Supraîncălzitor

Acest articol se referă la supraîncălzirea aburului. Pentru arderea componentelor electronice, vedeți supraîncălzire.

Un supraîncălzitor este un schimbător de căldură utilizat pentru a aduce aburul saturat sau aburul umed la starea de abur supraîncălzit. Aburul supraîncălzit este utilizat în turbine cu abur pentru generarea de energie electrică, în unele motoare cu abur și în procese chimice precum reformarea cu abur. Există trei tipuri de supraîncălzitoare: de radiație, de convecție și cu ardere separată. suprafața de schimb de căldură a unui supraîncălzitor poate varia de la câțiva metri pătrați la câteva sute de metri pătrați.

Tipuri

• Un supraîncălzitor de radiație este plasat direct în zona radiantă a camerei de ardere, lângă ecrane, pentru a absorbi căldură prin radiație.
• Un supraîncălzitor de convecție este situat în zona convectivă a generatorului de abur, în calea gazelor de ardere fierbinți, de obicei înaintea unui economizor.
• Un supraîncălzitor cu ardere separată este un supraîncălzitor plasat în afara generatorului de abur principal și are propriul său sistem de ardere. Această construcție de supraîncălzitor dispune de arzătoare suplimentare în zona țevilor supraîncălzitorului. Este rar utilizat, din cauza eficienței sale slabe și a faptului că aburul produs nu este mai bun decât cel produs de alte tipuri de supraîncălzitoare.

Turbine cu abur

O schemă simplificată a unei termocentrale pe cărbune. Supraîncălzitorul este elementul nr. 19.

În multe aplicații, o turbină cu abur va extrage energia din abur mai eficient decât un motor cu piston. Însă aburul saturat, adică aflat la punctul de fierbere, se poate ușor condensa în picături de apă lichidă, devenind abur umed. Picăturile de apă pot eroda paletele turbinei. Pentru a evita această uzură a turbinei, de obicei aburul este supraîncălzit, direct în generatorul de abur.

Motoare cu abur

Într-un motor cu abur supraîncălzirea aburului crește energia termică conținută în acesta și reduce posibilitatea condensării sale în interiorul cilindrilor. Supraîncălzitoarele măresc randamentul termic al ciclului după care funcționează motorul cu abur și au fost adoptate pe scară largă. De la începutul secolului al XX-lea, supraîncălzitoarele au fost aplicate la multe locomotive cu abur, la majoritatea vehiculelor cu abur și la motoarele cu abur staționare. Acestea sunt încă utilizate împreună cu turbinele cu abur în termocentralele din întreaga lume.

Locomotive

Amplasarea unui supraîncălzitor într-o locomotivă cu abur

Supraîncălzitor văzut dinspre cutia de fum (partea frontală a locomotivei). În jumătatea de sus se află supraîncălzitorul, cu colectoare (țevi) care duc la cilindri. Tuburile de dedesubt sunt țevile vaporizatorului (țevi de fum). Pentru claritate, coșul și clapeta au fost îndepărtate.

La locomotivele cu abur, cea mai comună formă de supraîncălzitor este cea cu țevi. Aburul saturat ajunge în supraîncălzitor printr-un colector, apoi trece prin țevile de încălzire plasate în interiorul unor țevi de fum, cu diametru mai mare. Gazele de ardere fierbinți din focarul locomotivei trec prin țevile de fum și, pe lângă încălzirea apei din cazanul din jur, încălzesc și aburul din interiorul elementelor de supraîncălzire peste care curg. Țevile supraîncălzitorului sunt mai lungi decât cazanul și de obicei sunt pliate de trei ori, ca urmare trec de patru ori prin tuburile de fum. Aburul supraîncălzit astfel acționează motorul.

Clapeta de fum și supapa de aerisire

Aburul care trece prin elementele supraîncălzitorului răcește metalul acestora și-l împiedică să se topească, dar când maneta de accelerație se închide, aburul se oprește și efectul de răcire dispare. Pentru a preveni deteriorarea supraîncălzitorului, în cutia de fum se închidea o clapetă, care întrerupea curgerea gazelor de ardere prin țevile de fum în care era supraîncălzitorul. Unele locomotive, în special cele ale London and North Eastern Railway, erau echipate cu supape de aerisire, care permiteau pătrunderea aerului în supraîncălzitor atunci când locomotiva se deplasa din inerție. Aceasta menținea elementele supraîncălzitorului relativ mai reci și cilindrii calzi. La multe locomotive LNER supapa de aerisire poate fi văzută în spatele coșului de fum.

Clapeta de admisiune a aburului frontală

Un supraîncălzitor mărește distanța parcursă de abur între clapeta de admisiune a aburului și cilindri, ca urmare reduce promptitudinea clapetei de accelerație. Pentru a contracara acest lucru, unele locomotive cu abur ulterioare au fost prevăzute cu clapeta de admisiune a aburului plasată în cutia de fum, după supraîncălzitor. Astfel de locomotive pot fi uneori identificate printr-o tijă de comandă externă care se întinde pe toată lungimea cazanului, cu o pârghie de acționare în exteriorul cutiei de fum. Această configurație permite, de asemenea, utilizarea aburului supraîncălzit la dispozitive auxiliare, cum ar fi dinamul și pompa de aer. Un alt avantaj al clapetei de admisiune frontale este că aburul supraîncălzit este disponibil imediat. Cu o clapetă de admisiune a aburului amplasată la domul de abur saturat, durează ceva timp înainte ca supraîncălzitorul să devină eficient.

Sertarele/supapele cilindrilor

Locomotivele cu supraîncălzitoare sunt de obicei echipate cu sertare^⁠(d) cilindrice sau supape^⁠(d), deoarece la temperaturi ridicate este dificil de menținut lubrifiat corespunzător un sertar glisant.

