Caldeira Yarrow -Yarrow boiler

Caldeira Yarrow, com a chaminé e o invólucro exterior removidos

Caldeiras Yarrow são uma classe importante de alta pressão caldeiras com tubos de água . Eles foram desenvolvidos por Yarrow & Co. (Londres), construtores de navios e engenheiros e foram amplamente utilizados em navios, particularmente navios de guerra .

O design da caldeira Yarrow é característico da caldeira de três tambores : dois bancos de tubos de água retos são dispostos em uma fileira triangular com um único forno entre eles. Um único tambor de vapor é montado no topo entre eles, com tambores de água menores na base de cada banco. A circulação, tanto para cima quanto para baixo, ocorre dentro desse mesmo banco de tubos. As características distintivas do Yarrow eram o uso de tubos retos e também a circulação em ambas as direções ocorrendo dentro do banco de tubos, em vez de usar downcomers externos.

Caldeiras aquatubulares primitivas

O uso inicial da caldeira de tubos de água dentro da Marinha Real foi controverso às vezes, dando origem à ' Batalha das Caldeiras ' por volta de 1900. Essas primeiras caldeiras, como a Belleville e a Niclausse , eram projetos de tubos grandes, com simples tubos de cerca de 4" de diâmetro, em um ângulo raso em relação à horizontal. Esses tubos foram unidos em cabeçotes de ferro fundido e causaram muitos problemas com vazamentos nessas juntas. Na época, supunha-se que a expansão térmica nesses tubos retos estava forçando o Essas caldeiras também eram grandes e, embora montadas em muitos navios de guerra pré-dreadnought , não podiam ser instaladas nos pequenos torpedeiros e nos primeiros destróieres então em desenvolvimento muito ativo.

Para fornecer uma caldeira mais leve para embarcações menores, foram desenvolvidos os tipos 'Express' . Estes usavam tubos de água menores de cerca de 2" de diâmetro, dando uma maior proporção de área de aquecimento para volume (e peso). A maioria deles era do padrão de três tambores , particularmente dos projetos Du Temple e Normand . disposição vertical dos tubos de água, incentivando assim a circulação do termossifão nesses tubos estreitos. Os problemas anteriores de expansão dos tubos ainda eram uma preocupação teórica e, portanto, os tubos eram curvados ou mesmo enrolados em grampos e formas em S, para aumentar o aquecimento Na prática, essas formas deram origem a mais dois problemas práticos: dificuldade na limpeza dos tubos e também dificuldade em formar uma junta confiável nos tambores de água, particularmente onde os tubos entravam no tambor em vários ângulos.

Caldeira de tubos de água de Yarrow

Alfred Yarrow desenvolveu sua caldeira como resposta a outros que já haviam desenvolvido caldeiras aquatubulares . Este foi um longo processo baseado em experimentos teóricos e não na evolução de caldeiras práticas. O trabalho começou em 1877 e a primeira caldeira comercial só foi fornecida 10 anos depois, um torpedeiro de 1887.

Apesar dessa longa gestação, as origens da caldeira parecem ter sido mais diretas. A conversa inicial de Yarrow com William Crush, chefe do departamento de caldeiras, incluiu uma abordagem bastante direta e as declarações de Yarrow: "Devemos acordar sobre caldeiras de tubos de água", "Por que não uma caldeira como essa?" (colocando os dedos juntos como se estivesse rezando) e "Tubos retos?" já expressou dois dos três princípios básicos de design da caldeira.

Tubos retos

Os primeiros projetistas de tubos de água estavam preocupados com a expansão dos tubos da caldeira quando aquecidos. Esforços foram feitos para permitir que eles se expandissem livremente, particularmente para que os mais próximos do forno pudessem se expandir relativamente mais do que os mais distantes. Normalmente, isso era feito organizando os tubos em grandes curvas de loop, como na caldeira Thornycroft . Estes apresentavam dificuldades na fabricação e necessitavam de suporte no uso.

Yarrow reconheceu que a temperatura de um tubo cheio de água era mantida relativamente baixa e consistente entre eles, desde que permanecessem cheios de água e a ebulição não fosse permitida dentro dos próprios tubos. As altas temperaturas e variações só surgiram quando os tubos ficaram cheios de vapor, o que também interrompeu a circulação.

