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Las calderas milenrama son una clase importante de calderas acuotubulares de alta presión . Fueron desarrollados por Yarrow & Co. (Londres), Shipbuilders and Engineers y fueron ampliamente utilizados en barcos, particularmente en buques de guerra .
El diseño de la caldera Yarrow es característico de la caldera de tres tambores : dos bancos de tubos de agua rectos están dispuestos en una fila triangular con un solo horno entre ellos. Un solo tambor de vapor está montado en la parte superior entre ellos, con tambores de agua más pequeños en la base de cada banco. La circulación, tanto ascendente como descendente, se produce dentro de este mismo banco de tubos. Las características distintivas del Yarrow fueron el uso de tubos rectos y también la circulación en ambas direcciones dentro del banco de tubos, en lugar de utilizar bajantes externos. [1] [2] [3]
El uso temprano de la caldera acuotubular dentro de la Royal Navy fue en ocasiones controvertido, dando lugar a la "Batalla de las Calderas" alrededor de 1900. [4] Estas primeras calderas, como Belleville y Niclausse , eran diseños de tubos grandes, con tubos rectos simples de alrededor de 4" de diámetro, en un ángulo poco profundo con respecto a la horizontal. [5] Estos tubos estaban unidos en cabezales de hierro fundido y causaban muchos problemas con fugas en estas uniones. En ese momento, se suponía que la expansión térmica en Estas calderas también eran grandes y, aunque estaban instaladas en muchos acorazados anteriores al acorazado , no podían instalarse en los pequeños torpederos ni en los primeros destructores que entonces se encontraban en desarrollo muy activo.
Para proporcionar una caldera más ligera para embarcaciones más pequeñas, se desarrollaron los tipos "Express" . Estos utilizaban tubos de agua más pequeños, de alrededor de 2" de diámetro, lo que daba una mayor relación entre el área de calentamiento y el volumen (y peso). La mayoría de ellos tenían un patrón de tres tambores , particularmente los diseños de Du Temple y Normand . [5] Este dio una disposición más vertical de los tubos de agua, fomentando así la circulación de termosifón en estos tubos estrechos. Los problemas anteriores de expansión de los tubos todavía eran una preocupación teórica y por eso los tubos eran curvados o incluso enrollados en horquillas y formas de S, de modo que En la práctica, estas formas dieron lugar a dos problemas prácticos más: dificultad para limpiar los tubos y también dificultad para formar una unión confiable con los tambores de agua, particularmente cuando los tubos ingresaban al tambor en una variedad de ángulos.
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Alfred Yarrow desarrolló su caldera como respuesta a otros que ya habían desarrollado calderas acuotubulares . Este fue un proceso largo basado en experimentos teóricos más que en la evolución de calderas prácticas. Las obras comenzaron en 1877 y la primera caldera comercial no se suministró hasta 10 años después, un torpedero de 1887. [6]
A pesar de esta larga gestación, los orígenes de la caldera parecen haber sido más directos. Se registra que la conversación inicial de Yarrow con William Crush, jefe del departamento de calderas, incluyó un enfoque bastante directo y las declaraciones de Yarrow: "Debemos despertarnos sobre las calderas acuotubulares", "¿Por qué no una caldera como esta?" (juntando los dedos como si estuviera rezando) y "¿Tubos rectos?" Ya hemos expresado dos de los tres principios básicos de diseño de la caldera. [6]
Los primeros diseñadores de tubos de agua se habían preocupado por la expansión de los tubos de la caldera cuando se calentaban. Se hicieron esfuerzos para permitirles expandirse libremente, particularmente para que los más cercanos al horno pudieran expandirse relativamente más que los más alejados. Normalmente, esto se hacía disponiendo los tubos en grandes curvas, como en el caso de la caldera Thornycroft . Estos tenían dificultades en la fabricación y requerían soporte en su uso.
Yarrow reconoció que la temperatura de un tubo lleno de agua se mantenía relativamente baja y era constante entre ellos, siempre que permanecieran llenos de agua y no se permitiera que ocurriera ebullición dentro de los propios tubos. Las altas temperaturas y las variaciones sólo surgían cuando los tubos se llenaban de vapor, lo que también alteraba la circulación.
