Motor de vapor compuesto

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Imagen de motor de vapor compuesto de triple expansión, 1888.
Un motor de vapor horizontal Robey "compuesto de cruz": el cilindro de presión-alta, se encuentra en la izquierda; el cilindro de baja-presión, se encuentra en la derecha.

Un motor de vapor compuesto, es un tipo de motor de vapor donde el vapor está expandido en dos o más etapas.[2] Un arreglo típico para un motor compuesto es que el vapor se expande primero en un cilindro de alta-presión (AP), después de perder calor y presión, entra directamente a uno o más cilindros de mayor volumen y baja-presión (BP). Los motores de expansión múltiple, emplean cilindros adicionales, preferentemente de presión más baja, para extraer energía del vapor.[3]

Fue inventado en 1781, esta técnica era empleada primero  en un motor de viga de Cornualles en 1804. Alrededor de 1850, los motores compuestos fueron  primeramente introducidos en molinos textiles Lancashire.

Sistemas compuestos[editar]

Existen diferentes sistemas compuestos y configuraciones, pero existen dos tipos básicos: según los golpes de los pistones de AP y BP realizados por etapas y por lo consiguiente depende si el escape del pistón AP es capaz de pasar directamente de AP a BP (Motores compuestos de Woolf) o si la fluctuación de presión necesita un espacio para un  "amortiguador" intermedio en la forma de un pecho de vapor o pipa llamado  receptor. (compuestos receptores).[1]

En un motor de vapor de expansión individual (o "simple"), el vapor de presión alta entra en el cilindro a presión de caldera a través de una válvula de entrada. La presión de vapor fuerza el pistón hacia abajo en el cilindro, hasta que la válvula se cierra (p. ej. después de  25% del golpe del pistón). Después que el suministro de vapor es cortado, el vapor atrapado continúa expandiéndose, empujando el pistón hasta el final de su golpe, donde la válvula de escape abre y expulsa el vapor parcialmente agotado a la atmósfera, o a un condensador. Este "corte-fuera" permite que  mucho más trabajo pueda ser extraído, debido a que la expansión del vapor está haciendo trabajo adicional más allá que el hecho por el vapor en presión de caldera.[5]

Un corte más temprano aumenta la proporción de expansión, el cual en principio permite que  más energía pueda ser extraída y aumenta la eficiencia, sin embargo cuando el vapor atrapado se expande su temperatura decrece. Este decaimiento de temperatura ocurriría incluso si el cilindro estuviera perfectamente aislado de modo que nada de calor sea liberado del sistema (ver proceso adiabático y enfriamiento y calefacción adiabáticos). Como resultado, el vapor entra al cilindro a alta temperatura y sale a una temperatura más baja. El cambio de temperatura en el vapor alternadamente calienta y enfría el cilindro con cada golpe y es una fuente de ineficacia qué aumenta en expansiones de proporción alta. En conclusión, al aumentar  la proporción de expansión disminuirá la eficiencia debido al calentamiento y el enfriamiento.[5]

Motores Compuestos[editar]

Un método para reducir los rangos del calentamiento y el enfriamiento fue inventado en 1804 por el ingeniero británico Arthur Woolf, que patentó su Motor Compuesto de Alta Presión (Motor Woolf)
en 1805. En el motor compuesto, el vapor de alta presión de la caldera se expande primero en un cilindro de alta-presión (AP) y después entra en uno o más cilindros de presión-baja (BP). La expansión completa del vapor ocurre a través de múltiples cilindros y a medida que pasa por cada cilindro existe menos expansión, lo que causa que  menos calor sea perdido por el vapor en cada etapa. Esto reduce el rango del calentamiento y enfriamiento del cilindro, haciendo que las expansiones  altas sean más sencillas y que la eficiencia aumente.

Existen otras ventajas: debido a que el rango  de temperatura es más pequeña, la condensación del cilindro se reduce. Las pérdidas debido a la condensación están presentes en los cilindros BP. La diferencia de presión es menor en cada cilindro, en consecuencia hay menos fugas de vapor en el pistón y las válvulas. El torque es más uniforme, así que el balanceo es más sencillo y un más pequeño volante puede ser utilizado. Sólo el cilindro AP más pequeño necesita ser construido para soportar la presión más alta, reduciendo el peso total del motor. De igual manera, los componentes están sometidos a menos tensión, así que pueden ser más ligeros. Las partes recíprocas del motor son más ligeras,lo que genera que se  reduzcan las vibraciones del motor. El trabajo compuesto podría iniciarse en cualquier punto en el ciclo, y en el caso de fallo mecánico, el sistema compuesto podría ser reiniciado para actuar como sistema sencillo, y así continuar el proceso.

