viernes, 4 de mayo de 2012

¿DOBLE EXPANSIÓN O VAPOR RECALENTADO?

Locomotora montaña de la Compañía del Norte, de vapor recalentado y doble expansión

Los avezados en historia ferroviaria saben como, a finales del siglo XIX y principios del XX, se desató una intensa polémica entre los diseñadores de locomotoras de vapor, divididos en los que defendían la utilización de la doble expansión, frente a los que preferían el uso del vapor recalentado. El primero de los sistemas tiene en su favor la teórica posibilidad de reutilizar el vapor que, una vez ha realizado su trabajo en el cilindro motor, en lugar de perder su fuerza residual por la chimenea, se podía volver a emplear en un segundo cilindro. En trazos gruesos se podría decir que optimiza el rendimiento del vapor a costa de complicar la locomotora que, en lugar de dos cilindros, pasaría a tener cuatro. Por contra, el vapor recalentado mejora el rendimiento de una forma más simple, incrementando la temperatura del vapor al hacerlo pasar por un conjunto de serpentines en contacto con las llamas y gases de la combustión.

Sin embargo, esta explicación, que es la que habitualmente se da en muchos libros y artículos, no es completa, ya que para entender las verdaderas razones de la polémica entre los defensores de la doble expansión, también denominada sistema compound, y el uso del vapor recalentado, es preciso tener en cuenta un factor que obsesionó a los ingenieros desde el mismo momento en que se inventó la máquina de vapor: la condensación de este gas en su camino desde la caldera hasta el motor y durante la realización de su trabajo en el cilindro.

En efecto, aunque en muchas ocasiones se ha llegado a escribir que el diseño de locomotoras con cilindros y distribuciones interiores se debía, únicamente, a cuestiones estéticas, en realidad, este diseño, que tuvo un especial predicamento en Gran Bretaña, obedecia a la voluntad de los ingenieros de proteger los motores del frio exterior. De este modo, reducían al máximo la condensación del vapor en los motores.
Locomotora de vapor dotada de motores y distribuciones interiores, disposición que no obedecía a cuestiones estéticas sino a intentar evitar el fenómeno de las condensaciones

En efecto, producir vapor no es cosa sencilla, y no había cosa que más desesperase a los ingenieros ferroviarios que, con la energía que había costado convertir el agua en gas, buena parte del vapor se convirtiese nuevamente en agua nada más entrar en los circuitos que lo conducían a los motores, así como en la propia distribución y cilindros de la locomotora. Sin embargo, este fenómeno era muy difícil de evitar al estar estos conductos y motores sensiblemente más fríos que la caldera.

El primer paso para evitar este fenómeno fue, precisamente, disponer los motores en el interior del bastidor, justo debajo de la caja de humos. Con esta disposición se acortaba el recorrido del vapor a los motores y, éstos últimos, estaban abrigados por el propio bastidor y relativamente calientes por el calor que irradiaba desde la inmediata caja de humos. De este modo, se lograba atenuar el enfriamiento del vapor en su camino a los motores y en los propios motores y, por tanto, su condensación. 

Como se ha dicho al principio, generalmente, se ha simplificado la explicación del sistema compound afirmando que consiste en aprovechar la presión que todavía conserva el vapor, una vez ha empujado el pistón en el cilindro y que, en caso contrario, se desperdiciaba por la chimenea. Sin embargo, esta explicación no es suficiente para responder a la siguiente cuestión ¿Porqué no diseñamos un motor con la distribución y dimensiones necesarias para que la dosis de vapor que entre en el cilindro a cada golpe de pistón, desarrolle todo su esfuerzo en el interior del cilindro y, una vez exhausto, salga por la chimenea? La respuesta a esta pregunta es que resulta imposible diseñar un motor de esas características, precisamente, ¡por culpa de las condensaciones!
Aunque la mayor parte de las locomotoras compound contaban con cuatro cilindros, algunas, como ésta de la popular "Panderola" de Castellón, unicamente disponían de dos. Como se puede apreciar en esta magnífica instantánea de Peter Willen, el cilindro de la izquierda, el de alta presión, tiene un diámetro notablemente inferior al derecho, de baja presión, que requiere mucho mayor volumen de vapor para realizar un trabajo similar

En efecto, durante la fase de admisión del vapor en el motor, el vapor saturado procedente de la caldera se encuentra con las paredes de los conductos y del cilindro relativamente frías e, inevitablemente, se produce la condensación, fenómeno que puede afectar hasta al 50% del vapor introducido que, con lo que ha costado producir, resulta que se convierte en agua líquida y, por tanto, sin capacidad de expandirse e impulsar la locomotora.

