28-01-2009
[size=14pt]El Vapor y los avances tecnológicos durante los siglos XIX y XX[/size]
Los siglos XIX y XX dan el impulso definitivo a la construcción naval al ir apareciendo nuevos inventos y tecnologías, el vapor, la electricidad, las paletas, la hélice, la construcción de buques de acero y los nuevos sistemas de gobierno y navegación entre otras nuevas aplicaciones que se dan a los nuevos barcos hace de éstos cada vez más seguros y resistentes pero aún deberán pasar muchos años para que esa seguridad sea un hecho y mientras tanto los accidentes marítimos se suceden en cantidades importantes todos los años y entre ellos los incendios de los que se empieza a tener cada vez mayor constancia a partir del siglo XIX gracias a los registros de las casas aseguradoras que ya investigan todos los accidentes marítimos para conocer las causas y sacar conclusiones y a partir de ellas hacer que la seguridad a bordo sea cada vez mejor.
Vamos a citar una serie de avances técnicos y descubrimientos que con el tiempo fueron aplicados a los barcos. Alguno de ellos es conocido desde tiempos antiguos como las bombas de noria o de émbolo, otros más modernos como el vapor y aunque se experimentó en su día con ellos solo a partir de finales del XVIII y comienzos del XIX empiezan a ser una realidad
Vamos pues a comentar sobre esos descubrimientos y avances.
La propulsión a Vapor
Transcurría 1543 (siglo XVI) cuando al parecer un español que era capitán y de nombre Blasco Garay realizó el 17 de junio los primeros ensayos sobre un buque de paletas en el que había una máquina en la que había una caldera hirviendo. El nombre del buque era Trinidad de 200 tns. de desplazamiento y al parecer consiguió navegar 2 leguas.
La comisión nombrada por el emperador Carlos I encargada de evaluar aquel por entonces extraño buque dentro de la cual se encontraba el tesorero Rávago (personaje que más se opuso a la financiación del proyecto) se opuso y Rávago comento al respecto que el buque solo desarrollaba media legua por hora que la máquina era excesivamente costosa y que había un riesgo serio de que la caldera explotase.
Blasco de Garay fue indemnizado por los gastos que hizo y lo que podía haber sido el inicio de la navegación a vapor se pospuso y ningún país se planteó en serio la navegación a vapor hasta más de dos siglos después.
A comienzos del siglo XVIII hay varios científicos y técnicos que ven en la propulsión a vapor el medio de mover los buques en el futuro y varios de ellos trabajan sobre el tema Papin en 1707Hull 1737, Henry 1763, Jouffroy en 1783 Fich 1790 y Samuel Morey entre otros muchos ponen en práctica sus inventos pero la falta de apoyos económicos para tan costosos experimentos hace que muchos de ellos desistan. En realidad y salvo esos defensores del nuevo medio de propulsión nadie confía en que el vapor sea capaz de mover un gran buque a través de un océano. Por si fuera poco el uso del fuego y del vapor crea grandes recelos sobre la seguridad del buque porque se teme que pueda haber incendios o explosiones. Los aseguradores tampoco parecen tener claro que el buque de vapor sea lo suficientemente seguro. Con todo algunos de esos pioneros siguen adelante en su empeño y consiguen hacer realidad el sueño de una navegación a vapor
Por fin es el marques de Jouffroy quien en 1783 hace que el primer buque de vapor sea una realidad.
A continuación un dibujo del Pyroscape de Joufroy
Tras Jouffroy es John Fich quien hace navegar su barco un tanto extraño pues el medio de propulsión son una docena de remos por banda que son propulsados por un complejo sistema de ruedas empujadas por una máquina de vapor
Un dibujo del extraño buque de John Fich
Es sin embargo Robert Fulton quien construye un verdadero barco de vapor capaz de realizar un servicio regular entre Nueva York y Albano el Clermont que así se llamaba fue construido en 1807 en Corlear´s Hook (Nueva York), la máquina fue construida en Boulton & Watt, Birmingham (Inglaterra) y además de la máquina de vapor disponía de dos palos con una vela cuadra en el mayor y una cangreja en el mesana, el Clermonto podía transportar a 140 pasajeros
En el dibujo el Clermont de Robert Fulton
Las máquinas de vapor
Es evidente que esos buques de vapor debían ser movidos por una máquina y que esa máquina debía ser movida a su vez por vapor.
