Una caldera pirotubular es un tipo de caldera inventada en 1828 por Mark Seguin , [1] en la que los gases calientes pasan de un fuego a través de uno o más tubos que atraviesan un recipiente de agua sellado. El calor de los gases se transfiere a través de las paredes de los tubos por conducción térmica , calentando el agua y finalmente creando vapor .
La caldera pirotubular se desarrolló como el tercero de los cuatro principales tipos históricos de calderas: calderas de tanque de baja presión o " pajar ", calderas de combustión con uno o dos grandes conductos de humos, calderas pirotubulares con muchos tubos pequeños y calderas de alta presión. calderas acuotubulares . Su ventaja sobre las calderas de combustión con un único conducto de humos grande es que los muchos tubos pequeños ofrecen una superficie de calentamiento mucho mayor para el mismo volumen total de caldera. La construcción general es a modo de depósito de agua atravesado por tubos que transportan los gases de combustión calientes procedentes del incendio. El tanque suele ser cilíndrico en su mayor parte (siendo la forma práctica más resistente para un recipiente presurizado ) y este tanque cilíndrico puede ser horizontal o vertical.
Este tipo de caldera se utilizó en prácticamente todas las locomotoras de vapor en forma de "locomotora" horizontal. Tiene un cañón cilíndrico que contiene los tubos de fuego, pero también tiene una extensión en un extremo para albergar la "cámara de combustión". Esta cámara de combustión tiene una base abierta para proporcionar un área de parrilla grande y, a menudo, se extiende más allá del barril cilíndrico para formar un recinto rectangular o cónico. La caldera pirotubular horizontal también es propia de aplicaciones marinas, utilizándose la caldera escocesa ; por lo tanto, estas calderas se denominan comúnmente calderas de tipo "scotch-marine" o "marinas". [2] También se han construido calderas verticales del tipo de tubos de fuego múltiples, aunque son comparativamente raras; la mayoría de las calderas verticales eran de combustión o con tubos de agua transversales.
En la caldera tipo locomotora, el combustible se quema en una cámara de combustión para producir gases de combustión calientes. La cámara de combustión está rodeada por una camisa de refrigeración de agua conectada a la larga carcasa cilíndrica de la caldera. Los gases calientes se dirigen a lo largo de una serie de tubos de combustión , o conductos de humos , que penetran en la caldera y calientan el agua generando así vapor saturado ("húmedo"). El vapor asciende hasta el punto más alto de la caldera, la cúpula de vapor , donde es recogido. La cúpula es el lugar donde se encuentra el regulador que controla la salida de vapor de la caldera.
En la caldera de la locomotora, el vapor saturado a menudo pasa a un sobrecalentador , de regreso a través de los conductos más grandes en la parte superior de la caldera, para secar el vapor y calentarlo hasta obtener vapor sobrecalentado . El vapor sobrecalentado se dirige a los cilindros de la máquina de vapor o, muy raramente, a una turbina para producir trabajo mecánico. Los gases de escape salen a través de una chimenea y pueden usarse para precalentar el agua de alimentación para aumentar la eficiencia de la caldera.
El tiro de las calderas pirotubulares, particularmente en aplicaciones marinas, generalmente lo proporciona una chimenea alta . En todas las locomotoras de vapor desde el Rocket de Stephenson , se suministra tiro adicional dirigiendo el vapor de escape de los cilindros hacia la chimenea a través de un tubo de explosión , para proporcionar un vacío parcial . Las calderas industriales modernas utilizan ventiladores para proporcionar un tiro forzado o inducido de la caldera.
Otro avance importante en el Rocket fue una gran cantidad de tubos de fuego de pequeño diámetro (una caldera multitubular ) en lugar de un único conducto de humos grande. Esto aumentó considerablemente la superficie de transferencia de calor, lo que permitió que se produjera vapor a un ritmo mucho mayor. Sin esto, las locomotoras de vapor nunca habrían podido desarrollarse eficazmente como potentes motores primarios .
Para obtener más detalles sobre el tipo de ancestro relacionado, consulte Calderas de combustión .
