Tecnología de vapor avanzada

En 1922, Abner Doble desarrolló un sistema electromecánico que reaccionaba simultáneamente a la temperatura y presión del vapor, arrancando y deteniendo las bombas de alimentación mientras encendía y apagaba el quemador según la presión de la caldera. ^{[ 1 ]} La caldera monotubo de flujo a contracorriente 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 EE. UU., Gran Bretaña y Alemania a lo largo de las décadas de 1930 y 1950 para su uso en automóviles , autobuses , camiones , vagones de ferrocarril , locomotoras de maniobras (EE. UU.; switchers ), una lancha rápida y, en 1933, un biplano Travel Air 2000 modificado . ^{[ 2 ] [ 3 ]}  

En el Reino Unido, Sentinel Waggon Works desarrolló una caldera vertical de tubos de agua que funcionaba a 275 psi (1,90 MPa ) y que se utilizaba en vehículos de carretera, locomotoras de maniobras y automotores. El vapor se podía generar mucho más rápidamente que con una caldera de locomotora convencional .  

Las pruebas del sistema de condensación de Anderson se llevaron a cabo en el ferrocarril Southern Railway de Gran Bretaña entre 1930 y 1935. ^{[ 4 ]} Los aparatos de condensación no se han utilizado ampliamente en las locomotoras de vapor debido a la complejidad y el peso adicionales, pero ofrecen cuatro ventajas potenciales:

• Mayor eficiencia térmica
• Reducción del consumo de agua
• Mantenimiento reducido de la caldera gracias a la eliminación de la cal.
• Ruido reducido

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, al eliminar alrededor de 600 de las 970 unidades térmicas británicas presentes en cada libra de vapor (1400 de los 2260 kilojulios en cada kilogramo ), sería posible devolver el vapor de escape a la caldera mediante una bomba que consumiría solo el 1-2% de la potencia del motor. Entre 1925 y 1927, Anderson y otro ingeniero de Glasgow, John McCullum (algunas fuentes mencionan a McCullum), 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 contactó con Richard Maunsell de la Southern Railway. Maunsell solicitó que se realizara una prueba controlada en Surbiton , la cual se llevó a cabo 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. La 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. Tras una prueba en ascenso desde Eastleigh hasta Litchfield Summit, Holcroft declaró:

"En circunstancias normales, esto habría generado mucho ruido y nubes de vapor, pero con el condensador en funcionamiento, todo se absorbía con la misma facilidad con la que la nieve se derrite en un horno. El motor era tan silencioso como una locomotora eléctrica y los únicos ruidos tenues se debían al ligero golpeteo de las bielas y a un pequeño impacto en la junta del pistón. Había que experimentarlo para creerlo; de no ser porque el regulador estaba completamente abierto y el inversor giraba a toda máquina, uno habría imaginado que el segundo motor (un LSWR clase T14 que se había provisto como reserva) estaba impulsando al primero." ^{[ 7 ]}

Las pruebas continuaron hasta 1934, pero surgieron varios problemas, principalmente con el ventilador para el tiro forzado , y el proyecto no avanzó. ^{[ 4 ]} La locomotora fue reconvertida a su forma estándar en 1935. ^{[ 8 ]}

El trabajo del ingeniero mecánico francés André Chapelon, que aplicó el análisis científico y se esforzó por lograr la eficiencia térmica, fue un ejemplo temprano de tecnología de vapor avanzada. ^{[ 9 ] [ 10 ]} El protegido de Chapelon, Livio Dante Porta, continuó su trabajo. ^{[ 9 ]}

En la posguerra, a finales de la década de 1940 y durante la de 1950, algunos diseñadores trabajaron en la modernización de las locomotoras de vapor. El ingeniero argentino Livio Dante Porta, en el desarrollo de las 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 fue posible, Porta prefirió diseñar locomotoras nuevas, pero en la práctica, con mayor frecuencia, se vio obligado a modernizar radicalmente las antiguas para incorporar la nueva tecnología.

En Gran Bretaña, la clase SR Leader de alrededor de 1949, diseñada por Oliver Bulleid , y las locomotoras de vapor British Rail de la clase Standard de la década de 1950, diseñadas por 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 trasladarse a Irlanda , Bulleid también diseñó la CIÉ n.º CC1 , que presentaba muchas características novedosas.

