El renacimiento del motor a vapor

06/07/11 Por Mario Ogara y Jorge Schneebeli

El INTI se encuentra trabajando en el desarrollo de un motor a vapor. El proyecto se basa en dos pilares: aprovechar los residuos foresto industriales y abastecer de energía eléctrica o mecánica a lugares aislados. Varias cuestiones convergieron para dar nacimiento a este proyecto. Por un lado, la existencia de una necesidad industrial y ambiental: qué hacer con los residuos foresto industriales. Hay muchos residuos biomásicos que se eliminan mediante sistemas de combustión al aire libre sin ningún tipo de utilización energética.

El INTI se encuentra trabajando en el desarrollo de un motor a vapor que puede abastecer de energía eléctrica o mecánica a las regiones más aisladas del país. Este proyecto retoma el legado científico y tecnológico del Ing. Livio Dante Porta. Cuando los saberes sobre la máquina a vapor se daban por agotados y este brillante desarrollo tecnológico que fue prácticamente el corazón de la revolución industrial parecía haber quedado atrapado en el siglo pasado, un equipo multidisciplinario de investigadores trajo a la luz esta vieja tecnología para dar respuesta a una demanda muy actual: la falta de electricidad en las zonas más retiradas del territorio nacional.

El ingeniero argentino Livio Dante Porta (1922-2003) fue el mayor investigador de la tecnología a vapor en nuestro país. Discípulo y amigo de André Chapelon -llamado el “genio francés del vapor”-, Porta trabajó durante toda su vida para demostrar que la locomotora de vapor estaba aún lejos de alcanzar su máximo potencial. Estos avances fueron retomados por un equipo de profesionales del Instituto para darles continuidad en el tiempo. Así surge este desarrollo que tiene como objetivo la construcción de un motor a vapor fijo que puede ser trasladado para suministrar energía eléctrica o mecánica a las zonas más recónditas del país y, en paralelo, presentar una propuesta ambiental y sustentable para la reutilización de residuos generados por la actividad foresto industrial. El proyecto, en el cual participan conjuntamente los centros del INTI de Energía y de Mecánica, junto con la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires (FIUBA), retoma las contribuciones de Porta realizadas durante cincuenta años de investigación en el campo de la tecnología del vapor.

Propuesta

El proyecto se basa en dos pilares: aprovechar los residuos foresto industriales y abastecer de energía eléctrica a lugares aislados. Varias cuestiones convergieron para dar nacimiento a este proyecto. Por un lado, la existencia de una necesidad industrial y ambiental: qué hacer con los residuos foresto industriales. Hay muchos residuos biomásicos que se eliminan mediante sistemas de combustión al aire libre sin ningún tipo de utilización energética. Eso constituye un peligro y un problema ambiental en todas las áreas boscosas del país, como es el caso de la zona del Valle de Calamuchita o de la región norte, donde la actividad forestal es muy importante y produce una gran cantidad de desperdicio biomásico, como el aserrín, las virutas y los costaneros, entre otros. En consecuencia, su reutilización puede reducir las emisiones nocivas que surgen de la quema incontrolada in situ y evitar posibles incendios forestales. Paralelamente, existe hoy en día un problema serio de abastecimiento de energía eléctrica en aquellos lugares donde no llega la red, en donde, por ejemplo, la pequeña industria necesita energía mecánica o eléctrica para hacer funcionar máquinas y no tiene la posibilidad de acceder a ella.

De esta manera confluyó la necesidad de reutilizar un residuo biomásico -como el aserrín- y la de buscar una alternativa energética para regiones industriales o poblaciones retiradas. Se plantea entonces utilizar este combustible primario para generar vapor y con éste hacer funcionar una máquina alternativa, cuya tecnología es ideal para la potencia eléctrica necesitada, dado su grado de confiabilidad, robustez y facilidad en el manejo en un ambiente hostil y aislado. Un aspecto positivo de este desarrollo es que se aplican nuevos avances tecnológicos realizados durante los últimos años a una tecnología antigua. Esto permite aumentar la eficiencia del motor de una manera notable, donde se pueden utilizar distintos tipos de combustibles, dependiendo de lo que se va a quemar en la caldera. Es preciso destacar que todos los avances que hizo Porta con sus colaboradores en el campo de la tecnología del vapor para la tracción ferroviaria son aplicados en este desarrollo.

