Una locomotora de vapor de alta presión es una locomotora de vapor con una caldera que funciona a presiones muy por encima de lo que se consideraría normal para otras locomotoras. La mayoría de las locomotoras funcionan con una presión de vapor de 200 a 300 psi (1,38 a 2,07 MPa). [1] En los últimos años del vapor, las presiones de las calderas eran típicamente de 200 a 250 psi (1,38 a 1,72 MPa ). [ cita necesaria ] Se puede considerar que las locomotoras de alta presión comienzan a 350 psi (2,41 MPa), cuando se necesitan técnicas de construcción especiales, pero algunas tenían calderas que funcionaban a más de 1500 psi (10,34 MPa).
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Maximizar el rendimiento de una máquina térmica depende fundamentalmente de conseguir que la temperatura a la que se acepta el calor (es decir, elevar el vapor en la caldera ) lo más lejos posible de la temperatura a la que se rechaza (es decir, el vapor cuando sale del cilindro). Así lo cuantificó Nicolas Léonard Sadi Carnot .
Hay dos opciones: subir la temperatura de aceptación o bajar la temperatura de rechazo. Para una máquina de vapor , lo primero significa elevar vapor a mayor presión y temperatura, lo cual es bastante sencillo en términos de ingeniería. Esto último se puede implementar de dos maneras: cilindros más grandes para permitir que el vapor de escape se expanda más y/o condensar el escape para reducir aún más la temperatura de rechazo. Sin embargo, ambas implementaciones son callejones sin salida: la primera está limitada por el medidor de carga , mientras que la segunda tiende a ser contraproducente debido a las pérdidas por fricción en los volúmenes mucho mayores de vapor de escape que deben manejarse.
Por lo tanto, a menudo se ha considerado que la alta presión es el camino a seguir para mejorar la eficiencia del combustible de las locomotoras. Sin embargo, los experimentos en esta dirección siempre fueron frustrados por costos de compra y mantenimiento mucho mayores. Una forma más sencilla de aumentar la temperatura de aceptación es utilizar una presión de vapor modesta y un sobrecalentador .
Las locomotoras de alta presión eran mucho más complicadas que los diseños convencionales. No se trataba simplemente de construir una caldera pirotubular normal , con una resistencia suficientemente aumentada y que funcionara con mayor potencia. Los requisitos de resistencia estructural en el casco de la caldera hacen que esto no sea práctico; se vuelve increíblemente espeso y pesado. Para altas presiones de vapor se utiliza universalmente la caldera acuotubular . Los tambores de vapor y sus tubos de interconexión tienen un diámetro relativamente pequeño con paredes gruesas y, por tanto, mucho más resistentes.
La siguiente dificultad es la deposición de incrustaciones y corrosión en los tubos de la caldera. Las incrustaciones depositadas dentro de los tubos son invisibles, normalmente inaccesibles y representan un peligro mortal, ya que provocan un sobrecalentamiento local y fallos del tubo. Este fue un gran inconveniente con las primeras calderas acuotubulares, como el diseño de Du Temple, probado en la red del Norte francés en 1907 y 1910. Se comprobaba que los tubos de agua de las calderas de la Royal Navy no estuvieran obstruidos dejando caer cuidadosamente bolas numeradas a lo largo de los tubos curvos. .
Una fuga repentina de vapor en la cámara de combustión es bastante peligrosa en una caldera convencional: es probable que el fuego salga disparado por la puerta de la cámara de combustión, con resultados desafortunados para cualquiera que se interponga en el camino. Con una caldera de alta presión los resultados son aún más peligrosos debido a la mayor liberación de energía. Esto quedó demostrado en la tragedia del Fury , aunque se concluyó que la razón del fallo del tubo en ese caso fue el sobrecalentamiento debido a la falta de flujo de vapor y no a la incrustación.
Uno de los primeros en experimentar con vapor a alta presión fue Jacob Perkins . Perkins aplicó su sistema de " tubo hermético " a las calderas de las locomotoras de vapor y en 1836 se fabricaron varias locomotoras que utilizaban este principio para London and South Western Railway .
