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Una caja de humos es una de las partes básicas principales del sistema de escape de una locomotora de vapor . El humo y los gases calientes pasan desde la caja de humos a través de tubos donde transmiten calor al agua circundante en la caldera . Luego, el humo ingresa a la caja de humos y se expulsa a la atmósfera a través de la chimenea (o embudo ). Las primeras locomotoras no tenían caja de humos y dependían de una chimenea larga para proporcionar una corriente de aire natural para el fuego, pero las cajas de humos pronto se incluyeron en el diseño por dos razones específicas. En primer lugar, y lo más importante, la ráfaga de vapor de escape de los cilindros, cuando se dirige hacia arriba a través de una caja de humos hermética con un diseño apropiado de boquilla de escape, atrae eficazmente los gases calientes a través de los tubos y conductos de la caldera y, en consecuencia, aire fresco de combustión hacia la caja de humos. En segundo lugar, la caja de humos proporciona un punto de recolección conveniente para las cenizas y las brasas ("carbonilla") extraídas a través de los tubos de la caldera, que se pueden limpiar fácilmente al final de una jornada laboral. Sin una caja de humo, todo el carbón debe pasar por la chimenea o se acumulará en los tubos y conductos de humos, bloqueándolos gradualmente.
La caja de humos parece ser una extensión delantera de la caldera, aunque no contiene agua y es un componente independiente. Las cajas de humos suelen estar hechas de placas de acero remachadas o soldadas y el suelo está revestido de hormigón para proteger el acero de la carbonización caliente y el ácido o del ataque del agua de lluvia.
Para facilitar el paso del humo y los gases calientes, se suele utilizar un soplador . Se trata de un tubo que termina en un anillo que contiene agujeros del tamaño de un alfiler, lo que crea un "anillo" de chorros de vapor . El vapor expulsa el humo y atrae más gases a través de los tubos. Esto, a su vez, hace que el aire pase a través de la rejilla y el orificio de combustión, lo que hace que el fuego arda más fuerte.
Cuando la locomotora está en movimiento, el vapor de escape pasa por el tubo de escape , que se encuentra dentro de la caja de humos. El vapor se expulsa a través de la chimenea, avivando nuevamente el fuego. El tubo de escape es el que produce el característico sonido de "resoplado".
Las dimensiones del tubo de escape y de la chimenea son fundamentales para la capacidad de generación de vapor de la locomotora y para su economía de combustible, ya que existe un equilibrio natural entre un chorro de vapor de alta velocidad que genera un fuerte tiro al fuego y una contrapresión en el escape. Pequeños cambios en este diseño de la "parte delantera" pueden tener un impacto dramático. Los diseños de escape más complejos, como Kylchap, Lempor y Giesl, pueden lograr mejores resultados que la disposición simple de tubo de escape y chimenea.
Las cenizas y el hollín que pueden estar presentes en el humo se depositan a menudo en la caja de humos. La parte delantera de la caja de humos tiene una puerta, que se abre para eliminar estos depósitos al final de cada jornada de trabajo de la locomotora. La(s) manija(s) deben apretarse completamente para evitar fugas de aire, lo que reduciría el tiro del fuego y también podría permitir que cualquier carbón no quemado en el fondo de la caja de humos se incendiara allí. Una puerta de la caja de humos con fugas a menudo se revela por una mancha de metal al rojo vivo cuando la locomotora está en funcionamiento o pintura ampollada y metal oxidado cuando está fría.
Algunas puertas de la caja de humos tienen una sola manija en forma de rueda ; muchas locomotoras de fabricación británica, en particular los tipos GWR y BR Standard, tienen un par de manijas en la puerta de la caja de humos que se asemejan a las manecillas de un reloj ; también existen otros diseños. El tipo con un par de manijas tiene una barra horizontal a lo largo de la caja de humos dentro de la puerta, un orificio en el que se engancha un "dardo" unido a la parte interior de las dos manijas cuando está a las 12 en punto o a las 6 en punto; la manija exterior se usa para bloquear la interior. El ferrocarril Midland y LMS usaron abrazaderas separadas alrededor de la circunferencia de la puerta, lo que permitió que su característica placa de número de la caja de humos estuviera ubicada en el centro de la puerta.
