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ボイラー給水とは、ボイラーに供給される水のことです。給水は給水ポンプから蒸気ドラムに送られます。蒸気ドラム内で、給水は熱によって蒸気に変換されます。蒸気が使用された後、主凝縮器に排出されます。凝縮器から脱気給水タンクにポンプで送られ、そこから再び蒸気ドラムに戻ってサイクルが完了します。給水は決して大気に開放されることはありません。このサイクルは閉鎖系、またはランキンサイクルとして知られています。
ボイラーの初期開発段階では、温度と圧力が非常に低かったため、特にボイラーが「ブローダウン」されている場合、スケールや錆がそれほど大きく発生しなかったため、水処理はそれほど問題ではありませんでした。ボイラー内の腐食を減らすために、亜鉛板やアルカリ性化学物質を設置するのが一般的でした。蒸留水、さまざまな化学物質、犠牲金属を使用して、ボイラーの腐食の原因（および可能な保護）を特定するために多くのテストが実施されました。[ 1 ]硝酸銀を給水サンプルに添加して、海水による汚染を検出できます。アルカリ度制御のための石灰の使用は、1900 年頃には言及されており、フランス海軍とイギリス海軍によって 1935 年頃まで使用されていました。 [ 2 ]現代のボイラーでは、極端な圧力と温度環境で未処理の水を使用すると問題が発生するため、給水の処理が重要です。これには、熱伝達の観点からの効率の低下、過熱、損傷、および高価な洗浄が含まれます。
水は他のほとんどの物質よりも高い比熱容量を持っています。この特性により、水はボイラー運転に理想的な原料となります。ボイラーは、ガスタービンのような開放系とは異なり、閉鎖系の一部です。使用される閉鎖系はランキンサイクルです。これは、水がシステム全体で循環し、大気と接触しないことを意味します。水は再利用され、効率的な運転を継続するために処理する必要があります。ボイラー水は、蒸気を効率的に生成するだけでなく、スケール、腐食、泡立ち、プライミングを防ぐためにも処理されなければなりません。
化学薬品は、化学薬品供給タンクを通してボイラー水に投入され、水の化学組成を適切な範囲に保ちます。これらの化学薬品は主に酸素除去剤とリン酸塩です。ボイラー水は、塩化物含有量を下げるために頻繁にブローダウンされます。ボイラーの運転には、固形物を取り除くための底部ブローも含まれます。スケールは、水から沈殿した不純物であり、伝熱面に形成されます。スケールは熱伝導性が低く、チューブが過熱して破損する原因となるため、これは問題です。腐食は、水中の酸素によって引き起こされます。酸素は金属を酸化させ、金属の融点を低下させます。泡立ちとプライミングは、ボイラー水に適切な量の化学薬品や、ドライパイプに持ち込まれる水中の懸濁固形物が含まれていない場合に発生します。ドライパイプは、蒸気と水の混合物が分離される場所です。
ボイラー水処理は、アルカリ度を制御し、スケールの発生を防ぎ、pHを調整し、導電率を制御するために使用されます。[ 3 ]ボイラー水は、チューブを損傷しないように、酸性ではなくアルカリ性である必要があります。溶解固形物が多すぎると、給水中の導電率が高すぎる場合があります。これらの適切な処理は、熟練したオペレーターと処理薬品の使用によって制御できます。ボイラー水を処理および調整する主な目的は、スケールなしで熱交換を行い、スケールの発生を防ぎ、高品質の蒸気を生成することです。ボイラー水の処理は、内部処理と外部処理の2つの部分に分けられます。[ 4 ]
