor del agua
disminuye también. La diferencia de presiones entre el interior del recipiente
posteriormente.
Otra demostración muy visual de la fuerza de la presión atmosférica se obtiene
cuando se cierra la boca de un matraz, en el que previamente se ha hervido agua
tiempo suficiente como para evacuar todo el aire de su interior, mediante un huevo
cocido. En cuanto la temperatura en el interior del matraz disminuye, la presión de
vapor del agua en su interior también lo hace y la diferencia entre esta y la presión
atmosférica hace que aparezca una fuerza neta que introduce el huevo en el
interior del matraz.
En este proyecto se retomara la idea original de Tomas Savery (máquina de
Savery o bomba de vapor) como una opción para bombear y hacer llegar agua a
casas de comunidades rurales donde los servicios básicos son nulos o escasos.
Para ello se realizaran los cálculos referentes a las temperaturas y presiones
recomendables a las que tendrá que trabajar la máquina de Savery para que no
represente ningún riesgo al momento de operarla.
DESARROLLO
HISTORIA DE LAS MAQUINAS DE VAPOR.
El primer motor de pistón fue desarrollado por el físico e inventor francés Denis
Papin y se utilizó para bombear agua. El motor de Papin, poco más que una
curiosidad, era una máquina tosca que aprovechaba el movimiento del aire más
que la presión del vapor. La máquina contaba con un único cilindro que servía
también como caldera. Se colocaba una pequeña cantidad de agua en la parte
inferior del cilindro y se calentaba hasta que producía vapor. La presión del vapor
empujaba un pistón acoplado al cilindro, tras lo cual se eliminaba la fuente de calor
de la parte inferior. A medida que el cilindro se enfriaba, el vapor se condensaba y
la presión del aire en el exterior del pistón lo empujaba de nuevo hacia abajo.
En 1698 el ingeniero inglés Thomas Savery diseñó una máquina que utilizaba dos
cámaras de cobre que se llenaban de forma alternativa con vapor producido en
una caldera. Esta máquina se utilizó también para bombear agua, igual que la
máquina llamada motor atmosférico desarrollada por el inventor británico Thomas
Newcomen en 1705. Este dispositivo contaba con un cilindro vertical y un pistón
con un contrapeso. El vapor absorbido a baja presión en la parte inferior del
cilindro actuaba sobre el contrapeso, moviendo el pistón a la parte superior del
cilindro. Cuando el pistón llegaba al final del recorrido, se abría automáticamente
una válvula que inyectaba un chorro de agua fría en el interior del cilindro. El agua
condensaba el vapor y la presión atmosférica hacía que el pistón descendiera de
nuevo a la parte baja del cilindro. Una biela, conectada al eje articulado que unía
el pistón con el contrapeso, permitía accionar una bomba. El motor de Newcomen
no era muy eficiente, pero era lo bastante práctico como para ser utilizado con
frecuencia para extraer agua en minas de carbón.
Durante sus trabajos de mejora de la máquina de Newcomen el ingeniero e
inventor escocés James Watt desarrolló una serie de ideas que permitieron la
fabricación de la máquina de vapor que hoy conocemos. El primer invento de Watt
fue el diseño de un motor que contaba con una cámara separada para la
condensación del vapor. Esta máquina, patentada en 1769, redujo los costos de la
máquina de Newcomen evitando la pérdida de vapor producida por el
calentamiento y enfriamiento cíclicos del cilindro. Watt aisló el cilindro para que
permaneciera a la temperatura del vapor. La cámara de condensación separada,
refrigerada por aire, contaba con una bomba para hacer un vacío que permitía
absorber el vapor del cilindro hacia el condensador. La bomba se utilizaba también
para eliminar el agua de la cámara de condensación.
Otro concepto fundamental de las primeras máquinas de Watt era el uso de la
presión del vapor en lugar de la presión atmosférica para obtener el movimiento.
