Caldera pirotubular

Una caldera pirotubular es un tipo de caldera inventada en 1828 por Mark Seguin , ^[1] en la que los gases calientes pasan desde el fuego a través de uno o más tubos que recorren un recipiente sellado con agua. El calor de los gases se transfiere a través de las paredes de los tubos por conducción térmica , calentando el agua y creando finalmente vapor .

La caldera pirotubular se desarrolló como el tercero de los cuatro tipos históricos principales de calderas: calderas de tanque de baja presión o calderas de " almiar ", calderas con conducto de humos con uno o dos conductos de humos grandes, calderas pirotubulares con muchos tubos pequeños y calderas acuotubulares de alta presión . Su ventaja sobre las calderas con conducto de humos con un solo conducto de humos grande es que los muchos tubos pequeños ofrecen una superficie de calentamiento mucho mayor para el mismo volumen total de la caldera. La construcción general es como un tanque de agua atravesado por tubos que transportan los gases de combustión calientes del fuego. El tanque suele ser cilíndrico en su mayor parte (siendo la forma práctica más resistente para un recipiente presurizado ) y este tanque cilíndrico puede ser horizontal o vertical.

Este tipo de caldera se utilizó en prácticamente todas las locomotoras de vapor en forma de "locomotora" horizontal. Tiene un cuerpo cilíndrico que contiene los tubos de humos, pero también tiene una extensión en un extremo para alojar la "caja de fuego". Esta caja de fuego tiene una base abierta para proporcionar una gran área de rejilla y a menudo se extiende más allá del cuerpo cilíndrico para formar un recinto rectangular o cónico. La caldera pirotubular horizontal también es típica de las aplicaciones marinas, utilizando la caldera escocesa ; por lo tanto, estas calderas se conocen comúnmente como calderas de tipo "escocés-marinas" o "marinas". ^{[2] También se han construido} calderas verticales del tipo de tubos de humos múltiples, aunque son comparativamente raras; la mayoría de las calderas verticales tenían conductos de humos o tubos de agua cruzados.

En la caldera de tipo locomotora, el combustible se quema en una caja de fuego para producir gases de combustión calientes. La caja de fuego está rodeada por una camisa de enfriamiento de agua conectada a la carcasa cilíndrica larga de la caldera. Los gases calientes se dirigen a lo largo de una serie de tubos de humos , o conductos de humos , que penetran en la caldera y calientan el agua, generando así vapor saturado ("húmedo"). El vapor sube al punto más alto de la caldera, la cúpula de vapor , donde se recoge. La cúpula es el sitio del regulador que controla la salida de vapor de la caldera.

En la caldera de la locomotora, el vapor saturado se pasa muy a menudo a un sobrecalentador , de vuelta a través de los conductos de humos más grandes en la parte superior de la caldera, para secar el vapor y calentarlo hasta convertirlo en vapor sobrecalentado . El vapor sobrecalentado se dirige a los cilindros de la máquina de vapor o, muy raramente, a una turbina para producir trabajo mecánico. Los gases de escape se expulsan a través de una chimenea y pueden usarse para precalentar el agua de alimentación para aumentar la eficiencia de la caldera.

El tiro de las calderas pirotubulares, en particular en aplicaciones marinas, se suele conseguir mediante una chimenea alta . En todas las locomotoras de vapor desde la Rocket de Stephenson , se consigue un tiro adicional dirigiendo el vapor de escape de los cilindros hacia la chimenea a través de un tubo de escape , para proporcionar un vacío parcial . Las calderas industriales modernas utilizan ventiladores para proporcionar un tiro forzado o inducido a la caldera.

Otro avance importante del cohete fue la utilización de un gran número de tubos de humo de pequeño diámetro (una caldera multitubular ) en lugar de un único conducto de humos de gran tamaño. Esto aumentó enormemente la superficie de transferencia de calor, lo que permitió producir vapor a un ritmo mucho mayor. Sin esto, las locomotoras de vapor nunca habrían podido desarrollarse de manera eficaz como potentes motores primarios .

Para obtener más detalles sobre el tipo de antecesor relacionado, consulte Calderas con conducto de humos .

