Una máquina de vapor es una máquina térmica que realiza un trabajo mecánico utilizando vapor como fluido de trabajo . La máquina de vapor utiliza la fuerza producida por la presión del vapor para empujar un pistón hacia adelante y hacia atrás dentro de un cilindro . Esta fuerza de empuje se puede transformar, mediante una biela y una manivela , en fuerza de rotación para el trabajo. El término "máquina de vapor" generalmente se aplica sólo a los motores alternativos como se acaba de describir, no a la turbina de vapor . Los motores de vapor son motores de combustión externa , [1] donde el fluido de trabajo se separa de los productos de la combustión. El ciclo termodinámico ideal utilizado para analizar este proceso se llama ciclo de Rankine . En el uso general, el término máquina de vapor puede referirse a plantas de vapor completas (incluidas calderas , etc.), como locomotoras de vapor ferroviarias y máquinas portátiles , o puede referirse únicamente a la maquinaria de pistón o turbina, como en la máquina de viga y la máquina de vapor estacionaria. motor .
Los dispositivos impulsados por vapor se conocían ya en la época de la eolipila , Bola de Eolo, en el siglo I d. C., y se registraron algunos otros usos en el siglo XVI. En 1606 Jerónimo de Ayanz y Beaumont patentó su invento de la primera bomba de agua accionada por vapor para el drenaje de minas. [2] Thomas Savery es considerado el inventor del primer dispositivo propulsado por vapor de uso comercial, una bomba de vapor que utilizaba presión de vapor que funcionaba directamente sobre el agua. El primer motor comercialmente exitoso que podía transmitir potencia continua a una máquina fue desarrollado en 1712 por Thomas Newcomen . James Watt realizó una mejora fundamental en 1764, al trasladar el vapor gastado a un recipiente separado para su condensación, mejorando enormemente la cantidad de trabajo obtenido por unidad de combustible consumido. En el siglo XIX, las máquinas de vapor estacionarias impulsaban las fábricas de la Revolución Industrial . Las máquinas de vapor reemplazaron las velas de los barcos de vapor y las locomotoras de vapor operaron en los ferrocarriles.
Las máquinas de vapor de pistón alternativo fueron la fuente de energía dominante hasta principios del siglo XX. La eficiencia de la máquina de vapor estacionaria aumentó dramáticamente hasta aproximadamente 1922. [3] La eficiencia del ciclo Rankine más alta del 91% y la eficiencia térmica combinada del 31% se demostraron y publicaron en 1921 y 1928. [4] Avances en el diseño de motores eléctricos y Los motores de combustión interna dieron como resultado la sustitución gradual de las máquinas de vapor en el uso comercial. Las turbinas de vapor reemplazaron a los motores alternativos en la generación de energía, debido a su menor costo, mayor velocidad de operación y mayor eficiencia. [5] Tenga en cuenta que las turbinas de vapor a pequeña escala son mucho menos eficientes que las grandes. [6]
En Alemania todavía se fabrican grandes máquinas de vapor de pistones alternativos. [7]
Una máquina de vapor rudimentaria registrada fue la eólípila descrita por Héroe de Alejandría , un matemático e ingeniero griego en el Egipto romano en el siglo I d.C. [8] En los siglos siguientes, las pocas máquinas de vapor conocidas eran, como la eólípila, [9] dispositivos esencialmente experimentales utilizados por los inventores para demostrar las propiedades del vapor.
Taqi al-Din [10] describió un rudimentario dispositivo de turbina de vapor en el Egipto otomano en 1551 y Giovanni Branca [11] en Italia en 1629. [12] El inventor español Jerónimo de Ayanz y Beaumont recibió patentes en 1606 para 50 turbinas de vapor. -Invenciones impulsadas, incluida una bomba de agua para drenar minas inundadas. [13] El francés Denis Papin hizo algunos trabajos útiles en el digestor de vapor en 1679, y utilizó por primera vez un pistón para levantar pesos en 1690. [14]
Pocas personas también sabían que el concepto de máquina de vapor en sí se había inventado en China 700 años antes de que James Watt lo desarrollara aún más, agregando un condensador y fundando usos comerciales modernos para él. [ cita necesaria ]
El primer dispositivo comercial impulsado por vapor fue una bomba de agua, desarrollada en 1698 por Thomas Savery . [15] Utilizó vapor de condensación para crear un vacío que elevaba el agua desde abajo y luego usaba la presión del vapor para elevarla más. Los motores pequeños eran eficaces, aunque los modelos más grandes eran problemáticos. Tenían una altura de elevación muy limitada y eran propensos a explosiones en las calderas . El motor de Savery se utilizó en minas, estaciones de bombeo y suministro de agua a ruedas hidráulicas que accionaban maquinaria textil. [16] El motor de Savery era de bajo coste. Bento de Moura Portugal introdujo una mejora en la construcción de Savery "para hacerla capaz de funcionar por sí misma", como lo describe John Smeaton en Philosophical Transactions publicado en 1751. [17] Continuó fabricándose hasta finales del siglo XVIII. [18] Todavía se sabía que al menos un motor estaba funcionando en 1820. [19]
El primer motor comercialmente exitoso que podía transmitir potencia continua a una máquina fue el motor atmosférico , inventado por Thomas Newcomen alrededor de 1712. [b] [21] Mejoró la bomba de vapor de Savery, utilizando un pistón como propuso Papin. El motor de Newcomen era relativamente ineficiente y se utilizaba principalmente para bombear agua. Funcionó creando un vacío parcial condensando vapor debajo de un pistón dentro de un cilindro. Se empleó para drenar trabajos mineros a profundidades originalmente imprácticas utilizando medios tradicionales, y para proporcionar agua reutilizable para impulsar ruedas hidráulicas en fábricas ubicadas lejos de una "cabeza" adecuada. El agua que pasaba sobre la rueda se bombeaba hacia un depósito de almacenamiento situado encima de la rueda. [22] [23] En 1780, James Pickard patentó el uso de un volante y un cigüeñal para proporcionar movimiento giratorio a partir de un motor Newcomen mejorado. [24]
En 1720, Jacob Leupold describió una máquina de vapor de alta presión de dos cilindros. [25] La invención fue publicada en su obra principal "Theatri Machinarum Hydraulicarum". [26] El motor utilizaba dos pistones pesados para proporcionar movimiento a una bomba de agua. Cada pistón era elevado por la presión del vapor y regresado a su posición original por gravedad. Los dos pistones compartían una válvula rotativa común de cuatro vías conectada directamente a una caldera de vapor.
