En una máquina de vapor , la caja de fuego es el área donde se quema el combustible , produciendo calor para hervir el agua en la caldera . La mayoría tienen forma de caja, de ahí el nombre. Los gases calientes generados en la caja de fuego se extraen a través de una rejilla de tubos que atraviesa la caldera. [1] [2]
En la caldera pirotubular de una locomotora de vapor estándar , la cámara de combustión está rodeada por un espacio de agua en cinco lados. La parte inferior de la cámara de combustión está abierta a la presión atmosférica, pero cubierta por rejillas de combustión (combustible sólido) o una bandeja de combustión (combustible líquido). Si el motor quema combustible sólido, como madera o carbón, hay una rejilla que cubre la mayor parte de la parte inferior de la cámara de combustión para mantener el fuego. Un cenicero, montado debajo de la cámara de combustión y debajo de las rejillas, atrapa y recoge las brasas calientes, las cenizas y otros desechos sólidos de la combustión a medida que caen a través de las rejillas. En una locomotora que quema carbón, las rejillas se pueden sacudir para limpiar las cenizas muertas del fondo del fuego. Se sacuden manualmente o (en locomotoras más grandes) con un sacudidor de rejilla motorizado. Las locomotoras que queman leña tienen rejillas fijas que no se pueden sacudir. La ceniza de madera es generalmente polvo que caerá a través de las rejillas sin necesidad de agitación adicional a las vibraciones de la locomotora rodando por la vía. Las rejillas de combustión deben reemplazarse periódicamente debido al calor extremo que deben soportar. El aire de combustión (aire primario) ingresa por la parte inferior de la cámara de combustión y el flujo de aire generalmente se controla mediante compuertas de compuerta sobre el bolsillo de recolección de cenizas del cenicero. Una locomotora que quema combustible líquido, generalmente fueloil "Bunker C" o fueloil pesado similar, no tiene rejillas. En su lugar, tienen una bandeja de combustión de calibre pesado de metal atornillada firmemente contra la parte inferior de la cámara de combustión. La bandeja de combustión está cubierta con ladrillo refractario y la cámara de combustión tiene un revestimiento de ladrillo refractario, generalmente hasta el nivel de la puerta de la cámara de combustión, en todo el perímetro de la cámara de combustión. El quemador de fueloil es una boquilla que contiene una ranura para que el fueloil fluya hacia un chorro de vapor que atomiza el fueloil en una niebla fina que se enciende en la cámara de combustión. La boquilla del quemador de fueloil generalmente se monta en la parte delantera de la cámara de combustión, protegida por una cubierta de ladrillo refractario y dirigida a la pared de ladrillo refractario debajo de la puerta de la cámara de combustión. Las compuertas controlan el flujo de aire hacia el fuego de fueloil.
Hay un gran arco de ladrillo (hecho de ladrillo refractario ) unido a la pared frontal (placa de garganta de la caldera) de la caja de fuego inmediatamente debajo de los tubos de fuego. Este se extiende hacia atrás sobre el tercio delantero a la mitad del lecho de fuego. Está sostenido por tubos de arco, sifones térmicos o circuladores. El arco de ladrillo dirige el calor, las llamas y el humo de vuelta sobre el fuego hacia la parte trasera de la caja de fuego. El humo visible contiene partículas de carbono combustibles sin quemar y gases combustibles. El propósito de esta redirección es provocar una combustión más completa de estas partículas y gases que hacen que la locomotora sea más eficiente y hacen que se emita menos humo visible desde la chimenea. Sin el arco, las llamas y el humo visible serían succionados directamente hacia los tubos de fuego sin haberse quemado completamente, lo que provocaría la emisión de humo visible en la chimenea. La invención del arco de ladrillo permitió a las locomotoras quemar carbón más barato (que contiene sustancias volátiles) en lugar de coque, habiendo sido un requisito legal desde el principio que las locomotoras "consumieran su propio humo". El arco de ladrillo y sus soportes (tubos del arco, sifones térmicos y circuladores) requieren un reemplazo periódico debido al calor extremo que soportan. El arco de ladrillo también desvía el aire "frío" que ingresa a través de la puerta de la cámara de combustión para que no golpee directamente la placa de tubos trasera de la caldera y la enfríe cuando la caldera está caliente.
