Котел Стирлинга

Котел Стирлинга — ранняя форма водотрубного котла , используемая для выработки пара на крупных наземных стационарных электростанциях. Хотя он широко использовался примерно в 1900 году, сейчас он потерял популярность и встречается редко.

Дизайн

Котлы Стирлинга - одна из самых крупных конструкций водотрубных котлов: приемлемы для стационарного использования, но непрактичны для мобильного использования, за исключением больших кораблей со скромными требованиями к мощности. Они состоят из большой кирпичной камеры, через которую проходит извилистый газовый путь, проходящий над почти вертикальными водяными трубами, которые зигзагами проходят между несколькими паровыми и водяными барабанами.

Они относятся к числу старых, «крупнотрубных» конструкций водотрубных котлов ^[1] , имеющих водотрубные трубы диаметром около 3¼ дюйма (83 мм). ^[2] Трубы расположены почти вертикальными рядами между рядом цилиндрических горизонтальных паровых барабанов (вверху) и водяных барабанов (внизу). Количество барабанов варьируется, и конструкции Стирлинга делятся на 3-, 4- и 5-барабанные котлы. Количество банок трубок на единицу меньше, т.е. 2, 3 или 4 банка.

Поток газа из печи проходит через каждый ряд поочередно. На каждом ряду уложены частичные перегородки из огнеупорных плиток, чтобы заставить газы течь сначала вверх, а затем вниз через каждый ряд. Необычно то, что большая часть потока газа проходит вдоль оси трубок, а не поперек них.

Вся циркуляция, как вверх, так и вниз, осуществляется через нагревательные трубы, отдельные внешние сливные трубы отсутствуют . Однако паровые барабаны и (в пятибарабанных котлах) водяные барабаны соединены короткими горизонтальными трубами и образуют часть циркуляционного контура.

Сами трубы изготовлены из цельнотянутой стали и в основном прямые, с слегка изогнутыми концами. ^[3] Котел представляет собой большой кирпичный корпус, но внутри него паровые барабаны подвешены на отдельной балочной конструкции, чтобы обеспечить возможность расширения при нагревании. Трубы и, в свою очередь, водяные барабаны подвешиваются к паровым барабанам, опять же, чтобы обеспечить свободное расширение без напряжения концов труб. Благодаря своим изогнутым концам трубы для воды могут входить в бочки радиально, обеспечивая легкое уплотнение, но это также было особенностью, которая, согласно моде того времени, считалась важной из-за расширения .

Котлы Стирлинга могут изготавливаться очень больших размеров. Обычно используется стандартная конструкция, но ширина может меняться в зависимости от необходимости. ^[2]

Пароперегреватели

При наличии пароперегревателя его устанавливают в виде прямых или шпилек в верхней части котла между двумя первыми паровыми барабанами. Перегородки сначала направляют поток газа через эту область, чтобы он мог достичь самой высокой температуры.

Топливо

Можно сжигать широкий спектр видов топлива, чему способствует большая площадь решетки, которую можно легко увеличить, если этого потребует некачественное топливо. Первоначальные котлы были разработаны для сжигания угля , но с тех пор их стали использовать для сжигания многих видов древесных или растительных отходов.

Также может быть установлен автоматический поджигатель с цепной подачей , если требуется высокая скорострельность.

Трехбарабанная форма также используется в качестве котла-утилизатора , использующего выхлопные газы сталелитейных заводов или других промышленных процессов. ^[2]

Тираж

Поскольку поток газа проходит через каждый ряд трубок по очереди, последние ряды имеют значительно более низкую температуру. Это способствует «чрезвычайно эффективной» циркуляции ^[3] за счет эффекта термосифона . Уровень воды поддерживается при заполнении паровых барабанов примерно наполовину, поэтому трубы работают в «затопленном» состоянии с постоянно погруженными верхними концами.

Поток в первом ряду направлен вверх, поскольку трубки нагреваются, чему способствует их почти вертикальное положение. Более прохладная вода в более поздних водопроводах спускается. Циркуляция завершается соединительными трубами между паровыми барабанами. ^[2] Кровообращение более активно в более ранних и более горячих контурах.

