Una caldera marina "escocesa" (o simplemente caldera escocesa ) es un diseño de caldera de vapor más conocido por su uso en barcos.
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La disposición general es la de un cilindro horizontal achaparrado. En la parte inferior de la caldera se encuentran uno o más hornos cilíndricos grandes. Encima hay muchos tubos de fuego de pequeño diámetro . Los gases y el humo del horno pasan a la parte trasera de la caldera, luego regresan a través de los tubos pequeños y suben y salen de la chimenea. Los extremos de estos múltiples tubos están cubiertos por una caja de humo , fuera de la carcasa de la caldera. [1]
La caldera escocesa es una caldera pirotubular , en la que los gases de combustión calientes pasan a través de tubos colocados dentro de un tanque de agua. Como tal, es descendiente de la caldera Lancashire anterior y, al igual que Lancashire, utiliza múltiples hornos separados para brindar una mayor área de calentamiento para una capacidad de horno determinada. Se diferencia del Lancashire en dos aspectos: se utilizan muchos tubos de pequeño diámetro (normalmente de 3 o 4 pulgadas [75 o 100 mm] de diámetro cada uno) para aumentar la relación entre el área de calentamiento y la sección transversal. En segundo lugar, la longitud total de la caldera se reduce a la mitad plegando el conducto de gas sobre sí mismo.
El otro extremo del horno es una caja cerrada llamada cámara de combustión que se extiende hacia arriba para conectarse con los tubos de combustión.
La pared frontal de la cámara de combustión se apoya contra la presión del vapor mediante los propios tubos. La cara trasera está sustentada por varillas que atraviesan la carcasa trasera de la caldera. Encima de la cámara de combustión y los tubos hay un espacio abierto de recolección de vapor. Varillas más largas y más grandes corren a lo largo de la caldera a través de este espacio, sosteniendo los extremos de la carcasa de la caldera.
En el caso de varios hornos, hay una cámara de combustión separada para cada horno. Algunas calderas pequeñas los conectaron en una cámara, pero este diseño es más débil. Un problema más grave es el riesgo de invertir el tiro, donde los gases de escape de un horno podrían salir disparados del horno adyacente, lesionando a los fogoneros que trabajan delante de él.
La primera caldera registrada de forma comparable se utilizó en una locomotora de ferrocarril, la clase 'Wilberforce' de Hackworth de 1830. [2] Tenía una carcasa de caldera cilíndrica larga similar a su anterior ' Royal George ' con retorno , pero con el retorno El conducto de humos fue sustituido por una serie de pequeños tubos pirotubulares, como tan eficazmente había demostrado Stephenson con su ' Rocket ' un año antes. Se utilizó la novedosa característica de una cámara de combustión enteramente interna. Sin embargo, a diferencia de la caldera escocesa posterior, esta se sostenía por sí misma mediante sus propios tirantes, en lugar de utilizar tirantes a través de las paredes de la caldera. Esto permitió retirar todo el conjunto de la placa de tubos exterior, el tubo del horno, la cámara de combustión y los tubos de combustión de la carcasa de la caldera como una sola unidad, simplificando la fabricación y el mantenimiento. Aunque era una característica valiosa, resultó poco práctica para cámaras de mayor diámetro que requerirían el soporte del armazón.
La práctica típica en los barcos era tener dos hornos en cada caldera. Las calderas más pequeñas podían tener sólo una, mientras que las calderas más grandes normalmente tenían tres. La limitación en el tamaño de la caldera era la cantidad de trabajo que podía realizar cada fogonero, encendiendo un horno por hombre. [1] Los barcos más grandes (es decir, cualquier cosa por encima del más pequeño) tendrían muchas calderas.
Al igual que con la caldera de Lancashire , el horno a menudo era corrugado para mayor resistencia. Varios fabricantes tenían sus propias formas particulares de fabricar estas corrugaciones, lo que llevó a clasificarlas para fines de mantenimiento bajo los títulos amplios de Leeds , Morrison, Fox , Purves o Brown. [3]
El diseño típico es el de "parte trasera húmeda", donde la cara trasera de la cámara de combustión está revestida de agua como superficie calefactora.
