슈퍼히터

Superheater
물리학 과정은 과열도를 참조하십시오.

슈퍼히터는 포화 증기 또는 습식 증기를 과열 증기 또는 건조 증기로 변환하는 데 사용되는 장치다. 과열 증기는 발전용 증기 터빈, 증기 엔진 및 증기 개혁과 같은 공정에서 사용된다. 슈퍼히터에는 복사, 대류, 별개의 발사 등 세 종류가 있다. 슈퍼히터는 수십 피트에서부터 수백 피트까지 크기가 다양하다.

종류들

  • 복사열은 방사선에 의해 열을 흡수하기 위해 수벽 근처의 연소실 복사존에 직접 배치된다.
  • 대류 슈퍼히터는 보통 (온열 연도 가스의 경로에 있는) 이코노의 대류 영역에 위치한다. 이것들은 일차적인 슈퍼히터라고도 불린다.
  • 별도로 연소되는 슈퍼히터는 주 보일러 외부에 설치되는 슈퍼히터로서, 자체적인 연소 시스템을 갖추고 있다. 이 슈퍼히터 설계에는 슈퍼히터 파이프 영역에 버너가 추가된다. 이런 종류의 슈퍼히터는 다른 슈퍼히터 타입에 비해 효율이 떨어지고 증기 품질도 좋지 않기 때문에 거의 사용되지 않는다.

증기터빈

석탄 화력 발전소의 간단한 도표. 슈퍼히터는 19원소다.

증기기관

증기기관에서 슈퍼히터는 보일러가 발생시키는 증기를 다시 가열하여 열 에너지를 증가시키고 엔진 내부에서 응결될 가능성을 감소시킨다.[1][2] 슈퍼히터는 증기 엔진의 열효율을 증가시키며 널리 채택되어 왔다. 과열된 증기는 논리적으로 과열된 증기로 알려져 있다; 과열되지 않은 증기는 포화 증기 또는 습식 증기로 불린다. 슈퍼히터들은 20세기 초부터 증기기관차, 대부분의 증기기관차, 정지된 증기기관차에 양적으로 적용되었다. 이 장비는 여전히 전 세계의 발전소에서 증기 터빈과 함께 사용된다.

기관차

증기 기관차 내 슈퍼히터 설치의 일반적인 배치.
연기통에서 바라본 슈퍼히터. 상단 중앙은 실린더로 연결되는 파이프가 있는 슈퍼히터 헤더다. 아래의 튜브는 플뢰 안에 있는 과열기 요소에 증기를 공급한다. 스택과 댐퍼가 명확한 구별을 위해 탈거되었다.

증기 기관차 사용에서, 지금까지 슈퍼히터의 가장 일반적인 형태는 소방관형이다. 이것은 건조한 파이프에서 공급되는 포화 증기를 연기 상자의 튜브 시트에 장착된 과열기 헤더로 가져간다. 그런 다음 증기는 많은 슈퍼히터 요소, 즉 플뢰라고 불리는 큰 직경의 소방관 내부에 배치되는 긴 파이프를 통과한다. 기관차의 화재에서 나오는 뜨거운 연소 가스는 불관처럼 이러한 연소를 통과하며, 물을 가열하는 것은 물론 그들이 흘러넘치는 슈퍼히터 요소 내부의 증기도 가열한다. 슈퍼히터 요소는 가열된 증기가 되돌아올 수 있도록 스스로를 다시 두 배로 증가시킨다; 대부분은 소화기 끝에서 두 번, 연기 상자 끝에서 한 번 이렇게 한다. 그래서 증기는 가열되는 동안 헤더 길이의 4배의 거리를 이동한다. 과열된 증기는 원소를 통과하는 여정이 끝날 때 슈퍼히터 헤더의 별도 구획을 거쳐 정상적으로 실린더로 전달된다.

댐퍼 및 스니프팅 밸브

슈퍼히터 요소를 통과하는 증기는 금속을 냉각시켜 용융을 막지만, 스로틀이 닫히면 이 냉각 효과가 없어져 댐퍼는 연막을 통과하는 흐름을 차단하고 손상을 방지한다. 일부 기관차(특히 런던과 북동부 철도의 경우)에는 기관차가 해안으로 이동할 때 슈퍼히터로의 공기를 허용하는 스니프팅 밸브가 장착되어 있었다. 이것은 과열기 원소를 냉각시키고 실린더를 따뜻하게 유지시켰다. 많은 LNER 기관차에서 굴뚝 뒤에 숨쉬는 밸브를 볼 수 있다.

