Un tapón fusible es un cilindro roscado de metal, generalmente bronce , latón o bronce , con un orificio cónico perforado completamente en toda su longitud. Este orificio está sellado con un metal de bajo punto de fusión que fluye si se alcanza una temperatura alta predeterminada. El uso inicial del tapón fusible fue como medida de seguridad contra bajos niveles de agua en calderas de máquinas de vapor , pero aplicaciones posteriores extendieron su uso a otros recipientes cerrados, como sistemas de aire acondicionado y tanques para el transporte de gases corrosivos o licuados de petróleo .
Un tapón fusible funciona como 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 atornilla a la lámina de la corona (la placa superior) de la cámara de combustión y, por lo general, se extiende aproximadamente una pulgada (25 mm) hacia el espacio de agua que se encuentra encima. Su finalidad es actuar como 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 se produce el ruido resultante. La liberación de vapor en la cámara de combustión sirve para advertir a los operadores del peligro antes de que la parte superior de la cámara de combustión se seque por completo, lo que podría provocar un fallo catastrófico de la caldera. La temperatura de los gases de combustión en la cámara de combustión de una máquina de vapor puede alcanzar los 550 °C (1000 °F), temperatura a la que el cobre , del que históricamente se fabricaban la mayoría de las cámaras de combustión, se ablanda hasta un estado que ya no puede soportar la presión de la caldera y provoca un severo Se producirá una explosión si no se pone agua rápidamente en la caldera y se elimina 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 apagar el fuego. [2]
El dispositivo fue inventado en 1803 por Richard Trevithick , el defensor de las máquinas de vapor de alta presión (a diferencia de las atmosféricas ), como consecuencia de una explosión en una de sus nuevas calderas. Sus detractores estaban ansiosos por denunciar todo el concepto de vapor a alta presión, pero Trevithick demostró que el accidente ocurrió porque su bombero se había olvidado de mantener la caldera llena de agua. Dio amplia publicidad a su invento, sin patente, para contrarrestar estas críticas. [3] [4]
Los experimentos realizados por el Instituto Franklin de Boston en la década de 1830 inicialmente habían puesto en duda la práctica de añadir agua tan pronto como se notaba el escape de vapor a través del dispositivo. Una caldera de vapor estaba equipada con una pequeña ventana de observación de vidrio y se calentaba más allá de su temperatura normal de funcionamiento con el nivel del agua por debajo de la parte superior de la cámara de combustión. Cuando se añadió agua, se descubrió que la presión aumentaba repentinamente y el cristal de observación se rompía. El informe concluyó que la alta temperatura del metal había vaporizado el agua añadida demasiado rápido y que el resultado inevitable era una explosión. [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 en el 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 ensambladas. La presión en la caldera aumentó hasta tal punto que los inyectores fallaron; la sábana de la corona quedó descubierta, se debilitó por el calor del fuego y explotó violentamente. La investigación, dirigida por el coronel Druitt de la Inspección de Ferrocarriles , desestimó la teoría de que los maquinistas habían logrado poner en marcha los inyectores y que la repentina inundación de agua fría había provocado tal generación de vapor que la caldera estalló. Citó los resultados de experimentos realizados por la Asociación de Usuarios de Vapor de Manchester , un organismo nacional de certificación y seguros de calderas, que demostraron 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 cayera la presión. A partir de entonces se aceptó que la acción correcta en caso de funcionamiento del tapón fusible era añadir agua. [7]
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El diseño original era un tapón sólido simple lleno de un trozo de aleación de bajo punto de fusión. Cuando esto se derrite, primero se funde como un canal estrecho a través del tapón. Inmediatamente empiezan a salir vapor y agua a través de este. El tapón fusible con núcleo se desarrolló en la década de 1860 para ofrecer una amplia apertura tan pronto como la aleación se ablanda. Esta versión tiene un centro macizo de latón o bronce, soldado en su lugar mediante una capa de aleación de bajo punto de fusión. Cuando se sobrecalienta, el tapón no libera vapor ni agua hasta que la aleación se derrite lo suficiente como para liberar el tapón central. El tapón ahora falla dramáticamente, abriendo inmediatamente todo su orificio. Entonces es más probable que se note este chorro de gran calibre. [8]
