Historia de la máquina de vapor
Las primeras máquinas de vapor eran estacionarias y funcionaban a baja presión. James Watt perfeccionó el diseño de Newcomen introduciendo un condensador independiente y desarrolló soluciones más potentes y eficientes, como las máquinas de vapor portátiles. Con la mejora en la construcción de calderas, sobre todo tras la introducción de la caldera móvil, experimentó con vapor a mayor presión, capaz de accionar directamente el pistón, abriendo así el camino a máquinas más compactas capaces de proporcionar tracción a las locomotoras. El propio Watt obtuvo en 1794 una patente para una locomotora de vapor.
Incluso antes del uso de la fuerza del vapor, ya se sabía que los caballos podían arrastrar cargas más pesadas sobre raíles de madera resistentes que por caminos irregulares. En algunos lugares estos raíles ya se utilizaban, especialmente en zonas mineras, y los caballos pronto fueron sustituidos por las nuevas máquinas de vapor. Los ferrocarriles, desarrollados inicialmente para facilitar el transporte de materias primas y productos acabados, también conquistaron inesperadamente al público como medio de transporte de pasajeros. En el Reino Unido, durante la primera mitad del siglo XIX, las locomotoras ferroviarias se desarrollaron con rapidez: en la década de 1830 había menos de 100 millas de líneas, mientras que en 1860 ya superaban las 10.000.
En el mismo periodo se fabricaron numerosos vehículos de carretera a vapor, como apisonadoras, locomóviles e incluso embarcaciones de vapor. Sin embargo, estos otros vehículos de carretera a vapor nunca alcanzaron la misma popularidad que la locomotora de vapor.
¿Cómo funciona la caldera de una locomotora?
La estructura básica de las calderas de locomotora se mantuvo prácticamente sin cambios durante toda la época de la máquina de vapor, aunque las modificaciones de diseño y los elementos añadidos aumentaron su eficiencia y mejoraron la seguridad. Las calderas de locomotora son calderas pirotubulares.
Gases calientes de combustión
Esto significa que el fuego genera gases calientes de combustión, que atraviesan un sistema de tubos de humo horizontales de la caldera (de ahí la definición de eje horizontal del cuerpo cilíndrico) y ceden calor al agua circundante en la envolvente de la caldera. En la caldera de la locomotora se produce vapor, que asciende hacia la parte superior, donde una válvula reguladora controla su flujo hacia los cilindros.
Vapor de escape
Después de realizar trabajo sobre los pistones, el vapor residual de escape pasa a la caja de humos y, a continuación, por el tubo de escape. El tubo de escape expulsa después el vapor al exterior. De este modo se crea una depresión parcial que aspira aire a través del hogar y favorece la combustión.
Originalmente, la caldera de vapor de la locomotora se alimentaba con combustible sólido, principalmente carbón, cargado manualmente con una pala en el hogar (o en la caja de humos). Más adelante se introdujeron sistemas de alimentación automática. La alimentación de agua en la caldera de la locomotora se realiza mediante inyectores que funcionan según el principio de impulsión del vapor de escape. Un chorro de vapor se introduce en el agua, generando fuerza suficiente para hacer entrar el agua en la caldera de la locomotora a través de una válvula reguladora unidireccional.
Para la superficie del suelo del hogar o de la caja de humos puede utilizar nuestra solera resistente al calor.
Tubos de la caldera
Las primeras máquinas de vapor funcionaban produciendo vapor saturado, que se acumulaba en la parte superior de la caldera de la locomotora y se conducía directamente a los cilindros a través de la tubería principal de vapor.
Posteriormente, el diseño se modificó para que este vapor saturado se calentara de nuevo, eliminando el agua y aumentando su temperatura. Este proceso se denomina sobrecalentamiento.
Máquina de vapor con vapor sobrecalentado
Los sobrecalentadores se introdujeron a principios del siglo XX y supusieron un cambio fundamental para la máquina de vapor. Un sobrecalentador está compuesto por un colector del sobrecalentador, una cúpula de vapor, tubos de los elementos sobrecalentadores y varios tubos de humo adicionales.
El colector del sobrecalentador recibe el vapor producido por la tubería principal de vapor, mientras que los tubos adicionales conducen el vapor a través de los tubos de los elementos sobrecalentadores para un calentamiento adicional, aumentando la potencia del vapor sobrecalentado producido. El vapor sobrecalentado vuelve después a la tubería de vapor.
Los últimos trenes de vapor fueron retirados del servicio regular en 1967, cuando fueron sustituidos por la tracción diésel, pero el vapor no ha desaparecido ni mucho menos. Miles de aficionados, muchos de ellos voluntarios, siguen apoyando, restaurando y explotando ferrocarriles históricos de vapor por todo el país. En 2008, una locomotora de vapor llamada Tornado, construida desde cero con el apoyo del A1 Steam Locomotive Trust, completó las pruebas y fue autorizada a circular por la red Network Rail. Aunque estaba basada en un diseño de los años cincuenta, la caldera de la locomotora debía cumplir las normas de seguridad modernas establecidas por la Directiva de equipos a presión de la UE. Ningún fabricante británico fue considerado adecuado, por lo que la caldera se construyó en los talleres Meiningen Steam Locomotive Works, en Alemania, convertidos en un centro de restauración de locomotoras de vapor y sede, cada septiembre, de un festival dedicado a las máquinas de vapor.
Ventajas de la caldera de locomotora
Una de las ventajas de la caldera de locomotora es su bajo coste y la gran rapidez con la que produce vapor.
Desventajas de la caldera de locomotora
Una de las principales desventajas de la caldera de locomotora es la necesidad de mantener una presión de trabajo del vapor segura, controlada mediante manómetro, evitando al mismo tiempo una presión excesiva en la caldera, que provocaría la apertura de la válvula de seguridad.
Cuando la caldera de la locomotora funciona a alta potencia, pueden salir partículas de combustible sólido quemado a través del tubo de escape y la chimenea. Esto supone un riesgo de incendio a lo largo de la línea ferroviaria.
Otra desventaja de la caldera de locomotora, especialmente en zonas con agua dura, es el problema de la corrosión y la formación de cal.
Materiales refractarios utilizados en la caldera de una locomotora
Los materiales refractarios desempeñan un papel fundamental en la construcción y el mantenimiento de la caldera de una locomotora. A continuación se indican algunos materiales refractarios que puede necesitar.
Arco refractario del hogar
El arco de ladrillos refractarios se encuentra sobre el fuego y sirve para impedir que las partículas de combustible quemado entren directamente en los tubos de humo. Este arco puede construirse con ladrillos refractarios y mortero refractario, o formarse in situ con hormigón refractario. En ocasiones, el arco se moldea en secciones con hormigón refractario y posteriormente se monta con mortero refractario.
Aislamiento de la caldera de la locomotora
Para aislar la caldera de la locomotora puede utilizar una manta de fibra cerámica, envolviéndola alrededor de la envolvente de la caldera y cubriéndola después con chapas de revestimiento.
Cojinetes
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