Hubo muchas dificultades al inicio de la fabricación de las máquinas de vapor y todas relacionadas con el mecanizado de la máquina y el rectificado de los cilindros pero fueron solventadas progresivamente, los trabajos de fundición y forja eran esenciales por entonces y el trabajo de los mecánicos era más de artesanía que otra cosa las soldaduras se hacían calentando las partes a unir y añadiendo metal fundido en las uniones, a veces bastaba con llevar hasta el punto de fusión los extremos y dar unos golpes con un martillo para que se unieran de un modo aceptable aunque menos sólido dos piezas.
Thomas Newcomen idea en 1705 una máquina de tipo atmosférico de funcionamiento muy sencillo se trata de meter en la parte baja de un cilindro vertical vapor a una presión algo más alta que la atmosférica el émbolo o pistón sube por el efecto de un contrapeso cuando el émbolo alcanza el punto muerto superior se cierra el vapor mientras un chorro de agua fría condensa el contenido en el cilindro creando una especie de vacío o depresión que unida a la presión atmosférica hace descender al émbolo movimientos que realizaban un trabajo útil y al termino de los cuales se reiniciaba de nuevo el proceso anterior.
James Watt establece en 1760 los principios fundamentales para el desarrollo de las futuras máquinas de vapor, entre los cuales dice que el trabajo debe realizarse con ayuda del vapor prescindiendo de la presión atmosférica y de acuerdo con éste principio Richard Thevitick construye la primera locomotora de vapor en 1804.
James Watt se asocio con Matthew Boulton y crearon la primera fábrica de máquinas de vapor en Birmingham la Boulton & Watt a la que Fulton encargó (como ya dijimos) la máquina para su Clermont.
El paso siguiente en la construcción de máquinas de vapor fue la aparición de la máquina “compoud” o compuesta, ideada por Johnathan Hornblower en 1871 y llamada así porque estaba formada por una máquina de Thevitick de alta presión y descarga de vapor a la atmósfera con otra de Watt de baja presión y condensador.
La modificación estaba relacionada con la descarga de vapor pues la descarga de la máquina de Thevitick se llevaba al cilindro de baja presión de la máquina de Watt haciendo a continuación que el vapor pasara al condensador
Las máquinas evolucionaron más deprisa que las calderas hasta el punto de que en que en 1874 Kirk inventa la máquina de triple expansión que no puede entrar en servicio por las bajas presiones que entregaban las calderas de entonces y no es hasta 7 años después en 1881 cuando al aparecer calderas que proporcionaban una mayor presión, por fin puede ser utilizada.
La máquina de triple expansión aprovecha mejor el vapor, consta de tres cilindros (uno más que la compound) en los que el vapor de alta presión empuja a un cilindro de poco diámetro y sale expandido y a menor presión hacia un segundo cilindro llamado de media presión para a continuación y tras una nueva expansión sale hacia un tercero de baja presión para por fin ir al condensador y cerrar el ciclo hacia la caldera.
A continuación uno de mis dibujos que explica el recorrido del vapor en una máquina de triple expansión desde su salida de la caldera hasta su retorno.
[size=12pt]La máquina de cuádruple expansión, la turbina y las calderas[/size]
La máquina de cuádruple expansión
Tras la máquina de triple expansión aparece la de cuádruple expansión que es en esencia una máquina de triple expansión a la que se le añade otro cilindro de mayor diámetro,
No se debe confundir con la máquina de triple expansión de cuatro cilindros la cual tiene dos cilindros de igual diámetro de baja presión, la inclusión de un cuarto cilindro en la máquina de triple expansión se hace en aquellos casos en que el cilindro de baja presión (y por motivos constructivos para máquinas de mayor potencia) tiene demasiado diámetro. El vapor que entra en ese cuarto cilindro lo hace a la misma presión que su “gemelo”.
La turbina
Las máquinas de vapor citadas anteriormente son del tipo alternativo, esto es transforman un movimiento vertical u horizontal en movimiento rotatorio.
En 1883 el ingeniero sueco de Laval construye la primera máquina de vapor rotativa, la turbina de acción, en 1884 Charles Parsons crea la primera turbina de reacción. Diez años después en 1894 Parsons la instala en una pequeña lancha a la que da el nombre de Turbinia y se pasea con ella durante una parada naval, (el Diamond Jubilee Naval Review de la reina Victoria) a la velocidad de 34 nudos. Tras la exhibición, Parsons subcontrato la construcción del primer buque de guerra con turbina, el HMS Viper un pequeño destructor de 344 toneladas que desarrollaba una velocidad de 33,8 nudos.