Sua conclusão foi, portanto, que tubos de água retos eram aceitáveis ​​e tinham vantagens óbvias para fabricação e limpeza em serviço.

A obtenção de tubos capazes de suportar as crescentes pressões da caldeira era difícil e a maioria dos fabricantes já havia experimentado problemas com as soldas nos tubos. Um benefício menos óbvio dos tubos retos era que eles poderiam fazer uso dos tubos sem costura recém-desenvolvidos que estão sendo produzidos para a fabricação de bicicletas .

Experiências de circulação de Yarrow

Experiência de circulação de tubo em U de Yarrow

Limpando uma caldeira Yarrow

Já era reconhecido que uma caldeira de tubos de água dependia de um fluxo contínuo através dos tubos de água, e que isso deveria ser por um efeito termossifão em vez de exigir uma bomba de maneira impraticável.

Os tubos de água aquecidos eram um grande número de tubos de pequeno diâmetro montados entre grandes tambores: os tambores de água abaixo e os tambores de vapor acima. Os estudos de Fairbairn já haviam mostrado a importância do diâmetro do tubo e como os tubos de pequeno diâmetro podiam facilmente suportar pressões muito mais altas do que os de grande diâmetro. Os tambores podiam suportar a pressão em virtude de sua construção robusta. Os bueiros instalados neles permitiam uma inspeção interna regular.

A suposição era que o fluxo através dos tubos de água seria ascendente, devido ao seu aquecimento pelo forno, e que o fluxo descendente contrabalançado exigiria descendentes externos não aquecidos . Na maioria dos projetos de tubos de água, estes eram alguns tubos externos de grande diâmetro do tambor de vapor para o tambor de água. Esses tubos de grande diâmetro eram, portanto, um problema de confiabilidade devido à sua rigidez e às forças sobre eles.

Alfred Yarrow conduziu um experimento famoso em que refutou essa suposição. As fontes não estão claras se ele descobriu isso durante o experimento ou conduziu o experimento apenas para demonstrar uma teoria que ele já mantinha.

Um tubo vertical em forma de U foi disposto de modo que pudesse ser aquecido por uma série de bicos de Bunsen de cada lado. Um medidor de vazão simples indicava a direção e a força aproximada de qualquer vazão através do tanque no topo ligando os dois braços do U.

Quando apenas um lado do U foi aquecido, houve o esperado fluxo ascendente de água aquecida naquele braço do tubo.

Quando o calor também foi aplicado ao braço não aquecido, a teoria convencional previa que o fluxo circulatório diminuiria ou pararia completamente. Na prática, o fluxo realmente aumentou . Desde que houvesse alguma assimetria no aquecimento, o experimento de Yarrow mostrou que a circulação poderia continuar e o aquecimento do downcomer mais frio poderia até aumentar esse fluxo.

Yarrow então repetiu o experimento, primeiro com o tubo em U em um ângulo raso com a horizontal, finalmente com todo o sistema sob pressão. Os resultados foram os mesmos e a circulação foi mantida.

A caldeira Yarrow poderia assim dispensar downcomers externos separados. O fluxo estava inteiramente dentro dos tubos de água aquecidos, para cima dentro daqueles mais próximos da fornalha e para baixo através daqueles nas fileiras externas do banco.

Descrição

Meia seção final de uma caldeira, mostrando a fornalha e a chaminé

A caldeira de produção da Yarrow tinha um design simples e distinto que permaneceu praticamente inalterado depois. Três tambores foram dispostos em uma formação triangular: um único grande tambor de vapor no topo e dois tambores de água menores abaixo. Eles foram ligados por tubos de água retos em um banco de várias linhas a cada tambor de água.

O forno foi colocado no espaço entre os bancos de tubos. As primeiras caldeiras eram a carvão manualmente, depois a óleo. A caldeira foi fechada em um invólucro selado de aço, revestido com tijolos refratários. As paredes das extremidades revestidas de tijolos para esta caixa abrigavam as portas corta -fogo ou os queimadores de óleo, mas não tinham superfície de aquecimento. A chaminé de captação da caldeira estava na parte superior central da carcaça, os gases de exaustão passando ao redor do tambor de vapor. Para reduzir a corrosão dos gases de combustão sobre o tambor, às vezes ele era envolto em uma simples cobertura defletora. Normalmente, a parte inferior dos tambores de água ficava exposta fora do invólucro, mas apenas as extremidades do tambor de vapor emergiam. O nível da água estava em torno de um terço do diâmetro do tambor de vapor, o suficiente para cobrir as extremidades dos tubos de água submersos.

