Cuarta variante

Un motor pof-pof de ciclo abierto excitado con una caldera flash

Como ya dijimos, esta variante es anterior a la tercera y se caracteriza por un funcionamiento bastante inestable.

La idea es simple, podemos usar la caldera anterior para impulsar un pistón (en este caso líquido) adicionándole un tubo al extremo libre de la caldera e introduciendo dicho tubo en el agua.

Se usó un tubo de vidrio de aproximadamente 3 mm de diámetro interno que se pegó con resina epoxi al tubo de aluminio. La temperatura que  se alcanzaba  quemaba el epoxi y obtuve mejores resultados alejando la unión de la zona caliente y usando un espagueti termocontraible para unir los tubos, si bien este se ablanda con la temperatura, funciona mejor que el epoxi.

El funcionamiento se complica notablemente y aparecen superpuestos dos tipos de oscilación debidas a distintas causas.

Por un lado tenemos una generación pulsante de vapor, como en el pulsorreactor, pero su frecuencia está influida por la presencia del pistón de agua y su masa. Sin embargo el tamaño de la burbuja dentro del tubo de vidrio varía  continuamente cambiando la masa del pistón y haciendo el funcionamiento muy irregular. Esto puede ser debido a que la cantidad de vapor generada en cada ciclo es variable y además a que a lo largo de los ciclos se acumula el aire disuelto en el agua que se vaporizó.

Para verlo funcionando en un buen momento en el que parece estable esta el archivo Pofflash505.mov 

Sumado a este efecto hay una oscilación de mayor frecuencia que se origina por la presencia de la burbuja de vapor funcionando como un motor pof-pof de tipo resonante.

Como el funcionamiento resultó mediocre, probé una versión más simple, usar solo el tubo de aluminio. Funciona, pero como un motor pof-pof resonante. Viendo que la presión por el desnivel es muy chica es razonable pensar que no influye en el funcionamiento, de modo que doblé el tubo para convertirlo en un motor convencional (como los primeros que intenté construir sin éxito) y el resultado es que funciona bastante bien. Supongo que se debe a que en este diseño usé tubos mas cortos y el gradiente de temperatura es mayor.

Su funcionamiento se puede ver en el archivo error.mov,, esto demuestra que hay que ser prudente cuando se afirma algo sobre estos motores como lo hice en la variante anterior.

Evidentemente hay algún factor que no he tenido en cuenta en el diseño, y me parece que el problema es el siguiente (sí, ahora soy más prudente):

En este dispositivo hay una burbuja de vapor limitada por dos columnas de agua, llamaremos columna de alimentación a la que proviene del depósito y columna de salida a la otra.

Cuando el agua de la columna de alimentación llega a la zona caliente se produce una vaporización explosiva y la presión de la burbuja sube bruscamente, el valor de la presión máxima  dependerá de la cantidad de vapor generado y el volumen de la burbuja, suponiendo que la inercia de las columnas de alimentación y salida es suficientemente  grande como para que su desplazamiento sea despreciable durante el lapso de crecimiento de la presión. El considerar el desplazamiento de las columnas producirá una disminución en la presión máxima, pero de mi experiencia surge que la simplificación anterior es una aproximación válida en este caso. 

El siguiente paso es que la presión de la burbuja empujará las columnas enviando agua al depósito y a la salida.

La energía que recibirá cada columna depende de la fuerza aplicada por su desplazamiento (definición de Trabajo de una fuerza).

La fuerza  aplicada  será  la presión por el área de contacto entre la burbuja y la columna  (área del tubo). 

La masa de la columna será su densidad por el área y por su longitud.

La aceleración es igual a la fuerza sobre la masa. De modo que:

Aceleración = fuerza/ masa = (presión x área) / (densidad x área x longitud) = presión / (densidad x longitud)

El desplazamiento será proporcional a la aceleración. Como la aceleración es variable deberíamos usar cálculo integral para determinarlo en forma aproximada,  pero conceptualmente  nos basta saber  que:

Desplazamiento = Función (aceleración) = Función (presión, 1/densidad , 1/longitud)

El desplazamiento es una función directa de la presión e inversa de la densidad y longitud.

Recordando  que Energía entregada =Fuerza x desplazamiento resulta

Energía entregada =Función  (presión, área) x Función (presión, 1/densidad , 1/longitud)

Vemos que de las dos columnas recibirá mayor energía aquella que tenga un menor valor del producto densidad por longitud (que es la masa por unidad de área). Y si las columnas de alimentación y salida son de distinta sección recibirá mayor energía aquella que tenga mayor sección.

En el pulsorreactor la columna de alimentación es de agua y la de salida es de vapor con una longitud del mismo orden pero una densidad aproximadamente 1000 veces menor. En este caso la mayor parte de la energía se entrega a la columna de vapor. Habría que considerar además el rozamiento y la disminución de la presión máxima que no deben ser despreciables pero, sin embargo,  el razonamiento anterior funciona bastante bien.

Si la columna de salida fuera de agua y de una longitud del mismo orden que la de alimentación podemos esperar un caudal de retorno importante hacia el depósito. Aclaremos que decir del "mismo orden" significa que su magnitud puede ser de la mitad o el triple pero no 20 veces menor o 100 veces mayor.

En este caso deberíamos esperar una fuerte corriente de agua hacia el depósito, cosa que me ha ocurrido con frecuencia. El depósito se vacía,  y si el agua ya alcanzó una buena temperatura el experimentador  se quema. Si quiere hacer la prueba, haga funcionar el motor como pulsorreactor y funcionando sumerja el tubo en el agua.

Entonces ¿porque a veces funciona la solución con el tubo de vidrio?

Es mi opinión (sigo siendo prudente) es que este funcionamiento se da cuando la burbuja de vapor ocupa casi todo el tubo de vidrio.

La solución sería colocar un pulmón para disminuir la presión máxima. Y colocar a su salida un tubo de mayor diámetro para que la mayor parte de la energía se entregue a la columna de salida.

La solución funciona y no presenta el otro tipo de oscilación, la presencia del pulmón amortigua la influencia de la columna de salida sobre la burbuja y da la impresión que esto es suficiente para evitar la oscilación. El resultado se  puede ver en cuartapulmon.mov.

En realidad lo que buscaba era hacer una máquina con un pistón que mueva un eje, pero en este caso la historia parece complicarse y esta máquina a funcionado solo en mi imaginación. Algunos prototipos parecían estar casi a punto de funcionar, pero uno ve lo que quiere ver y esta impresión puede ser totalmente falsa.

Esta es la idea, simplemente reemplazar el pistón liquido por uno de metal. Pero por lo visto, "inventar la pólvora es fácil, lo difícil es hacerla bien y que explote".   

La solución con un pulmón amortiguador es posterior a mis intentos, y agregando un pulmón al sistema quizás podría  funcionar. Aun no lo sé. En el dibujo no se vé una fuente fría, la idea era dejar escapar algo de vapor por el juego del pistón.

Finalmente pasemos a la quinta variante que no es un motor pof-pof pero que da origen a la sexta que si lo es.