스털링 보일러

thumb|right|5드럼 형태, 단면. 체인 화격자 자동 연료 공급기(왼쪽)에 주목.
스털링 보일러()는 초기 형태의 수관 보일러로, 대규모 육상 고정식 발전소에서 증기를 생성하는 데 사용되었다. 1900년대에 널리 사용되었으나, 현재는 인기가 시들해 거의 찾아보기 어렵다.

 설계 
thumb|right|일반적인 4드럼 형태
thumb|원래 사탕수수 바가스로 가열되었던 호주 퀸즐랜드에 있는 스털링 보일러의 벽돌 외함. 굴뚝은 오른쪽에 있다.
스털링 보일러는 수관 보일러의 대형 배열 중 하나이다: 고정식으로 사용하기에 적합하지만, 적당한 전력 요구 사항을 가진 대형 선박을 제외하고는 이동식으로 사용하기에는 비실용적이다. 이는 여러 증기 드럼과 수관 드럼 사이를 지그재그로 오가는 거의 수직인 수관 위로 굴곡진 가스 경로가 통과하는 대형 벽돌 건물로 구성되어 있다.

이는 수관 보일러의 오래된 "대형 튜브" 설계 중 하나로, 직경이 약 3¼인치(83mm)인 수관을 가지고 있다. 튜브는 여러 개의 원통형 수평 증기 드럼 (상단) 및 수관 드럼 (하단) 사이에 거의 수직인 뱅크로 배열되어 있다. 드럼의 수는 다양하며, 스털링 설계는 3-, 4- 및 5드럼 보일러로 분류된다. 튜브 뱅크의 수는 이보다 하나 적은 2, 3 또는 4개의 뱅크이다.

노에서 나오는 가스 흐름은 각 뱅크를 차례로 통과한다. 각 뱅크에는 내화 벽돌 타일의 부분 칸막이가 놓여 있어, 가스가 각 뱅크를 통해 먼저 위로 흐른 다음 아래로 흐르도록 강제한다. 특이하게도 가스 흐름의 대부분은 튜브의 축을 따라 흐르며, 가로지르지 않는다.

위아래로의 모든 순환은 가열 튜브를 통해 이루어지며, 별도의 외부 하강관은 없다. 그러나 증기 드럼과 (5드럼 보일러의 경우) 수관 드럼은 짧은 수평 파이프로 연결되어 있으며, 이들은 순환 회로의 일부를 형성한다.

튜브 자체는 이음매 없이 인발된 강철로 만들어졌으며, 대부분 직선형이지만 끝부분이 완만하게 구부러져 있다. 보일러의 설치는 큰 벽돌 건물에 둘러싸여 있지만, 증기 드럼은 이 건물 내부의 별도 거더 프레임워크에 매달려 있어 열에 의한 열팽창을 허용한다. 튜브와 수관 드럼은 증기 드럼에 매달려 있으며, 이는 다시 튜브 끝에 부담을 주지 않고 자유로운 팽창을 허용한다. 튜브 끝이 구부러져 있기 때문에 수관이 드럼에 방사형으로 들어갈 수 있어 쉽게 밀봉할 수 있지만, 이는 당시 유행에 따라 열팽창으로 인해 중요하게 여겨졌던 특징이었다.

스털링 보일러는 매우 큰 크기로 제작될 수 있다. 일반적으로 표준 설계를 사용하지만, 필요에 따라 폭을 다양하게 조절한다.

 과열기 
과열기가 장착된 경우 보일러의 상부, 처음 두 증기 드럼 사이에 직선 또는 헤어핀 튜브로 설치된다. 칸막이는 이 영역으로 가스 흐름을 먼저 유도하여 최고 온도에 도달할 수 있도록 한다.

 연료 
다양한 연료를 연소할 수 있으며, 넓은 화격자 면적은 저품질 연료가 필요한 경우 쉽게 더 늘릴 수 있다. 원래 보일러는 석탄을 연소하기 위해 개발되었지만, 이후 여러 종류의 나무나 식물 폐기물을 연소하는 데 사용되었다.

높은 연소율이 필요한 경우 체인식 자동 연료 공급기를 장착할 수도 있다.

3드럼 형태는 제철소나 기타 산업 공정의 배기가스를 사용하는 열 회수 보일러로도 사용된다.

 순환 
가스 흐름이 각 튜브 뱅크를 차례로 통과하면서 후속 뱅크는 훨씬 낮은 온도를 유지한다. 이는 열사이펀 효과에 의해 "극도로 효율적인" 순환을 촉진한다. 수위는 증기 드럼이 대략 반쯤 채워진 상태로 유지되므로 튜브는 상단이 영구적으로 잠긴 "침수" 상태로 작동한다.

