قاطرة بخارية مكثفة

قاطرة البخار المكثفة هي نوع من القاطرات المصممة لاستعادة بخار العادم، إما لتحسين مدى السير بين عمليات تزويد الغلاية بالماء ، أو لتقليل انبعاث البخار داخل الأماكن المغلقة. يقوم الجهاز بأخذ بخار العادم الذي يُستخدم عادةً لتوليد تيار هواء لغرفة الاحتراق ، ويوجهه عبر مبادل حراري إلى خزانات مياه الغلاية. تختلف التركيبات باختلاف الغرض والتصميم ونوع القاطرة المُجهزة بها. وهي تختلف عن محرك البخار المكثف ذي الدورة المغلقة المعتاد ، في أن وظيفة المكثف الأساسية هي استعادة الماء أو تجنب الانبعاثات الزائدة إلى الغلاف الجوي، بدلاً من الحفاظ على فراغ لتحسين الكفاءة والطاقة .

على عكس المكثف السطحي المستخدم عادةً في التوربينات البخارية أو محركات البخار البحرية ، فإن جهاز التكثيف في قاطرة البخار لا يزيد عادةً من القدرة الناتجة، بل قد يقللها بشكل ملحوظ نتيجةً لانخفاض تدفق الهواء إلى غرفة الاحتراق التي تُسخّن غلاية البخار. يُؤدي تكثيف البخار من غاز ذي حجم كبير إلى سائل ذي حجم صغير إلى انخفاض كبير في الضغط عند العادم، وهو ما يُضيف عادةً قدرة إضافية في معظم محركات البخار. مع أن زيادة القدرة المُتاحة نظريًا عن طريق التمدد إلى فراغ، إلا أن القدرة الناتجة تنخفض فعليًا بشكل كبير مقارنةً بقاطرة البخار التقليدية نظرًا لانخفاض تدفق الهواء عبر غرفة الاحتراق، إذ لا يوجد بخار مُهدر يُطرد إلى عادم غرفة الاحتراق لسحب المزيد من الهواء إلى مدخل الهواء. لإنتاج قدرة مماثلة، يجب توفير الهواء لغرفة الاحتراق بواسطة مروحة تعمل بالبخار أو ميكانيكيًا. وهذا غالبًا ما يُلغي أي تحسن في الكفاءة.

تكون درجة حرارة بخار العادم أعلى من درجة حرارة محطات البخار الثابتة أو البحرية ذات القدرة المماثلة، وذلك لقلة مراحل استعادة الحرارة المهدرة، إذ غالبًا ما تحتوي السفن على محرك بخاري مركب مع مرحلة ضغط منخفض إضافية أو حتى توربين منخفض السرعة. في محطات البخار الحديثة، تُستعاد الحرارة المهدرة عادةً باستخدام مبادلات حرارية. إلا أن قاطرات التكثيف لا تتمتع بهذه الميزة، حيث تُطرد الحرارة المهدرة إلى الهواء المحيط دون استعادتها، وبالتالي لا تُستعاد أي طاقة من بخار العادم لأداء عمل ميكانيكي. في كثير من الأحيان، يكون تدرج درجة الحرارة أسوأ بكثير نظرًا لاستخدام الهواء بدلًا من وجود مصدر وفير لمياه التبريد كما هو الحال في محطات الطاقة البخارية البحرية أو الثابتة. يُقلل نظام التكثيف من أندرسون هذه الخسائر بشكل كبير من خلال تبريد بخار العادم جزئيًا فقط قبل ضغطه وتحويله إلى مكثف، ثم ضخ المكثف ذي درجة الحرارة العالية مرة أخرى إلى المرجل لاستعادة الحرارة المهدرة غير المستخدمة. يُقلل هذا بشكل كبير من هدر الطاقة .

