Caldera de milenrama

Obsolete class of high-pressure water-tube boilers widely used on ships

Caldera de milenrama, sin el conducto de humos y la carcasa exterior

Las calderas de milenrama son una clase importante de calderas de tubos de agua de alta presión . Fueron desarrollados por Yarrow & Co. (Londres), Shipbuilders and Engineers y fueron ampliamente utilizados en barcos, particularmente buques de guerra .

El diseño de la caldera Milenrama 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, ocurre dentro de este mismo banco de tubos. Las características distintivas del Milenrama fueron el uso de tubos rectos y también la circulación en ambas direcciones que tuvo lugar completamente dentro del banco de tubos, en lugar de utilizar tubos descendentes externos. ^{[1] [2] [3]}

Calderas de agua tempranas

El uso temprano de la caldera de tubo de agua dentro de la Royal Navy fue controvertido en ocasiones, lo que dio 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 la horizontal. ^[5] Estos tubos se unieron en cabezales de hierro fundido y daban muchos problemas con las fugas en estas uniones. En ese momento, se suponía que la expansión térmica en Estos tubos rectos estaban forzando las juntas. Estas calderas también eran grandes, y aunque se ajustaban a muchosacorazados pre-dreadnought , no pudieron ser instalados en los pequeños barcos torpederos y los primeros destructores estaban entonces bajo un desarrollo muy activo.

Para proporcionar una caldera más ligera para embarcaciones más pequeñas, se desarrollaron los tipos 'Express' . Estos utilizaron tubos de agua más pequeños de alrededor de 2 "de diámetro, dando una mayor proporción de área de calentamiento a volumen (y peso). La mayoría de estos eran del patrón de tres tambores , particularmente de los diseños de Du Temple y Normand . ^[5]Esto dio una disposición más vertical de los tubos de agua, fomentando así la circulación del termosifón en estos tubos estrechos. Los problemas anteriores de la expansión del tubo seguían siendo una preocupación teórica y, por lo tanto, los tubos estaban curvados o incluso enrollados 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 bidones de agua, particularmente cuando los tubos entraban en el bidón en una variedad de ángulos.

Caldera de tubo de agua de milenrama

Alfred Yarrow desarrolló su caldera como respuesta a otras que ya habían desarrollado calderas de tubos de agua . Este 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 sobre las calderas de agua", "¿Por qué no una caldera como esta?" (juntando los dedos como si estuviera rezando) y "¿Tubos rectos?" ya expresó dos de los tres principios básicos de diseño de la caldera. ^[6]

Tubos rectos

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 colocando los tubos en grandes curvas de bucle, como para la caldera Thornycroft . Estos tenían dificultades en la fabricación y requerían apoyo en su uso.

Milenrama 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 se produjera ebullición dentro de los propios tubos. Las altas temperaturas y variaciones solo surgieron cuando los tubos se llenaron de vapor, lo que también interrumpió la circulación.

Su conclusión fue, por tanto, que los tubos de agua rectos eran aceptables y tenían ventajas obvias para la fabricación y limpieza en servicio. ^[6]

Obtener tubos capaces de resistir 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 hacer uso de los tubos estirados sin costura recientemente desarrollados que ahora se producen para la fabricación de bicicletas . ^[6]

Experimentos de circulación de milenrama

Experimento de circulación del tubo en U de Milenrama

Limpiar una caldera de milenrama

Ya se reconoció que una caldera de tubos de agua dependía de un flujo continuo a través de los tubos de agua, y que esto debía ser por un efecto de termosifón en lugar de requerir una bomba de manera poco práctica.

Los tubos de agua calentados eran una gran cantidad de tubos de pequeño diámetro montados entre grandes tambores: los tambores de agua abajo y los tambores de vapor arriba. Los estudios de Fairbairn ya habían demostrado la importancia del diámetro del tubo y cómo los tubos de diámetro pequeño podían soportar presiones mucho más altas que los diámetros grandes. Los tambores pudieron soportar la presión gracias a su construcción robusta. Los pozos de inspección instalados en ellos permitían una inspección interna periódica.

La suposición era que el flujo a través de los tubos de agua sería hacia arriba, debido a su calentamiento por el horno, y que el flujo descendente de contrapeso requeriría sin calefacción externos tubos de bajada . En la mayoría de los diseños de tubos de agua, estos eran unos pocos tubos externos de gran diámetro desde el tambor de vapor al tambor de agua. Estos tubos de gran diámetro eran, por tanto, un problema de fiabilidad debido a su rigidez y las fuerzas sobre ellos.

Alfred Yarrow realizó un famoso experimento en el que refutó esta suposición. ^{[7] [8]} Las fuentes no están claras sobre si descubrió esto durante el experimento o si lo llevó a cabo simplemente para demostrar una teoría que ya tenía.

Se dispuso un tubo vertical en forma de U para que pudiera ser calentado por una serie de quemadores Bunsen en cada lado. Un simple medidor de flujo indicó 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 flujo ascendente esperado de agua caliente en ese brazo del tubo.

