Caldera de tres tambores

Los tubos tortuosos de los primeros diseños, como los de du Temple y Normand , fueron los primeros en desaparecer. Un banco de tubos de varias filas podía proporcionar una superficie de calentamiento adecuada, sin esta complejidad. Los tubos también se volvieron más rectos, principalmente para facilitar su limpieza. Yarrow había demostrado que los tubos rectos no causaban problemas de expansión, pero los tambores circulares y la entrada perpendicular de los tubos eran características valiosas para una larga vida útil. Cuando los tubos entraban en los tambores en ángulo, el calentamiento y el enfriamiento tendían a doblarlos, provocando fugas. Una entrada perpendicular facilitaba la expansión de los tubos para lograr un sellado fiable y evitar estas tensiones laterales. Valía la pena sacrificar los extremos curvados de los tubos de la caldera Admiralty para mantener estas dos características, y estos tubos seguían teniendo una forma lo suficientemente simple como para limpiarlos fácilmente. ^{[ 2 ]}

Algunos de los primeros tubos de caldera, en particular el de la caldera du Temple con sus esquinas afiladas, no podían limpiarse internamente de incrustaciones . Posteriormente, los tubos se limpiaban internamente intentando pasar una varilla articulada con un cepillo en el extremo. En el caso de los tubos curvos, a menudo solo se podía alcanzar una parte del tubo. Otro método consistía en pasar una cadena por el tubo desde arriba, arrastrando un cepillo detrás de ella, aunque esto no era viable para calderas como la Thornycroft, donde los tubos inicialmente se extendían horizontal o verticalmente. El método definitivo fue utilizar cepillos tipo bala que se disparaban de un tambor a otro mediante aire comprimido. Se utilizaban juegos de cepillos, uno para cada tubo, y se numeraban y contaban cuidadosamente después para asegurar que ninguno quedara obstruido. ^{[ 2 ]}

La mayoría de los diseños empleaban bajantes independientes , incluso después de que los experimentos de Yarrow demostraran que la circulación podía producirse únicamente entre los tubos calentados. La caldera del Almirantazgo (que prescindía de los bajantes) representó la culminación de este enfoque, al ubicar el sobrecalentador dentro del haz de tubos para favorecer la diferencia de temperatura necesaria.

La caldera Admiralty se considera generalmente una evolución directa de la Yarrow, aunque la White-Forster también influyó, probablemente debido a la gran cantidad de calderas en servicio en la Marina Real . Los tambores de agua circulares y su elevación sobre el fondo del horno son características propias de la White-Forster. La primera reduce el riesgo de formación de surcos , mientras que la segunda es adecuada para la combustión de petróleo.

La Du Temple fue una de las primeras calderas navales de tubos de agua , patentada en 1876. ^{[ 1 ]} Fue inventada por Félix du Temple en Francia y probada en un torpedero de la Marina Real . ^{[ 3 ]} Los tubos de agua eran convolutos, dispuestos en cuatro filas por bancada y en forma de S con curvas pronunciadas en ángulo recto. ^{[ 3 ]} Esto concentraba una gran superficie de calentamiento de tubos en un volumen pequeño, pero hacía que la limpieza de los tubos fuera poco práctica. Los tambores eran cilíndricos, con entrada de tubos perpendicular y bajantes externos entre ellos.

La caldera White-Forster era de construcción sencilla, con tubos que presentaban una ligera curvatura. Esto era suficiente para permitir su sustitución in situ, trabajando a través de la boca de inspección situada en el extremo del gran tambor de vapor. ^{[ 4 ]} Cada tubo tenía la curvatura suficiente para permitir su extracción a través del tambor de vapor, pero era lo suficientemente recto como para que se pudiera sustituir un solo tubo de un banco de tubos, sin necesidad de retirar los demás para facilitar el acceso. Esta era una de las muchas características de la White-Forster destinadas a garantizar su fiabilidad en el servicio naval y facilitar su mantenimiento. Estos tubos tenían un diámetro particularmente pequeño, de tan solo 2,5 cm (1 pulgada ) , y eran especialmente numerosos, llegando a utilizarse un total de 3744 en algunas calderas. ^{[ 4 ]} Los tubos estaban dispuestos en 24 filas por banco, cada una de las cuales requería una longitud de tubo diferente, y 78 filas por tambor. Todos los tubos tenían la misma curvatura, lo que facilitaba la reparación y la sustitución a bordo, pero requería que los orificios de los tubos en los tambores se escariaran a ángulos precisos en una plantilla durante la fabricación. Este pequeño diámetro de tubo proporcionaba una gran superficie de calentamiento, pero probablemente demasiada: la relación superficie/volumen se volvía excesiva y el flujo de gas a través de los haces de tubos se veía afectado, lo que le daba a los hornos de caldera cierta reputación como quemadores deficientes. ^{[ 4 ]} 

