Una caldera de carcasa o de combustión es una forma temprana y relativamente simple de caldera utilizada para producir vapor , generalmente con el fin de impulsar una máquina de vapor . El diseño marcó una etapa de transición en el desarrollo de las calderas, entre las primeras calderas de pajar y las posteriores calderas pirotubulares multitubulares . Una caldera de combustión se caracteriza por una gran carcasa cilíndrica que forma un tanque de agua, atravesada por uno o más grandes conductos de humos que contienen el horno . Estas calderas aparecieron a principios del siglo XIX y algunas formas permanecen en servicio en la actualidad. Aunque se utilizaron principalmente para plantas de vapor estáticas, algunos se utilizaron en los primeros vehículos de vapor, locomotoras de ferrocarril y barcos.
Las calderas de combustión se desarrollaron en un intento de aumentar la presión del vapor y mejorar la eficiencia del motor. Los primeros diseños de pajares de la época de Watt eran mecánicamente débiles y a menudo presentaban una superficie plana sin soporte frente al fuego. Las explosiones de calderas , que generalmente comenzaban con una falla de esta placa del hogar, eran comunes. Se sabía que una estructura arqueada era más fuerte que una placa plana, por lo que se colocó un gran tubo de humos circular dentro de la caldera. El fuego en sí se hacía sobre una rejilla de hierro colocada a lo largo de este conducto, con un cenicero poco profundo debajo para recoger los residuos no combustibles. Esto tenía la ventaja adicional de envolver la superficie de calentamiento alrededor del horno, pero era un beneficio secundario.
Aunque hoy en día se considera de baja presión (quizás 25 psi (1,7 atm )), se consideraba de alta presión en comparación con sus predecesores. Este aumento de presión fue un factor importante para convertir las locomotoras (es decir, pequeños vehículos autónomos) como la de Trevithick en una propuesta práctica.
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La caldera más sencilla para locomotoras tenía un único conducto de humos recto. Fue ampliamente utilizado por muchos de los primeros fabricantes de locomotoras, incluidas las locomotoras de Blenkinsop para el ferrocarril de Middleton y la Locomoción de Stephenson .
Este tipo de caldera es fácil de fabricar y lo suficientemente resistente como para soportar vapor de "alta presión" (para el período) con trabajo expansivo en los cilindros. También hay un buen flujo de gas a través del gran conducto de humos, de modo que el fuego recibe suficiente tiro sólo con la acción de una chimenea alta . Sin embargo, también tiene poca superficie de calefacción, por lo que es ineficiente y quema una gran cantidad de carbón.
Un conducto de humos simple debe ser largo para ofrecer una superficie de calefacción adecuada. En una caldera corta, como la que se requiere para una locomotora de vapor , esto se puede hacer usando un conducto de retorno en forma de U que se dobla sobre sí mismo.
Richard Trevithick ya había utilizado un conducto de retorno con su primer diseño de locomotora Coalbrookdale de 1802 y su motor "Pen-y-Darren" de 1804 . [1] Estas calderas estaban construidas pesadamente de hierro fundido , cortas y de extremos planos. Su locomotora " Newcastle " de 1804/5 (en realidad construida en Gateshead ) comenzó a mostrar un rasgo característico de la caldera de retorno, una forma de cúpula prominente para resistir la presión del vapor en el extremo sólido opuesto tanto al horno como a la chimenea. En este caso, la calderería, ahora de placas de hierro forjado , debe haber sido complicada por el único cilindro horizontal de largo recorrido de Trevithick (9 x 36 pulgadas (230 mm x 910 mm) de diámetro x carrera) que emergió a través de este extremo abovedado. [1] Sin embargo, esto facilitó el trabajo al bombero, ya que ya no estaba tratando de alcanzar una puerta contra incendios debajo de la larga cruceta del pistón.
William Hedley utilizó este modelo de caldera para sus locomotoras de 1813 Puffing Billy y Wylam Dilly . A través de la mina de carbón Wylam y su propietario Christopher Blackett , Hedley habría estado familiarizado con el motor de Trevithick. [2]
El Royal George 0-6-0 de Timothy Hackworth de 1827 también utilizó una caldera de retorno, aunque es más conocido por su uso pionero de una explosión deliberada para fomentar el tiro en el fuego. [1] Su versión 0-4-0 más ligera para los Rainhill Trials , Sans Pareil , era muy similar. [2] Aunque parecían anticuados tan pronto como terminaron las Pruebas, el Samson canadiense de este modelo se construyó en 1838 y todavía estaba en servicio en 1883. [2]
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A menudo se considera que las últimas calderas de retorno de humos construidas (aparte de algunas calderas estacionarias) fueron las construidas por Huber Co. de Marion, Ohio , para sus motores de tracción "New Huber" , de 1885 a 1903. [3]
Sin embargo, no se trataba de calderas de retorno en el sentido aquí utilizado, sino de calderas de retorno . Tenían un único tubo de horno cilíndrico grande, una cámara de combustión externa a la carcasa de presión de la caldera, luego múltiples tubos de fuego estrechos que regresaban a una caja de humo en forma de herradura encima y alrededor de la puerta de incendios. La proximidad de esta cámara de humo al bombero les dio el apodo de "quemadores de barriga". Por tanto, su diseño tiene más en común con las calderas de tipo lanzadera horizontal (como las utilizadas por Sir Arthur Heywood ) o la caldera marina escocesa que con la simple caldera de un solo conducto.