첫 번째 뱅크의 흐름은 튜브가 가열됨에 따라 거의 수직 위치에 의해 위로 올라간다. 나중의 수관에 있는 차가운 물은 내려간다. 증기 드럼 사이의 연결 파이프에 의해 순환이 완료된다. 순환은 초기, 더 뜨거운 회로에서 더 활발하다.

4드럼 형태에서 중간 뱅크 내의 순환은 첫 번째 뱅크와의 하강 회로와 다음 뱅크와의 상승 회로로 분할될 수 있다.

 급수 
급수는 마지막 증기 드럼으로 공급되며 내부 트로프를 통해 분배된다. 차가운 급수는 마지막 튜브 뱅크를 통해 마지막 수관 드럼으로 천천히 내려간다.

침전 가능한 침전물(속어로는 "진흙")은 이 회로에서 용액에서 분리되어 마지막 수관 드럼에 축적될 것이다. 이는 침전물이 더 활발한 초기 튜브 뱅크에서 멀리 떨어지게 하여 주요 가열 튜브 내의 스케일 축적 문제와 비효율성을 줄여준다. 마지막 수관 드럼은 "진흙"을 모으는 데도 사용될 수 있기 때문에 때때로 "머드 드럼"이라고도 불린다.

 장점 
스털링 설계에는 세 가지 장점이 있다.

 튜브 뱅크를 여러 번 통과하고 순환 및 급수 배열을 신중하게 함으로써 보일러는 일반적으로 매우 효율적이다.
 화격자 면적은 물 회로 설계에 영향을 주지 않고 쉽게 변경할 수 있다. 이를 통해 폐기물 및 폐기물과 같은 저급 연료를 연소하기 위한 대형 화격자를 사용할 수 있다. 산업 공정에서 공정 증기가 필요하고 가연성 폐기물도 생성하는 경우, 스털링 보일러는 한 가지를 사용하여 다른 것을 생성할 수 있었다. 이것은 설탕 정제에서 바가스를 연소하거나 제지 펄프 공장에서 나무껍질 폐기물을 연소하는 데 일반적으로 사용되었다. 스털링 보일러는 제2차 세계 대전 이전에도 도시에서 생활 폐기물을 태우는 데 사용되었고, 생성된 증기는 발전용으로 사용되었다. (나중에 배출 규제로 인해 '통제되지 않은' 폐기물 연소는 비실용적이 되었다).
 마지막으로, 구성 요소에 대한 내부 접근이 용이하여 청소 및 유지 보수가 쉽다. 특히, 전체 뱅크를 분해할 필요 없이 개별 수관을 교체할 수 있다.

 단점 
 보일러는 출력에 비해 물리적으로 크다.
 대구경 튜브의 사용은 이 시기에 다른 설계들이 시작하고 있던 고압을 다루는 능력을 제한한다. 150psi의 작동 압력은 복합 증기 기관을 구동하는 데 적합했지만, 증기 터빈에는 비효율적이었다.
 튜브 배열은 보일러의 효율성을 높였지만, 과열기 온도는 그렇지 않았다. 다시 말하지만, 개발이 왕복 기관에서 터빈으로 이동함에 따라 이는 상당한 한계가 되었다.

 변형 
thumb|right|소형 3드럼 형태, 노는 오른쪽에
대체로 비슷하지만, 튜브 뱅크 수가 다른 변형이 생산된다.

 3드럼 또는 'V' 형태 
이 더 간단한 형태는 주로 저출력 또는 다른 노 가스로부터의 열 회수에 사용된다.

 4드럼 또는 'B' 형태 
이것이 보일러의 주요 형태이며, 경제적인 건설로 효율적인 결과를 제공한다.

해양 보일러 버전도 이 형태이다.

 5드럼 또는 'W' 형태 
이것은 추가 튜브 뱅크를 사용하여 효율성을 높이는 더 복잡한 형태이다. 발전소와 같은 대형 설비나 제한된 연료 용량에서 최대의 가열을 얻기 위해 효율성이 가장 필요한 곳에서 가장 인기가 있다.

 해양 스털링 보일러 
일반적으로 육상 보일러이지만, 4드럼 형태는 대형 증기선에 동력을 공급하는 해양 보일러로도 사용되었다.

벽돌 건물은 내화 벽돌로 안을 댄 상자형 강철 하우징으로 교체되었다. 수관 직경은 사이로 줄어들었다. 배가 기울어질 때 수위가 변동하는 문제를 피하기 위해 수관 드럼은 선체에 직각으로 배열되었고 내부 칸막이가 제공되었다.

 각주 

 외부 링크 

 

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