La tecnología avanzada de vapor (a veces conocida como vapor moderno ) refleja un enfoque del desarrollo técnico de la máquina de vapor destinado a una variedad más amplia de aplicaciones que las que se han dado recientemente. Se ha prestado especial atención a los problemas endémicos que llevaron a la desaparición de la energía de vapor en aplicaciones comerciales de pequeña a mediana escala: contaminación excesiva, costos de mantenimiento, operación intensiva en mano de obra, baja relación potencia/peso y baja eficiencia térmica general ; donde la energía de vapor en general ha sido reemplazada ahora por el motor de combustión interna o por 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. En contraste, las máquinas de vapor propuestas pueden ser para uso estacionario, en carreteras, ferrocarriles o marino.
Aunque la mayoría de las referencias al "vapor moderno" se aplican a desarrollos posteriores a la década de 1970, ciertos aspectos de la tecnología de vapor avanzada se pueden discernir a lo largo del siglo XX, en particular el control automático de la caldera junto con el arranque rápido.
En 1922, Abner Doble desarrolló un sistema electromecánico que reaccionaba simultáneamente a la temperatura y presión del vapor, poniendo en marcha y deteniendo 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 750-1200 psi (5,17-8,27 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 la década de 1930 y la de 1950 para su uso en automóviles , autobuses , camiones , vagones de ferrocarril , locomotoras de maniobras (EE. UU.; cambiadores ), una lancha rápida y, en 1933, un biplano Travel Air 2000 reconvertido . [2] [3]
En el Reino Unido, Sentinel Waggon Works desarrolló una caldera acuotubular vertical que funcionaba a 275 psi (1,90 MPa ) y que se utilizaba en vehículos de carretera, locomotoras de maniobras y vagones de ferrocarril. Se podía generar vapor mucho más rápido que con una caldera de locomotora convencional .
Entre 1930 y 1935 se realizaron pruebas del sistema de condensación Anderson en el Southern Railway (Gran Bretaña). [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 naval 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 que consumiría solo el 1-2% de la potencia de salida 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 central eléctrica de Surbiton. [4] [6]
SHC estaba interesada 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 funcionamiento atmosférico convencional. Southern Railway convirtió la locomotora SECR clase N número A816 (posteriormente 1816 y 31816) al sistema Anderson en 1930. La locomotora se sometió a pruebas y los resultados iniciales fueron alentadores. Después de una prueba cuesta arriba desde Eastleigh hasta Litchfield Summit, se informa que Holcroft dijo:
"En condiciones normales, esto habría creado mucho ruido y nubes de vapor, pero con el conjunto de condensación en acción, todo fue absorbido con la misma facilidad con la que la nieve se derretiría en un horno. El motor era tan silencioso como una locomotora eléctrica y los únicos ruidos débiles se debían a un ligero golpeteo de las bielas y un pequeño golpe en un casquillo del pistón. Había que experimentarlo para creerlo; pero como el regulador estaba completamente abierto y el inversor bien puesto, uno habría imaginado que el segundo motor (un LSWR clase T14 que se había proporcionado como respaldo) estaba impulsando al primero". [7]
Las pruebas continuaron hasta 1934, pero surgieron varios problemas, principalmente con el ventilador de tiro forzado , y el proyecto no siguió adelante. [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 la búsqueda de 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 en los años 1950, algunos diseñadores trabajaron en la modernización de las locomotoras de vapor. El ingeniero argentino Livio Dante Porta, en el desarrollo de locomotoras ferroviarias Stephensonianas que incorporaban tecnología de vapor avanzada, fue un precursor del movimiento "Modern Steam" a partir de 1948. [11] : 3–6 Siempre que era posible, Porta prefería diseñar locomotoras nuevas, pero más a menudo en la práctica se veía obligado a actualizar radicalmente las antiguas para incorporar la nueva tecnología.
En Gran Bretaña, la clase SR Leader de alrededor de 1949 de Oliver Bulleid y las locomotoras de vapor de la 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 la 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 a vapor. Waller se refiere principalmente a algunas locomotoras de cremallera y piñón para ferrocarriles de montaña que se construyeron recientemente entre 1992 y 1998. Se desarrollaron para tres empresas en Suiza y Austria y siguieron funcionando en dos de estas líneas a partir de 2008. [actualizar]Las nuevas locomotoras de vapor queman el mismo grado de fueloil ligero que sus homólogas diésel, y todas demuestran las mismas ventajas de disponibilidad inmediata y menor coste de mano de obra; 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 sustituido en gran medida a las locomotoras diésel y los vagones de ferrocarril que operaban anteriormente en 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 diésel-eléctrico en los años 1960. [14] Se persiguieron objetivos económicos similares a los logrados con las locomotoras de cremallera mediante el control automático de la caldera alimentada con fueloil y el control remoto del motor desde el puente, lo que permitió que el barco de vapor fuera operado por una tripulación del mismo tamaño que un barco a motor.
Una unidad de energía basada en tecnología avanzada de vapor que queme combustible fósil inevitablemente emitirá dióxido de carbono , un gas de efecto invernadero de larga duración . Sin embargo, se pueden lograr reducciones significativas de otros contaminantes como CO y NO x mediante vapor en comparación con otras tecnologías de combustión, ya que no implica una combustión explosiva, [15] eliminando así la necesidad de complementos (como filtros) o una preparación especial del combustible.