Se utilizaban bajantes, ya fueran los dos tubos grandes habituales o una disposición inusual pero característica de cuatro tubos pequeños de 10 cm (4 pulgadas) para cada tambor. Esta característica tenía como objetivo mejorar la capacidad de supervivencia tras sufrir daños, cuando se utilizaba a bordo de buques de guerra. La caldera podía seguir funcionando incluso con un tubo de bajante dañado taponado. 

Los tambores de lodo se elevaban sobre el suelo del horno mediante soportes de vigas de acero, aumentando así el volumen disponible para la combustión. Esta característica tenía como objetivo fomentar el uso de la combustión de petróleo, una innovación en los buques de guerra de la época. El aspecto general del horno White-Forster es similar al del modelo Admiralty posterior . Características como los tambores de lodo elevados y la forma de los tubos influyeron en su diseño. ^{[ 5 ]}

Las calderas White-Forster se introdujeron en la Royal Navy a partir de 1906, para cruceros ligeros y destructores de torpederos . ^{[ 5 ]}

La caldera Normand fue desarrollada por el astillero francés Normand de Le Havre . Fue utilizada por las armadas de varias naciones, especialmente las de Francia, Rusia, Gran Bretaña y Estados Unidos. En 1896, la Royal Navy las instaló en veintiséis barcos, más que cualquier otro diseño de caldera de tubos de agua. ^{[ 6 ]}

El diseño inicial de la caldera Normand fue una evolución de la Du Temple , con las esquinas afiladas de los tubos reemplazadas por una curva suave y redondeada, pero conservando aún la forma de S. ^{[ 7 ]}

El diseño de la Normand proporcionó una superficie de calentamiento (superficie de los tubos) particularmente grande en relación con la superficie de la parrilla. ^{[ 8 ]} El costo de esto fue un denso entramado de tubos, donde cada una de las numerosas filas de tubos se doblaba en una forma diferente y compleja. Los extremos de los tubos entraban en los tambores cilíndricos perpendicularmente, para un buen sellado. El espacio necesario para todos estos tubos llenaba toda la mitad inferior del tambor de vapor, lo que requería tanto un tambor grande como una cúpula de vapor separada desde la cual recoger el vapor seco. La carcasa externa de la caldera entraba en la toma de humos por un extremo, generalmente encerrando esta cúpula. Los extremos de los tambores se extendían fuera de la carcasa como cúpulas hemisféricas. Bajantes fríos fuera de la carcasa conectaban estos tambores, proporcionando una vía para la circulación de retorno del agua fría.

Un desarrollo posterior fue el Normand-Sigaudy , donde dos calderas Normand se acoplaban espalda con espalda, para su uso en grandes buques. ^{[ 9 ]} Esto efectivamente dio como resultado un Normand de doble extremo (como más tarde fue común con el Yarrow ) que podía encenderse desde ambos extremos.

La caldera Reed era utilizada por Palmers de Jarrow . Era similar a la Normand, con bajantes y tubos curvos que entraban perpendicularmente en tambores cilíndricos.

La caldera Thornycroft es una variante que divide el horno central habitual en dos. Tiene cuatro tambores: dos tambores principales dispuestos verticalmente en el centro (uno de vapor y otro de agua) y dos tambores laterales en los bordes exteriores del horno. El diseño se destacó por su uso temprano del horno de pared de agua . El banco exterior de tubos era poco profundo, compuesto por solo dos filas de tubos. Estas filas estaban muy juntas, de modo que los tubos formaban una pared sólida, sin flujo de gas entre ellos. El banco interior de tubos era similar: las dos filas de tubos más cercanas al horno formaban una pared de agua similar. Estos tubos estaban separados en su base para permitir el flujo de gas entre ellos. ^{[ 10 ]} Dentro del banco de tubos, el flujo de gas es mayormente paralelo a los tubos, similar a algunos diseños iniciales, pero contrario al diseño de flujo cruzado de las calderas de tres tambores posteriores. El gas de escape emergía en el espacio en forma de corazón debajo del tambor central superior, saliendo al embudo a través de la pared trasera. ^{[ 11 ]}

