Chaudières à tubes d’eau B & W
L'économie et la sécurité de l'emploi de la vapeur ont entraîné de nombreux perfectionnements apportés depuis un quart de siècle dans la production et l'utilisation de la vapeur. C'est ainsi qu'il fallait 0,5 à 0,6 mètre carré de surface de chauffe d'une chaudière pour produire 1 cheval-vapeur qu'il n'en faut plus que 0,2 ou 0,3 vingt ans après (dans les année 1860).
Il en est de même pour la consommation de charbon alors qu'il fallait 1,5 à 2 Kg de combustible pour obtenir la même production, il n'en faut plus que 0,5 ou 0,6 Kg.
Pour les hautes pressions nécessaires à l'économie optimale, la perfection doit se trouver à tous les niveaux : meilleurs matériaux, meilleurs accessoires, meilleures grilles d'alimentation, meilleures chaudières en un mot,... et meilleurs ouvriers pour les faire fonctionner.
De l'importance qu'il y a à prévenir des explosions qui ces dernières années (avant 1850) ont causé de grands désastres qu'elles soient dues au matériel ou à sa mauvaise utilisation (défaut d'entretien, blocage des soupapes, etc.). En effet, les hautes pressions entraînent parfois des accidents dont la liste avant les années 60 s'allonge chaque année et Thurston³ dans son Américan Society of Mécanical Engineers vol. 6 estime que l'énergie emmagasinée dans la matière explosive d'une chaudière cylindrique fonctionnant à 7 atmosphères suffirait à projeter toute la partie métallique à plusieurs kilomètres. En outre dans 60 Kg d'eau saturée à la pression de 3 ou 4 atmosphères il y a autant d'énergie explosive que dans un kilogramme de poudre à canon et à la température du rouge sombre⁴, l'énergie de cette eau serait encore 40 fois plus importante. 

Les causes d'explosion des chaudières cylindriques et de leurs dérivées, chaudières marines, de locomotives et à foyer vertical sont bien connues. Les chaudières à retour de flamme ou à tubes de fumée dans lesquelles le feu agit sur le fond de la chaudière sont les plus dangereuses du fait des impuretés de l'eau qui se déposent justement au points soumis à la plus grande chaleur et aussi à cause des surfaces planes entretoisées qui subissent des efforts considérables.
Au contraire les chaudières à tubes d'eau comme celles imaginées par l'ingénieur Wilcox sont considérées comme à l'abri des effets destructifs. Elle est composée d'un réservoir qui n'est pas soumis à l'effet maximum du foyer et en dessous de ce réservoir, le faisceau de tubes est sectionné.
Toutes les parties sont accessibles de l'extérieur de la chaudière pour leur inspection et leur nettoyage.
Ainsi on obtient :

• que les tubes, qui sont la partie vulnérable de la chaudière, peuvent être inspectés à l'intérieur et à l'extérieur,
• qu'ils peuvent être facilement nettoyés,
• que la disposition par section leur assure le maximum de sécurité contre les explosions dangereuses.