Por tanto, su conclusión fue que los tubos de agua rectos eran aceptables y tenían ventajas obvias para la fabricación y la limpieza en servicio. [6]
Obtener tubos capaces de soportar las crecientes presiones de la caldera fue difícil y la mayoría de los fabricantes ya habían experimentado problemas con las soldaduras de los tubos. Un beneficio menos obvio de los tubos rectos era que podían utilizar los tubos estirados sin costura recientemente desarrollados que ahora se producen para la fabricación de bicicletas . [6]
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Ya se reconocía que una caldera acuotubular dependía de un flujo continuo a través de los tubos de agua, y que esto debía realizarse mediante un efecto termosifón en lugar de requerir una bomba de manera poco práctica.
Los tubos de agua calentada eran un gran número de tubos de pequeño diámetro montados entre grandes tambores: los tambores de agua debajo y los tambores de vapor arriba. Los estudios de Fairbairn ya habían demostrado la importancia del diámetro de los tubos y cómo los tubos de diámetro pequeño podían soportar fácilmente presiones mucho más altas que los de diámetro grande. Los tambores pudieron soportar la presión gracias a su construcción robusta. Las bocas de registro instaladas en ellos permitieron una inspección interna periódica.
Se suponía que el flujo a través de los tubos de agua sería ascendente, debido a su calentamiento por el horno, y que el contrapeso del flujo descendente requeriría bajantes externos sin calefacción . En la mayoría de los diseños de tubos de agua, se trataba de unos pocos tubos externos de gran diámetro desde el tambor de vapor hasta el tambor de agua. Estos tubos de gran diámetro suponían, por tanto, un problema de fiabilidad debido a su rigidez y a las fuerzas que soportaban.
Alfred Yarrow realizó un famoso experimento en el que refutó esta suposición. [7] [8] Las fuentes no tienen claro si descubrió esto durante el experimento o si realizó el experimento simplemente para demostrar una teoría que ya sostenía.
Se dispuso un tubo vertical en forma de U de modo que pudiera calentarse mediante una serie de mecheros Bunsen a cada lado. Un simple medidor de flujo indicaba la dirección y la fuerza aproximada de cualquier flujo a través del tanque en la parte superior que une los dos brazos de la U.
Cuando solo se calentó un lado de la U, se produjo el esperado flujo ascendente de agua caliente en ese brazo del tubo.
Cuando también se aplicó calor al brazo no calentado, la teoría convencional predijo que el flujo circulatorio se ralentizaría o se detendría por completo. En la práctica, el flujo en realidad aumentó . Siempre que hubiera cierta asimetría en el calentamiento, el experimento de Yarrow demostró que la circulación podría continuar y el calentamiento del bajante más frío podría incluso aumentar este flujo.
Luego, Yarrow repitió el experimento, primero con el tubo en U en un ángulo poco profundo con respecto a la horizontal y finalmente con todo el sistema bajo presión. [7] Los resultados fueron los mismos y se mantuvo la circulación.
De este modo, la caldera Yarrow podría prescindir de bajantes externos separados. El flujo se producía enteramente dentro de los tubos de agua calentados, hacia arriba dentro de los más cercanos al horno y hacia abajo a través de los de las filas exteriores del banco.
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La caldera de producción de Yarrow tenía un diseño simple y distintivo que se mantuvo prácticamente sin cambios después. Tres tambores estaban dispuestos en una formación triangular: un solo gran tambor de vapor en la parte superior y dos tambores de agua más pequeños debajo. Estaban unidos mediante tubos de agua rectos en una hilera de varias filas a cada depósito de agua.
