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Las calderas Yarrow son una clase importante de calderas acuotubulares de alta presión . Fueron desarrolladas por Yarrow & Co. (Londres), Shipbuilders and Engineers y se utilizaron ampliamente 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 hacia arriba como hacia abajo, se produce dentro de este mismo banco de tubos. Las características distintivas de la Yarrow fueron el uso de tubos rectos y también la circulación en ambas direcciones que se produce dentro del banco de tubos, en lugar de utilizar bajantes externos. [1] [2] [3]
El uso temprano de la caldera acuotubular dentro de la Marina Real fue controvertido en ocasiones, dando lugar a la "Batalla de las Calderas" alrededor de 1900. [4] Estas primeras calderas, como la Belleville y la Niclausse , eran diseños de tubos grandes, con tubos rectos simples de alrededor de 4" de diámetro, en un ángulo poco profundo con la horizontal. [5] Estos tubos estaban unidos a cabezales de hierro fundido y daban muchos problemas con las fugas en estas juntas. En ese momento, se suponía que la expansión térmica en estos tubos rectos estaba forzando las juntas. Estas calderas también eran grandes y, aunque se instalaron en muchos acorazados anteriores al dreadnought , no se podían instalar en los pequeños torpederos y los primeros destructores que entonces estaban en desarrollo muy activo.
Para proporcionar una caldera más ligera para los recipientes más pequeños, se desarrollaron los tipos "Express" . Estos utilizaban tubos de agua más pequeños, de alrededor de 2" de diámetro, lo que proporcionaba una mayor relación entre el área de calentamiento y el volumen (y el peso). La mayoría de estos eran del modelo de tres tambores , en particular de los diseños Du Temple y Normand . [5] Esto proporcionaba una disposición más vertical de los tubos de agua, lo que fomentaba la circulación termosifón en estos tubos estrechos. Los problemas anteriores de expansión de los tubos seguían siendo una preocupación teórica, por lo que los tubos se curvaban o incluso se enroscaban en horquillas y formas de S, para aumentar el área de calentamiento. 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 en los tambores de agua, en particular 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 . Fue un proceso largo basado en experimentos teóricos más que en la evolución de calderas prácticas. El trabajo comenzó 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 despertar en cuanto a las calderas acuotubulares", "¿Por qué no una caldera como ésta?" (juntando los dedos como si rezara) y "¿Tubos rectos?" ya expresaban dos de los tres principios básicos de diseño de la caldera. [6]
Los primeros diseñadores de calderas acuotubulares se habían preocupado por la expansión de los tubos de la caldera cuando se calentaban. Se hicieron esfuerzos para permitir que se expandieran libremente, en particular para que los más cercanos al horno pudieran expandirse relativamente más que los más alejados. Por lo general, esto se hacía disponiendo los tubos en grandes curvas en bucle, como en el caso de la caldera Thornycroft . Estas calderas presentaban dificultades en la fabricación y requerían soporte para su uso.
Yarrow descubrió 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 se produjera la ebullición dentro de los propios tubos. Las altas temperaturas y las variaciones solo se producían cuando los tubos se llenaban de vapor, lo que también interrumpía la circulación.
Su conclusión fue que los tubos de agua rectos eran aceptables y tenían ventajas obvias para su fabricación y limpieza en servicio. [6]
La obtención de tubos capaces de soportar las crecientes presiones de las calderas era 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 nuevos tubos sin costura que se fabrican actualmente 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, lo cual sería poco práctico.
Los tubos de agua calentados eran una gran cantidad de tubos de diámetro pequeño montados entre grandes tambores: los tambores de agua debajo y los tambores de vapor encima. 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 podían soportar la presión en virtud de su construcción robusta. Los pozos de registro instalados en ellos permitían una inspección interna regular.
Se suponía que el flujo a través de los tubos de agua sería ascendente, debido a su calentamiento por el horno, y que el flujo descendente compensatorio requeriría bajantes externos sin calefacción . En la mayoría de los diseños de tubos de agua, estos eran unos pocos tubos externos de gran diámetro desde el tambor de vapor hasta el tambor de agua. Estos tubos de gran diámetro eran, por lo tanto, un problema de confiabilidad debido a su rigidez y las fuerzas que se ejercían sobre ellos.