El siguiente gran paso se produjo cuando James Watt desarrolló (1763-1775) una versión mejorada del motor de Newcomen, con un condensador independiente . Los primeros motores de Boulton y Watt utilizaban la mitad de carbón que la versión mejorada de John Smeaton del de Newcomen. [27] Los primeros motores de Newcomen y Watt eran "atmosféricos". Fueron impulsados por la presión del aire que empujaba un pistón hacia el vacío parcial generado por la condensación del vapor, en lugar de la presión del vapor en expansión. Los cilindros del motor tenían que ser grandes porque la única fuerza utilizable que actuaba sobre ellos era la presión atmosférica . [22] [28]
Watt desarrolló aún más su motor, modificándolo para proporcionar un movimiento giratorio adecuado para impulsar maquinaria. Esto permitió ubicar las fábricas lejos de los ríos y aceleró el ritmo de la Revolución Industrial. [28] [22] [29]
El significado de alta presión, junto con un valor real por encima del ambiente, depende de la época en la que se utilizó el término. El uso inicial del término Van Reimsdijk [30] se refiere a que el vapor se encuentra a una presión suficientemente alta como para poder ser expulsado a la atmósfera sin depender del vacío para permitirle realizar un trabajo útil. Ewing 1894, pág. 22 afirma que los motores de condensación de Watt eran conocidos, en ese momento, como de baja presión en comparación con los motores de alta presión sin condensación del mismo período.
La patente de Watt impidió que otros fabricaran motores compuestos y de alta presión. Poco después de que expirara la patente de Watt en 1800, Richard Trevithick y, por separado, Oliver Evans en 1801 [29] [31] introdujeron motores que utilizaban vapor a alta presión; Trevithick obtuvo su patente de motor de alta presión en 1802, [32] y Evans había fabricado varios modelos funcionales antes de esa fecha. [33] Estos eran mucho más potentes para un tamaño de cilindro determinado que los motores anteriores y podían fabricarse lo suficientemente pequeños para aplicaciones de transporte. Posteriormente, los avances tecnológicos y las mejoras en las técnicas de fabricación (en parte debido a la adopción de la máquina de vapor como fuente de energía) dieron como resultado el diseño de motores más eficientes que podían ser más pequeños, más rápidos o más potentes, según la aplicación prevista. [22]
El motor de Cornualles fue desarrollado por Trevithick y otros en la década de 1810. [34] Era un motor de ciclo compuesto que usaba vapor de alta presión de manera expansiva y luego condensaba el vapor de baja presión, haciéndolo relativamente eficiente. El motor de Cornualles tenía un movimiento y un par irregulares a lo largo del ciclo, lo que lo limitaba principalmente al bombeo. Los motores de Cornualles se utilizaron en las minas y para el suministro de agua hasta finales del siglo XIX. [35]
Los primeros constructores de máquinas de vapor estacionarias consideraban que los cilindros horizontales estarían sujetos a un desgaste excesivo. Por tanto, sus motores estaban dispuestos con el eje del pistón en posición vertical. Con el tiempo, la disposición horizontal se hizo más popular, permitiendo instalar motores compactos pero potentes en espacios más pequeños.
La cima del motor horizontal fue la máquina de vapor Corliss , patentada en 1849, que era un motor de contraflujo de cuatro válvulas con válvulas de admisión y escape de vapor separadas y corte automático de vapor variable. Cuando Corliss recibió la Medalla Rumford , el comité dijo que "ningún invento desde la época de Watt ha mejorado tanto la eficiencia de la máquina de vapor". [36] Además de utilizar un 30% menos de vapor, proporcionaba una velocidad más uniforme debido al corte de vapor variable, lo que lo hacía muy adecuado para la fabricación, especialmente el hilado de algodón. [22] [29]
Los primeros vehículos experimentales propulsados por vapor para carretera se construyeron a finales del siglo XVIII, pero no fue hasta después de que Richard Trevithick desarrolló el uso de vapor a alta presión, alrededor de 1800, que las máquinas de vapor móviles se convirtieron en una propuesta práctica. La primera mitad del siglo XIX vio grandes avances en el diseño de vehículos de vapor y, en la década de 1850, ya era viable producirlos con fines comerciales. Este progreso se vio frenado por una legislación que limitaba o prohibía el uso de vehículos propulsados por vapor en las carreteras. Las mejoras en la tecnología de los vehículos continuaron desde la década de 1860 hasta la de 1920. Los vehículos de vapor se utilizaron para muchas aplicaciones. En el siglo XX, el rápido desarrollo de la tecnología de los motores de combustión interna llevó a la desaparición de la máquina de vapor como fuente de propulsión de vehículos con fines comerciales, quedando relativamente pocas en uso más allá de la Segunda Guerra Mundial . Muchos de estos vehículos fueron adquiridos por entusiastas para su conservación y todavía existen numerosos ejemplos. En la década de 1960, los problemas de contaminación del aire en California dieron lugar a un breve período de interés en desarrollar y estudiar vehículos propulsados por vapor como posible medio para reducir la contaminación. Aparte del interés de los entusiastas del vapor, las réplicas ocasionales de vehículos y la tecnología experimental, actualmente no se produce ningún vehículo de vapor.
Hacia finales del siglo XIX, los motores compuestos se generalizaron. Los motores compuestos expulsaban el vapor hacia cilindros sucesivamente más grandes para acomodar volúmenes más altos a presiones reducidas, lo que brindaba una mayor eficiencia. Estas etapas se denominaron expansiones, siendo comunes los motores de doble y triple expansión, especialmente en el transporte marítimo, donde la eficiencia era importante para reducir el peso del carbón transportado. [22] Las máquinas de vapor siguieron siendo la fuente dominante de energía hasta principios del siglo XX, cuando los avances en el diseño de las turbinas de vapor , los motores eléctricos y los motores de combustión interna resultaron gradualmente en la sustitución de las máquinas de vapor alternativas (de pistón), y la marina mercante dependía de ellas. cada vez más a los motores diésel y los buques de guerra a las turbinas de vapor. [22] [5]
A medida que avanzaba el desarrollo de las máquinas de vapor a lo largo del siglo XVIII, se hicieron varios intentos de aplicarlas al uso en carreteras y ferrocarriles. [37] En 1784, William Murdoch , un inventor escocés , construyó un modelo de locomotora de vapor. [38] Uno de los primeros modelos funcionales de una locomotora de vapor fue diseñado y construido por el pionero de los barcos de vapor John Fitch en los Estados Unidos, probablemente durante las décadas de 1780 o 1790. [39] Su locomotora de vapor utilizaba ruedas interiores con palas [ se necesita aclaración ] guiadas por rieles o vías.