La primera forma de caldera pirotubular fue la caldera de Cornualles de "alta presión" de Richard Trevithick . Se trata de un cilindro largo y horizontal con un único conducto de humos grande que contiene el fuego. 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. Aunque hoy en día se considera de baja presión (quizás 25 libras por pulgada cuadrada (170 kPa)), el uso de una carcasa de caldera cilíndrica permitía una presión más alta que las anteriores calderas de "pajar" de la época de Newcomen . Como el horno dependía del tiro natural (flujo de aire), se necesitaba una chimenea alta en el otro extremo del conducto para fomentar un buen suministro de aire (oxígeno) al fuego.
Para mayor eficiencia, la caldera normalmente estaba revestida por debajo por una cámara construida con ladrillos . Los gases de combustión se conducían a través de este, fuera de la carcasa de hierro de la caldera, después de pasar a través del tubo de combustión y así hasta una chimenea que ahora estaba ubicada en la cara frontal de la caldera.
La caldera de Lancashire es similar a la de Cornualles, pero tiene dos grandes conductos que contienen los fuegos. Fue la invención de William Fairbairn en 1844, a partir de una consideración teórica de la termodinámica de calderas más eficientes, lo que le llevó a aumentar el área de la parrilla del horno en relación con el volumen de agua.
Desarrollos posteriores agregaron tubos Galloway (en honor a su inventor, patentados en 1848), [3] tubos de agua transversales a través del conducto de humos, 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, simplemente para facilitar su instalación a través del conducto de humos. [4]
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La caldera marina escocesa se diferencia radicalmente de sus predecesoras en el uso de una gran cantidad de tubos de pequeño diámetro. Esto proporciona una superficie de calentamiento mucho mayor para el volumen y el peso. El horno sigue siendo un único tubo de gran diámetro con muchos tubos pequeños dispuestos encima. Están conectados entre sí a través de una cámara de combustión (un volumen cerrado contenido enteramente dentro de la caldera) de modo que el flujo de gases de combustión a través de los tubos de combustión es de atrás hacia adelante. Una caja de humo cerrada que cubre la parte frontal de estos tubos conduce hacia la chimenea o embudo. Las calderas escocesas típicas tenían un par de hornos, las más grandes tenían tres. Por encima de este tamaño, como en el caso de los grandes barcos de vapor , era más habitual instalar varias calderas. [5]
Una caldera de locomotora tiene tres componentes principales: una cámara de combustión de doble pared ; un "barril de caldera" cilíndrico y horizontal que contiene una gran cantidad de pequeños tubos de humos; y una cámara de humos con chimenea , para los gases de escape. El barril de la caldera contiene tubos de humos más grandes para transportar los elementos del sobrecalentador , cuando estén presentes. El tiro forzado se proporciona en la caldera de la locomotora inyectando el vapor agotado de nuevo en el escape a través de un tubo de explosión en la caja de humos.
Las calderas de tipo locomotora también se utilizan en motores de tracción , aplanadoras de vapor , motores portátiles y algunos otros vehículos de carretera a vapor. La resistencia inherente de la caldera permite que se utilice como base del vehículo: todos los demás componentes, incluidas las ruedas, están montados sobre soportes fijados a la caldera. Es raro encontrar sobrecalentadores diseñados para este tipo de caldera y, por lo general, son mucho más pequeños (y más simples) que los tipos de locomotoras de ferrocarril.
La caldera tipo locomotora es también una característica del vagón de vapor sobretipo , el precursor del camión impulsado por vapor . En este caso, sin embargo, los pesados bastidores de vigas constituyen el chasis portante del vehículo, al que se fija la caldera.
Ciertas calderas de locomotoras de ferrocarril tienen una forma cónica desde un diámetro mayor en el extremo de la cámara de combustión hasta un diámetro más pequeño en el extremo de la cámara de humo . Esto reduce el peso y mejora la circulación del agua. Muchas locomotoras posteriores de Great Western Railway y London, Midland y Scottish Railway fueron diseñadas o modificadas para admitir calderas cónicas.
Una caldera pirotubular vertical (VFT), conocida coloquialmente como "caldera vertical", tiene una carcasa cilíndrica vertical que contiene varios tubos de humos verticales.