Una unidad de potencia basada en tecnología de vapor avanzada que quema combustible fósil inevitablemente emitirá dióxido de carbono , un gas de efecto invernadero de larga duración . Sin embargo, con el vapor se pueden lograr reducciones significativas de otros contaminantes como el CO y el NO _x en comparación con otras tecnologías de combustión, ya que no implica combustión explosiva, ^{[ 15 ]} eliminando así la necesidad de complementos (como filtros) o preparación especial del combustible.

Si se utiliza combustible renovable 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 centrales de vapor que para diésel, ya que no requieren las estrictas normas de seguridad necesarias para proteger los inyectores diésel.

En principio, la combustión y la generación de energía en una central de vapor pueden considerarse etapas separadas. Lograr una alta eficiencia térmica global puede resultar difícil, debido principalmente a la etapa adicional de generación de fluido de trabajo entre la combustión y la generación de energía, atribuible sobre todo 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 pueden adaptarse para utilizar cualquier fuente de calor, ya sea de combustible sólido, líquido o gaseoso, e incluso aprovechar el calor residual . Cualquiera que sea la opción elegida, no tendrá un efecto directo en el diseño de la unidad motriz, ya que esta solo trabaja con vapor.

Este proyecto incluye principalmente sistemas combinados de generación eléctrica y calefacción para viviendas particulares y pequeños pueblos que utilizan leña o astillas de bambú como combustible. Su objetivo es reemplazar los motores de dos tiempos y las pequeñas centrales eléctricas diésel. Una de las ventajas inmediatas de una pequeña central eléctrica a vapor es la drástica reducción del nivel de ruido. Ted Pritchard , de Melbourne, Australia, se dedicó intensamente al desarrollo de este tipo de unidad desde 2002 hasta su fallecimiento en 2007. La empresa Pritchard Power (ahora Uniflow Power) ^{[ 16 ]} declaró en 2010 que seguía desarrollando el sistema estacionario S5000, que se había construido un prototipo que estaba siendo probado y que se estaban perfeccionando los diseños para obtener productos listos para el mercado. ^{[ 17 ]}

Hasta 2006, una empresa alemana llamada Enginion desarrollaba activamente una Steamcell , una unidad de cogeneración en miniatura del tamaño aproximado de una torre de PC para uso doméstico. Parece que en 2008 se fusionó con la empresa berlinesa AMOVIS. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

Desde 2012, la empresa francesa EXOES comercializa a empresas industriales un motor patentado de ciclo Rankine , diseñado para funcionar con diversos combustibles como energía solar concentrada, biomasa o combustibles fósiles. El sistema, denominado «SHAPE» (por Sustainable Heat And Power Engine), convierte el calor en electricidad. El motor SHAPE es apto 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 colaborar con fabricantes de automóviles, fabricantes de camiones de larga distancia y compañías ferroviarias. ^{[ 20 ]}

Una unidad similar es comercializada por Powertherm, ^{[ 21 ]} una subsidiaria de Spilling (ver más abajo).

Una empresa en India ^{[ 22 ]} fabrica generadores a vapor en una gama de tamaños de 4  hp a 50  hp. También ofrecen varios molinos diferentes que pueden ser alimentados por sus motores.

En lo que respecta a la tecnología, cabe destacar que la Quasiturbine es una máquina de vapor rotativa de flujo unidireccional, donde el vapor se aspira en las zonas calientes y se expulsa en las zonas frías.

La empresa Spilling produce una variedad de pequeñas plantas fijas estacionarias adaptadas a la combustión de biomasa o a la generación de energía a partir del calor residual o la recuperación de presión. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

La empresa finlandesa Steammotor Finland ha desarrollado un pequeño motor de vapor rotativo que funciona con  un generador de vapor de 800 kW. Estos motores están diseñados para producir electricidad en centrales eléctricas que utilizan astillas de madera como combustible. Según la empresa, el motor de vapor, denominado Quadrum , alcanza una eficiencia del 27 % y funciona con  vapor a 180 °C y 8 ​​bares de presión, mientras que una turbina de vapor equivalente produce solo un 15 % de eficiencia, requiere vapor a 240  °C y una presión de 40 bares. La alta eficiencia se debe a un mecanismo de manivela patentado que proporciona un par motor suave y sin pulsaciones. La empresa cree que, mediante un mayor desarrollo de 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, varias grandes corporaciones automovilísticas iniciaron investigaciones sobre la tecnología del vapor, aunque, a medida que la crisis amainaba, el impulso se perdió rápidamente.

