Rendimiento térmico de la máquina de vapor
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Hemos recorrido un largo camino desde entonces, gracias a más de 300 años de investigación para aumentar la potencia y mejorar la eficiencia, nada de lo cual habría sido posible sin el descubrimiento de una de las leyes fundamentales de la naturaleza, la entropía.
Para entender por qué la entropía es tan importante, primero tenemos que ver cómo ha evolucionado nuestra comprensión de la energía. A principios del siglo XVII, a pesar de la invención de las máquinas de vapor, nuestra comprensión de la energía que las impulsaba era muy limitada, lo que daba lugar a máquinas ineficaces y poco potentes.
En los años siguientes, los ingenieros y científicos intentaron construir motores más potentes y más baratos. Descubrieron que siempre se pierde al menos una parte de la energía de la combustión.
Al quemar una masa de combustible, la energía se libera en forma de calor y luz, así como de sonido y vibración. En una máquina de vapor, el calor se utilizaba para hervir el agua y convertirla en vapor, impulsando un pistón o una turbina con el cambio de presión resultante. Estos múltiples intercambios de energía sólo sirven para reducir aún más la eficiencia, ya que casi toda la energía se escapa.
¿Qué eficacia tiene una máquina de tren de vapor?
La eficiencia de la locomotora de vapor se ha cifrado en un 11% y la de la locomotora eléctrica en un 20%. Ninguno de los dos valores se puede comparar con el 28% estimado para las locomotoras diésel, siendo los ratios de 1,82 para la eléctrica/vapor, 1,4 para la diésel/eléctrica y 2,55 para la tracción diésel/vapor.
¿Es más eficiente una máquina de vapor?
Al reutilizar celosamente todo el calor posible, las máquinas de vapor pueden convertir hasta el 46% de la energía entrante en par motor. Por el contrario, la mayoría de los motores de combustión interna que funcionan con gas sólo tienen un 25% de eficiencia.
Eficiencia de la máquina de vapor compuesta
Desde que existe el motor de combustión interna, los manitas de los garajes han intentado en vano superarlo. Pero el ingeniero naval de Florida Harry Schoell, inventor de toda la vida con una cartera de patentes, cree que tiene la respuesta, en forma de un motor de vapor reinventado.
“La combustión interna es sucia y complicada”, dice Schoell. Las máquinas de vapor, en cambio, son más sencillas y eficientes y pueden utilizar diversos combustibles. A diferencia de un motor de combustión interna normal, que hace estallar una mezcla de combustible y aire cientos de veces por segundo dentro de sus cilindros para impulsar los pistones, las máquinas de vapor queman el combustible de forma continua en una cámara diferente. Y como esta combustión está separada de las piezas móviles del motor, cualquier combustible que haga que el vapor se caliente lo suficiente para impulsar los pistones del motor servirá.
Pero las máquinas de vapor lo suficientemente pequeñas como para caber en un coche no suelen producir suficiente energía para impulsarlo. El diseño de Schoell, llamado Cyclone Green Revolution Engine, obtiene más energía del vapor calentándolo tanto que se vuelve “supercrítico”, una fase en la que se comporta más como un líquido y se expande mucho más que el vapor gaseoso.
Eficiencia de las máquinas de vapor frente a las de combustión interna
La discusión entre el vapor y el diésel parece haberse resuelto hace unos 50 años en los ferrocarriles estadounidenses de clase I. Pero, ¿ha cambiado algo en el lado del vapor que pueda alterar el resultado, incluso con los avances en la tecnología diesel durante el mismo período de tiempo? Esta es la cuestión que se va a sopesar aquí. El coste comparativo del carbón y del gasóleo muestra que una locomotora alimentada con carbón tendría unos costes de combustible más bajos que una locomotora alimentada con gasóleo. En 2008, el último año completo del que se dispone de información, el carbón de la cuenca del río Powder (PRB) era 15 veces más barato que el gasóleo por unidad de energía (un dólar de carbón PRB proporciona 816.327 BTU y un dólar de gasóleo proporciona entre 49.322 y 53.729 BTU). El coste del carbón PRB es el precio medio del mercado al contado, procedente del Departamento de Energía de EE.UU., al que se añade el coste medio del transporte por ferrocarril. El coste del gasóleo es el coste del combustible de los ferrocarriles de clase I en 2008, según el US Surface Transportation Board. A la luz de este hecho, la discusión sobre el vapor frente al gasóleo no debería terminar.
El motor de coche más eficiente
La eficiencia de la locomotora de vapor se ha cifrado en un 11% y la de la locomotora eléctrica en un 20%. Ninguno de los dos valores se puede comparar con el 28% estimado para las locomotoras diésel, ya que las proporciones son de 1,82 para las eléctricas/vapor, 1,4 para las diésel/eléctricas y 2,55 para las de vapor. En cuanto al consumo de combustible, las locomotoras diesel no son mucho mejores que las eléctricas. Por ejemplo, al arrastrar un tren de 350 toneladas a 70 mph en el nivel, la locomotora eléctrica debe desarrollar unos 900 CV en las ruedas, frente a los 1.100 CV que necesita la locomotora diésel-eléctrica más pesada, por lo que los ratios de eficiencia serán sólo de 1,145 mientras que la paridad se alcanzará a 70 mph con una carga de arrastre de unas 175 t. también en el nivel.