De la circulation de l'eau dans les chaudières
Dans une conférence donnée par George H. Babcock à Cornell University en février 1890 ce dernier explique que les  phénomènes qui se produisent lorsqu'on fait bouillir de l'eau dans un vase ouvert, le liquide s'élève tumultueusement le long des parois du vase, alors que sa surface se déprimant en son milieu et de ce point se forme un courant descendant (principe du tube Field avec tube barboteur).
L'eau, comme la plus part des corps, augmente de volume sous l'action de la chaleur à la condition qu'elle soit à une température supérieure à 4 °.
Elle est considérée comme un très mauvais conducteur de la chaleur (la vapeur l'est encore moins, voire pas du tout). Sous l'action de la chaleur les particules d'eau cèdent difficilement leur chaleur à leurs voisines, elles se dilatent et s'élèvent grâce à leur moindre densité (les bulles remontent). En revanches les particules froides viennent se chauffer à leur tour et des courants de circulation s'établissent de cette manière dans toute la masse liquide.
Lorsque toute l'eau a été chauffée au point d'ébullition correspondant à la pression à laquelle elle est soumise, chaque calorie nouvelle ajoutée convertit une portion de l'eau en vapeur (un peu moins de deux grammes).
La vaporisation augmente considérablement le volume et le mélange vapeur-eau s'élève plus rapidement et produit l'ébullition telle que nous la voyons dans un vase ouvert.
Si la quantité de chaleur fournie au liquide est constante et modérée, le phénomène se poursuit dans les mêmes conditions : montée tumultueuse de l'eau le long des parois, dépression vers le centre. Si au contraire on augmente le feu, les courants ascendants s'embrouillent avec les courants descendants et l'eau est projetée hors du vase. 
Si maintenant on place dans le vase un autre plus petit, percé dans le fond et maintenu à une distance convenable des parois les courants ascendants et descendants seront séparés. L'augmentation du feu ne produira pas de projection d'eau tumultueuse.
C'est Perkins qui, en 1831, appliqua ce tube intérieur qui servit de base à un très grand nombre de dispositions propices à faciliter la circulation de l'eau dans les chaudières.
Ce principe réside dans la division des courants de façon à ce qu'il ne puissent s'opposer les uns aux autres.
De la circulation de l'eau dépendent les trois points que l'on doit viser dans la construction des chaudières : le rendement, la durée et la sécurité.
Lorsque l'eau circule convenablement il est possible d'augmenter la température du foyer et de faire bouillir l'eau beaucoup plus rapidement et sans tumulte. Le rendement dépend de l'efficacité de la circulation. Quand les courants sont séparés et qu'une circulation libre s'établit tout tumulte cesse et la vapeur se dégage en plus grande quantité puisqu'elle n'est plus freinée par les gros bouillons qui provoquent l'entraînement mécanique des particules liquides (primage).
D'autre part la bonne circulation diminue davantage le dépôt des matières incrustantes en suspension ou en dissolution dans l'eau et qui contrarient la transmission de la chaleur du métal à l'eau.
On estime qu'une incrustation de 3 mm. diminue de 25 % le rendement de la surface de chauffe.
En plus on remarque que la bonne circulation maintient la température à peu près uniforme dans toutes les parties de la chaudière, ce qui évite les contraintes locales du métal et la chaudière est moins soumise aux efforts de dilatation et de contraction inégales, cause souvent de rupture

Comment produire une bonne circulation.
La chose essentielle est que les courants ne puissent pas s'opposer les uns aux autres comme l'eau qui bout dans le vase ou dans les chaudières tubulaires ordinaires et luttant pour gagner de la supériorité momentanée. Les principaux courants ascendants se manifestent aux deux extrémités, l'un au-dessus du foyer, l'autre à l'extrémité des tubes sur une longueur de 300 mm. Entre les deux se tient la lutte des courants descendants et des courants ascensionnels de vapeur d'eau.
Si l'on pratique une brusque prise de vapeur, la pression s'abaisse légèrement et l'eau, aspirée par le dégagement instantané de la vapeur dans toute la masse, se soulève en jets violents de tous les points de la surface du liquide.
Les effets d'une production soudaine de vapeur sont connus. Rappelons-nous l'expérience du vase de Florence dans lequel on fait bouillir l'eau en diminuant la température d'ébullition à l'intérieur du vase par l'application d'un réfrigérant à l'extérieur.
On observe une projection violente du geyser minuscule produit lorsqu'on essaie de porter à ébullition l'eau contenue dans une éprouvette placée verticalement au-dessus d'une source de chaleur.
Si maintenant on prend un tube en U placé à la partie inférieure d'un vase rempli d'eau. Plaçons une source de chaleur contre une des branches. Une circulation régulière ne tardera pas à s'établir et aucune action spasmodique ne viendra l'interrompre. Cette circulation dans le tube en U représente le vrai principe de la circulation d'eau qui s'établit dans une chaudière à tubes d'eau bien construite.
Pour obtenir une surface de chauffe plus considérable, on peut donner au jambage chauffé la forme d'un long tube incliné.
Cette dernière configuration est le principe sur lequel est réalisé le générateur à tube incliné qui donna naissance aux chaudières B & W. 