프런트 엔드 스로틀

슈퍼히터는 증기 회로 내 스로틀과 실린더 사이의 거리를 증가시켜 스로틀 작용의 직접성을 감소시킨다. 이에 대처하기 위해, 일부 후발 증기 기관차에는 전면 스로틀이 장착되어 있었으며, 이 스로틀은 슈퍼히터 다음에 매연 박스에 설치되었다. 이러한 기관차는 때때로 연기통 바깥쪽에 크랭크가 있는 상태에서 보일러의 전체 길이를 연장하는 외부 스로틀 막대에 의해 식별될 수 있다. 또한 이 배치는 과열된 증기를 동력학 및 공기 펌프와 같은 보조 기기에 사용할 수 있도록 한다. 프런트 엔드 스로틀의 또 다른 이점은 과열된 증기를 즉시 사용할 수 있다는 것이다. 돔형 스로틀로, 슈퍼 히터가 실제로 효율의 이점을 제공하기까지는 꽤 많은 시간이 걸렸다. 이런 식으로 생각할 수 있다. 보일러에서 과열기로 포화 증기를 열면 증기가 과열될 때까지 많은 시간을 남겨두지 않는 슈퍼히터 유닛을 통해 실린더로 직행한다. 프런트 엔드 스로틀의 경우, 엔진이 스테이션에 앉아 있고 증기가 과열되는 동안 증기가 슈퍼히터 유닛에 있다. 그런 다음 스로틀이 열리면 과열된 증기가 즉시 실린더로 전달된다.

실린더 밸브

슈퍼히터가 장착된 기관차는 보통 피스톤 밸브나 포핏 밸브가 장착되어 있다. 슬라이드 밸브를 고온에서 제대로 윤활유 상태로 유지하기 어렵기 때문이다.

적용들

세르게이 프로쿠딘-고르스키가 1910년 슈퍼히터를 단 증기 기관차를 촬영한 러시아 초기 컬러 사진

최초의 실용적인 슈퍼히터는 1880년대와 1890년대에 빌헬름 슈미트에 의해 독일에서 개발되었다. 초기 형태의 슈퍼히터를 가진 최초의 과열 기관차 프러시아 S 4계 전동차는 1898년에 건설되었고, 1902년부터 직렬로 생산되었다.[3] 이 발명의 이점은 1906년 영국 그레이트 웨스턴 철도(GWR)에 의해 증명되었다. 그러나 GWR의 최고 기계 엔지니어인 G. J. Churchward는 슈미트 타입은 베팅될 수 있다고 믿었고, 1909년 스윈던 3호 슈퍼히터를 정점으로 원주민 스윈던 타입의 디자인과 테스트가 진행되었다.[4] 더글러스 얼 마쉬는 1907년 10월부터 1910년 3월 사이에 포화 증기를 이용한 I3급 멤버들과 슈미트 슈퍼히터를 장착한 멤버들 간의 일련의 비교 테스트를 실시하여 성능과 효율 면에서 후자의 장점을 입증했다.[5]

다른 개선된 슈퍼히터들은 고튼 기관차의 대중앙철도의 존 G. 로빈슨에 의해 소개되었고, 런던과 사우스 웨스턴 철도(LSWR)의 로버트 우리에 의해 이스트레이 철도 공사에 소개되었고, 남부 철도(영국)의 리처드 먼셀은 이스트레이에서도 소개되었다.