Los tubos de humos se fijan a una de las paredes de la cámara de combustión (la pared frontal en el caso de una caldera longitudinal, la superior en el caso de una caldera vertical) y transportan los productos gaseosos calientes de la combustión a través del agua de la caldera, calentándola, antes de que escapen a la atmósfera. Los tubos de humos tienen la función adicional de sujetar las láminas de tubos planos (delantera y trasera) de modo que solo la parte superior de la lámina de humos delantera y la parte inferior de la lámina de humos trasera deben sujetarse por separado.
Las paredes metálicas de la caja de fuego se denominan normalmente láminas , que están separadas y sostenidas por tirantes . Los tirantes sostienen y sujetan las "láminas" (placas) contra la presión. Idealmente, deberían estar ubicados en ángulos rectos con respecto a las láminas, pero como la lámina exterior (lámina envolvente) a menudo es redondeada y la parte superior de la caja de fuego (lámina de corona) es relativamente plana en comparación, tal relación con ambas láminas es imposible. La ubicación real de los tirantes es un compromiso. Como la rotura de los tirantes está oculta, los tirantes tienen orificios longitudinales, llamados indicadores , perforados en ellos que expulsarán agua y vapor, revelando si están rotos. Una caldera con más de 5 tirantes rotos, o dos uno al lado del otro, debe retirarse del servicio y los tirantes deben reemplazarse. Los tapones fusibles , generalmente ubicados en la parte más alta de la lámina de corona, tienen un núcleo de aleación de metal blando que se derrite si el nivel de agua en la caldera baja demasiado. El vapor y el agua que entran en la cámara de combustión alertan a la tripulación de la locomotora sobre la condición de bajo nivel de agua y ayudan a apagar el incendio. No todas las locomotoras están equipadas con tapones fusibles. Además, los tapones fusibles deben reemplazarse a intervalos regulares, aproximadamente cada tres meses para una locomotora en servicio regular, porque el núcleo de aleación de metal blando se derretirá lentamente con el tiempo incluso si el agua de la caldera se transporta en niveles adecuados. Los "pozos de lodo" o tapones de lavado permiten el acceso al interior de la caldera para lavar y raspar el lodo y las incrustaciones de la caldera .
Las láminas de la izquierda y la derecha se denominan "láminas laterales", mientras que la lámina que se encuentra en la parte delantera de la caja de fuego es la lámina de humos. La "lámina de humos delantera" está en la parte delantera de la caldera y en la parte trasera de la caja de humos. La "lámina trasera" está en la parte trasera de la caja de fuego y tiene la abertura de la puerta en ella. La lámina de corona es la parte superior de la caja de fuego. La lámina de corona debe estar cubierta de agua en todo momento. Si el nivel del agua cae por debajo de la lámina de corona, se sobrecalentará y comenzará a derretirse y deformarse, generalmente hundiéndose entre los tirantes de la corona . Si la condición continúa, la lámina de corona eventualmente se saldrá de los tirantes de corona por la presión en la caldera, lo que provocará una explosión de la caldera. Esta condición, generalmente causada por un error humano o por la falta de atención, es la principal causa de explosión de la caldera de una locomotora. [ cita requerida ]
Normalmente, la parte superior de la caldera (chapa envolvente) sobre la caja de fuego es radial para coincidir con el contorno de la caldera; sin embargo, debido al problema de colocar los soportes en ángulos rectos tanto con la hoja envolvente como con la hoja de corona (ver arriba), se desarrolló la caja de fuego Belpaire . En el diseño Belpaire, la hoja envolvente es aproximadamente paralela a las hojas de la caja de fuego para permitir una mejor colocación de los soportes. Esta disposición le da al extremo de la caja de fuego de la caldera una forma más cuadrada y generalmente se hace lo más grande posible dentro del gálibo de carga , para ofrecer la mayor superficie de calentamiento donde el fuego es más caliente. El usuario más notable de la caja de fuego Belpaire en los Estados Unidos fue el ferrocarril de Pensilvania. Otros ferrocarriles, como el Great Northern y el Illinois Central, tenían locomotoras con cajas de fuego Belpaire. Illinois Central 4-6-0 #382, la locomotora de Casey Jones, tenía una caja de fuego Belpaire. El vapor generalmente se recolecta en las esquinas delanteras de una caja de fuego Belpaire, lo que permite una caldera sin cúpula. La parte superior de la caja de fuego, en lugar de ser horizontal, es visiblemente más alta en la parte delantera que en la trasera para reducir el riesgo de que el agua se derrame junto con el vapor.
