Un tapón fusible es un cilindro roscado de metal, generalmente bronce , latón o bronce de cañón , con un orificio cónico perforado completamente a lo largo de su longitud. Este orificio se sella con un metal de bajo punto de fusión que fluye hacia afuera si se alcanza una temperatura alta predeterminada. El uso inicial del tapón fusible fue como medida de seguridad contra niveles bajos de agua en las calderas de las máquinas de vapor , pero aplicaciones posteriores extendieron su uso a otros recipientes cerrados, como sistemas de aire acondicionado y tanques para transportar gases corrosivos o licuados de petróleo .
Un tapón fusible funciona como una válvula de seguridad cuando se alcanzan temperaturas peligrosas, en lugar de presiones peligrosas, en un recipiente cerrado. En las calderas de vapor, el tapón fusible se enrosca en la placa superior de la cámara de combustión y, por lo general, se extiende aproximadamente 1 pulgada (25 mm) hacia el espacio de agua que se encuentra sobre ella. Su propósito es actuar como un dispositivo de seguridad de último recurso en caso de que el nivel del agua baje peligrosamente: cuando la parte superior del tapón está fuera del agua, se sobrecalienta, el núcleo de bajo punto de fusión se derrite y la liberación ruidosa de vapor resultante en la cámara de combustión sirve para advertir a los operadores del peligro antes de que la parte superior de la propia cámara de combustión se seque por completo, lo que podría provocar una falla catastrófica de la caldera. La temperatura de los gases de combustión en la caja de fuego de una máquina de vapor puede alcanzar los 1000 °F (538 °C), temperatura a la cual el cobre , del que históricamente se fabricaban la mayoría de las cajas de fuego, se ablanda hasta un estado en el que ya no puede sostener la presión de la caldera y se producirá una explosión grave si no se introduce agua en la caldera rápidamente y se retira o extingue el fuego. [1] El orificio a través del tapón es demasiado pequeño para tener un gran efecto en la reducción de la presión del vapor y no se espera que la pequeña cantidad de agua, si la hay, que pasa a través de él tenga un gran impacto en la extinción del fuego. [2]
El dispositivo fue inventado en 1803 por Richard Trevithick , el defensor de las máquinas de vapor de alta presión (en contraposición a las atmosféricas ), como consecuencia de una explosión en una de sus nuevas calderas. Sus detractores estaban ansiosos por denunciar todo el concepto de vapor de alta presión, pero Trevithick demostró que el accidente ocurrió porque su fogonero había descuidado mantener la caldera llena de agua. Publicitó ampliamente su invento, sin patente, para contrarrestar estas críticas. [3] [4]
Los experimentos realizados por el Instituto Franklin de Boston en la década de 1830 habían puesto en duda inicialmente la práctica de añadir agua tan pronto como se notaba el escape de vapor a través del dispositivo. Se equipó una caldera de vapor con una pequeña ventana de observación de vidrio y se calentó más allá de su temperatura de funcionamiento normal con el nivel del agua por debajo de la parte superior de la caja de fuego. Cuando se añadió agua, se descubrió que la presión aumentaba de repente y el vidrio de observación se rompía. El informe concluyó que la alta temperatura del metal había vaporizado el agua añadida demasiado rápido y que una explosión era el resultado inevitable. [5]
No fue hasta 1852 que esta suposición fue cuestionada: Thomas Redmond, uno de los inspectores del Instituto, descartó específicamente esta teoría en su investigación sobre la explosión de la caldera del vapor Redstone en el río Ohio el 3 de abril de ese año. [6] Una investigación de 1907 en Gales llegó a una conclusión similar: una locomotora de vapor perteneciente al Ferrocarril Rhymney fue enviada inadvertidamente con sus válvulas de seguridad mal montadas. La presión en la caldera se acumuló hasta el punto de que los inyectores fallaron; la chapa de la corona quedó al descubierto, se debilitó por el calor del fuego y estalló violentamente. La investigación, dirigida por el coronel Druitt de la Inspección de Ferrocarriles , descartó la teoría de que los maquinistas habían logrado poner en marcha los inyectores y que la inundación repentina de agua fría había provocado tal generación de vapor que la caldera estalló. Citó los resultados de los experimentos de la Asociación de Usuarios de Vapor de Manchester , un organismo nacional de certificación y seguro de calderas, que demostraban que el peso del cobre presente (considerado con su calor específico ) era insuficiente para generar suficiente vapor para elevar la presión de la caldera. De hecho, la adición de agua fría hizo que la presión cayera. A partir de entonces se aceptó que la acción correcta en caso de actuación del tapón fusible era añadir agua. [7]
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El tapón sólido simple se llena con un trozo de aleación de bajo punto de fusión. Cuando se funde, primero se funde en un canal estrecho a través del tapón. Inmediatamente comienza a escapar vapor y agua a través de este. Como el agua tendrá una temperatura máxima de 210 °C, [8] inferior al punto de fusión del estaño de 230 °C, este chorro de agua puede actuar para congelar el tapón. Mientras el agua continúa escapando del tapón, este puede no fundirse por completo y, por lo tanto, solo se nota un pequeño chorro de vapor, que puede pasarse por alto.
