Caldera con chimenea

Una caldera de carcasa o de conducto de humos es una forma temprana y relativamente simple de caldera utilizada para producir vapor , generalmente con el propósito de impulsar una máquina de vapor . El diseño marcó una etapa de transición en el desarrollo de las calderas, entre las primeras calderas de pajar y las calderas pirotubulares de múltiples tubos posteriores . Una caldera de conducto de humos se caracteriza por una gran carcasa cilíndrica de caldera que forma un tanque de agua, atravesada por uno o más conductos de humos grandes que contienen el horno . Estas calderas aparecieron a principios del siglo XIX y algunas formas siguen en servicio en la actualidad. Aunque se usaban principalmente para plantas de vapor estáticas, algunas se usaron en los primeros vehículos de vapor, locomotoras de ferrocarril y barcos.

Las calderas con conducto de humos se desarrollaron en un intento de aumentar las presiones de vapor y mejorar la eficiencia del motor. Los primeros diseños de pajar de la época de Watt eran mecánicamente débiles y a menudo presentaban una superficie plana sin soporte al fuego. Las explosiones de calderas , que generalmente comenzaban con la falla de esta placa de la caja de fuego, eran comunes. Se sabía que una estructura arqueada era más fuerte que una placa plana, por lo que se colocó un gran tubo de humos circular dentro de la carcasa de la caldera. El fuego en sí estaba en una rejilla de hierro colocada a través de este conducto, con un cenicero poco profundo debajo para recolectar los residuos no combustibles. Esto tenía la ventaja adicional de envolver estrechamente la superficie de calentamiento alrededor del horno, pero ese era un beneficio secundario.

Aunque hoy se considera de baja presión (quizás 25  psi [1,7  atm ]), se consideraba de alta presión en comparación con sus predecesores. Este aumento de presión fue un factor importante para convertir las locomotoras (es decir, pequeños vehículos autónomos) como la de Trevithick en una propuesta práctica.

La caldera más sencilla para locomotoras tenía un solo conducto de humos recto. Fue ampliamente utilizada por muchos de los primeros fabricantes de locomotoras, incluidas las locomotoras de Blenkinsop para el ferrocarril de Middleton y la Locomotion No. 1 de Stephenson .

Este tipo de caldera es sencilla de fabricar y lo suficientemente fuerte como para soportar vapor de "alta presión" (para la época) con un trabajo expansivo en los cilindros. También hay un buen flujo de gas a través del gran conducto de humos, de modo que el fuego recibe suficiente tiro gracias a la acción de una chimenea alta únicamente. Sin embargo, también tiene poca superficie de calentamiento, por lo que es ineficiente y quema una gran cantidad de carbón.

Un conducto de humos simple debe ser largo para ofrecer una superficie de calefacción adecuada. En el caso de una caldera de cuerpo corto, como la que se requiere para una locomotora de vapor , esto se puede lograr utilizando un conducto de retorno en forma de U que se dobla sobre sí mismo.

Richard Trevithick ya había utilizado un conducto de retorno con su primer diseño de locomotora Coalbrookdale de 1802 y el motor "Pen-y-Darren" de 1804. ^[1] Estas calderas estaban construidas en gran medida de hierro fundido , eran cortas y de extremos planos. Su locomotora " Newcastle " de 1804/5 (en realidad construida en Gateshead ) comenzó a mostrar un rasgo característico de la caldera con conducto de retorno, una forma de cúpula prominente para resistir la presión del vapor en el extremo sólido opuesto tanto al horno como a la chimenea. En este caso, la calderería, ahora de placas de hierro forjado , debe haberse complicado por el único cilindro horizontal de largo recorrido de Trevithick (9 pulgadas × 36 pulgadas (230 mm × 910 mm) de diámetro × carrera) que emergía a través de este extremo abovedado. ^[1] Sin embargo, esto facilitó el trabajo del fogonero, ya que ya no estaba tratando de alcanzar una puerta de incendios debajo de la larga cruceta del pistón.

William Hedley utilizó este modelo de caldera para sus locomotoras Puffing Billy y Wylam Dilly de 1813. A través de la mina de carbón Wylam y su propietario Christopher Blackett , Hedley habría estado familiarizado con la máquina de Trevithick. ^[2]

El Royal George 0-6-0 de Timothy Hackworth de 1827 también utilizaba una caldera con tubo de retorno, aunque es más conocido por su uso pionero de un tubo de escape deliberado para fomentar el tiro en el fuego. ^[1] Su versión 0-4-0 más ligera para las Pruebas de Rainhill , Sans Pareil , era muy similar. ^[2] Aunque parecían anticuados tan pronto como terminaron las Pruebas, el Samson canadiense de este modelo se construyó en 1838 y todavía estaba en servicio en 1883. ^[2]

Imágenes externas
Motor de tracción "New Huber"
Motor de tracción Huber de 1897
Anuncio de Huber y diagrama seccional de la caldera

Las últimas calderas de retorno de humos construidas (aparte de algunas calderas estacionarias) suelen considerarse las construidas por Huber Co. de Marion, Ohio, para sus motores de tracción "New Huber" , entre 1885 y 1903. ^[3]

