Una caldera acuotubular de alta presión [1] (también escrita acuotubular y acuotubular) es un tipo de caldera en la que el agua circula por tubos calentados externamente por fuego. El combustible se quema dentro del horno , lo que crea un 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 utilitarias más grandes dependen de los tubos llenos de agua que forman las paredes del horno para generar vapor .
La mezcla de agua y vapor calentados sube luego 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 el camino 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 aspas de las turbinas.
El agua saturada en la parte inferior 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 las calderas de servicio grandes, el agua de alimentación se suministra al tambor de vapor y los tubos de bajada suministran agua a la parte inferior de las paredes de agua). Para aumentar la economía de la caldera, también se utilizan gases de escape para precalentar el aire de combustión que se inyecta 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 calderas pirotubulares , 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, es típicamente 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 una falla catastrófica: no hay un gran volumen de agua en la caldera ni hay grandes elementos mecánicos sujetos a fallas.
Blakey de Inglaterra patentó una caldera acuotubular en 1766 y Dallery de Francia la fabricó en 1780. [2]
"La capacidad de las calderas acuotubulares de ser diseñadas 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 alta energía, incluida la generación de energía con turbinas de vapor". [3]
Debido a sus excelentes propiedades de trabajo, el uso de calderas acuotubulares es altamente preferido en las siguientes áreas principales:
Además, se emplean con frecuencia en plantas de generación de energía donde 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 solar Ivanpah utiliza dos calderas acuotubulares tipo D de Rentech para el calentamiento de la planta y cuando funciona como una central eléctrica alimentada con combustibles fósiles. [4]
Las calderas modernas para la generación de energía son casi en su totalidad diseños acuotubulares, debido a su capacidad para operar a presiones más altas. Cuando se requiere vapor de proceso para calefacción o como componente químico, todavía existe un pequeño nicho para las calderas pirotubulares. Una excepción notable son las típicas centrales nucleares ( 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, el camino de gas caliente a través de los "pirotubos" en realidad transporta el refrigerante primario muy caliente/de alta presión desde el reactor, y el vapor se genera en la superficie externa de los tubos.
Su capacidad para trabajar a presiones más altas ha hecho que las calderas marinas sean casi en su totalidad acuotubulares. Este cambio comenzó alrededor de 1900 y se debió a la adopción de turbinas para la 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 de ferrocarril. Se produjeron un puñado de 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 de tipo compuesto y unas pocas de tipo uniflow . La 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 humo. Como la parte más caliente de la caldera de una locomotora es la caja de fuego , fue un diseño efectivo utilizar un diseño de tubos de agua en este caso y una caldera de tubos de humo convencional como economizador (es decir, precalentador) en la posición habitual.
Un ejemplo famoso de esto fue la Baldwin 4-10-2 N.º 60000 de EE. UU. , construida en 1926. Al funcionar como un tren compuesto a una presión de caldera de 2400 kilopascales (350 psi), cubrió más de 160 000 kilómetros (100 000 mi) con éxito. Sin embargo, después de un año, quedó claro que cualquier ahorro se vio superado por los costos adicionales, y se retiró a una exhibición de museo en el Instituto Franklin en Filadelfia, Pensilvania. [8] Se construyó una serie de doce locomotoras experimentales en los talleres Mt. Clare de Baltimore and Ohio Railroad bajo la supervisión de George H. Emerson, pero ninguna de ellas se replicó en grandes cantidades. [9]
La única caldera acuotubular utilizada en los ferrocarriles en cantidades considerables fue la caldera Brotan, inventada por Johann Brotan en Austria en 1902, y que se encuentra en raras ocasiones en toda Europa, aunque Hungría era un gran usuario y tenía alrededor de 1.000 de ellas. Al igual que la Baldwin, combinaba una caja de fuego acuotubular con un barril pirotubular. La característica original de la Brotan era un largo tambor de vapor que corría por encima del barril principal, lo que le daba un aspecto similar al de una caldera Flaman . [10] [11]
Si bien la máquina de tracción se construía generalmente utilizando la caldera de la locomotora como armazón, otros tipos de vehículos de vapor, como camiones y automóviles, han utilizado una amplia gama de tipos de calderas diferentes. 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 utilizaban variantes de la caldera de tubo transversal vertical, entre ellos Atkinson , Clayton , Garrett y Sentinel . Otros tipos incluyen la caldera de tubo dedal de Clarkson y la caldera en forma de pistola del vagón tipo O de Foden . [12]
Los fabricantes de máquinas de vapor , como Merryweather, generalmente utilizaban calderas acuotubulares por su rápida capacidad de producir vapor.
