Yarrow kjele - Yarrow boiler

Ryllikkjeler er en viktig klasse høytrykksvannrørkjeler . De ble utviklet av Yarrow & Co. (London), Shipbuilders and Engineers og ble mye brukt på skip, spesielt krigsskip .

Yarrow-kjelens design er karakteristisk for tretrommelskjelen : to rekker med rette vannrør er anordnet i en trekantet rad med en enkelt ovn mellom dem. En enkelt damptrommel er montert på toppen mellom dem, med mindre vanndromler ved bunnen av hver bank. Sirkulasjon, både oppover og nedover, skjer innenfor samme rørbank. Yarrows karakteristiske trekk var bruken av rette rør og også sirkulasjon i begge retninger som fant sted i rørbanken, i stedet for å bruke eksterne fallrør.

Tidlige vannrørskjeler

Tidlig bruk av vannrørskjelen i Royal Navy var kontroversiell til tider, og ga opphav til ' Slaget ved kjelene ' rundt 1900. Disse første kjelene, som Belleville og Niclausse , var design med store rør, med enkle rette rør på rundt 4" diameter, i en grunn vinkel til horisontalen. Disse rørene ble skjøtet til støpejernshoder og ga mye problemer med lekkasje ved disse skjøtene. På den tiden var en antakelse at termisk ekspansjon i disse rette rørene belastet Disse kjelene var også store, og selv om de var montert på mange slagskip før dreadnought , kunne de ikke monteres på de små torpedobåtene og de tidlige destroyerne som da var under veldig aktiv utvikling.

For å gi en lettere kjele for mindre fartøyer ble 'Express'- typene utviklet. Disse brukte mindre vannrør med en diameter på rundt 2 tommer, noe som ga et større forhold mellom oppvarmingsareal og volum (og vekt). De fleste av disse var av tretromsmønsteret , spesielt Du Temple og Normand - designene. Dette ga en mer vertikalt arrangement av vannrørene, og dermed oppmuntret termosifonsirkulasjon i disse smale rørene. De tidligere problemene med rørekspansjon var fortsatt et teoretisk problem, og derfor var rørene enten buede, eller til og med viklet inn til hårnåler og S-former, for å øke oppvarmingen I praksis ga disse formene opphav til ytterligere to praktiske problemer: vanskeligheter med å rengjøre rørene og også vanskeligheter med å danne en pålitelig skjøt inn i vanntrommelene, spesielt der rør kom inn i trommelen i forskjellige vinkler.

Yarrows vannrørkjele

Alfred Yarrow utviklet kjelen sin som et svar på andre som allerede hadde utviklet vannrørskjeler . Dette var en lang prosess basert på teoretisk eksperiment snarere enn utvikling av praktiske kjeler. Arbeidet begynte i 1877 og den første kommersielle kjelen ble ikke levert før 10 år senere, en torpedobåt fra 1887.

Til tross for denne lange svangerskapet ser det ut til at kjelens opprinnelse har vært mest direkte. Yarrows første samtale med William Crush, leder for kjeleavdelingen, er registrert å ha inkludert en ganske direkte tilnærming og Yarrows uttalelser, "Vi må våkne opp om vannrørskjeler", "Hvorfor ikke en kjele som dette?" (plasserer fingrene sammen som om han ber), og "Rete rør?" allerede uttrykt to av kjelens tre grunnleggende designprinsipper.

Rette rør

Tidlige designere av vannrør hadde vært opptatt av utvidelsen av kjelens rør når de ble oppvarmet. Det ble gjort anstrengelser for å la dem ekspandere fritt, spesielt slik at de som var nærmest ovnen kunne utvide seg relativt mer enn de lenger unna. Vanligvis ble dette gjort ved å arrangere rørene i store sløyfekurver, som for Thornycroft-kjelen . Disse hadde vanskeligheter med å produsere og krevde støtte under bruk.