Las calderas (I)
Las calderas son un elemento esencial en la propulsión a vapor, en ellas, se quema el combustible que calienta el agua para transformarla en vapor que mueve las máquinas.
Las calderas evolucionaron muy lentamente, los estudios sobre la transmisión de calor, la circulación de agua de evaporación y la influencia del recorrido de los gases de combustión tuvieron buena culpa de ello. Otra gran parte de culpa la tuvo la deficiente tecnología en cuanto a la construcción de calderas que presentaba muchas dificultades para alcanzar las cada día mayores potencias demandadas por las máquinas de vapor que se iban construyendo. Las primeras calderas fueron de cobre y no se alejaban del concepto de marmita en la que el fuego y los conductos de humo eran externos, construidos con ladrillos refractarios, la caldera era semicilíndrica, esto es, con paredes, frontal y fondo planos y techo semicilíndrico y la presión del vapor no llegaba mucho más allá de los 0,35 atmósferas (0,36 kilos/ cm. cuadrado, 1 atmósfera 1,033 k/cm. cuadrado). Mayores presiones no eran posibles por motivos técnicos relacionados con la construcción de las calderas. El primer adelanto (año 1803, principios del siglo XIX) lo constituyó la colocación del hogar (lugar donde se produce la combustión) y el conducto de humos dentro de la caldera. Hacia 1928 Marc Seguin ingeniero francés ideo la caldera de tubos de llama en la que las llamas pasan por un largo haz de tubos hacia una caja de humos situada en el lado opuesto del hogar
A continuación un corte de una caldera de tubos de llama.
Posterior mente la caldera evolucionó hacia las de retorno de llama similar a la descrita pero con una ligera variante. La caldera disponía de dos cajas de humos, una posterior a la que llegaban los humos de la combustión y otra en la parte delantera a la que los gases de combustión retornaban a través de los tubos. La ganancia en rendimiento con la nueva configuración aumento considerablemente pero no lo suficiente. Durante todo el siglo XIX y casi hasta finales las calderas “rectangulares” siguieron siendo el tipo de calderas construidas y las presiones de dichas calderas nunca superaron las 2,5 atmósferas (2,8 kilos / cm. cuadrado) la presión de las calderas no superó esa presión hasta la aparición de las calderas de forma cilíndrica (caldera escocesa) en las que la presión llegaba ya a las 9 atmósferas (9,297 kilos /cm.cuadrado)
A las calderas de tubo de llama se las conoció y clasificó como calderas piro-tubulares porque los gases de la combustión iban por dentro de tubos.
Una imagen de una caldera de retorno de llama
Calderas (II)
Antes de seguir veamos una caldera escocesa en proceso de construcción.
Las marcas son:
1.- Frontal de la caldera
2.- Orificios para los tubos de retorno de llama
3.- Bocas de los hogares
4.- Hogares construidos con tubos corrugados para absorber las dilataciones y contracciones por las diferencias de temperatura
5.- Orificios para colocar tirantes
6.- Boca de registro para acceso de operarios
7.- Sello o toma para acoplar tubo de salida o retorno de vapor
Una vez explicada la caldera de tipo piro-tubular pasamos a las calderas de tubos de agua o acuotubulares.
A diferencia de las calderas de tubos de llama o tubos de retorno de llama, en las que como vimos el fuego va por dentro de unos tubos a los que envuelve el agua, las calderas acuotubulares funcionan de un modo inverso el agua circula por los tubos y los gases de la combustión y el fuego los envuelve.
Desde sus inicios no faltaron propuestas para que las calderas transmitieran el calor por tubos de agua pero la primera caldera acuotubular construida por Stevens no apareció hasta 1804.
Pero las calderas escocesas siguieron predominando y las de tubos de agua no comenzaron a ser empleadas hasta mediados del siglo XIX y solo en grandes buques de guerra.
Las primeras calderas acuotubulares también se las conoció por su aspecto exterior como triangulares. La alemana Schultz la francesa Normand y las inglesas Yarrow y Thornycroft fueron las primeras calderas “triangulares”.
El progreso decisivo de las calderas ocurre a finales del siglo XIX cuando se comenzó a usar el petróleo como combustible para calderas suprimiendo paulatinamente los viejos métodos de las salas de calderas repletas de fogoneros paleando carbón.
También y a partir de la segunda mitad del siglo XIX se suprimieron las altas chimeneas al suprimir el tiro natural y adoptar el tiro forzado con ayuda de soplos de vapor en la chimenea que produjeran la corriente de aire necesaria, con ayuda de aire introducida en los ceniceros, o introduciendo aire en los locales de calderas construidos estancos.
