المحماة

📅 آخر تحديث: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 5 صور
الموسوعة الحرة

المُسخّن الفائق هو جهاز يُستخدم لتحويل البخار المُشبع أو البخار الرطب إلى بخار مُحمّص فائق أو بخار جاف. يُستخدم البخار المُحمّص الفائق في التوربينات البخارية لتوليد الكهرباء ، وفي بعض المحركات البخارية ، وفي عمليات مثل إعادة تشكيل البخار . توجد ثلاثة أنواع من المُسخّنات الفائقة: الإشعاعية، والحملية، والمُسخّنة بشكل منفصل. يتراوح حجم المُسخّن الفائق من بضعة عشرات من الأقدام إلى عدة مئات من الأقدام (من بضعة أمتار إلى بضع مئات من الأمتار).

الأنواع

  • يتم وضع جهاز التسخين الإشعاعي الفائق مباشرة في المنطقة الإشعاعية لغرفة الاحتراق بالقرب من جدار الماء لامتصاص الحرارة عن طريق الإشعاع.
  • يقع مسخن الحمل الحراري في منطقة الحمل الحراري للفرن، في مسار غازات المداخن الساخنة، وعادةً ما يكون أمام جهاز التوفير . ويُطلق على مسخن الحمل الحراري أيضًا اسم مسخن أولي.
  • المُسخّن الفائق ذو الاحتراق المنفصل هو مُسخّن فائق يُوضع خارج المرجل الرئيسي، وله نظام احتراق مستقل خاص به. يتضمن تصميم هذا المُسخّن الفائق مواقد إضافية في منطقة أنابيب المُسخّن الفائق. ونادرًا ما يُستخدم، إن استُخدم أصلًا، نظرًا لانخفاض كفاءته، ولأن جودة البخار المُنتج منه لا تتفوق على جودة البخار المُنتج من أنواع المُسخّنات الفائقة الأخرى.

التوربينات البخارية

رسم تخطيطي مبسط لمحطة توليد طاقة حرارية تعمل بالفحم. عنصر التسخين الفائق هو العنصر رقم 19.

في العديد من التطبيقات، تُحقق التوربينات كفاءةً أعلى في استخدام طاقة البخار مقارنةً بالمحركات الترددية. مع ذلك، قد يحتوي البخار المشبع (الرطب) عند درجة الغليان على قطرات من الماء السائل، أو قد يتكثف إليها، مما قد يُلحق الضرر بشفرات التوربين. لذا، تقوم محركات التوربينات البخارية عادةً بتسخين البخار إلى درجة حرارة أعلى من درجة الغليان، وذلك عادةً داخل المرجل الرئيسي، لضمان عدم دخول الماء السائل إلى النظام وإلحاق الضرر بالشفرات.

محركات البخار

في المحرك البخاري ، يقوم المُسخّن الفائق بتسخين البخار المُولّد من المرجل ، مما يزيد من طاقته الحرارية ويقلل من احتمالية تكثفه داخل المحرك. [ 1 ] [ 2 ] تزيد المُسخّنات الفائقة من الكفاءة الحرارية للمحرك البخاري، وقد شاع استخدامها على نطاق واسع. يُعرف البخار المُسخّن بالبخار المُحمّص ، بينما يُسمى البخار غير المُحمّص بالبخار المُشبع أو البخار الرطب. منذ أوائل القرن العشرين، استُخدمت المُسخّنات الفائقة في العديد من قاطرات البخار ، ومعظم مركبات البخار، ومحركات البخار الثابتة. ولا تزال تُستخدم مع التوربينات البخارية في محطات توليد الطاقة الكهربائية في جميع أنحاء العالم.

القاطرات

لوحة معلومات الشركة المصنعة لشركة Superheater على قاطرة Union Pacific البخارية رقم 4014.
الترتيب العام لتركيب جهاز التسخين الفائق في قاطرة بخارية.
صورة للمُسخّن الفائق من داخل صندوق الدخان. في أعلى المنتصف يوجد مُجمّع المُسخّن الفائق، مع أنابيب تؤدي إلى الأسطوانات. تُغذّي أنابيب أسفله عناصر المُسخّن الفائق بالبخار داخل المداخن وتُخرجه منها. أُزيلت المدخنة والمخمد لتوضيح الصورة.