Alfred Yarrow realizó un famoso experimento en el que refutó esta suposición. [7] [8] Las fuentes no son claras en cuanto a si descubrió esto durante el experimento o 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 medidor de flujo simple indicaba la dirección y la fuerza aproximada de cualquier flujo a través del tanque en la parte superior que unía los dos brazos de la U.
Cuando sólo 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 tubo descendente 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 esta manera, la caldera Yarrow podía prescindir de bajantes externos independientes. El flujo se producía íntegramente en el interior de los tubos de agua calentados, hacia arriba en 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 sencillo y distintivo que permaneció prácticamente sin cambios después de eso. Se disponían tres tambores en una formación triangular: un solo tambor de vapor grande en la parte superior y dos tambores de agua más pequeños debajo. Estaban conectados por tubos de agua rectos en un banco de varias filas a cada tambor de agua.
El horno se colocaba en el espacio entre los bancos de tubos. Las primeras calderas se quemaban manualmente con carbón, y más tarde con fueloil. La caldera estaba encerrada en una carcasa sellada de acero, revestida con ladrillos refractarios. Las paredes de los extremos de esta carcasa, revestidas de ladrillo, albergaban las puertas cortafuegos o las chimeneas de los quemadores de fueloil, pero no tenían superficie de calentamiento. El conducto de entrada de humos 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. Por lo general, la parte inferior de los tambores de agua quedaba expuesta fuera de la carcasa, pero solo emergían los extremos del tambor de vapor. El nivel del agua estaba en aproximadamente un tercio del diámetro del tambor de vapor, lo suficiente para cubrir los extremos de los tubos de agua sumergidos.
El peso de la caldera recaía sobre los tambores de agua y, por tanto, sobre los apoyos de la cubierta de la zona de cocción. El tambor de vapor se sostenía únicamente sobre los tubos de agua y podía moverse libremente, con la expansión térmica. Si se sobrecalentaba, los elementos del sobrecalentador se colgaban de este tambor. En comparación con las calderas escocesas y de locomotoras anteriores, las calderas acuotubulares, con sus volúmenes de agua reducidos, se consideraban ligeras y no requerían grandes apoyos.
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Los primeros bidones o "comederos" de Yarrow tenían forma de D y una placa tubular plana para facilitar el montaje de los tubos. La placa tubular se atornillaba al comedero y se podía desmontar para realizar tareas de mantenimiento y limpieza de los tubos.
Sin embargo, esta forma de D no es ideal para un tambor de presión, ya que la presión tenderá a distorsionarlo y convertirlo en una sección más circular. La experiencia de las explosiones de calderas había demostrado que las esquinas internas agudas dentro de las calderas también eran propensas a la erosión por ranurado.
Las calderas posteriores utilizaron una sección más redondeada, a pesar de la dificultad de insertar y sellar los extremos de los tubos cuando ya no eran perpendiculares. Estos tambores posteriores tenían una boca de acceso en los extremos.
La circulación en una caldera Yarrow dependía de una diferencia de temperatura entre las filas de tubos interiores y exteriores 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 una diferencia de temperatura menor y, por lo tanto, tendrá una circulación menos efectiva. [2] Este efecto se puede contrarrestar proporcionando bajantes externos, fuera del área de humos calentada.
Aunque la mayoría de las calderas Yarrow no requerían bajantes, algunas estaban equipadas con ellos. [9]
La primera caldera de doble extremo se construyó en 1905 para el gobierno español. El diseño ya era adecuado para funcionar por ambos extremos y se descubrió que las calderas de doble extremo eran ligeramente más eficientes.