La variación "dry back" tiene la parte trasera de la cámara de combustión como una caja abierta, respaldada o rodeada únicamente por una camisa de chapa metálica. [4] [5] Esto simplifica la construcción, pero también pierde mucha eficiencia. Se utiliza únicamente para calderas pequeñas donde el costo de capital supera los costos de combustible. Aunque hoy en día la caldera escocesa rara vez es el principal generador de vapor de un barco, todavía se encuentran pequeños diseños de respaldo seco, como el Minipac [6] , para satisfacer las demandas secundarias mientras se está atracado en el puerto con las calderas principales frías.
Una variante interesante del diseño dry-back ha sido una patente para quemar combustibles propensos a las cenizas. [7] La parte trasera de la cámara de combustión se utiliza como punto de acceso para un separador de cenizas, retirando las cenizas antes de los tubos de pequeño diámetro.
El diseño de doble extremo coloca dos calderas una detrás de otra, eliminando la pared trasera de la carcasa de la caldera. Las cámaras de combustión y los tubos de combustión permanecen separados. Este diseño ahorra algo de peso estructural, pero también hace que la caldera sea más larga y más difícil de instalar en un barco. Por esta razón no se usaban comúnmente, aunque eran comunes las disposiciones consecutivas de múltiples calderas de un solo extremo. [4]
La modificación " Inglis " [8] agrega una cámara de combustión adicional donde un único conducto de humos grande adicional regresa desde la parte trasera a la parte delantera de la caldera. Por lo tanto, el flujo a través de los múltiples tubos es de adelante hacia atrás, por lo que el escape está en la parte trasera. Varios hornos compartirían una única cámara de combustión. [4]
La principal ventaja del Inglis es el área de calentamiento adicional que agrega, para un volumen de carcasa comparable, de quizás un 20%. [9] Sorprendentemente, esto no se debe a la cámara de combustión adicional, sino al alargamiento de los estrechos tubos de combustión. Estos ahora pueden recorrer toda la longitud de la carcasa de la caldera, en lugar de solo la distancia bastante más corta desde la cámara de combustión interna hasta la placa de tubos frontal. A pesar de esta ventaja, rara vez se utiliza.
La caldera marina escocesa alcanzó un uso casi universal durante el apogeo de la propulsión a vapor, particularmente para los motores de pistón más desarrollados, como los compuestos de triple expansión . Duró desde el final de las calderas de pajar de baja presión a mediados del siglo XIX hasta principios del siglo XX y la llegada de las turbinas de vapor con calderas acuotubulares de alta presión como la Yarrow .
Los barcos grandes o rápidos podrían necesitar muchas calderas. El Titanic tenía 29 calderas: 24 de dos extremos y 5 más pequeñas de un solo extremo. Las calderas más grandes tenían 4,80 m (15 pies 9 pulgadas) de diámetro y 6,1 m (20 pies) de largo, las más pequeñas tenían 3,58 m (11 pies 9 pulgadas) de largo. Todos los extremos tenían tres hornos Morrison de cartón corrugado de 1,14 m (3 pies y 9 pulgadas) de diámetro, 159 hornos en total y una presión de trabajo de 215 libras por pulgada cuadrada (1480 kPa). [10]
Algunos barcos a motor , propulsados por motores de combustión interna, llevaban también calderas escocesas. Las llamadas calderas de gases de escape se calentaban con los gases de escape calientes de los motores principales. Un ejemplo son los barcos de pasajeros de clase Monte, propulsados por diésel, que se construyeron en Alemania en la década de 1920 y cada uno estaba equipado con dos calderas. El vapor generado se utilizó para maquinaria auxiliar. [11]
A partir de 2010 se utilizan numerosas calderas escocesas en los barcos, y se pueden construir nuevas calderas para reemplazar las que han caducado. Ejemplos de barcos de vapor conservados que emplean calderas escocesas incluyen:
Medios relacionados con las calderas marinas escocesas en Wikimedia Commons