La primera forma de caldera pirotubular fue la caldera de "alta presión" de Cornualles de Richard Trevithick . Se trata de un cilindro horizontal largo con un único conducto de humos grande que contiene el fuego. El fuego en sí se encontraba sobre una rejilla de hierro colocada a través de este conducto, con un cenicero poco profundo debajo para recoger los residuos no combustibles. Aunque hoy se considera de baja presión (quizás 25 libras por pulgada cuadrada (170 kPa)), el uso de una caldera cilíndrica permitía una presión más alta que las calderas de "almiar" anteriores de la época de Newcomen . Como el horno dependía del tiro natural (flujo de aire), se necesitaba una chimenea alta en el extremo más alejado del conducto para fomentar un buen suministro de aire (oxígeno) al fuego.

Para lograr una mayor eficiencia, la caldera solía estar revestida por una cámara de ladrillos por la que se conducían los gases de combustión, fuera de la carcasa de hierro de la caldera, después de pasar por el tubo de humos hasta una chimenea que ahora estaba situada en la parte frontal de la caldera.

La caldera de Lancashire es similar a la de Cornualles, pero tiene dos grandes conductos de humos que contienen los fuegos. Fue inventada por William Fairbairn en 1844, a partir de una consideración teórica de la termodinámica de las calderas más eficientes que lo llevó a aumentar el área de la parrilla del horno en relación con el volumen de agua.

Los desarrollos posteriores añadieron tubos de Galloway (en honor a su inventor, patentado en 1848), ^[3] tubos de agua transversales a lo largo del 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, simplemente para facilitar su instalación a través del conducto de humos. ^[4]

La caldera marina escocesa difiere radicalmente de sus predecesoras en el uso de un gran número de tubos de diámetro pequeño. Esto proporciona una superficie de calentamiento mucho mayor para el volumen y el peso. El horno sigue siendo un solo tubo de gran diámetro con muchos tubos pequeños dispuestos encima de él. Están conectados entre sí a través de una cámara de combustión, un volumen cerrado contenido completamente dentro de la carcasa de la caldera, de modo que el flujo de gas de combustión a través de los tubos de humos es de atrás hacia adelante. Una caja de humos cerrada que cubre la parte delantera de estos tubos conduce hacia arriba a la chimenea o embudo. Las calderas escocesas típicas tenían un par de hornos, las más grandes tenían tres. Por encima de este tamaño, como en los grandes barcos de vapor , era más habitual instalar varias calderas. ^[5]

Una caldera de locomotora tiene tres componentes principales: una cámara de combustión de doble pared ; un "cilindro de caldera" horizontal que contiene una gran cantidad de pequeños tubos de humos; y una caja de humos con chimenea , para los gases de escape. El cilindro de caldera contiene tubos de humos más grandes para transportar los elementos del sobrecalentador , cuando estén presentes. Se proporciona tiro forzado en la caldera de locomotora inyectando vapor de escape nuevamente en el escape a través de un tubo de soplado en la caja de humos.

Las calderas de tipo locomotora también se utilizan en máquinas de tracción , apisonadoras , locomotoras portátiles y otros vehículos de vapor para carretera. La resistencia inherente de la caldera significa que se utiliza como base para el vehículo: todos los demás componentes, incluidas las ruedas, están montados en soportes unidos a la caldera. Es raro encontrar sobrecalentadores diseñados para este tipo de calderas, y generalmente son mucho más pequeños (y más simples) que los tipos de locomotoras de ferrocarril.

La caldera de tipo locomotora es también una característica del vagón de vapor de tipo sobretipo , el precursor del camión propulsado por vapor . En este caso, sin embargo, los bastidores de vigas pesadas forman el chasis portante del vehículo, sobre el que se fija la caldera.

Caldera cónica

Algunas calderas de locomotoras de ferrocarril tienen un diámetro cónico que va desde un mayor diámetro en el extremo de la cámara de combustión hasta un diámetro menor en el extremo de la cámara de humos . Esto reduce el peso y mejora la circulación del agua. Muchas locomotoras posteriores de Great Western Railway y London, Midland and Scottish Railway fueron diseñadas o modificadas para incorporar calderas cónicas.

Una caldera pirotubular vertical (VFT), conocida coloquialmente como "caldera vertical", tiene una carcasa cilíndrica vertical que contiene varios tubos de humos verticales.

La caldera tubular de retorno horizontal (HRT) tiene una carcasa cilíndrica horizontal, que contiene varios tubos de humos horizontales, con el fuego ubicado directamente debajo de la carcasa de la caldera, generalmente dentro de un entorno de mampostería.

