Una caldera acuotubular de alta presión [1] (también deletreada acuotubular y acuotubular) es un tipo de caldera en la que circula agua en tubos calentados externamente por fuego. El combustible se quema dentro del horno , creando gas caliente que hierve el agua en los tubos generadores de vapor. En las calderas más pequeñas, los tubos generadores adicionales están separados en el horno, mientras que las calderas de servicios públicos más grandes dependen de los tubos llenos de agua que forman las paredes del horno para generar vapor .
La mezcla calentada de agua y vapor luego sube al tambor de vapor . Aquí, el vapor saturado se extrae de la parte superior del tambor. En algunos [ ¿cuáles? ] servicios, el vapor pasa a través de tubos en la ruta del gas caliente (un sobrecalentador ) para sobrecalentarse . El vapor sobrecalentado es un gas seco y, por lo tanto, se utiliza normalmente para impulsar turbinas, ya que las gotas de agua pueden dañar gravemente las palas de las turbinas.
El agua saturada en el fondo del tambor de vapor regresa al tambor inferior a través de 'tubos de bajada' de gran diámetro, donde precalienta el suministro de agua de alimentación. (En calderas de servicios públicos grandes, el agua de alimentación se suministra al tambor de vapor y los bajantes suministran agua al fondo de las paredes de agua). Para aumentar la economía de la caldera, los gases de escape también se utilizan para precalentar el aire de combustión que se introduce en los quemadores y para calentar el suministro de agua de alimentación en un economizador . Estas calderas acuotubulares en las centrales térmicas también se denominan unidades generadoras de vapor .
El diseño más antiguo de caldera pirotubular , en el que el agua rodea la fuente de calor y los gases de la combustión pasan a través de tubos dentro del espacio de agua, suele tener una estructura mucho más débil y rara vez se utiliza para presiones superiores a 2,4 MPa (350 psi). Una ventaja significativa de la caldera acuotubular es que hay menos posibilidades de que se produzca una avería catastrófica: no hay un gran volumen de agua en la caldera ni hay grandes elementos mecánicos sujetos a avería.
Blakey de Inglaterra patentó una caldera acuotubular en 1766 y fue fabricada por Dallery de Francia en 1780. [2]
"La capacidad de las calderas acuotubulares de diseñarse sin el uso de recipientes a presión excesivamente grandes y de paredes gruesas hace que estas calderas sean particularmente atractivas en aplicaciones que requieren vapor seco, de alta presión y de alta energía, incluida la generación de energía con turbinas de vapor". [3]
Debido a sus excelentes propiedades de funcionamiento, el uso de calderas acuotubulares se prefiere en las siguientes áreas principales:
Además, se emplean frecuentemente en plantas de generación de energía donde generalmente se requieren grandes cantidades de vapor (hasta 500 kg/s) con altas presiones, es decir, aproximadamente 16 megapascales (160 bar) y altas temperaturas que alcanzan hasta 550 °C. Por ejemplo, la central de energía solar Ivanpah utiliza dos calderas acuotubulares Rentech tipo D para el calentamiento de la planta y cuando funciona como central eléctrica de combustible fósil. [4]
Las calderas modernas para la generación de energía son casi exclusivamente diseños de tubos de agua, debido a su capacidad para funcionar a presiones más altas. Cuando el vapor de proceso se necesita para calentar o como componente químico, todavía queda un pequeño nicho para las calderas pirotubulares. Una excepción notable son las centrales nucleares típicas ( reactores de agua a presión ), donde los generadores de vapor generalmente están configurados de manera similar a los diseños de calderas pirotubulares. En estas aplicaciones, la ruta del gas caliente a través de los "tubos de fuego" en realidad transporta el refrigerante primario muy caliente/de alta presión desde el reactor, y se genera vapor en la superficie externa de los tubos.
Su capacidad para trabajar a presiones más altas ha llevado a que las calderas marinas sean casi exclusivamente acuotubulares. Este cambio comenzó alrededor de 1900 y se remonta a la adopción de turbinas para propulsión en lugar de motores alternativos (es decir, de pistón), aunque las calderas acuotubulares también se utilizaban con motores alternativos y las calderas pirotubulares también se utilizaban en muchas aplicaciones de turbinas marinas.
