Una locomotora de vapor de alta presión es una locomotora de vapor con una caldera que opera a presiones muy superiores a las que se considerarían normales para otras locomotoras. La mayoría de las locomotoras funcionan con una presión de vapor de 200 a 300 psi (1,38 a 2,07 MPa). [1] En los últimos años del vapor, las presiones de la caldera eran típicamente de 200 a 250 psi (1,38 a 1,72 MPa ). [ cita requerida ] Se puede considerar que las locomotoras de alta presión comienzan a 350 psi (2,41 MPa), cuando se hacen necesarias técnicas de construcción especiales, pero algunas tenían calderas que operaban a más de 1500 psi (10,34 MPa).
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Maximizar la eficiencia de un motor térmico depende fundamentalmente de conseguir que la temperatura a la que se acepta el calor (es decir, el vapor que sale de la caldera ) sea lo más alejada posible de la temperatura a la que se lo rechaza (es decir, el vapor que sale del cilindro). Esto fue cuantificado por Nicolas Léonard Sadi Carnot .
Hay dos opciones: aumentar la temperatura de aceptación o reducir la temperatura de rechazo. Para una máquina de vapor , la primera opción significa aumentar la presión y la temperatura del vapor, lo que en términos de ingeniería es bastante sencillo. La segunda opción se puede implementar de dos maneras: con cilindros más grandes para permitir que el vapor de escape se expanda más y/o condensando el escape para reducir aún más la temperatura de rechazo. Sin embargo, ambas opciones son callejones sin salida: la primera está limitada por el medidor de carga , mientras que la segunda tiende a ser contraproducente debido a las pérdidas por fricción en los volúmenes mucho mayores de vapor de escape que se deben manejar.
Por ello, se ha considerado a menudo que la alta presión es la forma de mejorar la eficiencia del combustible de las locomotoras. Sin embargo, los experimentos en esta dirección siempre han fracasado debido al gran aumento de los costes de adquisición y mantenimiento. Una forma más sencilla de aumentar la temperatura de aceptación es utilizar una presión de vapor moderada y un sobrecalentador .
Las locomotoras de alta presión eran mucho más complicadas que los diseños convencionales. No se trataba simplemente de construir una caldera pirotubular normal con una resistencia adecuadamente aumentada y un mayor esfuerzo de alimentación. Los requisitos de resistencia estructural en la carcasa de la caldera hacen que esto sea poco práctico; se vuelve imposible construirla, ya que se vuelve extremadamente gruesa y pesada. Para altas presiones de vapor, se utiliza universalmente la caldera acuotubular . Los tambores de vapor y sus tubos de interconexión tienen un diámetro relativamente pequeño y paredes gruesas, por lo que son mucho más resistentes.
La siguiente dificultad es la de la deposición de incrustaciones y la corrosión en los tubos de la caldera. Las incrustaciones que se depositan en el interior de los tubos son invisibles, normalmente inaccesibles y suponen un peligro mortal, ya que provocan un sobrecalentamiento local y la rotura del tubo. Este era un gran inconveniente de las primeras calderas acuotubulares, como el diseño de Du Temple, probado en la red francesa Nord en 1907 y 1910. Los tubos acuotubulares de las calderas de la Marina Real se comprobaban para detectar posibles obstrucciones dejando caer con cuidado bolas numeradas por los tubos curvados.
En el caso de una caldera convencional, una fuga repentina de vapor en la cámara de combustión es bastante peligrosa: es probable que el fuego salga disparado por la puerta de la cámara de combustión, con resultados desafortunados para cualquiera que se encuentre en el camino. En el caso de una caldera de alta presión, los resultados son aún más peligrosos debido a la mayor liberación de energía. Esto quedó demostrado en la tragedia de Fury , aunque se concluyó que la causa de la falla de los tubos en ese caso fue un sobrecalentamiento debido a la falta de flujo de vapor, en lugar de la formación de incrustaciones.
Uno de los primeros en experimentar con vapor a alta presión fue Jacob Perkins , quien aplicó su sistema de " tubo hermético " a las calderas de las locomotoras de vapor y en 1836 se fabricaron varias locomotoras que utilizaban este principio para el ferrocarril de Londres y el suroeste .
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Una forma de evitar los problemas de corrosión y incrustaciones a alta presión es utilizar agua destilada , como se hace en las centrales eléctricas . [ cita requerida ] Los gases disueltos, como el oxígeno y el dióxido de carbono, también provocan corrosión a altas temperaturas y presiones, y deben evitarse. La mayoría de las locomotoras no tenían condensadores, por lo que no había una fuente de agua de alimentación pura. Una solución fue el sistema Schmidt. [2]
El sistema Schmidt utilizaba un circuito de ultraalta presión sellado que simplemente transfería calor a un circuito de alta presión, por medio de serpentines de calentamiento dentro de una caldera de alta presión. Si este último se alimentaba con agua corriente, se podían formar incrustaciones en el exterior de los serpentines de calentamiento, pero no podían causar un sobrecalentamiento porque los tubos de ultraalta presión eran perfectamente capaces de soportar la temperatura interna del vapor, aunque no la temperatura de la llama de la cámara de combustión.