في قاطرات البخار ، يُعدّ نظام التسخين الفائق ذو الأنابيب النارية الشكل الأكثر شيوعًا. ينقل هذا النظام البخار المشبع المُزوّد ​​عبر الأنابيب الجافة إلى مجمع التسخين الفائق المُثبّت على صفيحة الأنابيب في صندوق الدخان . ثم يمر البخار عبر عدد من عناصر التسخين الفائق، وهي عبارة عن أنابيب طويلة موضوعة داخل أنابيب نارية ذات قطر أكبر تُسمى المداخن. تمر غازات الاحتراق الساخنة من موقد القاطرة عبر المداخن، فتسخن الماء في المرجل المحيط، بالإضافة إلى تسخين البخار داخل عناصر التسخين الفائق التي يمر فوقها. ينثني عنصر التسخين الفائق على نفسه ليعود البخار الساخن. في معظم الحالات، يحدث ذلك مرتين عند طرف الموقد ومرة ​​عند طرف صندوق الدخان، بحيث يقطع البخار مسافة تعادل أربعة أضعاف طول المجمع أثناء تسخينه. في نهاية مساره عبر العناصر، ينتقل البخار المُسخّن إلى حجرة منفصلة في مجمع التسخين الفائق، ثم إلى أسطوانات المحرك.

مخمد وصمام استنشاق

يُبرّد البخار المار عبر عناصر التسخين الفائق معدنها ويمنع انصهارها، ولكن عند إغلاق الخانق، يختفي تأثير التبريد هذا، ولذا يُغلق صمام في صندوق الدخان لقطع تدفق البخار عبر المداخن ومنع تلفها. زُوّدت بعض القاطرات، وخاصةً على خط سكة حديد لندن والشمال الشرقي ، بصمامات تهوية تسمح بدخول الهواء إلى عنصر التسخين الفائق أثناء سير القاطرة. يُحافظ ذلك على برودة عناصر التسخين الفائق نسبيًا ودفء الأسطوانات. يُمكن رؤية صمام التهوية خلف المدخنة في العديد من قاطرات خط سكة حديد لندن والشمال الشرقي.

دواسة الوقود الأمامية

يزيد المُسخّن الفائق المسافة بين صمام الخانق والأسطوانات في دائرة البخار، مما يُقلل من سرعة استجابة الخانق. ولمعالجة ذلك، زُوّدت بعض قاطرات البخار اللاحقة بصمام خانق أمامي، وُضع في صندوق الدخان بعد المُسخّن الفائق. ويمكن تمييز هذه القاطرات أحيانًا من خلال قضيب خانق خارجي يمتد على طول المرجل، مع ذراع تدوير على الجانب الخارجي من صندوق الدخان. كما يسمح هذا التصميم باستخدام البخار المُسخّن الفائق لتشغيل الأجهزة المساعدة، مثل الدينامو ومضخات الهواء . ومن مزايا صمام الخانق الأمامي أيضًا توفر البخار المُسخّن الفائق بشكل فوري. أما مع صمام الخانق القُبّي، فيستغرق الأمر بعض الوقت قبل أن يُحقق المُسخّن الفائق أي فائدة في الكفاءة.

صمامات الأسطوانات

عادة ما يتم تجهيز القاطرات المزودة بسخانات فائقة بصمامات مكبسية أو صمامات قرصية ، لأنه من الصعب الحفاظ على تزييت الصمام المنزلق بشكل صحيح في درجات الحرارة العالية.