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Una forma de evitar problemas de corrosión y sarro a alta presión es utilizar agua destilada , como se hace en las centrales eléctricas . [ cita necesaria ] Los gases disueltos como el oxígeno y el dióxido de carbono también causan corrosión a altas temperaturas y presiones, y deben mantenerse alejados. La mayoría de las locomotoras no tenían condensadores, por lo que no había ninguna fuente de agua de alimentación pura. Una solución fue el sistema Schmidt. [2]
El sistema Schmidt utilizaba un circuito sellado de ultra alta presión que simplemente transfería calor a un circuito de alta presión, mediante serpentines de calentamiento dentro de una caldera de alta presión. Si este último se alimentaba con agua corriente, se podían formar incrustaciones en el exterior de las bobinas de calentamiento, pero no podía provocar un sobrecalentamiento porque los tubos ultra-HP eran bastante capaces de soportar la temperatura interna del vapor, aunque no la temperatura de la llama del hogar.
El circuito sellado de ultra alta presión funcionaba entre 1200 y 1600 psi (8,27 y 11,03 MPa), dependiendo de la velocidad de disparo. La caldera HP funcionó a aproximadamente 850 psi (5,86 MPa) y la caldera de baja presión a 200 a 250 psi (1,38 a 1,72 MPa). Las calderas UHP y HP tenían un diseño acuotubular , mientras que la caldera LP era una caldera pirotubular típica de las locomotoras de vapor. Los cilindros de LP fueron accionados con una mezcla del escape del cilindro de HP y la salida de la caldera de LP. Tanto las calderas HP como LP tenían sobrecalentadores .
El PL241P francés , el H17-206 alemán y el LMS 6399 Fury británico utilizaron el sistema Schmidt y tenían un diseño básicamente similar. El New York Central HS-1a y el Canadian 8000 también usaban el sistema Schmidt, pero eran un tamaño más grande en conjunto: el 8000 pesaba más del doble que el Fury.
Otra forma de evitar incrustaciones en la caldera HP es utilizar solo vapor para transferir el calor del fuego; Por supuesto, el vapor no puede depositar incrustaciones. Se bombeaba vapor saturado de un generador de vapor HP a través de tubos de sobrecalentador HP que recubrían la cámara de combustión. Allí se sobrecalentó a aproximadamente 900 °F (482 °C) y la presión se elevó a 1700 psi (11,72 MPa). Sólo una cuarta parte de esto se alimentó a los cilindros HP; el resto fue devuelto al generador de vapor donde su calor evaporó más agua para continuar el ciclo.
El escape del cilindro HP pasó a través de un calentador de alimentación LP y luego por los tubos de una caldera LP; esto era aproximadamente equivalente a la caldera de LP en el sistema Schmidt, pero se calentaba con vapor de escape de HP, no con gases de combustión. El vapor se elevó en la caldera de LP a 225 psi (1,55 MPa), se alimentó al sobrecalentador de LP y luego al cilindro de LP. El escape LP alimentaba el tubo de explosión de la caja de humo. Los gases de escape de HP condensados en los tubos de calentamiento de la caldera de LP se bombearon de regreso al generador de vapor de HP. Era un sistema complejo.
La única locomotora construida con este sistema fue la alemana DRG H 02 1001 de 1930. No fue un éxito, ya que era extremadamente poco fiable.
El prototipo Baldwin 60000 funcionó a una presión relativamente baja de 350 psi (2,41 MPa) y no utilizó ninguno de los sistemas complejos descritos anteriormente. Tenía tanto una caldera acuotubular relativamente convencional como una caldera pirotubular . Sin embargo, los altos costos de mantenimiento y la escasa confiabilidad anularon las economías de combustible prometidas por la alta presión y la composición, y el diseño no se repitió. En Estados Unidos se construyeron otras locomotoras de alta presión moderadamente convencionales, incluida la locomotora LF Loree de triple expansión de 1933, pero ninguna tuvo éxito.
HW Bell y compañía introdujeron una exitosa línea de locomotoras de alta presión en 1908 que continuó en producción hasta la década de 1920. La tecnología básica utilizada en estas máquinas se derivó del Stanley Steamer . [3] Los más pequeños de ellos eran motores de vía estrecha que pesaban solo 5000 libras (2300 kg) y con una distancia entre ejes de 5 pies (1,5 m) , pero operaban a 500 psi (3,45 MPa) y las calderas se probaron a 1200 psi. (8,27 MPa). La caldera pirotubular vertical estaba enrollada con cuerda de piano , y las bielas y manivelas estaban completamente cerradas y engranadas a un eje. [4] Bell Locomotive Works anunció modelos posteriores a 325 psi (2,24 MPa) o 350 psi (2,41 MPa) más convencionales. [5] [6]
En Gran Bretaña, el LNER Clase W1 se construyó con una caldera acuotubular de tipo marino que funcionaba a 450 psi (3,10 MPa) en 1929. No tuvo mucho éxito y fue reconstruido con una caldera pirotubular convencional en 1936.
