سوپرهیتر وسیله ای است که برای تبدیل بخار اشباع یا بخار مرطوب به بخار فوق گرم یا بخار خشک استفاده می شود . بخار فوق گرم در توربین های بخار برای تولید الکتریسیته ، در برخی موتورهای بخار و در فرآیندهایی مانند اصلاح بخار استفاده می شود . سه نوع سوپرهیتر وجود دارد: تابشی، همرفتی، و به صورت جداگانه. یک سوپرهیتر می تواند از نظر اندازه از چند ده فوت تا چند صد فوت (چند متر تا چند صد متر) متفاوت باشد.
در بسیاری از کاربردها، یک توربین نسبت به موتورهای رفت و برگشتی، از انرژی بخار بهینه تر استفاده می کند. با این حال، بخار اشباع ("مرط") در نقطه جوش ممکن است حاوی قطرات آب مایع یا متراکم شود که می تواند به پره های توربین آسیب برساند. بنابراین، موتورهای توربین بخار معمولاً بخار را، معمولاً در دیگ اولیه، سوپرگرم می کنند تا اطمینان حاصل شود که آب مایع وارد سیستم نمی شود و به پره ها آسیب نمی رساند.
در یک موتور بخار ، سوپرهیتر بخار تولید شده توسط دیگ بخار را بیشتر گرم می کند و انرژی حرارتی آن را افزایش می دهد و احتمال متراکم شدن آن را در داخل موتور کاهش می دهد. [1] [2] سوپرهیترها راندمان حرارتی موتور بخار را افزایش می دهند و به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته اند. بخاری که فوق گرم شده است به بخار فوق گرم معروف است و بخار غیر گرم را بخار اشباع یا بخار مرطوب می نامند. از اوایل قرن بیستم، سوپرهیترها برای بسیاری از لوکوموتیوهای بخار ، برای اکثر وسایل نقلیه بخار و موتورهای بخار ثابت استفاده شد. هنوز هم در ارتباط با توربین های بخار در ایستگاه های تولید برق در سراسر جهان استفاده می شود .
در استفاده از لوکوموتیو بخار ، تا حد زیادی رایج‌ترین شکل سوپرهیتر، نوع فایر تیوب است. این بخار اشباع عرضه شده در لوله خشک را به یک هدر سوپرهیتر نصب شده در مقابل ورق لوله در جعبه دود می برد . سپس بخار از تعدادی عنصر سوپرهیتر عبور می کند که لوله های بلندی هستند که در داخل لوله های آتش با قطر بزرگتر به نام دودکش قرار می گیرند. گازهای احتراق داغ ناشی از آتش لوکوموتیو از دودکش ها عبور می کنند و علاوه بر گرم کردن آب در دیگ اطراف، بخار را در داخل عناصر سوپرهیتر که روی آنها جاری می شوند گرم می کنند. عنصر سوپرهیتر دو برابر می شود تا بخار گرم شده بتواند برگردد. اغلب این کار را دو بار در انتهای آتش و یک بار در انتهای جعبه دود انجام می دهند، به طوری که بخار در حین گرم شدن، مسافتی چهار برابر طول هدر را طی می کند. بخار سوپرهیت در پایان مسیر خود از میان عناصر، به محفظه جداگانه ای از هدر سوپرهیتر و سپس به سیلندرهای موتور می رود.
بخار عبوری از عناصر سوپرهیتر، فلز آنها را خنک می کند و از ذوب شدن آنها جلوگیری می کند، اما وقتی دریچه گاز بسته می شود، این اثر خنک کننده وجود ندارد و بنابراین یک دمپر در جعبه دود بسته می شود تا جریان از دودکش ها قطع شود و از آسیب دیدن آنها جلوگیری شود. برخی از لوکوموتیوها، به ویژه در راه آهن لندن و شمال شرق ، مجهز به دریچه های خراش دهنده بودند که در هنگام حرکت لکوموتیو، هوا را به سوپرهیتر وارد می کردند. که عناصر سوپرهیتر را نسبتا خنک تر و سیلندرها را گرم نگه می داشت. شیر خراش را می توان در پشت دودکش در بسیاری از لوکوموتیوهای LNER مشاهده کرد.
سوپرهیتر فاصله بین دریچه گاز و سیلندرها را در مدار بخار افزایش می دهد و در نتیجه سرعت عمل دریچه گاز را کاهش می دهد. برای مقابله با آن، در برخی از لوکوموتیوهای بخار بعدی یک دریچه گاز جلویی تعبیه شد که بعد از سوپرهیتر در جعبه دود قرار داده شد. گاهی اوقات می توان چنین لوکوموتیوهایی را با یک میله دریچه گاز خارجی که در تمام طول دیگ امتداد دارد، با یک میل لنگ در قسمت بیرونی جعبه دود شناسایی کرد. این ترتیب همچنین اجازه می دهد تا از بخار فوق گرم برای وسایل کمکی مانند دینام و پمپ های هوا استفاده شود . یکی دیگر از مزایای دریچه گاز جلو این است که بخار فوق گرم بلافاصله در دسترس است. با دریچه گاز گنبدی، مدتی طول می کشد تا سوپر هیتر واقعاً مزیت کارایی را ارائه دهد.
لوکوموتیوهای دارای سوپرهیتر معمولاً با شیرهای پیستونی یا سوپاپ پاپت نصب می‌شوند ، زیرا نگه‌داشتن شیر کشویی به‌درستی در دمای بالا روغن کاری شده است.