.jpg/1280px-Union_Pacific_844,_Painted_Rocks,_NV,_2009_(crop).jpg)
La primera locomotora de vapor ferroviaria en funcionamiento a gran escala fue construida por Richard Trevithick en el Reino Unido y, el 21 de febrero de 1804, tuvo lugar el primer viaje en ferrocarril del mundo cuando la locomotora de vapor sin nombre de Trevithick arrastraba un tren a lo largo del tranvía desde Pen-y-darren. Herrería, cerca de Merthyr Tydfil y Abercynon, en el sur de Gales . [37] [40] [41] El diseño incorporó una serie de innovaciones importantes que incluían el uso de vapor a alta presión que reducía el peso del motor y aumentaba su eficiencia. Trevithick visitó el área de Newcastle más tarde en 1804 y los ferrocarriles de la mina de carbón en el noreste de Inglaterra se convirtieron en el centro líder para la experimentación y el desarrollo de locomotoras de vapor. [42]
Trevithick continuó sus propios experimentos utilizando un trío de locomotoras, concluyendo con Catch Me Who Can en 1808. Solo cuatro años más tarde, la exitosa locomotora bicilíndrica Salamanca de Matthew Murray fue utilizada por el ferrocarril de piñón y cremallera con barandillas de borde Middleton Railway . [43] En 1825, George Stephenson construyó la Locomoción para el ferrocarril de Stockton y Darlington . Este fue el primer ferrocarril de vapor público del mundo y luego, en 1829, construyó The Rocket , en el que participó y ganó las Pruebas Rainhill . [44] El ferrocarril de Liverpool y Manchester se inauguró en 1830 haciendo uso exclusivo de la energía de vapor tanto para los trenes de pasajeros como de mercancías.
Las locomotoras de vapor continuaron fabricándose hasta finales del siglo XX en lugares como China y la antigua Alemania del Este (donde se produjo la DR Clase 52.80 ). [45]
La última gran evolución del diseño de la máquina de vapor fue el uso de turbinas de vapor a partir de finales del siglo XIX. Las turbinas de vapor son generalmente más eficientes que las máquinas de vapor de pistón alternativo (para potencias superiores a varios cientos de caballos de fuerza), tienen menos piezas móviles y proporcionan potencia giratoria directamente en lugar de a través de un sistema de biela o medios similares. [46] Las turbinas de vapor prácticamente reemplazaron a los motores alternativos en las estaciones generadoras de electricidad a principios del siglo XX, donde su eficiencia, mayor velocidad apropiada para el servicio del generador y rotación suave eran ventajas. Hoy en día, la mayor parte de la energía eléctrica proviene de turbinas de vapor. En Estados Unidos, el 90% de la energía eléctrica se produce de esta manera utilizando diversas fuentes de calor. [5] Las turbinas de vapor se utilizaron ampliamente para la propulsión de grandes barcos durante la mayor parte del siglo XX.
Aunque la máquina de vapor alternativa ya no tiene un uso comercial generalizado, varias empresas están explorando o explotando el potencial del motor como alternativa a los motores de combustión interna.
Hay dos componentes fundamentales de una planta de vapor: la caldera o generador de vapor , y la "unidad motora", denominada a sí misma "máquina de vapor". Las máquinas de vapor estacionarias en edificios fijos pueden tener la caldera y el motor en edificios separados a cierta distancia. Para uso portátil o móvil, como locomotoras de vapor , las dos se montan juntas. [47] [48]
El motor alternativo ampliamente utilizado normalmente consistía en un cilindro, pistón, biela y viga de hierro fundido o manivela y volante, y varillajes diversos. El vapor se suministraba y expulsaba alternativamente mediante una o más válvulas. El control de velocidad era automático, mediante un gobernador, o mediante una válvula manual. La fundición del cilindro contenía puertos de suministro y escape de vapor.
Los motores equipados con un condensador son de un tipo distinto a los que emiten gases de escape a la atmósfera.
A menudo hay otros componentes presentes; bombas (como un inyector ) para suministrar agua a la caldera durante el funcionamiento, condensadores para recircular el agua y recuperar el calor latente de vaporización, y sobrecalentadores para elevar la temperatura del vapor por encima de su punto de vapor saturado, y varios mecanismos para aumentar la Tiro para cámaras de combustión. Cuando se utiliza carbón, se puede incluir un mecanismo de alimentación de cadena o tornillo y su motor o motor de accionamiento para mover el combustible desde un depósito de suministro (búnker) a la cámara de combustión. [49]
El calor necesario para hervir el agua y elevar la temperatura del vapor puede derivarse de varias fuentes, más comúnmente quemando materiales combustibles con un suministro adecuado de aire en un espacio cerrado (p. ej., cámara de combustión , cámara de combustión , horno). En el caso de maquetas o máquinas de vapor de juguete y algunos casos a escala real, la fuente de calor puede ser un elemento calefactor eléctrico .
Las calderas son recipientes a presión que contienen agua para hervir y cuentan con elementos que transfieren el calor al agua de la forma más eficaz posible.
Los dos tipos más comunes son:
Las calderas pirotubulares fueron el tipo principal utilizado para el vapor a alta presión (práctica típica de las locomotoras de vapor), pero fueron desplazadas en gran medida por calderas acuotubulares más económicas a finales del siglo XIX para la propulsión marina y grandes aplicaciones estacionarias.
Muchas calderas elevan la temperatura del vapor después de que este ha salido de la parte de la caldera donde está en contacto con el agua. Conocido como sobrecalentamiento , convierte el ' vapor húmedo ' en ' vapor sobrecalentado '. Evita la condensación de vapor en los cilindros del motor y proporciona una eficiencia significativamente mayor . [50] [51]
En una máquina de vapor, una turbina de pistón o de vapor o cualquier otro dispositivo similar para realizar trabajo mecánico toma un suministro de vapor a alta presión y temperatura y emite un suministro de vapor a menor presión y temperatura, aprovechando la mayor parte de la diferencia de vapor. energía como sea posible para realizar trabajo mecánico.
Estas "unidades motoras" a menudo se denominan "máquinas de vapor" por derecho propio. Los motores que utilizan aire comprimido u otros gases se diferencian de las máquinas de vapor sólo en detalles que dependen de la naturaleza del gas, aunque en las máquinas de vapor se ha utilizado aire comprimido sin cambios. [51]
Como ocurre con todos los motores térmicos, la mayor parte de la energía primaria debe emitirse como calor residual a una temperatura relativamente baja. [52]
El sumidero de frío más simple es ventilar el vapor al medio ambiente. Esto se utiliza a menudo en locomotoras de vapor para evitar el peso y el volumen de los condensadores. Parte del vapor liberado se ventila hacia la chimenea para aumentar la aspiración del fuego, lo que aumenta considerablemente la potencia del motor, pero reduce la eficiencia.
A veces, el calor residual del motor es útil por sí mismo y, en esos casos, se puede obtener una eficiencia general muy alta.