La caja de fuego de Wootten era muy alta y ancha para permitir la combustión de los residuos de carbón antracita . Su tamaño requería una colocación inusual de la tripulación, como por ejemplo las locomotoras con motor a lomo de camello .
Algunas cajas de fuego estaban equipadas con una llamada cámara de combustión , este es un componente distinto de la caja de fuego y los tubos: una gran extensión única del espacio de la caja de fuego, dentro del barril de la caldera, y por encima del arco de ladrillo y separada de la rejilla y el lecho del fuego, esto colocaba espacio adicional entre el fuego y el tubo de fuego trasero/hoja de humos.
Esto permitió una combustión más completa (reduciendo el desperdicio de combustible) y aumentó la superficie de la caja de fuego para una mayor transferencia de calor; estos factores mejoraron tanto la eficiencia de la caldera como el ahorro de combustible. La combustión mejorada (que reduce la expulsión de hollín y carbón) redujo el arrastre de cenizas y hollín hacia los tubos de humo y la caja de humo, lo que redujo la frecuencia de limpieza necesaria. La acumulación de hollín y sarro (en el lado del agua) reduce gravemente la transferencia de calor a través de los tubos de humo y los conductos de humo, lo que reduce la generación de vapor y la eficiencia de la caldera.
La acumulación de hollín y sarro también puede provocar un sobrecalentamiento y la posterior falla del tubo si no se limpia adecuadamente para eliminar el hollín (con agua, aire comprimido y varillas de limpieza) y el sarro con lavados de calderas y tratamiento de agua, por ejemplo, el Tratamiento Porta (minimiza y prácticamente previene la acumulación de sarro) debe su nombre al ingeniero de locomotoras argentino Livio Dante Porta , quien lo inventó.
El papel del bombero en una locomotora de vapor es garantizar que el conductor tenga un suministro adecuado de vapor a su disposición en todo momento. Esto se logra manteniendo un suministro de combustible al fuego, monitoreando el humo del fuego y controlándolo mediante el uso de aire primario a través de la rejilla/cama del fuego y aire secundario a través de la puerta de la cámara de combustión y manteniendo el nivel de agua de la caldera mediante el uso de inyectores de vapor de modo que cubra la chapa superior de la cámara de combustión en todo momento; de lo contrario, esta última se sobrecalentará y se debilitará, y puede producirse una explosión de la caldera . El bombero también ayuda al conductor detectando señales y vigilando bien cuando no está atendiendo la caldera. En el cobertizo, después de que finalice el trabajo del día, el bombero llenará la caldera con agua y apagará o apagará el fuego o dejará que el fuego se apague de acuerdo con la política de la empresa, aplicará el freno de mano de la locomotora y, si es necesario, calzará las ruedas del conductor para evitar que la locomotora se mueva mientras no esté atendida. [3]
Las locomotoras de carretera, como las máquinas de tracción , generalmente tenían cajas de fuego similares a las de las locomotoras de ferrocarril, pero había excepciones, por ejemplo, el vagón de vapor Sentinel que tenía una caldera de tubos de agua verticales .
Había, y hay, muchos diseños diferentes de cámaras de combustión para calderas estacionarias. En las calderas de tipo chimenea (por ejemplo, la caldera Lancashire ), las propias chimeneas forman la cámara de combustión. En las calderas acuotubulares , la cámara de combustión suele ser un compartimento revestido de ladrillos refractarios debajo de los tubos de agua.
En las calderas marinas también existen distintos tipos de cámara de combustión. La principal distinción se establece, de nuevo, entre los tipos pirotubulares (por ejemplo, la caldera escocesa , con cámara de combustión interna) y los tipos acuotubulares (por ejemplo, la caldera Yarrow , con cámara de combustión externa).
