Un sobrecalentador es un dispositivo que se utiliza para convertir vapor saturado o vapor húmedo en vapor sobrecalentado o vapor seco. El vapor sobrecalentado se utiliza en turbinas de vapor para la generación de electricidad , en algunas máquinas de vapor y en procesos como el reformado con vapor . Hay tres tipos de sobrecalentadores: radiantes, de convección y de encendido independiente. Un sobrecalentador puede variar en tamaño desde unas pocas decenas de pies hasta varios cientos de pies (unos pocos metros hasta algunos cientos de metros).
En muchas aplicaciones, una turbina hará un uso más eficiente de la energía del vapor que un motor alternativo. Sin embargo, el vapor saturado ("húmedo") en el punto de ebullición puede contener, o condensarse en, gotitas de agua líquida, que pueden causar daños a los álabes de la turbina. Por lo tanto, los motores de turbina de vapor suelen sobrecalentar el vapor, normalmente dentro de la caldera principal, para garantizar que no entre agua líquida en el sistema y dañe los álabes.
En una máquina de vapor , el sobrecalentador calienta aún más el vapor generado por la caldera , aumentando su energía térmica y disminuyendo la probabilidad de que se condense dentro de la máquina. [1] [2] Los sobrecalentadores aumentan la eficiencia térmica de la máquina de vapor y han sido ampliamente adoptados. El vapor que ha sido sobrecalentado se conoce como vapor sobrecalentado , y el vapor no sobrecalentado se llama vapor saturado o vapor húmedo. Desde principios del siglo XX, los sobrecalentadores se aplicaron a muchas locomotoras de vapor , a la mayoría de los vehículos de vapor y a las máquinas de vapor estacionarias. Todavía se utiliza junto con turbinas de vapor en centrales generadoras de energía eléctrica en todo el mundo.
En el uso de locomotoras de vapor , la forma más común de sobrecalentador es, con diferencia, el tipo de tubos de humos. Este lleva el vapor saturado suministrado en el tubo seco a un cabezal de sobrecalentador montado contra la placa de tubos en la caja de humos . A continuación, el vapor pasa a través de una serie de elementos de sobrecalentamiento, que son tubos largos colocados dentro de los tubos de humos de mayor diámetro, llamados conductos de humos. Los gases de combustión calientes del fuego de la locomotora pasan a través de los conductos de humos y, además de calentar el agua de la caldera circundante, calientan el vapor dentro de los elementos de sobrecalentamiento por los que fluyen. El elemento de sobrecalentamiento se dobla sobre sí mismo para que el vapor calentado pueda regresar. La mayoría lo hace dos veces en el extremo del fuego y una vez en el extremo de la caja de humos, de modo que el vapor recorre una distancia de cuatro veces la longitud del cabezal mientras se calienta. Al final de su viaje a través de los elementos, el vapor sobrecalentado pasa a un compartimento separado del cabezal del sobrecalentador y luego a los cilindros del motor.
El vapor que pasa a través de los elementos del sobrecalentador enfría su metal y evita que se fundan, pero cuando se cierra el acelerador, ese efecto de enfriamiento desaparece, por lo que se cierra una compuerta en la caja de humos para cortar el flujo a través de los conductos de humos y evitar que se dañen. Algunas locomotoras, en particular las del Ferrocarril de Londres y Noreste , estaban equipadas con válvulas de aspiración , que admitían aire en el sobrecalentador cuando la locomotora iba en punto muerto. Eso mantenía los elementos del sobrecalentador relativamente más fríos y los cilindros calientes. La válvula de aspiración se puede ver detrás de la chimenea en muchas locomotoras de LNER.
Un sobrecalentador aumenta la distancia entre el acelerador y los cilindros en el circuito de vapor y, por lo tanto, reduce la inmediatez de la acción del acelerador. Para contrarrestar eso, algunas locomotoras de vapor posteriores fueron equipadas con un acelerador frontal, colocado en la caja de humos después del sobrecalentador. Estas locomotoras a veces se pueden identificar por una varilla del acelerador externa que se extiende a lo largo de toda la caldera, con una manivela en el exterior de la caja de humos. Esa disposición también permite que el vapor sobrecalentado se use para dispositivos auxiliares, como la dinamo y las bombas de aire . Otro beneficio del acelerador frontal es que el vapor sobrecalentado está disponible de inmediato. Con un acelerador de cúpula, pasa algún tiempo antes de que el sobrecalentador realmente proporcione un beneficio de eficiencia.
Las locomotoras con sobrecalentadores suelen estar equipadas con válvulas de pistón o válvulas de asiento , porque es difícil mantener una válvula corredera correctamente lubricada a altas temperaturas.