La caldera tubular de retorno horizontal (HRT) tiene una carcasa cilíndrica horizontal, que contiene varios tubos de humos horizontales, con el fuego ubicado directamente debajo de la carcasa de la caldera, generalmente dentro de un entorno de ladrillo.
Ampliamente utilizado por Gran Bretaña, antes y en los primeros días de los acorazados, el único lugar protegido estaba debajo de la línea de flotación, a veces debajo de una cubierta blindada, por lo que para caber debajo de cubiertas cortas, los tubos no regresaban por encima del horno, sino que continuaban directamente desde él. con mantener la cámara de combustión entre los dos. De ahí el nombre y su diámetro considerablemente reducido en comparación con la omnipresente caldera escocesa o de tubo de retorno. No tuvo mucho éxito y su uso fue abandonado tras la introducción de un blindaje lateral más fuerte: “las coronas de los hornos, al estar muy cerca del nivel del agua, son mucho más propensas a sobrecalentarse. Además, debido a la longitud de la caldera, para un ángulo de inclinación igual, el efecto sobre el nivel del agua es mucho mayor. Finalmente, la expansión desigual de las distintas partes de la caldera es más pronunciada, especialmente en la parte superior e inferior, debido a la mayor relación entre la longitud y el diámetro de la caldera; Las tensiones locales también son más graves debido a la circulación relativamente débil en los calderos de punto de ebullición largo y bajo.» Todo esto también resultó en una vida más corta. Además, la misma longitud de una cámara de combustión era mucho menos efectiva en una caldera de tubo directo que en una de tubo de retorno, al menos sin desconcertar. [6] : 233-235
La caldera de inmersión es una caldera pirotubular de un solo paso desarrollada por Sellers Engineering en la década de 1940. Dispone únicamente de pirotubulares, funcionando también como horno y cámara de combustión, con múltiples toberas de quemadores que inyectan aire premezclado y gas natural a presión. Afirma tener tensiones térmicas reducidas y, debido a su construcción, carece por completo de ladrillos refractarios. [7]
Las calderas pirotubulares a veces también tienen tubos de agua para aumentar la superficie de calentamiento. Una caldera de Cornualles puede tener varios tubos de agua a lo largo del diámetro de la chimenea (esto es común en las lanchas de vapor ). Una caldera de locomotora con hogar amplio puede tener tubos de arco o sifones térmicos . A medida que se desarrolló la tecnología de la cámara de combustión, se descubrió que colocar un deflector de ladrillos refractarios (ladrillos resistentes al calor) dentro de la cámara de combustión para dirigir el flujo de gases de combustión calientes hacia la parte superior de la cámara de combustión antes de que fluyeran hacia los tubos de combustión aumentaba la eficiencia al igualar la Calor entre los tubos de fuego superiores e inferiores. Para mantenerlos en su lugar, se usó un soporte de metal, pero para evitar que estos soportes se quemaran y erosionaran, se construyeron como tubos de agua, con agua fría desde el fondo de la caldera moviéndose hacia arriba por convección a medida que se calentaba, y transportando el calor. antes de que el metal alcance su temperatura de falla.
Otra técnica para aumentar la superficie de calentamiento es incluir estrías internas dentro de los tubos de la caldera (también conocidos como tubos de servicio).
No todas las calderas de concha generan vapor; algunos están diseñados específicamente para calentar agua a presión.
En homenaje al diseño de Lancashire, las calderas modernas pueden venir con un diseño de doble horno. Un desarrollo más reciente ha sido el diseño de llama inversa, en el que el quemador enciende un horno ciego y los gases de combustión se duplican sobre sí mismos. Esto da como resultado un diseño más compacto y menos tuberías.
El término caldera "paquete" evolucionó entre principios y mediados del siglo XX; se utiliza para describir calderas de calefacción residencial entregadas en el sitio de instalación con todo el aislamiento, paneles eléctricos, válvulas, medidores y quemadores de combustible ya ensamblados por el fabricante. Otros métodos de entrega se parecen más a prácticas anteriores de la era de la quema de carbón, cuando se agregaban otros componentes en el sitio a un recipiente a presión preensamblado o a una caldera "desmontable", donde el recipiente a presión se entregaba como un conjunto. de piezas fundidas que se montarán en obra. Por norma general, el montaje en fábrica es mucho más rentable y la caldera compacta es la opción preferida para uso doméstico. Las entregas parcialmente ensambladas solo se utilizan cuando es necesario debido a limitaciones de acceso, por ejemplo, cuando el único acceso a un lugar de instalación en el sótano es bajando un tramo estrecho de escaleras.
