CALDERAS Y FORROS.



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GENERALIDADES.-

Las calderas son los dispositivos encargados de producir vapor de agua a presión para crear movimiento a través de motores. Las calderas pueden ser acuo-tubulares (generadores de vapor), cuando es el agua la que circula dentro de serpentines calentados que la vaporizan instantáneamente, o fumi-tubulares cuando son los gases calientes los que pasan por dentro de tubos rodeados por una gran masa de agua.

Las primeras son realmente generadores instantáneos de vapor, ya que éste no está almacenado sino que es creado y entregado en cada instante. Las segundas son consideradas como acumuladores de vapor, ya que éste se encuentra latente dentro de una gran masa de agua a una temperatura superior a la de ebullición, pero sometida a presión dentro de un espacio cerrado. Es el caso de las locomotoras.

Las calderas ferroviarias suelen mantener un nivel de agua hasta aproximadamente unos ¾ de su capacidad, y donde el líquido almacenado supera con mucho los 100° sin vaporizarse mientras no baje la presión del volumen de vapor que hay en el cuarto superior. Cuando se abre el regulador en el domo se permite la salida del vapor hacia los motores, bajando consecuentemente la presión en la caldera que será inmediatamente repuesta por la vaporización instantánea de la lámina superior del agua caliente, fenómeno que cesará en cuanto quede restablecida la presión. Este efecto se produce continuamente durante el funcionamiento de la máquina.


PARTES PRINCIPALES DE UNA CALDERA.-

Los componentes principales de una caldera aparecen en la siguiente lista. A fin de exponerlos de un modo abreviado y mas coherente, los apartados y textos siguientes pueden no tratar los temas en el orden cronológico del listado.


  • Cuerpo cilíndrico principal.

  • Caja de fuegos.

  • Virotillos y refuerzos.

  • Fusible.

  • Parrillas y cenicero.

  • Domo de presión.

  • Parrillas y cenicero.

  • Regulador.

  • Caja de humos.

  • Otros accesorios.

  • Forros.



    ESTRUCTURA.-

    Las calderas ferroviarias pueden ser de varios tipos, como las Circulares donde el cuerpo principal es recto en toda su longitud, las Belpaire con una caja de fuegos cuadrada y sobresaliente del cuerpo principal, las Cónicas cuyo cuerpo principal va decreciendo de diámetro hacia la caja de humos, las Marinas con caja de fuegos redonda y hogar extraíble, etc.

    En modelismo las más comunes y fáciles de hacer son las de cuerpo principal circular recto, ya que al ser todo el tubo de igual diámetro en toda su longitud facilita los cortes necesarios en su parte trasera para hacer la caja de fuegos, necesitando así mismo menos virotillos y soldaduras.

    La caja de fuegos es la parte trasera de la caldera coincidiendo normalmente con la cabina de conducción. Está compuesta por una envoltura exterior y otra interior que conforman el hogar. Ésta aloja en su parte inferior un emparrillado (de fundición o de acero inoxidable), donde a través de la puerta del hogar el fogonero palea el carbón para la combustión. Entre ambas envolturas existe un espacio relleno de agua que comunica con el resto del cuerpo circular de la caldera, transmitiéndose así el calor a toda la masa de agua. Las cenizas irán cayendo sobre una bandeja o cenicero bajo las parillas, de donde se sacan por debajo de la máquina cuando convenga.

    El cielo del hogar dispone de un casquillo donde va roscado un tapón de acero o bronce con un taladro central relleno de plomo. Es el fusible. Tanto el espacio entre las envolturas exterior e interior, y muy especialmente sobre el cielo del hogar deben estar siempre cubiertos por una capa de agua que absorba la gran cantidad de calor producida en la combustión. Lo contrario provocaría deformaciones de las planchas y en último caso la posible explosión de la propia caldera. Si ésta situación fuera alcanzada, el plomo del fusible se fundirá primero dejando escapar el contenido de la caldera sobre el fuego del hogar apagándolo. Esto que es en principio una excelente medida de seguridad, debe ser sin embargo evitado ya que supone una gran estrés para la estructura de la caldera, además de dejar la locomotora fuera de servicio durante un largo período de reparación.

