¿Está la energía de vapor en su futuro?

Por Skip Goebel

Número 43 – Enero/Febrero, 1997

Si piensa que el vapor está pasado de moda, considere esto: Hace casi un siglo, los coches y barcos de vapor alcanzaban velocidades y eficiencias que todavía son difíciles de conseguir, incluso con los modernos motores de combustión interna de hoy en día.

El vapor es una de las formas más poderosas y más peligrosas de energía independiente. Es tan potente que aquí en Tiny Power, fabricantes de motores de vapor, al menos una vez a la semana recibimos una llamada de alguien que va a salvar el mundo con vapor. Por lo general, sólo se necesitan unos minutos de conversación para revelar que la persona que llama necesita más educación en los fundamentos de la ingeniería de vapor.

Este artículo es un intento de responder a algunas de las muchas preguntas que la gente tiene sobre el vapor. Y supongo que la primera pregunta es: ¿puede salvar el mundo, al menos en lo que respecta a sus necesidades energéticas personales? Eso depende.

Por la inversión inicial en esta forma de energía doméstica más intensiva en mano de obra, probablemente podría comprar un generador diésel y 5-10 mil galones de combustible sin cambios significativos en su estilo de vida. Si piensa quemar madera, debe saber que es una ciencia muy establecida gasificar la madera y quemarla en un motor de combustión interna. Esto puede ser una aplicación más práctica para usted.

Si usted tiene una necesidad de grandes cantidades de calor controlable, digamos para calentar una casa grande, un gallinero, o incluso un horno, las plantas de vapor sobresalen en que el calor residual (de escape) de una máquina de vapor le dará cantidades excesivas de BTU para jugar.

¿Qué es el vapor?

¿Qué es el vapor? «El agua se vuelve loca con el calor» es una respuesta tan buena como cualquier otra. El agua se convierte en vapor en el vacío si su temperatura se mantiene en 40 grados F. Por el contrario, a una presión de 3200 libras por pulgada cuadrada, y una temperatura de alrededor de 720 grados, el vapor se convierte en «supercrítico» y en realidad tiene una densidad igual a la del agua. Los sistemas de vapor modernos funcionan a estas presiones porque el vapor, que es un gas «superradiante», absorbe y cede el calor mucho más rápido que el agua.

Sólo el vapor «seco» produce trabajo utilizable. El vapor es un gas seco, claro e insípido. El material turbio que se puede ver salir de una tetera es en realidad sólo vapor de agua y no tiene ninguna utilidad para nuestras necesidades, porque si se puede ver, todo el trabajo ha desaparecido.

Una de las pequeñas máquinas de vapor de alta calidad fabricadas por la empresa del autor, Tiny Power, Inc.

Una vez que el agua se convierte en vapor, se puede aumentar la temperatura del gas y almacenar más energía/trabajo en él. A esto lo llamamos vapor «sobrecalentado» y, aunque es una condición deseable, rara vez se utiliza en las plantas de vapor a pequeña escala.

Lo que queremos hacer con el vapor es extraer trabajo de él. El trabajo se describe mejor como el movimiento o cambio de velocidad de una masa. Se necesita energía para realizar trabajo. Impartir energía a una masa es una cosa, y transmitir y utilizar esa energía es otra. El agua, en forma de vapor, es un medio excelente para transmitir energía.

El agua es un producto químico no orgánico práctico, seguro y eficaz que absorbe y transmite fácilmente la energía. Para entender cómo sucede esto, trate de pensar en diferenciales, es decir, en diferencias de temperatura, diferencias de presión, o más específicamente, en diferencias de volumen. Cuando el vapor pasa de un volumen a otro, se realiza trabajo. Un ejemplo de esto es un pistón que baja en un cilindro creando más espacio o volumen (expansión). Al producirse cambios volumétricos, también deben producirse cambios de temperatura y presión. Estas son leyes de la naturaleza que no se pueden cambiar. Tenemos unidades para medir las propiedades de la masa. Generalmente, la presión se mide en libras por pulgada cuadrada, el volumen en pies cúbicos y la temperatura en grados Fahrenheit. (Todavía no soy métrico, amigos.)

En este punto, permítanme presentarles la unidad térmica británica (Btu). Es la unidad de medida de Estados Unidos, que es similar a la caloría del sistema métrico. No es más que una unidad de calor. Un Btu es la cantidad de calor necesaria para elevar una libra de agua un grado Fahrenheit. A la inversa, si una libra de agua baja un grado, libera una Btu.

