El steampunk es uno de los géneros literarios de la ciencia ficción que más me ha cautivado en los últimos años. Por una casualidad casi fortuita, descubrí el maravilloso libro Las puertas de Anubis de Tim Powers y a partir de allí me interesé por una rama que hasta entonces me era completamente ajena.
Tecnología impulsada por vapor, transporte ferroviario de proporciones ciclópeas, dirigibles que viajan a través de cielos grises y un entorno victoriano prácticamente eterno. El contexto no deja de ser original, alejado de ciertos tópicos más enfocados hacia la exploración espacial o a incursiones en las ciencias informáticas.
Todo impulsado por vapor.
Juegos de rol como Steam States, Arcana o Reinos de Hierro están basados en este género literario. Más allá de la ficción, ¿sería posible este tipo de tecnología? ¿Existe en nuestro mundo real algún diseño que pudiese ser aplicable?
Gente muy amable.
Es necesario precisar en primer lugar que para conseguir el
funcionamiento de un Zeppelin o de una ciudad móvil como la descrita en la
novela Mortal engines de Philip Reeves, se necesita de una potencia con
un orden de magnitud imposible de conseguir con motorización por vapor. No
obstante, también es justo aclarar que esa tecnología existe, siendo sus
estadios preliminares en el siglo 18 con la primera máquina de vapor diseñada por
James Watt, punto de inicio de un destello de ingeniería en constante
evolución.
Compresores: ¿Un medio viable?
Los compresores son máquinas que tienen por finalidad aportar una energía a los fluidos compresibles (gases y vapores) sobre los que operan, para hacerlos fluir aumentando al mismo tiempo su presión. En esta última característica precisamente, se distinguen de las soplantes y ventiladores que manejan grandes cantidades de fluidos compresibles (aire por ejemplo) sin modificar sensiblemente su presión, con funciones similares a las bombas de fluidos incompresibles.
Un compresor admite gas o vapor a una presión dada (llamémosla P1), descargándolo a una presión superior (conocida como P2). La energía necesaria para efectuar este trabajo la proporciona un motor eléctrico o una turbina de vapor.
El ciclo teórico de trabajo de un compresor ideal se entiende fácilmente mediante el estudio de un compresor monofásico de pistón funcionando sin pérdidas y que el gas comprimido sea perfecto. Con ésto se da por hecho que el pistón se mueve ajustado herméticamente al cilindro, e incluso se considera que el paso del aire hacia y desde el cilindro tiene lugar sin resistencias en válvulas y conductos, es decir, sin cambio de presión.
Diagrama de funcionamiento de un compresor alternativo. Hermoso.
Sigamos con algunas definiciones adicionales. El volumen de desplazamiento de un compresor es el volumen barrido en la unidad de tiempo por la cara o caras del pistón de la primera etapa; en el caso de doble efecto, hay que tener en cuenta el vástago del pistón. El volumen desplazado por un compresor es el volumen de la cilindrada de la máquina multiplicado por el número de revoluciones de la misma.
En el caso de ser un compresor de más de una etapa, el volumen desplazado viene indicado por la primera etapa. El espacio muerto corresponde al volumen residual entre el pistón y el fondo del cilindro y las lumbreras de las válvulas, cuando el pistón está en su punto muerto, estimándose entre un 3 % y 10 % de la carrera, de acuerdo con el modelo de compresor.
Volumen barrido por un compresor alternativo.
El espacio muerto provoca un retraso en la aspiración debido a que el aire almacenado en el volumen residual a la presión P2 debe expansionarse hasta la presión P1 antes de permitir la entrada de aire en el cilindro. Sin embargo, su efecto es doble en razón a que si por un lado disminuye el volumen de aspiración, por otro ahorra energía, ya que la expansión produce un efecto motor sobre el pistón; se puede considerar que ambos efectos se compensan bajo el punto de vista energético.
Potencia: El quid de la cuestión.
A la vista de lo anterior, se establece una formulación para el cálculo de la potencia que necesitaría un compresor alternativo instalado en una máquina, toneladas de acero y bronce propulsadas por la energía derivada de la compresión de un gas.
En un compresor alternativo ideal, el volumen barrido por el pistón en su carrera completa, VD, en m3/h, de vapor proveniente de la línea de aspiración es succionado hacia el cilindro, comprimido a continuación y expulsado al final. La potencia ideal, N, de este ciclo se puede caracterizar matemáticamente de acuerdo con la siguiente fórmula:
N = VD * ρ * (i2 – i1) [kcal/h]
Siendo ρ la densidad del gas e i1 - i2 la energía asociada a las presiones P1 y P2 respectivamente.
Diagrama presión
– volumen de un compresor alternativo.
Basándonos en lo anteriormente descrito, ¿sería posible construir un entramado de compresores o un compresor enorme capaz de motorizar un vehículo victoriano? La primera limitación que tenemos es bastante clara. El compresor alternativo debería disponer de una cámara de compresión enorme, lo cual implica un volumen desplazado importante, por no decir elevado. Esto se traduce directamente en una potencia, posible desde el punto de vista analítico, pero muy difícil o imposible de implementar en una situación real.
Otro problema de disponer de un compresor para estas potencias grandes reside en el retraso en la apertura de la válvula de admisión. Hasta que la presión dentro del cilindro para vencer la tensión del resorte de la válvula de admisión sea superior a la presión atmosférica ésta no se abrirá; por lo tanto, el vapor al entrar en el cilindro sufrirá una expansión, conocida como laminación, a su paso por el orificio de la válvula de admisión. Esto quiere decir que mientras dura la aspiración, la presión del vapor dentro del cilindro es menor que la reinante en la línea de aspiración. En un compresor con una cámara, y por tanto un volumen elevado, esta aspiración puede transcurrir durante un tiempo de forma tal que el rendimiento del ciclo se vea disminuido.
En conclusión, ¿es la tecnología Steam Punk viable? No, tal y como lo relatan en muchas de las novelas. Mejor dejémosla en la maravilla de la ficción.
Por ahora es suficiente. En una próxima entrega continuaremos analizando este maravilloso mundo.
Referencias.
[1] Bloch, H. Reciprocating compressors. 1996.
[2] Gresh, M. Rendimiento de compresores. 2001.
[3] Fernández, P. Tecnología energética. 2004.