Ampliamente utilizada por Gran Bretaña, antes y en los primeros días de los acorazados, el único lugar protegido estaba debajo de la línea de flotación, a veces debajo de una cubierta blindada, por lo que para encajar debajo de cubiertas cortas, los tubos no se conducían hacia atrás por encima del horno, sino que continuaban directamente desde él, manteniendo la cámara de combustión entre los dos. De ahí el nombre y el diámetro considerablemente reducido, en comparación con la omnipresente caldera escocesa o de tubo de retorno. No tuvo un gran éxito y su uso se abandonó después de la introducción de un blindaje lateral más fuerte: "las coronas del horno, al estar muy cerca del nivel del agua, son mucho más propensas al sobrecalentamiento. Además, debido a la longitud de la caldera, para un ángulo de inclinación igual, el efecto sobre el nivel del agua es mucho mayor. Finalmente, la expansión desigual de las diversas partes de la caldera es más pronunciada, especialmente en la parte superior e inferior, debido a la mayor relación entre la longitud y el diámetro de la caldera; las tensiones locales también son más severas debido a la circulación comparativamente débil en calderas largas y bajas". Todo esto también resultó en una vida útil más corta. Además, la misma longitud de una cámara de combustión era mucho menos efectiva en una caldera de tubo directo que en una caldera de tubo de retorno, al menos sin deflectores. ^{[6] : 233-235}

La caldera de inmersión es una caldera pirotubular de un solo paso que fue desarrollada por Sellers Engineering en la década de 1940. Tiene solo tubos de humo, que funcionan también como horno y cámara de combustión, con múltiples boquillas de quemador que inyectan aire premezclado y gas natural bajo presión. Se dice que tiene tensiones térmicas reducidas y carece por completo de mampostería refractaria debido a su construcción. ^[7]

Las calderas pirotubulares a veces también tienen tubos de agua, para aumentar la superficie de calentamiento. Una caldera de Cornualles puede tener varios tubos de agua a lo largo del diámetro del conducto de humos (esto es común en las lanchas a vapor ). Una caldera de locomotora con una caja de fuego ancha puede tener tubos de arco o sifones térmicos . A medida que se desarrolló la tecnología de la caja de fuego, se descubrió que colocar un deflector de ladrillos refractarios (ladrillos resistentes al calor) dentro de la caja de fuego para dirigir el flujo de gases de combustión calientes hacia la parte superior de la caja de fuego antes de que fluyera hacia los tubos de fuego aumentaba la eficiencia al igualar el calor entre los tubos de fuego superiores e inferiores. Para mantenerlos en su lugar, se utilizó un soporte de metal, pero para evitar que estos soportes se quemaran y erosionaran, se construyeron como tubos de agua, con agua fría de la parte inferior de la caldera moviéndose hacia arriba por convección a medida que se calentaba, y llevándose el calor antes de que el metal alcanzara su temperatura de falla.

Otra técnica para aumentar la superficie de calentamiento es incluir estrías internas en el interior de los tubos de la caldera (también conocidos como tubos de servicio).

No todas las calderas pirotubulares generan vapor; algunas están diseñadas específicamente para calentar agua presurizada.

En homenaje al diseño de Lancashire, las calderas pirotubulares modernas pueden venir con un diseño de doble horno. Un desarrollo más reciente ha sido el diseño de llama invertida, en el que el quemador enciende un horno ciego y los gases de combustión se revierten sobre sí mismos. Esto da como resultado un diseño más compacto y menos tuberías.

El término caldera "en paquete" surgió a principios y mediados del siglo XX y se utiliza para describir las calderas de calefacción residenciales que se entregan en el lugar de instalación con todo el aislamiento, los paneles eléctricos, las válvulas, los medidores y los quemadores de combustible ya ensamblados por el fabricante. Otros métodos de entrega se parecen más a la práctica anterior de la era de la combustión del carbón, cuando se añadían otros componentes en el lugar a un recipiente de presión preensamblado o a una caldera "desmontable", donde el recipiente de presión se entrega como un conjunto de piezas fundidas para ensamblar en el lugar. Como regla general, el ensamblaje en fábrica es mucho más rentable y la caldera en paquete es la opción preferida para uso doméstico. Las entregas parcialmente ensambladas solo se utilizan cuando es necesario debido a limitaciones de acceso, por ejemplo, cuando el único acceso a un lugar de instalación en el sótano es por un estrecho tramo de escaleras.

Dado que la caldera de vapor en sí es el recipiente a presión, requiere una serie de medidas de seguridad para evitar fallas mecánicas. Las explosiones de vapor en la caldera, que son un tipo de BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion, explosión de vapor en ebullición), pueden ser devastadoras.