التطبيقات

صورة فوتوغرافية ملونة مبكرة من روسيا التقطها سيرجي بروكودين غورسكي عام 1910 لقاطرة بخارية مزودة بمسخن فائق

طُوِّر أول مُسخِّن فائق عملي في ألمانيا على يد فيلهلم شميدت خلال ثمانينيات وتسعينيات القرن التاسع عشر. بُنيت قاطرة بروسية من طراز S 4 ، مزودة بنموذج مبكر من المُسخِّن الفائق، عام 1898، وأُنتجت المزيد منها على دفعات بدءًا من عام 1902. [ 3 ] وقد برهنت شركة السكك الحديدية الغربية العظمى (GWR) في المملكة المتحدة على فوائد هذا الاختراع عام 1906. اعتقد كبير المهندسين الميكانيكيين في GWR، جي جيه تشيرشوارد ، أنه يمكن تحسين نموذج شميدت، فشرع في تصميم واختبار نموذج سويندون المحلي، والذي تُوِّج بنموذج سويندون رقم 3 المُسخِّن الفائق عام 1909. [ 4 ] أجرى دوغلاس إيرل مارش سلسلة من الاختبارات المقارنة بين قاطرات فئته I3 التي تعمل بالبخار المشبع وتلك المُجهزة بمُسخِّن شميدت الفائق بين أكتوبر 1907 ومارس 1910، مُثبتًا بذلك تفوق الأخير من حيث الأداء والكفاءة. [ 5 ]

تم إدخال أجهزة التسخين الفائقة المحسنة بواسطة جون جي روبنسون من شركة السكك الحديدية المركزية الكبرى في ورش غورتون للقاطرات ، وروبرت أوري من شركة السكك الحديدية الجنوبية الغربية (LSWR) في ورش إيستلي ، وريتشارد ماونسيل من شركة السكك الحديدية الجنوبية ، أيضًا في إيستلي.

إن أقدم قاطرات البخار التي لا تزال موجودة والمزودة بمسخن فائق، فضلاً عن كونها أول قاطرة ضيقة القياس مزودة بمسخن فائق، هي قاطرة Bh.1 المملوكة لشركة Steiermärkische Landesbahnen (STLB) في النمسا، والتي تشغل قطارات الرحلات على خط سكة حديد وادي مور .

سخان "إيستلي" الفائق من تصميم يوري

كان تصميم روبرت أوري للمُسخّن الفائق لسكك حديد لندن والجنوب الغربي (LSWR) نتاجًا لخبرته مع قاطراته من فئة H15 ذات الترتيب 4-6-0. استعدادًا لتجارب الأداء، زُوّدت ثماني قاطرات بمُسخّنات فائقة من نوعي شميدت وروبنسون، بينما بقيت قاطرتان أخريان تعملان بنظام التسخين المُشبع. [ 6 ] إلا أن الحرب العالمية الأولى حالت دون إجراء التجارب، على الرغم من أن تقريرًا صادرًا عن لجنة قاطرات LSWR في أواخر عام 1915 أشار إلى أن نسخة روبنسون حققت أفضل كفاءة في استهلاك الوقود. فقد استهلكت في المتوسط ​​21.9 كيلوغرامًا من الفحم لكل ميل على مسافة متوسطة قدرها 64,090.5 كيلومترًا ، مقارنةً بـ 22.0 كيلوغرامًا و 26.8 كيلوغرامًا من الفحم لقاطرات شميدت والقاطرات التي تعمل بنظام التسخين المُشبع على التوالي. [ 6 ]        

ومع ذلك، ذكر التقرير أن كلا نوعي المُسخِّن الفائق يعانيان من عيوب خطيرة. يتميز نظام شميدت بوجود مُخمد على رأس المُسخِّن الفائق، مما يؤدي إلى تكثف الغازات الساخنة إلى حمض الكبريتيك ، الأمر الذي يُسبب تآكلًا وضعفًا لاحقًا لعناصر المُسخِّن الفائق. [ 6 ] كما كان تسرب الغازات شائعًا بين العناصر والرأس، وكانت الصيانة صعبة دون إزالة المجموعة الأفقية. أما نسخة روبنسون، فقد عانت من تقلبات في درجات الحرارة ناتجة عن تجاور غرف البخار المشبع والمُسخَّن الفائق، مما يُسبب إجهادًا للمواد، كما واجهت مشاكل وصول مماثلة لتلك التي واجهها نوع شميدت. [ 6 ]