Para derivar un trabajo de igual proporción de vapor de baja presión, se requiere un cilindro con un volumen más grande, debido a que este vapor ocupa un volumen más grande. Por lo tanto, el orificio, y a menudo el golpe, son mayores en cilindros de baja presión,lo que resulta en cilindros más grandes.

Los motores de expansión doble (normalmente llamado sistema 'compuesto') expanden el vapor en dos etapas, pero esto no implica que contengan dos cilindros. Pueden tener cuatro cilindros; ya sea  que trabajan en pareja, una como AP y otra como BP; o el trabajo del cilindro de BP  puede ser repartido a través de dos cilindros más pequeños, con un cilindro de AP que desemboca en cualquiera de los cilindros de BP, dando un diseño de 3 cilindros donde el diámetro del cilindro y del pistón es el mismo, haciendo que las masas recíprocas sean más fáciles de equilibrar.

Los sistemas compuestos de dos cilindros pueden ser clasificados en:

  • Sistema Compuesto de Cruz  – los cilindros están lado a lado.
  • Sistema Compuesto de Tándem – los cilindros se encuentran conectados al final de cada uno, haciendo un camino para el vapor.
  • Sistema Compuesto Telescópico – los cilindros se encuentran uno dentro del otro.
  • Sistema Compuesto de Ángulo – los cilindros están arreglados en un vee (normalmente en un ángulo de 90°) y utilizan una manivela.

El uso de sistemas compuestos fue primeramente extendido para unidades industriales estacionarias, donde la necesidad era aumentar el trabajo  decreciendo los costos, y  también fue casi el uso universal en motores marinos después de 1880. No era utilizado en locomotoras de ferrocarril, debido a que se había  percibido como complicado e inadecuado para el  entorno operativo del ferrocarril y el espacio era limitado debido al  medidor de carga (particularmente en Gran Bretaña). Los sistemas compuestos nunca fueron comunes en ferrocarriles británicos y dejaron de ser empleados  después de 1930, en cambio en otros países fueron utilizados de manera limitada.[6]

El primer intento exitoso para volar una aeronave con alas potenciada mediante ˈvapor ocurrió en 1933, cuándo George y William Besler sustituyeron de un biplano de Aire de Viaje 2000, en un motor de vapor de ángulo compuesto de 150 hp de su propio diseño en vez del habitual Curtiss OX-5 inline o motor de gasolina de aviación radial que normalmente se utilizaba.[2][3]

Motores de expansión múltiple[editar]

Animación de un motor marino de doble movimiento invertido de expansión triple.
Vapor de alta presión (rojo) entra de la caldera y pases a través del motor, saliendo como vapor de baja presión (azul) al condensador.

Es una extensión del motor compuesto (descrito arriba) para partir la expansión en más etapas para aumentar la eficiencia. El resultado es el motor de expansión múltiple . Tales motores utilizan  tres o cuatro etapas de expansión y se conocen como triple- y cuádruple-motores de expansión respectivamente. Estos motores utilizan una serie de cilindros dobles suplentes de diámetro creciente y/o golpe y aumento de volumen. Estos cilindros están diseñados para dividir el trabajo en tres o cuatro partes iguales, uno para cada etapa de expansión. La imagen adyacente muestra una animación de un motor de expansión triple. El vapor circula a través del motor de izquierda a derecha. El pecho de válvula para cada uno de los cilindros esta a la izquierda del cilindro.

Historia[editar]

Inicios[editar]

  • 1781 – Jonathan Hornblower, el nieto de uno de los erectores del motor  Newcomen en Cornwall, patentó un motor de viga de doble cilindro compuesto en 1781. Fue impedido de desarrollarlo  más allá por James Watt, quién reclamó sus patentes eran infringidas.[2]
  • 1804 – Un método para reducir la magnitud del  calentamiento y enfriamiento de un motor de vapor de expansión simple, que derivaba en ineficiencia, fue inventado por el ingeniero británico Arthur Woolf. Woolf patentó su Motor estacionario compuesto de alta presión en 1805.

Expansión-doble[editar]

  • 1845 – William McNaught ingenió un método de fijar un cilindro de alta presión adicional dentro de un motor de viga. Para realizar el método implica utilizar un tubo largo para conectar los cilindros, y un conjunto extra de válvulas para equilibrarlos. Esto funcionaba como un recibidor de pecho, y un nuevo tipo de sistema compuesto había sido inventado. Este sistema permitió un control más grande del vapor. Un motor podría ser retrasado por la válvula reguladora, la cuál reduce la presión del vapor, o por ajustar el cierre en cualquier cilindro. El último era más eficiente debido a que no se perdía potencia. El ciclo era más continuo debido a que los dos cilindros no estaban en fase.[10]
  • 1865 – SS Agamenón (1865) fue puesto en alta-mar, equipado con un motor de vapor compuesto de 300 hp. El motor estuvo diseñado por Alfred Holt, uno de sus dueños. Holt había persuadido al Tablero de Comerciar para dejar una presión de caldera de 60 psi en vez del normal 25 psi - una presión más alta era necesaria para poner en marcha las ventajas de las dobles-expansiones. La eficiencia que se obtuvo en este barco, permitió viajar 8,500 millas antes de la etapa de "coaling". Esto lo hizo competitivo en rutas entre China y Gran Bretaña.[2][3][4]
  • Comprender la Termodinámica en vez de creer en la teoría calórica.
  • Válvulas Corliss