Watt diseñó también un sistema por el cual los movimientos de vaivén de los
pistones movían un volante giratorio. Esto se consiguió al principio con un sistema
de engranajes y luego con un cigüeñal, como en los motores modernos. Entre las
demás ideas de Watt se encontraba la utilización del principio de acción doble, por
el cual el vapor era inyectado a un lado del pistón cada vez para mover éste hacia
adelante y hacia atrás. También instaló válvulas de mariposa en sus máquinas
para limitar la velocidad, además de reguladores que mantenían de forma
automática una velocidad de funcionamiento estable.
El siguiente avance importante en el desarrollo de máquinas de vapor fue la
aparición de motores sin condensación prácticos. Si bien Watt conocía el principio
de los motores sin condensación, no fue capaz de perfeccionar máquinas de este
tipo, quizá porque utilizaba vapor a muy baja presión. A principios del siglo XIX el
ingeniero e inventor británico Richard Trevithick y el estadounidense Oliver Evans
construyeron motores sin condensación con buenos resultados, utilizando vapor a
alta presión. Trevithick utilizó este modelo de máquina de vapor para mover la
primera locomotora de tren de todos los tiempos. Tanto Trevithick como Evans
desarrollaron también carruajes con motor para carretera.
Por esta época el ingeniero e inventor británico Arthur Woolf desarrolló las
primeras máquinas de vapor compuestas. En estas máquinas se utiliza vapor a
alta presión en un cilindro y cuando se ha expandido y perdido presión es
conducido a otro cilindro donde se expande aún más. Los primeros motores de
Woolf eran del tipo de dos fases, pero algunos modelos posteriores de motores
compuestos contaban con tres o cuatro fases de expansión. La ventaja de utilizar
en combinación dos o tres cilindros es que se pierde menos energía al calentar las
paredes de los cilindros, lo que hace que la máquina sea más eficiente.
La máquina de vapor impulsó una gran transformación social, económica y
tecnológica, históricamente llamada “La primera Revolución Industrial”. (1750-
1850). En poco tiempo se extendió su uso, se utilizaba para mover diversas
máquinas tales como: locomotoras, bombas, motores marinos, etc.
El ciclo de trabajo de una máquina de vapor se divide en dos partes
fundamentales; en principio, se genera vapor de agua por calentamiento directo,
en una caldera que se encuentra cerrada. El calor se produce por la quema de un
combustible, habitualmente carbón, madera o petróleo.
Su papel es importante hasta nuestros días, son empleadas en las termoeléctricas
para generar electricidad, entre otros usos. En las termoeléctricas actuales, como
en las primeras máquinas de vapor, el movimiento es obtenido mediante el vapor
de agua a alta presión.
Hoy se utilizan turbinas de vapor, una variante de las máquinas de vapor. En
general, independientemente de su utilización, tales máquinas tienen en común
transformar parte de la energía interna de un gas en energía de movimiento. Es
esa transformación de energía lo que define a las máquinas térmicas.
THOMAS SAVERY.
Ingeniero e inventor inglés al que se considera el inventor de la primera bomba de
extracción de agua que empleo vapor de agua en su funcionamiento. En las
primeras décadas del siglo XVIII se hicieron algunas propuestas para extraer agua
de las minas inglesas mediante bombas de succión, siendo la Miners’ Friend (El
amigo de los Mineros) de Savery patentada en 1698 la que prometía mayores
avances. Sin embargo, nunca funcionó como tal, pues las cañerías que
transportaban el vapor se reventaban frecuentemente. Fue empleada sin embargo
para elevar agua en edificios de pisos. El agua inferior no puede encontrarse a
más de once metros de las cámaras de vapor.
A finales del siglo XVII, las aguas subterráneas suponían un grave problema para
la minería, pues las bombas existentes no eran capaces de desarrollar una
potencia suficiente para extraer el agua desde esa profundidad.