En ese momento, la caldera de locomotora se había vuelto omnipresente para los motores de tracción. En comparación, la ventaja de la caldera Huber era que los tubos de combustión se podían reemplazar más fácilmente, sin necesidad de trabajar desde dentro de una cámara de combustión cerrada.
La forma más simple de caldera de combustión fue la caldera de Cornualles de "alta presión" de Richard Trevithick , instalada por primera vez en la mina Dolcoath en 1812. [4] Se trata de un cilindro largo horizontal con un único conducto de humos grande que contiene el fuego. Como el horno dependía del tiro natural , se necesitaba una chimenea alta en el otro extremo del conducto para fomentar un buen suministro de aire (oxígeno) al fuego.
Para lograr eficiencia, la innovación de Trevithick fue encerrar debajo de la caldera una cámara construida con ladrillos . Los gases de escape pasaban a través del conducto central y luego eran conducidos al exterior y alrededor de la carcasa de hierro de la caldera. Para mantener la chimenea libre del espacio de combustión, el conducto de humos de ladrillo pasaba primero por debajo del centro de la caldera hacia la cara frontal, luego regresaba a lo largo de los lados y hacia la chimenea.
Las calderas de Cornualles tenían varias ventajas sobre las calderas de vagón anteriores : estaban compuestas en su mayoría por superficies curvas, que resistían mejor la presión. Sus extremos planos eran más pequeños que los lados planos de la caldera del vagón y estaban sostenidos por el conducto de humos del horno central y, a veces, por tirantes largos adicionales . Una ventaja menos obvia fue la de las incrustaciones de caldera. Las calderas de vagones o pajares se calentaban desde abajo y las incrustaciones o impurezas que formaban sedimentos se depositaban sobre esta placa, aislándola del agua. Esto redujo la eficiencia de la calefacción y, en casos extremos, podría provocar un sobrecalentamiento local y fallos de las placas de la caldera. En la caldera de combustión, cualquier sedimento caía más allá del conducto de humos del horno y se depositaba en el fondo de la caldera, donde tenía menos efecto. [5]
En ingeniería de modelos , la caldera de Cornualles, particularmente cuando está equipada con tubos Galloway ( ver Caldera Lancashire, a continuación ), es una excelente opción para calderas de gas y modelos de barcos de vapor. Es sencilla de construir y tan eficiente como cualquier caldera de pequeña escala. [6]
La caldera Butterley o "boca de silbato" es un diseño poco conocido derivado del patrón de Cornualles, producido por la famosa calderería Butterley de Derbyshire. [7] Es básicamente una caldera de Cornualles a la que se le ha quitado la mitad inferior de la carcasa alrededor del horno, para permitir encender un gran fuego. Esto lo hizo popular en las fábricas textiles de los Peninos , donde el carbón duro del Norte tenía menos poder calorífico que el carbón galés utilizado en el Suroeste y requería un fuego mayor. [8] Alternativamente, se puede considerar como una caldera de Cornualles acortada con una caldera de vagón colocada frente a ella con un fuego más grande debajo. Tiene el mismo inconveniente que la caldera familiar: la placa cóncava del hogar es mecánicamente débil y esto limita la presión de trabajo o requiere una mayor estabilidad mecánica .