Si à ce premier tube on en ajoute d'autres, on augmente d'autant la surface de chauffe, tout en conservant le bénéfice et le fonctionnement du tube en U. Dans une semblable disposition la circulation est fonction de la différence de densité des deux colonnes. Sa vitesse est donnée en mètre par la formule de Torricelli. ou approximativement où

H représentant la hauteur de la colonne mesurée au niveau du plan d'eau au centre du tube au-dessus du foyer, et les poids du mètre cube du fluide dans les colonnes descendantes et ascendantes. La vitesse croît jusqu'à ce que la colonne montante ne contienne plus que de la vapeur mais la quantité ou le poids du fluide en circulation égale à ou proportionnelle à atteindra le maximum lorsque la densité du mélange de vapeur et d'eau dans la colonne montante sera la moitié de la densité de l'eau dans la colonne descendante ou lorsque , alors
Il en est approximativement ainsi lorsqu'il y a moitié de vapeur et moitié d'eau dans la colonne montante, le poids de la vapeur étant négligeable en présence du poids de l'eau.
Il est aisé d'après cette règle de calculer la circulation dans toutes les chaudières construites sur ce principe pourvu que la construction laisse un libre mouvement de l'eau.

Exemple d'une chaudière B & W de 240 m². La hauteur H de la colonne est de 1,37 m. La hauteur motrice au moment de la circulation sera égale à H et la vitesse sera de par seconde
Il y a dans cette chaudière 14 sections : chaque section communique au réservoir par un tube de 102 mm. de diamètre extérieur, et 95 mm. de diamètre intérieur, c'est à dire 0,0017m² de section. Les 14 tubes donnent une section totale de 0,0994 m² qui multipliée par la vitesse 5,18 m donne un volume de 0,514 m³ de vapeur et d'eau mélangées déchargé par seconde, dont la moitié, soit 0,257, est de la vapeur. Supposons que la pression est de 7 atmosphères, elle pèsera 4,16 Kg le m³ : le poids de la vapeur dégagée par seconde sera donc de 0,257*416= 1,069 Kg, soit par heure 3,848 Kg. L'eau à la température de 169,8°correspondant à la pression⁶ pèse 898 Kg au m³ et la vapeur 4,16. Elle forme ainsi la 216^è partie du mélange.
On peut en conclure que chaque molécule d'eau fera 216 circuits avant d'être vaporisée, lorsque la chaudière travaille à cette puissance, qui est celle où le poids d'eau, circulant au travers des tubes, est maximum.
Il est évident que lorsque la vitesse de dégagement du fluide à la sortie des tubes atteindra son maximum, ceux-ci ne dégageront plus que de la vapeur et il n'y aura plus alors d'autre eau en circulation que celle nécessaire pour suppléer à la vaporisation. Voyons en faisant le même calcul quelle puissance de vaporisation atteindra notre chaudière. D'un côté nous avons une colonne de vapeur de 1,37m. de hauteur et de l'autre une égale colonne d'eau. Supposons, comme précédemment, que la vapeur soit à la pression de 7 atmosphères et l'eau à la température de 169,8° ; nous avons comme charge une colonne de vapeur de ce qui donne une vitesse de 76 m/s. Cette vitesse multipliée par la section de dégagement de 0,994 m et par 3600 s. donne la production de vapeur à l'heure de 27,196 m³ ou en poids 113,135 Kg. Ce poids, représente le total du fluide ayant circulé dans une heure, et est à peine le 1/7 du poids du mélange d'eau et de vapeur en mouvement quand la circulation est plus active ; et cependant la vapeur dégagée correspondrait à environ 35 fois la puissance normale du générateur.
Il est évident qu'en pratique on ne peut atteindre un pareil résultat car il ne faut pas oublier que la chaudière ne saurait être forcée au point que la circulation de l'eau cesserait d'être effective.
Par le même procédé de calcul, on peut se rendre compte que, lorsque la chaudière produit une force double de sa puissance normale, cas rare en pratique, la vapeur constitue environ les 2/3 en volume du mélange d'eau et de vapeur déversé dans le réservoir, et que l'eau accomplit 110 circuits pendant sa vaporisation. Si l'on demande seulement à la chaudière, le 1/4 de sa puissance normale, la vapeur n'entre plus que pour 1/5 dans le mélange, et l'eau doit faire 870 circuits avant d'être convertie en vapeur.
D'après ce qui précède, on peut voir que la chaudière en question a été proportionnée de manière à assurer une circulation parfaite dans tous les cas pratiques.
En rédigeant le projet d'une chaudière de ce type, il faut bien se garder d'adopter comme colonne montante commune à une série de tubes superposés un collecteur trop large car s'il était suffisamment large, il s'y produirait un courant descendant et l'effet de la colonne montante pour opérer la circulation serait complètement annulé. Ce fait est rendu évident par le simple examen de ce qui se passerait dans un collecteur très large, alors que la charge qui produit la circulation est uniquement celle qui résulte de l'inclinaison d'un tube pris séparément. Il perd sa raison d'être lorsque le collecteur est suffisamment petit pour être entièrement rempli par l'émulsion ascendante d'eau et de vapeur. Il faut encore que le collecteur soit aussi régulier que possible et ne présente pas des rétrécissements et des élargissements nombreux qu'on y rencontre parfois.