El astillero de Yarrow siempre tuvo limitaciones en cuanto al tamaño de los barcos que podía construir. Muchas de sus calderas estaban destinadas a buques de guerra más grandes y Yarrow las suministraba como componentes a 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 estaba formado por tubos en forma de horquilla, paralelos a los tubos del generador de vapor existentes. Un banco de tubos del generador se dividió en dos, con tambores 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 único tambor de cabecera del sobrecalentador y un deflector interno para separar el vapor húmedo del seco. [10]
Un efecto secundario del sobrecalentador era aumentar la diferencia de temperatura entre los tubos internos y externos del banco, lo que fomentaba la circulación. Los dos tambores de agua solían estar conectados 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, al tiempo que se conservaba el único tambor de agua.
En la actualidad, sólo se instala un único sobrecalentador, en un solo lado de la caldera. Las calderas más sencillas y pequeñas desplazaban su conducto de escape hacia este lado, haciendo pasar todos los gases de escape a través del banco con el sobrecalentador. La caldera, ahora asimétrica, podía hacer pasar todos sus gases de escape a través del lado sobrecalentado, ya que era del tipo de flujo único. [10] El otro banco se siguió utilizando para calefacción puramente radiativa, a menudo con menos filas de tubos.
Como alternativa, la caldera de "doble flujo" conservaba el flujo de gas completo a través de ambos lados, aunque solo uno de ellos contenía un sobrecalentador. Se podía 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 por encima de estos deflectores. [10]
Un desarrollo posterior del Yarrow fue la caldera de tres tambores Admiralty , desarrollada para la Marina Real entre guerras. [11] [12]
Este modelo era muy similar a las versiones posteriores del Yarrow, de alta presión y alimentadas con aceite. 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 curvado hacia sus extremos. Estos se instalaban en dos grupos dentro del banco, de modo que formaban un espacio entre ellos dentro del banco. Los sobrecalentadores se colocaban dentro de este espacio. La ventaja de colocar los sobrecalentadores aquí era que aumentaban la diferencia de temperatura entre los tubos internos y externos del banco, lo que fomentaba la circulación.
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HMS Hornet (1893) , un destructor de la clase Havock . El HMS Havock (1893) , el buque líder de la clase, fue construido con la forma de caldera de locomotora que se usaba entonces , 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 una chimenea independiente . Los conjuntos posteriores suministrados para los buques capitales utilizaban varias calderas y estas a menudo se agrupaban en conjuntos de tres, compartiendo una toma de aire.
En 1922, Harold Yarrow decidió aprovechar el auge creciente de la generación de electricidad como un mercado para que Yarrows construyera calderas terrestres. [14] Las primeras calderas, en la central eléctrica de Dunston y Brighton , eran del mismo modelo marino. En cuanto a su éxito naval, se las reconoció por tener una gran área de calefacción radiante y ser rápidas para generar vapor.
Las grandes turbinas terrestres requerían una alta eficiencia y un mayor sobrecalentamiento , por lo que el modelo marino se revisó para adoptar la característica caldera terrestre Yarrow. Esta se volvió asimétrica. Se agrandó un ala 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 sobrecalentadores y luego a través de un tercer banco adicional para aumentar el calor extraído.
Las presiones de trabajo también aumentaron. De una presión de trabajo de 575 psi en 1927, en 1929 se puso en funcionamiento una caldera experimental a 1200 psi. [14]
Sólo se utilizó una caldera "Yarrow" en una locomotora de ferrocarril, la Engine 10000 experimental de Nigel Gresley de 1924 para la compañía LNER . [15] Habiendo observado los beneficios de las presiones más altas y los motores compuestos en la práctica marina , Gresley estaba ansioso por experimentar con este enfoque en una locomotora de ferrocarril . Al igual que con las calderas terrestres, Harold Yarrow estaba ansioso por expandir el mercado de la caldera de Yarrow.
La caldera no era del diseño habitual de Yarrow. En cuanto a su funcionamiento, en particular en lo que respecta a sus vías de circulación, la caldera tenía más en común con otros diseños de tres tambores, como la Woolnough . También se la ha descrito como una evolución de la cámara de combustión acuotubular de Brotan-Deffner , con la cámara de combustión extendida para convertirse en la caldera completa.