El primer sobrecalentador práctico fue desarrollado en Alemania por Wilhelm Schmidt durante las décadas de 1880 y 1890. La locomotora prusiana S 4 , con una forma temprana de sobrecalentador, se construyó en 1898, y se produjeron más en serie a partir de 1902. [3] Los beneficios de la invención fueron demostrados en el Reino Unido por Great Western Railway (GWR) en 1906. El ingeniero mecánico jefe de GWR, GJ Churchward , creía que el tipo Schmidt podía mejorarse, y se emprendió el diseño y las pruebas de un tipo Swindon autóctono, que culminó en el sobrecalentador Swindon No. 3 en 1909. [4] Douglas Earle Marsh llevó a cabo una serie de pruebas comparativas entre los miembros de su clase I3 que usaban vapor saturado y los equipados con el sobrecalentador Schmidt entre octubre de 1907 y marzo de 1910, demostrando las ventajas de este último en términos de rendimiento y eficiencia. [5]
Los sobrecalentadores mejorados fueron introducidos por John G. Robinson del Great Central Railway en las obras de locomotoras de Gorton , por Robert Urie del London and South Western Railway (LSWR) en las obras ferroviarias de Eastleigh , y Richard Maunsell del Southern Railway (Gran Bretaña) , también en Eastleigh.
La locomotora de vapor más antigua que se conserva con sobrecalentador, además de ser la primera locomotora de vía estrecha con sobrecalentador, es la Bh.1, propiedad de Steiermärkische Landesbahnen (STLB) en Austria, que opera trenes de excursión en el ferrocarril del valle del Mur . [ cita requerida ]
El diseño de Robert Urie del sobrecalentador para la LSWR fue el producto de la experiencia con sus locomotoras 4-6-0 de la clase H15 . En previsión de las pruebas de rendimiento, ocho ejemplares fueron equipados con sobrecalentadores Schmidt y Robinson, y otros dos permanecieron saturados. [6] Sin embargo, la Primera Guerra Mundial intervino antes de que pudieran llevarse a cabo las pruebas, aunque un informe del Comité de Locomotoras de la LSWR de finales de 1915 señaló que la versión Robinson ofrecía la mejor eficiencia de combustible. Consumía un promedio de 48,35 lb (21,9 kg) de carbón por milla en una distancia promedio de 39.824 mi (64.090,5 km), en comparación con 48,42 lb (22,0 kg) y 59,05 lb (26,8 kg) de carbón para los ejemplos Schmidt y saturados respectivamente. [6]
Sin embargo, el informe afirmaba que ambos tipos de sobrecalentadores tenían graves inconvenientes. El sistema Schmidt presentaba un control de compuerta en el cabezal del sobrecalentador que hacía que los gases calientes se condensaran en ácido sulfúrico , lo que causaba picaduras y el consiguiente debilitamiento de los elementos del sobrecalentador. [6] Las fugas de gases también eran habituales entre los elementos y el cabezal, y el mantenimiento era difícil sin retirar el conjunto dispuesto horizontalmente. La versión Robinson sufría variaciones de temperatura causadas por cámaras de vapor saturado y sobrecalentado adyacentes, lo que causaba tensión en el material, y tenía problemas de acceso similares a los del tipo Schmidt. [6]
Las recomendaciones del informe permitieron a Urie diseñar un nuevo tipo de sobrecalentador con cabezales de vapor saturado separados por encima y por debajo del cabezal del sobrecalentador. [7] Estaban conectados por elementos que comenzaban en el cabezal saturado, pasaban por los tubos de humos y volvían al cabezal del sobrecalentador, y todo el conjunto estaba dispuesto verticalmente para facilitar el mantenimiento. [7] El dispositivo tuvo mucho éxito en el servicio, pero era pesado y costoso de construir. [7]
Las principales ventajas de utilizar un sobrecalentador son la reducción del consumo de combustible y agua, pero hay que pagar un precio en forma de mayores costes de mantenimiento. En la mayoría de los casos, los beneficios superaron a los costes y los sobrecalentadores se empezaron a utilizar ampliamente, aunque las locomotoras de maniobras británicas rara vez estaban equipadas con sobrecalentadores. En las locomotoras utilizadas para el transporte de minerales, las ventajas parecen haber sido marginales. Por ejemplo, la North Eastern Railway instaló sobrecalentadores en algunas de sus locomotoras para transporte de minerales de la clase P de la NER, pero más tarde comenzó a eliminarlos.
Sin un mantenimiento cuidadoso, los sobrecalentadores son propensos a un tipo particular de falla peligrosa, que implica que los tubos del sobrecalentador revienten en sus espiras en forma de U. Son difíciles de fabricar y de probar una vez instalados, y una ruptura hace que el vapor sobrecalentado a alta presión escape a los grandes conductos de humos, de regreso al fuego y hacia la cabina de la locomotora, creando un peligro extremo para la tripulación de la locomotora.
