Una locomotora de vapor de condensación es un tipo de locomotora diseñada para recuperar el vapor de escape, ya sea para mejorar el alcance entre la toma de agua de la caldera o para reducir la emisión de vapor dentro de espacios cerrados. El aparato toma el vapor de escape que normalmente se usaría para producir una corriente de aire para la cámara de combustión y lo dirige a través de un intercambiador de calor hasta los tanques de agua de la caldera. Las instalaciones varían según el propósito, el diseño y el tipo de locomotora en la que se instala. Se diferencia de la máquina de vapor de condensación de ciclo cerrado habitual en que la función del condensador es principalmente recuperar agua o evitar emisiones excesivas a la atmósfera, en lugar de mantener un vacío para mejorar tanto la eficiencia como la potencia .
A diferencia del condensador de superficie que se suele utilizar en una turbina de vapor o en un motor de vapor marino , el aparato de condensación de una locomotora de vapor normalmente no aumenta la potencia de salida, sino que puede disminuirla considerablemente debido a una reducción del flujo de aire a la cámara de combustión que calienta la caldera de vapor. La condensación del vapor de un gas de alto volumen a un líquido de bajo volumen provoca una caída de presión significativa en el escape, lo que normalmente añadiría potencia adicional en la mayoría de los motores de vapor. Aunque es posible obtener más potencia mediante la expansión hasta el vacío, la potencia de salida se reduce en gran medida en comparación con una locomotora de vapor convencional debido al menor flujo de aire a través de la cámara de combustión, ya que ahora no hay vapor residual que expulsar al escape de la cámara de combustión para atraer más aire hacia la entrada de aire de la cámara de combustión. Para producir una potencia similar, el aire a la cámara de combustión debe ser suministrado por un ventilador impulsado por vapor o por medios mecánicos. Esto a menudo anula cualquier mejora en la eficiencia.
La temperatura del vapor de escape es mayor que la de una planta de vapor estacionaria o basada en barco típica de potencia similar debido a que tiene menos etapas de recuperación de desechos, ya que los barcos a menudo tienen un motor de vapor compuesto con una etapa adicional de baja presión o incluso una turbina de baja velocidad. El calor residual en las plantas de vapor modernas a menudo se recupera utilizando intercambiadores de calor. Sin embargo, las locomotoras de condensación no tienen este beneficio debido a que el calor residual se expulsa al aire circundante y no se recupera, y por lo tanto, no se recupera nada de la energía del vapor residual para realizar trabajo mecánico. En muchas condiciones, el gradiente de temperatura suele ser mucho peor debido al uso de aire en lugar de tener una fuente abundante de agua de refrigeración como tienen las plantas de energía de vapor navales o estacionarias. El sistema de condensación Anderson reduce significativamente estas pérdidas al enfriar solo parcialmente el vapor residual antes de comprimirlo en condensado, y luego bombear el condensado de alta temperatura nuevamente a la caldera para recuperar el calor residual no utilizado. Esto reduce en gran medida el desperdicio de energía .
Debido a la temperatura relativamente alta en el condensador de una locomotora y al rechazo del calor al aire, la posible mejora en la eficiencia térmica esperada al incluir el condensador en el ciclo no suele concretarse dentro de las limitaciones de espacio de una locomotora típica. De hecho, las pérdidas debidas a la fricción viscosa en las tuberías del condensador y al hecho de tener que bombear el condensado de vuelta a la caldera probablemente reduzcan la potencia de salida por encima de lo que se podía lograr simplemente venteando a la atmósfera .
Estas restricciones no se aplican a los motores de vapor marinos o estacionarios debido a que no tienen restricciones de tamaño o peso. Los barcos a menudo tenían sistemas masivos de recuperación de vapor residual, como la turbina de vapor residual de 400 toneladas utilizada para recuperar vapor residual de muy baja presión (6 psi [41 kPa]) en el Titanic y sus barcos gemelos. [1] Esto es varias veces el peso de una locomotora entera, por lo que claramente no es factible como una forma de recuperación de vapor residual para locomotoras.
