غلاية (لتوليد الطاقة)

في أول محرك نيوكومن عام 1712، لم يكن المرجل سوى غلاية كبيرة تُشبه غلاية تخمير البيرة ، مُثبّتة أسفل أسطوانة الطاقة. ولأن طاقة المحرك كانت مُستمدة من الفراغ الناتج عن تكثيف البخار، فقد تطلّب الأمر كميات كبيرة من البخار بضغط منخفض جدًا، لا يتجاوز 6.9 كيلو باسكال ( 1 رطل لكل بوصة مربعة ) . وُضع المرجل بالكامل داخل جدار من الطوب، مما ساهم في الاحتفاظ ببعض الحرارة. أُشعلت نار فحم ضخمة على شبكة أسفل وعاء مُقعّر قليلاً، مما وفّر سطح تسخين صغيرًا جدًا؛ ولذلك، كان هناك قدر كبير من الحرارة يُهدر عبر المدخنة . في النماذج اللاحقة، ولا سيما نماذج جون سميتون ، زاد سطح التسخين بشكل ملحوظ عن طريق جعل الغازات تُسخّن جوانب المرجل، مرورًا بمدخنة . قام سميتون أيضًا بإطالة مسار الغازات باستخدام مدخنة حلزونية أسفل المرجل. استُخدمت هذه المراجل ذات الاحتراق السفلي بأشكال مختلفة طوال القرن الثامن عشر. بعضها كان ذا مقطع دائري (على شكل كومة قش). طُوِّر نموذج أطول ذو تصميم مستطيل الشكل حوالي عام 1775 على يد بولتون ووات (غلاية ذات سطح علوي). وهذا ما يُعرف اليوم بالغلاية ثلاثية المسارات، حيث تُسخِّن النار الجزء السفلي، ثم تمر الغازات عبر مدخنة أنبوبية مركزية مربعة المقطع، وأخيرًا حول جوانب الغلاية.  

كان المهندس البريطاني جون بلاكي من أوائل المؤيدين للشكل الأسطواني، حيث اقترح تصميمه عام 1774. ^{[ 1 ] [ 2 ]} وكان المهندس الأمريكي أوليفر إيفانز من أوائل المؤيدين أيضاً ، إذ أدرك بحق أن الشكل الأسطواني هو الأفضل من حيث المقاومة الميكانيكية، وبدأ في أواخر القرن الثامن عشر بدمجه في مشاريعه. ولعل إيفانز استلهم فكرته من كتابات ليوبولد حول مخطط محرك "الضغط العالي" التي نُشرت في موسوعات منذ عام 1725، ففضّل "البخار القوي"، أي المحركات غير المكثفة التي يُحرّك فيها ضغط البخار وحده المكبس ، ثم يُصرّف البخار إلى الغلاف الجوي. ورأى إيفانز أن ميزة البخار القوي تكمن في إمكانية إنجاز المزيد من العمل بكميات أقل من البخار؛ مما مكّن من تصغير حجم جميع المكونات، وجعل المحركات مناسبة للنقل والمنشآت الصغيرة. ولهذا الغرض، طوّر إيفانز غلاية أفقية أسطوانية طويلة من الحديد المطاوع، دُمج فيها أنبوب احتراق واحد، وُضعت في أحد طرفيه شبكة احتراق . ثم عُكس تدفق الغاز إلى ممر أو قناة أسفل أسطوانة الغلاية، ثم انقسم ليعود عبر قنوات جانبية ليلتقي مجددًا في المدخنة (غلاية المحرك الكولومبي). وقد دمج إيفانز غلايته الأسطوانية في العديد من المحركات، الثابتة منها والمتحركة. ونظرًا لاعتبارات المساحة والوزن، كانت المحركات المتحركة ذات مسار واحد للعادم، حيث يُصرّف الغاز مباشرةً من أنبوب الاحتراق إلى المدخنة.

