La tecnología de vapor avanzada (a veces conocida como vapor moderno ) refleja un enfoque del desarrollo técnico de la máquina de vapor destinado a una variedad de aplicaciones más amplia que la que ha sido hasta ahora. Se ha prestado especial atención a los problemas endémicos que llevaron a la desaparición de la energía de vapor en aplicaciones comerciales de pequeña y mediana escala: contaminación excesiva, costos de mantenimiento, operación que requiere mucha mano de obra, baja relación potencia/peso y baja eficiencia térmica general ; donde la energía de vapor ha sido generalmente reemplazada por el motor de combustión interna o por la energía eléctrica extraída de una red eléctrica . Las únicas instalaciones de vapor que se utilizan ampliamente son las centrales térmicas de alta eficiencia que se utilizan para generar electricidad a gran escala. Por el contrario, las máquinas de vapor propuestas pueden ser para uso estacionario, de carretera, ferroviario o marítimo.
Aunque la mayoría de las referencias al "vapor moderno" se aplican a desarrollos ocurridos desde la década de 1970, ciertos aspectos de la tecnología avanzada del vapor se pueden discernir a lo largo del siglo XX, en particular el control automático de la caldera junto con un arranque rápido.
En 1922, Abner Doble desarrolló un sistema electromecánico que reaccionaba simultáneamente a la temperatura y presión del vapor, arrancando y parando las bombas de alimentación mientras encendía y apagaba el quemador según la presión de la caldera. [1] La caldera monotubo de contraflujo tenía una presión de trabajo de 750 a 1200 psi (5,17 a 8,27 MPa ), pero contenía tan poca agua en circulación que no presentaba riesgo de explosión. Este tipo de caldera se desarrolló continuamente en los EE. UU., Gran Bretaña y Alemania durante los años 1930 y 1950 para su uso en automóviles , autobuses , camiones , vagones , locomotoras de maniobras (EE. UU.; conmutadores ), una lancha rápida y, en 1933, una Travel reconvertida. Biplano Air 2000 . [2] [3]
En el Reino Unido, Sentinel Waggon Works desarrolló una caldera acuotubular vertical que funciona a 275 psi (1,90 MPa ) que se utilizó en vehículos de carretera, locomotoras de maniobras y vagones. El vapor se podía generar mucho más rápidamente que con una caldera de locomotora convencional .
Las pruebas del sistema de condensación Anderson en el Ferrocarril del Sur (Gran Bretaña) se llevaron a cabo entre 1930 y 1935. [4] El aparato de condensación no se ha utilizado ampliamente en las locomotoras de vapor debido a la complejidad y el peso adicionales, pero ofrece cuatro ventajas potenciales:
El sistema de condensación de Anderson utiliza un proceso conocido como recompresión mecánica de vapor . Fue ideado por un ingeniero marino de Glasgow , Harry Percival Harvey Anderson. [5] La teoría era que, eliminando alrededor de 600 de las 970 unidades térmicas británicas presentes en cada libra de vapor (1400 de los 2260 kilojulios de cada kilogramo ), sería posible devolver el vapor de escape a la caldera mediante una bomba. lo que consumiría sólo entre el 1 y el 2% de la potencia del motor. Entre 1925 y 1927, Anderson y otro ingeniero de Glasgow, John McCullum (algunas fuentes citan a McCallum), realizaron experimentos en una planta de vapor estacionaria con resultados alentadores. Se formó una empresa, Steam Heat Conservation (SHC), y se organizó una demostración del sistema de Anderson en la estación generadora de electricidad de Surbiton. [4] [6]
SHC estaba interesado en aplicar el sistema a una locomotora de ferrocarril y se puso en contacto con Richard Maunsell de Southern Railway. Maunsell solicitó que se llevara a cabo una prueba controlada en Surbiton y esto se hizo alrededor de 1929. El asistente técnico de Maunsell, Harold Holcroft , estuvo presente y se registró un ahorro de combustible del 29%, en comparación con el trabajo atmosférico convencional. Southern Railway convirtió la locomotora de clase SECR N número A816 (más tarde 1816 y 31816) al sistema Anderson en 1930. La locomotora se sometió a pruebas y los resultados iniciales fueron alentadores. Después de una ardua prueba desde Eastleigh hasta Litchfield Summit, se informa que Holcroft dijo:
"En la forma ordinaria, esto habría creado mucho ruido y nubes de vapor, pero con la condensación puesta en acción, ¡todo fue absorbido con la facilidad con la que la nieve se derrite en un horno! El motor era tan silencioso como una locomotora eléctrica y el sólo se produjeron leves ruidos debido al ligero golpe de las varillas y a un pequeño golpe en el casquillo del pistón. Esto había que experimentarlo para creerlo, de no ser porque el regulador estaba completamente abierto y el inversor estaba muy arriba, uno habría imaginado que el segundo motor; (una clase LSWR T14 que se había proporcionado como respaldo) estaba impulsando al primero". [7]
Las pruebas continuaron hasta 1934 pero surgieron varios problemas, sobre todo con el ventilador de tiro forzado , y el proyecto no llegó a más. [4] La locomotora volvió a su forma estándar en 1935. [8]
El trabajo del ingeniero mecánico francés André Chapelon en la aplicación del análisis científico y el esfuerzo por lograr la eficiencia térmica fue un ejemplo temprano de tecnología avanzada de vapor. [9] [10] El protegido de Chapelon, Livio Dante Porta, continuó el trabajo de Chapelon. [9]
Después de la guerra, a finales de los años 1940 y 1950, algunos diseñadores trabajaron en la modernización de las locomotoras de vapor. El ingeniero argentino Livio Dante Porta, en el desarrollo de las locomotoras ferroviarias Stephensonianas que incorporaban tecnología de vapor avanzada, fue un precursor del movimiento "Modern Steam" de 1948. [11] : 3–6 Cuando era posible, Porta prefería diseñar nuevas locomotoras, pero más A menudo, en la práctica, se vio obligado a actualizar radicalmente los antiguos para incorporar la nueva tecnología.
