Máquinas de vapor - ¿Qué son estas cosas?

En los primeros días del automóvil, los automóviles a vapor eran más comunes que cualquier otra cosa.

Desventajas de la energía de vapor para uso automotriz, en comparación con el motor de combustión interna:

• Ineficacia. En un motor de combustión interna, la energía química se convierte directamente en energía mecánica en forma de productos de combustión de gas en expansión. Por el contrario, en una máquina de vapor, existe el paso adicional de transferir energía térmica de la combustión al agua sobrecalentada, y luego la expansión del agua sobrecalentada a vapor para producir energía mecánica. Normalmente, cualquier conversión de energía de una forma a otra incurrirá en pérdidas de energía.
• Peso. La combustión externa y la transferencia de energía adicional al agua/vapor requiere hardware adicional. Todo esto agrega un peso significativo para producir la misma cantidad de energía.
• Comienzo lento. Incluso con una caldera flash, será necesario esperar un tiempo para que el agua se caliente hasta el punto en que pueda producir energía mecánica útil. En los primeros días de los motores de combustión interna, esto no era un gran diferenciador debido a la inconveniencia/peligro asociado con el arranque manual. Sin embargo, desde entonces los motores de arranque han hecho de esto una gran victoria para el motor de combustión interna.
• Suministro de agua. Se deben transportar grandes cantidades de agua o debe haber un equipo condensador a bordo para reutilizar el agua. De cualquier manera, esto también se suma a un peso adicional significativo.

A pesar de estas desventajas, es totalmente posible que los automóviles funcionen con vapor. Simplemente es más económico y conveniente usar un motor de combustión interna.

En realidad, verá, el motor de combustión interna reemplazó al motor de vapor para propulsar vehículos de todo tipo. Originalmente se usó en locomotoras en el siglo XIX para conectar la costa este de los EE. UU. con la costa oeste. También impulsaron botes de ruedas de paletas por el Mississippi y permitieron cruces motorizados del Océano Atlántico. Pero basta de la lección de historia.

Hay algunas desventajas inherentes al uso de vapor para impulsar un automóvil:

• Tiempo de puesta en marcha: estamos acostumbrados a subirnos a un automóvil, ponerlo en marcha y ponernos en marcha relativamente rápido. En un vehículo a vapor, debe calentar la caldera antes de poder comenzar a usarla. Tiene que calentarse lo suficiente para crear vapor en el que impulsará el motor. Según el modelo de la máquina de vapor, esto puede tardar una hora o más. No hay nada más que subirse al coche e ir a la tienda. Hay una excepción notable que fue el Doble Steam Car que tenía un quemador de gas específico y una tubería pequeña que solo contenía una pequeña cantidad de agua en un momento dado. Esto permitió que el agua se convirtiera en vapor súper caliente en poco tiempo. El tiempo de puesta en marcha de esto fue relativamente corto.

• Grande y voluminoso : una máquina de vapor generalmente pesaba mucho. Esto se debió a que estaba en dos partes (caldera de agua y motor en sí). Se necesitó mucho metal para mantener la presión contenida para que pudiera usarse. En esta era del formato "más pequeño es mejor", tener la mayor parte de una máquina de vapor la haría obsoleta antes de que saliera del lienzo de diseño. Nunca podría obtener la aerodinámica que se ve hoy en los automóviles con motores de combustión interna.

• Peligroso : a diferencia de los motores de combustión interna modernos, una máquina de vapor era peligrosa en comparación. Tenías una caldera que se presurizaba muy alto (especialmente considerando la metalurgia del día). Esta presión es lo que impulsaba el pistón de vapor. Además, tenía una fuente de calor externa (fuego) que también representaba peligros. Si una caldera explotara, no solo habría metralla de la caldera, sino que el vapor y el agua hirviendo volarían por todas partes en un radio determinado, causando lesiones a cualquiera que se interpusiera en el camino.

• Baja eficiencia : se afirma que una máquina de vapor solo tiene una eficiencia de ~ 20% (no es que esto sea muy diferente a un motor de combustión interna de gasolina).

Una gran cosa que tenía la máquina de vapor era que podías producir grandes cantidades de torque con ellas. En el Doble Steam Car que se mencionó anteriormente, tenía cuatro pistones que lo impulsaban. Con una máquina de vapor, el pistón podría proporcionar potencia en las carreras "hacia arriba" y "hacia abajo" del pistón (esta es una noción relativa, ya que en este automóvil los pistones estaban planos sobre el suelo). Si comparas esto con un motor de combustión interna, obtienes potencia con cada carrera del motor, lo que significa que con los cuatro cilindros tendrías 16 carreras de potencia para los cuatro pistones en dos revoluciones del cigüeñal. Con un motor de gasolina de 4 tiempos, solo vería cuatro tiempos de potencia durante las dos revoluciones del cigüeñal. Esta es una gran ventaja porque, junto con el vapor sobrecalentado, proporcionó más de 1000 lb-ft de torque.

La razón por la que las máquinas de vapor no son adecuadas para los automóviles se debe principalmente a la necesidad de que las máquinas de vapor funcionen a una velocidad mínima mayormente constante, y no ajustan la velocidad muy bien.

Las máquinas de vapor no necesitan ser ineficientes, pero funcionan mejor cuando se usan constantemente.