mini|300px|Caldera de tubos de fuego seccionada, de locomotora DRB Clase 50. Los gases de combustión calientes creados en la cámara de combustión (a la izquierda) pasan a través de los tubos en la sección cilíndrica central, que está llena de agua, a la caja de humos y salen por la chimenea (situada en el extremo derecho). El vapor se acumula a lo largo de la parte superior de la caldera y en el domo de vapor, situado aproximadamente en la mitad de la parte superior, donde luego fluye hacia la tubería grande que se dirige hacia adelante. A continuación se divide hacia cada lado y circula hacia abajo hasta alcanzar el cofre de vapor (en la parte posterior de la caja de humos), donde luego es dirigido a los cilindros por medio de válvulas
La caldera de tubos de fuego (caldera pirotubular) es un tipo de caldera en la que los gases de combustión procedentes del fogón pasan a través de varios tubos que cruzan (longitudinal, transversal o radialmente) un cilindro sellado que contiene agua. El calor se transfiere por conducción térmica, calentando el agua y creando vapor.
Descripción La construcción general es como un tanque de agua penetrado por tubos que transportan los gases de combustión calientes procedentes del fuego. El cilíndrico sellado (la forma más resistente para recipiente presurizado) puede ser horizontal o vertical. +Partes de una caldera pirotubularAdemás de las partes de una caldera (Véase caldera)Lado deEspañolInglésEstructuraCarcasa cilíndricaCylindrical shellFuegoGrateTubos de fuegoFire tubes Su ventaja sobre las calderas de ductos es que muchos tubos pequeños ofrecen una superficie mayor de transferencia de calor para el mismo volumen total de caldera.
Historia La caldera de tubos de fuego se desarrolló como el tercero de los cuatro tipos principales de calderas históricas: calderas de tanque de baja presión o "calderas de pajar"; calderas de combustión con uno o dos conductos grandes; calderas de tubos de fuego con muchos tubos pequeños; y calderas de tubos de agua de alta presión.
Este tipo de caldera se utilizó en prácticamente todas las locomotoras de vapor, en la clásica disposición horizontal típica de estas locomotoras.
La caldera está compuesta por un barril cilíndrico que contiene los tubos de fuego, pero también tiene una extensión en un extremo para rodear el fogón. La cámara de combustión tiene una base abierta para proporcionar un área de parrilla grande y, a menudo, se extiende más allá del barril cilíndrico para formar un recinto rectangular o cónico. La caldera de tubos de fuego horizontal también es típica de aplicaciones marinas, utilizando la caldera escocesa, siendo conocidas comúnmente en inglés como calderas de tipo "scotch-marine" o "marine". También se han construido calderas verticales con tubos de fuego múltiples, aunque son relativamente raras. La mayoría de las calderas verticales tenían una salida de humos o utilizaban tubos de agua cruzados.
Funcionamiento mini|600px|Diagrama esquemático de una caldera de tubos de fuego tipo "locomotora"
En la caldera de tipo locomotora, el combustible se quema en el fogón para producir gases de combustión calientes. La cámara de combustión está rodeada por una camisa de enfriamiento rellena de agua, conectada a la larga y cilíndrica carcasa de la caldera. Los gases calientes se dirigen a lo largo de una serie de tubos de fuego, o chimeneas, que penetran en la caldera y calientan el agua generando vapor saturado ("húmedo"). El vapor se eleva al punto más alto de la caldera, la cúpula de vapor, donde se recoge y es dosificado por el regulador, que controla la salida de vapor de la caldera.
El vapor saturado a menudo se pasa a un sobrecalentador, haciéndolo regresar a través de los conductos más grandes situados en la parte superior de la caldera, para secar el vapor y calentarlo para obtener 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 con el fin de aumentar la eficiencia de la caldera.
El escape del humo en las calderas de tubos de fuego, particularmente en aplicaciones marinas, generalmente lo proporciona una chimenea alta. Todas las locomotoras de vapor desde The Rocket de Stephenson, disponen de un sistema de tiro adicional para avivar el fuego del fogón, que consiste en dirigir el vapor de escape desde los cilindros hacia la chimenea a través de un tubo de tiro, generando un vacío parcial. Las calderas industriales modernas usan ventiladores para proporcionar obtener un tiro forzado o inducido de la caldera.
Otro avance importante en The Rocket fue un gran número de tubos de fuego de diámetro pequeño (una caldera multitubular) en lugar de una sola chimenea grande. Esto aumentó enormemente el área de superficie para la transferencia de calor, permitiendo que se produzca vapor a una velocidad mucho mayor. Sin estos avances, las locomotoras de vapor nunca podrían haberse desarrollado de manera efectiva como motores primarios potentes.
Tipos de calderas de tubos de fuego Para obtener más detalles sobre los primeros tipos, consúltese calderas de flujo
Predecesores
Caldera de Cornualles La primera forma de caldera de ductos fue la caldera de Cornualles de "alta presión" ideada por Richard Trevithick.