Cuando también se aplicó calor al brazo sin calentar, la teoría convencional predijo que el flujo circulatorio se ralentizaría o se detendría por completo. En la práctica, el flujo realmente aumentó . Siempre que hubiera alguna asimetría en el calentamiento, el experimento de Yarrow mostró que la circulación podía continuar y el calentamiento del tubo de bajada del enfriador incluso podría aumentar este flujo.

Luego, Milenrama repitió el experimento, primero con el tubo en U en un ángulo poco profundo con la horizontal, finalmente con todo el sistema bajo presión. ^[7] Los resultados fueron los mismos y se mantuvo la circulación.

La caldera Milenrama podría prescindir de bajantes externos separados. El flujo estaba completamente 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.

Descripción

Extremo de la mitad de la sección de una caldera, mostrando el horno y el conducto de humos que lo encierran

La caldera de producción de Yarrow tenía un diseño simple y distintivo que se mantuvo prácticamente sin cambios después. Se dispusieron 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 unidos por tubos de agua rectos en un banco de varias filas a cada tambor de agua.

El horno se colocó en el espacio entre los bancos de tubos. Las primeras calderas se calentaron manualmente con carbón y luego se calentaron 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 de incendios o las quarls de 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, 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 bidones de agua quedaba expuesta fuera de la carcasa, pero solo emergían los extremos del bidón de vapor. El nivel del agua estaba alrededor de 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 cubierta del piso de cocción. El tambor de vapor solo estaba sostenido por los tubos de agua y se le permitió moverse libremente, con expansión térmica. Si se sobrecalienta, los elementos del sobrecalentador se colgaron de este tambor. En comparación con las calderas escocesas y de locomotoras anteriores , las calderas tubulares de agua con volúmenes reducidos de agua se consideraban livianas y no requerían soportes extensos.

Evolución posterior en el diseño

Tambores de agua

Caldera de milenrama temprana, mostrando los abrevaderos en forma de D

Los primeros bidones o "comederos" de agua de Milenrama tenían forma de D con una placa de tubo plana, para facilitar el montaje de los tubos. La placa de tubos estaba atornillada a la cubeta y podía desmontarse para mantenimiento y limpieza de tubos.

Sin embargo, esta forma de D no es ideal para un tambor de presión, ya que la presión tenderá a distorsionarlo en una sección más circular. La experiencia de las explosiones de calderas había demostrado que las esquinas internas afiladas dentro 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 insertar y sellar los extremos de los tubos cuando ya no eran perpendiculares. Estos tambores posteriores tenían una boca de acceso en los extremos para el acceso.

Downcomers

La circulación en una caldera de Milenrama dependía de la diferencia de temperatura entre las filas de tubos interior y exterior de un banco, y particularmente de las tasas de ebullición. Si bien esto es fácil de mantener a bajas potencias, una caldera de milenrama 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 tubos de bajada externos, fuera del área de la chimenea calentada.

Aunque la mayoría de las calderas Milenrama no requerían tubos descendentes, algunas estaban equipadas con ellos. ^[9]

Calderas de doble extremo

La primera caldera de dos casquillos se construyó en 1905 para el gobierno español. El diseño ya era adecuado para ser disparado 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 patios de construcción con gradas más grandes.

Sobrecalentadores

Caldera de milenrama asimétrica de doble flujo, con recalentador

Las primeras calderas de Milenrama no estaban sobrecalentadas, pero con la introducción de las turbinas de vapor , hubo una demanda de temperaturas de vapor cada vez más altas.

Calderas asimétricas

El sobrecalentador de Milenrama consistía en tubos en forma de horquilla, paralelos a los tubos generadores de vapor existentes. Un banco de los 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 internos y externos del banco, lo que fomenta la circulación. Los dos bidones de agua a menudo estaban unidos por bajantes sin calefacción, para permitir este flujo entre los bidones. Este efecto se fomentó más tarde en la caldera del Almirantazgo , donde los tubos de un banco se curvaron para dejar espacio para un sobrecalentador, mientras se conservaba el tambor de agua único.

Flujo controlado

Solo se instaló un sobrecalentador, en un solo lado de la caldera. Las calderas más simples y más pequeñas movieron su conducto de escape hacia este lado, pasando todo el escape a través del banco con el recalentador. La caldera ahora asimétrica podría pasar todos sus gases de escape a través del lado sobrecalentado como el tipo de flujo único. ^[10] El otro banco permaneció en uso para calefacción puramente radiante, a menudo con menos filas de tubos.