كان ريتشارد تريفيتيك ، وهو من كورنوال، من أبرز المؤيدين لاستخدام البخار القوي في ذلك الوقت . عملت غلاياته بضغط يتراوح بين 40 و50 رطلًا لكل بوصة مربعة (276-345 كيلوباسكال) ، وكانت في البداية نصف كروية ثم أسطوانية الشكل. ابتداءً من عام 1804، أنتج تريفيتيك غلاية صغيرة ذات مسارين أو مدخنة رجوع للمحركات شبه المتنقلة ومحركات القاطرات. تميزت غلاية كورنوال التي طورها ريتشارد تريفيتيك حوالي عام 1812 بقوة وكفاءة أعلى من الغلايات البسيطة التي سبقتها. تألفت من خزان مياه أسطواني الشكل يبلغ طوله حوالي 8.2 متر (27 قدمًا) وقطره 2.1 متر (7 أقدام ) ، ومزود بشبكة احتراق بالفحم مثبتة في أحد طرفي أنبوب أسطواني واحد يبلغ عرضه حوالي متر واحد، ويمر طوليًا داخل الخزان. كانت النار تُشعل من أحد طرفي الأنبوب، وتنتقل الغازات الساخنة المنبعثة منه عبره لتخرج من الطرف الآخر، ثم تُعاد تدويرها عبر قنوات خارجية، ثم تمر مرة ثالثة أسفل أسطوانة المرجل قبل أن تُطرد إلى المدخنة. وقد طُوّر هذا النظام لاحقًا في مرجل آخر ثلاثي المسارات، وهو مرجل لانكشاير ، الذي احتوى على فرنَين في أنبوبين منفصلين متجاورين. وكان هذا تحسينًا هامًا، إذ كان بالإمكان تزويد كل فرن بالوقود في أوقات مختلفة، مما يسمح بتنظيف أحدهما أثناء تشغيل الآخر.    

كانت غلايات قاطرات السكك الحديدية عادة من النوع ذي المرور الواحد، على الرغم من أن غلايات المدخنة العائدة ذات المرورين كانت شائعة في الأيام الأولى، وخاصة مع القاطرات التي بناها تيموثي هاكوورث .

شهدت فرنسا تقدماً ملحوظاً عام 1828 عندما ابتكر مارك سيغوين غلاية ذات مسارين، يتكون المسار الثاني منها من حزمة أنابيب متعددة. وكان تصميم مشابه يعتمد على الحث الطبيعي، والذي استُخدم للأغراض البحرية، هو الغلاية البحرية الاسكتلندية الشهيرة .

قبل تجارب رينهيل عام ١٨٢٩، اقترح هنري بوث ، أمين صندوق سكة حديد ليفربول ومانشستر، على جورج ستيفنسون تصميمًا لغلاية أفقية متعددة الأنابيب ذات مسار واحد، تتألف من وحدتين: صندوق احتراق محاط بفراغات مائية، وأسطوانة غلاية تتكون من حلقتين تلسكوبيتين مثبت بداخلهما ٢٥ أنبوبًا نحاسيًا؛ وقد شغلت حزمة الأنابيب حيزًا كبيرًا من الفراغ المائي في الأسطوانة، مما حسّن نقل الحرارة بشكل كبير . أبلغ جورج الأب ابنه روبرت بالتصميم على الفور، وكانت هذه هي الغلاية المستخدمة في قاطرة ستيفنسون "روكيت" ، الفائزة بجدارة في التجربة. شكّل هذا التصميم أساسًا لجميع القاطرات التي بناها ستيفنسون لاحقًا، وسرعان ما تبنّاه مصممون آخرون؛ ولا يزال هذا النمط من غلايات الأنابيب النارية يُستخدم حتى اليوم.