La caldera de Lancashire es similar a la de Cornualles, pero tiene dos grandes conductos que contienen el fuego en lugar de uno. Generalmente se considera que es una invención de William Fairbairn y John Hetherington en 1844, aunque su patente era para el método de encender los hornos alternativamente, para reducir el humo, en lugar de la caldera en sí. [9] La primera locomotora 0-4-0 de Stephenson , " Lancashire Witch " , ya había demostrado el uso de tubos de horno gemelos dentro de una caldera 15 años antes. [1]
Fairbairn había realizado un estudio teórico de la termodinámica de calderas más eficientes, y fue esto lo que le llevó a aumentar el área de la parrilla del horno en relación con el volumen de agua. Una razón particular para esto fue la hasta ahora deficiente adopción de la caldera de Cornualles en las fábricas de algodón de Lancashire, donde el carbón local más duro no podía quemarse satisfactoriamente en el horno más pequeño, en favor de la antigua caldera de vagón de baja presión y su gran reja. [8]
Las dificultades de la caldera de Cornualles eran que una caldera de cualquier potencia particular requeriría un área conocida del tubo del horno como área de calentamiento. Los tubos más largos requerían una carcasa de caldera más larga y cara. También redujeron la proporción entre el área de la parrilla y el área de calefacción, lo que dificultó mantener un fuego adecuado. El aumento del diámetro del tubo redujo la profundidad del agua que cubría el tubo del horno y, por lo tanto, aumentó la necesidad de un control preciso del nivel del agua por parte del bombero, o de lo contrario, el riesgo de explosión de la caldera . Los estudios de Fairbairn sobre la tensión circular en cilindros también demostraron que los tubos más pequeños eran más fuertes que los tubos más grandes. Su solución fue simple: reemplazar un tubo de horno grande por dos más pequeños.
La patente [9] mostró otra ventaja de los hornos gemelos. Encendiéndolos alternativamente y cerrando la puerta del hogar entre encendidos, también era posible disponer un suministro de aire más allá del horno (en el caso de una caldera de Lancashire, a través del cenicero debajo de la parrilla) que estimularía los gases de combustión producidos por el el fuego arda de forma más completa y limpia, reduciendo así el humo y la contaminación. [10] Un factor clave en esto fue la distintiva compuerta de aire giratoria con contraventana en la puerta, que se convirtió en una característica a partir de la década de 1840.
El uso de dos conductos de humos también tiene un efecto fortalecedor, actuando como dos tirantes largos que sostienen las placas finales. [7]
Desarrollos posteriores agregaron tubos Galloway (en honor a su inventor, patentados en 1848 [11] o 1851 [12] ) tubos de agua transversales a través de la chimenea, aumentando así la superficie calentada. Como se trata de tubos cortos de gran diámetro y la caldera sigue utilizando una presión relativamente baja, todavía no se considera una caldera acuotubular . Los tubos son cónicos para facilitar su instalación a través del conducto de humos. [6]
Las calderas de Lancashire suelen tener conductos de humos corrugados , que absorben la expansión térmica sin forzar las uniones remachadas. Otro desarrollo fue el " tiro de riñón " o caldera de Galloway , donde los dos hornos se unen en un solo tubo, de sección transversal en forma de riñón. Esta chimenea ensanchada y de superficie plana se mantuvo mediante el uso de tubos de Galloway.
Su presión máxima es de 20 bar. El diámetro máximo de la caldera es de 3 m, tiene dos tubos de combustión con una longitud que varía de 6 a 10 m y un diámetro de 0,8 a 1 m.
Aunque la caldera de Lancashire se considera un diseño anticuado, siempre que el conducto de humos sea lo suficientemente largo, puede ser razonablemente eficiente. Esto conlleva una caldera voluminosa, sobre todo por su longitud, lo que siempre ha limitado su uso a instalaciones estacionarias. Era la caldera estándar en las fábricas de algodón de Lancashire .
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El trabajo de William Fairbairn en la caldera de Lancashire había demostrado las virtudes de eficiencia de varios hornos en relación con un volumen de agua reducido. También se entendió ampliamente que las presiones de vapor más altas mejoraban la eficiencia de los motores. La investigación de Fairbairn sobre la resistencia de los cilindros [13] lo llevó a diseñar otra caldera mejorada, basada en diámetros de tubo mucho más pequeños, que así podría funcionar a presiones más altas, típicamente 150 psi (1000 kPa ). Se trataba de la caldera de "cinco tubos", cuyos cinco tubos estaban dispuestos en dos pares encajados como tambor de agua y horno, con el tubo restante montado encima de ellos como un tambor de vapor separado. [14] El volumen de agua era extremadamente bajo en comparación con los diseños de calderas anteriores, ya que los tubos del horno casi llenaban cada uno de los bidones de agua.
La caldera cumplió sus objetivos y proporcionó dos grandes hornos con poca capacidad de agua. El tambor de vapor separado también ayudó a la producción de vapor "seco", sin arrastre de agua ni riesgo de cebado. Sin embargo, también era complejo de fabricar y no ofrecía una gran superficie de calefacción para el trabajo requerido. Pronto fue reemplazada por calderas multitubulares como las calderas Fairbairn-Beeley y Scotch .