El horno se colocó en el espacio entre los bancos de tubos. Las primeras calderas se alimentaban manualmente con carbón y luego con petróleo. La caldera estaba encerrada en una carcasa sellada de acero, revestida con ladrillos refractarios. Las paredes de los extremos revestidas de ladrillos de esta carcasa albergaban las puertas contra incendios o los quemadores de aceite, pero no tenían superficie de calentamiento. El conducto de aspiración de la caldera estaba en la parte superior central de la carcasa y los gases de escape pasaban alrededor del tambor de vapor. Para reducir la corrosión de los gases de combustión sobre el tambor, a veces se envolvía en una simple cubierta deflectora. Normalmente, la parte inferior de los bidones de agua quedaba expuesta fuera de la carcasa, pero sólo emergían los extremos del bidón de vapor. El nivel del agua estaba aproximadamente a un tercio del diámetro del tambor de vapor, suficiente para cubrir los extremos de los tubos de agua sumergidos.
El peso de la caldera descansaba sobre los bidones de agua y, por tanto, sobre los soportes de la plataforma de combustión. El tambor de vapor solo estaba sostenido por los tubos de agua y se le permitía moverse libremente, con expansión térmica. Si estaban sobrecalentados, los elementos del sobrecalentador se colgaban de este tambor. En comparación con las calderas escocesas y de locomotoras anteriores, las calderas acuotubulares, con su reducido volumen de agua, se consideraban ligeras y no requerían grandes soportes.
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Los primeros bidones de agua o "canales" de Yarrow tenían forma de D con una placa de tubos plana, para facilitar el montaje de los tubos. La placa de tubos estaba atornillada a la cubeta y podía desmontarse para realizar mantenimiento y limpiar los tubos.
Sin embargo, esta forma de D no es ideal para un tambor a presión, ya que la presión tenderá a distorsionarlo en una sección más circular. La experiencia de explosiones de calderas había demostrado que las esquinas internas afiladas del interior de las calderas también eran propensas a la erosión por ranuras.
Las calderas posteriores utilizaron una sección más redondeada, a pesar de la dificultad de introducir y sellar los extremos de los tubos cuando ya no eran perpendiculares. Estos tambores posteriores tenían una boca de acceso en los extremos para acceder.
La circulación en una caldera Yarrow dependía de la diferencia de temperatura entre las filas de tubos interior y exterior de un banco y, en particular, de las tasas de ebullición. Si bien esto es fácil de mantener a bajas potencias, una caldera Yarrow de mayor presión tenderá a tener menos diferencia de temperatura y, por lo tanto, tendrá una circulación menos efectiva. [2] Este efecto se puede contrarrestar proporcionando bajantes externos, fuera del área de combustión calentada.
Aunque la mayoría de las calderas Yarrow no requerían bajantes, algunas estaban equipadas con ellos. [9]
La primera caldera de doble salida se construyó en 1905 para el gobierno español. El diseño ya era adecuado para ser encendido desde ambos extremos y se descubrió que las calderas de dos extremos eran un poco más eficientes en su uso.
El astillero de Yarrow siempre estuvo restringido en el tamaño de los barcos que podía construir. Muchas de sus calderas estaban destinadas a buques de guerra más grandes y Yarrow las suministró como componentes para los astilleros con gradas más grandes.
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Las primeras calderas Yarrow no estaban sobrecalentadas, pero con la introducción de las turbinas de vapor , hubo una demanda de temperaturas de vapor cada vez más altas.
El sobrecalentador Yarrow constaba de tubos en forma de horquilla, paralelos a los tubos del generador de vapor existentes. Un banco de tubos del generador se separó en dos, con bidones de agua inferiores individuales para ellos. El sobrecalentador se colocó en el espacio formado entre estos, con ambos extremos de sus tubos conectados a un solo tambor colector del sobrecalentador y un deflector interno para separar el vapor húmedo y seco. [10]
Un efecto secundario del sobrecalentador fue aumentar la diferencia de temperatura entre los tubos interiores y exteriores del banco, fomentando así la circulación. Los dos tambores de agua a menudo estaban unidos por bajantes sin calefacción, para permitir este flujo entre los tambores. Este efecto se fomentó más tarde en la caldera Admiralty , donde los tubos de un banco se curvaron para dejar espacio para un sobrecalentador, conservando al mismo tiempo el único tambor de agua.