В четырехбарабанной форме обращение внутри среднего банка может быть разделено на нисходящий контур с первым банком и восходящий контур со следующим банком. ^[2]

Питательная вода

Питательная вода подается в финальный паровой барабан и распределяется через внутренний желоб. Холодная питательная вода медленно спускается через последний ряд трубок в последний водяной барабан. ^[3]

Любые осаждающиеся отложения (в просторечии «грязь») выходят из раствора в этом контуре и накапливаются в конечном водяном барабане. Это удерживает их от более активных ранних групп трубок, уменьшая проблемы и неэффективность образования накипи внутри основных нагревательных трубок. ^[2] Поскольку последний водяной барабан также может использоваться для сбора «грязи» (т.е. «грязеуловителя»), его иногда называют «грязевым барабаном».

Преимущества

У конструкции Стирлинга есть три преимущества:

Благодаря множеству проходов через пучки труб и тщательной организации циркуляции и питательной воды котел в целом довольно эффективен. ^[3]
Площадь решетки можно легко варьировать, не влияя на конструкцию водяного контура. Это позволяет использовать большие решетки для сжигания низкосортного топлива, например отходов и мусора . Если для промышленного процесса требовался технологический пар, а также образовывались горючие отходы, котел Стирлинга мог использовать одно для производства другого. Обычно это делалось при переработке сахара , сжигании жома или на целлюлозно-бумажных фабриках, сжигающих отходы коры. Котел Стирлинга также использовался до Второй мировой войны для сжигания бытовых отходов в городах, а пар затем использовался для выработки электроэнергии. ( В последующие годы меры по контролю выбросов сделали сжигание «неконтролируемых» отходов непрактичным).
Наконец, внутренний доступ к компонентам удобен для очистки и обслуживания. В частности, можно заменить отдельные водопроводные трубы без необходимости демонтажа всей банки. ^[2]

Недостатки

Котел физически большой для своей мощности. ^[2]
Использование трубок большого диаметра ограничивает его способность выдерживать высокие давления, как это начали делать примерно в это же время другие конструкции. ^[2] Рабочее давление в 150 фунтов на квадратный дюйм было достаточным для привода составного парового двигателя , но неэффективным для паровой турбины .
Расположение труб способствовало повышению эффективности котла, но не повышению температуры пароперегревателя. ^[2] Опять же, по мере того, как разработки отошли от поршневых двигателей в пользу турбин, это стало существенным ограничением.

Вариации

Хотя в целом они схожи, выпускаются варианты с разным количеством трубных блоков.

Трехбарабанная или V-образная форма.

Эта более простая форма в основном используется для малой мощности или для рекуперации тепла от других печных газов.

Четырехбарабанная или форма «B»

Это основная форма котла, которая дает эффективные результаты при экономичной конструкции. ^[2]

Морской вариант котла также имеет такую форму.

Пятибарабанная или W-форма

Это более сложная форма, в которой для повышения эффективности используется дополнительный блок трубок. Он наиболее популярен для крупных установок, таких как электростанции , или там, где больше всего необходима эффективность, чтобы получить максимальный нагрев при ограниченном запасе топлива.

Морские котлы Стирлинга

Хотя в основном это наземный котел, четырехбарабанный котел также использовался в качестве морского котла для питания больших кораблей . ^[4]

Кирпичный корпус был заменен коробчатым стальным корпусом, облицованным огнеупорным кирпичом. Диаметр водяной трубки был уменьшен до 2–2+1 ⁄ дюйма (50,8 и 63,5 мм). Чтобы избежать проблем со смещением уровня воды при качке корабля, водяные барабаны были расположены крест-накрест корпуса и снабжены внутренними перегородками.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме котлов Стирлинга .

Ларри Тарвин. «Котел Стерлинга» (PDF) . Американское общество инженеров-энергетиков . Проверено 20 февраля 2015 г.