Aplicații

Veche fotografie color din Rusia, realizată de Serghei Prokudin-Gorski în 1910, a unei locomotive cu abur cu supraîncălzitor

Primul supraîncălzitor practic a fost dezvoltat în Germania de către Wilhelm Schmidt în anii 1880 și 1890. Locomotiva Prussian S 4, cu o formă timpurie de supraîncălzitor, a fost construită în 1898, iar mai multe au fost produse în serie începând din 1902. Avantajele invenției au fost demonstrate în Regatul Unit de către Great Western Railway (GWR) în 1906. Inginerul mecanic șef al GWR, G. J. Churchward, credea că tipul Schmidt putea fi îmbunătățit și s-a întreprins proiectarea și testarea unui tip indigen, Swindon, culminând cu supraîncălzitorul Swindon nr. 3 în 1909. Între octombrie 1907 și martie 1910 Douglas Earle Marsh a efectuat o serie de teste comparative între exemplare LB&SCR clasa I3 folosind abur saturat și unele echipate cu supraîncălzitoare Schmidt, dovedind avantajele acestuia din urmă în ceea ce privește performanța și randamentul.

Supraîncălzitoare îmbunătățite au fost introduse de John G. Robinson de la Great Central Railway la Gorton Locomotive Works, de Robert Urie de la London and South Western Railway (LSWR) la Eastleigh Works și de Richard Maunsell de la Southern Railway, tot la Eastleigh.

Cea mai veche locomotivă cu abur cu supraîncălzitor care a supraviețuit, fiind totodată prima locomotivă cu ecartament îngust cu supraîncălzitor, este Bh.1 deținută de Steiermärkische Landesbahnen (STLB) din Austria, care operează trenuri de agrement, care efectuează excursii pe calea ferată Murtalbahn.

Supraîncălzitorul "Eastleigh" al lui Urie

Proiectul supraîncălzitorului pentru LSWR realizat de Robert Urie a fost rezultatul experienței cu locomotivele sale LSWR din clasa H15, 4-6-0. În așteptarea testelor de performanță, opt exemplare au fost echipate cu supraîncălzitoare Schmidt și Robinson, iar alte două au rămas cu abur saturat. Însă Primul Război Mondial a început înainte ca testele să poată avea loc. Totuși, un raport al Comitetului pentru Locomotive LSWR de la sfârșitul anului 1915 a menționat că versiunea Robinson a fost cea mai eficientă din punct de vedere al consumului de combustibil. Aceasta a consumat în medie 13,63 kg de cărbune pe kilometru pe o distanță medie de 7007640000000000000♠64000 km, comparativ cu 13,65 kg/km și 16,65 kg/km pentru exemplarele cu supraîncălzitor Schmidt, respectiv cele fără supraîncălzitor.

Totuși, raportul a afirmat că ambele tipuri de supraîncălzitoare aveau dezavantaje serioase. Sistemul Schmidt avea un sistem de reglare cu apă pe colectorul supraîncălzitorului, care făcea ca gazele fierbinți să se condenseze, formând acid sulfuric, ceea ce provoca coroziuni și slăbirea ulterioară a elementelor supraîncălzitorului. Scurgerile de gaze erau, de asemenea, frecvente între țevi și colector, iar întreținerea era dificilă fără îndepărtarea ansamblului dispus orizontal. Versiunea Robinson suferea de variații de temperatură cauzate de alăturarea zonelor cu abur saturat și cele cu abur supraîncălzit, provocând solicitări în materiale, și avea probleme de acces similare cu cele ale tipului Schmidt.

Recomandările raportului l-au determinat pe Urie să proiecteze un nou tip de supraîncălzitor, cu colectoare separate de abur saturat deasupra și dedesubtul colectorului de abur supraîncălzit. Acestea erau conectate prin țevi care începeau de la colectorul de abur saturat, treceau prin tuburile de evacuare a gazelor arse și înapoi la colectorul de abur supraîncălzit, iar întregul ansamblu era dispus vertical pentru a facilita întreținerea. Supraîncălzitorul a avut un mare succes în exploatare, dar era costisitor și greu de construit.

Avantaje și dezavantaje

Principalele avantaje ale utilizării unui supraîncălzitor sunt consumul redus de combustibil și apă, însă cu prețul creșterii costurilor de întreținere. În majoritatea cazurilor avantajele au depășit costurile, iar supraîncălzitoarele au fost utilizate pe scară largă (însă locomotivele de manevră britanice erau rareori echipate cu supraîncălzitoare). La locomotivele utilizate pentru transportul minereurilor avantajele par să fi fost mici. De exemplu, North Eastern Railway a montat supraîncălzitoare pe unele dintre locomotivele sale din clasa P, de transport minereuri, dar ulterior le-a eliminat.

Fără o întreținere atentă, supraîncălzitoarele sunt predispuse la spargerea țevilor supraîncălzitorului în zonele îndoite în formă de U. Sunt dificil de fabricat și de încercat la instalare, iar o ruptură face ca aburul supraîncălzit cu presiune mare să scape în țevile de fum, iar din acestea înapoi în focar și în cabina locomotivei, accident cu urmări foarte grave pentru echipajul locomotivei.

Bibliografie

• Bradley, D. L. (1974). Locomotives of the London Brighton & South Coast Railway, 3. London: London, Railway Correspondence and Travel Society, 1974. pp. 88–93. 
• Bradley, D. L. (1987). LSWR Locomotives: The Urie classes. Didcot Oxon: Wild Swan Publications. ISBN 0-906867-55-X. 

Legături externe

• Materiale media legate de supraîncălzitor la Wikimedia Commons