caldera con salida de humos

Una caldera de doble pared o de tiro forzado es un tipo de caldera primitivo y relativamente sencillo , utilizado para generar vapor , generalmente para accionar una máquina de vapor . Su diseño marcó una etapa de transición en el desarrollo de las calderas, entre las primeras calderas de tipo "pastillo" y las posteriores calderas multitubulares de tubos de fuego . Una caldera de doble pared se caracteriza por una gran carcasa cilíndrica que forma un depósito de agua, atravesada por uno o más conductos grandes que contienen el hogar . Estas calderas aparecieron a principios del siglo XIX y algunos modelos siguen en servicio hoy en día. Aunque se utilizan principalmente en centrales de vapor estáticas, algunas se emplearon en los primeros vehículos de vapor, locomotoras ferroviarias y barcos.

Las calderas con conductos de humos se desarrollaron para aumentar la presión del vapor y mejorar la eficiencia del motor. Los primeros diseños de calderas tipo "pastillo" de la época de Watt eran mecánicamente débiles y a menudo presentaban una superficie plana sin soporte para el fuego. Las explosiones de calderas , que generalmente comenzaban con la falla de esta placa del hogar, eran comunes. Se sabía que una estructura arqueada era más resistente que una placa plana, por lo que se colocó un gran tubo de humos circular dentro de la carcasa de la caldera. El fuego se calentaba sobre una rejilla de hierro colocada transversalmente a este tubo, con un cenicero poco profundo debajo para recoger los residuos no combustibles. Esto tenía la ventaja adicional de envolver la superficie de calentamiento estrechamente alrededor del horno, pero ese era un beneficio secundario.

Aunque hoy se considera de baja presión (quizás 25 psi (1,7 atm ) ), en comparación con sus predecesores se consideraba de alta presión. Este aumento de presión fue un factor clave para que las locomotoras (es decir, pequeños vehículos autopropulsados) como la de Trevithick se convirtieran en una opción viable.  

La caldera más sencilla para locomotoras tenía un único conducto recto. Fue ampliamente utilizada por muchos de los primeros fabricantes de locomotoras, incluidas las locomotoras de Blenkinsop para el ferrocarril de Middleton y la Locomotion No. 1 de Stephenson .

Este tipo de caldera es sencilla de fabricar y lo suficientemente robusta como para soportar vapor a alta presión (para la época) con un funcionamiento expansivo en los cilindros. Además, cuenta con un buen flujo de gas a través del amplio conducto de humos, lo que permite que el fuego reciba suficiente tiro solo con la acción de una chimenea alta . Sin embargo, su reducida superficie de calentamiento la hace ineficiente y consume una gran cantidad de carbón.

Un conducto de humos simple debe ser largo para ofrecer una superficie de calentamiento adecuada. En una caldera de tamaño reducido, como las que se requieren para una locomotora de vapor , esto se puede lograr utilizando un conducto de retorno en forma de U que se curva sobre sí mismo.

Richard Trevithick ya había utilizado un conducto de retorno con su primer diseño de locomotora Coalbrookdale de 1802 y la máquina "Pen-y-Darren" de 1804. ^{[ 1 ]} Estas calderas estaban construidas de hierro fundido , eran cortas y de extremo plano. Su locomotora " Newcastle " de 1804/5 (construida en realidad en Gateshead ) comenzó a mostrar una característica de la caldera con conducto de retorno, una prominente forma de cúpula para resistir la presión del vapor en el extremo sólido opuesto tanto al horno como a la chimenea. En este caso, la fabricación de la caldera, ahora de placas de hierro forjado , probablemente se complicó por el único cilindro horizontal de largo recorrido de Trevithick ( 9 pulg × 36 pulg (230 mm × 910 mm) de diámetro × carrera) que emergía a través de este extremo abovedado. ^{[ 1 ]} Sin embargo, esto facilitó el trabajo del fogonero, ya que ya no tenía que intentar alcanzar una puerta del hogar debajo de la larga cruceta del pistón.      

William Hedley utilizó este modelo de caldera para sus locomotoras de 1813, Puffing Billy y Wylam Dilly . Gracias a la mina de carbón de Wylam y a su propietario, Christopher Blackett , Hedley habría estado familiarizado con la máquina de Trevithick. ^{[ 2 ]}

La Royal George 0-6-0 de Timothy Hackworth de 1827 también utilizaba una caldera con retorno de gases, aunque es más conocida por su uso pionero de un tubo de soplado deliberado para fomentar el tiro en el fuego. ^{[ 1 ]} Su versión 0-4-0 más ligera para las pruebas de Rainhill , Sans Pareil, era muy similar. ^{[ 2 ]} Aunque parecían anticuadas tan pronto como terminaron las pruebas, la Samson canadiense de este modelo se construyó en 1838 y todavía estaba en servicio en 1883. ^{[ 2 ]}

calderas Huber

Las últimas calderas de retorno de humos construidas (aparte de algunas calderas estacionarias) suelen considerarse las construidas por la Huber Co. de Marion, Ohio, para sus máquinas de tracción "New Huber" , entre 1885 y 1903. ^{[ 3 ]}