Debido a que la caldera contra incendios en sí misma es el recipiente a presión, requiere una serie de características de seguridad para evitar fallas mecánicas. Las explosiones de vapor de calderas, que son un tipo de BLEVE (explosión de vapor en expansión de líquido hirviendo), pueden ser devastadoras.
La caldera pirotubular que se utilizó en el automóvil Stanley Steamer tenía varios cientos de tubos que eran más débiles que la capa exterior de la caldera, lo que hacía que una explosión fuera prácticamente imposible ya que los tubos fallarían y tendrían fugas mucho antes de que la caldera explotara. En casi 100 años desde que se produjeron por primera vez las calderas Stanley, ninguna ha explotado. [ cita necesaria ]
Cada vez que una caldera se apaga y enciende, puede perder eficiencia. Cuando comienza el incendio, la eficiencia de la combustión suele ser menor hasta que prevalecen las condiciones de estado estable. Cuando el fuego se detiene, la cálida chimenea continúa extrayendo aire adicional del espacio interior hasta que se enfría.
Se puede minimizar el ciclo excesivo
Las disposiciones comunes son proporcionar un circuito de tubería primario con bomba(s) y un circuito de tubería secundario con bomba(s); y una bomba controlada de velocidad variable para transferir agua del circuito primario al circuito secundario, o una válvula de 3 vías para desviar el agua del circuito secundario al circuito primario. [9]
Se utiliza una temperatura mínima del agua de retorno de 130 °F (54 °C) a 150 °F (66 °C) a la caldera, según el diseño específico, para evitar la condensación del vapor de agua de los gases de combustión y la disolución del CO.
2y entonces
2de los gases de combustión se forma ácido carbónico y sulfúrico , un fluido corrosivo que daña el intercambiador de calor. [10]
Las calderas de condensación pueden tener una eficiencia del 2% o más a velocidades de combustión más bajas al extraer el calor de vaporización del vapor de agua de los gases de combustión. El aumento de eficiencia depende del combustible y de la energía disponible a recuperar como fracción del total. Los gases de combustión de metano contienen más energía disponible para recuperar que el propano o el fueloil relativamente menos. El agua condensada es corrosiva debido al dióxido de carbono disuelto y los óxidos de azufre de la chimenea y debe neutralizarse antes de desecharla. [10]
Las calderas de condensación tienen una eficiencia estacional más alta, normalmente del 84% al 92%, que las calderas sin condensación, normalmente del 70% al 75%. La eficiencia estacional es una eficiencia general de la caldera durante toda la temporada de calefacción, a diferencia de la eficiencia de combustión, que es la eficiencia de la caldera cuando se enciende activamente, lo que excluye las pérdidas permanentes. La mayor eficiencia estacional se debe en parte a que la temperatura más baja de la caldera utilizada para condensar los gases de combustión reduce las pérdidas permanentes durante el ciclo de apagado. La temperatura más baja de la caldera excluye una caldera de vapor de condensación y requiere temperaturas más bajas del radiador en los sistemas de agua.
La mayor eficiencia de funcionamiento en la región de condensación no siempre está disponible. Para producir agua caliente sanitaria satisfactoria, con frecuencia se requiere una temperatura del agua de la caldera superior a la que permite una condensación efectiva en la superficie del intercambiador de calor. Durante el clima frío, la superficie del radiador del edificio generalmente no es lo suficientemente grande para suministrar suficiente calor a bajas temperaturas de la caldera, por lo que el control de la caldera eleva la temperatura de la caldera según sea necesario para satisfacer la demanda de calefacción. Estos dos factores explican la mayor parte de la variabilidad de las ganancias de eficiencia experimentadas en diferentes instalaciones. [10]
Se necesita un programa intensivo de mantenimiento para mantener una caldera de vapor de alta presión en condiciones seguras.