Cuando se quema cualquier combustible, éste desprende energía en forma de calor, y ese calor se puede medir en Btu’s o en calorías. Utilizaremos los Btu. Un ejemplo es la madera de roble, que tiene entre 6 y 11 mil Btu’s por libra. Considérelo como energía potencial o energía a punto de producirse. Cuando se oxida (se quema), libera energía, y si hacemos vapor con esa energía, podemos utilizar el vapor para transmitir esa energía en otro lugar para hacer un trabajo útil.

Lanzamiento de vapor Santa Cruz II, Echo Lake, California

Otras fuentes de Btu’s pueden ser una fuente termal o solar. Recordemos que lo que buscamos es una diferencia de temperaturas; cuanto más podamos elevar la temperatura del agua, más trabajo podremos sacar del agua. Por desgracia, cuanto menor sea la diferencia de temperatura, mayor deberá ser el volumen de agua. Por ejemplo, una libra de vapor a 800 grados tiene una cierta cantidad de trabajo en ella; para producir la misma cantidad de trabajo a 400 grados, se necesita una cantidad mucho mayor de agua.

Así que, llevamos una libra de agua de 60 a 212 grados y se necesitan 152 Btu’s. (212 – 60 = 152) Ahora añadimos un Btu más y todo se convierte en vapor a presión atmosférica. ¿No es así? Error!

Aumentar la temperatura del agua es fácil; cambiar el agua a vapor es todo un juego. Se necesita mucha energía para cambiar el estado físico de la materia. Recuerde, no se desperdicia aquí; más bien se almacena.

Para convertir una libra de agua de 212 grados a vapor de 212 grados (todavía una libra por peso) a presión atmosférica se necesitan otros 970 Btu’s. Si contenemos todo esto, como en una caldera, obtenemos un diferencial de presión (dentro frente a fuera). Esa libra de agua, a 212 grados, había ocupado sólo 0,2 pies cúbicos. El vapor a 212 grados y a la presión atmosférica (o 14,7 libras por pulgada cuadrada) ocupará 27 pies cúbicos.

Ahora, si a ese vapor no se le permite expandirse en esos volúmenes porque está contenido, obtenemos un aumento de presión. Es esta presión la que utilizaremos para hacer nuestro trabajo.

¿Qué tipo de caldera?

El recipiente en el que haremos nuestro vapor se llama caldera. Existen básicamente tres tipos de calderas.

La caldera de tubos de fuego. Es la más antigua, la más sencilla y la que crea la producción más estable de vapor. También es la más peligrosa (tiende a explotar). Por lo tanto, no más en este caso. Olvídalo, nada, de ninguna manera, etc. Pega esta pegatina en tu cerebro: Hay un cartucho de dinamita en un galón de agua.

El tubo de agua. Este es más eficiente, más seguro, común, fácil de construir, etc. Básicamente, el diseño incorpora una serie de tubos que salen hacia abajo de un tambor y rodean la cámara de combustión (caja de fuego). El vapor se extrae de la parte superior del tambor donde se dirige a su uso previsto mediante una tubería. (Véase la figura 1.)

Figura 1. Caldera acuotubular

Un ejemplo común de estos tipos es una caldera de calefacción doméstica. Los grandes barcos y las centrales eléctricas también utilizan estos diseños. Tenemos una en nuestro barco de vapor de 23′ que quema madera, y funciona bastante bien. Permítanme interponer aquí que si usted quema combustible sólido (madera o carbón), asistirá a su caldera en todo momento. Si no puede, abandone la idea. Si puede, prepárese para la felicidad perpetua.

La disposición básica es la ilustrada en la figura. De ninguna manera use esta ilustración para diseñar su propia caldera. Si tuviera que educarse leyendo este artículo, no puede, no quiere y no debe construir una de estas. Recuerde, la muerte es definitiva (y dolorosa).

Hay innumerables planos disponibles que están aprobados, certificados y bien probados. El vapor es definitivamente una ciencia «finalizada». Si busca en las páginas amarillas, encontrará caldereros certificados que harán el trabajo bien. Tecnicamente, usted esta infringiendo la ley al construir una caldera no certificada.

Calderas monotubo o flash. Esta es, con mucho, la caldera más eficiente, más ligera y más segura. Es fácil y económica de construir. Funcionan mejor con un funcionamiento continuo y constante. Sin embargo, al tener poca capacidad de reserva, son sensibles a las fluctuaciones en el suministro de combustible y agua, por no hablar de las cargas. Las versiones más comunes son los limpiadores de vapor portátiles. Los moteles modernos utilizan una variación como calentadores de agua.