En Gran Bretaña, la clase SR Leader de c. 1949 de Oliver Bulleid y las locomotoras de vapor de clase 'Standard' de British Rail de la década de 1950 de Robert Riddles , en particular la BR Standard Class 9F , se utilizaron para probar nuevas características de diseño de locomotoras de vapor, incluida la caldera Franco-Crosti . Al mudarse a Irlanda , Bulleid también diseñó el CIÉ No. CC1 , que tenía muchas características novedosas.
La conferencia Sir Biscoe Tritton, impartida por Roger Waller, de la empresa DLM [12] en el Instituto de Ingenieros Mecánicos en 2003 [13] da una idea de cómo se están abordando los problemas de la energía de vapor. Waller se refiere principalmente a algunas locomotoras de cremallera de montaña que se construyeron recientemente entre 1992 y 1998. Fueron desarrolladas para tres empresas en Suiza y Austria y hasta 2008 continuaron trabajando en dos de estas líneas [actualizar]. Las nuevas locomotoras de vapor queman el mismo grado de petróleo ligero que sus contrapartes diésel y todas demuestran las mismas ventajas de disponibilidad inmediata y costo laboral reducido; al mismo tiempo, se ha demostrado que reducen en gran medida la contaminación del aire y del suelo. Su superioridad económica ha significado que han reemplazado en gran medida las locomotoras y vagones diésel que anteriormente operaban la línea; además, las locomotoras de vapor son una atracción turística.
Una línea de desarrollo paralela fue el regreso a la energía a vapor del antiguo barco de vapor Montreux del Lago Lemán , que había sido equipado con un motor diesel-eléctrico en los años 1960. [14] Se perseguían objetivos económicos similares a los conseguidos con las locomotoras de cremallera mediante el control automático de la caldera de gasóleo y el control remoto del motor desde el puente, permitiendo que el barco de vapor fuera operado por una tripulación del mismo tamaño que un barco de motor.
Una unidad de energía basada en tecnología avanzada de vapor que quema combustibles fósiles inevitablemente emitirá dióxido de carbono , un gas de efecto invernadero de larga duración . Sin embargo, el vapor puede lograr reducciones significativas de otros contaminantes como CO y NO x en comparación con otras tecnologías de combustión, ya que no implica una combustión explosiva [15] , eliminando así la necesidad de complementos (como filtros) o preparación especial. de combustible.
Si se utilizan combustibles renovables como madera u otros biocombustibles , el sistema podría ser neutro en carbono . El uso de biocombustibles sigue siendo controvertido; sin embargo, los biocombustibles líquidos son más fáciles de fabricar para plantas de vapor que para motores diésel, ya que no exigen los estrictos estándares de combustible necesarios para proteger los inyectores de diésel.
En principio, la combustión y el suministro de energía de una planta de vapor pueden considerarse etapas separadas. Si bien puede ser difícil lograr una alta eficiencia térmica general, en gran parte debido a la etapa adicional de generar un fluido de trabajo entre la combustión y la entrega de energía, atribuible principalmente a fugas y pérdidas de calor, [11] : 54–61 la separación de los procesos permite problemas específicos. deben abordarse en cada etapa sin tener que revisar todo el sistema cada vez. Por ejemplo, la caldera o el generador de vapor se pueden adaptar para utilizar cualquier fuente de calor, ya sea obtenida a partir de combustible sólido, líquido o gaseoso, y pueden utilizar calor residual . Cualquiera que sea la elección, no tendrá ningún efecto directo en el diseño de la unidad del motor, ya que éste sólo tiene que lidiar con vapor.