No ha habido una adopción significativa de calderas acuotubulares para locomotoras ferroviarias. Se produjeron unos cuantos diseños experimentales, pero ninguno de ellos tuvo éxito ni condujo a su uso generalizado. [5] La mayoría de las locomotoras acuotubulares, especialmente en Europa, utilizaban el sistema Schmidt . La mayoría eran compuestos y algunos uniflow . El Jawn Henry de Norfolk and Western Railway fue una excepción, porque utilizaba una turbina de vapor combinada con una transmisión eléctrica. [6]
Una adopción ligeramente más exitosa fue el uso de sistemas híbridos de tubos de agua y tubos de fuego. Como la parte más caliente de la caldera de una locomotora es el hogar , fue una buena idea utilizar aquí una construcción acuotubular y una caldera pirotubular convencional como economizador (es decir, precalentador) en la posición habitual.
Un ejemplo famoso de esto fue el Baldwin 4-10-2 No. 60000 de EE. UU. , construido en 1926. Operando como un compuesto a una presión de caldera de 2.400 kilopascales (350 psi), cubrió más de 160.000 kilómetros (100.000 millas) con éxito. Sin embargo, después de un año, quedó claro que todas las economías estaban abrumadas por los costos adicionales, y lo retiraron a una exhibición en el museo del Instituto Franklin en Filadelfia, Pensilvania. [8] Se construyó una serie de doce locomotoras experimentales en los talleres de Mt. Clare del ferrocarril de Baltimore y Ohio bajo la supervisión de George H. Emerson, pero ninguna de ellas fue replicada en número alguno. [9]
El único uso ferroviario de calderas acuotubulares en número fue la caldera Brotan, inventada por Johann Brotan en Austria en 1902, y que se encuentra en raros ejemplos en toda Europa, aunque Hungría era un usuario entusiasta y tenía alrededor de 1.000. Al igual que el Baldwin, combinaba una cámara de combustión con tubo de agua y un cañón con tubo de fuego. La característica original del Brotan era un largo tambor de vapor que pasaba por encima del cañón principal, lo que le hacía parecerse en apariencia a una caldera Flaman . [10] [11]
Mientras que el motor de tracción se construía normalmente utilizando la caldera de la locomotora como estructura, otros tipos de vehículos de carretera a vapor, como camiones y automóviles , han utilizado una amplia gama de diferentes tipos de calderas. Los pioneros del transporte por carretera Goldsworthy Gurney y Walter Hancock utilizaron calderas acuotubulares en sus vagones de vapor alrededor de 1830.
La mayoría de los vagones de tipo inferior utilizaban calderas acuotubulares. Muchos fabricantes utilizaron variantes de la caldera de tubos transversales verticales, incluidos Atkinson , Clayton , Garrett y Sentinel . Otros tipos incluyen el ' tubo dedal ' de Clarkson y la caldera en forma de pistola del vagón tipo O de Foden . [12]
Los fabricantes de camiones de bomberos a vapor , como Merryweather, solían utilizar calderas acuotubulares por su rápida capacidad de generación de vapor.
Muchos vagones de vapor utilizaban calderas acuotubulares, y la empresa Bolsover Express incluso fabricó un sustituto de agua para la caldera pirotubular Stanley Steamer . [13]
El ' tipo D ' es el tipo más común de calderas de tamaño pequeño y mediano, similar al que se muestra en el diagrama esquemático. Se utiliza tanto en aplicaciones estacionarias como marinas. Consiste en un gran tambor de vapor conectado verticalmente a un tambor de agua más pequeño (también conocido como "tambor de barro") a través de múltiples tubos generadores de vapor. Estos tambores y tubos, así como el quemador de gasóleo, están rodeados por paredes de agua: tubos adicionales llenos de agua espaciados muy juntos para evitar el flujo de gas entre ellos. Estos tubos de pared de agua están conectados a los tambores de vapor y de agua, de modo que actúan como una combinación de precalentadores y bajantes, además de disminuir la pérdida de calor hacia la carcasa de la caldera.