Se deben comprobar si hay fugas en las placas de los tubos, en el tapón fusible y en las cabezas de los soportes del hogar. Se debe confirmar el correcto funcionamiento de los accesorios de la caldera, especialmente de los medidores de agua y de los mecanismos de alimentación de agua . La presión del vapor debe elevarse hasta el nivel en el que se levantan las válvulas de seguridad y compararse con la indicación del manómetro.
La vida útil de una caldera de locomotora se prolonga considerablemente si se evita un ciclo constante de refrigeración y calefacción. Históricamente, una locomotora se mantenía "en vapor" continuamente durante un período de aproximadamente ocho a diez días y luego se dejaba enfriar lo suficiente para lavar la caldera de agua caliente. El horario de los motores expresos se basaba en el kilometraje. [11] Las locomotoras conservadas hoy en día no suelen mantenerse continuamente en vapor y el intervalo de lavado recomendado es ahora de quince a treinta días, pero es posible hasta 180 días. [12]
El proceso comienza con una “purga” mientras queda algo de presión en la caldera, luego se drena toda el agua de la caldera a través de los “agujeros de lodo” en la base de la cámara de combustión y se retiran todos los “tapones de lavado”. Luego se lanzan o raspan las incrustaciones de las superficies interiores utilizando un chorro de agua a alta presión y varillas de metal blando, como cobre. Se presta especial atención a las áreas particularmente susceptibles a la acumulación de sarro, como la corona de la cámara de combustión y los espacios estrechos de agua alrededor de la cámara de combustión. El interior de la caldera se inspecciona mirando a través de los orificios de los tapones, comprobando especialmente la integridad de los tubos de combustión, la corona del hogar y los tirantes y la ausencia de picaduras o grietas en las placas de la caldera. Los grifos y tubos de medición y el tapón fusible deben estar libres de sarro; Si el núcleo del tapón fusible muestra signos de calcinación, se debe reemplazar el elemento. [13]
Al volver a montar se debe tener cuidado de que los tapones roscados se vuelvan a colocar en sus orificios originales: los conos pueden variar como resultado del reroscado. Las juntas de las puertas del guardabarros, si son de amianto , deben renovarse pero las de plomo pueden reutilizarse; Existen instrucciones especiales vigentes para la eliminación de estos materiales nocivos. [12] Hoy en día, muchas calderas utilizan materiales sintéticos de alta temperatura para las juntas, tanto en entornos de trabajo como en servicios de conservación, ya que estos materiales son más seguros que las opciones históricas. En las grandes instalaciones de mantenimiento, la caldera se habría lavado y rellenado con agua muy caliente de un suministro externo para que la locomotora volviera a funcionar más rápidamente.
Por lo general, una inspección anual requeriría retirar y verificar los accesorios externos, como los inyectores, las válvulas de seguridad y el manómetro. Las tuberías de cobre de alta presión pueden endurecerse durante el uso y volverse peligrosamente quebradizas: puede ser necesario tratarlas mediante recocido antes de volver a colocarlas. También puede ser necesario realizar una prueba de presión hidráulica en la caldera y en las tuberías.
En el Reino Unido, el intervalo máximo especificado entre revisiones completas es de diez años. Para permitir una inspección completa, se levanta la caldera del bastidor de la locomotora y se retira el revestimiento . Todos los tubos de combustión se retiran para su revisión o reemplazo. Todos los accesorios se retiran para su revisión. Antes de volver a utilizarla, un examinador cualificado comprobará la aptitud de la caldera para el servicio y emitirá un certificado de seguridad válido por diez años. [12]
{{cite web}}: Mantenimiento CS1: URL no apta ( enlace )La corrosión junto al fuego se producirá cuando los gases de combustión se enfríen por debajo del punto de rocío y entren en contacto con un recipiente a presión de acero al carbono. Para evitar la corrosión, los sistemas de calefacción deben diseñarse para funcionar de manera que garanticen una temperatura mínima del agua de retorno de 150 F a la caldera. (Nota: es importante verificar la temperatura del agua de retorno con la documentación del fabricante para evitar la corrosión). Todos los componentes de calefacción deben seleccionarse para funcionar con una temperatura mínima del agua de suministro de 170 F, suponiendo una temperatura diferencial de 20 F en las líneas de agua de suministro y retorno. .
