La chimenea ( chimenea o chimenea en inglés americano y canadiense ) es la parte de una locomotora de vapor a través de la cual el humo sale de la caldera . Además, los sistemas de escape de las locomotoras de vapor suelen ventilar el vapor de escape del cilindro a través de la chimenea, para mejorar el tiro a través de la caldera. Las chimeneas están diseñadas para llevar el vapor de escape y el humo fuera de la línea de visión del conductor y al mismo tiempo permanecer lo suficientemente cortas para pasar por encima de las estructuras elevadas. Algunas chimeneas incluían aparatos para suprimir la dispersión de chispas.
La chimenea se ubicaba generalmente en el extremo delantero de la locomotora, sobre la caja de humos , más alejada de la cabina del conductor y la caja de fuego . Las primeras chimeneas de locomotoras eran típicamente lo suficientemente altas como para soportar la diferencia de densidad inducida por la temperatura a través de una caldera de tubos de humos mientras la locomotora estaba parada. Sin embargo, siguiendo el ejemplo de la primera locomotora de Richard Trevithick en 1804, la mayoría de los diseños desviaban el escape del cilindro de vapor hacia arriba a través de la chimenea para crear un vacío en la caja de humos, acelerando así el flujo de aire a través de la caja de fuego mientras la locomotora estaba en movimiento. [1]
Las chimeneas altas en las locomotoras con plataformas bajas tenían la ventaja adicional de mantener el humo y el vapor condensado por encima del campo de visión del maquinista. Las limitaciones de pendiente en los ferrocarriles a través de terreno montañoso requerían túneles y puentes elevados, lo que imponía un gálibo de carga que limitaba la altura de las chimeneas. El aumento de la velocidad del escape de vapor tendía a acelerar el flujo de aire a través de la caja de fuego y a elevar el humo por encima de la parte superior de la chimenea. En la década de 1830, el escape de vapor se dirigía a través de una boquilla contraída llamada tubo de escape , para lograr la velocidad deseada a través de la chimenea. La caída de presión a través de la boquilla del tubo de escape se restaba de la presión de la caldera disponible para los pistones de vapor. Robert Stephenson estimó que algunas locomotoras perdían la mitad de su potencia a través de la contrapresión del tubo de escape . [2]
A medida que los avances en el diseño de calderas llevaron a mejoras en la eficiencia de transferencia de calor , los diámetros de los tubos de soplado aumentaron para reducir la contrapresión y los tubos de soplado se hicieron más cortos, descargando debajo de la chimenea en lugar de dentro de ella. Ross Winans colocó "tubos de enagua" cónicos sobre los tubos de soplado alrededor de 1848 [2] para formar la parte convergente de un tubo Venturi , con la chimenea formando la parte divergente. [3] La mejor comprensión del flujo compresible fomentó diseños más sofisticados de tubos de soplado y chimeneas Venturi. George Jackson Churchward , que trabajaba en Swindon en el Great Western Railway , formuló una ecuación simple para calcular las dimensiones ideales de las chimeneas, que funcionó bien durante los primeros años del siglo XX, pero quedó obsoleta a medida que aumentaba la potencia del motor. André Chapelon en Francia continuó trabajando en las dimensiones de las chimeneas y las estudió, junto con las dimensiones de los tubos de soplado, como un sistema de escape completo . Eso condujo a su famoso sistema Kylchap , que se instaló en muchas clases de locomotoras en todo el mundo. Incluso después de que el uso de locomotoras de vapor comerciales llegara a su fin en la mayor parte del mundo desarrollado, el ingeniero argentino Livio Dante Porta continuó trabajando en el desarrollo de sistemas de escape de locomotoras de vapor, incluyendo el refinamiento de ecuaciones para obtener mejores dimensiones de chimeneas.
Las locomotoras construidas en Gran Bretaña , donde el coque era el combustible más común, a menudo utilizaban chimeneas de hierro fundido , porque duraban más que las chimeneas fabricadas con chapa metálica . Las primeras locomotoras norteamericanas solían utilizar combustible de madera, lo que daba como resultado que una gran cantidad de brasas incandescentes fueran transportadas a través de la caldera desde la caja de fuego y expulsadas por la chimenea por el vapor de escape a alta velocidad. [4] Para reducir la cantidad de incendios iniciados por brasas escapadas, los parachispas se convirtieron en una característica común de las chimeneas de locomotoras de leña. La dificultad de fundir parachispas complejos alentó la fabricación de chimeneas de chapa metálica para locomotoras de leña. [5]
Los primeros apagachispas eran simplemente pantallas de alambre de hierro instaladas dentro de la chimenea. Sin embargo, la pantalla reducía la velocidad a la que el humo y el vapor podían escapar de la caldera. Además, las brasas atrapadas por la pantalla reducían aún más el espacio disponible para el paso del vapor, y el humo y el calor generados por las brasas encendidas derretían rápidamente la pantalla de alambre. Los diámetros superiores de las chimeneas se agrandaron para aumentar el área de superficie de la pantalla y reducir la velocidad del humo a través de la pantalla para que las brasas pudieran caer de la pantalla a las tolvas de recolección. En respuesta a una demanda por infracción de patente de 1857, Baldwin Locomotive Works compiló un diagrama que ilustra 57 diseños diferentes de chimeneas apagachispas. [4]
El diseño más popular era una chimenea de capó. El capó era un cono de chapa metálica en forma de embudo colocado sobre una chimenea cilíndrica convencional. La parte inferior, de diámetro pequeño, del cono servía como tolva de recogida de las brasas que caían. La parte superior del cono ocultaba un cono interior en la parte superior de la chimenea cilíndrica, que desviaba el vapor, el humo y las brasas que escapaban hacia fuera, contra las paredes interiores del cono exterior. Se esperaba que las brasas más pesadas cayeran en la tolva de abajo, mientras que el vapor y el humo más ligeros pasaban hacia arriba a través de una rejilla de alambre sobre el extremo superior, de gran diámetro, del cono exterior. La desviación de las brasas normalmente limitaba la vida útil de la rejilla a tres o cuatro semanas. Algunas de esas chimeneas incluían un dispositivo para dejar caer las brasas recogidas en una parte de la caja de humos llamada subtesorería. Los diseños sofisticados, como el de Radley & Hunter, incorporaban varios deflectores de separación centrífuga en el capó. A medida que el carbón reemplazó al combustible de madera, el capó se redujo a una simple chimenea de diamante, que albergaba el cono deflector interno, con o sin la rejilla de alambre superior, pero sin ninguna tolva de recolección. [4]
La chimenea de capó se convirtió en una de las características más distintivas de las locomotoras estadounidenses del siglo XIX. Eso, junto con un gran faro de aceite rectangular , les daba un aire de grandeza. [4] Muchos diseñadores o compañías ferroviarias tenían su propio estilo distintivo, como la chimenea "Stovepipe" de William Adams en el London and South Western Railway del siglo XIX , o las chimeneas con tapa de cobre en el Great Western Railway .
A medida que las calderas de las locomotoras fueron creciendo, el espacio disponible para las chimeneas se fue reduciendo, porque todavía tenían que encajar en el mismo gálibo de carga . Eso redujo la eficacia de la chimenea para mantener los gases de escape alejados de la línea de visión del conductor y, como resultado, las locomotoras tuvieron que ser equipadas con dispositivos como deflectores de humo .