Las máquinas de vapor de las centrales eléctricas estacionarias utilizan condensadores de superficie como disipadores de frío. Los condensadores se enfrían mediante el flujo de agua de los océanos, ríos, lagos y, a menudo, mediante torres de refrigeración que evaporan el agua para eliminar la energía de refrigeración. El agua caliente condensada resultante ( condensado ) se bombea de nuevo a presión y se envía de nuevo a la caldera. Una torre de enfriamiento de tipo seco es similar al radiador de un automóvil y se usa en lugares donde el agua es costosa. El calor residual también puede ser expulsado por torres de enfriamiento evaporativas (húmedas), que utilizan un circuito de agua externo secundario que evapora parte del flujo al aire.
Los barcos fluviales utilizaban inicialmente un condensador de chorro en el que se inyecta agua fría del río en el vapor de escape del motor. Mezcla de agua de refrigeración y condensado. Si bien esto también se aplicaba a los buques marítimos, generalmente después de sólo unos pocos días de funcionamiento la caldera se recubría con sal depositada, lo que reducía el rendimiento y aumentaba el riesgo de explosión de la caldera. A partir de 1834, el uso de condensadores de superficie en los barcos eliminó la contaminación de las calderas y mejoró la eficiencia del motor. [53]
El agua evaporada no se puede utilizar para fines posteriores (que no sean lluvia en algún lugar), mientras que el agua del río se puede reutilizar. En todos los casos, el agua de alimentación de la caldera de la planta de vapor, que debe mantenerse pura, se mantiene separada del agua de refrigeración o del aire.
La mayoría de las calderas de vapor tienen un medio para suministrar agua a presión, de modo que puedan funcionar de forma continua. Las calderas industriales y de servicios públicos suelen utilizar bombas centrífugas de etapas múltiples ; sin embargo, se utilizan otros tipos. Otro medio de suministrar agua de alimentación a la caldera a baja presión es un inyector , que utiliza un chorro de vapor normalmente suministrado desde la caldera. Los inyectores se hicieron populares en la década de 1850, pero ya no se utilizan mucho, excepto en aplicaciones como las locomotoras de vapor. [54] Es la presurización del agua que circula a través de la caldera de vapor lo que permite que el agua se eleve a temperaturas muy por encima de los 100 °C (212 °F) del punto de ebullición del agua a una presión atmosférica, y por ese medio aumentar la eficiencia del ciclo de vapor.
.jpg/1280px-Steam_indicator_(Steam_and_the_Steam_Engine_-_Land_and_Marine,_1875).jpg)
Por razones de seguridad, casi todas las máquinas de vapor están equipadas con mecanismos para controlar la caldera, como un manómetro y una mirilla para controlar el nivel del agua.
Muchos motores, estacionarios y móviles, también están equipados con un gobernador para regular la velocidad del motor sin necesidad de intervención humana.
El instrumento más útil para analizar el rendimiento de las máquinas de vapor es el indicador de máquinas de vapor. Las primeras versiones ya estaban en uso en 1851, [55] pero el indicador de mayor éxito fue desarrollado para el inventor y fabricante de motores de alta velocidad Charles Porter por Charles Richard y exhibido en la Exposición de Londres en 1862. [29] El indicador de la máquina de vapor traza en papel el presión en el cilindro durante todo el ciclo, que se puede utilizar para detectar varios problemas y calcular la potencia desarrollada. [56] Era utilizado habitualmente por ingenieros, mecánicos e inspectores de seguros. El indicador del motor también se puede utilizar en motores de combustión interna. Vea la imagen del diagrama del indicador a continuación (en la sección Tipos de unidades motoras ).
El gobernador centrífugo fue adoptado por James Watt para su uso en una máquina de vapor en 1788 después de que Boulton, el socio de Watt, viera uno en el equipo de un molino harinero que Boulton & Watt estaban construyendo. [57] El gobernador en realidad no podía mantener una velocidad establecida, porque asumiría una nueva velocidad constante en respuesta a los cambios de carga. El gobernador pudo manejar variaciones más pequeñas, como las causadas por la carga de calor fluctuante en la caldera. Además, había una tendencia a la oscilación cada vez que había un cambio de velocidad. Como consecuencia, los motores equipados únicamente con este regulador no eran adecuados para operaciones que requerían velocidad constante, como el hilado de algodón. [58] El gobernador se mejoró con el tiempo y, junto con el corte de vapor variable, a finales del siglo XIX se pudo lograr un buen control de velocidad en respuesta a los cambios de carga.
En un motor simple, o “motor de simple expansión” la carga de vapor pasa por todo el proceso de expansión en un cilindro individual, aunque un motor simple puede tener uno o más cilindros individuales. [59] Luego se expulsa directamente a la atmósfera o a un condensador. A medida que el vapor se expande al pasar a través de un motor de alta presión, su temperatura desciende porque no se agrega calor al sistema; esto se conoce como expansión adiabática y da como resultado que el vapor ingrese al cilindro a alta temperatura y salga a temperatura más baja. Esto provoca un ciclo de calentamiento y enfriamiento del cilindro con cada carrera, lo que es una fuente de ineficiencia. [60]
La pérdida de eficiencia dominante en las máquinas de vapor alternativas es la condensación y reevaporación del cilindro. El cilindro de vapor y las piezas/puertos metálicos adyacentes funcionan a una temperatura aproximadamente a mitad de camino entre la temperatura de saturación de admisión de vapor y la temperatura de saturación correspondiente a la presión de escape. A medida que se admite vapor a alta presión en el cilindro de trabajo, gran parte del vapor a alta temperatura se condensa en forma de gotas de agua sobre las superficies metálicas, lo que reduce significativamente el vapor disponible para trabajos expansivos. Cuando el vapor en expansión alcanza una presión baja (especialmente durante la carrera de escape), las gotas de agua previamente depositadas que acababan de formarse dentro del cilindro/los puertos ahora se evaporan (reevaporación) y este vapor ya no funciona en el cilindro. [ cita necesaria ]
Existen límites prácticos en la relación de expansión de un cilindro de máquina de vapor, ya que el aumento de la superficie del cilindro tiende a exacerbar los problemas de condensación y reevaporación del cilindro. Esto anula las ventajas teóricas asociadas con una alta relación de expansión en un cilindro individual. [61]