El tambor de vapor es circular, con entrada de tubos perpendicular. Los extremos de los tubos abarcan una circunferencia considerable del tambor, de modo que los tubos superiores entran por encima del nivel del agua. Por lo tanto, son tubos « no sumergidos ». ^{[ 10 ]}

Los tambores centrales superior e inferior están conectados por bajantes. Curiosamente, estos se encuentran dentro de la caldera y se calientan, aunque no intensamente, por los gases de escape. Están formados por varios (ocho o nueve) tubos verticales de 10 cm (4 pulgadas) en el eje central de la caldera. Tienen una ligera forma de S para proporcionar cierta flexibilidad frente a la dilatación térmica. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Los pequeños tambores laterales están conectados únicamente al tambor central inferior mediante grandes tuberías externas fuera de la carcasa trasera de la caldera. 

Debido a su uso temprano en el destructor HMS Daring construido por Thornycroft en 1893, este diseño se conoció como elCaldera 'atrevida' . ^{[ 11 ]}

También se produjo una versión pequeña de un solo lado de esta caldera para lanzamientos . ^{[ 11 ]} La primera versión pequeña de esta también prescindió del tambor lateral; los tubos de la pared de agua se doblaban en ángulo recto y volvían al tambor de agua central, formando además la parrilla para sostener el fuego. ^{[ 11 ]}

Caldera Thornycroft-Schulz

Diseños posteriores, como el modelo Thornycroft-Schulz , otorgaron mayor importancia a las alas exteriores. Se incrementó el número de tubos, de modo que se convirtieron en la mayor parte de la superficie de calentamiento y en la principal vía de salida de los gases de escape. Los tambores de las alas se hicieron lo suficientemente grandes como para permitir el acceso de un operario al interior, para limpiar y expandir nuevos tubos. ^{[ 11 ]}

El diseño anterior de caldera de tubos de agua de Thornycroft-Marshall utilizaba tubos de agua horizontales en forma de horquilla instalados en colectores seccionales. Tiene poca relación con los tipos descritos aquí. ^{[ 12 ]}

El diseño de la caldera Yarrow se caracteriza por el uso de tubos de agua rectos, sin bajantes. La circulación, tanto ascendente como descendente, se produce dentro de este mismo haz de tubos. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

Alfred Yarrow desarrolló su caldera como respuesta a otros diseños de calderas de tubos de agua y a su percepción en 1877 de que Yarrow & Co. se estaba quedando atrás con respecto a otros astilleros. ^{[ 16 ]} Sus ideas iniciales ya definían las características clave del diseño: una caldera de tres tambores con tubos rectos; sin embargo, se necesitaron diez años de investigación antes de que se suministrara la primera caldera para un torpedero en 1887. ^{[ 16 ]}

Evolución posterior en el diseño

bidones de agua

Los primeros depósitos de agua de Yarrow tenían forma de D con una placa tubular plana, para facilitar el montaje perpendicular de los tubos. La placa tubular se atornillaba al depósito y podía desmontarse para su mantenimiento y limpieza.

Esta forma de D no es ideal para un tambor de presión, ya que la presión tiende a deformarlo en una sección más circular. Esta flexión provocó fugas donde los tubos de agua entraban al tambor; un problema, denominado «wrapperitis», que también se presentó en la caldera White-Forster . ^{[ 5 ]} La experiencia con explosiones de calderas había demostrado que las esquinas internas afiladas dentro de las calderas también eran propensas a la erosión por ranurado . Las calderas posteriores utilizaron una sección más redondeada, aunque todavía asimétrica en lugar de completamente cilíndrica.