    El cuerpo cilíndrico principal es un tubo que soporta la presión interior por si mismo al actuar como una bóveda circular que se auto-sustenta, no así las paredes rectas de la caja de fuegos que se abombarían peligrosamente debido a la presión interior. Para evitarlo se usan los virotillos y los refuerzos.

    Los virotillos son unas varillas cilíndricas roscadas y/o soldadas entre las partes planas de las envolturas. Van repartidos y espaciados suficientemente para cubrir con seguridad dichas superficies, uniéndolas de manera permanente pero dejando libre el espacio entre ambas para que circule el agua. De ésta manera la presión interior no las deformará ni abombará. En calderas de cobre los virotillos suelen ser de bronce y van roscados a cada lado y luego soldados en plata. Pueden también estar perforados a lo largo y por su centro (no mas de1,5 m/m). De ésta manera si alguno se rompiera dejaría escapar una pequeña parte del vapor, avisando al maquinista para tirar el fuego y despresurizar la caldera hasta ser convenientemente reparada antes de una nueva puesta en servicio. La rotura de un solo virotillo no suele representar un peligro inmediato, pero es un claro aviso de que otros pueden seguir la misma suerte y llegar a debilitar las envolturas con las peligrosas consecuencias antes mencionadas.

    En calderas de acero inoxidable los virotillos son varillas del mismo metal y es suficiente que queden bien soldadas por cada extremo. Normalmente no van taladrados al ser un material mas fuerte y rígido que el bronce, por ello de cuando en cuando en conveniente hacer una inspección visual para detectar cualquier inicio de deformación.

    Tanto a tamaño real como en modelos a escala hay muchas calderas que no emplean virotillos en ciertas partes. En su lugar se sueldan por dentro trozos de pletina del mismo metal, para crear unos largueros que las refuerzan e impidan el abombamiento de las superficies planas. Suelen ser alargadas y de variadas formas, incluso con rebajes intermedios como los arcos de un puente. Los lugares más comunes para su montaje son en el cielo del hogar, aunque pueden aparecer en otras zonas según el tipo de caldera.

    Las placas de los tubos, tanto la anterior en la caja de humos como la posterior en la de fuegos no suelen llevar refuerzos, ya que los propios tubos trabajan como virotillos, mientras que las esquinas y cantos de la caja de fuegos u otras partes forman un ángulo recto, creando un especie de perfil estructural muy fuerte.





    CONSTRUCCIÓN,.

    Pueden ser fabricadas de cobre, acero normal o acero inoxidable. El cobre es caro y requiere una soldadura en plata muy peculiar si no se tiene práctica, por lo que teniendo en cuenta que el acero normal tiende a la larga a presentar corrosión, se va implantando cada vez mas el acero inoxidable.

    En el caso del cobre las soldaduras han de hacerse como mínimo con llama oxi-propánica y utilizar varillas de aportación de plata (easyflow), materiales que se ofrecen con diferentes puntos de fundición a fin de comenzar el trabajo con las que requieren mas temperatura, siguiendo la construcción con otros que precisan menos, evitando así que puedan desoldarse los puntos ya terminados. Antes de cada soldadura las piezas requieren de limpiezas con ácido sulfúrico por inmersión y pastas antioxidantes aplicadas en las zonas a soldar. Un sistema muy especializado que viene recogido con detalle en varios excelentes libros publicados en el Reino Unido (ver sección de publicaciones).

    Las calderas de inox se hacen con planchas del mismo material, usando un tubo para el cuerpo central de la caldera. La soldadura es eléctrica empleando electrodos inoxidables. Éste tipo de acero tiende a contraerse bastante con el calor de la soldadura, punto a tener en cuenta para no encontrar que, por ejemplo al soldar una tapa o cerramiento ésta deje una junta grande, espacio que luego habrá que rellenar. Una operación siempre mas delicada para que todo quede bien sellado.

    El inox es un material muy duro de mecanizar, ya que provoca mucha temperatura y un gran desgaste en las herramientas de corte que deberán ser por tanto específicas para dicho metal, afilarse frecuentemente, aplicar siempre una abundante lubricación con aceite de corte y ajustar las máquinas a bajas revoluciones.