A pesar de ello las calderas escocesas siguieron siendo utilizadas para buques mercantes que no requerían elevadas presiones ni altas velocidades hasta mediados de 1970.
Las calderas de tubos de agua Yarrow y Walcock Wilcox inglesas, Wagner alemana, y Kampon japonesa fueron de las más usadas en las marinas que participaron en la segunda guerra mundial, todas ellas superaban las 40 atmósferas de presión (41,32 kilos /cm. cuadrado) llegando la Wagner alemana a las 58 atmósferas (59,914 kilos/cm. cuadrado)
A continuación una caldera de tubos de agua Schülz-Thornycroft
Las marcas son:
1.- Bocas para alimentación de los hogares
2.- Puertas de ceniceros
3.- Colectores de agua
4.- Tubos de agua (llamados también paredes de agua)
5.- Aspecto frontal de la caldera
6.- Registros de acceso a la caldera
7.- Colector de vapor
8.- Sellos o acoplamientos de tubos de la caldera para salida y entrada de vapor, controles, niveles u otros servicios de caldera.
9.- Registros de acceso a los colectores
Con la llegada del vapor y la necesidad de fuego para mantener las calderas encendidas, se pasa a una situación potencialmente peligrosa en cuanto a la producción de incendios y como veremos más adelante, calderas, máquinas y el entorno a ellas, fue foco de graves accidentes en los buques, causados además en gran medida por el hecho de que en los inicios del vapor, cascos y cubiertas aún eran de madera y solo la llegada de los buques con cascos de acero disminuyó, que no suprimió, los incendios a bordo.
Las chimeneas y el aislante térmico
Como ya vimos un poco más arriba, las chimeneas en sus inicios eran altas para facilitar el tiro, con el tiempo el tiro natural dio paso al tiro forzado y las chimeneas empezaron a ser más bajas lo que a la postre fue una fuente de problemas de seguridad.
Los problemas derivaban de la posibilidad de que las chispas proyectadas por las chimeneas podían incendiar las velas o caer sobre alguna partida de carga inflamable y provocar el temido incendio. Esas chispas estaban producidas por la combustión del hollín que son residuos de una mala combustión y que quedaban pegados en las paredes de los conductos de exhaustación (chimeneas) y en las cajas de humos según se iban acumulando eran susceptibles de desprenderse y caer hacia las partes bajas de las chimeneas inflamándose tras lo cual y por el empuje del aire caliente se dirigían hacia la boca de salida de la chimenea pudiendo en ocasiones ir a depositarse en las velas, introducirse en las bodegas por alguna escotilla abierta o sobre cubierta pudiendo originar un incendio al entrar en contacto con velas, cuerdas, materias inflamables o carga.
El problema se fue solucionando procediendo con cierta frecuencia a limpiar las chimeneas y controlando por parte de los máximos responsables en las salas de calderas que la combustión en los hogares de las calderas fuera completa.
El calor radiante era por sí otro foco de incendios, el problema insalvable lo constituía el clima de ciertas latitudes con temperaturas en ocasiones superiores a los 60º en estas circunstancias podían producirse incendios por combustión de la carga que estuviera expuesta al sol sobre todo en aquellos casos en los que el buque almacenaba en cubierta bidones o paquetes de materias combustibles.
Sin embargo el calor radiante de calderas y máquinas a bordo pudieron ser solucionados. En realidad el aislante térmico se ideó con el objeto de mantener máquinas y calderas a una temperatura alta y constante y poder así eliminar pérdidas de calor lo que suponía un ahorro de combustible pero a un tiempo el calor no se extendía a zonas de riesgo
Máquinas tuberías de vapor y calderas comenzaron a ser forradas o envueltas con materiales ignífugos que además podían conservar el calor, el amianto y la fibra de vidrio más conocida como vitrofil eran los materiales usados, tanto uno como otra recubrían calderas y tubos sobre vitrofil y amianto se colocaba una capa de tela parecida a la de saco fabricada y tejida con material ignífugo sobre la cual se daba una capa de pintura del mismo material o de yeso y en ocasiones alguna pintura o barniz especial, que confería al conjunto considerable consistencia y evitaba que el aislante se desprendiera.
En la foto que sigue vemos en blanco el recubrimiento aislante de algunos tubos y de una de las turbinas del HMS Belfast
En esta otra se pueden ver tuberías y condensadores o enfriadores con aislamiento
estuve trabajando en la transformación del sistema de calderas de una draga y una vez acabada tuve que encernder las calderas.