لتحقيق خصائص احتراق مثالية للنار ، يجب تزويدها بالهواء من خلال الشبكة وفوق النار. تعتمد معظم الغلايات حاليًا على معدات السحب الميكانيكي بدلًا من السحب الطبيعي . ويعود ذلك إلى أن السحب الطبيعي يتأثر بظروف الهواء الخارجي ودرجة حرارة غازات الاحتراق الخارجة من الفرن، فضلًا عن ارتفاع المدخنة. كل هذه العوامل تجعل من الصعب تحقيق سحب فعال، وبالتالي فإن معدات السحب الميكانيكي أكثر اقتصادية. وهناك ثلاثة أنواع من السحب الميكانيكي:

1. السحب المستحث: يُحقق هذا النوع من السحب بإحدى ثلاث طرق، أولها "تأثير المدخنة" الناتج عن تسخين المدخنة، حيث تكون كثافة غازات الاحتراق أقل من كثافة الهواء المحيط بالغلاية. يدفع عمود الهواء المحيط الأكثر كثافة هواء الاحتراق إلى داخل الغلاية وعبرها. أما الطريقة الثانية فتعتمد على استخدام نفاث بخاري. يعمل النفاث البخاري أو القاذف، الموجه في اتجاه تدفق غازات الاحتراق، على دفع هذه الغازات إلى المدخنة، مما يسمح بزيادة سرعة تدفقها وبالتالي زيادة السحب الكلي في الفرن. كانت هذه الطريقة شائعة في قاطرات البخار التي لم يكن من الممكن أن تحتوي على مداخن عالية. أما الطريقة الثالثة فتعتمد ببساطة على استخدام مروحة سحب مستحث (مروحة سحب) تسحب غازات الاحتراق من الفرن إلى أعلى المدخنة. تتميز جميع أفران السحب المستحث تقريبًا بضغط سلبي.
2. السحب القسري: يتم الحصول على السحب عن طريق دفع الهواء إلى الفرن بواسطة مروحة (مروحة السحب القسري) وقنوات تهوية. غالبًا ما يمر الهواء عبر سخان هواء، والذي، كما يوحي اسمه، يسخن الهواء الداخل إلى الفرن لزيادة كفاءة المرجل الإجمالية. تُستخدم صمامات للتحكم في كمية الهواء الداخل إلى الفرن. عادةً ما يكون ضغط الهواء في أفران السحب القسري موجبًا.
3. السحب المتوازن: يُحقق السحب المتوازن باستخدام كلٍ من السحب المستحث والسحب القسري. وهذا شائعٌ في الغلايات الكبيرة حيث يتعين على غازات الاحتراق قطع مسافة طويلة عبر العديد من مسارات الغلاية. تعمل مروحة السحب المستحث بالتزامن مع مروحة السحب القسري، مما يسمح بالحفاظ على ضغط الفرن أقل بقليل من الضغط الجوي.

تتمثل المرحلة التالية في غلي الماء وتحويله إلى بخار. والهدف هو ضمان انتقال الحرارة بأكبر قدر ممكن من مصدرها إلى الماء. يُحصر الماء في حيز محدود يُسخّن بالنار. يتميز البخار الناتج بكثافة أقل من كثافة الماء، ولذلك يتراكم في أعلى مستوى داخل الوعاء؛ وتبقى درجة حرارته عند نقطة الغليان، ولا ترتفع إلا مع ازدياد الضغط. يُطلق على البخار في هذه الحالة (المتوازن مع الماء السائل المتبخر داخل المرجل) اسم "البخار المشبع " . على سبيل المثال، يغلي البخار المشبع عند الضغط الجوي عند درجة حرارة 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت) . قد يحتوي البخار المشبع الخارج من المرجل على قطرات ماء عالقة، إلا أن المرجل المصمم جيدًا يُنتج بخارًا مشبعًا "جافًا" تقريبًا، مع كمية قليلة جدًا من الماء العالق. يؤدي استمرار تسخين البخار المشبع إلى وصوله إلى حالة "التحميص الفائق"، حيث يُسخّن البخار إلى درجة حرارة أعلى من درجة حرارة التشبع، ولا يمكن أن يوجد ماء سائل في هذه الحالة. معظم محركات البخار الترددية في القرن التاسع عشر كانت تستخدم البخار المشبع، ومع ذلك فإن محطات الطاقة البخارية الحديثة تستخدم بشكل عام البخار المحمص مما يسمح بكفاءة أعلى لدورة البخار .  

