Una caldera marina "escocesa" (o simplemente caldera escocesa ) es un diseño de caldera de vapor más conocido por su uso en barcos.
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La disposición general es la de un cilindro horizontal achaparrado. Uno o más hornos cilíndricos grandes se encuentran en la parte inferior de la carcasa de la caldera. Por encima de esto hay muchos tubos de humo de diámetro pequeño . Los gases y el humo del horno pasan a la parte posterior de la caldera, luego regresan a través de los tubos pequeños y suben y salen por la chimenea. Los extremos de estos múltiples tubos están cubiertos por una caja de humo , fuera de la carcasa de la caldera. [1]
La caldera escocesa es una caldera pirotubular , en la que los gases de combustión calientes pasan a través de tubos colocados dentro de un tanque de agua. Como tal, es descendiente de la caldera Lancashire anterior y, al igual que la Lancashire, utiliza múltiples hornos separados para proporcionar una mayor área de calentamiento para una capacidad de horno determinada. Se diferencia de la Lancashire en dos aspectos: se utilizan muchos tubos de diámetro pequeño (normalmente de 3 o 4 pulgadas [75 o 100 mm] de diámetro cada uno) para aumentar la relación entre el área de calentamiento y la sección transversal. En segundo lugar, la longitud total de la caldera se reduce a la mitad doblando el camino del gas sobre sí mismo.
El extremo más alejado del horno es una caja cerrada llamada cámara de combustión que se extiende hacia arriba para conectarse con los tubos de fuego.
La pared frontal de la cámara de combustión está sostenida contra la presión del vapor por los propios tubos. La cara posterior está sostenida por varillas que atraviesan la carcasa trasera de la caldera. Por encima de la cámara de combustión y los tubos hay un espacio abierto para recoger el vapor. A lo largo de la caldera hay varillas más largas que recorren este espacio y sostienen los extremos de la carcasa de la caldera.
En el caso de los hornos múltiples, cada uno tiene una cámara de combustión independiente. Algunas calderas pequeñas las conectaban en una sola cámara, pero este diseño es más débil. Un problema más grave es el riesgo de inversión del tiro, en el que los gases de escape de un horno podrían salir volando del horno adyacente, lesionando a los fogoneros que trabajan delante de él.
La primera caldera de forma comparable de la que se tiene constancia se utilizó en una locomotora de ferrocarril, la clase "Wilberforce" de Hackworth de 1830. [2] Esta tenía una carcasa de caldera cilíndrica larga similar a su anterior " Royal George " con conducto de retorno , pero con el conducto de retorno reemplazado por una serie de pequeños tubos de humos, como había demostrado de forma tan eficaz Stephenson con su " Rocket " un año antes. Se utilizó la novedosa característica de una cámara de combustión completamente interna. Sin embargo, a diferencia de la caldera escocesa posterior, esta se autosostenía mediante sus propios soportes, en lugar de utilizar soportes a través de las paredes de la carcasa de la caldera. Esto permitió que todo el conjunto de placa de tubos exterior, tubo del horno, cámara de combustión y tubos de humos se retirara de la carcasa de la caldera como una sola unidad, simplificando la fabricación y el mantenimiento. Aunque era una característica valiosa, esto se volvió poco práctico para cámaras de mayor diámetro que requerirían el soporte de la carcasa.
La práctica habitual en los barcos era tener dos hornos en cada caldera. Las calderas más pequeñas podían tener solo uno, las calderas más grandes solían tener tres. La limitación en el tamaño de la caldera era la cantidad de trabajo que podía hacer cada fogonero, encendiendo un horno por hombre. [1] Los barcos más grandes (es decir, cualquier barco por encima del más pequeño) tendrían muchas calderas.
Al igual que en el caso de la caldera de Lancashire , el horno solía tener corrugaciones para reforzarlo. Los distintos fabricantes tenían sus propias formas particulares de hacer estas corrugaciones, lo que llevó a su clasificación para fines de mantenimiento bajo los amplios nombres de Leeds , Morrison, Fox , Purves o Brown. [3]
El diseño típico es el de "espalda húmeda", donde la cara trasera de la cámara de combustión está revestida de agua como superficie de calentamiento.
