غلاية أنابيب المياه

تعتمد الغلايات الحديثة لتوليد الطاقة بشكل شبه كامل على تصميمات أنابيب الماء، نظرًا لقدرتها على العمل عند ضغوط عالية. أما في الحالات التي يتطلب فيها استخدام البخار لأغراض التسخين أو كمكون كيميائي، فلا تزال هناك حاجة محدودة لغلايات أنابيب اللهب. ويُستثنى من ذلك محطات الطاقة النووية النموذجية ( مفاعلات الماء المضغوط )، حيث تُصمم مولدات البخار عادةً بشكل مشابه لتصميمات غلايات أنابيب اللهب. في هذه التطبيقات، يحمل مسار الغاز الساخن عبر "أنابيب اللهب" سائل التبريد الأولي شديد السخونة والضغط من المفاعل، ويتولد البخار على السطح الخارجي للأنابيب.

أدت قدرتها على العمل تحت ضغوط أعلى إلى أن تصبح غلايات السفن مصنوعة بالكامل تقريبًا من أنابيب الماء. بدأ هذا التغيير حوالي عام 1900، وتزامن مع اعتماد التوربينات للدفع بدلاً من المحركات الترددية (أي محركات المكابس) - على الرغم من استخدام غلايات أنابيب الماء أيضًا مع المحركات الترددية، واستخدام غلايات أنابيب النار في العديد من تطبيقات التوربينات البحرية.

لم تشهد غلايات الأنابيب المائية انتشارًا واسعًا في قاطرات السكك الحديدية. فقد طُورت بعض التصاميم التجريبية، لكن لم ينجح أي منها ولم يُفضِ أي منها إلى استخدامها على نطاق واسع. ^{[ 5 ]} استخدمت معظم قاطرات السكك الحديدية ذات الأنابيب المائية، وخاصة في أوروبا، نظام شميدت . وكانت معظمها مركبة ، وقليل منها أحادية التدفق . وكانت قاطرة "جون هنري" التابعة لسكك حديد نورفولك والغربية استثناءً، لأنها استخدمت توربينًا بخاريًا مقترنًا بنظام نقل كهربائي. ^{[ 6 ]}

• LMS 6399 فيوري

أُعيد بناؤها بالكامل بعد حادث مميت

• LNER 10000 "همس همس"

استخدام غلاية يارو بدلاً من غلاية شميدت. لم تنجح المحاولة، فأُعيد تشغيل الغلاية باستخدام غلاية تقليدية. ^{[ 7 ]}

هجين

كان استخدام أنظمة الأنابيب المائية/النارية الهجينة أكثر نجاحًا إلى حد ما. ولأن الجزء الأكثر سخونة في غلاية القاطرة هو صندوق الاحتراق ، فقد كان من التصميم الفعال استخدام الأنابيب المائية فيه، مع غلاية تقليدية تعمل بالأنابيب النارية كمُقتصد (أي مُسخّن مسبق) في موضعها المعتاد. ومن الأمثلة الشهيرة على ذلك قاطرة بالدوين الأمريكية 4-10-2 رقم 60000 ، التي بُنيت عام 1926. بُنيت هذه القاطرة بنظام مُركّب ، بضغط غلاية يبلغ 2400 كيلوباسكال (350 رطل لكل بوصة مربعة)، وقد قطعت بنجاح أكثر من 160,000 كيلومتر (100,000 ميل) في الخدمة. ولكن بعد عام، اتضح أن أي تحسينات تُعدّ ضئيلة مقارنةً بالتكاليف الإضافية، فتمّ إخراجها من الخدمة وعرضها في متحف معهد فرانكلين في فيلادلفيا، بنسلفانيا. ^{[ 8 ]} تم بناء سلسلة من اثنتي عشرة قاطرة تجريبية في ورش ماونت كلير التابعة لسكك حديد بالتيمور وأوهايو تحت إشراف جورج إتش إيمرسون ، ولكن لم يتم تكرار أي منها بأعداد كبيرة. ^{[ 9 ]}  