Un barco de vapor más grande

Básicamente, consisten en una bobina continua de tubos o tuberías en varias configuraciones. De ahí el nombre de «monotubo». Si podemos proporcionar un control exacto de nuestro suministro de combustible/agua, entonces tenemos la caldera casera ideal. Los combustibles de tipo gas y líquido son el tipo de combustible ideal para los monotubos porque son fáciles de regular. Y sí, existen diseños homologados para monotubos, y un profesional puede construirlos de forma bastante económica.

Hechos de la combustión

Una cantidad determinada de combustible necesita una cantidad determinada de aire para arder, ni más ni menos. También necesita la cantidad adecuada de espacio para arder. Si no hay suficiente aire, se obtiene una combustión incompleta. Demasiado aire y estarás calentando aire.

Además, si hacemos que el aire se encuentre con el combustible demasiado rápido, obtendremos una llama demasiado caliente. Eso es malo porque a temperaturas superiores a 1800 grados, el nitrógeno del aire y algunas otras sustancias químicas comienzan a oxidarse. No sólo es venenoso, sino que es un desperdicio de energía.

El espacio de combustión es importante porque si es demasiado pequeño, apagamos la llama. Sostén una vela encendida de manera que la llama toque un cubito de hielo y si te fijas bien, hay una capa invisible de gas que aísla la llama de la superficie. Esa capa son gases no quemados, como el monóxido de carbono, y se debe a que la temperatura de la superficie estaba por debajo de la temperatura de ignición de los gases quemables. La regla es: La llama no debe tocar el metal.

Además, demasiado espacio y podemos perder los coeficientes de radiación. En general, una caldera obtiene el 60-70% de la transferencia de energía de la energía radiante, en lugar de los gases calientes.

Tractor de vapor a media escala

La idea aquí es unir suavemente el aire y el combustible y darle mucho espacio o tiempo para hacer lo suyo. Hay fórmulas establecidas para todos estos factores, y su constructor de calderas sabrá qué hacer una vez que le diga cuáles son sus necesidades.

Torque enorme

Ahora que tenemos nuestro vapor, vamos a usarlo. Extraemos el trabajo del vapor permitiendo que se expanda en un entorno controlado, como con un pistón en un cilindro o una tobera en una turbina.

Las turbinas son bonitas, y yo mismo tengo una, pero en tamaños a escala doméstica, son muy ineficientes. Es sólo una cuestión de física y de costes. Sé que hay un montón de gente por ahí que discutirá este punto, pero si pueden llegar a una turbina eficiente a escala doméstica y venderla a un costo razonable, la compraré.

Así que, estamos atascados con el motor de pistón (alternativo). Anímate. Funcionan, duran, y han existido durante mucho tiempo. Los motores de vapor son silenciosos, pesados, duraderos y, si son modernos, fáciles de mantener (nuestros modelos más grandes utilizan rodamientos de bolas sellados).

Puedes encontrar muchos motores usados en viejos astilleros, refinerías, antiguas fábricas, minas y ferrocarriles. O puede comprar una nueva.

Considere las máquinas de vapor como un cilindro hidráulico de acción rápida con una válvula automática. El ariete está conectado a una manivela que gira y da trabajo útil. Es importante tener en cuenta que la mayoría de las máquinas de vapor están diseñadas para tomar el vapor en ambos lados del pistón, lo que hace que sea un motor de «un solo golpe». Esto también hace que las máquinas de pistón produzcan un enorme par motor a casi todas las revoluciones. Puedes calcular este par tomando las pulgadas cuadradas del pistón, multiplicándolo por la presión media del cilindro, y multiplicando esa cifra por la longitud de la carrera medida en pies dividida por 2. Un ejemplo sería: Un motor de un solo cilindro tiene un diámetro de 3 pulgadas y una carrera de 4 pulgadas y funciona a 100 libras de presión media del cilindro o «media». Un pistón de tres pulgadas tiene aproximadamente 7 pulgadas cuadradas (3 x 3 x 0,7854) y una carrera de 0,33 pies. (4/12). 7 x .33 = 2.31. Si se multiplica por 100 libras de presión x 2,31 = 231 y se divide por 2, se obtienen 115,5 pies-libra de par. En realidad, sin embargo, hay fricción y pérdidas de eficiencia.

Las eficiencias se miden por la cantidad de vapor / agua que un motor consume para hacer una cantidad determinada de trabajo. Esto se suele medir en libras de vapor/agua por caballo hora. En inglés, esto significa que por cada caballo de fuerza producido durante una hora, una cierta cantidad de vapor/agua pasará por el motor.