La variante "dry back" tiene la parte trasera de la cámara de combustión como una caja abierta, respaldada o rodeada solo por una cubierta de chapa metálica. [4] [5] Esto simplifica la construcción, pero también pierde mucha eficiencia. Se utiliza solo para calderas pequeñas donde el costo de capital supera los costos de combustible. Aunque la caldera escocesa rara vez es hoy en día el generador de vapor principal en un barco, aún se encuentran pequeños diseños de dry back como el Minipac [6] , para satisfacer demandas secundarias mientras se está atracado en el puerto con las calderas principales frías.
Una variante interesante del diseño de parte trasera seca ha sido una patente para quemar combustibles propensos a la formación de cenizas. [7] La parte trasera de la cámara de combustión se utiliza como punto de acceso para un separador de cenizas, que elimina las cenizas antes de los tubos de diámetro pequeño.
El diseño de doble extremo coloca dos calderas una detrás de la otra, eliminando la pared trasera de la carcasa de la caldera. Las cámaras de combustión y los tubos de humo permanecen separados. Este diseño ahorra algo de peso estructural, pero también hace que la caldera sea más larga y más difícil de instalar en un barco. Por este motivo, no se usaban comúnmente, aunque eran comunes las disposiciones de varias calderas de un solo extremo una detrás de la otra. [4]
La modificación " Inglis " [8] añade una cámara de combustión adicional en la que un único conducto de humos adicional de gran tamaño regresa desde la parte trasera a la delantera de la caldera. El flujo a través de los múltiples tubos se realiza, por tanto, de adelante hacia atrás, y el escape se encuentra en la parte trasera. Varios hornos compartirían una única cámara de combustión. [4]
La principal ventaja del Inglis es la superficie de calentamiento adicional que añade, para un volumen de carcasa comparable, de quizás un 20%. [9] Sorprendentemente, esto no se debe a la cámara de combustión adicional, sino a la prolongación de los estrechos tubos de humos, que ahora pueden recorrer toda la longitud de la carcasa de la caldera, en lugar de limitarse a la distancia bastante más corta que hay entre la cámara de combustión interior y la placa de tubos delantera. A pesar de esta ventaja, rara vez se utiliza.
La caldera marina escocesa alcanzó un uso casi universal durante el apogeo de la propulsión a vapor, en particular para los motores de pistón más desarrollados, como los de triple expansión . Se mantuvo en uso desde el final de las calderas de pajar de baja presión a mediados del siglo XIX hasta principios del siglo XX y la llegada de las turbinas de vapor con calderas acuotubulares de alta presión, como la Yarrow .
Los barcos grandes o rápidos podían requerir una gran cantidad de calderas. El Titanic tenía 29 calderas: 24 de doble extremo y 5 más pequeñas de un solo extremo. Las calderas más grandes tenían 15 pies y 9 pulgadas (4,80 m) de diámetro y 20 pies (6,1 m) de largo, las más pequeñas tenían 11 pies y 9 pulgadas (3,58 m) de largo. Todos los extremos tenían tres hornos corrugados Morrison de 3 pies y 9 pulgadas (1,14 m) de diámetro, 159 hornos en total y una presión de trabajo de 215 libras por pulgada cuadrada (1480 kPa). [10]
Algunos barcos de motor , propulsados por motores de combustión interna, también llevaban calderas escocesas. Las llamadas calderas de gases de escape se calentaban con los gases de escape calientes de los motores principales. Un ejemplo son los barcos de pasajeros de la clase Monte, propulsados por diésel, que se construyeron en Alemania en la década de 1920 y estaban equipados con dos calderas cada uno. El vapor generado se utilizaba para la maquinaria auxiliar. [11]
En 2010 se utilizan numerosas calderas escocesas en los barcos y se pueden construir calderas nuevas para reemplazar las que han caducado. Entre los ejemplos de barcos de vapor conservados que utilizan calderas escocesas se incluyen:
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