Sin embargo, no se trataba de calderas de retorno de humos en el sentido aquí utilizado, sino más bien de calderas de tubos de retorno . Contaban con un único tubo de hogar cilíndrico de gran tamaño, una cámara de combustión externa a la carcasa de presión de la caldera y, a continuación , múltiples tubos de fuego estrechos que desembocaban en una caja de humos en forma de herradura situada encima y alrededor de la puerta del hogar. La proximidad de esta caja de humos al fogonero dio origen a su apodo de «quemadores de vientre». Por lo tanto, su diseño tiene más en común con las calderas horizontales tipo lancha (como las utilizadas por Sir Arthur Heywood ) o la caldera marina escocesa que con la sencilla caldera de un solo conducto.

Para entonces, la caldera de locomotora se había generalizado en las máquinas de tracción. En comparación, la ventaja de la caldera Huber radicaba en que los tubos de fuego podían reemplazarse con mayor facilidad, sin necesidad de trabajar desde el interior de un hogar cerrado.

La forma más simple de caldera con conducto de humos fue la caldera de Cornualles de "alta presión" de Richard Trevithick , instalada por primera vez en la mina de Dolcoath en 1812. ^{[ 4 ]} Se trata de un cilindro horizontal largo con un único conducto de humos grande que contiene el fuego. Como el horno dependía del tiro natural , se requería una chimenea alta en el extremo del conducto para favorecer un buen suministro de aire (oxígeno) al fuego.

Para mejorar la eficiencia, la innovación de Trevithick consistió en revestir la caldera con una cámara de ladrillo . Los gases de escape pasaban por el conducto central y luego se canalizaban hacia el exterior, rodeando la carcasa de hierro de la caldera. Para mantener la chimenea alejada del espacio de combustión, el conducto de ladrillo discurría primero por debajo del centro de la caldera hasta la parte frontal, y luego volvía a recorrer los laterales hasta la chimenea.

Las calderas de Cornualles presentaban varias ventajas sobre las calderas de vagón precedentes : estaban compuestas principalmente de superficies curvas, que resistían mejor la presión. Sus extremos planos eran más pequeños que los laterales planos de la caldera de vagón y se sostenían mediante el conducto central del hogar y, en ocasiones, mediante varillas de refuerzo adicionales . Una ventaja menos evidente era la de la incrustación. Las calderas de vagón o de pajar se calentaban desde abajo, y cualquier incrustación o impureza que formara sedimento se depositaba sobre esta placa, aislándola del agua. Esto reducía la eficiencia de calentamiento y, en casos extremos, podía provocar un sobrecalentamiento localizado y la rotura de las placas de la caldera. En la caldera con conducto, cualquier sedimento caía más allá del conducto del hogar y se depositaba en el fondo de la carcasa de la caldera, donde tenía un menor impacto. ^{[ 5 ]}

En la ingeniería de modelos , la caldera Cornish, especialmente cuando está equipada con tubos Galloway ( véase Caldera Lancashire, más abajo ), es una excelente opción para calderas de gas y maquetas de barcos de vapor. Es sencilla de construir y tan eficiente como cualquier caldera a pequeña escala. ^{[ 6 ]}

La caldera Butterley o de "boca de silbato" es un diseño poco conocido derivado del patrón Cornish, producido por la renombrada fábrica de calderas Butterley de Derbyshire. ^{[ 7 ]} Es básicamente una caldera Cornish con la mitad inferior de la carcasa alrededor del hogar retirada, para permitir encender un fuego grande. Esto la hizo popular en las fábricas textiles de los Peninos , donde el carbón duro del norte tenía un valor calorífico menor que el carbón galés utilizado en el suroeste y requería un fuego más grande. ^{[ 8 ]} Alternativamente, puede considerarse como una caldera Cornish acortada con una caldera de carro colocada delante de ella con un fuego más grande debajo de esta. Sufre el mismo inconveniente que la caldera de carro: la placa cóncava del hogar es mecánicamente débil y esto limita la presión de trabajo o requiere soporte mecánico adicional .

La caldera de Lancashire es similar a la de Cornish, pero tiene dos grandes conductos que contienen los fuegos en lugar de uno. Generalmente se considera que fue inventada por William Fairbairn y John Hetherington en 1844, aunque su patente era para el método de encender los hornos alternativamente, para reducir el humo, y no para la caldera en sí. ^{[ 9 ]} La locomotora 0-4-0 de Stephenson , " Lancashire Witch ", ya había demostrado el uso de tubos de horno dobles dentro de una caldera 15 años antes. ^{[ 1 ]} 

Fairbairn había realizado un estudio teórico de la termodinámica de calderas más eficientes, y fue esto lo que lo llevó a aumentar el área de la parrilla del horno en relación con el volumen de agua. Una razón particular para esto fue la escasa adopción hasta entonces de la caldera Cornish en las fábricas de algodón de Lancashire, donde el carbón local más duro no se podía quemar satisfactoriamente en el horno más pequeño, en favor de la antigua caldera de baja presión tipo vagón y su gran parrilla. ^{[ 8 ]}

