Caldeira Stirling - Stirling boiler

Forma de cinco tambores, seção. Observe o fogareiro automático com grade de corrente (esquerda)

A caldeira Stirling é uma das primeiras formas de caldeira de tubo de água , usada para gerar vapor em grandes plantas fixas terrestres. Embora amplamente utilizado por volta de 1900, agora caiu em desgraça e raramente é visto.

Projeto

Forma típica de quatro tambores

Invólucro de tijolo de uma caldeira Stirling em Queensland, Austrália, originalmente movida a bagaço de cana-de-açúcar. A chaminé está à direita.

As caldeiras Stirling são um dos arranjos maiores para uma caldeira de tubo de água: aceitável para uso estacionário, mas impraticável para uso móvel, exceto para grandes navios com requisitos de energia modestos. Eles consistem em uma grande câmara construída em tijolos com um caminho sinuoso de gás através dela, passando por tubos de água quase verticais que ziguezagueiam entre vários tambores de vapor e tambores de água.

Eles estão entre os designs de "tubo grande" mais antigos de caldeiras de tubo de água , com tubos de água que têm cerca de 83 mm de diâmetro. Os tubos são dispostos em bancos quase verticais entre uma série de tambores de vapor cilíndricos horizontais (acima) e tambores de água (abaixo). O número de tambores varia e os designs Stirling são categorizados em caldeiras de 3 , 4 e 5 tambores . O número de bancos de tubos é um a menos, ou seja, 2, 3 ou 4 bancos.

O fluxo de gás da fornalha passa por cada banco por vez. Defletores parciais de ladrilhos de tijolo refratário são colocados em cada margem, de modo a forçar os gases a fluir primeiro para cima e depois para baixo através de cada margem. Excepcionalmente, grande parte do fluxo de gás ocorre ao longo do eixo dos tubos, e não através deles.

Toda a circulação, tanto para cima como para baixo, é através dos tubos de aquecimento e não há descidas externas separadas . Os tambores de vapor e, (numa caldeira de 5 tambores) os tambores de água, estão porém ligados por tubos horizontais curtos e fazem parte do circuito de circulação.

Os próprios tubos são de aço sem costura e em sua maioria retos, com extremidades suavemente curvas. O ajuste da caldeira é um grande recinto construído em tijolo, mas os tambores de vapor são suspensos por uma estrutura de viga separada dentro deste, de modo a permitir a expansão com o calor. Os tubos, e os tambores de água por sua vez, são pendurados nos tambores de vapor, novamente para permitir a livre expansão sem forçar as extremidades dos tubos. Devido às suas extremidades curvas os tubos de água podem entrar radialmente nos tambores, permitindo uma fácil vedação, mas esta também foi uma característica considerada, de acordo com a moda da época, importante devido à dilatação .

As caldeiras Stirling podem ser feitas em tamanhos muito grandes. É comum a utilização de um desenho padrão, mas em larguras variadas, conforme a necessidade.

Superaquecedores

Quando houver um superaquecedor , ele será instalado como tubos retos ou em gancho na parte superior da caldeira, entre os dois primeiros tambores de vapor. Os defletores direcionam o fluxo de gás através dessa área primeiro, para que ela possa atingir a temperatura mais alta.

Combustíveis

Uma grande variedade de combustíveis pode ser queimada, auxiliada por uma grande área de grade que pode ser facilmente aumentada, caso um combustível de baixa qualidade assim o exija. As caldeiras originais foram desenvolvidas para queimar carvão , mas desde então têm sido usadas para queimar muitos tipos de madeira ou resíduos vegetais.

Um fogareiro automático alimentado por corrente também pode ser instalado, onde uma alta taxa de disparo é necessária.

A forma de três tambores também é usada como caldeira de recuperação de calor , utilizando os gases de exaustão de aciarias ou outros processos industriais.

Circulação

À medida que o fluxo de gás passa por cada banco de tubos, os bancos posteriores estão a uma temperatura significativamente mais baixa. Isso incentiva uma circulação "extremamente eficiente" pelo efeito termossifão . O nível da água é mantido com os tambores de vapor aproximadamente meio cheios, de forma que os tubos operam no estado "afogado" com suas extremidades superiores permanentemente submersas.

