La caldaia a tubi di fumo (detta anche caldaia a tubi di fiamma) è un generatore di vapore, appartenente alla categoria delle caldaie a grande volume di acqua, nel quale i gas di combustione provenienti da un forno vengono fatti passare attraverso uno o più tubi posti in parallelo immersi dentro un contenitore cilindrico di acqua. Il calore dei gas di combustione viene ceduto per conduzione termica alle pareti dei tubi e da queste trasferito all'acqua determinandone il riscaldamento fino al passaggio allo stato di vapore.
Le prime caldaie di tale tipo furono concepite con una singola canna fumaria di grande diametro che passava attraverso un serbatoio pieno d'acqua; successivamente questa venne sostituita da due o un numero più o meno grande di tubi allo scopo di aumentare la superficie di riscaldamento a contatto con il liquido. Il serbatoio venne realizzato solitamente di forma cilindrica in quanto tale forma è la più adatta come resistenza alla deformazione per un contenitore a pressione.. Tale serbatoio cilindrico può essere posto in posizione orizzontale o verticale. La posizione verticale è migliore ai fini del tiraggio naturale dei fumi ma la meno adatta per ragioni di ingombro, se si tratta di una caldaia ad uso mobile.
La caldaia a tubi di fiamma, nella configurazione orizzontale, è stata ampiamente utilizzata su quasi tutti i tipi di locomotiva a vapore, sia ferroviaria che stradale. In alcuni casi, ma solo per macchine di potenza relativamente ridotta, si è preferita la forma verticale. La caldaia a tubi di fiamma orizzontali è tipica anche di buona parte delle applicazioni marine.
Schema di una caldaia a tubi di fumo
Una caldaia a tubi di fumo è costituita basilarmente di un grosso serbatoio cilindrico, ripieno di acqua, al cui interno è posto un grosso tubo attraversato dai gas caldi della combustione, che avviene in un focolare costituito di una graticola, interna o adiacente ad una estremità sulla quale viene bruciato il combustibile; dopo aver ceduto il calore all'acqua i gas caldi possono essere incanalati nel vano circostante, in muratura negli impianti fissi, al fine di cedere ancora il calore residuo e infine scaricati all'atmosfera attraverso un alto camino. Le caldaie industriali moderne utilizzano ventilatori per l'espulsione forzata dei fumi della caldaia. Nella tipologia specifica per locomobile, e per la necessità di rientrare nella sagoma limite ammessa sulle strade ferrate, la caldaia ha il focolaio interno, un fascio tubiero e il tiraggio forzato; quest'ultimo è dettato dalla necessità di bruciare molto carbone o legna in una graticola di dimensioni forzatamente ridotte..
Nella caldaie di ogni tipo la superficie di riscaldamento è data dall'area complessiva delle superfici, a contatto con l'acqua da un lato e dall'altro con i fumi caldi della combustione, che determinano il trasferimento di calore tra i due fluidi.. La necessità di aumentare la superficie di scambio termico determinò l'idea geniale di aumentare il numero di tubi attraversati dai fumi permettendo la produzione di una maggiore quantità di vapore orario. L'utilizzo di una caldaia multitubolare anziché quella più comune al tempo, a singola grande canna fumaria, fu l'importante progresso della Rocket di Stephenson..
Tipologie di caldaia a tubi di fiamma Le prime tipologie di caldaia di concezione relativamente moderna, funzionanti a pressione superiore a quella atmosferica sono, quella di Watt e quella di Trevithick, che fu la prima a funzionare a circa 3 bar; la loro costruzione risale ai primi anni del XIX secolo. Le prime caldaie a tubi di fumo (dette anche a tubi di fiamma) risalgono agli anni tra 1825 e 1830.. Anche le caldaie a tubi di fumo possono essere divise in tre categorie in base alla destinazione d'uso e all'installazione: caldaie fisse, con rivestimento in muratura; caldaie semifisse, con corpo metallico e prive di rivestimento murario; caldaie locomobili, montate su telaio con ruote.. Altra suddivisione riguarda la posizione del focolare che può essere esterno o interno alla caldaia..