Prenons par exemple un générateur composé de tubes inclinés, assemblés deux à deux à leurs extrémités au moyen de boîtes en métal. Ces boîtes sont mises en communication l'une avec l'autre à l'aide d'un coude dont les branches débouchent précisément en face des tubes. Les boîtes et les coudes forment une conduite montante irrégulière dont le chemin brisé doit mener le mélange d'eau et de vapeur vers le réservoir supérieur. Mais le courant ascendant de l'émulsion qui circule dans les coudes vient à sa sortie contre le courant ascendant du tube fixé sur la même boîte. Un pareil choc constitue une sérieuse entrave à la circulation. Si les deux courants ont la même vitesse, ils se neutralisent complètement : si l'un est plus fort, il refoule l'autre et le résultat pratique est le même.
L'inventeur de ce type de chaudière proclamait que les coudes et les rétrécissements de section avaient pour but de diminuer la circulation et sans aucun doute, ce but était atteint ; mais par l'étroitesse des passages, il l'était moins sûrement que dans la disposition représentée dans les figures ci-contre.
Un autre type de chaudière inventé d'abord par Clarke puis abandonné et exploité à nouveau, présente aussi des conduits montants formés de boîtes dans lesquelles un certain nombre (2 ou 4) viennent déboucher. Ces boîtes sont réunies entre elles par des bagues très courtes. On sait que lorsque d'un fluide coule dans une conduite qui, tour à tour, s'élargit et se rétrécit, la vitesse diminue plus ou moins à chaque élargissement et doit reprendre sa valeur à chaque rétrécissement de la conduite. À chaque changement de régime correspond une perte de charge. C'est ce qui arrive avec la construction représentée dans la figure ci-contre. Les changements de régimes successifs occasionnent des pertes qui finissent par user la force motrice et mettent un arrêt à la circulation de l'eau. 

Dans un tube fermé à l'une des ses extrémités et fixé horizontalement par l'autre de ses extrémités à la paroi d'une chaudière, il ne peut y avoir de circulation régulière. Si le chauffage est trop modéré, l'eau peut encore contre-balancer l'action de la vapeur qui se dégage et mouiller les surfaces ; mais si l'intensité du feu augmente tant soit peu, le phénomène remarqué lorsque nous chauffions une éprouvette se produit ici. Plus il y aura de tubes semblables dans une chaudière, plus violent sera le dégagement spasmodique de la vapeur.
L'expérience du vase ouvert donne la clef des meilleures dispositions propres à augmenter la circulation dans les chaudières ordinaires à foyer intérieur. Des tubes de circulation placés dans les tubes de foyer, comme dans les chaudières Steenstrup, Martin ou Galloway, peuvent aider et diriger la circulation, mais, même avec ces tubes, il est à peu près impossible de déterminer un courant général, entraînant toute la masse d'eau et intéressant toutes les parties de la chaudière, comme c'est les cas dans une chaudière à tubes d'eau bien comprise.

Comme on le voit Babcock et Wilcox dans la conception de leurs chaudières ont investi dans la recherche de la circulation optimale des fluides eau-vapeur contrairement à d'autres concepteurs qui semblent en ignorer les avantages.
Les chaudières à tubes d’eau représentent la grande majorité des chaudières industrielles en service dont la production de vapeur peut aller de 0,1 à 400 t/h.
Du point de vue de la sécurité, elles sont réputées « inexplosibles » parce qu’une rupture éventuelle d’un tube de petit diamètre n’entraîne généralement pas d’accident grave, mais seulement un passage intempestif de vapeur dans le circuit fumées par un orifice de faible dimension. 

La chaudière aboutie de B & W

Les chaudières Babcock & Wilcox  ont obtenu le Gand Prix (la plus haute récompense)   à l'Exposition Universelle  de Paris 1889