Sin embargo, no se trataba de calderas de retorno de humos en el sentido que se le da aquí, sino de calderas de tubos de retorno . Tenían un único tubo de horno cilíndrico grande, una cámara de combustión externa a la carcasa de presión de la caldera y, a continuación , múltiples tubos de humos estrechos que regresaban a una caja de humos en forma de herradura situada encima y alrededor de la puerta de incendios. La proximidad de esta caja de humos al fogonero dio lugar a su apodo de "quemadores de vientre". Por tanto, su diseño tiene más en común con las calderas de tipo de lanzamiento horizontal (como las utilizadas por Sir Arthur Heywood ) o la caldera marina escocesa que con la sencilla caldera de un solo conducto de humos.

En esa época, la caldera de locomotora ya se había convertido en un elemento omnipresente en los motores de tracción. En comparación con esto, la caldera Huber tenía la ventaja de que los tubos de humo se podían sustituir con mayor facilidad, sin necesidad de trabajar dentro de una cámara de combustión cerrada.

La forma más simple de caldera con conducto de humos fue la caldera de Cornualles de "alta presión" de Richard Trevithick , instalada por primera vez en la mina Dolcoath en 1812. ^[4] Se trata de un cilindro horizontal largo con un solo conducto de humos grande que contiene el fuego. Como el horno dependía del tiro natural , se necesitaba una chimenea alta en el extremo más alejado del conducto de humos para fomentar un buen suministro de aire (oxígeno) al fuego.

Para lograr una mayor eficiencia, la innovación de Trevithick fue revestir la parte inferior de la caldera con una cámara de ladrillo . Los gases de escape pasaban por el conducto central y luego se dirigían hacia el exterior y alrededor de la carcasa de hierro de la caldera. Para mantener la chimenea despejada del espacio de combustión, el conducto de ladrillo pasaba primero por debajo del centro de la caldera hasta la cara frontal, luego de nuevo por los lados y hasta la chimenea.

Las calderas de Cornualles tenían varias ventajas sobre las calderas de vagón anteriores : estaban compuestas principalmente de superficies curvas, para resistir mejor la presión. Sus extremos planos eran más pequeños que los lados planos de la caldera de vagón y estaban sujetos por el conducto de humos central del horno y, a veces, por tirantes de varillas largos adicionales . Una ventaja menos obvia era la de la incrustación de la caldera. Las calderas de vagón o de pajar se calentaban desde abajo y cualquier incrustación o impureza que formara un sedimento se depositaba sobre esta placa, aislándola del agua. Esto reducía la eficiencia de calentamiento y podía, en casos extremos, provocar un sobrecalentamiento local y el fallo de las placas de la caldera. En la caldera con conducto de humos, cualquier sedimento caía más allá del conducto de humos del horno y se depositaba en el fondo de la carcasa de la caldera, donde tenía menos efecto. ^[5]

En la ingeniería de modelos , la caldera de Cornualles, en particular cuando está equipada con tubos Galloway ( véase la caldera de Lancashire, más abajo ), es una excelente opción para calderas de gas y modelos de barcos de vapor. Es fácil de construir y tan eficiente como cualquier caldera de pequeña escala. ^[6]

La caldera Butterley o de "boca de silbato" es un diseño poco conocido derivado del modelo de Cornualles, producido por la famosa calderería Butterley de Derbyshire. ^[7] Es básicamente una caldera de Cornualles a la que se le ha quitado la mitad inferior de la carcasa alrededor del horno, para permitir encender un fuego grande. Esto la hizo popular en las fábricas textiles de los Peninos , donde el carbón duro del norte tenía menos valor calorífico que el carbón galés utilizado en el suroeste y requería un fuego más grande. ^[8] Alternativamente, se puede considerar como una caldera de Cornualles acortada con una caldera de vagón colocada delante de ella con un fuego más grande debajo. Sufre el mismo inconveniente que la caldera de vagón: la placa cóncava de la caja de fuego es mecánicamente débil y esto limita la presión de trabajo o requiere un soporte mecánico adicional .

La caldera de Lancashire es similar a la de Cornualles, pero tiene dos grandes conductos que contienen los fuegos en lugar de uno. Generalmente se considera que es la invención de William Fairbairn y John Hetherington en 1844, aunque su patente se refería al método de encender los hornos de forma alternada, para reducir el humo, en lugar de a la caldera en sí. ^[9] La primera locomotora 0-4-0 de Stephenson , " Lancashire Witch ", ya había demostrado el uso de tubos de horno gemelos dentro de una caldera 15 años antes. ^[1]

Fairbairn había realizado un estudio teórico de la termodinámica de las calderas más eficientes, y fue esto lo que lo llevó a aumentar el área de la parrilla del horno en relación con el volumen de agua. Una razón particular para esto fue la adopción hasta ahora deficiente de la caldera de Cornualles en las fábricas de algodón de Lancashire, donde el carbón local más duro no podía quemarse satisfactoriamente en el horno más pequeño, en favor de la caldera de vagón de baja presión más antigua y su gran parrilla. ^[8]