슈퍼히터를 장착한 현존하는 가장 오래된 증기기관차와 슈퍼히터를 장착한 최초의 협궤기관차는 STLB가 소유하고 있는 Bh.1로 오스트리아 무르밸리 철도에서 유람열차를 운행한다.[citation needed]


우리 '이스트레이' 슈퍼히터

로버트 우리리가 LSWR용 슈퍼히터를 설계한 것은 H15급 4-6-0 기관차를 이용한 경험의 산물이었다. 퍼포먼스 시련을 예상해 슈미트와 로빈슨 슈퍼히터 등 8개 예제를 채택했고, 그 외 2개 예제는 포화 상태를 유지했다.[6] 그러나 1915년 후반의 LSWR 기관차 위원회 보고서는 로빈슨 버전이 최고의 연비를 제공했다고 언급했지만 제1차 세계대전은 재판이 열리기 전에 개입했다. 평균 거리 39,824 mi(64,090.5km)에 걸쳐 마일당 소비되는 석탄은 평균 48.35파운드(21.9kg)로 슈미트의 경우 48.42파운드(22.0kg)와 59.05파운드(26.8kg)[6]의 석탄과 비교된다.

그러나 보고서는 슈미트 시스템이 고온 가스를 황산으로 응축시키는 슈퍼히터 헤더에 대한 댐퍼 제어를 특징으로 하는 등 두 슈퍼히터 유형 모두 심각한 단점이 있다고 밝혔다.[6] 기체의 누출도 원소와 헤더 사이에 흔한 일이었으며, 수평으로 배열된 조립체를 제거하지 않고는 유지관리가 어려웠다. 로빈슨 버전은 포화상태와 과열된 증기실이 인접해 물질적 스트레스를 유발하는 등 온도변화에 시달렸고, 슈미트 타입과 비슷한 접근장애가 있었다.[6]

이 보고서의 권고안은 Urie가 슈퍼히터 헤더 위와 아래에 별도의 포화 증기 헤더를 가진 새로운 형태의 슈퍼히터를 설계할 수 있게 했다.[7] 이것들은 포화 헤더에서 시작하는 요소들에 의해 연결되어 연도 튜브를 통과하여 슈퍼히터 헤더로 돌아갔으며, 유지보수가 용이하도록 전체 어셈블리를 수직으로 배열하였다.[7] 이 장치는 서비스에는 매우 성공적이었지만, 무겁고 건설 비용이 많이 들었다.[7]

장단점

슈퍼히터 사용의 주요 장점은 연료와 물 소비량을 줄인다는 것이지만 유지비용이 증가하면 지불해야 할 대가가 있다. 대부분의 경우 편익이 비용보다 크며 슈퍼히터가 널리 사용되었다. 예외는 기관차(스위터)를 피하는 것이었다. 영국의 션팅 기관차는 거의 슈퍼히터를 장착하지 않았다. 광물 수송에 사용되는 기관차에서는 그 이점이 미미했던 것 같다. 예를 들어, 북동 철도는 NER 클래스 P 광물 기관차 중 일부에 슈퍼히터레이터를 장착했지만 나중에 이를 제거하기 시작했다.

세심한 유지보수를 하지 않으면 슈퍼히터는 슈퍼히터 튜브의 U자형 회전 시 터지는 튜브의 특정 유형의 위험 고장의 원인이 되기 쉽다. 이는 설치 시 제조와 시험 모두 어려우며, 파열로 과열된 고압 증기가 즉시 큰 연조 속으로 빠져나간 다음 다시 화재와 택시로 돌아가 기관차 승무원의 극한 위험으로 이어질 것이다.

참조

  1. ^ "Superheater". www.pleasley-colliery.org.uk.
  2. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2008-12-21. Retrieved 2008-12-28.CS1 maint: 제목으로 보관된 복사본(링크)
  3. ^ Herbert Rauter, Günther Scheingraber, 1991: Preußen-Report. 밴드 2: Die Schnellzuglocotiven der Gattung S 1 – S 11. 헤르만 메르커 베를라크, ISBN 3-922404-16-2(독일어), 85-88페이지.
  4. ^ Allcock, N.J.; Davies, F.K.; le Fleming, H.M.; Maskelyne, J.N.; Reed, P.J.T.; Tabor, F.J. (June 1951). White, D.E. (ed.). The Locomotives of the Great Western Railway, part one: Preliminary Survey. Kenilworth: RCTS. p. 56. ISBN 0-901115-17-7. OCLC 650412984.
  5. ^ 브래들리 (1974년)
  6. ^ a b c d 브래들리(1987), 페이지 15
  7. ^ a b c 브래들리(1987), 페이지 16

참고 문헌 목록

  • 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.