Este proyecto incluye principalmente sistemas combinados de generación eléctrica y calefacción para hogares privados y pequeñas aldeas que queman madera o astillas de bambú. Está destinado a sustituir los motores burro de 2 tiempos y las pequeñas centrales eléctricas diésel. La reducción drástica del nivel de ruido es un beneficio inmediato de una pequeña planta alimentada por vapor. Ted Pritchard , de Melbourne, Australia, estuvo desarrollando intensamente este tipo de unidades desde 2002 hasta su muerte en 2007. La empresa Pritchard Power (ahora Uniflow Power) [16] declaró en 2010 que continúan desarrollando el S5000 estacionario, y que un Se había construido y probado un prototipo y se estaban perfeccionando los diseños para obtener productos listos para el mercado. [17]
Hasta 2006, una empresa alemana llamada Enginion estaba desarrollando activamente una Steamcell , una micro unidad CHP del tamaño de una torre de PC para uso doméstico. Parece que en 2008 se fusionó con la empresa berlinesa AMOVIS. [18] [19]
Desde 2012, una empresa francesa, EXOES, vende a empresas industriales un motor de ciclo Rankine , patentado, diseñado para funcionar con numerosos combustibles, como la energía solar concentrada, la biomasa o los fósiles. El sistema, llamado "SHAPE" por Sustainable Heat And Power Engine, convierte el calor en electricidad. El motor SHAPE es adecuado para aplicaciones integradas y estacionarias. Se ha integrado un motor SHAPE en una caldera de biomasa y en un sistema de energía solar de concentración . La empresa tiene previsto colaborar con fabricantes de automóviles, fabricantes de camiones de larga distancia y empresas ferroviarias. [20]
Powertherm, [21] una filial de Spilling (véase más adelante), comercializa una unidad similar .
Una empresa de la India [22] fabrica generadores de vapor en una gama de tamaños que van desde 4 hp hasta 50 hp. También ofrecen varios molinos diferentes que pueden funcionar con sus motores.
En cuestión de tecnología, observe que la cuasiturbina es una máquina de vapor rotativa de flujo único donde el vapor entra en áreas calientes y sale en áreas frías.
La empresa Spilling produce una variedad de pequeñas plantas estacionarias adaptadas a la combustión de biomasa o energía derivada del calor residual o la recuperación de presión. [23] [24]
La empresa finlandesa Steammotor Finland ha desarrollado una pequeña máquina de vapor rotativa que funciona con un generador de vapor de 800 kW. Está previsto que los motores produzcan electricidad en centrales eléctricas alimentadas con astillas de madera. Según la empresa, la máquina de vapor llamada Quadrum genera un 27% de eficiencia y funciona con vapor a 180 °C a 8 bar de presión, mientras que una turbina de vapor correspondiente produce sólo un 15% de eficiencia, requiere una temperatura de vapor de 240 °C y una presión de 40 bar. La alta eficiencia proviene de un mecanismo de manivela patentado que proporciona un par suave y sin impulsos. La empresa cree que, si se continúa desarrollando la construcción, existe la posibilidad de alcanzar una eficiencia tan alta como del 30-35%. [25]
Durante la primera crisis del petróleo de la década de 1970, las grandes corporaciones automovilísticas iniciaron una serie de investigaciones sobre la tecnología del vapor, aunque a medida que la crisis se calmó, pronto se perdió el impulso.
El principal campo de investigación del ingeniero australiano Ted Pritchard [26] desde finales de los años 1950 hasta los años 1970 fue la construcción de varias unidades de energía de vapor eficientes que funcionaban con el sistema uniflow adaptado a un camión pequeño y dos coches. Uno de los coches alcanzaba las cifras de emisiones más bajas de aquella época.
IAV , una empresa de I+D con sede en Berlín que más tarde desarrolló el Steamcell, durante la década de 1990 estaba trabajando en el ZEE (motor de emisiones cero) monocilíndrico, seguido del compacto EZEE (motor de emisiones iguales a cero) de 3 cilindros. [27] diseñado para caber en el compartimento del motor de una pequeña berlina familiar Škoda Fabia . Todos estos motores hicieron un uso intensivo de celdas térmicas cerámicas sin llama tanto para el generador de vapor como en puntos estratégicos de impulso donde se inyectaba vapor en los cilindros.
Un diseño montado sobre bogies de potencia con una caldera acuotubular compacta similar a los diseños Sentinel de la década de 1930. Ejemplo: locomotora Sentinel-Cammell (derecha).
Tanto el 52 8055 como el 5AT propuesto tienen un diseño convencional, con la cabina en la parte trasera, mientras que el ACE 3000 tenía la cabina ubicada en la parte delantera. Son posibles otras soluciones, especialmente con la combustión de combustible líquido. Por ejemplo:
Otra propuesta de tecnología de vapor avanzada es revivir la locomotora sin fuego , que funciona con vapor almacenado y pregenerado de forma independiente. Un ejemplo es el proyecto Solar Steam Train [32] en Sacramento, California .
{{cite web}}: Mantenimiento CS1: URL no apta ( enlace )