• Las válvulas de seguridad liberan vapor antes de que se pueda acumular una presión peligrosa.
• Los tapones fusibles sobre la caja de fuego se funden a una temperatura inferior a la de las placas de la caja de fuego, advirtiendo así a los operadores mediante el ruidoso escape de vapor si el nivel del agua es demasiado bajo para enfriar la corona de la caja de fuego de forma segura.
• Los tirantes , o amarres, unen físicamente la caja de fuego y la carcasa de la caldera, evitando que se deformen. Dado que la corrosión queda oculta, los tirantes pueden tener orificios longitudinales, llamados testigos , que filtran antes de que se vuelvan inseguros.

La caldera de tubos de humos que se utilizaba en el automóvil Stanley Steamer tenía varios cientos de tubos que eran más débiles que la carcasa exterior de la caldera, lo que hacía que una explosión fuera prácticamente imposible, ya que los tubos fallarían y tendrían fugas mucho antes de que la caldera explotara. En casi 100 años desde que se produjeron las primeras calderas Stanley, nunca ha explotado ninguna. ^{[ cita requerida ]}

Cada vez que una caldera se enciende y se apaga, puede perder eficiencia. Cuando comienza el incendio, la eficiencia de combustión suele ser menor hasta que prevalecen las condiciones de estado estable. Cuando el incendio se detiene, la chimenea caliente continúa extrayendo aire adicional del espacio interior hasta que se enfría.

Se puede minimizar el uso excesivo de la bicicleta

• Las calderas moduladoras pueden funcionar durante más tiempo (a velocidades de combustión que coinciden con las cargas) que las calderas no moduladoras (que funcionan a la velocidad de combustión completa).
  • Mediante el uso de calderas modulantes de condensación.
  • Mediante el uso de caldera modulante sin condensación.
  • Configurando los controles (termostatos o controlador con sensores de temperatura) con mayores diferenciales de temperatura entre STOP y START.
• En las calderas sin condensación, tome precauciones para que la temperatura mínima del agua de retorno a la caldera sea de 130 °F (54 °C) a 150 °F (66 °C) para evitar la corrosión del lado del incendio.
  • Configurando los tiempos MÍNIMOS de APAGADO entre 8 y 15 minutos. En el caso de cargas de calefacción de confort, los intervalos de tiempo cortos no suelen provocar quejas de los ocupantes. ^[8]

Las disposiciones comunes son proporcionar un circuito de tuberías primario con bomba(s) y un circuito de tuberías secundario con bomba(s); y una bomba controlada por velocidad variable para transferir agua del circuito primario al circuito secundario, o una válvula de tres vías para desviar agua del circuito secundario al circuito primario. ^[9]

Se utiliza una temperatura mínima del agua de retorno de 130 °F (54 °C) a 150 °F (66 °C) a la caldera, según el diseño específico, para evitar la condensación del vapor de agua de los gases de combustión y la disolución del CO.
₂y entonces
₂de los gases de combustión que forman ácido carbónico y sulfúrico , un fluido corrosivo que daña el intercambiador de calor. ^[10]

Las calderas de condensación pueden tener una eficiencia del 2% o más a tasas de combustión más bajas al extraer el calor de vaporización del vapor de agua en los gases de combustión. El aumento de la eficiencia depende del combustible y de la energía disponible para recuperar como fracción del total. El gas de combustión de metano contiene más energía disponible para recuperar que el propano o el fueloil relativamente menos. El agua condensada es corrosiva debido al dióxido de carbono y los óxidos de azufre disueltos en la combustión y debe neutralizarse antes de su eliminación. ^[10]

Las calderas de condensación tienen una eficiencia estacional más alta, típicamente entre el 84% y el 92%, que las calderas sin condensación, típicamente entre el 70% y el 75%. La eficiencia estacional es la eficiencia general de la caldera durante toda la temporada de calefacción, a diferencia de la eficiencia de combustión, que es la eficiencia de la caldera cuando está encendida activamente, lo que excluye las pérdidas estacionarias. La mayor eficiencia estacional se debe en parte a que la temperatura más baja de la caldera utilizada para condensar los gases de combustión reduce las pérdidas estacionarias durante el ciclo de apagado. La temperatura más baja de la caldera impide una caldera de vapor de condensación y requiere temperaturas de radiador más bajas en los sistemas de agua.

