Un sobrecalentador es un dispositivo que se utiliza para convertir vapor saturado o vapor húmedo en vapor sobrecalentado o vapor seco. El vapor sobrecalentado se utiliza en turbinas de vapor para generación de electricidad , en algunas máquinas de vapor y en procesos como el reformado con vapor . Hay tres tipos de sobrecalentadores: radiantes, de convección y de encendido por separado. Un sobrecalentador puede variar en tamaño desde unas pocas decenas de pies hasta varios cientos de pies (desde unos pocos metros hasta algunos cientos de metros).
En muchas aplicaciones, una turbina hará un uso más eficiente de la energía del vapor que un motor alternativo. Sin embargo, el vapor saturado ("húmedo") en el punto de ebullición puede contener o condensarse en gotas de agua líquida, lo que puede causar daños a las palas de la turbina. Por lo tanto, los motores de turbina de vapor generalmente sobrecalientan el vapor, generalmente dentro de la caldera primaria, para garantizar que no entre agua líquida al sistema y dañe las palas.
En una máquina de vapor , el sobrecalentador calienta aún más el vapor generado por la caldera , aumentando su energía térmica y disminuyendo la probabilidad de que se condense dentro del motor. [1] [2] Los sobrecalentadores aumentan la eficiencia térmica de la máquina de vapor y han sido ampliamente adoptados. El vapor que ha sido sobrecalentado se conoce como vapor sobrecalentado , y el vapor no sobrecalentado se llama vapor saturado o vapor húmedo. Desde principios del siglo XX, los sobrecalentadores se aplicaron a muchas locomotoras de vapor , a la mayoría de los vehículos de vapor y a las máquinas de vapor estacionarias. Todavía se utiliza junto con turbinas de vapor en centrales generadoras de energía eléctrica en todo el mundo.
En el uso de locomotoras de vapor , la forma más común de sobrecalentador es, con diferencia, el tipo pirotubular. Esto lleva el vapor saturado suministrado en la tubería seca a un cabezal de sobrecalentador montado contra la placa del tubo en la caja de humo . Luego, el vapor pasa a través de una serie de elementos sobrecalentadores, que son tubos largos colocados dentro de los tubos de fuego de mayor diámetro, llamados conductos de humos. Los gases de combustión calientes procedentes del fuego de la locomotora pasan a través de los conductos de humos y, además de calentar el agua en la caldera circundante, calientan el vapor dentro de los elementos sobrecalentadores por los que circulan. El elemento sobrecalentador se dobla sobre sí mismo para que el vapor calentado pueda regresar. La mayoría lo hace dos veces en el extremo del fuego y una vez en el extremo de la cámara de humo, de modo que el vapor recorra una distancia de cuatro veces la longitud del cabezal mientras se calienta. Al final de su recorrido a través de los elementos, el vapor sobrecalentado pasa a un compartimento separado del cabezal del sobrecalentador y luego a los cilindros del motor.
El vapor que pasa a través de los elementos del sobrecalentador enfría su metal y evita que se derrita, pero cuando se cierra el acelerador ese efecto de enfriamiento desaparece, por lo que se cierra una compuerta en la caja de humos para cortar el flujo a través de los conductos y evitar que se dañen. Algunas locomotoras, particularmente en Londres y el Ferrocarril del Noreste , estaban equipadas con válvulas de aspiración , que admitían aire al sobrecalentador cuando la locomotora avanzaba por inercia. Eso mantuvo los elementos del sobrecalentador relativamente más fríos y los cilindros calientes. La válvula de descarga se puede ver en muchas locomotoras LNER detrás de la chimenea.
Un sobrecalentador aumenta la distancia entre el acelerador y los cilindros en el circuito de vapor y, por lo tanto, reduce la inmediatez de la acción del acelerador. Para contrarrestar esto, algunas locomotoras de vapor posteriores fueron equipadas con un acelerador delantero, colocado en la caja de humos después del sobrecalentador. Estas locomotoras a veces pueden identificarse por una varilla de aceleración externa que se extiende a lo largo de toda la caldera, con una manivela en el exterior de la caja de humos. Esa disposición también permite utilizar vapor sobrecalentado para aparatos auxiliares, como la dinamo y las bombas de aire . Otro beneficio del acelerador frontal es que el vapor sobrecalentado está disponible de inmediato. Con un acelerador de domo, pasa algún tiempo antes de que el sobrecalentador realmente proporcione un beneficio de eficiencia.
Las locomotoras con sobrecalentadores suelen estar equipadas con válvulas de pistón o válvulas de asiento , porque es difícil mantener una válvula deslizante adecuadamente lubricada a altas temperaturas.