كانت غلاية بروتان، التي اخترعها يوهان بروتان في النمسا عام 1902 ، هي غلاية القاطرات الوحيدة ذات الأنابيب المائية التي استُخدمت بأعداد كبيرة، وانتشرت بشكل متفرق في أنحاء أوروبا، على الرغم من وجود حوالي 1000 غلاية منها في الخدمة في المجر. ومثل غلاية بالدوين 60000، جمعت غلاية بروتان بين صندوق احتراق ذي أنابيب مائية وأسطوانة ذات أنابيب نارية. تميزت غلاية بروتان في الأصل بوجود أسطوانة بخار طويلة تمتد فوق الأسطوانة الرئيسية، تشبه في مظهرها غلاية فلامان . ^{[ 10 ] [ 11 ]}

بينما كانت محركات الجر تُصنع عادةً باستخدام غلاية القاطرة كإطار لها، استخدمت أنواع أخرى من المركبات البخارية على الطرق، مثل الشاحنات والسيارات ، مجموعة واسعة من أنواع الغلايات المختلفة. وقد استخدم رائدا النقل البري ، غولدزورثي غورني ووالتر هانكوك، غلايات الأنابيب المائية في عرباتهما البخارية حوالي عام 1830.

استخدمت معظم عربات السكك الحديدية من النوع السفلي غلايات أنابيب المياه. واستخدم العديد من المصنّعين أنواعًا مختلفة من الغلايات ذات الأنابيب المتقاطعة العمودية، بما في ذلك أتكينسون وكلايتون وغاريت وسينتينل . وتشمل الأنواع الأخرى غلاية كلاركسون ذات الأنبوب الحلقي وغلاية فودن من النوع O ذات الشكل المسدس . ^{[ 12 ]}

اعتادت شركات تصنيع محركات البخار، مثل شركة ميريويذر، استخدام غلايات الأنابيب المائية لقدرتها على توليد البخار بسرعة. كما استخدمت العديد من سيارات البخار غلايات الأنابيب المائية، بل إن شركة بولسوفر إكسبريس صنعت بديلاً من الأنابيب المائية لغلاية أنابيب النار في سيارة ستانلي ستيمر . ^{[ 13 ]}

يُعدّ النوع " D " أكثر أنواع الغلايات الصغيرة والمتوسطة الحجم شيوعًا، وهو مشابه للنموذج الموضح في الرسم التخطيطي. يُستخدم هذا النوع في التطبيقات الثابتة والبحرية على حد سواء. ويتكون من أسطوانة بخار كبيرة متصلة رأسيًا بأسطوانة ماء أصغر (تُعرف أيضًا باسم "أسطوانة الطين") عبر أنابيب متعددة لتوليد البخار. تُحاط هذه الأسطوانات والأنابيب، بالإضافة إلى الموقد الذي يعمل بالزيت، بجدران مائية - وهي عبارة عن أنابيب إضافية مملوءة بالماء متقاربة لمنع تدفق الغاز بينها. تتصل أنابيب الجدران المائية هذه بكل من أسطوانتي البخار والماء، بحيث تعمل كمزيج من المسخنات المسبقة وأنابيب التصريف، بالإضافة إلى تقليل فقد الحرارة إلى غلاف الغلاية.

استُخدمت غلايات من النوع M في العديد من السفن الحربية الأمريكية خلال الحرب العالمية الثانية، بما في ذلك مئات المدمرات من فئة فليتشر . تتكون هذه الغلايات من ثلاث مجموعات من الأنابيب تُشكل حرف M، وتُنتج مُسخّنًا فائقًا يعمل بشكل منفصل، مما يُتيح تحكمًا أفضل في درجة حرارة التسخين الفائق. بالإضافة إلى خزان الطين الموجود في غلايات النوع D، تحتوي غلايات النوع M على مُجمّع شبكي مائي ومُجمّع جداري مائي في أسفل صفّي الأنابيب الرأسية الإضافية وأنابيب التصريف.

يحتوي المرجل ذو المحتوى المائي المنخفض على أنبوبين علوي وسفلي متصلين بأنابيب مياه تصطدم مباشرة بالموقد. هذا المرجل "بدون فرن" قادر على توليد البخار والاستجابة السريعة لتغيرات الحمل.

صُمم هذا النوع من قبل شركة بابكوك آند ويلكوكس الأمريكية ، ويتكون من أسطوانة واحدة، حيث يُسحب الماء من أسفل الأسطوانة إلى موزع يغذي أنابيب مائية مائلة. وتُعيد هذه الأنابيب البخار إلى أعلى الأسطوانة. وتقع الأفران أسفل الأنابيب والأسطوانة.