Nuestra unidad de taller ha estado en uso durante los últimos 18 años produciendo 4000 vatios por hora. Consume alrededor de 250 libras de agua (que se ha convertido en vapor) en una hora. 750 vatios se consideran un caballo de potencia, y si se tienen en cuenta las pérdidas de eficiencia, el resultado es de unas 47 libras por caballo de potencia por hora (250 libras divididas por aproximadamente 5,3 caballos de potencia). Dicho de otra manera, por cada caballo de fuerza que el motor produjo, evaporamos 47 libras de agua a vapor y la pasamos por el motor.

Hay motores que son mucho más eficientes, pero cuestan mucho más de lo que usted quiere pagar. La eficiencia está bien, pero si el combustible es gratis, ¿por qué debería importarte? Porque cuanta menos madera quemes, menos tendrás que cortar. Yo he usado hasta una cuerda de leña en 10 días, y para mí eso es demasiado trabajo.

Todo eso nos lleva a la pregunta de ¿por qué el vapor frente a otras formas de energía independiente? Porque, si usted tiene un uso para grandes cantidades de calor, el escape del motor le dará precisamente eso.

Los motores de vapor y las calderas suelen ser más eficientes en los ajustes completos, todas las válvulas abiertas, fuego completo, etc… así que eso nos lleva al siguiente tema:

AC vs. DC

En un entorno doméstico, la electricidad es la forma más común de energía. Por lo tanto, una máquina de vapor/generador resulta ser la aplicación más práctica.

Los generadores son de corriente alterna o de corriente continua y ambos tienen sus aplicaciones. En la tienda de Tiny Power, nuestro Winco de 4kw es A.C. Desafortunadamente, A.C. requiere controles de velocidad precisos en la forma de un gobernador delicado y un volante de inercia pesado. Yo sugeriría que la mayoría de la gente debería usar C.D. en su lugar. La corriente continua es más fácil de producir, controlar y, lo que es más importante, se puede almacenar. Al producir electricidad de corriente continua y almacenarla, el sistema de vapor puede funcionar al máximo de su capacidad durante un corto periodo de tiempo (lo más eficiente) en lugar de estar inactivo todo el día (ineficiente). Es práctico porque se puede producir la electricidad pronto, y luego seguir con sus actividades.

Este barco de vapor, con su típica central eléctrica,
fue utilizado en la película Maverick

Dirigí una central eléctrica de vapor de 1kw D.C. como atracción turística aquí en Branson, Missouri, durante un tiempo y me enamoré de la corriente continua de alto voltaje. El único inconveniente es que la corriente continua es dura para los contactos e interruptores. Tienes que comprar esos caros interruptores y disyuntores que están clasificados para C.D.

Vapor para la energía doméstica

Tiny Power tiene 13 modelos diferentes de motores más accesorios, y atendemos principalmente a los aficionados como maquinistas retirados y a los navegantes de vapor en todo el mundo. Sin embargo, nuestro corazón sigue anhelando la autosuficiencia.

Yo mismo estoy en proceso de iniciar otra empresa dedicada al vapor como energía doméstica. No lo sacaré al mercado hasta que el sistema sea infalible, eficiente y asequible.

El siguiente diseño mostrará un concepto práctico de un sistema generador de vapor a escala doméstica. No es un plano real y no asumo ninguna responsabilidad por cualquiera que lo utilice como tal. Para aquellos que piensen que van a usar su estufa de leña para hacer vapor, por favor, hagan lo siguiente: pónganme en su testamento, envíen a los niños a vivir con la abuela, avisen a los vecinos y paguen su propiedad frente al mar en Arizona.

Comencemos con las necesidades. Nuestra casa necesitará 2400 vatios/horas de electricidad al día. Como sólo obtenemos el 75% de una batería de lo que ponemos en ella, necesitamos poner 3200 vatios/hora (2400 / .75 = 3200). Aunque 750 vatios = 1 caballo de potencia, hay ineficiencias en los generadores, las correas, etc. Una cifra segura es una pérdida del 30%, así que 3200 vatios sobre el 70% de eficiencia = 4266 vatios (3200 / .70 = 4571). Redondeemos a 4600. Nuestro requisito de caballos de fuerza entonces es 4600 vatios / hora dividido por 750, que es 6,1 caballos de fuerza (4600 / 750 = 6,1).

Usando 47 libras de vapor por caballo de fuerza hora para ser consumido por nuestro motor, tomamos el 6.1 y lo multiplicamos por 47 y obtenemos 286,7 o básicamente 287 libras de vapor/agua se requiere.

