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ボイラーは、流体（一般的には水）を加熱する密閉容器です。流体は必ずしも沸騰するわけではありません。加熱または気化した流体は、給湯、セントラルヒーティング、ボイラー発電、調理、衛生など、さまざまなプロセスや加熱用途で使用するためにボイラーから排出されます。 [ 1 ] [ 2 ]
蒸気サイクルで発電する化石燃料発電所では、主な熱源は石炭、石油、または天然ガスの燃焼です。場合によっては、コークス炉の排ガスに含まれる一酸化炭素などの副産物燃料を燃焼させてボイラーを加熱することもできます。また、経済的に入手可能な場合は、バガスなどのバイオ燃料も使用できます。原子力発電所では、蒸気発生器と呼ばれるボイラーが核分裂によって発生する熱で加熱されます。何らかのプロセスから大量の高温ガスが得られる場合、熱回収蒸気発生器または回収ボイラーでその熱を利用して蒸気を生成することができ、追加の燃料をほとんど、あるいは全く消費しません。このような構成は、ガスタービンと蒸気ボイラーを使用する複合サイクル発電所でよく見られます。いずれの場合も、燃焼生成物である排ガスは蒸気サイクルの作動流体とは分離されているため、これらのシステムは外燃機関の例と言えます。
ボイラーの圧力容器は通常、鋼（または合金鋼）製、あるいは歴史的には錬鉄製です。ステンレス鋼、特にオーステナイト系ステンレス鋼は、腐食や応力腐食割れのため、ボイラーの接液部には使用されません。[ 3 ]ただし、フェライト系ステンレス鋼は、沸騰水にさらされない過熱器部分によく使用され、電気加熱式のステンレス鋼製シェルボイラーは、滅菌器や消毒器用の蒸気製造に関して、欧州の「圧力機器指令」で認められています。[ 4 ]
ライブスチームモデルでは、小型ボイラーでの加工が容易なため、銅や真鍮がよく使用されます。歴史的には、銅は成形性に優れ、熱伝導率も高いため、火室（特に蒸気機関車）によく使用されていました。しかし、近年では銅の価格高騰により、経済的に不利な選択肢となり、代わりに安価な代替品（鋼鉄など）が使用されることが多くなっています。
ビクトリア朝時代の「蒸気機関の時代」の大部分において、ボイラー製造に使用された唯一の材料は最高級の錬鉄であり、組み立てはリベットで行われていました。この錬鉄は、特に高圧ボイラーなどの重要な用途に適した高品質の圧延鋼板で知られる、クレアター・ムーア（英国）地域などの専門製鉄所から入手されることが多かったのです。20世紀に入ると、設計は鋼鉄の使用へと移行し、溶接構造が採用されるようになりました。鋼鉄はより強度が高く安価で、より迅速かつ少ない労力で製造できるからです。錬鉄製のボイラーは、現代の鋼鉄製のボイラーに比べて腐食がはるかに遅く、局所的な孔食や応力腐食の影響を受けにくいという特徴があります。そのため、古い錬鉄製のボイラーは、溶接鋼製のボイラーよりもはるかに長寿命なのです。
鋳鉄は、家庭用給湯器の加熱容器として使用されることがある。こうした給湯器は国によっては「ボイラー」と呼ばれることもあるが、その目的は蒸気ではなく温水を生成することであり、そのため低圧で運転され、沸騰を避けるように設計されている。鋳鉄は脆いため、高圧蒸気ボイラーには不向きである。
ボイラーの熱源は、木材、石炭、石油、天然ガスなど、さまざまな燃料の燃焼です。電気蒸気ボイラーは、抵抗加熱式または浸漬式の加熱要素を使用します。原子炉の核分裂も蒸気発生の熱源として使用され、直接（BWR）または、ほとんどの場合、「蒸気発生器」と呼ばれる特殊な熱交換器（PWR）で使用されます。排熱回収ボイラー（HRSG）は、ガスタービンなどの他のプロセスから排出される熱を利用します。
ボイラーの効率を測定するためのASME性能試験コード（PTC）には、ASME PTC 4 [ 5 ]とHRSGのASME PTC 4.4およびEN 12952-15 [ 6 ]の2つの方法があります。
ボイラー効率試験の直接法は、より実用的またはより一般的である。
どこ
間接法でボイラー効率を測定するには、以下のパラメータが必要です。
ボイラーは、以下の構成に分類できます。
ボイラーの安全性を定義し確保するために、米国機械学会（ASME）などの専門組織が規格や規制コードを策定しています。例えば、ASMEボイラーおよび圧力容器コードは、ボイラーやその他の圧力容器が安全性、セキュリティ、設計基準に準拠していることを保証するための幅広い規則と指示を提供する規格です。[ 8 ]