O fluxo na primeira margem é ascendente à medida que os tubos são aquecidos, estimulado por sua posição quase vertical. A água mais fria desce nos tubos de água posteriores. A circulação é completada pelos tubos de ligação entre os tambores de vapor. A circulação é mais ativa nos circuitos anteriores e mais quentes.

Na forma de quatro tambores , a circulação dentro da margem média pode ser dividida entre um circuito descendente com a primeira margem e um circuito ascendente com a margem seguinte.

Água de alimentação

A água de alimentação é fornecida ao tambor de vapor final e distribuída por meio de uma calha interna. A água fria de alimentação desce lentamente através do último banco de tubos e para o último tambor de água.

Quaisquer depósitos precipitáveis ​​(coloquialmente, "lama") emergirão da solução neste circuito e se acumularão no tambor de água final. Isso os mantém longe dos primeiros bancos de tubos mais ativos, reduzindo os problemas e as ineficiências de incrustação nos tubos de aquecimento principais. Como o tambor de água final também pode ser usado para coletar a "lama" (ou seja, um "coletor de lama"), às vezes é conhecido como "tambor de lama".

Vantagens

Existem três vantagens no design Stirling:

• Devido às várias passagens pelos bancos de tubos e à disposição cuidadosa da circulação e da água de alimentação, a caldeira é geralmente bastante eficiente.
• A área da grelha pode ser facilmente variada sem afetar o projeto do circuito de água. Isso permite o uso de grandes grelhas para queima de combustíveis de baixa qualidade, como resíduos e resíduos . Quando um processo industrial requeria vapor de processo e também gerava produtos residuais combustíveis, a caldeira Stirling poderia usar um para gerar o outro. Isso era comumente feito no refino de açúcar , queimando bagaço ou em fábricas de polpa de papel queimando resíduos de casca. A caldeira Stirling também foi usada antes da Segunda Guerra Mundial para queimar resíduos domésticos nas cidades, sendo o vapor usado para geração de energia. ( Os controles de emissões em anos posteriores tornaram essa queima de resíduos 'descontrolados' impraticável).
• Finalmente, o acesso interno aos componentes é bom para limpeza e manutenção. Em particular, é possível substituir tubos de água individuais, sem a necessidade de desmontar um banco inteiro.

Desvantagens

• A caldeira é fisicamente grande para sua potência.
• O uso de tubos de grande diâmetro restringe sua capacidade de lidar com altas pressões, como outros projetos estavam começando a fazer nessa época. Uma pressão de trabalho de 150 psi era adequada para acionar uma máquina a vapor composta , mas ineficiente para uma turbina a vapor .
• O arranjo dos tubos incentivou a eficiência da caldeira, mas não a temperatura do superaquecedor. Novamente, conforme os desenvolvimentos se afastaram dos motores a pistão em favor das turbinas, isso se tornou uma limitação significativa.

Variações

Forma pequena de três tambores, forno à direita

Embora amplamente semelhantes, são produzidas variações com diferentes números de bancos de tubos.

Três tambores ou forma de 'V'

Esta forma mais simples é usada principalmente para baixas potências ou para recuperação de calor de outros gases de forno.

Quatro tambores ou forma 'B'

Esta é a forma principal da caldeira e dá resultados eficientes com construção econômica.

A versão marinha da caldeira também tem esta forma.

Cinco tambores ou forma 'W'

Esta é uma forma mais complexa, que usa um banco de tubos extra para ganhar eficiência. É mais popular para grandes instalações, como centrais elétricas , ou onde a eficiência é mais necessária para obter o aquecimento máximo de uma capacidade de combustível limitada.

Caldeiras Stirling Marinhas

Embora geralmente uma caldeira terrestre, a forma de quatro tambores também foi usada como uma caldeira marítima, para alimentar navios de grande porte .

O cenário de tijolos foi substituído por uma caixa de aço semelhante a uma caixa, forrada com tijolos refratários. O diâmetro do tubo de água foi reduzido para entre 2 e 2 ¹ ⁄ ₂  polegadas (50,8 e 63,5 mm). Para evitar problemas com os níveis de água mudando conforme o navio rola, os tambores de água foram dispostos transversalmente ao casco e equipados com defletores internos.

Referências

links externos

• Larry Tarvin. "A Caldeira Stirling" (PDF) . The American Society of Power Engineers . Página visitada em 2015-02-20 .