Yarrow erkjente at temperaturen til et vannfylt rør ble holdt relativt lavt og var konsistent blant dem, forutsatt at de forble fulle av vann og koking ikke fikk skje i selve rørene. Høye temperaturer og variasjoner oppsto først når rørene ble dampfylt, noe som også forstyrret sirkulasjonen.

Hans konklusjon var dermed at rette vannrør var akseptable, og hadde åpenbare fordeler for produksjon og rengjøring i bruk.

Det var vanskelig å skaffe rør som var i stand til å motstå det økende kjeletrykket, og de fleste produsenter hadde allerede opplevd problemer med sveisene i rørene. En mindre åpenbar fordel med rette rør var at de kunne benytte seg av de nyutviklede sømløst trukket rørene som nå produseres for sykkelproduksjon .

Yarrows sirkulasjonseksperimenter

Det var allerede erkjent at en vannrørskjele var avhengig av en kontinuerlig strømning gjennom vannrørene, og at dette må være av en termosyfoneffekt i stedet for å kreve en pumpe upraktisk.

De oppvarmede vannrørene var et stort antall rør med liten diameter montert mellom store tromler: vanndromlene under og damptromlene over. Fairbairns studier hadde allerede vist viktigheten av rørdiameter og hvordan rør med liten diameter lett kunne tåle langt høyere trykk enn store diametre. Trommene kunne tåle trykket i kraft av sin robuste konstruksjon. Kummer montert på dem tillot regelmessig intern inspeksjon.

Antakelsen var at strømningen gjennom vannrørene ville være oppadgående, på grunn av deres oppvarming av ovnen, og at den motbalanserende nedadgående strømningen ville kreve eksterne uoppvarmede fallrør . I de fleste vannrørdesign var dette noen få eksterne rør med stor diameter fra damptrommelen til vannertrommelen. Disse rørene med stor diameter var derfor et problem for påliteligheten på grunn av deres stivhet og kreftene på dem.

Alfred Yarrow gjennomførte et kjent eksperiment der han motbeviste denne antagelsen. Kilder er uklare om han oppdaget dette under eksperimentet, eller utførte eksperimentet bare for å demonstrere en teori som han allerede hadde.

Et vertikalt U-formet rør ble arrangert slik at det kunne varmes opp av en serie bunsenbrennere på hver side. En enkel strømningsmåler indikerte retningen og den omtrentlige styrken til enhver strømning gjennom tanken på toppen som forbinder de to armene til U.

Når bare den ene siden av U-en ble oppvarmet, var det forventet oppadgående strøm av oppvarmet vann i den armen av røret.

Når varme også ble påført den uoppvarmede armen, spådde konvensjonell teori at sirkulasjonsstrømmen ville bremse eller stoppe helt. I praksis økte faktisk flyten . Forutsatt at det var en viss asymmetri til oppvarmingen, viste Yarrows eksperiment at sirkulasjonen kunne fortsette og oppvarming av det kjøligere fallrøret til og med kunne øke denne strømmen.

Ryllik gjentok deretter forsøket, først med U-røret i en grunn vinkel til horisontalen, til slutt med hele systemet under trykk. Resultatene var de samme og sirkulasjonen ble opprettholdt.

Yarrow-kjelen kunne dermed unnvære separate eksterne fallrør. Strømningen var helt innenfor de oppvarmede vannrørene, oppover innenfor de som var nærmest ovnen og nedover gjennom de i de ytre rekkene av banken.

Beskrivelse

Yarrows produksjonskjele hadde en enkel og særegen design som forble stort sett uendret etterpå. Tre tromler ble arrangert i en trekantet formasjon: en enkelt stor damptrommel på toppen og to mindre vanndromler under. De var koblet med rette vannrør i en bank med flere rader til hver vannetrommel.