En 1804, el ingeniero británico Arthur Woolf inventó un método para reducir la magnitud de la pérdida de energía en un cilindro muy largo , quien patentó su motor compuesto de alta presión Woolf en 1805. En el motor compuesto, el vapor a alta presión de la caldera se expande en un cilindro de alta presión (HP) y luego ingresa a uno o más cilindros posteriores de baja presión (LP) . La expansión completa del vapor ahora se produce en varios cilindros, con lo que la caída general de temperatura dentro de cada cilindro se reduce considerablemente. Al expandir el vapor en pasos con un rango de temperatura más pequeño (dentro de cada cilindro), se reduce el problema de eficiencia de condensación y reevaporación (descrito anteriormente). Esto reduce la magnitud del calentamiento y enfriamiento de los cilindros, aumentando la eficiencia del motor. Al organizar la expansión en múltiples cilindros, se pueden reducir las variaciones de par. [22] Para obtener el mismo trabajo de un cilindro de menor presión se requiere un volumen de cilindro mayor ya que este vapor ocupa un volumen mayor. Por lo tanto, el diámetro y, en casos raros, la carrera aumentan en los cilindros de baja presión, lo que da como resultado cilindros más grandes. [22]
Los motores de doble expansión (generalmente conocidos como compuestos ) expandieron el vapor en dos etapas. Los pares se pueden duplicar o el trabajo del cilindro grande de baja presión se puede dividir con un cilindro de alta presión que se escapa en uno u otro, dando un diseño de tres cilindros donde el diámetro del cilindro y del pistón son aproximadamente iguales, haciendo que el movimiento alternativo masas más fáciles de equilibrar. [22]
Los compuestos de dos cilindros se pueden organizar como:
En los compuestos de dos cilindros utilizados en trabajos ferroviarios, los pistones están conectados a las manivelas como en un bicilíndrico simple, desfasados 90° entre sí (en cuartos ). Cuando se duplica el grupo de doble expansión, produciendo un compuesto de cuatro cilindros, los pistones individuales dentro del grupo generalmente se equilibran a 180°, estando los grupos colocados a 90° entre sí. En un caso (el primer tipo de compuesto de Vauclain ), los pistones trabajaban en la misma fase accionando una cruceta y una manivela comunes, nuevamente colocadas a 90° como para un motor de dos cilindros. Con la disposición compuesta de tres cilindros, las bielas LP se fijaron a 90° con la HP a 135° con respecto a las otras dos, o en algunos casos, las tres bielas se fijaron a 120°. [ cita necesaria ]
La adopción de compuestos fue común para las unidades industriales, para motores de carretera y casi universal para motores marinos después de 1880; No fue universalmente popular en las locomotoras ferroviarias, donde a menudo se percibía como complicado. Esto se debe en parte al duro entorno operativo ferroviario y al espacio limitado que ofrece el gálibo de carga (particularmente en Gran Bretaña, donde la mezcla nunca fue común y no se empleó después de 1930). Sin embargo, aunque nunca fue mayoritario, fue popular en muchos otros países. [62]
Es una extensión lógica del motor compuesto (descrito anteriormente) dividir la expansión en aún más etapas para aumentar la eficiencia. El resultado es el motor de expansión múltiple . Estos motores utilizan tres o cuatro etapas de expansión y se conocen como motores de triple y cuádruple expansión , respectivamente. Estos motores utilizan una serie de cilindros de diámetro progresivamente creciente. Estos cilindros están diseñados para dividir el trabajo en partes iguales para cada etapa de expansión. Al igual que con el motor de doble expansión, si el espacio es escaso, entonces se pueden utilizar dos cilindros más pequeños para la etapa de baja presión. Los motores de expansión múltiple normalmente tenían los cilindros dispuestos en línea, pero se utilizaban otras formaciones. A finales del siglo XIX, el "sistema" de equilibrio Yarrow-Schlick-Tweedy se utilizaba en algunos motores marinos de triple expansión . Los motores YST dividieron las etapas de expansión de baja presión entre dos cilindros, uno en cada extremo del motor. Esto permitió que el cigüeñal estuviera mejor equilibrado, lo que dio como resultado un motor más suave, con una respuesta más rápida y que funcionaba con menos vibración. Esto hizo que el motor de cuatro cilindros y triple expansión fuera popular entre los grandes barcos de pasajeros (como la clase olímpica ), pero finalmente fue reemplazado por el motor de turbina prácticamente libre de vibraciones. [ cita necesaria ] Sin embargo, cabe señalar que se utilizaron máquinas de vapor alternativas de triple expansión para impulsar los barcos Liberty de la Segunda Guerra Mundial , con diferencia el mayor número de barcos idénticos jamás construidos. Se construyeron más de 2700 barcos en los Estados Unidos a partir de un diseño original británico. [ cita necesaria ]
La imagen de esta sección muestra una animación de un motor de triple expansión. El vapor viaja a través del motor de izquierda a derecha. El cofre de válvulas de cada uno de los cilindros está a la izquierda del cilindro correspondiente. [ cita necesaria ]
Las máquinas de vapor terrestres podían expulsar su vapor a la atmósfera, ya que el agua de alimentación normalmente estaba disponible. Antes y durante la Primera Guerra Mundial , el motor de expansión dominaba las aplicaciones marinas, donde la alta velocidad de los buques no era esencial. Sin embargo, fue reemplazada por la turbina de vapor, invención británica , donde se requería velocidad, por ejemplo en buques de guerra, como los acorazados acorazados , y en los transatlánticos . El HMS Dreadnought de 1905 fue el primer buque de guerra importante en reemplazar la tecnología probada del motor alternativo por la entonces novedosa turbina de vapor. [63]
En la mayoría de los motores de pistón alternativo, el vapor invierte su dirección de flujo en cada carrera (contraflujo), entrando y saliendo por el mismo extremo del cilindro. El ciclo completo del motor ocupa una rotación de la manivela y dos carreras del pistón; El ciclo también comprende cuatro eventos : admisión, expansión, escape y compresión. Estos eventos están controlados por válvulas que a menudo funcionan dentro de una cámara de vapor adyacente al cilindro; Las válvulas distribuyen el vapor abriendo y cerrando los puertos de vapor que se comunican con los extremos del cilindro y son impulsadas por un engranaje de válvula , de los cuales existen muchos tipos. [ cita necesaria ]
Los engranajes de válvulas más simples dan eventos de longitud fija durante el ciclo del motor y a menudo hacen que el motor gire en una sola dirección. Sin embargo, muchos tienen un mecanismo de inversión que además puede proporcionar medios para ahorrar vapor a medida que se gana velocidad e impulso "acortando gradualmente el corte " o, mejor dicho, acortando el evento de admisión; esto a su vez alarga proporcionalmente el período de expansión. Sin embargo, como una misma válvula normalmente controla ambos flujos de vapor, un corte corto en la admisión afecta negativamente a los períodos de escape y compresión que idealmente deberían mantenerse siempre bastante constantes; Si el escape es demasiado breve, la totalidad del vapor de escape no puede evacuar el cilindro, asfixiándolo y dando una compresión excesiva ( "kick back" ). [64]
