domingo, 5 de septiembre de 2021

Bajo el dominio del vapor (y II)

Buenas tardes a mis visitantes invisibles.

En una anterior publicación, me atrevía a analizar la viabilidad práctica de las tecnologías basadas en vapor propuestas en las obras de ficción clasificadas dentro del género Steam Punk. Después de animaros a su lectura, en la presente entrada de esta bitácora hundida en el fondo del océano digital, intentaré desarrollar alguna otra posibilidad de movilidad basada en vapor u otro gas.

Al final de cuentas, la imaginación es el único límite posible.

Grandes estructuras y maquinarias propulsadas por vapor.

Turbocompresores ¿mejor que los compresores?

Los turbocompresores son máquinas térmicas que comprimen gases con relaciones de compresión mayores, y por ello tienen incorporada refrigeración, a no ser que su uso aconseje lo contrario, como sucede en los turbocompresores de las turbinas de gas. En una aplicación Steam Punk es posible que requieran de mucha refrigeración, aunque eso está fuera del alcance de esta publicación.

Pueden ser radiales o centrífugos, diagonales (semiaxiales o de flujo mixto) y axiales, siendo los primeros y los últimos los más importantes y comúnmente más empleados.

De izquierda a derecha, sección transversal de un turbocompresor radial, diagonal y axial.

Uno de los factores que más han influido en la investigación de la mejora de rendimientos en los turbocompresores ha sido el desarrollo espectacular de la turbina de gas en los últimos años, ya que el turbocompresor forma parte integral de dicha máquina; la potencia neta de una turbina de gas es igual a la potencia útil desarrollada por la turbina, menos la potencia absorbida por el turbocompresor, por lo que la mejora del rendimiento del turbocompresor es de gran influencia en el desarrollo de la turbina de gas.

En las turbinas de gas de aviación o turborreactores, el turbocompresor axial en comparación con el turbocompresor centrífugo ofrece la ventaja de mayor potencia para una misma sección transversal, por lo que el avión dotado de turborreactor con turbocompresor axial tiene un coeficiente de arrastre menor, en igualdad de potencia, que el dotado de turbocompresor centrífugo.

 

Ejemplo de una turbina de gas con turbocompresor (aunque en el vídeo le llaman simplemente compresor).

Los primeros turbocompresores axiales se construyeron en el año 1900 por Sir Charles Parsons; tenían una baja relación de compresión, así como rendimientos muy modestos, del orden del 55 %, por lo que se abandonaron en favor de los turbocompresores centrífugos de varios escalonamientos por su más alto rendimiento, del 70 % al 80 %. Hasta el año 1926 no se emprendieron más desarrollos de turbocompresores axiales, en que A. A. Griffith establece los principios básicos de su teoría del perfil aerodinámico, para el diseño de los álabes de los turbocompresores y turbinas. Los turbocompresores actuales sobrepasan rendimientos del 90%, con relaciones de compresión mayores de 30.

La compresión de gases, y muy especialmente la del aire, es un proceso industrial muy frecuente; si los caudales de aire o de gas son relativamente elevados, y las presiones no son excesivas, el turbocompresor aventaja a los compresores alternativos y rotativos de desplazamiento positivo.

Por todo lo anterior, en principio parecen adecuados para las exigencias que se requiere en toda ficción Steam Punk.

Pero la realidad es otra.

Los turbocompresores son mucho más sensibles a las variaciones de la carga, debido a que su rendimiento disminuye más rápidamente al variar las condiciones de funcionamiento con relación al punto de diseño. Como se observa en la figura siguiente, la curva de rendimiento en función del gasto másico del turbocompresor radial es más plana (horizontal) que la del turbocompresor axial. Sin embargo, las variaciones de rendimiento son muy elevadas.

Curvas de rendimiento para turbocompresores axiales y radiales.

Imaginaos por un momento una persecución a toda la velocidad que permita un coche impulsado por vapor a través de unas calles neogóticas y plagadas de obstáculos, muros y personas. Los cambios de aceleración, frenada y velocidad constante, mayormente bruscos, harían que los turbocompresores cambien de forma continua su régimen de trabajo y, por tanto, estuviesen la mayor parte del tiempo fuera de su zona operacional de máximo rendimiento.

El diseño tan poco aerodinámico tampoco ayuda.

 Los turbocompresores se calculan para funcionar en unas condiciones óptimas de servicio bien determinadas (rendimiento máximo) es decir, para un gasto, una relación de compresión y un número de revoluciones prefijados, así como para un determinado estado del gas en la admisión caracterizado por su punto nominal o de diseño.

En consecuencia, el uso de turbocompresores en una aplicación Steam Punk tampoco sería viable. Operarían casi en su totalidad fuera de su régimen óptimo de trabajo, seguirían siendo tecnologías de gran envergadura a consecuencia del tamaño de las máquinas de vapor (tal y como se discutió en la pasada publicación), y además serían objeto de una vida útil muy escasa, a consecuencia de los cambios de presión y temperatura constantes.

No he mencionado también su necesidad de refrigeración. Los sistemas asociados serían también muy grandes, aunque quizás eso lo deje para otro día.

Comentarios finales.

Poco puedo agregar a lo ya mencionado a lo largo de esta corta serie de publicaciones. Es mejor mantener al género literario Steam Punk en el género de la ciencia ficción.

Saludos cordiales.

Referencias.

[1] Bloch, H. Reciprocating compressors. 1996.

[2] Fernández, P. Tecnología energética. 2004.