مكّنت توصيات التقرير يوري من تصميم نوع جديد من أجهزة التسخين الفائق، مزود بموزعات بخار مشبع منفصلة أعلى وأسفل موزع التسخين الفائق. [ 7 ] وكانت هذه الموزعات متصلة بعناصر تبدأ من موزع البخار المشبع، وتمر عبر أنابيب الاحتراق، ثم تعود إلى موزع التسخين الفائق، وقد رُتّب التجميع بأكمله عموديًا لتسهيل الصيانة. [ 7 ] وقد حقق الجهاز نجاحًا كبيرًا في الخدمة، ولكنه كان ثقيلًا ومكلفًا في التصنيع. [ 7 ]

المزايا والعيوب

تتمثل المزايا الرئيسية لاستخدام سخان فائق في تقليل استهلاك الوقود والماء، ولكن يترتب على ذلك ارتفاع تكاليف الصيانة. في معظم الحالات، فاقت الفوائد التكاليف، وأصبح استخدام السخانات الفائقة شائعًا، على الرغم من أن قاطرات المناورة البريطانية ( قاطرات التحويل ) نادرًا ما زُوّدت بها. أما في القاطرات المستخدمة لنقل المعادن، فتبدو المزايا هامشية. على سبيل المثال، قامت شركة سكك حديد الشمال الشرقي بتزويد بعض قاطراتها من فئة P المخصصة لنقل المعادن بسخانات فائقة ، لكنها بدأت لاحقًا بإزالتها.

بدون صيانة دقيقة، تكون أجهزة التسخين الفائق عرضة لنوع معين من الأعطال الخطيرة، حيث تنفجر أنابيب التسخين الفائق عند انحناءاتها على شكل حرف U. يصعب تصنيعها واختبارها بعد التركيب، ويؤدي أي تمزق إلى تسرب البخار عالي الضغط المسخن إلى المداخن الكبيرة، عائدًا إلى النار ثم إلى كابينة القيادة، مما يشكل خطرًا جسيمًا على طاقم القاطرة.

مراجع

  1. ^ “سخان شديد” . www.pleasley-colliery.org.uk .
  2. ↑ "كيف يعمل محرك القطار البخاري" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 21-12-2008 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 28-12-2008 .
  3. ^ هربرت راوتر، غونتر شينغرابر، 1991: تقرير بريوسن. النطاق 2: Die Schnellzuglokomotiven der Gattung S 1 – S 11 . هيرمان ميركر فيرلاغ، ISBN 3-922404-16-2(باللغة الألمانية)، الصفحات 85-88.
  4. ↑ ألكوك، ن. ج.؛ ديفيز، ف. ك.؛ لو فليمنج، هـ. م.؛ ماسكيلين، ج. ن.؛ ريد، ب. ج. ت.؛ تابور، ف. ج. (يونيو 1951). وايت، د. إ. (محرر). قاطرات سكة حديد غريت ويسترن، الجزء الأول: دراسة تمهيدية . كينيلورث: الجمعية الملكية لتاريخ السكك الحديدية . ص 56. 
  5. ↑ برادلي (1974)
  6. 1 2 3 4 برادلي (1987)، ص 15
  7. 1 2 3 برادلي (1987)، ص 16

فهرس

  • برادلي، د.ل. (1974). قاطرات سكة حديد لندن برايتون والساحل الجنوبي، 3. لندن: جمعية مراسلات وسفر السكك الحديدية في لندن، 1974. ص 88-93 . 
  • برادلي، د. ل. (1987). قاطرات سكة حديد لندن والجنوب الغربي: فئات أوري . ديدكوت، أوكسفوردشاير: منشورات وايلد سوان. رقم ISBN 0-906867-55-X.