Descendientes

La circulación en una caldera Yarrow dependía de la diferencia de temperatura entre las filas de tubos interiores y exteriores de un banco, y particularmente 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 menor diferencia de temperatura y, por lo tanto, una circulación menos efectiva. ^{[ 14 ]} Algunas calderas posteriores y de mayor presión se equiparon con bajantes externos, fuera del área de la chimenea calentada. ^{[ 19 ]}

Sobrecalentadores

Cuando se adoptó el sobrecalentamiento , principalmente para su uso con turbinas de vapor después de 1900, las primeras calderas Yarrow colocaron su serpentín sobrecalentador fuera del banco de tubos principal. Los diseños posteriores se volvieron asimétricos, con el banco de tubos de un lado duplicado y un sobrecalentador de tubos en horquilla colocado entre ellos. ^{[ 20 ]}

La caldera Mumford era una variante fabricada por los caldereros Mumford de Colchester , destinada a embarcaciones más pequeñas. Los bancos de tubos se dividían en dos grupos, con los tubos cortos ligeramente curvados hacia afuera. La entrada al tambor de agua inferior era perpendicular, lo que requería un tambor casi rectangular con los tubos entrando por caras separadas. La debilidad mecánica de esta forma era aceptable en este tamaño reducido, pero limitaba el potencial de la caldera. La carcasa era pequeña y solo encerraba parte del tambor de vapor superior, que conducía directamente a una chimenea. Un único tubo descendente en forma de T invertida conectaba los tambores en la parte posterior de la caldera. ^{[ 22 ]}

El diseño Woolnough fue utilizado por Sentinel para sus locomotoras ferroviarias de mayor tamaño. Se asemejaba a la mayoría de los diseños de tres tambores, con tubos casi rectos. Su característica distintiva era una pared de ladrillo refractario a dos tercios de la longitud del horno. La parrilla del horno se ubicaba en el lado más largo de esta pared, y los gases de combustión salían a través del haz de tubos, recorrían el interior de una carcasa exterior de acero y luego regresaban al interior del haz de tubos más corto. Se colocaron sobrecalentadores de tubos en espiral en el flujo de gas fuera de los tubos. De esta manera, los gases de combustión pasaban dos veces a través del haz de tubos : una vez hacia afuera y otra hacia adentro. Una única chimenea central evacuaba los gases desde el centro del extremo más alejado, y no desde el exterior de los tubos como era habitual. La diferencia de temperatura relativa entre el paso de los gases a través de las dos secciones del haz generaba una corriente de circulación ascendente a través de la primera parte, más caliente, del haz, y descendente a través de la parte más alejada, menos caliente. La circulación también se controlaba mediante una placa de vertedero interna dentro del tambor de agua superior, para mantener una profundidad de agua por encima de los extremos de los tubos más calientes, evitando así el sobrecalentamiento de los tubos secos. ^{[ 23 ]}

Sentinel utilizó la caldera Woolnough en varias de sus locomotoras más grandes, en lugar de su habitual caldera vertical pequeña . ^{[ 24 ]} Estas incluían automotores para la LNER ^{[ 25 ]} y la LMS . ^{[ 26 ]} El uso más conocido de la Woolnough por parte de Sentinel fue para las locomotoras articuladas 'Colombian' . Estas eran una serie de cuatro locomotoras de vía métrica con disposición de ruedas Co-Co , construidas en 1934. ^{[ 27 ]} Funcionaban a la presión inusualmente alta de 550 psi (3,8 MPa) y cada eje era impulsado por un motor de vapor independiente , diseñado por Abner Doble . La primera fue suministrada a los Ferrocarriles Belgas , las tres siguientes fueron construidas para la Société National des Chemins de Fer en Colombe de Colombia , pero primero fueron enviadas a Bélgica para pruebas. La mayoría de las fotografías existentes de estas locomotoras fueron tomadas en Bélgica. Se sabe poco de su historia después de su llegada a Colombia.  

Un desarrollo posterior de la Yarrow fue la caldera de tres tambores del Almirantazgo , desarrollada para la Marina Real entre la Primera y la Segunda Guerra Mundial. ^{[ 2 ] [ 28 ]} Gran parte del trabajo de diseño se llevó a cabo en la Estación Experimental de Combustible del Almirantazgo ^{[ i ]} en Haslar y las primeras calderas se instalaron en tres de los destructores de la clase A  de 1927. ^{[ 29 ]} Estas calderas establecieron nuevas condiciones operativas estándar de la Marina Real para calderas de 300  psi (2,0 MPa) / 600 °F (316 °C) .  

