Eldrörspanna
En eldrörspanna är en typ av panna där heta gaser passerar från en brand genom ett eller flera rör som löper genom en förseglad behållare med vatten. Värmen från gaserna överförs genom rörens väggar genom värmeledning , uppvärmning av vattnet och till slut skapar ånga .
Eldrörspannan utvecklades som den tredje av de fyra stora historiska typerna av pannor: lågtryckspannor eller " höstack " pannor, rökgaspannor med en eller två stora rökkanaler, eldrörspannor med många små rör och högtryck vattenrörspannor . Deras fördel jämfört med rökgaspannor med en enda stor rökkanal är att de många små rören erbjuder mycket större värmeyta för samma totala pannvolym. Den allmänna konstruktionen är som en tank med vatten som penetreras av rör som transporterar de heta rökgaserna från elden. Tanken är vanligtvis cylindrisk för det mesta - eftersom den är den starkaste praktiska formen för en trycksatt behållare - och denna cylindriska tank kan vara antingen horisontell eller vertikal.
Denna typ av panna användes på praktiskt taget alla ånglok i horisontell "lok"-form. Denna har en cylindrisk tunna som innehåller eldrören, men har även en förlängning i ena änden för att hysa "eldkammaren". Denna eldstad har en öppen bas för att ge en stor gallerarea och sträcker sig ofta bortom den cylindriska pipan för att bilda ett rektangulärt eller avsmalnande hölje. Den horisontella eldrörspannan är också typisk för marina applikationer, med Scotch-pannan ; sålunda hänvisas dessa pannor vanligen till som "scotch-marine" eller "marine" typ pannor. Vertikala pannor har också byggts av typen med flera eldrör, även om dessa är jämförelsevis sällsynta; de flesta vertikala pannor var antingen rökkanaler eller med tvärvattenrör.
Drift
I pannan av lokomotiv förbränns bränsle i en eldstad för att producera heta förbränningsgaser. Eldstaden är omgiven av en kylmantel av vatten kopplad till det långa, cylindriska pannskalet. De heta gaserna riktas längs en serie av brandrör , eller rökkanaler , som penetrerar pannan och värmer vattnet och därigenom genererar mättad ("våt") ånga. Ångan stiger till pannans högsta punkt, ångkupolen, där den samlas upp. Kupolen är platsen för regulatorn som kontrollerar utloppet av ånga från pannan.
I lokpannan leds den mättade ångan mycket ofta in i en överhettare , tillbaka genom de större rökkanalerna på toppen av pannan, för att torka ångan och värma upp den till överhettad ånga . Den överhettade ångan leds till ångmaskinens cylindrar eller mycket sällan till en turbin för att producera mekaniskt arbete. Avgaserna matas ut genom en skorsten och kan användas för att förvärma matarvattnet för att öka pannans effektivitet.
Drag för eldrörspannor, särskilt i marina applikationer, tillhandahålls vanligtvis av en hög skorsten . I alla ånglok efter Stephensons raket , tillförs ytterligare drag genom att rikta avgasånga från cylindrarna in i skorstenen genom ett sprängrör , för att ge ett partiellt vakuum . Moderna industripannor använder fläktar för att ge påtvingad eller inducerad dragning av pannan.
Ett annat stort framsteg i raketen var ett stort antal eldrör med liten diameter (en flerrörspanna) istället för en enda stor rökkanal. Detta ökade ytarean för värmeöverföring avsevärt, vilket gjorde att ånga kunde produceras i en mycket högre hastighet. Utan detta ånglok aldrig kunnat utvecklas effektivt som kraftfulla drivkrafter .
Typer
För mer information om den relaterade förfadertypen, se Flued pannor .
Cornish panna
Den tidigaste formen av eldrörspanna var Richard Trevithicks "högtrycks" Cornish-panna. Detta är en lång horisontell cylinder med en enda stor rökkanal som innehåller branden. Själva elden var på ett järngaller placerat över denna rökkanal, med ett grunt askfat under för att samla upp de obrännbara resterna. Även om det anses som lågtryck (kanske 25 pund per kvadrattum (170 kPa)) idag, tillät användningen av ett cylindriskt pannskal ett högre tryck än de tidigare "höstacks"-pannorna på Newcomens tid . Eftersom ugnen förlitade sig på naturligt drag (luftflöde) krävdes en hög skorsten längst ut i rökkanalen för att uppmuntra en god tillförsel av luft (syre) till elden.