歴史的に、ボイラーは工学原理の理解不足により、多くの深刻な負傷や物的損害の原因となってきました。薄く脆い金属製の外殻は破裂する可能性があり、溶接やリベット留めが不十分な継ぎ目が開いて、加圧された蒸気が激しく噴出する可能性があります。水が蒸気に変わると、元の体積の 1,000 倍以上に膨張し、蒸気管を時速 100 キロメートル (62マイル)を超える速度で流れます。このため、蒸気は中央ボイラー室から必要な場所へエネルギーと熱を効率的に移動させる方法ですが、適切なボイラー給水処理を行わないと、蒸気発生プラントはスケール形成と腐食に悩まされます。最良の場合でも、エネルギー コストが増加し、蒸気の品質低下、効率の低下、プラント寿命の短縮、運転の不安定化につながる可能性があります。最悪の場合、壊滅的な故障と人命の損失につながる可能性があります。ボイラーのチューブが破損したり外れたりすると、空気取り入れ口や燃焼シュートから熱湯や煙が噴き出し、燃焼室に石炭を投入する火夫が負傷する可能性がある。工場を稼働させるために数百馬力を供給する非常に大きなボイラーは、建物全体を破壊する可能性もある。[ 9 ]
給水が不足し、空焚き状態になったボイラーは極めて危険です。空になったボイラーに給水を送ると、少量の水が過熱した金属製のシェルに接触すると瞬時に沸騰し、安全蒸気弁でも制御できないほどの激しい爆発を引き起こします。補給水で補える量よりも大きな蒸気供給ラインの漏れが発生した場合にも、ボイラーの水が抜けることがあります。ハートフォードループは、このような事態の発生を防ぎ、保険金請求を減らす方法として、 1919年にハートフォード蒸気ボイラー検査保険会社によって考案されました。[ 10 ] [ 11 ]
水を沸騰させると、飽和蒸気、または「湿り蒸気」と呼ばれる蒸気が生成されます。飽和蒸気は、大部分が水蒸気で構成されていますが、蒸発していない水が水滴の形で含まれています。飽和蒸気は、調理、暖房、衛生など、多くの用途に役立ちますが、船舶の推進システムや蒸気機関車の「運動」など、機械にエネルギーを伝達する用途には適していません。これは、蒸気がボイラーから機械へ移動する際に避けられない温度や圧力の損失が発生し、凝縮が生じて液体の水が機械内に持ち込まれるためです。蒸気に混入した水は、タービンブレードを損傷したり、往復動式蒸気機関の場合は、静水圧ロックによって深刻な機械的損傷を引き起こす可能性があります。
過熱蒸気ボイラーは水を蒸発させ、さらに過熱器で蒸気を加熱するため、排出される蒸気の温度はボイラーの運転圧力での沸点を大幅に上回ります。結果として得られる「乾き蒸気」は、蒸気状態を維持するために必要な温度よりもはるかに高いため、未蒸発の水はほとんど含まれません。また、飽和蒸気よりも高い蒸気圧が可能になるため、蒸気はより多くのエネルギーを運ぶことができます。過熱によって蒸気に熱の形でより多くのエネルギーが加えられますが、圧力には影響はありません。圧力は、ボイラーから蒸気が引き出される速度と安全弁の圧力設定によって決まります。 [ 12 ]過熱蒸気を生成するために必要な燃料消費量は、同量の飽和蒸気を生成するために必要な燃料消費量よりも大きくなります。しかし、蒸気プラント（ボイラー、過熱器、配管、機械の組み合わせ）の全体的なエネルギー効率は、一般的に燃料消費量の増加を十分に相殺するほど向上します。
過熱器の動作原理は、目的は異なりますが、エアコンのコイルの動作原理と似ています。蒸気配管はボイラー炉内の排気ガス経路を通っており、この領域の温度は通常1,300～1,600℃（2,372～2,912°F）です。過熱器には、その名の通り放射によって熱を吸収する放射式と、流体から熱を吸収する対流式があります。また、両方の方式を組み合わせたものもあります。いずれの方法でも、排気ガス経路の極めて高い熱によって、過熱器の蒸気配管と内部の蒸気も加熱されます。
過熱蒸気プラントの設計は、高温高圧の運転条件のため、様々な技術的課題を伴います。その一つが、ボイラーへの給水です。ボイラーに給水するポンプは、ボイラーの運転圧力に打ち勝つことができなければ、水は流れません。過熱ボイラーは通常高圧で運転されるため、給水圧力はさらに高くなり、より堅牢なポンプ設計が求められます。