Las dificultades de la caldera de Cornualles eran que una caldera de cualquier potencia particular requeriría un área conocida del tubo del horno como área de calentamiento. Los tubos más largos requerían una carcasa de caldera más larga y más cara. También reducían la relación entre el área de la parrilla y el área de calentamiento, lo que dificultaba mantener un fuego adecuado. Aumentar el diámetro del tubo reducía la profundidad del agua que cubría el tubo del horno y, por lo tanto, aumentaba la necesidad de un control preciso del nivel de agua por parte del fogonero, o de lo contrario, el riesgo de explosión de la caldera . Los estudios de Fairbairn sobre la tensión circunferencial en los cilindros también mostraron que los tubos más pequeños eran más fuertes que los tubos más grandes. Su solución fue simple: reemplazar un tubo de horno grande por dos más pequeños.

La patente ^[9] mostraba otra ventaja de los hornos gemelos. Al encenderlos alternativamente y cerrar la puerta de la cámara de combustión entre encendidos, también era posible disponer un suministro de aire más allá del horno (en el caso de una caldera de Lancashire, a través del cenicero debajo de la rejilla) que fomentaría que los gases de combustión producidos por el fuego se quemaran de forma más completa y limpia, reduciendo así el humo y la contaminación. ^[10] Un factor clave en esto era el distintivo regulador de aire giratorio con contraventanas en la puerta, que se convirtió en una característica a partir de la década de 1840.

El uso de dos conductos de humos también tiene un efecto de refuerzo, actuando como dos largos tirantes que sostienen las placas de los extremos. ^[7]

Los desarrollos posteriores añadieron tubos de Galloway (en honor a su inventor, patentado en 1848 ^[11] o 1851 ^[12] ) que cruzaban el conducto de humos, aumentando así la superficie calentada. Como se trata de tubos cortos de gran diámetro y la caldera sigue utilizando una presión relativamente baja, todavía no se considera una caldera acuotubular . Los tubos son cónicos para facilitar su instalación a través del conducto de humos. ^[6]

Las calderas de Lancashire suelen tener conductos de humos corrugados , que absorben la expansión térmica sin forzar las juntas remachadas. Otro desarrollo fue el " conducto de humos en forma de riñón " o caldera Galloway , en el que los dos hornos se unen en un solo conducto de humos, con una sección transversal en forma de riñón. Este conducto de humos ensanchado y de parte superior plana se mantenía mediante el uso de tubos Galloway.

Su presión máxima es de 20 bar (290 psi). El diámetro máximo de la caldera es de 3 m (9,8 ft), tiene dos tubos de humos de longitud variable entre 6 y 10 m (20 y 33 ft) y un diámetro de 0,8 a 1 m (2,6 a 3,3 ft).

Aunque la caldera de Lancashire se considera un diseño anticuado, siempre que el conducto de humos sea lo suficientemente largo puede ser razonablemente eficiente. Sin embargo, esto hace que sea una caldera voluminosa, especialmente para su longitud, y esto siempre ha limitado su uso a instalaciones estacionarias. Era la caldera estándar en las fábricas de algodón de Lancashire .

El trabajo de William Fairbairn en la caldera de Lancashire había demostrado las virtudes de eficiencia de múltiples hornos en relación con un volumen de agua reducido. También se entendió ampliamente que las presiones de vapor más altas mejoraron la eficiencia de los motores. La investigación de Fairbairn sobre la resistencia de los cilindros ^[13] lo llevó a diseñar otra caldera mejorada, basada en diámetros de tubo mucho más pequeños, que así podría funcionar a presiones más altas, típicamente 150  psi (1000  kPa ). Esta fue la caldera de "cinco tubos", cuyos cinco tubos estaban dispuestos en dos pares anidados como tambor de agua y horno, con el tubo restante montado sobre ellos como un tambor de vapor separado. ^[14] El volumen de agua era extremadamente bajo en comparación con los diseños de calderas anteriores, ya que los tubos del horno casi llenaban cada uno de los tambores de agua.

La caldera tuvo éxito en cuanto a sus objetivos y proporcionó dos grandes hornos con una pequeña capacidad de agua. El tambor de vapor separado también ayudó a la producción de vapor "seco", sin el arrastre de agua y el riesgo de cebado. Sin embargo, también era compleja de fabricar y no ofrecía una gran superficie de calentamiento para el trabajo involucrado. Pronto fue reemplazada por calderas multitubulares como la Fairbairn-Beeley y las calderas Scotch .

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• Caldera marina escocesa

• Fairbairn, William (1851). "Sobre las explosiones en las calderas". Dos conferencias: La construcción de calderas y Sobre las explosiones en las calderas y los medios para prevenirlas. pág. 20.
• Fairbairn, William (1856). Información útil para ingenieros. Londres: Longmans.
• Hills, Richard L. (1989). Energía a partir del vapor. Cambridge University Press . pág. 103. ISBN 0-521-45834-X.