اولین سوپرهیتر عملی در آلمان توسط ویلهلم اشمیت در طول دهه های 1880 و 1890 ساخته شد. لوکوموتیو S 4 پروس ، با شکل اولیه سوپرهیتر، در سال 1898 ساخته شد و تعداد بیشتری از آن به صورت سری از سال 1902 تولید شد . مهندس ارشد مکانیک GWR، GJ Churchward ، معتقد بود که نوع اشمیت را می توان بهتر کرد، و طراحی و آزمایش یک نوع بومی Swindon انجام شد که در سال 1909 در سوپرهیتر شماره 3 سویندون به پایان رسید. [4] داگلاس ارل مارش انجام شد. یک سری آزمایشات مقایسه ای بین اعضای کلاس I3 خود با استفاده از بخار اشباع شده و آنهایی که به سوپرهیتر اشمیت در فاصله اکتبر 1907 تا مارس 1910 نصب شده بودند، انجام داد که مزایای دومی را از نظر عملکرد و کارایی ثابت کرد. [5]
سوپرهیترهای بهبود یافته توسط جان جی رابینسون از راه‌آهن مرکزی بزرگ در لوکوموتیو گورتون ، توسط رابرت اوری از راه‌آهن لندن و جنوب غربی (LSWR) در راه‌آهن Eastleigh و ریچارد ماونسل از راه‌آهن جنوبی (بریتانیا کبیر) معرفی شدند . در ایستلی
قدیمی ترین لوکوموتیو بخار با سوپرهیتر باقی مانده، و همچنین اولین لوکوموتیو باریک با سوپرهیتر، Bh.1 متعلق به Steiermärkische Landesbahnen (STLB) در اتریش است که قطارهای گشت و گذار را در راه آهن Mur Valley راه اندازی می کند . [ نیازمند منبع ]
طراحی سوپرهیتر رابرت اوری برای LSWR محصول تجربه با لوکوموتیوهای کلاس 4-6-0 H15 او بود. در پیش‌بینی آزمایش‌های عملکرد، هشت نمونه با سوپرهیترهای اشمیت و رابینسون نصب شدند و دو نمونه دیگر اشباع باقی ماندند. [6] با این حال، جنگ جهانی اول قبل از انجام آزمایش‌ها مداخله کرد، اگرچه گزارش کمیته لوکوموتیو LSWR از اواخر سال 1915 اشاره کرد که نسخه رابینسون بهترین بازده سوخت را داشت. این خودرو به طور متوسط 48.35 پوند (21.9 کیلوگرم) زغال سنگ در هر مایل در مسافت متوسط 39824 مایلی (64090.5 کیلومتر) مصرف کرد، در مقایسه با 48.42 پوند (22.0 کیلوگرم) و 59.05 پوند (26.8 کیلوگرم) زغال سنگ برای نمونه های اشمیت و اشباع. [6]
با این حال، این گزارش بیان کرد که هر دو نوع سوپرهیتر دارای اشکالات جدی هستند. سیستم اشمیت دارای یک کنترل دمپر بر روی هدر سوپرهیتر بود که باعث می شد گازهای داغ به اسید سولفوریک متراکم شوند که باعث ایجاد حفره و متعاقب آن ضعیف شدن عناصر سوپرهیتر می شد. [6] نشت گازها نیز بین عناصر و هدر امری عادی بود و تعمیر و نگهداری بدون حذف مجموعه‌ای که به صورت افقی چیده شده بود دشوار بود. نسخه رابینسون از تغییرات دمایی ناشی از مجاور بودن محفظه‌های بخار اشباع و فوق‌گرم رنج می‌برد که باعث تنش مواد می‌شد و مشکلات دسترسی مشابهی با نوع اشمیت داشت. [6]
توصیه های این گزارش به Urie این امکان را داد تا نوع جدیدی از سوپرهیتر را با هدرهای بخار اشباع جداگانه در بالا و پایین هدر سوپرهیتر طراحی کند. [7] آنها توسط عناصری که از هدر اشباع شده شروع می‌شد، از لوله‌های دودکش عبور می‌کردند و به هدر سوپرهیتر بازمی‌گشتند وصل می‌شدند، و کل مجموعه به صورت عمودی برای سهولت تعمیر و نگهداری مرتب شده بود. [7] این دستگاه در سرویس بسیار موفق بود، اما ساخت آن سنگین و پرهزینه بود. [7]
مزایای اصلی استفاده از سوپرهیتر کاهش مصرف سوخت و آب است، اما هزینه های تعمیر و نگهداری افزایش می یابد. در بیشتر موارد مزایا بر هزینه ها بیشتر بود و سوپرهیترها به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند، اگرچه لوکوموتیوهای شانتینگ بریتانیایی ( سویچرها ) به ندرت مجهز به سوپرهیتر بودند. در لوکوموتیوهایی که برای حمل و نقل معدنی استفاده می شود، به نظر می رسد که مزایای حاشیه ای بوده است. برای مثال، راه‌آهن شمال شرقی سوپرهیترهایی را برای برخی از لوکوموتیوهای معدنی کلاس P NER خود نصب کرد اما بعداً شروع به حذف آنها کرد.
بدون تعمیر و نگهداری دقیق، سوپرهیترها مستعد ابتلا به نوع خاصی از خرابی خطرناک هستند که شامل ترکیدن لوله‌های سوپرهیتر در پیچ‌های U شکل می‌شود. ساخت و آزمایش آنها در هنگام نصب دشوار است و پارگی باعث می شود که بخار پرفشار فوق گرم به داخل دودکش های بزرگ فرار کند، به آتش و به کابین لوکوموتیو برگردد و خطر شدیدی را برای خدمه لوکوموتیو ایجاد کند.
