Una locomotora de vapor de condensación es un tipo de locomotora diseñada para recuperar el vapor de escape, ya sea para mejorar el rango entre tomas de agua de caldera , o para reducir la emisión de vapor dentro de espacios cerrados. El aparato toma el vapor de escape que normalmente se utilizaría para producir un tiro para la cámara de combustión y lo dirige a través de un intercambiador de calor hacia los tanques de agua de la caldera. Las instalaciones varían según la finalidad, el diseño y el tipo de locomotora a la que se acopla. Se diferencia de la habitual máquina de vapor de condensación de ciclo cerrado , en que la función del condensador es principalmente recuperar agua, o evitar emisiones excesivas a la atmósfera, en lugar de mantener el vacío para mejorar tanto la eficiencia como la potencia .
A diferencia del condensador de superficie que se utiliza a menudo en una turbina de vapor o en una máquina de vapor marina , el aparato de condensación de una locomotora de vapor normalmente no aumenta la potencia de salida, sino que disminuye debido a una reducción del flujo de aire hacia la cámara de combustión que calienta la caldera de vapor. De hecho puede reducirlo considerablemente. 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 agregaría potencia adicional en la mayoría de las máquinas de vapor. Aunque potencialmente hay más potencia disponible al expandirse hasta el vacío, la potencia de salida se reduce considerablemente 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 introducir más aire en la entrada de aire de la cámara de combustión. Para producir una potencia similar, el aire a la cámara de combustión debe ser proporcionado por un ventilador accionado por vapor o mecánicamente. Esto a menudo anula cualquier mejora en la eficiencia.
La temperatura del vapor de escape es mayor que la típica planta de vapor estacionaria o de barco de potencia similar debido a que tiene menos etapas de recuperación de desechos, ya que los barcos suelen tener una máquina de vapor compuesta con una etapa adicional de baja presión o incluso una turbina de baja velocidad. El calor residual en las plantas de vapor modernas suele recuperarse mediante 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 ninguna 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 lo tienen las centrales eléctricas de vapor navales o estacionarias. El sistema de condensación de Anderson reduce significativamente estas pérdidas al enfriar solo parcialmente el vapor residual antes de comprimirlo en condensado y luego bombear el condensado a 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 mejora potencial en la eficiencia térmica que se espera al incluir el condensador en el ciclo generalmente no se logra dentro de las limitaciones de espacio de una locomotora típica. De hecho, es probable que las pérdidas debidas a la fricción viscosa en la tubería del condensador y al tener que bombear el condensado de regreso a la caldera reduzcan la producción de energía con respecto a lo que se podría lograr simplemente venteando a la atmósfera .
Estas restricciones no se aplican a máquinas de vapor marinas o estacionarias 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 bajo 6 psi en el Titanic y sus barcos hermanos. [1] Esto es varias veces el peso de una locomotora entera, por lo que claramente no es factible como forma de recuperación del vapor residual para las locomotoras.
Un inconveniente de condensar el vapor de escape es que ya no está disponible para atraer el fuego mediante el uso del tubo de explosión . Por lo tanto, el tiro debe ser generado por un ventilador accionado por vapor. [2] Siempre que fue posible, se dispuso utilizar 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 estar refrigerados por agua o por aire.
En este caso, el vapor de escape se insufla en agua fría en los depósitos de agua de la locomotora. Se debe instalar un sistema antirretorno para evitar que el agua de los tanques entre en los cilindros cuando se corta el vapor. Este sistema se utilizó principalmente para locomotoras que trabajaban en túneles.
Aquí, el vapor de escape se introduce en un radiador enfriado por aire, similar al que se utiliza para el sistema de refrigeración de un motor de combustión interna . Este sistema se utilizó en motores de tranvía pequeños (donde el condensador estaba montado en el techo) y en motores de ténder grandes (donde el condensador estaba montado en el ténder).
El sistema de condensación Anderson [3] utiliza un condensador enfriado por aire, pero el vapor sólo se condensa parcialmente para formar un aerosol de gotas de agua en vapor. Luego, este aerosol se licua mediante presión, utilizando una bomba de alimentación de caldera especialmente diseñada. Se afirmó que el sistema Anderson ahorraba casi un 30% de combustible (en comparación con la emisión a la atmósfera), pero esto parece paradójico. Se esperaría un mayor consumo de combustible debido a la potencia 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 mismo.
Posteriormente se utilizó un efecto similar conocido como desalinización por compresión de vapor 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 agua. [4]
Hay dos razones habituales para instalar equipos de condensación: reducir las emisiones de escape y aumentar la autonomía.
Desarrollado originalmente para el Ferrocarril Metropolitano 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 desde los tubos de escape hacia los tanques de agua a través de tubos 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 extraño que los tanques se vaciaran y rellenaran periódicamente con agua fría. Los inyectores comunes no funcionan 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 caldera impulsadas por ejes . Cuando no se trabajaba en túneles, el vapor se dirigía hacia el tubo de explosión y subía por la chimenea de la forma habitual.
En Gran Bretaña , las locomotoras que circulaban por los tranvías de vapor estaban obligadas por ley a tener condensadores. A veces se usaban condensadores de tanque de agua (como el anterior), pero los condensadores de aire eran más comunes. Una locomotora de vapor normalmente tenía un techo de longitud completa y estaba coronado por un nido de tubos de cobre enfriados por aire en los que se condensaba el vapor de escape. Kitson & Company fabricó muchos motores de este tipo. El sistema era satisfactorio para las locomotoras de tranvía (que eran de muy baja potencia), pero no habría funcionado para locomotoras de ferrocarril más grandes.
Generalmente se trataba de una instalación más sofisticada que utilizaba refrigeración por aire forzado para condensar el vapor de escape. El objetivo del sistema era reducir los problemas de conseguir suficiente agua para las locomotoras de vapor que circulaban por zonas desérticas y muy áridas, como por ejemplo Sudáfrica . (Vea abajo)
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Medios relacionados con locomotoras de vapor de condensación en Wikimedia Commons