Diremos que 1200 Btu’s por libra de agua/vapor se requerirá para convertir el agua en vapor a nuestra presión de trabajo de 120 psi. Por lo tanto, se necesitan 287 libras de vapor/agua x 1200 Btu’s = 344.400 Btu’s (287 x 1200).

Nuestra caldera tiene una eficiencia del 70%, por lo que 344.400 Btu’s divididos por el 70% nos da la cifra de 492.000 Btu’s realmente necesarios (344.400 / .70 = 492.000).

Nuestra madera contiene un valor calorífico de 7.000 Btu’s por libra, por lo que necesitamos 70,3 libras de madera (492.000 / 7.000 = 70,3). Distribuyamos la carga en dos horas, y podemos ver que quemaremos 35,2 libras de madera por hora (70,3 / 2 = 35,2), es decir, unas 35 libras. Para ponerlo en perspectiva, eso es una gran carga de leña.

Recuerde, estas son cifras del «mundo real» y son dramáticamente diferentes de lo que algunas manos rosas llamadas «educadas» vendrán con.

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Si sigue la ilustración de la Figura 2, fíjese en la dirección del flujo de combustible y agua. Este es un diseño monotubo y utilizará bombas y sopladores eléctricos, dando un fácil control.

Quemará el gas de madera de los «digestores» que calientan la madera hasta la temperatura de ignición pero la privan de oxígeno. Este gas no quemado se mezcla entonces con aire calentado y se quema en la base de la caldera. Los gases de combustión pasan por encima de los tubos de agua y luego por el calentador de aire y salen por la chimenea de escape.

El agua entrará en el serpentín exterior, recogerá el calor, pasará al intercambiador de calor (desupercalentador) y al separador. El vapor saldrá por la parte superior del separador y entrará en el serpentín interior que actúa como recalentador. El vapor excesivamente caliente pasará por el desrecalentador, liberando algunos Btu en el agua entrante. El vapor ahora «templado» se dirigirá hacia el motor, donde hará su trabajo. El escape del motor se dirigirá a un serpentín que está dentro del tanque grande y liberará su calor restante en el agua. Una vez hecho esto, nuestro vapor se habrá condensado en el agua y es forzado a través de una bomba de vacío que sale al «pozo caliente». Desde este punto, se bombea de nuevo a la caldera a través de una bomba de alimentación de alta presión para empezar de nuevo.

Informarse

No puedo dejar de insistir en la importancia de informarse antes de trastear. Los grandes aserraderos suelen tener una planta de energía, y los ingenieros son gente simpática que siempre quiere mostrar su «bebé». Recorre viejos barcos o refinerías, y no tengas miedo de hacer preguntas. Obtendrá más de alguien si hace preguntas que si trata de decirle lo que sabe.

La educación definitiva es asistir a una exposición de un club de vapor. Hay literalmente miles cada año. Lo más probable es que esté a menos de una hora en coche de uno. Asegúrese de llevar a los niños. Las exposiciones son definitivamente un asunto familiar. Cualquier tienda de pasatiempos debería poder decirle dónde hay una en la zona.

También, consulte las diversas publicaciones disponibles. Hay varias revistas sobre máquinas de vapor. Todas tienen una amplia sección de anuncios clasificados. Recomendamos encarecidamente una que se llama The Steam Show Directory, con una lista de más de 500 exposiciones de vapor en este país y Canadá.

Bienvenido a la fraternidad.

Para más información

Vive el vapor
P.O. Box 629
Traverse City, MI 49685
(Máquinas de vapor de todo tipo, también en la web)

Model Engineer
4314 W. 238th St.
Torrance, CA 90505
(Primera revista de modelismo, también cubre las máquinas de vapor de juguete)

Modeltec
P.O. Box 1226
St. Cloud, MN 56302
(Todo tipo de modelos de trabajo: máquinas de vapor, de gas, de aire caliente, etc.)

Steamboating
Rt. 1, Box 262
Middlebourne, WV 26149
(Para el conocedor de los barcos de vapor, todos los tamaños, ¡una gran lectura!)

Iron Men Album
P.O. Box 328
Lancaster, PA 17608
(Antiguos tractores de vapor y máquinas estacionarias, grandes clasificados)

Engineers &Motores
1118 N. Raynor Ave.
Joliet, IL 60435
(Cargado de motores y maquinaria antigua, grandes clasificados)

Steam &Gas Show Directory
P.O. Box 328
Lancaster, PA 17603
(Lista de todos los shows en Canadá y EE.UU. Esto es un ‘debe tener’)