Las calderas tipo M se utilizaron en muchos buques de guerra estadounidenses de la Segunda Guerra Mundial, incluidos cientos de destructores clase Fletcher . Tres juegos de tubos tienen la forma de una M y crean un sobrecalentador encendido por separado que permite un mejor control de la temperatura del sobrecalentamiento. Además del tambor de lodo que se muestra en una caldera tipo D, una caldera tipo M tiene un cabezal de filtro de agua y un cabezal de pared de agua en la parte inferior de las dos filas adicionales de tubos verticales y bajantes.
La caldera de bajo contenido de agua tiene un cabezal superior e inferior conectados por tubos de agua que inciden directamente desde el quemador. Se trata de una caldera "sin horno" que puede generar vapor y reaccionar rápidamente a los cambios de carga.
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Diseñado por la firma estadounidense Babcock & Wilcox , este tipo tiene un solo tambor, con agua de alimentación extraída desde el fondo del tambor hacia un cabezal que suministra agua a tubos inclinados. Los tubos de agua devuelven vapor a la parte superior del tambor. Los hornos están ubicados debajo de los tubos y el tambor.
Este tipo de caldera fue utilizada por las fragatas clase Leander de la Royal Navy y en los cruceros clase New Orleans de la Marina de los Estados Unidos .
La caldera Stirling tiene tubos de agua casi verticales y casi rectos que zigzaguean entre varios tambores de vapor y agua. Por lo general, hay tres bancos de tubos en un diseño de "cuatro tambores", pero ciertas aplicaciones utilizan variaciones diseñadas con un número diferente de tambores y bancos.
Se utilizan principalmente como calderas estacionarias debido a su gran tamaño, aunque la gran superficie de la parrilla también favorece su capacidad para quemar una amplia gama de combustibles. Originalmente alimentados con carbón en las centrales eléctricas, también se generalizaron en industrias que producían desechos combustibles y requerían vapor de proceso. Las fábricas de celulosa podrían quemar residuos de corteza y las refinerías de azúcar, sus residuos de bagazo . Es una caldera de tambor horizontal.
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Este tipo de caldera de tres tambores , que lleva el nombre de sus diseñadores, Yarrow Shipbuilders , entonces con sede en Poplar , tiene tres tambores en una formación de delta conectados por tubos de agua. Los tambores están unidos por tubos de agua rectos, lo que permite una fácil limpieza de los tubos. Sin embargo, esto significa que los tubos entran en los tambores en diferentes ángulos, una junta más difícil de calafatear . Fuera de la cámara de combustión, un par de tubos fríos entre cada tambor actúan como bajantes . [14]
Debido a sus tres tambores, la caldera Yarrow tiene una mayor capacidad de agua. Por lo tanto, este tipo se utiliza normalmente en aplicaciones de calderas marinas más antiguas . Su tamaño compacto lo hizo atractivo para su uso en unidades transportables de generación de energía durante la Segunda Guerra Mundial . Para hacerla transportable, la caldera y sus equipos auxiliares (calefacción de fueloil, unidades de bombeo, ventiladores, etc.), turbinas y condensadores se montaron en vagones para su transporte por ferrocarril .
El tipo White-Forster es similar al Yarrow, pero con tubos que se van curvando gradualmente. Esto hace que su entrada en los tambores sea perpendicular, por lo que es más sencillo realizar un sellado confiable. [14]
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Diseñado por el constructor naval John I. Thornycroft & Company , el tipo Thornycroft presenta un solo tambor de vapor con dos juegos de tubos de agua a cada lado del horno. Estos tubos, especialmente el conjunto central, presentan curvas pronunciadas. Aparte de las dificultades obvias para limpiarlos, esto también puede dar lugar a fuerzas de flexión a medida que los tubos se calientan, tendiendo a soltarlos de la placa de tubos y creando una fuga. Hay dos hornos, que ventilan hacia un escape común, lo que le da a la caldera un perfil cónico de base amplia. [14]
En una caldera de circulación forzada , se añade una bomba para acelerar el flujo de agua a través de los tubos. [15]
La clase Delaware y Hudson E7 de locomotoras con caldera acuotubular constaba de tres ejemplos 1400-1402