يقدم LD Porta المعادلة التالية التي تحدد كفاءة قاطرة البخار ، والتي تنطبق على محركات البخار من جميع الأنواع: الطاقة (كيلوواط) = إنتاج البخار (كجم ساعة ^-1 ) / استهلاك البخار المحدد (كجم/كيلوواط ساعة).

يمكن توليد كمية أكبر من البخار من كمية معينة من الماء عن طريق تسخينه بدرجة حرارة أعلى بكثير من درجة حرارة البخار المشبع الناتج عنه، وبالتالي يمكن نقل كمية أكبر من الحرارة إلى البخار المتكون مسبقًا عن طريق تسخينه بدرجة حرارة أعلى بكثير، مما يحول قطرات الماء العالقة فيه إلى المزيد من البخار ويقلل بشكل كبير من استهلاك الماء.

يعمل المُسخّن الفائق مثل ملفات التبريد في وحدة تكييف الهواء ، ولكن لغرض مختلف. يتم توجيه أنابيب البخار (التي يتدفق البخار من خلالها) عبر مسار غازات الاحتراق في فرن الغلاية. تتراوح درجة الحرارة في هذه المنطقة عادةً بين 1300 و1600 درجة مئوية (2372-2912 درجة فهرنهايت ) . بعض المُسخّنات الفائقة من النوع الإشعاعي (تمتص الحرارة بالإشعاع الحراري )، وبعضها الآخر من النوع الحملي (تمتص الحرارة عبر سائل، أي غاز)، وبعضها يجمع بين النوعين. لذا، سواءً كان ذلك عن طريق الحمل الحراري أو الإشعاع، فإن الحرارة الشديدة في فرن الغلاية/مسار غازات الاحتراق ستسخن أيضًا أنابيب البخار في المُسخّن الفائق والبخار الموجود بداخله. وبينما ترتفع درجة حرارة البخار في المُسخّن الفائق، لا يرتفع ضغط البخار: إذ يوفر التوربين أو المكابس المتحركة "مساحة تتمدد باستمرار"، ويبقى الضغط كما هو في الغلاية. ^{[ 4 ]} صُممت عملية تسخين البخار الفائق، في المقام الأول، لإزالة جميع القطرات العالقة فيه، وذلك لمنع تلف شفرات التوربين أو الأنابيب المتصلة بها. يؤدي تسخين البخار الفائق إلى زيادة حجمه، مما يسمح لكمية معينة منه (بالوزن) بتوليد طاقة أكبر.  

عندما يتم التخلص من جميع القطرات، يقال إن البخار يكون في حالة تسخين فائقة.

في غلاية قاطرة ستيفنسون ذات الأنابيب النارية، يتم توجيه البخار المشبع عبر أنابيب صغيرة القطر معلقة داخل أنابيب نارية كبيرة القطر، مما يجعلها على اتصال بالغازات الساخنة الخارجة من غرفة الاحتراق. يتدفق البخار المشبع عكسيًا من المجمع الرطب باتجاه غرفة الاحتراق، ثم يعود للأمام إلى المجمع الجاف. لم يبدأ استخدام التسخين الفائق على نطاق واسع في القاطرات إلا حوالي عام 1900 بسبب مشاكل ارتفاع درجة حرارة الأجزاء المتحركة في الأسطوانات وصناديق البخار ومشاكل تزييتها. تقوم العديد من غلايات الأنابيب النارية بتسخين الماء حتى يغلي، ثم يُستخدم البخار عند درجة حرارة التشبع، أي درجة غليان الماء عند ضغط معين (البخار المشبع)؛ ومع ذلك، لا يزال هذا البخار يحتوي على نسبة كبيرة من الماء معلقًا. يمكن استخدام البخار المشبع مباشرةً في المحرك، ولكن نظرًا لأن الماء المعلق لا يتمدد ولا يقوم بعمل، والعمل يستلزم انخفاضًا في درجة الحرارة، فإن جزءًا كبيرًا من سائل التشغيل يُهدر مع الوقود المستهلك لإنتاجه.