Sólo se instaló un sobrecalentador, en un solo lado de la caldera. Las calderas más simples y pequeñas movieron su conducto de escape hacia este lado, pasando todos los gases de escape a través del banco con el sobrecalentador. La caldera ahora asimétrica podría pasar todos sus gases de escape a través del lado sobrecalentado como del tipo de flujo único. [10] El otro banco siguió utilizándose para calefacción puramente radiativa, a menudo con menos filas de tubos.
Alternativamente, la caldera de "doble flujo" retuvo el flujo total de gas a través de ambos lados, aunque solo uno de ellos contenía un sobrecalentador. Se podría cerrar un deflector controlable en el lado no sobrecalentado para aumentar el flujo a través del sobrecalentador. [10] Estas calderas generalmente incorporaban calentadores de agua de alimentación adicionales en la corriente ascendente sobre estos deflectores. [10]
Un desarrollo posterior del Yarrow fue la caldera de tres tambores Admiralty , desarrollada para la Royal Navy entre guerras. [11] [12]
Esto era muy similar a las versiones posteriores del Yarrow, de alta presión y alimentadas con petróleo. Los bidones de agua eran cilíndricos y a veces, pero no siempre, se utilizaban bajantes. La única diferencia importante estaba en los bancos de tubos. En lugar de tubos rectos, cada tubo era en su mayoría recto, pero acodado hacia sus extremos. Estos se instalaron en dos grupos dentro del banco, de modo que formaban un espacio entre ellos dentro del banco. Dentro de este espacio se colocaron sobrecalentadores . La ventaja de colocar los sobrecalentadores aquí fue que aumentaron el diferencial de temperatura entre los tubos interior y exterior del banco, fomentando así la circulación.
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HMS Hornet (1893) , un destructor clase Havock . El HMS Havock (1893) , el barco líder de la clase, se construyó con la forma actual de caldera de locomotora , el Hornet con una caldera Yarrow a modo de comparación. [13]
Las primeras calderas Yarrow estaban destinadas a pequeños destructores y ocupaban todo el ancho del casco. En las primeras clases se utilizaban tres calderas dispuestas en tándem, cada una con un embudo independiente . Los últimos conjuntos suministrados para los buques capitales utilizaban múltiples calderas y éstas a menudo se agrupaban en conjuntos de tres, compartiendo una toma.
En 1922, Harold Yarrow decidió aprovechar el creciente auge de la generación de electricidad como mercado para que Yarrows construyera calderas terrestres. [14] Las primeras calderas, en Dunston Power Station y Brighton , eran del mismo modelo marino. En cuanto a su éxito naval, fueron reconocidos por tener una gran superficie de calefacción radiante y su rapidez para generar vapor.
Las grandes turbinas terrestres requerían alta eficiencia y mayor recalentamiento , por lo que el modelo marino se revisó para adoptar la distintiva caldera terrestre Yarrow. Esto se volvió asimétrico. Un ala se amplió y recibió la mayor parte del flujo de gas. Los bancos de tubos internos permanecieron y recibieron calor radiante del horno, pero los gases luego fluyeron a través de uno de ellos, sobre un banco de sobrecalentador, y luego a través de un tercer banco adicional para aumentar el calor extraído.
Las presiones laborales también aumentaron. De una presión de trabajo de 575 psi en 1927, en 1929 una caldera experimental funcionaba a 1200 psi. [14]
En una locomotora de ferrocarril sólo se utilizó una caldera "Yarrow", el motor experimental 10000 de Nigel Gresley de 1924 para la empresa LNER . [15] Habiendo observado los beneficios de presiones más altas y motores compuestos en la práctica marina , Gresley estaba interesado en experimentar con este enfoque en una locomotora de ferrocarril . Al igual que con las calderas terrestres, Harold Yarrow deseaba ampliar el mercado para la caldera de Yarrow.
La caldera no era el diseño habitual de Yarrow. En funcionamiento, particularmente en sus vías de circulación, la caldera tenía más en común con otros diseños de tres tambores como el Woolnough . También se ha descrito como una evolución de la cámara de combustión de tubo de agua Brotan-Deffner , con la cámara de combustión ampliada para convertirse en la caldera completa.