La mayor eficiencia de funcionamiento en la región de condensación no siempre está disponible. Para producir agua caliente sanitaria satisfactoria, con frecuencia se requiere una temperatura del agua de la caldera superior a la que permite una condensación efectiva en la superficie del intercambiador de calor. Durante el clima frío, la superficie del radiador del edificio no suele ser lo suficientemente grande como para proporcionar suficiente calor a bajas temperaturas de la caldera, por lo que el control de la caldera aumenta la temperatura de la caldera según sea necesario para satisfacer la demanda de calefacción. Estos dos factores explican la mayor parte de la variabilidad de las ganancias de eficiencia experimentadas en diferentes instalaciones. ^[10]

Se necesita un programa de mantenimiento intensivo para mantener una caldera de vapor ferroviaria de alta presión en condiciones seguras.

Se deben comprobar las placas de los tubos, el tapón fusible y los cabezales de los soportes de la cámara de combustión para detectar posibles fugas. Se debe comprobar el correcto funcionamiento de los accesorios de la caldera, especialmente los manómetros y los mecanismos de alimentación de agua . Se debe aumentar la presión del vapor hasta el nivel en el que se levantan las válvulas de seguridad y compararla con la indicación del manómetro.

La vida útil de una caldera de locomotora se prolonga considerablemente si se la evita el ciclo constante de enfriamiento y calentamiento. Históricamente, una locomotora se mantenía “en vapor” continuamente durante un período de aproximadamente ocho a diez días, y luego se dejaba enfriar lo suficiente para un lavado de la caldera con agua caliente. El programa para las locomotoras exprés se basaba en el kilometraje. ^[11] Las locomotoras conservadas de hoy en día no suelen mantenerse en vapor continuamente y el intervalo de lavado recomendado ahora es de quince a treinta días, pero es posible cualquier intervalo de hasta 180 días. ^[12]

El proceso comienza con una “purga” mientras todavía queda algo de presión en la caldera, luego se drena toda el agua de la caldera a través de los “agujeros de lodo” en la base de la caja de fuego y se quitan todos los “tapones de lavado”. Luego se limpian o raspan las incrustaciones de las superficies interiores usando un chorro de agua a alta presión y varillas de metal blando, como el cobre. Se presta especial atención a las áreas particularmente susceptibles a la acumulación de incrustaciones, como la corona de la caja de fuego y los espacios estrechos de agua alrededor de la caja de fuego. El interior de la caldera se inspecciona mirando a través de los orificios de los tapones, prestando especial atención a la integridad de los tubos de humos, la corona de la caja de fuego y los soportes y la ausencia de picaduras o grietas en las placas de la caldera. Los grifos y tubos de la mirilla y el tapón fusible deben limpiarse de incrustaciones; si el núcleo del tapón fusible muestra signos de calcinación, el elemento debe reemplazarse. ^[13]

Al volver a montar, se debe tener cuidado de volver a colocar los tapones roscados en sus orificios originales: las conicidades pueden variar como resultado del reenroscado. Las juntas de la puerta del lodo, si son de amianto , deben renovarse, pero las hechas de plomo pueden reutilizarse; existen instrucciones especiales en vigor para la eliminación de estos materiales nocivos. ^[12] Muchas calderas actuales utilizan materiales sintéticos de alta temperatura para las juntas, tanto para entornos de trabajo como para el servicio de conservación, ya que estos materiales son más seguros que las opciones históricas. En las grandes instalaciones de mantenimiento, la caldera se habría lavado y rellenado con agua muy caliente de un suministro externo para que la locomotora volviera a funcionar más rápidamente.

Por lo general, se trata de una inspección anual que requiere la extracción y la comprobación de los accesorios externos, como los inyectores, las válvulas de seguridad y el manómetro. Las tuberías de cobre de alta presión pueden endurecerse con el uso y volverse peligrosamente quebradizas: puede ser necesario tratarlas mediante recocido antes de volver a colocarlas. También puede ser necesario realizar una prueba de presión hidráulica en la caldera y las tuberías.

En el Reino Unido, el intervalo máximo especificado entre revisiones completas es de diez años. Para permitir una inspección completa, se levanta la caldera del bastidor de la locomotora y se quita el revestimiento . Se quitan todos los tubos de humos para comprobarlos o sustituirlos. Se quitan todos los accesorios para su revisión. Antes de volver a utilizar la caldera, un examinador cualificado comprobará la aptitud para el servicio y emitirá un certificado de seguridad válido durante diez años. ^[12]

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• Una caldera de locomotora
• Galería de imágenes que muestra las características y defectos internos de la caldera.
• BS EN 12953 es la norma contemporánea relevante, que reemplaza a BS2790.
• Patente de EE. UU. 5558046: caldera pirotubular adecuada para combustibles que contienen cenizas