El diseño era bastante similar a las versiones posteriores de alta presión y de combustión de petróleo de la caldera Yarrow. Los tambores de agua eran cilíndricos y a veces se utilizaban bajantes , pero no siempre. La única diferencia importante radicaba en los haces de tubos. En lugar de tubos rectos, cada tubo era mayormente recto, pero ligeramente curvado hacia sus extremos. Estos se instalaban en dos grupos dentro del haz, de modo que formaban un espacio entre ellos. Los sobrecalentadores se colocaban dentro de este espacio y se suspendían mediante ganchos del tambor de vapor. La ventaja de colocar los sobrecalentadores allí era que aumentaban la diferencia de temperatura entre los tubos interiores y exteriores del haz, favoreciendo así la circulación. En su forma desarrollada, la caldera tenía cuatro filas de tubos en el lado del horno del sobrecalentador y trece en el lado exterior. ^{[ 29 ]}

La única caldera de tres tambores de gran tamaño utilizada en una locomotora de ferrocarril fue la experimental Engine 10000 de Nigel Gresley de 1924 para la compañía LNER . ^{[ 31 ]} Habiendo observado los beneficios de las presiones más altas y los motores compuestos en la práctica marina , Gresley estaba deseoso de experimentar con este enfoque en una locomotora de ferrocarril . Al igual que con las calderas terrestres , Harold Yarrow estaba deseoso de expandir el mercado para la caldera de Yarrow.

La caldera no era del diseño habitual de Yarrow. En su funcionamiento, sobre todo en sus circuitos de circulación, se parecía más a otros diseños de tres tambores, como el Woolnough . También se la ha descrito como una evolución del hogar de tubos de agua Brotan-Deffner , con el hogar ampliado hasta convertirse en la caldera completa.

La presión de trabajo era de 450 libras por pulgada cuadrada (31 bares), en comparación con las 180 libras por pulgada cuadrada (12 bares) de las locomotoras Gresley A1 contemporáneas .  

La caldera se asemejaba a dos calderas marinas Yarrow alargadas , colocadas una tras otra. Ambas presentaban la disposición habitual de Yarrow: un gran tambor de vapor central sobre dos tambores de agua separados, conectados por cuatro filas de tubos ligeramente curvados. El tambor superior era compartido, pero los tambores de agua inferiores eran independientes. La zona trasera del hogar era ancha y abarcaba los bastidores , situando los tambores de agua en los límites del gálibo . La zona delantera de la caldera era estrecha, con sus tambores de agua ubicados entre los bastidores. Si bien las carcasas exteriores tenían un ancho similar, los haces de tubos de la sección delantera estaban mucho más juntos. El espacio exterior a los tubos formaba un par de conductos de escape que se dirigían hacia adelante. Un amplio espacio fuera de las paredes de estos conductos, pero dentro de la carcasa de la caldera, se utilizaba como conducto de aire desde la entrada de aire, una tosca ranura rectangular debajo de la puerta de la caja de humos, que tenía el efecto tanto de precalentar el aire de combustión como de enfriar la carcasa exterior para evitar el sobrecalentamiento. Los tubos sobrecalentadores longitudinales se ubicaban en el espacio central entre los tubos generadores de vapor. La tercera zona, situada delante, contenía los colectores del sobrecalentador, los reguladores y la caja de humos, pero no una superficie de calentamiento específica. La carcasa exterior de la caldera mantenía prácticamente el mismo ancho en toda su extensión, lo que le confería una apariencia triangular, aunque curvada. El borde inferior de cada sección se elevaba escalonadamente, algo que resultaba evidente desde el exterior.

La combustión se realizaba con carbón, en un solo extremo a través de una puerta de hogar simple de locomotora convencional , y con un solo fogonero manual. Debido a la combustión unilateral y al flujo de gas predominantemente longitudinal, en comparación con el flujo de gas normal a través de la bancada de la caldera Yarrow, existía una marcada diferencia de temperatura entre la parte delantera y trasera de la caldera. Esto provocó que las corrientes de circulación de agua, especialmente en la segunda sección, fueran longitudinales a través de los tambores de agua, como en la Woolnough, en lugar de la Yarrow habitual. La primera sección, que incluía algunos tubos de agua hasta la pared trasera, se calentaba por radiación y era, en la práctica, un horno de pared de agua, sin flujo de gas a través de la bancada de tubos. A pesar de ello, seguía utilizando cuatro filas de tubos. La segunda sección tenía su flujo de gas dispuesto mediante deflectores de acero y ladrillo refractario, de modo que los gases de combustión entraban por el centro y pasaban a través de las bancadas de tubos hacia los conductos laterales, lo que proporcionaba una mejor transferencia de calor por convección.