O peso da caldeira repousava sobre os tambores de água e, portanto, sobre os suportes do convés do plano de cozedura. O tambor de vapor era suportado apenas pelos tubos de água e podia se mover livremente, com expansão térmica. Se superaquecido, os elementos do superaquecedor foram pendurados neste tambor. Em comparação com as caldeiras Scotch e locomotivas anteriores, as caldeiras aquatubulares com seus volumes de água reduzidos eram consideradas leves e não exigiam suportes extensivos.

Evolução posterior no design

Tambores de água

Caldeira Yarrow precoce, mostrando os bebedouros em forma de D

Os primeiros tambores de água Yarrow ou "calhas" eram em forma de D com uma placa de tubo plana, de modo a facilitar a montagem dos tubos. A placa do tubo foi aparafusada à calha e pode ser desmontada para manutenção e limpeza do tubo.

Esta forma D não é ideal para um tambor de pressão, pois a pressão tenderá a distorcê-lo em uma seção mais circular. A experiência de explosões de caldeiras mostrou que cantos internos afiados dentro de caldeiras também eram propensos à erosão por ranhuras.

Caldeiras posteriores usavam uma seção mais arredondada, apesar da dificuldade de inserir e vedar as extremidades dos tubos quando não eram mais perpendiculares. Esses tambores posteriores tinham um bueiro nas extremidades para acesso.

Downcomers

A circulação em uma caldeira Yarrow dependia de uma diferença de temperatura entre as fileiras de tubos internos e externos de um banco e, particularmente, das taxas de ebulição. Embora isso seja fácil de manter em baixas potências, uma caldeira Yarrow de pressão mais alta tenderá a ter menos diferença de temperatura e, portanto, terá uma circulação menos eficaz. Este efeito pode ser contrariado através do fornecimento de downcomers externos, fora da área da chaminé aquecida.

Embora a maioria das caldeiras Yarrow não exigisse downcomers, algumas foram equipadas com eles.

Caldeiras duplas

A primeira caldeira dupla foi construída em 1905 para o governo espanhol. O projeto já era adequado para ser acionado de ambas as extremidades e descobriu-se que as caldeiras de extremidade dupla eram um pouco mais eficientes no uso.

O estaleiro de Yarrow sempre foi restrito no tamanho dos navios que poderia construir. Muitas de suas caldeiras foram destinadas a navios de guerra maiores e a Yarrow forneceu-as como componentes para os estaleiros de construção com rampas maiores.

Superaquecedores

Caldeira Yarrow assimétrica de 'fluxo duplo', com superaquecedor

As primeiras caldeiras Yarrow não eram superaquecidas, mas com a introdução de turbinas a vapor , havia uma demanda por temperaturas de vapor cada vez mais altas.

Caldeiras assimétricas

O superaquecedor Yarrow consistia em tubos hairpin, paralelos aos tubos geradores de vapor existentes. Um banco dos tubos do gerador foi separado em dois, com tambores de água inferiores individuais para eles. O superaquecedor foi colocado no espaço formado entre estes, com ambas as extremidades de seus tubos conectadas a um único tambor coletor do superaquecedor e um defletor interno para separar o vapor úmido e seco.

Um efeito secundário do superaquecedor foi aumentar o diferencial de temperatura entre os tubos internos e externos do banco, favorecendo a circulação. Os dois tambores de água eram frequentemente ligados por downcomers não aquecidos, para permitir esse fluxo entre os tambores. Este efeito foi mais tarde incentivado na caldeira do Almirantado , onde os tubos de um banco foram curvados para deixar espaço para um superaquecedor, mantendo o único tambor de água.