    Si no se tiene buena práctica, y dado lo delicado de una pieza que debe soportar presiones y grandes temperaturas, lo mejor es que el modelista corte y prepare todas las piezas según los planos, dejando que un buen profesional efectúe las soldaduras.

    Las calderas de acero normal se hacen de modo similar a las de inox, pero usando electrodos rutilicos o similares, como los empleados en la soldadura general del acero.

    Dependiendo del uso, todas las calderas deberían ser comprobadas con un test de presión cada 2 años. Éste será hidráulico en frío (con agua), y con una presión como mínimo una vez y media la de trabajo. La caldera deberá permanecer así durante algunas horas, tiempo en el que se comprobará si hay pérdidas. Para ello se sellan todas sus tomas con tapones roscados, excepto una a la que se conecta una bomba manual con un manómetro que irá marcando la presión interior. El test hidráulico tiene la ventaja de no presentar ningún peligro, ya que cualquier fuga solo provocará el escape de algunas gotas de agua del interior, escapes que deberán ser controlados y marcados para su posterior reparación antes de hacer una nueva comprobación.

    Una buena prueba hidráulica requiere que la caldera, bomba manual y todos los tubos estén absolutamente llenos de agua sin dejar cámaras de aire. Para ello se deja una toma abierta en la parte superior de la caldera (por ejemplo donde va roscada alguna de las válvulas de seguridad) para que actúe de purga, cerrándola herméticamente una vez que salga líquido por la misma antes de seguir con la prueba.

    Es imprescindible utilizar agua bien descalcificada para los encendidos. Si en las locomotoras a tamaño real los restos minerales y/o calcáreos producen depósitos o costras muy perjudiciales, en las locomotoras a escala con sus pequeños tubos, grifos y demás accesorios pueden resultar críticas.


    DOMO DE PRESIÓN Y REGULADOR.-

    El domo de presión es una cavidad con forma de cilindro que se sitúa hacia la mitad de la parte alta del cuerpo cilíndrico de la caldera, al cual se le ha practicado antes un agujero de las mismas medidas que la base del propio domo, es cual estará por tanto en total comunicación con el cuerpo principal y sirve para alojar la válvula del regulador en su zona más alta adonde no puede llegar el nivel del agua.

    Se fabrican usando un trozo de tubo estructural o de presión al cual se le hacen unas curvaturas inferiores para que acoplen y puedan soldarse al cuerpo principal cilíndrico para conformar entonces una única pieza. La parte superior suele ir coronada por una tapa circular con bastantes tornillos espaciados y una junta para darle una perfecta estanqueidad, y roscadas sobre ellas van las válvulas de seguridad, aunque hay modelos en que éstas van directamente roscadas en algún lugar del cuerpo cilíndrico entre el domo y la cabina.

    Cubriendo el domo propiamente dicho se suele colocar una funda de protección de chapa o de casting muchas veces con formas redondeadas. Sirven tanto para decoración como para evitar pérdidas de temperatura.

    El regulador es una válvula para gobernar el paso del vapor desde la caldera hacia las distribuciones y los cilindros. Va alojada justo debajo de la tapa del domo para que no pueda absorber líquido, y dispone de una varilla de control de apertura y cierre que llega hasta la cabina a través de un prensaestopas. Puede ser hecho de bronce según los planos disponibles, pero también se tiende cada vez mas a utilizar válvulas industriales de inox que ahorran muchísimo trabajo y tienen un funcionamiento muy fiable. Además no alteran la estética ya que obviamente no se ven.





    PARRILLAS Y CENICEROS.-

    Las parrillas son las piezas situadas en la parte baja del hogar donde se produce la combustión. El entramado de sus barras deja pasar el aire a través de la capa de carbón para producir su combustión. Son piezas sometidas a condiciones de trabajo extremas y que sufren por tanto un gran desgaste. Las de hierro normal suelen estropearse pronto, mientras que las de casting duran algo mas.

    El acero inoxidable es de nuevo y probablemente la mejor solución por su gran resistencia, fabricándose con pletinas unidas entre si con tornillos también inox, intercalando separadores (por ejemplo tuercas) que permitan al aire circular bien entre ellas para obtener como antes se dijo una buena combustión. Las parrillas pueden estar formadas por una o varias piezas, dependiendo del tamaño de la locomotora y de la boca del hogar, hueco por donde normalmente se montan y extraen para su limpieza o reparación.