Caldaie fisse Caldaia Cornovaglia Una delle più antiche e semplici forme di caldaia a tubo di fumo, denominata caldaia Cornovaglia, fu quella di Richard Trevithick installata intorno al 1812 in una miniera presso Dolcoath. Era costituita di un lungo cilindro orizzontale, con un solo grande tubo di fumo. Il camino di scarico era costruito in mattoni, conteneva a scopo di recupero del calore tutta la caldaia che veniva avvolta dai fumi di scarico caldi; il tiraggio era assicurato dall'altezza del camino. L'inizio della diffusione delle caldaie a tubi di fumo (dette anche a tubi di fiamma) risale agli anni tra 1825 e 1830.
Una caldaia Cornovaglia è costituita da un corpo cilindrico il cui diametro può variare generalmente tra 1,5 m e 2,5 m, attraversato per tutta la sua lunghezza da un tubo di diametro piuttosto elevato (circa un metro).. Tale tubo contiene ad una estremità (quella di governo) una graticola sulla quale viene posto il combustibile da bruciare; i gas caldi della combustione, alimentata dall'aria esterna, vengono tirati all'interno del rispettivo tubo di fiamma e lo percorrono per tutta la sua lunghezza scaricandosi in un condotto in muratura che li costringono a percorrere un fianco e la parte inferiore della caldaia fino a raggiungere la parte anteriore da dove, sempre mediante canalizzazione in muratura, raggiungono nuovamente la parte posteriore lambendo l'altro fianco e la parte superiore della caldaia; si scaricano infine nel camino dopo avere riscaldata tutta la superficie esterna della caldaia..
La superficie di riscaldamento di una caldaia Cornovaglia è data dalla seguente formula: S = π L (⅔ D + 1,1 d). (D= diametro del mantello; d= diametro del focolare; L= lunghezza della caldaia)
Allo scopo di aumentare la superficie di riscaldamento spesso il focolare è costruito con lamiera ondulata (vantaggiosa anche ai fini della dilatazione lineare dello stesso); la sua disposizione generalmente è eccentrica rispetto al corpo cilindrico anche per permettere più spazio per la pulizia dal passo d'uomo. Nel corso degli anni sono state realizzate caldaie Cornovaglia con più focolari paralleli fino al numero di cinque..
Alcune caldaie utilizzano i gas caldi per il preriscaldamento dell'acqua di alimentazione allo scopo di ottimizzare il rendimento complessivo dell'impianto. Esaurito tale compito i gas esausti salgono attraverso il camino nell'atmosfera; il tiraggio necessario è assicurato dal principio fisico per cui il gas caldo sale verso l'alto. Per tale scopo vengono costruiti alti camini in corrispondenza del contenitore in muratura della caldaia o dell'uscita dal preriscaldatore. Il prelievo del vapore prodotto dalla caldaia avviene nel cosiddetto duomo, che funge da raccoglitore nella parte alta della caldaia; ciò allo scopo di evitare trascinamenti dannosi di liquido assieme al vapore asciutto (saturo). Una caldaia Cornovaglia può in genere raggiungere pressioni di esercizio dell'ordine di 8÷10 bar. (ma in alcuni casi ne sono state realizzate anche da 15÷18 bar con una produzione di vapore massima di circa 3500 kg/h.
Una caldaia di questo tipo, data la grande quantità d'acqua contenuta, richiede un periodo di tempo notevole prima di raggiungere il regime di servizio e ciò a causa del rapporto sfavorevole tra volume d'acqua e superficie di riscaldamento. Per contro messe a regime lo mantengono facilmente anche in presenza di forti prelievi di vapore. in quanto la quantità elevata di liquido agisce da volano termico.
Una variante è quella detta "a ritorno di fiamma" nella quale i fumi seguono un percorso inverso di ritorno cedendo ulteriormente calore; il camino in tal caso è disposto sullo stesso lato del forno e al di sopra di esso..