内部処理はボイラー給水用で、外部処理は補給給水と凝縮水用です。内部処理は給水の硬度によるボイラー管へのスケール析出を防ぎ、給水の硬度による影響を軽減します。また、この処理はプライミングや発泡を起こさずに給水中の溶解固形物や懸濁固形物の濃度上昇も防ぎます。これらの処理薬品は給水のアルカリ度を調整し、よりアルカリ性にすることでボイラーの腐食防止にも役立ちます。適切なアルカリ度はリン酸塩を添加することで維持されます。これらのリン酸塩は固形物をボイラードラムの底に沈殿させます。ボイラードラムの底には、これらの固形物を除去するための底吹き装置があります。これらの薬品には、スケール防止剤、酸素除去剤、消泡剤も含まれます。スラッジは凝集と分散の2つの方法で処理することもできます。スラッジ含有量が多い場合は、底吹き装置で給水から除去できるように、スラッジを凝集させて大きな粒子にする方が良いでしょう。スラッジ含有量が少ない場合は、分散剤を使用する方が良い。分散剤はスラッジを供給水中に分散させるため、スラッジの形成を防ぐことができる。
酸素と二酸化炭素は脱気によって給水から除去されます。脱気は、脱気ヒーター、真空脱気器、機械式ポンプ、蒸気ジェットエジェクターを使用して行うことができます。脱気ヒーターでは、蒸気が流入する給水に噴霧され、溶解ガスが運び去られます。脱気器は、ボイラーで使用できる高温の給水も貯蔵します。この機械式脱気方法は、効率を高めるために化学的酸素除去剤とともに使用されます。[ 4 ]脱気ヒーターは、噴霧式とトレイ式の2つのグループに分類できます。トレイ式ヒーターでは、流入する水が蒸気雰囲気中に噴霧され、飽和温度に達します。飽和温度に達すると、ほとんどの酸素と非凝縮性ガスが放出されます。噴霧部では、水の再汚染を防ぐシールがあります。水はその後、下の貯蔵タンクに落下します。非凝縮性ガスと酸素はその後、大気中に放出されます。トレイ式脱気加熱器の構成要素は、シェル、スプレーノズル、直接接触式ベントコンデンサー、トレイスタック、および保護用の隔壁である。
スプレー式脱気器はトレイ式脱気器と似ています。水は蒸気雰囲気中に噴霧され、酸素と非凝縮性物質の大部分が蒸気に放出されます。その後、水は蒸気スクラバーに落下し、わずかな圧力損失により水がわずかにフラッシュし、酸素と非凝縮性物質の除去にも役立ちます。その後、水は貯蔵タンクに溢れ出ます。ガスはその後大気中に放出されます。真空脱気では、システムに真空が適用され、水は飽和温度まで加熱されます。水はスプレー式およびトレイ式脱気器と同様にタンクに噴霧されます。酸素と非凝縮性物質は大気中に放出されます。[ 4 ]
給水は、ボイラーおよび下流システムでのトラブルを避けるため、特別な処理を施す必要があります。未処理のボイラー給水は、腐食や汚れの原因となります。
腐食性化合物、特にO 2とCO 2 は、通常、脱気器を使用して除去する必要があります。残留量は、酸素除去剤を使用して化学的に除去できます。さらに、給水は通常、 pH 9.0 以上にアルカリ化され、酸化を抑制し、ボイラーの水側表面に安定したマグネタイト層の形成を促進し、その下の材料をさらなる腐食から保護します。これは通常、水酸化ナトリウム(苛性ソーダ) やアンモニアなどのアルカリ剤を給水に添加することによって行われます。ボイラーの腐食は、溶存酸素、溶存二酸化炭素、または溶存塩の存在によるものです。
堆積物はボイラー内の熱伝達を低下させ、流量を減少させ、最終的にはボイラーチューブを詰まらせます。給水が蒸発した際に残る非揮発性の塩類やミネラルは、液相中に濃縮され、 固体沈殿物の形成を防ぐために過剰な「ブローダウン」 （排水）が必要となるため、除去しなければなりません。さらに厄介なのは、スケールを形成するミネラルです。したがって、パージバルブを使用して溶解ミネラルを除去しない限り、給水の損失を補うために添加する補給水は、脱塩水または脱イオン水でなければなりません。
蒸気機関車には通常凝縮器がないため、給水はリサイクルされず、水の消費量が多くなります。脱イオン水の使用は非常に高価になるため、他の種類の水処理が使用されます。一般的に使用される化学物質には、炭酸ナトリウム、亜硫酸水素ナトリウム、タンニン、リン酸塩、消泡剤などがあります。[ 6 ]
治療システムには以下が含まれます。