هناك طريقة أخرى لإنتاج البخار بسرعة، وهي تغذية الماء المضغوط في أنبوب أو أنابيب محاطة بغازات الاحتراق. طُوّر أول مثال على ذلك على يد غولدزورثي غورني في أواخر عشرينيات القرن التاسع عشر لاستخدامه في عربات الطرق البخارية. كان هذا المرجل صغير الحجم وخفيف الوزن للغاية، وأصبح هذا التصميم منذ ذلك الحين هو المعيار في التطبيقات البحرية والثابتة. غالبًا ما تحتوي الأنابيب على عدد كبير من الانحناءات، وأحيانًا زعانف لزيادة مساحة السطح إلى أقصى حد. يُفضّل هذا النوع من المراجل عمومًا في تطبيقات الضغط العالي، حيث يُحصر الماء/البخار عالي الضغط داخل أنابيب ضيقة ذات جدران رقيقة قادرة على احتواء الضغط. مع ذلك، قد يكون هذا النوع عرضة للتلف بسبب الاهتزازات في وسائل النقل البري. في المرجل المقطعي المصنوع من الحديد الزهر ، والذي يُطلق عليه أحيانًا اسم "مرجل شرائح اللحم"، يُحصر الماء داخل مقاطع من الحديد الزهر. تُجمّع هذه المقاطع ميكانيكيًا في الموقع لتكوين المرجل النهائي.

تُستخدم مولدات البخار فوق الحرجة بكثرة في إنتاج الطاقة الكهربائية . تعمل هذه المولدات عند ضغط فوق الحرج. وعلى عكس الغلاية تحت الحرجة، يعمل مولد البخار فوق الحرج عند ضغط عالٍ جدًا (أكثر من 3200 رطل لكل بوصة مربعة أو 22.06 ميجا باسكال ) بحيث يتوقف الغليان الفعلي، فلا يوجد فصل بين الماء السائل والبخار في الغلاية. لا تتولد فقاعات بخار داخل الماء، لأن الضغط أعلى من الضغط الحرج الذي تتشكل عنده فقاعات البخار. يمر البخار دون النقطة الحرجة أثناء عمله في توربين عالي الضغط، ثم يدخل مكثف المولد . ينتج عن ذلك استهلاك أقل للوقود، وبالتالي انبعاثات أقل من غازات الاحتباس الحراري . لا يُنصح باستخدام مصطلح "غلاية" لوصف مولد البخار فوق الحرج، إذ لا يحدث غليان فعليًا في هذا الجهاز.  

تستخدم عربة دوبل البخارية مولدًا ذا تدفق معاكس أحادي الاتجاه، يتكون من أنبوب متصل. يقع الموقد هنا فوق الملف بدلًا من أسفله. يُضخ الماء إلى الأنبوب من الأسفل، ويُسحب البخار من الأعلى. هذا يعني أن كل جزيء من الماء والبخار يمر عبر جميع أجزاء المولد، مما يُحدث دورانًا قويًا يمنع تكون أي رواسب أو قشور داخل الأنبوب. يدخل الماء إلى أسفل هذا الأنبوب بمعدل تدفق يبلغ 183 مترًا في الثانية، وبكمية ماء لا تتجاوز لترين في الأنبوب في أي وقت. 

أثناء مرور الغازات الساخنة بين الملفات، تبرد تدريجياً نتيجة امتصاص الماء للحرارة. ويبقى الجزء الأخير من المولد الذي تتلامس معه الغازات هو الماء البارد الداخل.

ينطفئ اللهب تلقائيًا عند وصول الضغط إلى قيمة محددة مسبقًا، عادةً ما تكون 750 رطل لكل بوصة مربعة (5.2 ميجا باسكال) لضغط الماء البارد؛ ويوفر صمام أمان مضبوط على 1200 رطل (544 كجم) حماية إضافية. ينطفئ اللهب تلقائيًا بفعل الحرارة والضغط، لذا في حال جفاف المرجل تمامًا، يستحيل إتلاف الملف لأن اللهب سينطفئ تلقائيًا بفعل الحرارة. ^{[ 7 ]}    

تتمتع مولدات الدوران القسري المماثلة ، مثل غلايات بريتشارد ولامونت وفيلوكس، بنفس الميزة.