För effektivitetens skull var pannan vanligen innesluten under av en tegelbyggd kammare. Rökgaser leds genom denna, utanför pannans järnskal, efter att ha passerat genom eldröret och så till en skorsten som nu placerades på pannans framsida.
Lancashire panna
Lancashire-pannan liknar den Cornish, men har två stora rökkanaler som innehåller bränderna. Det var William Fairbairns uppfinning 1844, från en teoretisk övervägande av termodynamiken hos effektivare pannor som fick honom att öka ugnens rosterarea i förhållande till vattenvolymen.
Senare utvecklingar lade till Galloway-rör (efter deras uppfinnare, patenterade 1848), tvärgående vattenrör över rökkanalen, vilket ökade den uppvärmda ytan. Eftersom dessa är korta rör med stor diameter och pannan fortsätter att använda ett relativt lågt tryck, anses detta fortfarande inte vara en vattenrörspanna. Rören är avsmalnande, helt enkelt för att underlätta installationen genom rökkanalen.
.jpg)
Scotch marin panna
Den skotska marina pannan skiljer sig dramatiskt från sina föregångare genom att använda ett stort antal rör med liten diameter. Detta ger en mycket större värmeyta för volym och vikt. Ugnen förblir ett enda rör med stor diameter med de många små rören anordnade ovanför. De är sammankopplade genom en förbränningskammare – en innesluten volym som är helt innesluten i pannans skal – så att flödet av rökgas genom eldrören sker bakifrån och framåt. En sluten röklåda som täcker framsidan av dessa rör leder uppåt till skorstenen eller tratten. Typiska skotska pannor hade ett par ugnar, större hade tre. Över denna storlek, som för stora ångfartyg , var det mer vanligt att installera flera pannor.
Lokpanna
En lokomotivpanna har tre huvudkomponenter: en dubbelväggig eldstad ; ett horisontellt, cylindriskt "kokrör" innehållande ett stort antal små rökrör; och en röklåda med skorsten för avgaserna. Pannröret innehåller större rökrör för att bära överhettarelementen , där sådana finns. Påtvingat drag tillhandahålls i lokpannan genom att utblåst ånga sprutas tillbaka i avgasröret via ett sprängrör i röklådan.
Lokomotiv-typ pannor används också i dragmotorer , ångvältar , bärbara motorer och vissa andra ångfordon. Pannans inneboende styrka innebär att den används som bas för fordonet: alla andra komponenter, inklusive hjulen, är monterade på fästen som är fästa på pannan. Det är sällsynt att hitta överhettare designade i denna typ av panna, och de är i allmänhet mycket mindre (och enklare) än järnvägsloktyper.
Den lokomotiv-typ pannan är också ett kännetecken för övertyp ångvagnen , den ångdrivna förlöparen av lastbilen . I det här fallet utgör dock tunga balkramar fordonets bärande chassi, och pannan är fäst vid denna.
- Konisk panna
Vissa järnvägslokspannor är avsmalnande från en större diameter vid eldstadsänden till en mindre diameter vid röklådans ände. Detta minskar vikten och förbättrar vattencirkulationen. Många senare Great Western Railway och London, Midland och Scottish Railway lokomotiv designades eller modifierades för att ta koniska pannor.
Vertikal eldrörspanna
En vertikal eldrörspanna (VFT), i dagligt tal känd som "vertikal panna", har ett vertikalt cylindriskt skal som innehåller flera vertikala rökrör.
