Máquina de vaporeditar
Ver también: Eficiencia de la máquina de vapor # Ver también: Cronología de la potencia de vapor
Motor de pistóneditar
Las máquinas de vapor y turbinas funcionan en el ciclo Rankine, que tiene una eficiencia máxima de Carnot del 63% para motores prácticos, con plantas de energía de turbina de vapor capaces de lograr eficiencia en el rango medio del 40%.
La eficiencia de las máquinas de vapor está relacionada principalmente con la temperatura y presión del vapor y el número de etapas o expansiones. La eficiencia de la máquina de vapor mejoró a medida que se descubrieron los principios operativos, lo que llevó al desarrollo de la ciencia de la termodinámica. Ver gráfico: Eficiencia de la máquina de vapor
En las primeras máquinas de vapor, la caldera se consideraba parte del motor. Hoy en día se consideran separados, por lo que es necesario saber si la eficiencia declarada es general, que incluye la caldera, o solo del motor.
Las comparaciones de eficiencia y potencia de las primeras máquinas de vapor son difíciles por varias razones: 1) no había un peso estándar para un bushel de carbón, que podía ser de 82 a 96 libras (37 a 44 kg). 2) No había un valor de calentamiento estándar para el carbón, y probablemente no había forma de medir el valor de calentamiento. Los carbones tenían un valor calorífico mucho más alto que los carbones de vapor actuales, con 13.500 BTU/libra (31 megajulios/kg) a veces mencionados. 3) La eficiencia se reportó como» deber», lo que significa cuántas libras de pie (o newton-metros) de agua de elevación de trabajo se produjeron, pero no se conoce la eficiencia de bombeo mecánico.
La primera máquina de vapor de pistón, desarrollada por Thomas Newcomen alrededor de 1710, fue ligeramente más de la mitad por ciento (0,5%) de eficiencia. Operaba con vapor a presión atmosférica cercana a la presión atmosférica que la carga introducía en el cilindro, luego condensado por un chorro de agua fría en el cilindro lleno de vapor, causando un vacío parcial en el cilindro y la presión de la atmósfera para impulsar el pistón hacia abajo. El uso del cilindro como recipiente en el que condensar el vapor también enfrió el cilindro, de modo que parte del calor en el vapor entrante en el siguiente ciclo se perdió al calentar el cilindro, reduciendo la eficiencia térmica. Las mejoras realizadas por John Smeaton en el motor Newcomen aumentaron la eficiencia a más del 1%.
James Watt hizo varias mejoras en el motor Newcomen, la más significativa de las cuales fue el condensador externo, que impidió que el agua de refrigeración enfriara el cilindro. El motor de Watt funcionaba con vapor a una presión ligeramente superior a la atmosférica. Las mejoras de Watt aumentaron la eficiencia en un factor de más de 2,5.La falta de habilidad mecánica general, incluyendo mecánicos expertos, máquinas herramientas y métodos de fabricación, limitó la eficiencia de los motores reales y su diseño hasta aproximadamente 1840.
Los motores de alta presión fueron desarrollados por Oliver Evans e independientemente por Richard Trevithick. Estos motores no eran muy eficientes, pero tenían una alta relación potencia-peso, lo que les permitía ser utilizados para alimentar locomotoras y barcos.
El regulador centrífugo, que primero había sido utilizado por Watt para mantener la velocidad constante, funcionaba estrangulando el vapor de entrada, lo que reducía la presión, lo que resultaba en una pérdida de eficiencia en los motores de alta presión (por encima de la atmosférica). Los métodos de control posteriores redujeron o eliminaron esta pérdida de presión.
El mecanismo de válvulas mejorado de la máquina de vapor Corliss (Patentado. 1849) fue capaz de ajustar mejor la velocidad con carga variable y aumentó la eficiencia en aproximadamente un 30%. El motor Corliss tenía válvulas y cabezales separados para el vapor de entrada y escape, por lo que el vapor de alimentación caliente nunca entró en contacto con los puertos de escape y válvulas más fríos. Las válvulas eran de acción rápida, lo que reducía la cantidad de estrangulamiento del vapor y daba como resultado una respuesta más rápida. En lugar de operar una válvula de estrangulamiento, el regulador se usó para ajustar la sincronización de la válvula para dar un corte de vapor variable. El corte variable fue responsable de una gran parte del aumento de la eficiencia del motor Corliss.