Para evitarlo, en la década de 1860 se desarrolló el tapón fusible con núcleo, que proporcionaba una amplia abertura tan pronto como la aleación se ablandaba. Este tapón tiene un centro de latón o bronce macizo, soldado en su lugar mediante una capa gruesa de aleación de bajo punto de fusión. Cuando se sobrecalienta, el tapón no libera vapor ni agua hasta que la aleación se funde lo suficiente como para liberar el tapón central. En ese caso, el tapón falla de forma espectacular y abre todo su orificio de inmediato. Entonces es más probable que se note este chorro de orificio completo. [9]
El 7 de marzo de 1948 se descubrió un inconveniente en el dispositivo, cuando la chapa de corona de la caja de fuego del Princess Alexandra , un Coronation Pacific del London, Midland and Scottish Railway , falló mientras transportaba un tren de pasajeros de Glasgow a Londres. Las investigaciones establecieron que ambos medidores de agua estaban defectuosos y que en un viaje anterior ese día uno o ambos tapones fusibles se habían derretido, pero esto había pasado desapercibido para la tripulación del motor debido a la fuerte corriente de aire que alejaba el vapor que escapaba de ellos. [10]
Las investigaciones demostraron la importancia de la aleación en el envejecimiento de los tapones. Inicialmente, se favorecieron las aleaciones porque ofrecían puntos de fusión eutécticos más bajos que los metales puros. Sin embargo, se descubrió que las aleaciones envejecían mal y podían fomentar el desarrollo de una matriz de óxidos en la superficie del agua del tapón, matriz que tenía un punto de fusión peligrosamente alto que hacía que el tapón fuera inoperativo. En 1888, el Servicio de Inspección de Barcos de Vapor de los EE. UU. exigió que los tapones estuvieran hechos de banca de estaño puro y se reemplazaran anualmente. [11] [12] Esto evitaba la contaminación por plomo y también por zinc . La contaminación por zinc se consideró un problema tan grave que también se cambió la caja de los tapones de latón (una aleación de cobre y zinc) a un bronce de cobre y estaño sin zinc , para evitar el riesgo de que el zinc migrara de la carcasa al tapón de aleación. [11]
En la década de 1920, las investigaciones realizadas por la Oficina de Normas de los Estados Unidos , en colaboración con el Servicio de Inspección de Barcos de Vapor, descubrieron que, durante el uso, la incrustación y la oxidación por encima del núcleo fusible pueden aumentar el punto de fusión del dispositivo y evitar que funcione cuando es necesario: se han encontrado puntos de fusión superiores a 2000 °F (1090 °C) en ejemplos usados. [11] La práctica actual típica en locomotoras requiere que los tapones nuevos se inspeccionen después de "15 a 30 días hábiles (según la condición del agua y el uso de la locomotora) o al menos una vez cada seis meses", dependiendo de la presión y la temperatura de funcionamiento de la caldera. [13]
El principio del tapón fusible también se aplica al transporte de gases licuados de petróleo , donde los tapones fusibles (o pequeños parches expuestos de la membrana de revestimiento de los contenedores) están diseñados para fundirse o volverse porosos si se alcanza una temperatura demasiado alta: una liberación controlada, a una temperatura típica de 250 °F (121 °C), es preferible a una liberación explosiva (una " BLEVE ") a una temperatura más alta. [14] Los contenedores de gas corrosivo, como los utilizados para cloro líquido , están equipados con uno o más tapones fusibles con una temperatura de funcionamiento de aproximadamente 158 a 165 °F (70 a 74 °C). [15]
Los tapones fusibles son comunes en las ruedas de los aviones, por lo general en los aviones más grandes o de alto rendimiento. Las cargas térmicas muy grandes impuestas por condiciones anormales de aterrizaje y frenado (como un despegue interrumpido a alta velocidad , donde un avión cargado de combustible debe frenar con fuerza desde una velocidad muy alta hasta detenerse en una distancia relativamente corta) pueden hacer que la presión ya alta en los neumáticos aumente hasta el punto de que el neumático pueda estallar, por lo que se utilizan tapones fusibles como mecanismo de alivio. El gas ventilado puede dirigirse a enfriar las superficies de frenado. [16]
A veces se colocan tapones fusibles en los receptores de los compresores de aire como medida de precaución contra la ignición de cualquier vapor de aceite lubricante que pueda estar presente. Si la acción del compresor calienta el aire por encima de una temperatura segura, el núcleo se derretirá y liberará la presión. [17]
Los sistemas de aire acondicionado de los automóviles solían estar equipados con tapones fusibles que funcionaban a 100–110 °C (212–230 °F), pero debido a las preocupaciones sobre los efectos ambientales de cualquier gas refrigerante liberado , esta función ha sido asumida por un interruptor eléctrico. [18]
Un tipo de caja fuerte ignífuga patentada (patente publicada en 1867) utiliza un tapón fusible para rociar su contenido con agua si la temperatura externa se vuelve demasiado alta. [19] [20]
Los tapones fusibles mejoran la seguridad de los reactores de fluoruro de torio líquido al evitar el sobrecalentamiento del reactor. En caso de que se alcance una temperatura límite, un tapón fusible colocado en el fondo del reactor se funde, lo que permite que el combustible líquido del reactor se drene hacia los tanques de almacenamiento subterráneos, lo que evita la fusión nuclear . [21]
...la falta de agua contribuye sólo [en la medida] en que el metal puede calentarse y debilitarse por ello; que en ningún caso de agua en una parte calentada de la caldera puede generarse vapor en cantidad tan repentinamente como para hacer explotar la caldera...