Fluxo controlado

Apenas um único superaquecedor foi instalado, em apenas um lado da caldeira. As caldeiras mais simples e menores moviam sua chaminé de exaustão para este lado, passando toda a exaustão pelo banco com o superaquecedor. A caldeira agora assimétrica poderia passar todo o seu gás de exaustão através do lado superaquecido como o tipo de fluxo único. O outro banco permaneceu em uso para aquecimento puramente radiativo, muitas vezes com menos fileiras de tubos.

Alternativamente, a caldeira de 'fluxo duplo' retinha o fluxo total de gás em ambos os lados, embora apenas um deles continha um superaquecedor. Um defletor controlável no lado não superaquecido pode ser fechado para aumentar o fluxo através do superaquecedor. Essas caldeiras geralmente incorporavam aquecedores de água de alimentação adicionais na corrente ascendente acima desses defletores.

Caldeira de três tambores do Almirantado

Um desenvolvimento posterior do Yarrow foi a caldeira de três tambores do Almirantado , desenvolvida para a Marinha Real entre as guerras.

Isso foi amplamente semelhante às versões posteriores, de alta pressão e a óleo, do Yarrow. Os tambores de água eram cilíndricos e os downcomers às vezes, mas nem sempre, eram usados. A única grande diferença estava nos bancos de tubos. Em vez de tubos retos, cada tubo era principalmente reto, mas dobrado em direção às extremidades. Estes foram instalados em dois grupos dentro do banco, de modo que formassem uma lacuna entre eles dentro do banco. Superaquecedores foram colocados dentro dessa lacuna. A vantagem de colocar os superaquecedores aqui era que eles aumentavam o diferencial de temperatura entre os tubos interno e externo do banco, favorecendo a circulação.

Uso marítimo

Grupo triplo de caldeiras para um encouraçado chileno

HMS  Hornet  (1893) , um destróier da classe Havock . HMS  Havock  (1893) , o navio líder da classe, foi construído com a forma então atual de caldeira de locomotiva , Hornet com uma caldeira Yarrow para comparação.

As primeiras caldeiras Yarrow destinavam-se a pequenos contratorpedeiros e ocupavam toda a largura do casco. Nas primeiras aulas, eram utilizadas três caldeiras dispostas em tandem, cada uma com um funil separado . Os conjuntos posteriores fornecidos para navios capitais usavam várias caldeiras e muitas vezes eram agrupados em conjuntos de três, compartilhando uma absorção.

Caldeiras terrestres

Em 1922, Harold Yarrow decidiu explorar o boom crescente da geração de eletricidade como um mercado para a Yarrows construir caldeiras terrestres. As primeiras caldeiras, em Dunston Power Station e Brighton , eram do mesmo padrão marítimo. Quanto ao seu sucesso naval, eles eram reconhecidos por terem uma grande área de aquecimento radiante e serem rápidos em levantar vapor.

Grandes turbinas terrestres exigiam alta eficiência e aumento do superaquecimento , de modo que o padrão marítimo foi revisado para a distinta caldeira Yarrow baseada em terra. Isso se tornou assimétrico. Uma asa foi ampliada e recebeu a maior parte do fluxo de gás. Os bancos de tubos internos permaneceram e receberam calor radiante do forno, mas os gases então fluíram através de um deles, sobre um banco de superaquecedores, depois através de um terceiro banco adicional para aumentar o calor extraído.

As pressões de trabalho também aumentaram. De uma pressão de trabalho de 575 psi em 1927, em 1929 uma caldeira experimental foi operada a 1.200 psi.

Motor 10000

Apenas uma caldeira "Yarrow" foi usada em uma locomotiva ferroviária, a experimental Engine 10000 de Nigel Gresley de 1924 para a empresa LNER . Tendo observado os benefícios de pressões mais altas e motores compostos na prática marítima , Gresley estava ansioso para experimentar essa abordagem em uma locomotiva ferroviária . Tal como acontece com as caldeiras terrestres , Harold Yarrow estava interessado em expandir o mercado para a caldeira Yarrow.

A caldeira não era o projeto Yarrow usual. Em operação, particularmente em seus caminhos de circulação, a caldeira tinha mais em comum com outros projetos de três tambores, como o Woolnough . Também foi descrito como uma evolução da fornalha de tubo de água Brotan-Deffner , com a fornalha estendida para se tornar a caldeira inteira.

Referências