La máquina de Savery consistía en un depósito conectado a una caldera, y a dos
tuberías, una de las cuales lo conectaba al agua de la mina que se pretendía
extraer y otra al exterior. El funcionamiento de la máquina era el siguiente: en
primer lugar se abría la válvula que conectaba la caldera con el depósito y éste se
llenaba de vapor de agua, saliendo el aire al exterior a través de una válvula
antirretorno.
Posteriormente se hacía enfriar el depósito haciendo chorrear desde fuera del
mismo agua fría, y al enfriarse, el vapor se condensaba, haciéndose el vacío en el
depósito.
Esta máquina supone la primera utilización industrial del carbón para realizar
trabajo mecánico. Sucesivas mejoras de esta máquina dieron lugar al desarrollo
de la máquina de James Watt.
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MAQUINA DE SAVERY.
La máquina de Savery fue la primera máquina diseñada específicamente para
aprovechar tanto la fuerza del vacío como la fuerza del vapor para realizar un
trabajo mecánico, en su caso, elevar una cantidad de agua desde una cota baja
hasta una cota alta en un campo gravitatorio. Fue diseñada a finales de siglo XVIII
para extraer agua de las minas de carbón de Inglaterra, aunque nunca fue
utilizada para ello, empleándose para elevar agua hasta los pisos superiores de
los edificios de viviendas en Londres y otras ciudades.
El vapor de agua que proviene de un generador de vapor calentado por la
combustión de carbón se introduce en una primera cámara intermedia conectada
con el fondo de la mina mediante un tubo. Cuando el vapor ha expulsado el aire
de esta cámara, este se enfría mediante agua fría en su exterior, en forma de
ducha, y el agua que asciende lo llena casi por completo.
Se cierra la válvula inferior y se abre la superior y se inyecta de nuevo vapor en la
cámara. La presión del mismo consigue elevar el agua hasta la cota superior. Para
hacer el proceso más eficiente se utilizan dos cámaras intermedias, de tal manera
que mientras una se está llenando de agua que proviene de la cota inferior en la
otra, ya llena, el agua es impulsada hacia arriba por el vapor.
CARACTERISTICAS.
La máquina de Savery consta de una caldera sellada herméticamente donde se
calienta el agua para generar vapor de agua a la presión deseada, posteriormente
la caldera está conectada a un recipiente igualmente sellado para que se pueda
producir un vacío parcial. Debido a que el principio fundamental de funcionamiento
de la máquina de Savery es el de presión de vapor y vacío las características de la
caldera y del recipiente en donde se generara el vacío deben ser las siguientes:
Debe ser un recipiente muy bien sellado, debe de tener un manómetro para medir
la presión que se genera en el interior, una válvula de alivio para regular la presión
que se va generando y en la parte frontal de la caldera debe tener una tubería de
50 cm de longitud con una válvula de paso que posteriormente se conecta al
recipiente en donde se va a generar un vacío parcial.
Las características del recipiente en donde se va a generar el vacío parcial son las
siguientes:
Al igual que la caldera tiene que estar herméticamente sellada, en la parte
superior del recipiente debe de tener una tubería y una válvula de paso para
regular el caudal ya que por ay será bombeada el agua, también debe tener en la
parte frontal una tubería con una válvula de paso, esta tubería debe llegar hasta la
fuente de agua que se desea bombear.
FUNCIONAMIENTO
El funcionamiento de la máquina es el siguiente: en primer lugar se abre la válvula
que conectaba la caldera con el recipiente donde se generara un vacío parcial y
éste se llenara de vapor de agua, haciendo salir el aire al exterior a través de una
válvula.
Posteriormente se hace enfriar el depósito por convección, y al enfriarse, el vapor
se condensara, haciéndose el vacío en el depósito.
Mediante una tubería con una válvula, el recipiente estará conectado al agua, por
lo que al hacerse el vacío, subirá el agua, llenando dicho recipiente.
Para vaciar el depósito se volverá a abrir la válvula que lo conecta con la caldera,
y el vapor a presión hará que el agua salga por la tubería que se encuentra en la
parte superior del recipiente elevando el agua a la altura deseada.