El circuito sellado de ultraalta presión funcionaba a entre 1200 y 1600 psi (8,27 y 11,03 MPa), dependiendo de la velocidad de encendido. La caldera de alta presión funcionaba a aproximadamente 850 psi (5,86 MPa), y la caldera de baja presión a entre 200 y 250 psi (1,38 y 1,72 MPa). Las calderas de ultraalta presión y alta presión eran de diseño acuotubular , mientras que la caldera de baja presión era una caldera pirotubular típica de las locomotoras de vapor. Los cilindros de baja presión se accionaban con una mezcla del escape del cilindro de alta presión y la salida de la caldera de baja presión. Tanto las calderas de alta presión como las de baja presión tenían sobrecalentadores .
El PL241P francés , el H17-206 alemán y el LMS 6399 Fury británico utilizaban el sistema Schmidt y tenían un diseño básicamente similar. El HS-1a de New York Central y el 8000 canadiense también utilizaban el sistema Schmidt, pero eran de un tamaño superior en conjunto: el 8000 pesaba más del doble que el Fury.
Otra forma de evitar la formación de incrustaciones en la caldera de alta presión es utilizar únicamente vapor para transferir el calor del fuego; el vapor, por supuesto, no puede depositar incrustaciones. El vapor saturado de un generador de vapor de alta presión se bombeaba a través de los tubos del sobrecalentador de alta presión que cubrían la caja de fuego. Allí se sobrecalentaba a unos 900 °F (482 °C) y la presión se elevaba a 1700 psi (11,72 MPa). Sólo una cuarta parte de esto se alimentaba a los cilindros de alta presión; el resto se devolvía al generador de vapor, donde su calor evaporaba más agua para continuar el ciclo.
El escape del cilindro de alta presión pasaba por un calentador de alimentación de gas LP y luego por los tubos de una caldera de gas LP; esto era aproximadamente equivalente a la caldera de gas LP en el sistema Schmidt, pero se calentaba con vapor de escape de alta presión, no con gases de combustión. El vapor se elevaba en la caldera de gas LP a 225 psi (1,55 MPa), se alimentaba al sobrecalentador de gas LP y luego al cilindro de gas LP. El escape de gas LP alimentaba el tubo de explosión en la caja de humo. El escape de alta presión condensado en los tubos de calentamiento de la caldera de gas LP se bombeaba de regreso al generador de vapor de alta presión. Era un sistema complejo.
La única locomotora construida con este sistema fue la alemana DRG H 02 1001 de 1930. No tuvo éxito por ser extremadamente poco fiable.
El prototipo Baldwin 60000 funcionaba a una presión relativamente baja de 350 psi (2,41 MPa) y no utilizaba ninguno de los complejos sistemas descritos anteriormente. Tenía una caldera acuotubular relativamente convencional y una caldera pirotubular . Sin embargo, los altos costos de mantenimiento y la poca confiabilidad anularon las economías de combustible prometidas por la alta presión y la mezcla, y el diseño no se repitió. Se construyeron otras locomotoras de alta presión moderadamente convencionales en los EE. UU., incluida la locomotora LF Loree de triple expansión de 1933, pero ninguna tuvo éxito.
En 1908, HW Bell y compañía introdujeron una exitosa línea de locomotoras de alta presión que continuaron en producción hasta la década de 1920. La tecnología básica utilizada en estas máquinas se derivó de la Stanley Steamer . [3] Las más pequeñas de ellas eran locomotoras de vía estrecha que pesaban solo 5000 libras (2300 kg) y tenían una distancia entre ejes de 5 pies (1,5 m) , pero operaban a 500 psi (3,45 MPa) y las calderas se probaron a 1200 psi (8,27 MPa). La caldera pirotubular vertical estaba enrollada con cuerda de piano , y las bielas y manivelas estaban completamente cerradas y engranadas a un eje. [4] Bell Locomotive Works anunció modelos posteriores a una presión más convencional de 325 psi (2,24 MPa) o 350 psi (2,41 MPa). [5] [6]
En Gran Bretaña, el LNER Clase W1 se construyó con una caldera acuotubular de tipo marino que funcionaba a 450 psi (3,10 MPa) en 1929. No tuvo mucho éxito y se reconstruyó con una caldera pirotubular convencional en 1936.