En las décadas de 1840 y 1850, hubo intentos de superar este problema mediante varios engranajes de válvulas patentados con una válvula de expansión de corte variable separada montada en la parte posterior de la válvula deslizante principal; este último generalmente tenía un límite fijo o limitado. La configuración combinada dio una buena aproximación a los eventos ideales, a expensas de una mayor fricción y desgaste, y el mecanismo tendía a ser complicado. La solución de compromiso habitual ha sido proporcionar solapamiento alargando las superficies de fricción de la válvula de tal manera que se superpongan al puerto en el lado de admisión, con el efecto de que el lado de escape permanezca abierto durante un período más largo después del corte en la admisión. lado ha ocurrido. Desde entonces, este expediente se ha considerado generalmente satisfactorio para la mayoría de los propósitos y hace posible el uso de los movimientos más simples de Stephenson , Joy y Walschaerts . Corliss , y más tarde, los engranajes de válvulas de asiento tenían válvulas de admisión y escape separadas accionadas por mecanismos de disparo o levas perfiladas para brindar eventos ideales; la mayoría de estos engranajes nunca tuvieron éxito fuera del mercado estacionario debido a otros problemas, incluidas fugas y mecanismos más delicados. [62] [65]
Antes de que la fase de escape esté completamente completa, el lado de escape de la válvula se cierra, cerrando una parte del vapor de escape dentro del cilindro. Esto determina la fase de compresión donde se forma un colchón de vapor contra el cual trabaja el pistón mientras su velocidad disminuye rápidamente; además, evita el choque de presión y temperatura, que de otro modo sería causado por la entrada repentina del vapor a alta presión al comienzo del siguiente ciclo. [ cita necesaria ]
Los efectos anteriores se potencian aún más al proporcionar plomo : como se descubrió más tarde con el motor de combustión interna , desde finales de la década de 1830 se ha considerado ventajoso adelantar la fase de admisión, dando a la válvula un avance de modo que la admisión se produzca un poco antes del final de la carrera de escape para llenar el volumen de holgura que comprende los puertos y los extremos del cilindro (que no forma parte del volumen barrido por el pistón) antes de que el vapor comience a ejercer esfuerzo sobre el pistón. [66]
Los motores Uniflow intentan remediar las dificultades que surgen del ciclo habitual de contraflujo donde, durante cada carrera, el puerto y las paredes del cilindro se enfriarán por el vapor de escape que pasa, mientras que el vapor de admisión entrante más caliente desperdiciará parte de su energía para restaurar el funcionamiento. temperatura. El objetivo del Uniflow es remediar este defecto y mejorar la eficiencia proporcionando un puerto adicional descubierto por el pistón al final de cada carrera, haciendo que el vapor fluya solo en una dirección. De esta manera, el motor Uniflow de expansión simple ofrece una eficiencia equivalente a la de los sistemas compuestos clásicos con la ventaja añadida de un rendimiento superior a carga parcial y una eficiencia comparable a la de las turbinas para motores más pequeños de menos de mil caballos de fuerza. Sin embargo, el gradiente de expansión térmica que producen los motores Uniflow a lo largo de la pared del cilindro presenta dificultades prácticas. [ cita necesaria ] .
Una turbina de vapor consta de uno o más rotores (discos giratorios) montados sobre un eje motor, que se alternan con una serie de estatores (discos estáticos) fijados a la carcasa de la turbina. Los rotores tienen en el borde exterior una disposición de palas en forma de hélice. El vapor actúa sobre estas palas, produciendo un movimiento giratorio. El estator consta de una serie similar, pero fija, de palas que sirven para redirigir el flujo de vapor hacia la siguiente etapa del rotor. Una turbina de vapor a menudo desemboca en un condensador de superficie que proporciona vacío. Las etapas de una turbina de vapor generalmente están dispuestas para extraer el máximo trabajo potencial de una velocidad y presión de vapor específicas, dando lugar a una serie de etapas de alta y baja presión de tamaño variable. Las turbinas sólo son eficientes si giran a una velocidad relativamente alta, por lo que generalmente están conectadas a engranajes reductores para impulsar aplicaciones de menor velocidad, como la hélice de un barco. En la gran mayoría de las grandes centrales eléctricas, las turbinas están conectadas directamente a generadores sin engranaje reductor. Las velocidades típicas son 3600 revoluciones por minuto (RPM) en los Estados Unidos con una potencia de 60 Hertz y 3000 RPM en Europa y otros países con sistemas de energía eléctrica de 50 Hertz. En aplicaciones de energía nuclear, las turbinas normalmente funcionan a la mitad de estas velocidades, 1800 RPM y 1500 RPM. Además, el rotor de una turbina sólo es capaz de proporcionar energía cuando gira en una dirección. Por lo tanto, normalmente se requiere una etapa de inversión o caja de cambios cuando se requiere potencia en la dirección opuesta. [ cita necesaria ]
Las turbinas de vapor proporcionan fuerza de rotación directa y, por lo tanto, no requieren un mecanismo de articulación para convertir el movimiento alternativo en rotatorio. Por tanto, producen fuerzas de rotación más suaves en el eje de salida. Esto contribuye a un menor requisito de mantenimiento y un menor desgaste de la maquinaria que impulsan que un motor alternativo comparable. [ cita necesaria ]
El uso principal de las turbinas de vapor es la generación de electricidad (en la década de 1990, alrededor del 90% de la producción eléctrica mundial se hacía mediante el uso de turbinas de vapor) [5] sin embargo, la reciente aplicación generalizada de grandes unidades de turbinas de gas y de las típicas plantas de energía de ciclo combinado ha dado como resultado en reducción de este porcentaje al régimen del 80% para turbinas de vapor. En la producción de electricidad, la alta velocidad de rotación de las turbinas coincide bien con la velocidad de los generadores eléctricos modernos, que normalmente están conectados directamente a sus turbinas impulsoras. En el servicio marítimo (pioneras en el Turbinia ), las turbinas de vapor con engranajes reductores (aunque el Turbinia tiene turbinas directas a hélices sin engranajes reductores) dominaron la propulsión de grandes barcos a lo largo de finales del siglo XX, siendo más eficientes (y requiriendo mucho menos mantenimiento). que las máquinas de vapor alternativas. En las últimas décadas, los motores diésel alternativos y las turbinas de gas han sustituido casi por completo a la propulsión a vapor en aplicaciones marinas. [ cita necesaria ]