もう一つ考慮すべき点は安全性です。高圧の過熱蒸気は、意図せず漏れ出すと非常に危険です。読者にイメージをつかんでいただくために説明すると、第二次世界大戦中に建造された多くの米海軍駆逐艦で使用されていた蒸気機関は、 600 psi (4,100 kPa ; 41 bar )の圧力と850 °F (454 °C) の過熱度で稼働していました。戦闘中の軍艦では常に起こりうる重大な危険である、システムの大きな破裂が発生した場合、漏れ出した過熱蒸気が閉じ込められた体積の 1600 倍以上に膨張し、莫大なエネルギーを放出するため、壊滅的な爆発に匹敵するでしょう。しかも、蒸気の放出が艦の機関室のような密閉空間で起こると、その影響はさらに増幅されます。また、漏洩箇所では目に見えない小さな漏れでも、人が漏れ出した蒸気の経路に足を踏み入れると致命的となる可能性があります。そのため、設計者はシステムの蒸気取扱部品に可能な限りの強度を持たせ、その完全性を維持するよう努めている。蒸気管の接続には特殊な方法が用いられ、特に高圧システムでは、ねじ込み式やガスケット式の接続による漏れの問題を避けるため、溶接継手が採用されている。
超臨界蒸気発生器は、発電によく用いられます。これらは超臨界圧力で動作します。「亜臨界ボイラー」とは対照的に、超臨界蒸気発生器は非常に高い圧力（3,200 psi または 22 MPa以上）で動作するため、沸騰の特徴である物理的な乱流は発生しません。流体は液体でも気体でもなく、超臨界流体です。圧力が蒸気泡を形成できる臨界圧力点を超えているため、水中に蒸気泡は発生しません。流体がタービン段を通過するにつれて、熱力学的状態は臨界点以下に低下し、タービンを回転させる仕事を行い、そのタービンが発電機を回転させ、最終的に電力が抽出されます。この時点で、流体は凝縮器に入る際に蒸気と液滴の混合物になっている可能性があります。これにより、燃料消費量がわずかに減少し、温室効果ガスの排出量も減少します。この装置では「沸騰」が発生しないため、超臨界圧力蒸気発生器に対して「ボイラー」という用語は使用すべきではありません。
燃料加熱式ボイラーは、燃料を酸化させるために空気を供給する必要があります。初期のボイラーでは、燃焼室の排気口に接続された煙突内の対流という自然現象によって、この空気の流れ（通風）を供給していました。加熱された排気ガスはボイラー周囲の空気よりも密度が低いため、排気ガスは煙突内を上昇し、より密度の高い新鮮な空気を燃焼室に引き込みます。
現代のボイラーのほとんどは、自然通風ではなく機械通風に依存しています。これは、自然通風が外気条件や炉から排出される排気ガスの温度、煙突の高さなどの影響を受けるためです。これらの要因すべてが適切な通風を確保することを困難にするため、機械通風装置の方がはるかに信頼性が高く経済的です。
通風方式は、排気ガスをボイラーから引き出す誘引通風、新鮮な空気をボイラーに送り込む強制通風、そして両方の効果を利用する平衡通風に分類できます。煙突を利用した自然通風は誘引通風の一種であり、機械通風は誘引通風、強制通風、平衡通風のいずれかになります。
機械式誘引通風には2種類あります。1つ目は蒸気ジェットを使用する方法です。蒸気ジェットを排気ガスの流れの方向に向けることで、排気ガスを煙突内に誘引し、排気ガスの流速を高めることで炉全体の通風を強めます。この方法は、煙突を高くすることができなかった蒸気機関車でよく用いられていました。2つ目は、誘引通風ファン（IDファン）を使用する方法です。誘引通風ファンは炉から排気ガスを排出し、排気ガスを煙突内に押し上げます。誘引通風式の炉はほぼ全て、わずかに負圧で運転されます。
機械式強制通風は、ファンによって燃焼室に空気を送り込むことで実現されます。空気はしばしば空気加熱器を通過します。空気加熱器はその名の通り、炉に入る空気を加熱してボイラー全体の効率を高めます。ダンパーは炉に流入する空気量を制御するために使用されます。強制通風式炉は通常、正圧状態になります。
バランスのとれた通風は、誘引通風と強制通風の両方を用いることで実現されます。これは、排気ガスが多数のボイラー通路を長距離通過する必要がある大型ボイラーでより一般的です。誘引通風ファンは強制通風ファンと連動して作動し、炉内圧力を大気圧よりわずかに低い値に維持します。