Sin embargo, a medida que el vapor realiza su trabajo en el cilindro, disminuye su presión y, de este modo, la temperatura del vapor que se había condensado y convertido en agua, resulta que es superior a la de la temperatura necesaria para su evaporación a esa presión. En consecuencia, en la fase de escape resulta que ese agua que fue vapor, se vuelve a evaporar pero, tan tarde, que solo sirve para ser expulsado por la chimenea, metiendo mucho ruido pero sin haber realizado trabajo útil alguno.

Por tanto, como se ha visto anteriormente, el inevitable fenómeno de las condensaciones, imposibilitaba diseñar un motor que permitiera el aprovechamiento íntegro de todo el potencial del vapor introducido en el cilindro.
La compañía MZA popularizó en España la utilización de la doble expansión

Esta explicación resulta fundamental para entender la rivalidad entre la doble expansión y el recalentamiento. El sistema compound hace de la necesidad, virtud y, ya que no puede evitar el fenómeno de las condensaciones, intenta al menos aprovechar la fuerza residual de ese agua que se ha licuado al entrar en el motor y que se ha regasificado en la fase de escape. Por el contrario, lo que el recalentamiento buscaba era anticiparse al problema de las condensaciones elevando la temperatura del vapor hasta tal punto que, pese a que también se enfría y condensa en los conductos y motores, el efecto es muy inferior respecto al vapor saturado. Por tanto, conseguía resultados similares pero con un procedimiento más sencillo que duplicando los motores. De ahí la gran polémica entre los defensores de uno y otro sistema. Sin embargo, pese a la elevada temperatura del recalentamiento, el fenómeno de las condensaciones seguía produciéndose, aunque en menor medida que en una locomotora de vapor saturado, por lo que la solución óptima, no era otra que la de de conjugar los dos sistemas, con lo que:

A.- Se reducía notablemente la pérdida de rendimiento que provocaban las condensaciones al reducir éstas notablemente.

B.- Se aprovechaba el agua condensada y reevaporada durante la fase de escape y que todavía tenía un importante potencial.

El problema de las condensaciones del vapor obsesionó a los ingenieros ferroviarios hasta el final de la tracción vapor. Buena muestra es la espectacular locomotora 160AI diseñada por André Chapelón en 1947. Para eludir las dificultades de lubricar los motores de alta presión con las elevadísimas temperaturas de recalentamiento propias de las locomotoras dotadas de calderas de alta presión, en las que se podían alcanzar los 500º, en esta máquina, el prestigioso diseñador francés optó por envolver los cilindros de alta presión en una cámara por la que circulaba el vapor a alta temperatura de la propia caldera, ¡un recurso que ya había aplicado el propio Watt 200 años atrás! De este modo, lograba que el cilindro estuviera caliente y que, en consecuencia, no se produjeran apenas condensaciones. En consecuencia, Chapelón superó con maestría y sencillez la degradación de los aceites lubricantes que provocaban las altísimas temperaturas de recalentamiento, reservando este procedimiento únicamente a los cilindros de baja presión de la locomotora.

Locomotora 160 A1 diseñada por Chapelón

8 comentarios:

  1. Muchas gracias Juanjo, por esta esplicación, siempre habia pensado que la distribución y cilindros interiores obedecia a motivos esteticos de los britanicos.
    Ah! y gracias por la foto de la Panderola.
    Un cordial saludo
    Eugenio Burriel Adell

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  2. Verdaderamente magnífico este artículo. Yo también creia que los ingleses ponian distribución interior por estética, pero la explicación dada por Juanjo me ha asombrado y la considero de lo más lógica... hay que ver lo que me queda por aprender todavía y lo que vale el señor Olaizola.

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  3. Me sorprendiò la informaciòn dada respecto a la razòn de los ingleses de colocar los cilindros de sus màquinas a vapor bajo el interior del bastidor en una buena parte de ellas, y tiene su lògica. Jamàs me lo hubiera imaginado, siempre creì que era para evitar daños durante eventuales conflictos bèlicos, ya que no quedaban expuestos (eso fue lo que siempre leì).

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  4. Este artículo me fascina. Los aspectos técnicos del vapor cada vez me ineresan más. Te ruego que sigas publicando textos como éste.

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  5. Hola me parece interesante el tema, además gracias a los avances tecnológicos podemos aprender un poco de todo, ya que gracias al vapor de las calderas fue posible poder innovar un transporte de fácil acceso que permitiera un buen desplazamiento al destino donde se quisiera ir, me gusta esta clase de temas porque cada vez aprendemos nuevas cosas de todos los inventos tecnológicos que nos han permitido estar a la vanguardia de todo.
    Saludos

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  6. ¿ LAS FOTOS SE PODRIA SABER EN QUE CIUDAD FUERON TOMADAS ?GRACIAS DE ANTEMANO

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    1. La primera imagen fue captada en León, la segunda en Valencia-Término, la tercera en Castellón y la cuarta en Zaragoza-Campo Sepulcro.

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