Al mismo tiempo que se construían máquinas de vapor, otros investigadores
median las propiedades del mismo. En la Tabla se dan los resultados
experimentales de la presión de vapor del agua a diferentes temperaturas tal y
como fueron obtenidos por Victor Regnault. Como puede observarse, la presión de
vapor del agua es muy baja a temperatura ambiente. A 100 C esta presión es
exactamente la atmosférica (760 mmHg o 105 Pa), lo que explica que el vapor
expulse el aire de los recipientes y por encima de esa temperatura crece muy
rápidamente. Una expresión sólo aproximada a temperaturas próximas a los 100
C, para esta presión sería:
P(t) = 760 exp [0.035(t − 100)]
Donde P(t) es la presión de vapor cuando la temperatura en grados Celsius es t, lo
que da idea de la rapidez exponencial con la que.
Presiones del vapor de agua, obtenidas por Regnault a diferentes temperaturas.
CONSUMO Y EFICIENCIA.
Una forma de ver la importancia de estas máquinas –las precursoras de las
máquinas de Newcomen y de Watt, medios técnicos que posibilitaron la revolución
industrial– es la siguiente. Supóngase que se contrata a una persona para que
suba agua hasta la parte superior de un edificio de pisos para que luego pueda ser
utilizada por los vecinos. La altura del edificio se estima en 20 m y se considera
que una persona de unos 75 kilos puede elevar 25 kilos de agua en cada viaje. En
cada viaje se necesita una energía de para elevar esa cantidad de agua.
mgΔh = (75 + 25)9.8×20 = 1.96×104 J
Las necesidades alimenticias por día de una persona trabajando son 3000-3500
kcalorías (entre 1.25×107 J y 14.6×107 J). Considerando que las necesidades
basales son del orden de las 2000-2500 kcalorías (entre 8.36×106 J y 10.5×106 J)
(100 W es la potencia calorífica producida por el metabolismo normal de un ser
humano adulto, lo que equivale a unos 8.6×106 J/día, con 52 W de potencia
cuando está dormido) y que el cuerpo humano tiene –como máximo– una
eficiencia transformadora de la energía ingerida en energía mecánica del 50 %
[para un ser vivo esta eficiencia está entre el 30 y el 40 %], se tienen unas 500
kcalorías por día para producir trabajo (2,1×106 J). Unos 100 viajes y subir un total
de 3000 litros de agua 20 m de altura.
Para el butano (peso molecular 58 g mol−1) su calor de combustión es de 2,
65×106 J mol−1. Un cartucho de 190 g produce 8, 70×106 J en su combustión.
Admitiendo que la máquina de Savery tiene un rendimiento del 2 % –porcentaje
del calor desprendido que se transforma en trabajo mecánico–, lo que no está muy
lejos de la realidad [una máquina de Watt, más perfeccionada que la de Savery
puede llegar a tener rendimientos de entre el 10 y el 15 %], se tiene que se
necesitan unos 12 cartuchos de butano diarios para subir la misma cantidad de
agua que sube la persona, unos 2,4 kilos por día. Si una bombona de butano de
13 kilos cuesta unos 12 euros, el funcionamiento diario de la máquina costaría
unos 2,2 euros. Si entre desayuno (1,5 euros), comida (2,5 euros) y cena (2 euros)
una persona gasta 6 euros, es casi tres veces más barato utilizar una máquina.
Referencias.
1. Ll. W. Taylor, Physics, The Pioneer Science. Volume I. Mechanics Heat,
Sound, Dover Publications, New York, 1959.
2. R. Porter, M. Ogilvie, Cons. Eds., The HUTCHINSON Dictionary of Scientific
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3. I. Kolin, The evolution of the heat engine, Longman, London (1972).
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Vol. 28, pp. 550-551 (1990); A. P. Feldman, A model of the Savery steam
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5. B. A. Smith, Wollaston’s cryophorus–precursor of the heat pipe, Phys.
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