ボイラー（発電用）

1712年の最初のニューコメン機関では、ボイラーは動力シリンダーの下に設置された大きな醸造用ケトルに過ぎませんでした。機関の動力は蒸気の凝縮によって生じる真空から得られるため、 1 psi (6.9 kPa )をわずかに超える程度の非常に低い圧力で大量の蒸気が必要でした。ボイラー全体は熱を保持するレンガ造りの中に設置されていました。わずかに窪んだ鍋の下の火格子の上に大量の石炭が焚かれましたが、加熱面は非常に小さく、そのため多くの熱が煙突に逃げていました。後のモデル、特にジョン・スミートンによるモデルでは、煙道を通ってガスがボイラーの側面を加熱するようにすることで加熱面が大幅に増加しました。スミートンはさらに、ボイラーの下に螺旋状の迷路煙道を設けることでガスの経路を長くしました。これらの下部燃焼式ボイラーは18世紀を通じてさまざまな形で使用されました。中には円形断面のものもありました（干し草の山型）。長方形の平面形状を持つより長いバージョンは、1775年頃にボルトンとワットによって開発されました（ワゴントップボイラー）。これは今日では三段式ボイラーとして知られており、火で底面を加熱した後、発生したガスが中央の四角い断面の管状煙道を通って、最後にボイラーの側面を回り込む構造になっています。  

円筒形の初期の提唱者の一人は、1774 年に設計を提案したイギリスのエンジニア、ジョン・ブレイキーでした。^{[ 1 ] [ 2 ]}もう一人の初期提唱者は、アメリカのエンジニア、オリバー・エバンスで、円筒形が機械的抵抗の観点から最適であることを正しく認識し、18 世紀末頃にはそれを自身のプロジェクトに取り入れ始めました。おそらく 1725 年以降の百科事典に登場したリューポルドの「高圧」エンジンの構想に関する記述に触発されたエバンスは、「強蒸気」、つまり蒸気圧だけでピストンを駆動し、その後大気中に排出される非凝縮エンジンを好みました。彼が考えた強蒸気の利点は、より少ない量の蒸気でより多くの仕事ができることでした。これにより、すべてのコンポーネントのサイズを小さくすることができ、エンジンを輸送や小型設備に適合させることができました。この目的のために、彼は長い円筒形の錬鉄製の水平ボイラーを開発し、その中に単一の火管を組み込み、その一端に火格子を配置しました。ガス流はその後、ボイラー胴体の下にある通路または煙道に逆流され、そこから分岐して側面の煙道を通って戻り、煙突で再び合流した（コロンビア式エンジンボイラー）。エバンスは、この円筒形ボイラーを、定置式と移動式の両方の複数のエンジンに組み込んだ。スペースと重量の制約から、後者は火管から煙突へ直接排気する一経路式であった。

当時「強力な蒸気」を提唱したもう一人の人物は、コーンウォール出身のリチャード・トレヴィシックでした。彼のボイラーは40～50psi（276～345kPa）で作動し、最初は半球形、その後円筒形になりました。1804年以降、トレヴィシックは半可搬式および機関車用の小型の2パスまたは戻り煙道ボイラーを製造しました。 1812年頃にリチャード・トレヴィシックによって開発されたコーンウォール式ボイラーは、それ以前の単純なボイラーよりも強力で効率的でした。これは、長さ約27フィート（8.2m ） 、直径7フィート（2.1m ）の円筒形の水タンクで構成され、タンク内部を縦方向に通る幅約3フィートの単一の円筒形チューブの一端に石炭火格子が配置されていました。火は片側から管理され、そこから発生した高温ガスは管を通って反対側の端から排出され、外側の煙道を通って再び循環し、さらにボイラー胴の下を3度通過してから煙突に排出された。これは後に、 2つの炉が別々の管に並んで配置されたランカシャーボイラーという別の3パスボイラーによって改良された。これは、各炉に異なるタイミングで燃料を投入できるため、片方の炉を稼働させている間にもう片方を清掃できるという重要な改良点であった。    

鉄道機関車のボイラーは通常1パス式であったが、初期の頃は2パス式リターン煙道ボイラーが一般的で、特にティモシー・ハックワースが製造した機関車に多く見られた。

1828年、フランスでマルク・セガンが2パスボイラーを考案したことで、大きな進歩がもたらされた。このボイラーの2パス目は、複数の管を束ねた構造になっていた。同様の設計で自然誘導を利用した船舶用ボイラーは、広く普及したスコッチ式船舶用ボイラーである。