Expansión-múltiple[editar]

El motor compuesto de cruz, Molino Coldharbour Pollit y Wigzell , el cual utiliza la  cuerda vista en el fondo, transmitiendo energía a las líneas de trabajo en los cinco niveles del molino.
  • 1861 – Daniel Adamson sacó una patente para un motor de expansión múltiple, con tres o más cilindros conectados a una viga o a un cigüeñal. Construyó un motor de expansión triple para Victoria Mills, Dukinfield, el cuál abrió en 1867.[14]
  • 1871 – Charles Normand, de Le Havre equipó una barca de río Seine con un motor de expansión triple en 1871.[14]
  • 1872 – Sir Fredrick J. Bramwell informó que los motores marinos compuestos, operados en 45 psi a 60 psi, consumían de 2 lbs a 2.5 lbs por caballo de fuerza.[14]
  • 1881 – Alexander Carnegie Kirk construyó el SS Aberdeen, el primer barco importante en ser exitosamente potenciado por un motor de expansión triple.[5]
  • 1887 – HMS Victoria lanzó, el primer acorazado en ser potenciado por motores de expansión triple.[6]

Aplicaciones[editar]

Motores de bombeo[editar]

Motores de molino[editar]

Un motor compuesto de tándem horizontal Marchent & Morley construido en 1914, en Molinos Craven, Cole. La bomba de aire y el condensador de jet estan más cercanos con el cilindro de BP. Está equipado con la patente de pistones de válvulas de caída de Morley.

Aunque los primeros molinos estuvieron potenciados mediante el poder de agua, una vez que los motores de vapor fueron adoptados el fabricante ya no necesitó a los molinos de agua. Las molienda de algodón requería molinos más grandes para cumplir la demanda, y esto condujo a los dueños a reclamar por motores cada vez más potentes. Cuándo presión de caldera había superado los 60 psi, los motores compuestos consiguieron una ventaja dinámica térmica, pero las ventajas mecánicas del golpe más armónico, fue el factor que decidió en la adopción de los sistemas compuestos. En 1859, había 75,886 ihp (caballo de fuerza indicado) de motores en molinos en el área de Mánchester, del cual 32,282 ihp eran proporcionados por sistemas compuestos, aun así sólo 41,189 ihp eran generados por las calderas operadas por encima de 60 psi.[17]

En general, entre 1860 y 1926 todos los molinos Lancashire estuvieron conducidos por sistemas compuestos. El último sistema compuesto que se construyó fue por Buckley y Taylor para Wye Núm.2 molino, Shaw. Este motor era un diseño de cruz compuesto a 2,500 ihp, potenciando un volante de 24 ft, 90 tonelada , y operado hasta 1965.[18]

Aplicaciones Marinas[editar]

Modelo de un motor de expansión triple.
Motor marino de triple-expansión (tres cilindros de 26, 42 y 70 pulgadas de diámetro en un marco común de 42 pulgadas de golpe) de 1890 que potenció el SS Christopher Colón.
SS Ukkopekka Motor marino de triple expansión

En el entorno marino, el requisito general era la autonomía y el gran rango  operativo, ya que los barcos tenían que llevar sus suministros de carbón. La vieja-caldera de agua salada ya no era adecuada y tuvo que ser reemplazado por un cerrado circuito de agua fresca con condensador. El resultado de 1880 en adelante fue el motor de expansión múltiple que utiliza tres o cuatro etapas de expansión (triples- y cuádruple-motores de expansión). Estos motores utilizaron una serie de cilindros dobles de  diámetro creciente y/o golpe (creciente volumen) diseñados para dividir el trabajo en tres o cuatro , lo que fuera  apropiado, partes iguales para cada etapa de expansión. Dónde el espacio es primordial, dos cilindros más pequeños de un volumen de suma mayor podrían ser utilizados para la etapa de baja presión.Los motores de expansión múltiple tenían los cilindros arreglados en-línea, pero existían otras formaciones que fueron utilizadas. A finales del siglo XIX , el sistema de balanceo Yarrow-Schlick-Tweedy fue utilizado encima de algunos motores de expansión triple marinos. Los motores Y-S-T dividieron las etapas de expansión de presión baja entre dos cilindros, uno en cada extremo del motor. Esto dejó el cigüeñal que fuera  mejor equilibrado, resultando en un motor más armónico y de respuesta más rápida qué funcionaba con menos vibración. Esto hizo que el motor de 4 cilindros de triple expansión se volviera más popular con "liners" con muchos pasajeros (como la clase Olímpica), pero fue finalmente reemplazado por la turbina de vapor libre de vibración.

