Una caldera de tubos de campo (también conocida como caldera de tubos de bayoneta [1] ) es un tipo de caldera de tubos de agua en la que los tubos de agua tienen un solo extremo. Los tubos están cerrados en un extremo y contienen un tubo interior concéntrico. De este modo, el flujo se separa en el flujo interior más frío que baja por el tubo y el flujo calentado que sube a través del manguito exterior. Como los tubos de campo dependen del flujo termosifón dentro del tubo, siempre deben tener cierta altura vertical para fomentar el flujo. En la mayoría de los diseños se montan casi verticalmente para fomentarlo.
Reciben su nombre de Edward Field, [2] su inventor, y fueron desarrollados originalmente para máquinas de vapor contra incendios donde la velocidad de generación de vapor era importante. Más recientemente, las calderas de tubos de campo han sido las más utilizadas por los fabricantes franceses, ya sea para pequeñas calderas verticales o como calderas marinas. El uso de este tipo de tubo de campo también se ha investigado para la transferencia de calor desde reactores nucleares , [3] condensadores de vacío e intercambiadores de calor . [1]
La caldera de tubos dedal tiene algunas similitudes, ya que sus tubos de agua también son de un solo extremo. El tubo dedal, más simple, no tiene el tubo interior del tubo de campo, por lo tanto, su flujo es mixto, turbulento y depende de la ebullición aleatoria. Por esta razón, los tubos dedal solo pueden ser cortos, por lo que se utilizan en grandes cantidades y, por lo general, de forma horizontal, ya que su flujo no es lo suficientemente coherente como para beneficiarse de un gradiente de gravedad. Sin embargo, los tubos de campo son más complejos y costosos de fabricar. Por lo tanto, las calderas de tubos de campo utilizan menos tubos y más largos (lo que proporciona la misma área de calentamiento para un número reducido de tubos).
Los tubos de campo siempre están sumergidos , es decir, el extremo superior del tubo está montado en la caldera por debajo del nivel del agua, de lo contrario, el flujo hacia el lado frío del tubo no se puede reponer.
La principal ventaja que se atribuye a las calderas de tubos de campo es que no presentan ninguno de los problemas de expansión que se dan en las calderas con tubos simples. En segundo lugar, como los tubos de campo están conectados por un solo extremo, su sustitución y mantenimiento son más sencillos. [1]
Una desventaja del tubo de campo es la tendencia a que el lodo y las incrustaciones se acumulen en el fondo del tubo, lo que puede bloquear la circulación. Los extremos cerrados del tubo también son difíciles de lavar . Si se deja un espacio muerto excesivo allí como depósito de lodo, la circulación sería deficiente, lo que supondría un riesgo de sobrecalentamiento local. Por lo tanto, se deben hacer esfuerzos para garantizar que todos los tubos se calienten por igual y que todos tengan una circulación fuerte en su interior, lo que fomenta un flujo suficiente para limpiar los tubos de lodo.