El primer sobrecalentador práctico fue desarrollado en Alemania por Wilhelm Schmidt durante las décadas de 1880 y 1890. La locomotora prusiana S 4 , con una forma temprana de sobrecalentador, se construyó en 1898 y se produjeron más en serie a partir de 1902. [3] Los beneficios de la invención fueron demostrados en el Reino Unido por el Great Western Railway (GWR) en 1906. El ingeniero mecánico jefe de GWR, GJ Churchward , creía que el tipo Schmidt podía mejorarse, y se emprendió el diseño y las pruebas de un tipo Swindon autóctono, que culminó con el sobrecalentador número 3 de Swindon en 1909. [4] Douglas Earle Marsh llevó a cabo Realizó una serie de pruebas comparativas entre los miembros de su clase I3 que utilizaban vapor saturado y aquellos equipados con el sobrecalentador Schmidt entre octubre de 1907 y marzo de 1910, demostrando las ventajas de estos últimos en términos de rendimiento y eficiencia. [5]
Los sobrecalentadores mejorados fueron introducidos por John G. Robinson del Great Central Railway en la fábrica de locomotoras de Gorton , por Robert Urie del London and South Western Railway (LSWR) en la fábrica de ferrocarriles de Eastleigh , y Richard Maunsell del Southern Railway (Gran Bretaña) , también en Eastleigh.
La locomotora de vapor con sobrecalentador más antigua que se conserva, además de ser la primera locomotora de vía estrecha con sobrecalentador, es la Bh.1, propiedad de Steiermärkische Landesbahnen (STLB) en Austria, que opera trenes de excursión en el ferrocarril del valle de Mur . [ cita necesaria ]
El diseño del sobrecalentador de Robert Urie para el LSWR fue producto de la experiencia con sus locomotoras H15 clase 4-6-0. En previsión de las pruebas de rendimiento, ocho ejemplares fueron equipados con sobrecalentadores Schmidt y Robinson, y otros dos permanecieron saturados. [6] Sin embargo, la Primera Guerra Mundial intervino antes de que las pruebas pudieran llevarse a cabo, aunque un informe del Comité de Locomotoras LSWR de finales de 1915 señaló que la versión Robinson arrojó la mejor eficiencia de combustible. Consumió un promedio de 48,35 libras (21,9 kg) de carbón por milla en una distancia promedio de 39.824 millas (64.090,5 km), en comparación con 48,42 libras (22,0 kg) y 59,05 libras (26,8 kg) de carbón para los ejemplos Schmidt y saturado, respectivamente. [6]
Sin embargo, el informe afirmaba que ambos tipos de sobrecalentadores tenían graves inconvenientes. El sistema Schmidt presentaba un control de compuerta en el cabezal del sobrecalentador que provocaba que los gases calientes se condensaran en ácido sulfúrico , lo que provocaba picaduras y el posterior debilitamiento de los elementos del sobrecalentador. [6] Las fugas de gases también eran comunes entre los elementos y el cabezal, y el mantenimiento era difícil sin retirar el conjunto dispuesto horizontalmente. La versión Robinson sufría variaciones de temperatura causadas por cámaras de vapor saturadas y sobrecalentadas adyacentes, lo que provocaba tensión en el material, y tenía problemas de acceso similares a los del tipo Schmidt. [6]
Las recomendaciones del informe permitieron a Urie diseñar un nuevo tipo de sobrecalentador con cabezales de vapor saturado separados encima y debajo del cabezal del sobrecalentador. [7] Estaban conectados por elementos que comenzaban en el cabezal saturado, recorrían los tubos de humos y regresaban al cabezal del sobrecalentador, y todo el conjunto estaba dispuesto verticalmente para facilitar el mantenimiento. [7] El dispositivo tuvo mucho éxito en servicio, pero era pesado y costoso de construir. [7]
Las principales ventajas de utilizar un sobrecalentador son el menor consumo de combustible y agua, pero hay que pagar un precio en forma de mayores costes de mantenimiento. En la mayoría de los casos, los beneficios superaron los costos y los sobrecalentadores se utilizaron ampliamente, aunque las locomotoras de maniobras británicas ( conmutadores ) rara vez estaban equipadas con sobrecalentadores. En las locomotoras utilizadas para el tráfico de minerales las ventajas parecen haber sido marginales. Por ejemplo, el Ferrocarril del Noreste instaló sobrecalentadores en algunas de sus locomotoras minerales NER Clase P , pero luego comenzó a quitarlos.
Sin un mantenimiento cuidadoso, los sobrecalentadores son propensos a sufrir un tipo particular de falla peligrosa, que implica que los tubos del sobrecalentador exploten en sus vueltas en forma de U. Son difíciles de fabricar y de probar cuando se instalan, y una ruptura hace que el vapor sobrecalentado a alta presión se escape hacia los grandes conductos de humos, regrese al fuego y a la cabina de la locomotora, creando un peligro extremo para la tripulación de la locomotora.