El desarrollo de este tipo de motor era importante para su uso en barcos de vapor cuando por era expulsada a un condensador el agua podría ser re-circulada para alimentar la caldera, el cual era incapaz de utilizar agua de mar. Motores basados en  tierra de vapor sencillamente podrían expulsar mucho de su vapor, debido a que el alimento de agua era  fácilmente disponible. Con anterioridad a y durante la Segunda Guerra mundial, el motor de expansión dominó aplicaciones marinas donde la velocidad del barco no era esencial. Se sustituyó por la turbina de vapor cuándo la velocidad era requerida, como para acorazados y trasatlánticos. El HMS Dreadnought en 1905 era el primer importante acorazado en reemplazar la tecnología probada del motor de vapor con la turbina de vapor.

Aplicación a locomotoras de ferrocarril[editar]

Para aplicaciones de locomotora del ferrocarril el beneficio principal buscado de los sistemas compuestos era la economía en el consumo de combustible y de agua, más un plus en el rango de peso/potencia debido a la caída de temperatura y presión que tienen lugar sobre un ciclo más largo, este resultando en daba una eficiencia aumentada; adicional se  percibió  ventajas en un torque más parejo.

Mientras los diseños para locomotoras compuestas pueden datar desde 1856 de la patente de James Samuel para una "locomotora de expansión continua", la historia práctica del ferrocarril compuesto empieza con los diseños de Anatole Mallet  en los 1870s.[7]​ Las locomotoras de Mallet  estuvieron operadas en los Estados Unidos hasta el fin del vapor de línea central por Norfolk y Ferrocarril Occidental. Los diseños de Alfred George de Glehn en Francia también fueron de uso significativo, especialmente en las reconstrucciones de André Chapelon. Una variedad ancha de diseños compuestos estuvieron probadas alrededor 1900, pero la mayoría tenía popularidad mínima, debido a su complejidad y responsabilidad de mantenimiento. En el siglo XX el "superheater" era ampliamente adoptado, y la vasta mayoría de locomotoras de vapor eran de sencilla-expansión (con algunas locomotoras compuestas convertidas a sencillos).

Las locomotoras americanas grandes utilizaron 2 compresores de aire de vapor de cruz compuesto, eg el Westinghouse 8 1/2" 150-D, para los frenos de tren.[8]

Notas[editar]

^ ihp:  El poder de un motor de molino era originalmente medido en Caballos de Fuerza Nominales, pero este sistema no establecía lo de un sistema McNaught  propio para compuestos, ihp o caballos de fuerza indicados. Como regla de pulgar ihp es 2.6 veces el nhp, en un motor compuesto.[9]

Ve también[editar]

Referencias[editar]

  1. Raiput, R.K. (2005), «17», Thermal Engineering (5th edición), Bangalore, New Delhi: Laxmi Publications, pp. 723 et seq, ISBN 978-81-7008-834-9, OCLC 85232680 
  2. Clark, Arthur H. (1911). The Clipper Ship Era 1843-1869. New York: G.P. Putnam Sons. 
  3. National Maritime Museum, Greenwich, UK, http://collections.rmg.co.uk/collections/objects/66013.html
  4. Jarvis, Adrian (1993). «9: Alfred Holt and the Compound Engine». En Gardiner, Robert; Greenhill, Dr Basil. The Advent of Steam – The Merchant Steamship before 1900. Conway Maritime Press. pp. 158-159. ISBN 0-85177-563-2. 
  5. Day, Lance and McNeil, Ian (Editors) 2013, Biographical Dictionary of the History of Technology Routledge,
  6. Macintyre, Donald; Bathe, Basil W (1974). «Man of War a History of the Combat Vessel». Reference to the first battle ship with triple-expansion steam engines (Mcgraw-hill Inc). p. 95. ISBN 9780070445857. 
  7. Compound Engines facsimile reprint, Ann Arbor, MI: Scholarly Publishing Office, University of Michigan Library, 2005, pp. 16;17, ISBN 1-4255-0657-7 
  8. 1941 Locomotive Cyclopedia of American Practice, Eleventh Edition,Simmons-Boardman Publishng Corporation, 30 Church Street, New York p.813
  9. Hills (1989), p. 145.

Bibliografía[editar]

Enlaces externos[editar]