La caldera Stirling es una forma temprana de caldera de tubo de agua , utilizada para generar vapor en grandes plantas estacionarias terrestres. Aunque se usa ampliamente alrededor de 1900, ahora [ ¿cuándo? ] caído en desgracia y rara vez [se necesita aclaración ] visto [¿ por quién? ] .
Diseño
Las calderas Stirling son uno de los arreglos más grandes para una caldera de tubo de agua: aceptable para uso estacionario, pero poco práctico para uso móvil, excepto para barcos grandes con requisitos de energía modestos. Consisten en una gran cámara construida con ladrillos con una ruta de gas sinuosa a través de ella, pasando por tubos de agua casi verticales que zigzaguean entre múltiples tambores de vapor y tambores de agua.
Se encuentran entre los diseños más antiguos de "tubos grandes" de calderas de tubos de agua , [1] que tienen tubos de agua de alrededor de 83 mm (3¼ pulgadas) de diámetro. [2] Los tubos están dispuestos en bancos casi verticales entre varios tambores de vapor horizontales cilíndricos (arriba) y tambores de agua (abajo). El número de tambores varía y los diseños de Stirling se clasifican en calderas de 3 , 4 y 5 tambores . El número de bancos de tubos es uno menos que esto, es decir, 2, 3 o 4 bancos.
El flujo de gas del horno pasa a través de cada banco a su vez. Se colocan deflectores parciales de baldosas de ladrillo refractario en cada banco, para obligar a los gases a fluir primero hacia arriba y luego hacia abajo a través de cada banco. Inusualmente, gran parte del flujo de gas se realiza a lo largo del eje de los tubos, en lugar de a través de ellos.
Toda la circulación, tanto hacia arriba como hacia abajo, se realiza a través de los tubos de calefacción y no hay bajantes externos separados . Sin embargo, los bidones de vapor y (en una caldera de 5 bidones) los bidones de agua están unidos por tubos horizontales cortos y forman parte del circuito de circulación.
Los propios tubos son de acero estirado sin costura y en su mayoría rectos, con extremos suavemente curvados. [3] El ajuste de la caldera es un gran recinto construido con ladrillos, pero los tambores de vapor están suspendidos de una estructura de vigas separada dentro de esta, para permitir la expansión con el calor. Los tubos, y los tambores de agua a su vez, se cuelgan de los tambores de vapor, nuevamente para permitir la expansión libre sin forzar los extremos del tubo. Debido a sus extremos curvos, los tubos de agua pueden entrar radialmente en los tambores, lo que permite un fácil sellado, pero esta también fue una característica considerada, según la moda de la época, como importante debido a la expansión .
Las calderas Stirling pueden fabricarse en tamaños muy grandes. Es habitual que se utilice un diseño estándar, pero en diferentes anchos, según necesidad. [2]
Sobrecalentadores
Cuando se instala un sobrecalentador , se instala como tubos rectos o en horquilla en la parte superior de la caldera entre los dos primeros bidones de vapor. Los deflectores dirigen el flujo de gas a través de esta área primero, por lo que puede alcanzar la temperatura más alta.
Combustibles
Se puede quemar una amplia gama de combustibles, con la ayuda de un área de parrilla grande que se puede aumentar fácilmente si lo requiere un combustible de mala calidad. Las calderas originales se desarrollaron para quemar carbón , pero desde entonces se han utilizado para quemar muchos tipos de madera o residuos vegetales.
A Stoker automática cadena alimentados también puede estar equipado, donde se requiere una tasa de disparo pesada.
La forma de tres tambores también se utiliza como caldera de recuperación de calor , utilizando los gases de escape de las acerías u otros procesos industriales. [2]
Circulación
A medida que el flujo de gas pasa a través de cada banco de tubos, los últimos bancos están a una temperatura significativamente más baja. Esto favorece una circulación "extremadamente eficaz" [3] por efecto termosifón . El nivel del agua se mantiene con los bidones de vapor aproximadamente medio llenos, por lo que los tubos funcionan en estado "ahogado" con sus extremos superiores permanentemente sumergidos.
El flujo en el primer banco es hacia arriba a medida que se calientan los tubos, estimulado por su posición casi vertical. El agua más fría desciende por los tubos de agua posteriores. La circulación se completa mediante las tuberías de enlace entre los tambores de vapor. [2] La circulación es más activa en los circuitos anteriores más calientes.