Las dificultades de la caldera Cornish radicaban en que una caldera de potencia determinada requería una superficie conocida de tubos de horno como área de calentamiento. Los tubos más largos exigían una carcasa de caldera más larga y costosa. Además, reducían la relación entre la superficie de la parrilla y la superficie de calentamiento, lo que dificultaba mantener un fuego adecuado. El aumento del diámetro del tubo reducía la profundidad del agua que cubría el tubo del horno, incrementando así la necesidad de un control preciso del nivel del agua por parte del fogonero, so pena de una explosión de la caldera . Los estudios de Fairbairn sobre la tensión circunferencial en cilindros también demostraron que los tubos más pequeños eran más resistentes que los más grandes. Su solución fue sencilla: sustituir un tubo de horno grande por dos más pequeños.

La patente ^{[ 9 ]} mostró otra ventaja de los hornos gemelos. Al encenderlos alternativamente y cerrar la puerta del hogar entre encendidos, también era posible disponer un suministro de aire alrededor del horno (en el caso de una caldera Lancashire, a través del cenicero debajo de la parrilla) que favorecería que los gases de combustión producidos por el fuego se quemaran de forma más completa y limpia, reduciendo así el humo y la contaminación. ^{[ 10 ]} Un factor clave en esto fue la distintiva compuerta de aire giratoria con persiana en la puerta, que se convirtió en una característica a partir de la década de 1840.

El uso de dos conductos también tiene un efecto de refuerzo, actuando como dos varillas largas que soportan las placas de los extremos. ^{[ 7 ]}

Posteriormente se añadieron tubos Galloway (en honor a su inventor, patentados en 1848 ^{[ 11 ]} o 1851 ^{[ 12 ]} ) que atraviesan el conducto de humos, aumentando así la superficie calentada. Dado que se trata de tubos cortos de gran diámetro y la caldera sigue funcionando a una presión relativamente baja, aún no se considera una caldera de tubos de agua . Los tubos tienen forma cónica para facilitar su instalación a través del conducto de humos. ^{[ 6 ]}

Las calderas de Lancashire suelen tener conductos de humos corrugados , que absorben la dilatación térmica sin dañar las juntas remachadas. Otro avance fue el conducto de humos en forma de riñón o caldera Galloway , donde los dos hornos se unen en un único conducto, con sección transversal en forma de riñón. Este conducto ensanchado y de parte superior plana se sostenía mediante tubos Galloway.

Su presión máxima es de 20 bar (290 psi) . El diámetro máximo de la caldera es de 3 m (9,8 pies) , tiene dos tubos de fuego con una longitud que varía entre 6 y 10 m (20 y 33 pies) y un diámetro de entre 0,8 y 1 m (2,6 y 3,3 pies) .        

Aunque la caldera de Lancashire se considera un diseño anticuado, si el conducto de humos es lo suficientemente largo, puede ser razonablemente eficiente. Sin embargo, esto da como resultado una caldera voluminosa, sobre todo por su longitud, lo que siempre ha limitado su uso a instalaciones fijas. Era la caldera estándar en las fábricas de algodón de Lancashire .

El trabajo de William Fairbairn en la caldera de Lancashire había demostrado las virtudes de eficiencia de los hornos múltiples en relación con un volumen de agua reducido. También era ampliamente sabido que las presiones de vapor más altas mejoraban la eficiencia de los motores. La investigación de Fairbairn sobre la resistencia de los cilindros ^{[ 13 ]} lo llevó a diseñar otra caldera mejorada, basada en diámetros de tubo mucho más pequeños, que así podría operar a presiones más altas, típicamente 150 psi (1000 kPa ) . Esta fue la caldera de "cinco tubos", cuyos cinco tubos estaban dispuestos en dos pares anidados como tambor de agua y horno, con el tubo restante montado encima de ellos como un tambor de vapor separado. ^{[ 14 ]} El volumen de agua era extremadamente bajo en comparación con los diseños de calderas anteriores, ya que los tubos del horno casi llenaban cada uno de los tambores de agua.  

La caldera cumplió con sus objetivos y proporcionó dos grandes hornos con una capacidad de agua reducida. El tambor de vapor independiente también facilitó la producción de vapor seco, sin arrastre de agua ni riesgo de cebado. Sin embargo, su fabricación era compleja y no ofrecía una gran superficie de calentamiento en relación con el trabajo que requería. Pronto fue reemplazada por calderas multitubulares como la Fairbairn-Beeley y las calderas escocesas .

• Caldera marina escocesa

• Fairbairn, William (1851). "Sobre las explosiones de calderas". Dos conferencias: La construcción de calderas y Sobre las explosiones de calderas, con los medios de prevención . pág.  20.
• Fairbairn, William (1856). Información útil para ingenieros . Londres: Longmans.
• Hills, Richard L. (1989). Energía a partir del vapor . Cambridge University Press . pág.  103. ISBN 0-521-45834-X.