Una desventaja de condensar el vapor de escape es que ya no está disponible para alimentar el fuego mediante el uso del tubo de combustión . Por lo tanto, el tiro debe generarse mediante un ventilador impulsado por vapor. [2] Siempre que es posible, se ha dispuesto que se utilice vapor de escape, aunque en algunos casos se requirió vapor vivo, con vapor adicional y, por lo tanto, consumo de combustible.
Los condensadores de las locomotoras de vapor pueden refrigerarse por agua o por aire.
En este caso, el vapor de escape se introduce en agua fría en los tanques de agua de la locomotora. Para evitar que el agua de los tanques entre en los cilindros cuando se corta el vapor, es necesario instalar un sistema antirretorno. Este sistema se utilizaba principalmente en locomotoras que trabajaban en túneles.
En este caso, el vapor de escape se introduce en un radiador refrigerado por aire, similar al que se utiliza para el sistema de refrigeración de un motor de combustión interna . Este sistema se utilizaba en locomotoras de tranvía pequeñas (en las que el condensador se montaba en el techo) y en locomotoras de ténder grandes (en las que el condensador se montaba en el ténder).
El sistema de condensación Anderson [3] utiliza un condensador refrigerado por aire, pero el vapor se condensa solo parcialmente para formar un aerosol de gotitas de agua en el vapor. Luego, este aerosol se licúa mediante presión, utilizando una bomba de alimentación de caldera especialmente diseñada. Se afirmó que el sistema Anderson permite un ahorro de combustible de casi el 30 % (en comparación con la descarga a la atmósfera), pero esto parece paradójico. Se esperaría un mayor consumo de combustible debido a la energía necesaria para comprimir el aerosol.
La razón por la que esto es posible se debe al teorema de Carnot , que establece que bombear calor requiere menos energía que producir el calor en sí.
Un efecto similar, conocido como desalinización por compresión de vapor, se utilizó posteriormente para la desalinización del agua. En lugar de devolver el agua condensada a la caldera, el condensado comprimido caliente pasa a través de un intercambiador de calor para devolver el calor a la caldera y luego se libera como agua potable limpia. Es uno de los procesos más eficientes utilizados para desalinizar el agua. [4]
Hay dos razones habituales para instalar equipos de condensación: reducir las emisiones de escape y aumentar la autonomía.
Originalmente desarrollado para el Metropolitan Railway para permitir que sus locomotoras trabajaran en los túneles del metro de Londres . Este sistema fue ideado por Daniel Gooch y desarrollado por Beyer, Peacock & Company . El vapor se desvía de las tuberías de vapor de escape a los tanques de agua a través de tuberías de condensación dentro de los mismos tanques. [5] El agua en los tanques podría calentarse rápidamente cerca del punto de ebullición , reduciendo el efecto de condensación en el vapor de escape. No era desconocido que los tanques se vaciaran y rellenaran con agua fría de forma regular. Los inyectores ordinarios no funcionarán con agua caliente [5] (hasta que se desarrollaron los inyectores de agua caliente), por lo que las locomotoras de condensación generalmente estaban equipadas con bombas de agua de alimentación de calderas accionadas por eje . Cuando no trabajaban en túneles, el vapor se dirigía a la tubería de explosión y subía por la chimenea de la forma habitual.
En Gran Bretaña , las locomotoras que funcionaban en tranvías de vapor de carretera debían tener condensadores por ley. A veces se utilizaban condensadores de tanque de agua (como los anteriores), pero los condensadores de aire eran más comunes. Un motor de tranvía de vapor generalmente tenía un techo de longitud completa y este estaba coronado por un nido de tubos de cobre refrigerados por aire en los que se condensaba el vapor de escape. Kitson & Company fabricó muchos motores de este tipo. El sistema era satisfactorio para los motores de tranvía (que eran de muy baja potencia), pero no habría funcionado para locomotoras de ferrocarril más grandes.
En general, se trataba de una instalación más sofisticada que utilizaba refrigeración por aire forzado para condensar el vapor de escape. El sistema tenía como objetivo reducir los problemas de conseguir agua suficiente para las locomotoras de vapor que circulaban por zonas desérticas y muy áridas, como Sudáfrica (véase más abajo).
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Medios relacionados con Locomotoras de vapor de condensación en Wikimedia Commons