En la forma de cuatro tambores , la circulación dentro del banco medio puede dividirse entre un circuito descendente con el primer banco y un circuito ascendente con el siguiente banco. [2]
Agua de alimentación
El agua de alimentación se suministra al tambor de vapor final y se distribuye a través de un canal interno. El agua de alimentación fría desciende lentamente a través del último banco de tubos hasta el último tambor de agua. [3]
Cualquier depósito precipitable (coloquialmente, "barro") emergerá de la solución en este circuito y se acumulará en el tambor de agua final. Esto los mantiene alejados de los primeros bancos de tubos más activos, lo que reduce los problemas y las ineficiencias de la acumulación de incrustaciones dentro de los principales tubos de calefacción. [2] Dado que el tambor de agua final también se puede usar para atrapar el "lodo" (es decir, un "recolector de lodo"), a veces se lo conoce como "tambor de lodo".
Ventajas
Hay tres ventajas en el diseño de Stirling:
- Debido a los múltiples pasos a través de los bancos de tubos y la cuidadosa disposición de la circulación y el agua de alimentación, la caldera es generalmente bastante eficiente. [3]
- El área de la rejilla se puede variar fácilmente sin afectar el diseño del circuito de agua. Esto permite el uso de rejillas grandes para quemar combustibles de baja calidad, como desechos y desperdicios . Cuando un proceso industrial requería vapor de proceso y también generaba productos de desecho combustibles, la caldera Stirling podía usar uno para generar el otro. Esto se hacía comúnmente en el refinado de azúcar , la quema de bagazo o en las fábricas de pulpa de papel que quemaban desechos de corteza. La caldera Stirling también se usó antes de la Segunda Guerra Mundial para quemar desechos domésticos en las ciudades, y el vapor se utilizó luego para la generación de energía. ( Los controles de emisiones en años posteriores hicieron que esta quema de desechos 'incontrolados' no fuera práctica).
- Finalmente, el acceso interno a los componentes es bueno para la limpieza y el mantenimiento. En particular, es posible reemplazar los tubos de agua individuales, sin necesidad de desmantelar un banco completo. [2]
Desventajas
- La caldera es físicamente grande para su potencia. [2]
- El uso de tubos de gran diámetro restringe su capacidad para lidiar con altas presiones, como otros diseños comenzaron a hacer en esta época. [2] Una presión de trabajo de 150 psi era adecuada para impulsar una máquina de vapor compuesta , pero ineficaz para una turbina de vapor .
- La disposición de los tubos fomentó la eficiencia en la caldera, pero no la temperatura del sobrecalentador. [2] Una vez más, a medida que los desarrollos se alejaron de los motores de pistón a favor de las turbinas, esto se convirtió en una limitación significativa.
Variaciones
Aunque en general son similares, se producen variaciones con diferentes números de bancos de tubos.
Forma de tres tambores o 'V'
Esta forma más simple se utiliza principalmente para potencias bajas o para la recuperación de calor de otros gases del horno.
Forma de cuatro tambores o 'B'
Esta es la forma principal de la caldera y da resultados eficientes con una construcción económica. [2]
La versión marina de la caldera también es de esta forma.
Forma de cinco tambores o 'W'
Esta es una forma más compleja, que utiliza un banco de tubos adicional para ganar eficiencia. Es más popular para grandes instalaciones, como centrales eléctricas , o donde la eficiencia es más necesaria para obtener el máximo calentamiento con una capacidad de combustible limitada.
Calderas marinas Stirling
Aunque generalmente es una caldera con base en tierra, la forma de cuatro tambores también se usó como una caldera marina, para impulsar grandes barcos . [4]
El entorno construido con ladrillos fue reemplazado por una carcasa de acero en forma de caja, revestida con ladrillos refractarios. El diámetro del tubo de agua se redujo a entre 2 y 2+1 ⁄ 2 pulgadas (50,8 y 63,5 mm). Para evitar problemas con el cambio de los niveles del agua a medida que el barco rueda, los bidones de agua se dispusieron transversalmente al casco y se proporcionaron deflectores internos.
Referencias
- ^ Destripador, Motores térmicos , p. 204.
- ↑ a b c d e f g h i j k Kennedy, Rankin (1912). El libro de motores y generadores de energía modernos . VI . Londres: Caxton. págs. 63–69.
- ^ a b c d Prof. William Ripper, Universidad de Sheffield. (1909) [1889]. Motores de calor . Londres: Longmans. págs. 211 –212.
- ↑ Kennedy, Modern Engines, Vol VI , págs. 69-70.
enlaces externos
- Larry Tarvin. "La caldera Stirling" (PDF) . La Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Energía . Consultado el 20 de febrero de 2015 .