El principal campo de investigación del ingeniero australiano Ted Pritchard ^{[ 26 ]} desde finales de la década de 1950 hasta la de 1970 fue la construcción de varias unidades de energía de vapor eficientes que funcionaban con el sistema de flujo unidireccional adaptado a un pequeño camión y dos automóviles. Uno de los automóviles estaba logrando las cifras de emisiones más bajas de ese momento.

IAV , una empresa de I+D con sede en Berlín que posteriormente desarrolló el Steamcell, trabajó durante la década de 1990 en el motor monocilíndrico ZEE (Zero Emissions Engine), seguido del compacto 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 hicieron un uso intensivo de celdas térmicas cerámicas sin llama tanto para el generador de vapor como en puntos estratégicos de sobrealimentación donde se inyectaba vapor en el/los cilindro/s.

• No. 52 8055 , ^{[ 28 ]} una reconstrucción de una locomotora existente (1943: construida como 52 1649 (DRB); 1962: reconstrucción como 52 8055 (DR), 1992: 52 8055 (EFZ - Eisenbahnfreunde Zollernbahn eV), 2003: reconstruida y modernizada como 52 8055 NG (DLM - Dampflokomotiv- und Maschinenfabrik).
• El proyecto 5AT , ^{[ 29 ]} una propuesta para una locomotora completamente nueva (Gran Bretaña, década de 2000).
• El proyecto ACE 3000 , ^{[ 30 ]} propuesto por el entusiasta de las locomotoras Ross Rowland durante la crisis del petróleo de la década de 1970. La locomotora tendría la apariencia de una diésel y fue diseñada para competir con las locomotoras diésel de la época utilizando carbón, mucho más barato que el petróleo en aquel entonces. La ACE 3000 incorporaría muchas tecnologías novedosas, como el encendido automático y el control del nivel de agua. La locomotora podría conectarse a una unidad diésel y funcionar en sincronía con ella, eliminando la necesidad de conectar dos locomotoras idénticas. La ACE 3000 fue uno de los intentos más publicitados de crear una locomotora de vapor moderna, pero el proyecto finalmente fracasó por falta de fondos.
• El Proyecto 130 de la CSR ^{[ 31 ]} tenía como objetivo desarrollar una locomotora de vapor moderna (basada en una locomotora existente de la clase ATSF 3460 ) capaz de transportar pasajeros a mayor velocidad, a más de 160  km/h, y se probó hasta 209  km/h (de ahí el nombre de Proyecto 130 ). Se propuso que fuera neutra en carbono, ya que funcionaría con biomasa torrefactada como combustible sólido (a diferencia de todos los demás diseños contemporáneos, que requieren combustible líquido). El desarrollo fue un esfuerzo conjunto entre el Instituto del Medio Ambiente (IonE) de la Universidad de Minnesota y Sustainable Rail International , una organización sin fines de lucro que emplea a expertos ferroviarios e ingenieros de vapor, creada para tal fin. Posteriormente, la CSR se reorganizó en KVRHC, lo que provocó la cancelación del proyecto, ya que ahora buscan restaurar estéticamente la locomotora.

Diseño novedoso frente a diseño convencional

Diseño montado sobre bogies motorizados con caldera compacta de tubos de agua similar a los diseños Sentinel de la década de 1930. Ejemplo: locomotora Sentinel-Cammell (derecha).

Tanto el 52  8055 como el propuesto 5AT tienen una disposición 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 la combustión de combustible líquido. Por ejemplo:

Tipo de cabina adelantada

Este es un diseño probado con potencial para una gran potencia de salida y que ofrece buena visibilidad al conductor. Al ser de un solo extremo, tendría que girarse sobre una plataforma giratoria o una bifurcación triangular. Ejemplo: Southern Pacific 4294 .

Tipo Garratt

Otro diseño probado con gran potencial de potencia. Ejemplo: la locomotora clase 400 de los Ferrocarriles de Australia Meridional . Un diseño futuro podría incluir depósitos de agua más cortos y una cabina en cada extremo, para que el conductor tenga buena visibilidad en ambas direcciones.

Con bogies motorizados