Prácticamente todas las centrales nucleares generan electricidad calentando agua para proporcionar vapor que impulsa una turbina conectada a un generador eléctrico . Los barcos y submarinos de propulsión nuclear utilizan una turbina de vapor directamente para la propulsión principal, con generadores que proporcionan energía auxiliar, o emplean transmisión turboeléctrica , donde el vapor impulsa un turbogenerador con propulsión proporcionada por motores eléctricos. Se fabricó un número limitado de locomotoras de ferrocarril con turbina de vapor . Algunas locomotoras de tracción directa sin condensación tuvieron cierto éxito para operaciones de carga de larga distancia en Suecia y para trabajos expresos de pasajeros en Gran Bretaña , pero no se repitieron. En otros lugares, especialmente en Estados Unidos, se construyeron experimentalmente diseños más avanzados con transmisión eléctrica, pero no se reprodujeron. Se descubrió que las turbinas de vapor no eran ideales para el entorno ferroviario y estas locomotoras no lograron desplazar a la clásica unidad de vapor alternativa como lo han hecho las modernas tracción diésel y eléctrica. [ cita necesaria ]
Una máquina de vapor de cilindro oscilante es una variante de la máquina de vapor de expansión simple que no requiere válvulas para dirigir el vapor dentro y fuera del cilindro. En lugar de válvulas, todo el cilindro se balancea u oscila, de modo que uno o más orificios en el cilindro se alinean con orificios en una cara de puerto fija o en el montaje de pivote ( muñón ). Estos motores se utilizan principalmente en juguetes y maquetas debido a su simplicidad, pero también se han utilizado en motores de trabajo de tamaño completo, principalmente en barcos donde se valora su compacidad. [67]
Es posible utilizar un mecanismo basado en un motor rotativo sin pistones , como el motor Wankel, en lugar de los cilindros y el engranaje de válvulas de una máquina de vapor alternativa convencional. Se han diseñado muchos motores de este tipo, desde la época de James Watt hasta la actualidad, pero relativamente pocos se construyeron realmente y aún menos se produjeron en masa; consulte el enlace al final del artículo para obtener más detalles. El principal problema es la dificultad de sellar los rotores para hacerlos estancos al vapor frente al desgaste y la expansión térmica ; la fuga resultante los hizo muy ineficientes. La falta de trabajo expansivo, o de cualquier medio de control del corte , también es un problema grave en muchos de estos diseños. [ cita necesaria ]
En la década de 1840, estaba claro que el concepto tenía problemas inherentes y los motores rotativos fueron tratados con cierta burla en la prensa técnica. Sin embargo, la llegada de la electricidad a la escena y las ventajas obvias de impulsar una dinamo directamente desde un motor de alta velocidad provocaron una especie de resurgimiento del interés en las décadas de 1880 y 1890, y algunos diseños tuvieron un éxito limitado. [ cita necesaria ] .
De los pocos diseños que se fabricaron en cantidad, destacan los de la Hult Brothers Rotary Steam Engine Company de Estocolmo, Suecia, y el motor esférico de la Torre Beauchamp . Los motores de la torre fueron utilizados por el Great Eastern Railway para impulsar dinamos de iluminación en sus locomotoras y por el Almirantazgo para impulsar dinamos a bordo de los barcos de la Royal Navy . Finalmente fueron reemplazadas en estas aplicaciones de nicho por turbinas de vapor. [ cita necesaria ]
La eólípila representa el uso del vapor por el principio de reacción del cohete , aunque no para la propulsión directa. [ cita necesaria ]
En tiempos más modernos, el uso del vapor para cohetes ha sido limitado, especialmente para los vehículos cohete. Los cohetes de vapor funcionan llenando un recipiente a presión con agua caliente a alta presión y abriendo una válvula que conduce a una boquilla adecuada. La caída de presión hierve inmediatamente parte del agua y el vapor sale a través de una boquilla, creando una fuerza de propulsión. [68]
El carruaje de Ferdinand Verbiest estaba propulsado por una eólípila en 1679. [ cita necesaria ]
Las máquinas de vapor poseen calderas y otros componentes que son recipientes a presión que contienen una gran cantidad de energía potencial. Las fugas de vapor y las explosiones de calderas (normalmente BLEVE ) pueden causar, y en el pasado han causado, grandes pérdidas de vidas. Si bien pueden existir variaciones en los estándares en diferentes países, se aplican estrictas leyes, pruebas, capacitación, cuidado en la fabricación, operación y certificación para garantizar la seguridad. [ cita necesaria ]
Los modos de falla pueden incluir:
Las máquinas de vapor suelen poseer dos mecanismos independientes para garantizar que la presión en la caldera no suba demasiado; uno puede ser ajustado por el usuario, el segundo generalmente está diseñado como un dispositivo de seguridad definitivo. Estas válvulas de seguridad utilizaban tradicionalmente una palanca simple para sujetar una válvula de tapón en la parte superior de una caldera. Un extremo de la palanca llevaba un peso o resorte que sujetaba la válvula contra la presión del vapor. Las primeras válvulas podían ser ajustadas por los conductores de motores, lo que provocaba muchos accidentes cuando un conductor apretaba la válvula para permitir una mayor presión de vapor y más potencia del motor. El tipo más reciente de válvula de seguridad utiliza una válvula ajustable accionada por resorte, que está bloqueada de manera que los operadores no pueden alterar su ajuste a menos que se rompa ilegalmente un sello. Esta disposición es considerablemente más segura. [ cita necesaria ]
Es posible que haya tapones fusibles de plomo en la corona de la cámara de combustión de la caldera. Si el nivel del agua baja, de modo que la temperatura de la corona del hogar aumenta significativamente, el plomo se derrite y el vapor se escapa, avisando a los operadores, quienes luego pueden apagar el fuego manualmente. Excepto en las calderas más pequeñas, el escape de vapor tiene poco efecto para apagar el fuego. Los tapones también tienen un área demasiado pequeña para reducir significativamente la presión del vapor, despresurizando la caldera. Si fueran más grandes, el volumen de vapor que se escaparía pondría en peligro a la tripulación. [ cita necesaria ]
El ciclo de Rankine es el fundamento termodinámico fundamental de la máquina de vapor. El ciclo es una disposición de componentes que se utiliza normalmente para la producción de energía simple y utiliza el cambio de fase del agua (agua hirviendo que produce vapor, condensación del vapor de escape, producción de agua líquida)) para proporcionar un sistema práctico de conversión de calor/energía. El calor se suministra externamente a un circuito cerrado, parte del calor agregado se convierte en trabajo y el calor residual se elimina en un condensador. El ciclo Rankine se utiliza prácticamente en todas las aplicaciones de producción de energía a vapor. En la década de 1990, los ciclos de vapor de Rankine generaban alrededor del 90% de toda la energía eléctrica utilizada en todo el mundo, incluidas prácticamente todas las plantas de energía solar , de biomasa , de carbón y nucleares . Lleva el nombre de William John Macquorn Rankine , un erudito escocés . [69]