Horisontell returrörpanna
Horisontell returrörspanna (HRT) har ett horisontellt cylindriskt skal, som innehåller flera horisontella rökrör, med elden placerad direkt under pannans skal, vanligtvis i en tegelmiljö
Direktrörspanna av Admiralitetstyp
Används flitigt av Storbritannien, före och under järnklädnas tidiga dagar, den enda skyddade platsen var under vattenlinjen, ibland under ett pansardäck, så för att passa under korta däck leddes rören inte tillbaka ovanför ugnen utan fortsatte direkt från den med att hålla förbränningskammaren mellan de två. Därav namnet, och avsevärt reducerad diameter, jämfört med den allestädes närvarande Scotch- eller returrörspannan. Det var ingen stor framgång och dess användning övergavs efter introduktionen av starkare sidobepansring – "ugnskronorna, som ligger mycket nära vattennivån, är mycket mer benägna att överhettas. Vidare, på grund av pannans längd, för en lika stor lutningsvinkel, är effekten på vattennivån mycket större. Slutligen är den ojämna expansionen av pannans olika delar mera uttalad, särskilt upptill och nedtill, på grund av det ökade förhållandet mellan pannans längd och diameter; de lokala påfrestningarna är också svårare på grund av den jämförelsevis svaga cirkulationen i långa och låga pannor.” Allt detta resulterade också i ett kortare liv. Likaså var samma längd av en förbränningskammare mycket mindre effektiv på ett direktrör än på en returrörspanna, åtminstone utan baffling.
Doppeldad panna
Den doppeldade pannan är en enkelpassad eldrörspanna som utvecklades av Sellers Engineering på 1940-talet. Den har bara eldrör, som också fungerar som en ugn och förbränningskammare, med flera brännarmunstycken som sprutar in förblandad luft och naturgas under tryck. Den hävdar minskade termiska spänningar och saknar eldfast murverk helt på grund av sin konstruktion.
Variationer
Vattenrör
Eldrörspannor har ibland även vattenrör för att öka värmeytan. En panna från Cornwall kan ha flera vattenrör över rökkanalens diameter (detta är vanligt vid ångutsläpp ). En lokpanna med bred eldstad kan ha bågrör eller termiska sifoner . När eldstadsteknologin utvecklades, visade det sig att placeringen av en baffel av eldtegel (värmebeständiga tegelstenar) inuti eldstaden för att rikta flödet av heta rökgaser upp i toppen av eldstaden innan det strömmade in i brandrören ökade effektiviteten genom att utjämna värme mellan övre och undre eldrör. För att hålla dessa på plats användes ett metallfäste, men för att förhindra att dessa fästen brinner och eroderar byggdes de som vattenrör, med kallt vatten från botten av pannan som rörde sig uppåt genom konvektion när den värmdes upp och förde värmen. bort innan metallen nådde sin feltemperatur.
En annan teknik för att öka värmeytan är att inkludera intern rifling inuti pannrören (även känd som Serve-rör).
Inte alla skalpannor höjer ånga; vissa är utformade speciellt för uppvärmning av trycksatt vatten.
Omvänd låga
Som en hyllning till Lancashire-designen kan moderna skalpannor komma med en design med dubbla ugnar. En nyare utveckling har varit den omvända lågans design där brännaren eldar in i en blind ugn och förbränningsgaserna dubblar tillbaka på sig själva. Detta resulterar i en mer kompakt design och mindre rörsystem.
Paketpanna
Termen "paket"-panna utvecklades i början till mitten av 1900-talet; det används för att beskriva värmepannor för bostäder som levereras till installationsplatsen med all isolering, elektriska paneler, ventiler, mätare och bränslebrännare redan monterade av tillverkaren. Andra leveransmetoder liknar mer tidigare praxis från koleldningseran, då andra komponenter lades till på plats till antingen ett förmonterat tryckkärl eller till en "knock-down"-panna, där tryckkärlet levereras som en uppsättning av gjutgods som ska monteras på plats. Som en allmän regel är fabriksmontering mycket mer kostnadseffektiv och den förpackade pannan är det föredragna alternativet för hushållsbruk. Delmonterade leveranser används endast när det är nödvändigt på grund av åtkomstbegränsningar - t.ex. när den enda tillgången till en källarinstallationsplats är nedför en smal trappa.
Säkerhetsaspekter
Eftersom själva brandrännspannan är tryckkärlet kräver den ett antal säkerhetsfunktioner för att förhindra mekaniska fel. Boilerexplosion , som är en typ av BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion), kan vara förödande.
- Säkerhetsventiler släpper ut ånga innan ett farligt tryck kan byggas upp
- Smältpluggar över eldstaden smälter vid en lägre temperatur än eldstadsplattornas, och varnar därigenom operatörerna med bullriga utsläpp av ånga om vattennivån är för låg för att kyla eldstadens krona på ett säkert sätt.