Se encontró un inconveniente en el dispositivo el 7 de marzo de 1948, cuando la lámina de la corona de la cámara de combustión 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 en un viaje ese mismo día uno o ambos tapones fusibles se habían derretido, pero esto pasó desapercibido para la tripulación del motor debido a la fuerte corriente de aire que alejaba el vapor que se escapaba de ellos. [9]
La investigación demostró la importancia de la aleación en el envejecimiento del tapón. Inicialmente se prefirieron 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 favorecer 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 inoperable. En 1888, el Servicio de Inspección de Barcos de Vapor de EE. UU. exigió que los tapones estuvieran hechos de estaño puro y se reemplazaran anualmente. [10] [11] Esto evitó la contaminación por plomo y zinc . La contaminación con zinc se consideró un problema tan grave que también se cambió la carcasa de los enchufes 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 a la aleación. enchufar. [10]
En la década de 1920, investigaciones realizadas por la Oficina de Normas de EE. UU ., en conjunto con el Servicio de Inspección de Barcos de Vapor, descubrieron que, durante el uso, las incrustaciones y la oxidación sobre el núcleo fusible pueden aumentar el punto de fusión del dispositivo e impedir que funcione cuando sea necesario: puntos de fusión en exceso Se han encontrado temperaturas de 2000 °F (1100 °C) en ejemplos usados. [10] La práctica actual típica en locomotoras requiere que se inspeccionen las bujías nuevas después de "15 a 30 días hábiles (dependiendo de la condición del agua y el uso de la locomotora) o al menos una vez cada seis meses", dependiendo de la presión y temperatura de funcionamiento de la caldera. [12]
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 derretirse o volverse porosos si se alcanza una temperatura demasiado alta: un control La liberación, a una temperatura típica de 250 °F (120 °C), es preferible a una liberación explosiva (un " BLEVE ") a una temperatura más alta. [13] Los contenedores de gases corrosivos, como los que se usan para cloro líquido , están equipados con uno o más tapones fusibles con una temperatura de funcionamiento de aproximadamente 158 a 165 °F (70–74 °C). [14]
Los tapones fusibles son comunes en las ruedas de los aviones, generalmente en 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 una aeronave cargada de combustible debe frenar con fuerza desde una velocidad muy alta hasta detenerse en una distancia relativamente corta) pueden causar la ya alta carga térmica. La presión en los neumáticos aumenta hasta el punto de que el neumático podría estallar, por lo que se utilizan tapones fusibles como mecanismo de alivio. El gas ventilado puede dirigirse a enfriar las superficies de frenado. [15]
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. [dieciséis]
Los sistemas de aire acondicionado de los automóviles solían estar equipados con tapones fusibles que funcionaban a 100-110 °C, pero debido a las preocupaciones sobre los efectos ambientales de cualquier gas refrigerante liberado , esta función ha sido asumida por un interruptor eléctrico. [17]
Un tipo de caja fuerte ignífuga patentada (Patente publicada en 1867) utiliza un tapón fusible para mojar su contenido con agua si la temperatura externa sube demasiado. [18] [19]
Los tapones fusibles mejoran la seguridad de los reactores nucleares de torio y fluoruro líquido al evitar el sobrecalentamiento del reactor. En el caso de que se alcance una temperatura límite, un tapón fusible colocado en el fondo del reactor se derrite, permitiendo que el combustible fluido del reactor drene a tanques de almacenamiento subterráneos, evitando la fusión nuclear . [20]
...la falta de agua contribuye sólo [en la medida en que] el metal puede calentarse y debilitarse con ello;
que en ningún caso el agua en una parte calentada de la caldera puede generar vapor en cantidad tan repentinamente como para hacer explotar la caldera...