1829年のレインヒル試験に先立ち、リバプール・アンド・マンチェスター鉄道の会計係ヘンリー・ブースは、ジョージ・スチーブンソンに、2つのユニットからなる多管式一パス水平ボイラーの設計案を提案した。そのユニットとは、水空間に囲まれた火室と、内部に25本の銅管が取り付けられた2つの伸縮リングからなるボイラー胴体である。管束は胴体内の水空間の大部分を占め、熱伝達を大幅に改善した。ジョージはすぐにこの設計案を息子のロバートに伝え、これがスチーブンソンのロケット号に搭載され、試験で圧倒的な勝利を収めた。この設計は、その後スチーブンソンが製造したすべての機関車の基礎となり、他の製造業者にもすぐに採用された。この火管ボイラーの型は、それ以来ずっと製造され続けている。

火の最適な燃焼特性を実現するには、火格子を通して、そして火の上部から空気を供給する必要があります。現在、ほとんどのボイラーは自然通風ではなく機械式通風装置に依存しています。これは、自然通風が外気条件、炉から出る排気ガスの温度、煙突の高さに左右されるためです。これらの要因すべてが効果的な通風の実現を困難にし、そのため機械式通風装置の方がはるかに経済的になります。機械式通風には次の3種類があります。

1. 誘引通風: これは 3 つの方法のいずれかで得られます。1 つ目は、加熱された煙突の「スタック効果」で、排気ガスはボイラー周囲の空気よりも密度が低くなります。密度の高い周囲の空気の柱が燃焼用空気をボイラー内に押し込み、ボイラー内を通過させます。2 つ目の方法は、蒸気ジェットを使用することです。排気ガスの流れの方向に配置された蒸気ジェットまたはエジェクターが排気ガスを煙突内に誘引し、排気ガスの速度を上げて炉全体の通風を増加させます。この方法は、高い煙突を設置できなかった蒸気機関車で一般的でした。3 つ目の方法は、排気ガスを炉から吸い出して煙突内に送り込む誘引通風ファン (ID ファン) を使用するだけです。ほとんどすべての誘引通風炉は負圧になっています。
2. 強制通風：通風は、ファン（FDファン）とダクトを用いて炉内に空気を送り込むことで得られます。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、炉内に入る空気を加熱することでボイラー全体の効率を高めます。ダンパーは炉内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。
3. バランスドラフト：バランスドラフトは、誘引ドラフトと強制ドラフトの両方を使用す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パス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。誘引ドラフトファンは強制ドラフトファンと連携して動作し、炉内圧力を大気圧よりわずかに低く維持します。

次の段階は、水を沸騰させて蒸気を作ることです。目標は、熱源から水へ熱が可能な限り完全に伝わるようにすることです。水は火で加熱された限られた空間に閉じ込められています。生成された蒸気は水よりも密度が低いため、容器内の最も高い位置に蓄積されます。その温度は沸点に留まり、圧力が上昇するにつれて上昇するだけです。この状態（ボイラー内で蒸発している液体の水と平衡状態にある）の蒸気は「飽和蒸気」と呼ばれます。例えば、大気圧下での飽和蒸気は100 ℃（212 °F）で沸騰します。ボイラーから取り出された飽和蒸気には水滴が混入している可能性がありますが、適切に設計されたボイラーは、混入水がほとんどない、実質的に「乾燥」した飽和蒸気を供給します。飽和蒸気をさらに加熱すると、蒸気は「過熱」状態になります。これは、蒸気が飽和温度よりも高い温度に加熱され、この状態では液体の水は存在できない状態です。 19世紀の往復動式蒸気機関のほとんどは飽和蒸気を使用していたが、現代の蒸気発電所では一般的に過熱蒸気を使用しており、これにより蒸気サイクルの効率が向上している。  

LD ポルタは、あらゆる種類の蒸気機関に適用できる、蒸気機関車の効率を決定する次の式を示しています。出力 (kW) = 蒸気生成量 (kg h ⁻¹ ) / 比蒸気消費量 (kg/kW h)。

一定量の水を過熱することで、より多くの蒸気を発生させることができる。火は、発生する飽和蒸気よりもはるかに高い温度で燃焼しているため、過熱することで、既に発生した蒸気にさらに多くの熱を伝達し、蒸気中に浮遊する水滴をさらに多くの蒸気に変えることができ、水の消費量を大幅に削減できる。