- Stag , eller band, länkar fysiskt ihop eldstaden och pannhuset, vilket förhindrar att de blir skev. Eftersom all korrosion är dold kan stagen ha längsgående hål, så kallade kontrollampor , borrade i dem som läcker innan de blir osäkra.
Eldrörspannan som användes i Stanley Steamer -bilen hade flera hundra rör som var svagare än pannans yttre skal, vilket gjorde en explosion praktiskt taget omöjlig eftersom rören skulle misslyckas och läcka långt innan pannan exploderade. På nästan 100 år sedan Stanleys först tillverkades har ingen Stanley-panna någonsin exploderat. [ citat behövs ]
Ekonomi och effektivitet
Överdriven cykling
Varje gång en panna slås av och på kan den tappa effektivitet. När branden startar är förbränningseffektiviteten vanligtvis lägre tills stabila tillstånd råder. När elden upphör fortsätter den varma skorstenen att dra in ytterligare luft från det inre utrymmet tills det svalnar.
Överdriven cykling kan minimeras
- Modulerande pannor kan köras längre (vid eldningshastigheter som matchar belastningarna) än de icke-modulerande pannorna (som arbetar med full eldningshastighet).
- Genom att använda kondenserande modulerande pannor.
- Genom att använda icke-kondenserande modulerande panna.
- Genom att ställa in kontrollerna (termostater eller regulator med temperaturgivare) med större temperaturskillnader mellan STOPP och START.
- Vid icke-kondenserande pannor vidta åtgärder så att en lägsta returvattentemperatur på 130 °F (54 °C) till 150 °F (66 °C) till pannan för att undvika korrosion vid brandsidan.
- Genom att ställa in MINIMUM AV-tider på 8 till 15 minuter. För komfortvärmelaster utlöser korta tidsintervall vanligtvis inte passagerarnas klagomål.
Vanliga bestämmelser är att tillhandahålla en primär rörslinga med pump(ar) och en sekundär rörslinga med pump(ar); och antingen en pump med variabel hastighet för att överföra vatten från den primära slingan till den sekundära slingan, eller en 3-vägsventil för att avleda vatten från den sekundära slingan till den primära slingan.
Korrosion vid brand i icke-kondenserande pannor
En lägsta returvattentemperatur på 130 °F (54 °C) till 150 °F (66 °C) till pannan, beroende på den specifika designen, används för att undvika kondensering av vattenånga från rökgasen och upplösning av CO
2 och SO
2 från rökgaserna som bildar kolsyra och svavelsyra , en frätande vätska som skadar värmeväxlaren.
Kondenserande pannor
Kondenserande pannor kan vara 2 % eller mer effektiva vid lägre eldningshastigheter genom att extrahera förångningsvärmen från vattenångan i rökgaserna. Effektivitetsökningen beror på bränslet och den tillgängliga energin som ska återvinnas som en bråkdel av totalen. Metangas som innehåller mer tillgänglig energi att återvinna än propan eller eldningsolja relativt sett mindre. Det kondenserade vattnet är frätande på grund av löst koldioxid och svaveloxider från rökkanalen och måste neutraliseras före kassering.
Kondenserande pannor har en högre säsongsbetonad verkningsgrad, vanligtvis 84 % till 92 %, än icke-kondenserande pannor typiskt 70 % till 75 %. Säsongsverkningsgraden är en total verkningsgrad för pannan över hela eldningssäsongen till skillnad från förbränningsverkningsgraden som är pannans verkningsgrad vid aktivt eldning, vilket exkluderar stående förluster. Den högre säsongsmässiga effektiviteten beror delvis på att den lägre panntemperaturen som används för att kondensera rökgasen minskar stillastående förluster under avstängningscykeln. Den lägre panntemperaturen utesluter en kondenserande ångpanna och kräver lägre radiatortemperaturer i vattensystem.