Si se utilizan combustibles renovables, como la 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 las plantas de vapor que para los motores diésel, ya que no exigen los estrictos estándares de combustible necesarios para proteger los inyectores diésel.
En principio, la combustión y el suministro de energía de una planta de vapor pueden considerarse etapas separadas. Si bien puede resultar difícil lograr una alta eficiencia térmica general, en gran medida debido a la etapa adicional de generación de un fluido de trabajo entre la combustión y el suministro de energía, atribuible principalmente a fugas y pérdidas de calor, [11] : 54–61 la separación de los procesos permite abordar problemas específicos 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 de combustible sólido, líquido o gaseoso, y pueden utilizar calor residual . Cualquiera que sea la elección, no tendrá un efecto directo en el diseño de la unidad del motor, ya que esta solo tiene que lidiar con vapor.
Este proyecto incluye principalmente sistemas combinados de generación eléctrica y calefacción para viviendas particulares y pequeñas aldeas que queman madera o virutas de bambú. El objetivo es sustituir a los motores de dos tiempos y a las pequeñas centrales eléctricas diésel. La reducción drástica del nivel de ruido es uno de los beneficios inmediatos de una pequeña planta impulsada por vapor. Ted Pritchard , de Melbourne, Australia, estuvo desarrollando intensivamente este tipo de unidad desde 2002 hasta su muerte en 2007. La empresa Pritchard Power (ahora Uniflow Power) [16] declaró en 2010 que siguen desarrollando el S5000 estacionario, y que se había construido un prototipo y se estaba probando, y se estaban perfeccionando los diseños para productos listos para el mercado. [17]
Hasta 2006, una empresa alemana llamada Enginion estaba desarrollando activamente una Steamcell , una microunidad de cogeneración del tamaño de una torre de PC para uso doméstico. Parece que en 2008 se había fusionado con la empresa berlinesa AMOVIS. [18] [19]
Desde 2012, una empresa francesa, EXOES, vende a empresas industriales un motor patentado de ciclo Rankine , que está diseñado para funcionar con muchos combustibles, como energía solar concentrada, biomasa o combustible fósil. El sistema, llamado "SHAPE" (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 concentrada . La empresa planea trabajar con fabricantes de automóviles, fabricantes de camiones de larga distancia y corporaciones ferroviarias. [20]
Una unidad similar es comercializada por Powertherm, [21] una subsidiaria de Spilling (ver más abajo).
Una empresa de la India [22] fabrica generadores a vapor de distintos tamaños, desde 4 hp hasta 50 hp. También ofrece una serie de molinos diferentes que pueden funcionar con sus motores.
En materia de tecnología, cabe destacar que la Quasiturbine es una máquina de vapor rotativa de flujo único donde el vapor entra en zonas calientes y sale en zonas frías.
La empresa Spilling produce una variedad de pequeñas plantas fijas estacionarias adaptadas a la combustión de biomasa o a la energía derivada del calor residual o de 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. Los motores están diseñados para producir electricidad en centrales eléctricas que queman 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 una presión de 8 bares, mientras que una turbina de vapor equivalente produce solo un 15 % de eficiencia, requiere una temperatura de vapor de 240 °C y una presión de 40 bares. La alta eficiencia proviene de un mecanismo de manivela patentado, que proporciona un par suave y sin pulsos. La empresa cree que, si se sigue desarrollando la construcción, existe el potencial de alcanzar una eficiencia tan alta como el 30-35 %. [25]
Durante la primera crisis del petróleo de la década de 1970, las grandes corporaciones automovilísticas iniciaron una serie de investigaciones sobre tecnología de vapor, aunque, cuando la crisis fue amainando, pronto se perdió el impulso.
El principal campo de investigación del ingeniero australiano Ted Pritchard [26] desde finales de los años 50 hasta los 70 fue la construcción de varias unidades de energía a vapor eficientes que funcionaban con el sistema de flujo uniforme adaptado a un camión pequeño y dos automóviles. Uno de los automóviles alcanzaba los valores de emisiones más bajos de la época.
Durante la década de 1990, IAV , una empresa de investigación y desarrollo con sede en Berlín que más tarde desarrolló el Steamcell, trabajó en el motor monocilíndrico ZEE (Zero Emissions Engine), seguido por el compacto motor tricilíndrico EZEE (Equal-to-Zero-Emissions-Engine) [27], diseñado para encajar en el compartimento del motor de un pequeño sedán familiar Škoda Fabia . Todos estos motores hacían un uso intensivo de celdas térmicas de cerámica sin llama , tanto para el generador de vapor como en puntos de sobrealimentación estratégicos donde se inyectaba vapor en el cilindro o cilindros.
Un diseño montado sobre bogies de potencia con 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 otros enfoques, especialmente con combustible líquido. Por ejemplo:
Otra propuesta de tecnología avanzada de vapor es la recuperación de la locomotora sin fuego , que funciona con vapor almacenado previamente generado de forma independiente. Un ejemplo es el proyecto del Tren de Vapor Solar [32] en Sacramento, California .
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