Muchos vagones de vapor utilizaban calderas acuotubulares, y la compañía Bolsover Express incluso fabricó un reemplazo acuotubular para la caldera pirotubular del Stanley Steamer . [13]
El tipo "D " es el tipo más común de calderas de tamaño pequeño a 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 lodo") a través de múltiples tubos generadores de vapor. Estos tambores y tubos, así como el quemador alimentado con fueloil, están encerrados por paredes de agua: tubos adicionales llenos de agua espaciados muy cerca entre sí para evitar el flujo de gas entre ellos. Estos tubos de paredes de agua están conectados tanto a los tambores de vapor como a los de agua, de modo que actúan como una combinación de precalentadores y bajantes, además de reducir la pérdida de calor hacia la carcasa de la caldera.
Las calderas de tipo M se utilizaron en muchos buques de guerra estadounidenses de la Segunda Guerra Mundial, incluidos cientos de destructores de la clase Fletcher . Tres conjuntos de tubos forman una M y crean un sobrecalentador de encendido independiente que permite un mejor control de la temperatura del sobrecalentamiento. Además del tambor de lodo que se muestra en una caldera de tipo D, una caldera de tipo M tiene un cabezal de pantalla 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 con bajo contenido de agua tiene un cabezal superior e inferior conectados por tubos de agua que reciben la corriente directa del 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 la parte inferior del tambor hacia un cabezal que alimenta tubos de agua inclinados. Los tubos de agua suministran vapor de regreso 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 Marina Real y en los cruceros clase Nueva Orleans de la Marina de los Estados Unidos .
La caldera Stirling tiene tubos de agua casi verticales y rectos que zigzaguean entre varios tambores de vapor y agua. Normalmente hay tres hileras de tubos en un diseño de "cuatro tambores", pero en ciertas aplicaciones se utilizan variaciones diseñadas con una cantidad diferente de tambores y hileras.
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 funcionaban con carbón en las centrales eléctricas, pero también se generalizaron en industrias que producían residuos combustibles y requerían vapor de proceso. Las fábricas de pulpa de papel podían quemar corteza de desecho, 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 recibe su nombre de sus diseñadores, los constructores navales Yarrow Shipbuilders , que en aquel entonces tenían su base en Poplar , tiene tres tambores en 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 ángulos variables, lo que hace que la unión sea más difícil de calafatear . Fuera de la caja de fuego, un par de tubos de patas frías 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 suele usarse en aplicaciones de calderas marinas más antiguas . Su tamaño compacto la hizo atractiva para su uso en unidades de generación de energía transportables durante la Segunda Guerra Mundial . Para hacerla transportable, la caldera y su equipo auxiliar (calefacción de fueloil, unidades de bombeo, ventiladores, etc.), turbinas y condensadores se montaron en vagones para ser transportados por ferrocarril .
El tipo White-Forster es similar al Yarrow, pero con tubos que se curvan gradualmente, lo que hace que su entrada a los tambores sea perpendicular, lo que facilita la realización de un sellado fiable. [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 juego central, tienen curvas pronunciadas. Aparte de las obvias dificultades para limpiarlos, esto también puede dar lugar a fuerzas de flexión a medida que los tubos se calientan, lo que tiende a soltarlos de la placa de tubos y crear una fuga. Hay dos hornos, que se ventilan en un escape común, lo que le da a la caldera un perfil cónico de base ancha. [14]
En una caldera de circulación forzada , se agrega una bomba para acelerar el flujo de agua a través de los tubos. [15]
clase E7 de locomotoras con caldera acuotubular de Delaware y Hudson constaba de tres ejemplares 1400-1402