過熱器は、エアコンのコイルのように機能しますが、目的は異なります。蒸気配管（蒸気が流れている）は、ボイラー炉内の排気ガス経路を通っています。この領域は通常、1,300～1,600 °C (2,372～2,912 °F )です。過熱器には、放射式（熱放射によって熱を吸収する）と対流式（流体、つまりガスを介して熱を吸収する）があり、両方を組み合わせたものもあります。したがって、対流か放射かにかかわらず、ボイラー炉/排気ガス経路の極めて高い熱は、過熱器の蒸気配管と内部の蒸気も加熱します。過熱器内の蒸気の温度は上昇しますが、蒸気の圧力は上昇しません。タービンまたは可動ピストンが「連続的に膨張する空間」を提供し、圧力はボイラーの圧力と同じままです。^{[ 4 ]}蒸気を過熱するプロセスは、タービンブレードや関連配管の損傷を防ぐために、蒸気中に混入した液滴をすべて除去することを最も重要な目的として設計されています。蒸気を過熱すると蒸気の体積が膨張し、一定量（重量）の蒸気でより多くの電力を生成できるようになります。  

水滴が完全に除去された状態を、蒸気は過熱状態にあると言う。

スティーブンソン式火管機関車のボイラーでは、これは、大径の火管内に吊り下げられた小径のパイプを通して飽和蒸気を流し、火室から出る高温ガスと接触させることを意味します。飽和蒸気は湿式ヘッダーから火室に向かって逆流し、その後再び乾式ヘッダーに向かって順流します。過熱は、シリンダーと蒸気箱の可動部品の過熱と潤滑の問題により、1900 年頃に機関車に一般的に採用され始めました。多くの火管ボイラーは水を沸騰するまで加熱し、その後、飽和温度、つまり特定の圧力での水の沸点の温度（飽和蒸気）で蒸気を使用します。これにはまだかなりの量の水が懸濁しています。飽和蒸気はエンジンで直接使用できますが、懸濁した水は膨張して仕事をすることができず、仕事は温度低下を伴うため、作動流体の大部分は、それを生成するのに費やされた燃料とともに無駄になります。

蒸気を素早く生成するもう 1 つの方法は、燃焼ガスに囲まれたチューブに加圧された水を供給することです。この最も初期の例は、 1820 年代後半にGoldsworthy Gurneyによって蒸気自動車用に開発されました。このボイラーは超コンパクトで軽量であり、この構成はその後、船舶や定置用途の標準となりました。チューブには表面積を最大化するために、多数の曲がりがあり、フィンが付いている場合もあります。このタイプのボイラーは、高圧の水/蒸気が薄い壁で圧力を保持できる細いパイプ内に閉じ込められているため、一般的に高圧用途で好まれます。ただし、地上輸送機器では振動による損傷を受けやすい場合があります。鋳鉄製セクション ボイラーは、「ポーク チョップ ボイラー」と呼ばれることもあり、水は鋳鉄製のセクション内に閉じ込められています。これらのセクションは、完成したボイラーを作るために現場で機械的に組み立てられます。

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運転されます。「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 22.06 MPa以上）で運転されるため、実際の沸騰は起こらず、液体の水と蒸気の分離もありません。圧力が蒸気泡が発生する臨界圧力を超えているため、水中に蒸気泡は発生しません。蒸気は高圧タービンで仕事をする際に臨界点以下を通過し、発生器の凝縮器に入ります。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。この装置では実際に「沸騰」は起こらないため、超臨界圧力蒸気発生器に対して「ボイラー」という用語を使用すべきではありません。  

ドーブル社の蒸気自動車は、連続管からなる一貫式対向流発生器を使用しています。ここでは、火はコイルの下ではなく上に設置されています。水は管の下部から送り込まれ、蒸気は上部から排出されます。つまり、水と蒸気の粒子はすべて発生器のあらゆる部分を通過する必要があり、激しい循環が生じるため、管の内側に沈殿物やスケールが形成されるのを防ぎます。水は毎秒600フィート（183メートル）の流量で管の下部から流入し、管内には常に2クォート未満の水が入っています。 

高温のガスがコイルの間を通過する際、水に熱が吸収されるため、徐々に冷却されます。ガスが最後に接触する発電機の部分は、冷たい流入水です。

圧力があらかじめ設定されたポイント（通常は冷水圧力である750 psi（5.2 MPa））に達すると、火は確実に遮断されます。1,200 lb（544 kg ）に設定された安全弁が、さらなる保護を提供します。火は圧力だけでなく温度によっても自動的に遮断されるため、ボイラーが完全に空になった場合でも、温度によって火が自動的に遮断されるため、コイルを損傷することは不可能です。^{[ 7 ]}    

プリチャード・アンド・ラモント社製ボイラーやベロックス社製ボイラーなど、同様の強制循環式発電機も同様の利点を備えている。