تم استخدام هذا النوع من الغلايات من قبل فرقاطات البحرية الملكية من فئة لياندر وفي طرادات البحرية الأمريكية من فئة نيو أورليانز .

تتميز غلاية ستيرلينغ بأنابيب مياه شبه عمودية ومستقيمة تقريبًا، تتلوى بين عدد من خزانات البخار والماء. عادةً ما تتكون من ثلاث مجموعات من الأنابيب في تصميم "أربع خزانات"، ولكن بعض التطبيقات تستخدم تصميمات مختلفة بعدد مختلف من الخزانات والمجموعات. تُستخدم هذه الغلايات بشكل أساسي كغلايات ثابتة نظرًا لحجمها الكبير، على الرغم من أن مساحة الشبكة الكبيرة تُعزز قدرتها على حرق مجموعة واسعة من أنواع الوقود. في الأصل، كانت تُستخدم في محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم، ثم انتشرت على نطاق واسع في الصناعات التي تُنتج نفايات قابلة للاحتراق وتتطلب بخارًا للعمليات. على سبيل المثال، يمكن لمصانع لب الورق حرق لحاء الأشجار، ومصافي السكر حرق مخلفات قصب السكر . وهي من نوع الغلايات ذات الخزانات الأفقية.

سُمّي هذا النوع من الغلايات ثلاثية الأسطوانات نسبةً إلى مصمميها، شركة يارو لبناء السفن التي كانت تتخذ من بوبلار مقرًا لها آنذاك. تتكون هذه الغلاية من ثلاث أسطوانات مرتبة على شكل دلتا ، متصلة بأنابيب مائية. ترتبط الأسطوانات بأنابيب مائية مستقيمة، مما يُسهّل تنظيفها. إلا أن هذا يعني أن الأنابيب تدخل الأسطوانات بزوايا متفاوتة، مما يجعل عملية سدّ الفواصل أكثر صعوبة . خارج غرفة الاحتراق، يعمل زوج من أنابيب التبريد بين كل أسطوانة كأنابيب هابطة . ^{[ 14 ]}

بفضل أسطواناتها الثلاث، تتمتع غلاية يارو بسعة مياه أكبر، ولذلك يُستخدم هذا النوع عادةً في تطبيقات الغلايات البحرية القديمة . كما أن حجمها الصغير جعلها جذابة للاستخدام في وحدات توليد الطاقة المتنقلة خلال الحرب العالمية الثانية . ولتسهيل نقلها، تم تركيب الغلاية ومعداتها المساعدة (تسخين زيت الوقود، ووحدات الضخ، والمراوح، إلخ)، والتوربينات ، والمكثفات على عربات لنقلها بالسكك الحديدية .

يشبه نوع وايت-فورستر نوع يارو، لكن أنابيبه منحنية تدريجياً. وهذا يجعل دخولها إلى الأسطوانات عمودياً، مما يسهل إحكام إغلاقها بشكل موثوق. ^{[ 14 ]}

صُممت هذه الغلاية من قِبل شركة بناء السفن جون آي. ثورنيكروفت وشركاه ، وتتميز بأسطوانة بخار واحدة مزودة بمجموعتين من أنابيب المياه على جانبي الفرن. تتميز هذه الأنابيب، وخاصة المجموعة المركزية، بانحناءات حادة. وإلى جانب الصعوبات الواضحة في تنظيفها، قد يؤدي ذلك أيضًا إلى قوى انحناء مع ارتفاع درجة حرارة الأنابيب، مما قد يتسبب في انفصالها عن لوحة الأنابيب وحدوث تسريب. يوجد فرنان، يصبان في عادم مشترك، مما يمنح الغلاية شكلاً مخروطيًا عريض القاعدة. ^{[ 14 ]}

في الغلاية ذات الدوران القسري ، تُضاف مضخة لتسريع تدفق الماء عبر الأنابيب. ^{[ 15 ]}

• غلاية من النوع O
• غلاية من النوع أ
• غلاية أنبوب مرن
• سخان فائق للتحكم من النوع M