Ovnen ble plassert i rommet mellom rørbankene. Tidlige kjeler ble manuelt kullfyrt, senere oljefyrt. Kjelen var innelukket i et forseglet hus av stål, foret med ildstein. Mursteinsbelagte endevegger til dette huset inneholdt branndørene eller oljebrennerkjerne, men hadde ingen varmeoverflate. Opptaksrøret fra kjelen var i sentertoppen av foringsrøret, avgassene passerte rundt damptrommelen. For å redusere korrosjon fra røykgasser over trommelen, ble den noen ganger pakket inn i et enkelt deflektordeksel. Vanligvis var den nedre delen av vannskålene eksponert utenfor foringsrøret, men bare endene av damptrommelen kom ut. Vannstanden var på rundt en tredjedel av damptrommelens diameter, nok til å dekke endene av de nedsenkede vannrørene.

Vekten av kjelen hvilte på vannskålene, og dermed på støtter fra fyringsleilighetens dekk. Damptrommelen ble bare støttet av vannrørene og fikk bevege seg fritt, med termisk ekspansjon. Hvis de ble overhetet, ble overhetingselementene hengt fra denne trommelen. Sammenlignet med de tidligere skotske og lokomotivkjeler, ble vannrørskjeler med sine reduserte vannvolumer ansett som lette og krevde ikke omfattende støtte.

Senere utvikling innen design

Vannfat

De første Yarrow-vanntrommene eller "troughene" var D-formet med en flat rørplate, for å gi en enkel montering av rørene. Rørplaten ble boltet til trauet og kunne demonteres for vedlikehold og rørrensing.

Denne D-formen er imidlertid ikke ideell for en trykktrommel, da trykket vil ha en tendens til å forvrenge den til en mer sirkulær seksjon. Erfaring med kjeleeksplosjoner hadde vist at skarpe indre hjørner inne i kjeler også var utsatt for erosjon ved riller.

Senere kjeler brukte en mer avrundet seksjon, til tross for vanskeligheten med å sette inn og forsegle rørendene når de ikke lenger var vinkelrette. Disse senere tromlene hadde et kum i endene for tilgang.

Downcomers

Sirkulasjonen i en Yarrow-kjele var avhengig av temperaturforskjellen mellom de indre og ytre rørrekker i en bank, og spesielt av kokehastigheten. Selv om dette er lett å vedlikeholde ved lav effekt, vil en Yarrow-kjele med høyere trykk ha en tendens til å ha mindre temperaturforskjell og dermed ha mindre effektiv sirkulasjon. Denne effekten kan motvirkes ved å tilveiebringe eksterne fallrør, utenfor det oppvarmede røykrørområdet.

Selv om de fleste Yarrow-kjeler ikke krevde fallrør, var noen utstyrt med dem.

Dobbelende kjeler

Den første doble kjelen ble bygget i 1905 for den spanske regjeringen. Designet var allerede godt egnet til å fyres fra begge ender, og det ble oppdaget at doble kjeler var litt mer effektive i bruk.

Yarrows verft var alltid begrenset i størrelsen på skip som det kunne bygge. Mange av kjelene deres var beregnet på større krigsskip, og Yarrow leverte disse som komponenter til bygningsverftene med større slipp.

Overhetere

Tidlige Yarrow-kjeler ble ikke overopphetet, men med introduksjonen av dampturbiner ble det etterspørsel etter stadig høyere damptemperaturer.

Asymmetriske kjeler

Yarrow-overheteren besto av hårnålsrør, parallelt med de eksisterende dampgeneratorrørene. En rekke av generatorrørene ble delt i to, med individuelle nedre vanndromler for dem. Overheteren ble plassert i gapet som ble dannet mellom disse, med begge ender av rørene koblet til en enkelt overhetingshodetrommel, og en intern ledeplate for å skille våt og tørr damp.

En sekundær effekt av overheteren var å øke temperaturforskjellen mellom indre og ytre rør i banken, og dermed oppmuntre sirkulasjonen. De to vannfatene var ofte forbundet med uoppvarmede fallrør, for å tillate denne flyten mellom fatene. Denne effekten ble senere oppmuntret i Admiralty-kjelen , der rørene til en bank ble buet fra hverandre for å gi plass til en overheter, mens den enkelt vannetrommelen ble beholdt.