Otros antes de Corliss tenían al menos parte de esta idea, incluido Zachariah Allen, que patentó el corte variable, pero la falta de demanda, el aumento de costos y complejidad y la tecnología de mecanizado mal desarrollada retrasaron la introducción hasta Corliss.
El motor de alta velocidad Porter-Allen (ca. 1862) operaba de tres a cinco veces la velocidad de otros motores de tamaño similar. La mayor velocidad minimizó la cantidad de condensación en el cilindro, lo que resultó en una mayor eficiencia.
Los motores compuestos mejoraron aún más la eficiencia. En la década de 1870, los motores de triple expansión se utilizaban en los barcos. Los motores compuestos permitían que los barcos transportaran menos carbón que la carga. Se utilizaron motores compuestos en algunas locomotoras, pero no se adoptaron ampliamente debido a su complejidad mecánica.
Una locomotora de vapor muy bien diseñada y construida que se utiliza para obtener alrededor del 7-8% de eficiencia en su apogeo. El diseño de motor de vapor alternativo más eficiente (por etapa) era el motor uniflow, pero para cuando parecía que el vapor estaba siendo desplazado por motores diesel, que eran aún más eficientes y tenían la ventaja de requerir menos mano de obra para el manejo de carbón y aceite, al ser un combustible más denso, desplazaba menos carga.
Utilizando estadísticas recopiladas a principios de la década de 1940, el Ferrocarril de Santa Fe midió la eficiencia de su flota de locomotoras de vapor en comparación con las unidades FT que estaban poniendo en servicio en números significativos. Determinaron que el costo de una tonelada de combustible usado en las máquinas de vapor era de 5 5.04 y produjo un promedio de 20.37 millas de ancho del sistema. El combustible diesel costó 1 11.61, pero produjo 133.13 millas de tren por tonelada. En efecto, los diésel funcionaban seis veces más lejos que los vapores que utilizaban combustible que costaba solo el doble. Esto se debió a la eficiencia térmica mucho mejor de los motores diesel en comparación con el vapor. Los trenes utilizados como estándar de kilometraje eran de carga de 4,000 toneladas, que era el tanaje normal l (sic) en ese momento.
— Jim Valle, » How efficient is a steam engine?»
Turbinedit de vapor
La turbina de vapor es la máquina de vapor más eficiente y por esta razón se utiliza universalmente para la generación eléctrica. La expansión de vapor en una turbina es casi continua, lo que hace que una turbina sea comparable a un gran número de etapas de expansión. Las centrales de vapor que operan en el punto crítico tienen eficiencias en el rango bajo del 40%. Las turbinas producen un movimiento rotativo directo y son mucho más compactas, pesan mucho menos que los motores alternativos y se pueden controlar a una velocidad muy constante. Como es el caso de la turbina de gas, la turbina de vapor funciona de la manera más eficiente a plena potencia y de manera deficiente a velocidades más lentas. Por esta razón, a pesar de su alta relación potencia / peso, las turbinas de vapor se han utilizado principalmente en aplicaciones en las que se pueden operar a una velocidad constante. En la generación eléctrica de CA es necesario mantener una velocidad de turbina extremadamente constante para mantener la frecuencia correcta.
Motores Stirlingeditar
El motor de ciclo Stirling tiene la mayor eficiencia teórica de cualquier motor térmico, pero tiene una baja relación potencia / peso de salida, por lo tanto, los motores Stirling de tamaño práctico tienden a ser grandes. El efecto de tamaño del motor Stirling se debe a su dependencia de la expansión de un gas con un aumento de temperatura y límites prácticos en la temperatura de trabajo de los componentes del motor. Para un gas ideal, aumentar su temperatura absoluta para un volumen dado, solo aumenta su presión proporcionalmente, por lo tanto, cuando la baja presión del motor Stirling es atmosférica, su diferencia de presión práctica está limitada por límites de temperatura y normalmente no es más de un par de atmósferas, lo que hace que las presiones del pistón del motor Stirling sean muy bajas, por lo que se requieren áreas de pistón relativamente grandes para obtener una potencia de salida útil.