Esta iniciativa tiene dos fases bien diferenciadas. La primera, ya finalizada, tuvo como objetivo el desarrollo de la ingeniería básica de los componentes críticos de un motor alternativo de vapor de doble efecto y expansión en una etapa, de baja potencia, y una caldera humo-tubular del tipo de locomotora a vapor (ciclo abierto), para ser integrados a la planta motriz dentro de un espacio que tiene aproximadamente 11 metros de largo por 3 metros de ancho y 2,75 metros de alto, utilizando residuos de biomasa provenientes de diversos procesos. Esta fase inicial se llevó a cabo a través del trabajo conjunto del INTI y la FIUBA. Para lograrlo se contó con un equipo de trabajo conformado por cuatro alumnos provenientes de la universidad que fueron tutelados por el Ing. Shaun Mc Mahon, discípulo de Porta y miembro de los Centros de Energía y Mecánica del INTI. La participación en el diseño de este motor les ha permitido a los alumnos realizar su trabajo final de carrera: dos de ellos recibieron beca completa del Instituto y otro, hoy contratado, se dedica tiempo completo a este proyecto.

La segunda fase del trabajo está en marcha y consiste en el desarrollo de la ingeniería de detalle de los componentes, con el objeto de construir y ensayar este prototipo. Se estima que en menos de un año ya estará en funcionamiento.

Componentes de la planta motriz

La máquina de vapor cuenta con un sistema de combustión, alimentación de combustible y aire primario y secundario; así como un generador de vapor, sobrecalentador, caja de humos y tiraje inducido. También posee un motor de vapor alternativo, válvula de distribución asociada, sistema de regulación y control y sistema de lubricación; almacenamiento de agua y de combustible.

¿Cómo se produce la energía eléctrica por medio de biomasa?

Generar energía eléctrica a partir de un combustible biomásico implica pasar por distintas etapas. La primera de ellas consiste en la combustión del residuo biomásico. Como producto de esta combustión se libera calor, absorviéndose parte de él por un fluido intermedio, que es en este caso una mezcla de agua y vapor de agua. Este fluido es el encargado de transferir la energía térmica obtenida como calor de la combustión, hasta una máquina que la transformará en energía mecánica. En esta etapa, el vapor de agua se expande en un cilindro y empuja un pistón. Así se obtiene por medio del mecanismo de biela-manivela el giro continuo del eje del motor, que al mover un generador da lugar a energía eléctrica…

Las ventajas de recuperar el motor a vapor

La planta está diseñada para entrar dentro de un contenedor y de esta manera ser transportada -con ciertas restricciones- a todas las regiones que lo necesiten, sin importar las distancias y las condiciones geográficas. La utilización de esta tecnología del vapor también representa una alternativa a la crisis petrolera mundial. Se prevé que el primer prototipo, luego de atravesar la instancia de evaluación, se instale en la provincia de Tierra del Fuego, dado que allí existe una demanda concreta por el volumen de residuos generados al año por la industria forestal, pero se espera replicar la experiencia en todo el país.

Este primer prototipo será de fácil manejo y se espera que aquellos que lo utilicen puedan realizar el mantenimiento del equipo sin poseer grandes conocimientos técnicos -tal cual lo hacían los maquinistas de los trenes a vapor-. Otro punto relevante de este proyecto es que todas las piezas podrán ser construidas a nivel nacional. Las máquinas que muchos talleres locales poseen (talleres mecánicos y talleres de mecanizados de piezas) son adecuadas para esta tarea ya que se trata de piezas muy simples. La virtud de este desarrollo radica en que tanto su origen como su posterior continuación son íntegramente nacionales.