Consiste en un cilindro horizontal largo con una solo ducto, donde se situaba el fuego sobre una rejilla de hierro colocada dentro de ese ducto, con un foso de ceniza poco profundo debajo para recoger el residuo no combustible.
Para lograr una mayor eficiencia, la caldera generalmente estaba encerrada debajo de una cámara construida con ladrillos. Los gases de combustión eran conducidos fuera de la caldera de hierro después de pasar a través del tubo de fuego, hasta alcanzar una chimenea que ahora se encontraba en la parte frontal de la caldera.
Aunque se considera un sistema de baja presión (quizás ), el uso de una caldera cilíndrica permitió una presión más alta que las calderas de olla anteriores utilizadas en la época de Newcomen. Como el horno dependía del tiro de aire natural, se requería una chimenea alta en el extremo más alejado del hogar para asegurar un buen suministro de oxígeno al fuego.
derecha|mini|Caldera de Lancashire localizada en Alemania
Caldera de Lancashire La caldera de Lancashire es similar a la de Cornualles, pero tiene dos grandes recintos tubulares que contienen dos fogones. Inventada por William Fairbairn en 1844, supuso aumentar el área de la rejilla del fogón en relación con el volumen de agua a partir de una consideración teórica de la termodinámica de calderas más eficientes.
Desarrollos posteriores agregaron tubos de Galloway (con el nombre de su inventor, patentados en 1848), tubos de agua transversales a través de la chimenea, aumentando así el área de la superficie calentada. Como se trataba de tubos cortos de gran diámetro y la caldera continuaba utilizando una presión relativamente baja, todavía no se considera una caldera de tubos de agua. Los tubos eran cónicos, simplemente para facilitar su instalación a través de la chimenea.
derecha|mini| Sección lateral de una caldera marina escocesa: las flechas muestran la dirección del flujo de gases de combustión; la cámara de combustión está a la derecha, la caja de humos a la izquierda
Caldera marina escocesa La caldera marina escocesa difiere drásticamente de sus predecesoras en el uso de una gran cantidad de tubos de diámetro pequeño. Esto proporciona una superficie de calentamiento mucho mayor para el un volumen y un peso dados. El horno sigue siendo un solo tubo de gran diámetro con muchos tubos pequeños dispuestos por encima, 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 gases de combustión a través de los tubos de fuego es de atrás hacia adelante. Una caja de humos cerrada que cubre el frente de estos tubos conduce hacia la chimenea o el 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.
Caldera de locomotora Una caldera de locomotora tiene tres componentes principales: una cámara de combustión de doble pared; un "barril de la caldera" horizontal y cilíndrico, que contiene una gran cantidad de pequeños tubos de fuego; y una caja de humos con chimenea, para evacuar los gases de escape. En su caso, el barril de la caldera también contiene unos tubos más grandes para transportar el vapor desde el sobrecalentador. Disponen de un tiro forzado que funciona inyectando vapor extraído de la caldera a través del escape desde el tubo de tiro situado en la caja de humos.
Las calderas de tipo locomotora también se utilizan en motores de tracción, apisonadoras de vapor, motores portátiles y algunos otros vehículos de vapor. La resistencia inherente propia de la forma de la caldera significa que se utiliza como base estructural del vehículo: todos los demás componentes, incluidas las ruedas, están montados en soportes unidos a la caldera. Es raro encontrar sobrecalentadores diseñados para estos usos, y generalmente son mucho más pequeños (y más simples) que los utilizados en las locomotoras ferroviarias.
La caldera de tipo locomotora también es una característica de los locomóviles de vapor, antecesores de los camiones modernos. En este caso, sin embargo, pesados bastidores de vigas forman el chasis de carga del vehículo, al que se une la caldera.
Caldera cónica
Ciertas calderas de locomotoras ferroviarias se reducen de un diámetro mayor en el extremo de la cámara de combustión a un diámetro menor en el extremo de la caja de humos. Esto reduce el peso y mejora la circulación del agua. Muchas locomotoras posteriores del Great Western Railway y del Ferrocarril de Londres, Midland y Escocia fueron diseñadas o modificadas para usar calderas cónicas.
Caldera vertical de tubo de fuego Una caldera vertical de tubos de fuego, coloquialmente conocida como "caldera vertical", se caracteriza por poseer una carcasa cilíndrica vertical, que contiene varios tubos de humos verticales.
Caldera tubular de retorno horizontal mini| Calderas tubulares de retorno horizontal de Staatsbad Bad Steben GmbH
La caldera tubular de retorno horizontal posee una carcasa cilíndrica horizontal que contiene varios tubos de fuego horizontales, con el fogón ubicado directamente debajo de la carcasa de la caldera, generalmente dentro de un recinto de ladrillos.
Caldera de tubo directo tipo almirantazgo