Una caldera de tubos de campo (también conocida como tubo de bayoneta [1] ) es una forma de caldera de tubos de agua donde los tubos de agua tienen un solo extremo. Los tubos están cerrados por un extremo y contienen un tubo interior concéntrico. De este modo, el flujo se separa en el flujo interior más frío que desciende por el tubo y el flujo calentado hacia arriba a través del manguito exterior. Como los tubos Field dependen del flujo termosifón dentro del tubo, siempre deben tener cierta altura vertical para estimular el flujo. En la mayoría de los diseños, se montan casi verticalmente para favorecer esto.
Llevan el nombre de Edward Field, [2] su inventor, y fueron desarrollados originalmente para máquinas de bomberos de vapor donde la velocidad de elevación del 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 caldera marina. También se ha investigado el uso de este tipo de tubo de campo para la transferencia de calor de reactores nucleares , [3] condensadores de vacío e intercambiadores de calor . [1]
La caldera de tubo dedal tiene algunas similitudes en el sentido de que sus tubos de agua también tienen un solo extremo. El tubo dedal más simple no tiene el tubo interior del tubo de campo, por lo que su flujo es mixto, turbulento y depende de una ebullición aleatoria. Por este motivo, los tubos dedal sólo pueden ser cortos, por lo que se utilizan en grandes cantidades y normalmente en posición 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 caros 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 de las calderas de tubos de campo es que no presentan ninguno de los problemas de expansión que se experimentan en las calderas con tubos simples. En segundo lugar, como los tubos Field se conectan desde un solo extremo, su sustitución y mantenimiento es más sencillo. [1]
Una desventaja del tubo de campo es la tendencia a acumular lodo y sarro en el fondo del tubo, bloqueando potencialmente la circulación. Los extremos cerrados del tubo también son difíciles de lavar . Proporcionar un espacio muerto excesivo allí como depósito de lodo provocaría una circulación deficiente y, por lo tanto, se correría el 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 fuerte circulación dentro de ellos, fomentando un flujo suficiente para limpiar los tubos y liberarlos de lodo.
Cuando una caldera vertical simple requiere una superficie de calentamiento adicional, particularmente cuando está directamente expuesta al horno para elevar el vapor más rápidamente, se pueden instalar tubos de campo en el techo de la cámara de combustión , casi hasta el nivel del lecho de combustión . [4] Actúan así como una especie de sifón térmico . Como sólo están montados en un extremo y pueden expandirse libremente 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 es posible que los tubos más largos deban tener una inclinación mayor. [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 costes de combustible y las emisiones de humo. La cámara secundaria está montada adyacente a la primera y consta de un anillo refractario de diámetro reducido para la primera cámara de combustión. Este anillo se calienta mediante la radiación de la combustión primaria, manteniendo así una temperatura elevada. 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 para que se enciendan. [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. En el centro de la cámara, debajo del conducto de salida, se cuelga una campana de radiación de acero , y los gases de combustión son dirigidos a pasar por encima, calentándolo. El calentamiento de los propios tubos se produce en parte por convección de los gases y en parte por rerradiación indirecta de esta campana calentada. Esto permite una temperatura de funcionamiento más baja para los tubos y también un calentamiento más uniforme. Los fabricantes afirman que esto fomenta una ebullición más uniforme dentro del tubo y, por lo tanto, una elevación más rápida del vapor. [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 en su lugar. Los extremos engrosados de los tubos se forman en forma cónica y los orificios de la placa de tubos se escarian para que coincidan. Una junta de papel es suficiente para sellar la junta. De este modo se simplifica la inspección o la retirada para su sustitución. [5] Como la caldera está siempre bajo mayor presión que la atmósfera, los tubos se autoajustan bajo presión y evitan fugas. Obviamente la caldera nunca debe colocarse bajo vacío, por lo que puede ser necesario prever una válvula de vacío .
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La caldera Niclausse es otro diseño francés, utilizada tanto para uso terrestre como marino. Utiliza tubos de campo largos colocados en un ángulo poco profundo con respecto a la horizontal, según la caldera Babcock & Wilcox . [6] Estos tubos de campo están unidos en conjuntos verticales mediante cabezales en su extremo superior. Este colector es una tubería doble, con dos secciones que unen los espacios acuáticos 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 cabezales. [7]
Se utilizó notablemente en algunos de los últimos acorazados anteriores al acorazado (alrededor de 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 lodo puede ser un problema. Con un diseño cuidadoso y un mantenimiento regular, el tipo ganó reputación por su confiabilidad y el rápido reemplazo de un tubo defectuoso, [11] lo que lo hizo adecuado para la práctica naval, no tanto para uso comercial. Las calderas Niclausse ofrecían un bajo consumo de combustible cuando se combinaban con turbinas que funcionaban a baja velocidad, además de grandes cantidades de humo y chispas. Como tales, cayeron en desgracia en la construcción naval una vez que las turbinas de vapor se volvieron comunes (ver el acorazado clase Danton, por ejemplo).
Un tipo muy similar, utilizado en los buques de guerra alemanes, era la caldera Dürr . [12] Esto no utilizó cabeceras seccionales, sino cámaras individuales.
En 1901, la Royal Navy había encargado ocho calderas Dürr a Alemania, que se instalarían como prueba a bordo del crucero 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 encargado a Alemania ocho calderas acuotubulares del tipo Durr.
El coste total de las calderas es de £19.450.
Esto es exclusivo de repuestos y montaje a bordo.
Las calderas se instalarán a bordo del HMS "Medusa".
El fabricante les ha garantizado que producirán 155.000 libras.
vapor seco por hora del agua de alimentación a 80 grados.
F., con una presión de aire de 1½ pulgadas;
104.000 libras.
por hora con ½ pulgada de presión de aire (la que se usa para la cocción al vapor continua);
y 80.000 libras.
por hora con tiro natural.