Alternativamente, la caldera de 'doble flujo' retuvo el flujo de gas completo a través de ambos lados, aunque solo uno de ellos contenía un sobrecalentador. Se podría cerrar un deflector controlable en el lado no recalentado para aumentar el flujo a través del recalentador. ^[10] Estas calderas generalmente incorporaron calentadores de agua de alimentación adicionales en la corriente ascendente por encima de estos deflectores. ^[10]

Caldera de tres tambores del Almirantazgo

Más información: Caldera de tres tambores Admiralty

Un desarrollo posterior del Yarrow fue la caldera de tres tambores Admiralty , desarrollada para la Royal Navy entre guerras. ^{[11] [12]}

Esto fue muy similar a las versiones posteriores, de alta presión y de aceite, del Milenrama. Los waterdrums eran cilíndrica y tubos de bajada eran a veces, pero no siempre, utilizan. La única diferencia importante estaba en los bancos de tubos. En lugar de tubos rectos, cada tubo era en su mayoría recto, pero giraba hacia sus extremos. Estos se instalaron en dos grupos dentro del banco, de modo que formaron un espacio entre ellos dentro del banco. Se colocaron sobrecalentadores dentro de este espacio. La ventaja de colocar los sobrecalentadores aquí fue que aumentaron la diferencia de temperatura entre los tubos internos y externos del banco, fomentando así la circulación.

Uso marino

Triple grupo de calderas para un acorazado chileno

HMS  Hornet  (1893) , un destructor de la clase Havock . El HMS  Havock  (1893) , el barco líder de la clase, fue construido con la forma actual de caldera de locomotora , Hornet , con una caldera Yarrow para comparar. ^[13]

Las primeras calderas de Milenrama estaban destinadas a pequeños destructores y ocupaban todo el ancho del casco. En las primeras clases, se utilizaron tres calderas dispuestas en tándem, cada una con un embudo separado . Los últimos conjuntos suministrados para las naves capitales utilizaron varias calderas y, a menudo, se agruparon en conjuntos de tres, compartiendo una absorción.

Calderas terrestres

En 1922, Harold Yarrow decidió explotar 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 patrón marino. En cuanto a su éxito naval, fueron reconocidos por tener una gran área de calefacción radiante y por su rapidez para generar vapor.

Las grandes turbinas terrestres requerían una alta eficiencia y un mayor recalentamiento , por lo que el patrón marino se modificó a la distintiva caldera Yarrow terrestre. Esto se volvió asimétrico. Un ala se agrandó y recibió la mayor parte del flujo de gas. Los bancos de tubos interiores permanecieron y recibieron calor radiante del horno, pero los gases luego fluyeron a través de uno de ellos, sobre un banco de recalentadores y luego a través de un tercer banco adicional para aumentar el calor extraído.

Las presiones laborales también aumentaron. Desde una presión de trabajo de 575 psi en 1927, en 1929 se hizo funcionar una caldera experimental a 1200 psi. ^[14]

Motor 10000

Más información: Caldera de tres tambores § Motor 10000

Sólo se utilizó una caldera "Milenrama" en una locomotora de ferrocarril, el motor experimental 10000 de 1924 de Nigel Gresley para la empresa LNER . ^[15] Habiendo observado los beneficios de presiones más altas y 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 deseaba expandir el mercado de la caldera de Yarrow.

La caldera no era el diseño habitual de Milenrama. En funcionamiento, en particular 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 tubos de agua de Brotan-Deffner , con la cámara de combustión extendida para convertirse en la caldera completa.

Referencias

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Caldera de milenrama .

1. Kennedy, Rankin (1912). El libro de motores y generadores de energía modernos . VI . Londres: Caxton.
2. Milton, JH (1961) [1953]. Calderas de vapor marinas (2ª ed.). Newnes.
3. Borthwick, Alastair (1965). Milenrama: los primeros cien años . Milenrama .
4. Rippon, Cmdr. PM (1988). La evolución de la ingeniería en la Royal Navy . Vol. 1: 1827-1939. Spellmount. págs. 50, 76–77. ISBN 0-946771-55-3.
5. Brassey, Thomas Allnutt (1896). El Anual Naval . Brassey. págs. 118-119. ISBN 1-4212-4178-1.
6. Milenrama, Los primeros cien años , págs. 36-37
7. Kennedy, Modern Engines, Vol VI , págs. ????
8. Milenrama, primeros cien años , págs. 
9. Manual de Stokers (edición de 1912) ed.). Almirantazgo, vía HMSO, vía Eyre & Spottiswoode. 1901.
10. Milton, Calderas de vapor marinas , págs. 109-111
11. Manual de maquinaria BR 77 . reemplazo posterior del Manual de Stokers . Almirantazgo, vía HMSO. 1941. págs. 12-13.
12. Práctica de la ingeniería marina naval . reemplazo posterior del Manual de Stokers . vol 1. Royal Navy , vía HMSO . 1971 [1959]. pag. 4. ISBN 011-770223-4.
13. Lyon, David (1996). Los primeros destructores . ISBN 1-84067-364-8.
14. Milenrama, Primeros cien años , págs. 58-65
15. Nock, OS (1966). "9: Locomotoras no convencionales 1929-1935". La locomotora británica del ferrocarril de vapor . II, de 1925 a 1965. Ian Allan . págs. 106-109.