Kontrollert flyt

Bare en enkelt overheter ble installert på bare den ene siden av kjelen. De enkleste og minste kjelene flyttet avtrekksrøret til denne siden, og førte hele eksosen gjennom banken med overheteren. Den nå asymmetriske kjelen kunne føre all avgass gjennom den overopphetede siden som enkeltstrømstype. Den andre bredden forble i bruk for ren strålevarme, ofte med færre rader med rør.

Alternativt beholdt 'dobbelstrøms'-kjelen full gasstrøm gjennom begge sider, selv om bare en av disse inneholdt en overheter. En kontrollerbar ledeplate på den ikke-overopphetede siden kan lukkes for å øke strømningen gjennom overheteren. Disse kjelene inkorporerte vanligvis ekstra matvannsvarmere i opptrekket over disse ledeplatene.

Admiralitets tretrommelskjele

En senere utvikling fra Yarrow var Admiralty tretrommelskjelen , utviklet for Royal Navy mellom krigene.

Dette var stort sett lik senere, høytrykks- og oljefyrte versjoner av Yarrow. Vanntrommene var sylindriske og fallrør ble noen ganger, men ikke alltid, brukt. Den eneste store forskjellen var i rørbankene. I stedet for rette rør, var hvert rør stort sett rett, men sveivet mot endene. Disse ble installert i to grupper innad i banken, slik at de dannet et gap mellom dem innad i banken. Overhetere ble plassert inne i dette gapet. Fordelen med å plassere overheterne her var at de økte temperaturforskjellen mellom de indre og ytre rørene i banken, og dermed oppmuntret sirkulasjonen.

Marin bruk

HMS  Hornet  (1893) , en ødelegger av Havock-klassen . HMS  Havock  (1893) , hovedskipet i klassen, ble bygget med den da nåværende formen for lokomotivkjele , Hornet med en Yarrow-kjele til sammenligning.

De første Yarrow-kjelene var beregnet på små destroyere og fylte hele skrogets bredde. I de tidlige klassene ble det brukt tre kjeler arrangert i tandem, hver med en egen trakt . De senere settene som ble levert til kapitalskip brukte flere kjeler, og disse ble ofte gruppert i sett på tre, og delte et opptak.

Landbaserte kjeler

I 1922 bestemte Harold Yarrow seg for å utnytte den økende boomen for elektrisitetsproduksjon som et marked for Yarrows for å bygge landbaserte kjeler. De første kjelene, ved Dunston Power Station og Brighton , var av samme marine mønster. Når det gjelder deres marinesuksess, ble de anerkjent for å ha et stort strålevarmeområde og være raske til å få opp dampen.

Store landbaserte turbiner krevde høy effektivitet og økt overheting , så det marine mønsteret ble revidert til den karakteristiske landbaserte Yarrow-kjelen. Dette ble asymmetrisk. Den ene vingen ble forstørret og tok imot det meste av gasstrømmen. De indre rørbankene ble værende og mottok strålevarme fra ovnen, men gassene strømmet deretter gjennom en av dem, over en overhetingsbank, deretter gjennom en ekstra tredje bank for å øke varmen som ble ekstrahert.

Arbeidspresset økte også. Fra et arbeidstrykk på 575 psi i 1927, i 1929 ble en eksperimentell kjele drevet på 1200 psi.

Motor 10000

Bare én "Yarrow"-kjele ble brukt i et jernbanelokomotiv, Nigel Gresleys eksperimentelle Engine 10000 fra 1924 for LNER - selskapet. Etter å ha observert fordelene med høyere trykk og sammensatte motorer i marin praksis , var Gresley opptatt av å eksperimentere med denne tilnærmingen i et jernbanelokomotiv . Som med de landbaserte kjelene , var Harold Yarrow opptatt av å utvide markedet for Yarrows kjele.

Kjelen var ikke den vanlige Yarrow-designen. I drift, spesielt dens sirkulasjonsveier, hadde kjelen mer til felles med andre tre-trommels design som Woolnough . Det har også blitt beskrevet som en utvikling av Brotan-Deffner vannrørbrennkammer , med brennkammeret utvidet til å bli hele kjelen.

Referanser