    Un cenicero es una bandeja hecha normalmente de plancha de acero inoxidable y ubicada debajo de las parrillas para recoger las cenizas y escorias e impedir que caigan a la caja de la vía.

    Los ceniceros suelen ir montados fijos en el bastidor de la máquina, dejando una abertura posterior por donde sacar y limpiar las escorias y restos con un pequeño rastrillo.


    VAPOR RECALENTADO.-

    La diferencia entre el vapor saturado y el recalentado o vapor anhidro (gas de vapor) no estriba en su presión, sino en su temperatura. Dentro de la caldera el agua se evapora a 100° produciendo vapor húmedo o saturado (que tiene micro gotas de agua en suspensión), y una cierta capacidad de trabajo en los motores. Éste vapor tiende a condensarse fácilmente en cuanto pierde temperatura, situación frecuente en las paradas de la locomotora donde se producirán acumulaciones de agua que pueden ser perjudiciales para los cilindros si al arrancar no se abren las purgas para evacuarla, recordando que al contrario que los gases, los líquidos no se pueden comprimir.

    Para producir vapor recalentado se lleva el vapor húmedo que sale del regulador hasta unos serpentines alojados en la caja de humos, donde los gases muy calientes procedentes de la caja de fuegos aumentan considerablemente su temperatura secándolo antes de pasar a las válvulas de distribución y de allí a los cilindros para producir trabajo.

    El vapor recalentado tiene por tanto bastante mas rendimiento que el húmedo, pero también mucha mas temperatura, por lo que los motores necesitan una mejor lubricación, sobre todo las distribuciones planas por válvula de concha que pueden dañarse fácilmente, por lo que en éste caso es mas apropiado usar distribuciones cilíndricas. Hay modelos con vapor recalentado, pero lo más común es que trabajen con vapor saturado que resulta mas que suficiente para obtener un buen funcionamiento, aunque a resultas el modelo consuma un poco mas de combustible.


    CAJA DE HUMOS.-

    Consiste en una prolongación del cuerpo cilíndrico de la caldera situado en su parte frontal. Conforma una cavidad hueca que es de suma importancia para un buen funcionamiento. Dispone de una tapa frontal para su apertura y limpieza de cenizas. Esta tapa debe cerrar herméticamente ya que en caso contrario se perdería gran parte del efecto de tiro como después se menciona.

    A la caja de humos llegan todos los tubos calefactores que atraviesan el cuerpo cilíndrico principal arrastrando los gases incandescentes desde el hogar de fuegos. En la parte superior va colocada la chimenea o fanal para la evacuación de humos, y que puede llevar una rejilla parachispas. En la parte baja de la caja y perfectamente alineada con la chimenea se encuentra la tobera de escape (BLAST-PIPE), por donde se descargará el vapor del motor que ya ha trabajado. Este chorro de escape produce un efecto venturi de tiro que contribuye a absorber mas gases desde la caja de fuegos, manteniendo así una buena combustión e incrementando el tiro que aumentará la calefacción de la masa de agua.

    La caja de humos también puede albergar los serpentines de los calefactores para el vapor recalentado en aquellas locomotoras que dispongan de éste sistema. Un elemento esencial es el ventilador, consistente en un tubo circular con perforaciones espaciadas en su parte superior y que va colocado alrededor de la base de la chimenea. Abriendo una válvula en la cabina se permite el paso del vapor a éste tubo que dejará salir pequeños chorros hacia la chimenea, creando así una corriente o tiro artificial que sirve para mantener viva la combustión tanto a la hora de levantar presión como cuando la locomotora está parada y los motores no trabajan.

    Hay muchos tipos de toberas con una o varias salidas, y de su diseño y colocación dependerá una buena parte del rendimiento. El tipo más sencillo consiste en una tobera única de forma cónica, pero hay mas y mejores diseños, como son los Giesl, Kychap, Kylor, Lemaitre, Lempor, Lempex, etc, y de las que intentaremos presentar otra sección en el futuro.