Antecedentes que inspiraron el diseño del motor

Para el diseño de este motor se consideraron tecnologías desarrolladas por el ingeniero Porta, como es el sistema de combustión por gasificación (GPCS, por sus siglas en inglés). Este sistema se basa en dos etapas. En la primera se producen gases a partir del combustible sólido por medio de una combustión incompleta, y en la segunda etapa los productos de la gasificación son quemados, permitiendo una combustión prácticamente completa y de alta eficiencia, con un nivel de emisiones contaminantes muy bajo.

También se retomó el tratamiento de agua avanzado para calderas de ciclo abierto (“Porta Treatment”) que consiste en agregar al agua de alimentación ciertos reactivos corrientes, de bajo costo y aceptables desde el punto de vista de la preservación del medio ambiente. Así se logra un funcionamiento óptimo de la caldera, cualesquiera sean las características del agua de alimentación, erradicando los problemas asociados a las incrustaciones, formación de espuma, corrosión y fragilidad cáustica, y espaciando mucho los lavados de la caldera. Asimismo se tuvo en cuenta el diseño de eyector de alta eficiencia (Lempor), dispositivo cuya importancia radica en que induce una alta velocidad de ingreso de aire secundario a la cámara de combustión, creando condiciones de alta turbulencia y logrando una alta eficiencia de combustión y, en consecuencia, una mayor producción de vapor.

Para finalizar, se incluyeron otros estudios como el diseño avanzado de los conductos de vapor y pasajes internos para reducir las pérdidas de carga, mejorar el flujo de vapor a través de los conductos y disminuir las pérdidas de potencia en el motor; el análisis avanzado de la tribología y lubricación del motor, que consiste en llevar adelante un estudio profundo de los fenómenos que ocurren en el mismo; y la aplicación de aislación térmica avanzada, tanto en la caldera como en el motor, buscando minimizar las pérdidas de energía y optimizar el funcionamiento del equipo. Con esos elementos como punto de partida, se realizó un dimensionamiento preliminar del conjunto y luego se desarrollaron los cálculos termodinámicos de la caldera y el motor.

Porta, el hombre que soñaba con trenes

Livio Dante Porta fue un impulsor de la tecnología a vapor durante todo el siglo XX y realizó numerosos estudios e investigaciones para demostrar que la máquina a vapor aún tenía mucho por dar a conocer. Porta fue un legendario diseñador de locomotoras y trabajó firmemente en ellas hasta los 81 años. Sus primeros trabajos se realizaron en el país, como la locomotora a vapor llamada “La Argentina”, perteneciente al Ferrocarril Central Córdoba, de la clase 4-8-0 de 4 cilindros a doble expansión. Construida en 1949, cuando Porta tenía sólo 27 años, ha sido aclamada como una de las locomotoras más eficientes que se hayan construido y fue vigorosamente patrocinada por Juan Perón, en aquel entonces presidente del país. Su rendimiento fue mayor a lo esperado para una locomotora relativamente pequeña. Diseñada para una velocidad máxima de 120 km/h, tiraba trenes de carga de 1.200 toneladas a 105 km/h. “La Argentina” se encuentra hoy oxidada en un depósito de locomotoras abandonado en San Miguel de Tucumán.

El espíritu inquieto de Porta lo llevó a viajar por el mundo, buscando perfeccionar sus conocimientos: Estados Unidos, Inglaterra y Cuba fueron sólo algunos de sus destinos. Entre la década del sesenta y los ochenta formó parte del INTI como Jefe del Departamento de Termodinámica (actual Centro de Energía). Durante toda su carrera, Porta se ocupó de transferir sus saberes a otros estudiosos del tema, uno de ellos es el ingeniero Shaun Mc Mahon que en la actualidad forma parte del INTI y es referente en el campo de la tecnología del vapor.

Porta falleció el 10 de junio de 2003, pero su familia se preocupó por mantener su sueño vigente: que el Estado se ocupe de retomar su trabajo para darle utilidad y continuidad en el tiempo. www.ecoportal.net

Mario Ogara, INTI-Energía y Jorge Schneebeli, INTI-Mecánica – Publicacion del INTI Saber Cómo