Den högre effektiviteten för att arbeta i kondenseringsområdet är inte alltid tillgänglig. För att producera tillfredsställande tappvarmvatten krävs ofta pannvattentemperatur som är högre än vad som möjliggör effektiv kondensering på värmeväxlarens yta. Under kallt väder är byggnadens radiatoryta vanligtvis inte tillräckligt stor för att leverera tillräckligt med värme vid låga panntemperaturer så pannans styrning höjer panntemperaturen efter behov för att möta värmebehovet. Dessa två faktorer står för det mesta av variationen i effektivitetsvinsterna vid olika installationer.
Underhåll
Ett intensivt underhållsschema krävs för att hålla en högtrycksångpanna på järnväg i säkert skick.
Daglig besiktning
Rörplattorna, smältpluggen och huvuden på eldstadens stag bör kontrolleras för läckor. Korrekt funktion av pannbeslagen, särskilt vattenmätarna och vattenmatningsmekanismerna , bör bekräftas. Ångtrycket bör höjas till den nivå vid vilken säkerhetsventilerna lyfts och jämföras med indikeringen av tryckmätaren.
Fiasko
En lokpannas livslängd förlängs avsevärt om den besparas från en konstant cykel av kyla och uppvärmning. Historiskt sett skulle ett lok hållas "i ånga" kontinuerligt under en period av cirka åtta till tio dagar, och sedan tillåtas svalna tillräckligt för en varmvattenpanna. Schemat för expressmotorer baserades på körsträcka. Dagens bevarade lok hålls vanligtvis inte kontinuerligt i ånga och det rekommenderade tvättintervallet är nu femton till trettio dagar, men allt upp till 180 dagar är möjligt.
Processen börjar med en "avblåsning" medan ett visst tryck kvarstår i pannan, sedan dräneras bort allt pannvatten genom "lerhålen" vid botten av eldstaden och avlägsnande av alla "spolningspluggar". Beläggningar sprutas eller skrapas sedan från de inre ytorna med hjälp av en högtrycksvattenstråle och stavar av mjuk metall, såsom koppar. Områden som är särskilt känsliga för avlagringar, såsom eldstadens krona och trånga vattenutrymmen runt eldstaden, ägnas särskild uppmärksamhet. Pannans insida inspekteras genom att man tittar genom plugghålen, med en särskild kontroll av eldrörens integritet, eldstadens krona och stag och frånvaro av gropbildning eller sprickbildning i pannplåtarna. Mätglaskranar och -rör och smältplugg bör rensas från skala; om kärnan i den smältbara pluggen visar tecken på förbränning bör föremålet bytas ut.
Vid återmontering bör man se till att de gängade pluggarna byts ut i sina ursprungliga hål: konorna kan variera som ett resultat av omgängning. Dörrpackningarna för lerhål, om de är av asbest , bör förnyas men de som är gjorda av bly kan återanvändas; särskilda instruktioner gäller för bortskaffande av dessa skadliga material. Många pannor använder idag högtemperatursyntetmaterial för packningarna för både arbetsmiljöer och i konservering då dessa material är säkrare än de historiska alternativen. Vid stora underhållsanläggningar skulle pannan både ha tvättats och fyllts på med mycket varmt vatten från en extern försörjning för att få loket i drift snabbare.
Periodisk undersökning
Vanligtvis en årlig inspektion, detta skulle kräva borttagning och kontroll av externa kopplingar, såsom injektorer, säkerhetsventiler och tryckmätare. Högtrycksrörledningar av koppar kan drabbas av arbetshärdning vid användning och bli farligt spröda: det kan vara nödvändigt att behandla dessa genom glödgning före återmontering. Ett hydrauliskt tryckprov på pannan och rörsystemet kan också vara påkallat.
Allmän översyn
I Storbritannien är det specificerade maximala intervallet mellan fullständiga översyner tio år. För att möjliggöra en fullständig inspektion lyfts pannan från lokramen och eftersläpningen tas bort. Alla eldrör tas bort för kontroll eller utbyte. Alla beslag tas bort för översyn. Innan den återgår till användning kontrollerar en kvalificerad kontrollant pannans lämplighet för service och utfärdar ett säkerhetscertifikat som är giltigt i tio år.
externa länkar
- En lokpanna
- Bildgalleri som visar pannans interna funktioner och defekter.
- BS EN 12953 är den relevanta samtida standarden som ersätter BS2790.
- US Patent 5558046 – eldrörspanna lämplig för askhaltiga bränslen