El ciclo de Rankine a veces se denomina ciclo práctico de Carnot porque, cuando se utiliza una turbina eficiente, el diagrama TS comienza a parecerse al ciclo de Carnot. La principal diferencia es que la adición de calor (en la caldera) y el rechazo (en el condensador) son procesos isobáricos (presión constante) en el ciclo de Rankine y procesos isotérmicos ( temperatura constante ) en el ciclo teórico de Carnot. En este ciclo, se utiliza una bomba para presurizar el fluido de trabajo que se recibe del condensador como líquido, no como gas. Bombear el fluido de trabajo en forma líquida durante el ciclo requiere una pequeña fracción de energía para transportarlo en comparación con la energía necesaria para comprimir el fluido de trabajo en forma gaseosa en un compresor (como en el ciclo de Carnot ). El ciclo de una máquina de vapor alternativa difiere del de las turbinas debido a la condensación y reevaporación que se producen en el cilindro o en los conductos de entrada de vapor. [60]
El fluido de trabajo en un ciclo Rankine puede operar como un sistema de circuito cerrado, donde el fluido de trabajo se recicla continuamente, o puede ser un sistema de "circuito abierto", donde el vapor de escape se libera directamente a la atmósfera y a una fuente separada de agua. Se suministra alimentación a la caldera. Normalmente el agua es el fluido de elección debido a sus propiedades favorables, como la química no tóxica y no reactiva, la abundancia, el bajo costo y sus propiedades termodinámicas . El mercurio es el fluido de trabajo en la turbina de vapor de mercurio . Los hidrocarburos de bajo punto de ebullición se pueden utilizar en un ciclo binario . [ cita necesaria ] [70]
La máquina de vapor contribuyó mucho al desarrollo de la teoría termodinámica; sin embargo, las únicas aplicaciones de la teoría científica que influyeron en la máquina de vapor fueron los conceptos originales de aprovechar el poder del vapor y la presión atmosférica y el conocimiento de las propiedades del calor y el vapor. Las mediciones experimentales realizadas por Watt en un modelo de máquina de vapor llevaron al desarrollo del condensador separado. Watt descubrió de forma independiente el calor latente , lo cual fue confirmado por el descubridor original Joseph Black , quien también asesoró a Watt sobre procedimientos experimentales. Watt también era consciente del cambio en el punto de ebullición del agua con la presión. Por lo demás, las mejoras en el motor fueron de naturaleza más mecánica. [18] Los conceptos termodinámicos del ciclo de Rankine dieron a los ingenieros la comprensión necesaria para calcular la eficiencia, lo que ayudó al desarrollo de calderas modernas de alta presión y temperatura y de la turbina de vapor. [ cita necesaria ]
La eficiencia del ciclo de un motor se puede calcular dividiendo la producción de energía del trabajo mecánico que produce el motor por la energía invertida en el motor.
La medida histórica de la eficiencia energética de una máquina de vapor era su "deber". El concepto de deber fue introducido por primera vez por Watt para ilustrar cuánto más eficientes eran sus motores en comparación con los diseños anteriores de Newcomen . El deber es la cantidad de libras-pie de trabajo que se obtienen al quemar un bushel (94 libras) de carbón. Los mejores ejemplos de diseños de Newcomen tenían un impuesto de alrededor de 7 millones, pero la mayoría se acercaba a los 5 millones. Los diseños originales de baja presión de Watt pudieron ofrecer un rendimiento de hasta 25 millones, pero un promedio de alrededor de 17. Esto fue una mejora tres veces mayor que el diseño promedio de Newcomen. Los primeros motores Watt equipados con vapor a alta presión mejoraron esta cifra a 65 millones. [71]
Ningún motor térmico puede ser más eficiente que el ciclo de Carnot , en el que el calor se traslada de un depósito de alta temperatura a uno de baja temperatura, y la eficiencia depende de la diferencia de temperatura. Para lograr la mayor eficiencia, las máquinas de vapor deben funcionar a la temperatura de vapor más alta posible ( vapor sobrecalentado ) y liberar el calor residual a la temperatura más baja posible. [ cita necesaria ]
La eficiencia de un ciclo Rankine suele estar limitada por el fluido de trabajo. Sin que la presión alcance niveles supercríticos para el fluido de trabajo, el rango de temperatura en el que puede operar el ciclo es pequeño; En las turbinas de vapor, las temperaturas de entrada a la turbina suelen ser de 565 °C (el límite de fluencia del acero inoxidable) y las temperaturas del condensador son de alrededor de 30 °C. Esto da una eficiencia teórica de Carnot de alrededor del 63% en comparación con una eficiencia real del 42% para una central eléctrica moderna alimentada por carbón. Esta baja temperatura de entrada a la turbina (en comparación con una turbina de gas ) es la razón por la que el ciclo Rankine se utiliza a menudo como ciclo de fondo en las centrales eléctricas de turbinas de gas de ciclo combinado . [ cita necesaria ]
Una ventaja principal que tiene el ciclo Rankine sobre otros es que durante la etapa de compresión se requiere relativamente poco trabajo para accionar la bomba, estando el fluido de trabajo en su fase líquida en este punto. Al condensar el fluido, el trabajo requerido por la bomba consume sólo del 1% al 3% de la potencia de la turbina (o motor alternativo) y contribuye a una eficiencia mucho mayor para un ciclo real. El beneficio de esto se pierde en cierta medida debido a la menor temperatura de adición de calor. Las turbinas de gas , por ejemplo, tienen temperaturas de entrada cercanas a los 1500 °C. No obstante, las eficiencias de los grandes ciclos de vapor reales y las grandes turbinas de gas modernas de ciclo simple coinciden bastante bien. [72]
En la práctica, un ciclo de máquina de vapor alternativo que expulsa el vapor a la atmósfera normalmente tendrá una eficiencia (incluida la caldera) en el rango del 1 al 10%. Sin embargo, con la adición de un condensador, válvulas Corliss, expansión múltiple y alta presión/temperatura de vapor, se puede mejorar enormemente. Históricamente se sitúa entre el 10% y el 20% y, muy raramente, es ligeramente superior. [ cita necesaria ]
Una central eléctrica grande y moderna (que produzca varios cientos de megavatios de potencia eléctrica) con recalentamiento de vapor , economizador , etc. alcanzará una eficiencia en el rango medio del 40%, y las unidades más eficientes se acercarán al 50% de eficiencia térmica. [ cita necesaria ]
También es posible capturar el calor residual mediante cogeneración , en la que el calor residual se utiliza para calentar un fluido de trabajo con un punto de ebullición más bajo o como fuente de calor para calefacción urbana a través de vapor saturado a baja presión. [ cita necesaria ]
Una ciudad del sur de Gales ha iniciado meses de celebraciones para conmemorar el 200 aniversario de la invención de la locomotora de vapor.
Merthyr Tydfil fue el lugar donde, el 21 de febrero de 1804, Richard Trevithick llevó al mundo a la era del ferrocarril cuando instaló una de sus máquinas de vapor de alta presión en los rieles del tranvía de un maestro del hierro local.