    CARGA DE AGUA EN LA CALDERA.-

    Con la caldera fría la carga de agua es sencilla, bastando con abrir alguna toma superior e ir rellenando hasta el nivel correcto. El problema viene cuando la caldera ya tiene presión y el nivel nos indica que hay que rellenar. No existe entonces la posibilidad anterior ya que perderíamos todo el vapor. La carga de agua con presión en la caldera se puede hacer de varias maneras, usando un inyector, un compresor o una bomba de simple o doble efecto que puede ser manual o gobernada por una excéntrica en uno de los ejes motores.

    El inyector es el sistema más común y barato, y cuyo funcionamiento viene explicado en la sección de ACCESORIOS FUNCIONALES. No obstante hacer hincapié en que requiere un poco de práctica por parte del maquinista, y que siempre hay que abrir primero el agua fría antes que el vapor para evitar su calentamiento. Es también un sistema que requiere cierta presión en la caldera (normalmente de 3 a 4 kilos o mas), ya que de otra forma su efecto será inútil.

    El compresor (tipo Westinghouse u otros)es un sistema cómodo que no requiere mayor atención por parte del maquinista ya que se encarga de inyectar agua automáticamente cuando se le abre el vapor a su pistón motor. Es sin embargo un mecanismo de dificil construcción, o bastante caro si se compra ya hecho.

    Las bombas de cualquier tipo son bastante efectivas pero su carga de agua es lenta, además las que están movidas por excéntrica solo funcionarán cuando la locomotora está en marcha. Dado que la carga de agua es el factor más importante durante el funcionamiento de una locomotora de vapor, siempre que sea posible es conveniente disponer de al menos dos sistemas de carga distintos.


    OTROS ACCESORIOS.-

    Las calderas precisan de una serie de elementos accesorios para su funcionamiento, algunos de los cuales ya han sido descritos anteriormente o aparecen en la sección de ACCESORIOS FUNCIONALES. La siguiente lista muestra tanto los imprescindibles (subrayados), como aquellos que son recomendables.


  • Compresor.

  • Inyector.

  • Grifos.

  • Válvulas de no retorno.

  • Válvulas de seguridad.

  • Nivel.

  • Ventilador.

  • Tobera de escape.

  • Bombas de carga de agua, manuales o por excéntrica.

  • Recalentadores.

  • Colector para diversas tomas.

  • Silbato.


    Muchos de ellos vienen recogidos en el apartado de ACCESORIOS FUNCIONALES.




    FORROS.-

    La construcción de carrocerías y sus accesorios, así como los procesos de pintura en general vienen recogidos con todo detalle en su correspondiente apartado. No obstante se comenta aquí el tema de los forros de la caldera, piezas importantes que evitan la pérdida de temperatura y que constituyen a la vez una parte fundamental de la estética de cualquier locomotora de vapor.

    Los forros se suelen hacer con plancha de hasta 1 m/m de grosor en los modelos más grandes, cortados por tramos rectangulares que envolverán el cuerpo circular de la caldera desde la cabina hasta la parte frontal de la caja de humos. Los forros laterales dentro de la cabina terminan rectos a ambos lados de la envoltura exterior de la caja de fuegos y hasta la altura del suelo. La parte frontal donde está el regulador, manómetro, puerta del hogar, etc, es una pieza difícil de hacer ya que requiere un laborioso trabajo de planchista. En caso de dificultad muchos modelistas simplemente no la ponen.

    El número de piezas dependerá de la longitud total de la caldera, cubriendo sus uniones con cintones hechos de tiras de chapa fina de latón pulido, mientras que las planchas dentro de la cabina terminan a unos 2 m/m del suelo para evitar vibraciones.

    Cada plancha del forro tendrá 4 pequeños ángulos de metal soldados cerca de sus vértices en los lados cortos del rectángulo, y con un taladro por donde se colocarán pares de tornillos y tuercas de fijación que se irán tensando hasta inmovilizarlas sin que se deformen. Los ángulos quedarán en la parte inferior de la caldera para que no se vean, permitiendo desmontar fácilmente todo el conjunto cuando sea necesario.

    Entre los forros y la propia caldera se coloca una capa de lana de roca fina o de algún termo-ignífugo similar, como por ejemplo los utilizados para aislamientos de ciertos accesorios usados en fontanería, y que actuarán como un muy necesario elemento termo-aislante.




     





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