Cuando una caldera vertical simple requiere una superficie de calentamiento adicional, particularmente cuando está expuesta directamente al horno para generar vapor más rápidamente, se pueden instalar tubos de campo en el techo de la cámara de combustión , casi hasta el nivel del lecho de fuego . [4] De este modo, actúan como una forma de sifón térmico . Como solo se montan en un extremo y pueden expandirse con el calor, se evitan muchos de los problemas de expansión habituales de los sifones térmicos. Sin embargo, para fomentar una circulación adecuada, los tubos no deben estar a menos de 30° de la horizontal, y los tubos más largos pueden tener que tener una inclinación mayor que esta. [4]
La caldera De Poray es de origen francés. Su característica distintiva es su doble cámara de combustión patentada, destinada a aumentar la eficiencia de la combustión, reduciendo así los costos de combustible y las emisiones de humo. La cámara secundaria está montada adyacente a la primera y consiste en un anillo refractario de diámetro reducido a la primera cámara de combustión. Este anillo se calienta por radiación de la combustión primaria, manteniendo así una temperatura alta. Los gases de combustión no quemados que salen de la primera cámara son calentados por este anillo incandescente y junto con el suministro de aire secundario se estimulan a encenderse. [5]
En la forma vertical de la caldera De Poray, la superficie de calentamiento principal está compuesta por tubos de campo verticales en esta cámara de combustión secundaria. Una campana de radiación de acero está colgada en el centro de la cámara, debajo del conducto de salida, y los gases de combustión se dirigen para pasar por encima de ella, calentándola. El calentamiento de los propios tubos se produce en parte por convección de los gases, en parte por re-radiación indirecta de esta campana calentada. Esto permite una temperatura de funcionamiento más baja para los tubos, también un calentamiento más uniforme. Los fabricantes afirman que esto fomenta una ebullición más uniforme dentro del tubo, por lo que la generación de vapor es más rápida. [5]
Una característica inusual de esta caldera es que los tubos de campo no están unidos rígidamente a la carcasa de la caldera, sino que simplemente están sellados con juntas. Los extremos engrosados de los tubos tienen una forma cónica y los orificios de la placa de tubos están escariados para que coincidan. Una junta de papel es suficiente para sellar la unión. De este modo, se simplifica la inspección o la extracción para su sustitución. [5] Como la caldera siempre está bajo una presión mayor que la atmosférica, los tubos se autoaprietan bajo presión y evitan fugas. Obviamente, la caldera nunca debe colocarse al vacío, por lo que puede ser necesario proporcionar una válvula de vacío .
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La caldera Niclausse es otro diseño francés, utilizado tanto para uso terrestre como marino. Utiliza tubos de campo largos dispuestos en un ángulo poco profundo con respecto a la horizontal, como la caldera Babcock & Wilcox . [6] Estos tubos de campo están conectados en conjuntos verticales por colectores en su extremo superior. Este colector es una tubería doble, con dos secciones que unen los espacios de agua interior y exterior por separado. Por encima de la caldera y fuera del recinto de gases de combustión, un tambor de vapor y agua une estos colectores. [7]
Fue especialmente utilizado en algunos de los últimos acorazados pre-dreadnought (circa 1900) de las armadas francesa, [8] italiana, rusa [9] y británica [10] . El USS Georgia (BB-15) construido por Bath Iron Works en Maine y su botadura en octubre de 1904 con vapor proporcionado por veinticuatro calderas Niclausse alimentadas con carbón.
Aunque el rendimiento de esta caldera ha sido bueno, el lavado es difícil y la acumulación de lodos puede ser un problema. Con un diseño cuidadoso y un mantenimiento regular, el tipo se ganó una reputación de confiabilidad y de rápido reemplazo de un tubo averiado, [11] lo que la hizo adecuada para la práctica naval, pero no tanto para el uso comercial. Las calderas Niclausse tenían un bajo consumo de combustible cuando se combinaban con turbinas que operaban a baja velocidad, además de producir grandes cantidades de humo y chispas. Por ello, cayeron en desgracia en la construcción naval una vez que las turbinas de vapor se volvieron comunes (véase el acorazado de la clase Danton, por ejemplo).
Un tipo muy similar, utilizado en los buques de guerra alemanes, fue la caldera Dürr . [12] Esta no utilizaba cabezales seccionales, sino cámaras individuales.
En 1901, la Marina Real había pedido ocho calderas Dürr a Alemania, para ser instaladas como prueba a bordo del crucero de clase Marathon HMS Medusa. [13]
Informe sobre los juicios del
HMS Sheldrake
,
el HMS Seagull (1889)
, el HMS Espiégle y
el HMS Fantome
.
Se han pedido ocho calderas acuotubulares del tipo Durr a Alemania. El coste total de las calderas es de 19.450 libras esterlinas. Este importe no incluye piezas de repuesto ni montaje a bordo. Las calderas se instalarán a bordo del HMS "Medusa". El fabricante ha garantizado que producirán 155.000 libras de vapor seco por hora a partir del agua de alimentación a 80 grados F, con una presión de aire de 1½ pulgadas; 104.000 libras por hora con una presión de aire de ½ pulgada (la que se utiliza para vapor continuo); y 80.000 libras por hora con tiro natural.