En muchas apisonadoras, una extensión del cuerpo de la caja de humos también aloja el cojinete que sostiene el rodillo delantero. Debido a las limitaciones de espacio, estas apisonadoras suelen tener una trampilla abatible en lugar de una puerta circular de la caja de humos.
La caja de humos incorpora las tuberías de vapor principales provenientes del regulador (o cabezal del sobrecalentador), una de las cuales conduce a cada caja de válvulas, una parte de la fundición del cilindro. Estas tuberías pueden atravesar la pared de la caja de humos para unirse con el cilindro (tuberías de vapor externas) o pueden permanecer dentro del perfil de la caja de humos (tuberías de vapor internas). Las tuberías de vapor internas no requieren revestimiento, ya que la caja de humos las mantiene calientes, pero las tuberías de vapor externas son más comunes para las locomotoras con cilindros fuera de los bastidores. Algunas clases de locomotoras usaban ambos tipos según la fecha en que se construyó el lote (por ejemplo, la clase LNER V2 ).
Como las pérdidas de calor son de poca importancia, la caja de humos no suele estar revestida. En la mayoría de los casos, parece tener el mismo diámetro que la caldera de la locomotora terminada, pero esto se debe únicamente al revestimiento de la caldera; la caldera es más estrecha. Las locomotoras de tanque solían tener los tanques de agua antes de llegar a la caja de humos sin revestimiento, ya que de lo contrario la temperatura del agua podría aumentar lo suficiente como para causar problemas con los inyectores .
Las clases estándar de British Railways utilizan este diseño, en el que se incorpora una rejilla de malla robusta a la caja de humos, formando un filtro entre la placa de tubos delantera y el escape. Los trozos grandes de carbón que pasan a través de los tubos de la caldera tienden a romperse al impactar con la malla, lo que crea partículas más finas que son arrastradas hacia la chimenea en lugar de acumularse en el fondo de la caja de humos. Esto no elimina la necesidad de limpiar la caja de humos, pero reduce la cantidad de trabajo que se debe realizar. En el mejor de los casos, la limpieza de la caja de humos solo sería necesaria entre los lavados de la caldera, normalmente en intervalos de dos semanas.
El diseño clásico de una locomotora de vapor tiene la caja de humos y la chimenea en la parte delantera de la locomotora, lo que se conoce como "caja de humos por delante". Algunos diseños invertían el diseño para evitar problemas (asfixia y mala visibilidad) causados por el escape que se desviaba hacia la tripulación; se denominaban locomotoras con cabina hacia delante .
En la caja de humos se suele instalar un parachispas, que puede ser una malla cilíndrica que va desde la parte superior del tubo de salida de humos hasta la parte inferior de la chimenea. Los parachispas sirven para evitar que fragmentos de cenizas calientes demasiado grandes se liberen al medio ambiente, donde pueden suponer un riesgo de incendio. Por este motivo, los parachispas se suelen instalar en locomotoras que circulan por entornos secos. No deben confundirse con los parachispas externos que se instalan en algunas locomotoras. La presencia de un parachispas puede tener un efecto termodinámico, distorsionando la aspiración de aire sobre el fuego y reduciendo así la potencia total de salida. Por ello, su uso puede ser polémico.
Las locomotoras equipadas con un sobrecalentador suelen tener un cabezal de sobrecalentamiento en la caja de humos. El vapor entra en el cabezal como vapor "húmedo" (saturado) y luego pasa a través de un elemento de sobrecalentamiento. Este adopta la forma de un tubo que pasa dos veces por un tubo de humos agrandado en la caldera. El vapor sale a una cámara separada en el cabezal como vapor sobrecalentado o seco. La ventaja del sobrecalentamiento es que el vapor tiene mayores propiedades expansivas al entrar en los cilindros, por lo que se puede obtener más potencia con una menor cantidad de agua y combustible.