نظراً لارتفاع درجة الحرارة نسبياً في مكثف القاطرة، وانبعاث الحرارة إلى الهواء، فإن التحسن المتوقع في الكفاءة الحرارية من خلال دمج المكثف في الدورة لا يتحقق عادةً ضمن قيود المساحة في القاطرة النموذجية. في الواقع، من المرجح أن تؤدي الخسائر الناتجة عن الاحتكاك اللزج في أنابيب المكثف، وضرورة إعادة ضخ المكثف إلى المرجل، إلى تقليل الطاقة الناتجة مقارنةً بما كان يمكن تحقيقه من خلال تصريف الحرارة إلى الغلاف الجوي فقط .

لا تنطبق هذه القيود على محركات البخار البحرية أو الثابتة لعدم وجود قيود على حجمها أو وزنها. غالبًا ما كانت السفن مزودة بأنظمة ضخمة لاستعادة بخار النفايات، مثل توربين بخار النفايات الذي يزن 400 طن والذي استُخدم لاستعادة بخار النفايات ذي الضغط المنخفض جدًا (41 كيلو باسكال) على متن سفينة تايتانيك وسفنها الشقيقة. ^{[ 1 ]} هذا الوزن يعادل أضعاف وزن قاطرة كاملة، وبالتالي من الواضح أنه غير عملي كشكل من أشكال استعادة بخار النفايات للقاطرات.  

من عيوب تكثيف بخار العادم أنه لم يعد متاحًا لسحب النار باستخدام أنبوب النفخ . لذا، يجب توليد السحب بدلًا من ذلك بواسطة مروحة تعمل بالبخار. ^{[ 2 ]} وقد تم ترتيب ذلك، حيثما أمكن، لاستخدام بخار العادم، على الرغم من أنه في بعض الحالات كان من الضروري استخدام البخار الحي، مما يستلزم بخارًا إضافيًا وبالتالي استهلاكًا أكبر للوقود.

قد تكون مكثفات قاطرات البخار مبردة بالماء أو مبردة بالهواء.

هناك سببان شائعان لتركيب معدات التكثيف - تقليل انبعاثات العادم وزيادة المدى.

انخفاض انبعاثات العادم

خطوط السكك الحديدية تحت الأرض

طُوّر هذا النظام في الأصل لسكك حديد متروبوليتان لتمكين قاطراتها من العمل في أنفاق مترو أنفاق لندن . ابتكره دانيال غوتش وطورته شركة باير، بيكوك وشركاه . يُحوّل البخار من أنابيب عادم البخار إلى خزانات المياه عبر أنابيب تكثيف داخل الخزانات نفسها. ^{[ 5 ]} قد ترتفع درجة حرارة الماء في الخزانات بسرعة إلى ما يقارب درجة الغليان ، مما يقلل من تأثير التكثيف على بخار العادم. كان من المعتاد تفريغ الخزانات وإعادة ملئها بالماء البارد بشكل دوري. لا تعمل الحاقنات العادية بالماء الساخن ^{[ 5 ]} (إلى أن طُوّرت حاقنات الماء الساخن)، لذا كانت القاطرات المكثفة تُزوّد ​​عادةً بمضخات تغذية مياه الغلاية التي تعمل بواسطة المحور . عندما لا تعمل القاطرات في الأنفاق، يُوجّه البخار إلى أنبوب النفث ثم إلى المدخنة بالطريقة المعتادة.

خطوط الترام على جانب الطريق

في بريطانيا ، كان القانون يُلزم قاطرات الترام البخارية العاملة على الطرقات بتركيب مكثفات. استُخدمت مكثفات خزانات المياه (كما ذُكر سابقًا) أحيانًا، لكن المكثفات الهوائية كانت أكثر شيوعًا. عادةً ما كان لمحرك الترام البخاري سقفٌ كامل الطول، يعلوه شبكة من أنابيب النحاس المبردة بالهواء، حيث يتكثف بخار العادم. صنعت شركة كيتسون وشركاه العديد من المحركات من هذا النوع. كان النظام مُرضيًا لمحركات الترام (التي كانت ذات قدرة منخفضة جدًا)، لكنه لم يكن ليُناسب قاطرات السكك الحديدية الأكبر حجمًا.

• مكثف نفاث
• مكثف كيرشويجر
• مكثف سطحي

الوسائط المتعلقة بتكثيف قاطرات البخار على ويكيميديا ​​كومنز