Caldaia Lancashire La caldaia Lancashire è una variante della Cornovaglia da cui si distingue essenzialmente per la presenza di due tubi di fumo e due focolari., un espediente ideato da William Fairbairn nel 1844, che partiva dalla considerazione che così avrebbe incrementato la superficie di riscaldamento rispetto al volume d'acqua. Uno sviluppo successivo fu l'aggiunta dei Galloway tubes (dal nome dell'inventore e brevettati nel 1848), tubi acqua trasversali attraversanti la canna fumaria, che aumentavano l'area della superficie riscaldata. Erano corti tubi di grande diametro e pertanto tale sistema non può essere ancora considerato una caldaia a tubi d'acqua. Anche tale caldaia continuava ad avere una pressione di esercizio relativamente bassa per le stesse motivazioni di fondo.
Caldaie semifisse A differenza delle "Cornovaglia" queste caldaie sono attraversate da un fascio di tubi di fiamma (fascio tubiero) entro i quali circolano i gas caldi provenienti dal forno. Possono avere una configurazione orizzontale (la più diffusa) o verticale e non richiedono la costruzione esterna in muratura. Tale caratteristica le ha rese adatte anche agli impieghi mobili, sia terrestri che marini. La maggior parte delle caldaie a tubi di fiamma ha il focolare interno che consente una minore perdita di calore. La cessione di calore al fluido viene facilitata dall'aumentata superficie totale di riscaldamento, che comprende la somma delle singole superfici esterne dei tubi e del vano che avvolge il forno...
Caldaia marina tipo "scozzese"
La caldaia marina tipo scozzese differisce profondamente da quelle precedenti tipo Cornovaglia in quanto è costituita da un serbatoio cilindrico di grande diametro all'interno del quale è disposto, in basso, un tubo piuttosto corto ma di grande diametro al cui interno è posta una graticola inclinata e costituisce il focolare; sopra di esso un fascio di piccoli tubi in grande numero ma di piccolo diametro riattraversa per lungo il serbatoio cilindrico; ciò fornisce un'elevata superficie di scambio termico in rapporto al volume e al peso dell'insieme che costituisce la caldaia. Il fascio tubiero è collegato a due piastre di estremità; l flusso di scarico del gas attraversa i tubi di fumo dal retro al fronte, una parte chiusa convoglia verso l'alto i fumi esausti verso il camino. Le caldaie Scotch possono avere anche due forni, quelle più grandi anche tre o quattro. Nelle grandi navi a vapore era usuale installare caldaie multiple di questo tipo.
Caldaie a ritorno di fiamma È una variante che ha conosciuto un largo uso nelle navi da carico. La sua caratteristica peculiare è il percorso dei prodotti della combustione che all'inizio percorrono i tubi di fiamma orizzontalmente dalla parte anteriore a quella posteriore, quindi si muovono verso l'alto entro una cassa a fuoco disposta in verticale, poi si incanalano orizzontalmente nei tubi bollitori ma in senso inverso, da dietro verso avanti, proseguono infine nei tubi bollitori verticali scaricando all'atmosfera attraverso il camino..
Questa configurazione permette di costruire caldaie corte e compatte, atte al montaggio su nave ove lo spazio è ridotto e prezioso. Le dimensioni del corpo cilindrico, costituito di lamiere chiodate o saldate, possono arrivare anche a 5 m di diametro contenendo la lunghezza a 2,5 m. Le due parti frontali sono piane; sulla parte bassa di quella anteriore sono presenti da uno a quattro boccaporti dei rispettivi forni tubolari in lamiera di acciaio, liscio o ondulato, del diametro da 0,7 a 1,3 m contenenti le graticole per bruciarvi il combustibile. La parete posteriore contiene la cassa a fuoco verticale con l'interposizione di uno strato di acqua per evitarne il surriscaldamento; sulla cassa a fuoco sono intestati i tubi bollitori orizzontali. Dal lato opposto i tubi bollitori proseguono il percorso dei gas caldi verticalmente verso il camino.