水管ボイラー

高圧水管ボイラー[ ^1]（ウォーターチューブ、ウォーターチューブとも表記）は、外部から火で加熱された管内を水が循環するタイプのボイラーである。燃料は炉内で燃焼し、高温のガスを発生させ、そのガスで蒸気発生管内の水を沸騰させる。小型ボイラーでは炉内に別途発生管が設けられているが、大型のユーティリティボイラーでは炉壁を構成する水を満たした管を利用して蒸気を発生させる。

加熱された水と蒸気の混合物は、次に蒸気ドラムに上昇します。ここで、飽和蒸気がドラムの上部から引き出されます。一部の^{[どの? ]}サービスでは、蒸気は高温ガス経路 (過熱装置)のチューブを通過して過熱されます。過熱蒸気は乾燥ガスであるため、水滴がタービンブレードに深刻な損傷を与える可能性があるため、通常はタービンを駆動するために使用されます。

蒸気ドラムの底部の飽和水は、大口径の「ダウンカマーチューブ」を経由して下部のドラムに戻り、そこで給水を予熱します。（大型のユーティリティボイラーでは、給水は蒸気ドラムに供給され、ダウンカマーはウォーターウォールの底部に水を供給します）。ボイラーの経済性を高めるために、排気ガスはバーナーに吹き込まれる燃焼空気を予熱し、エコノマイザで給水を温めるためにも使用されます。火力発電所のこのような水管ボイラーは、蒸気発生装置とも呼ばれます。

旧式の火管ボイラー設計では、水が熱源を囲み、燃焼ガスが水空間内の管を通過しますが、通常、構造がはるかに弱く、2.4 MPa (350 psi) を超える圧力で使用されることはほとんどありません。水管ボイラーの大きな利点は、壊滅的な故障の可能性が低いことです。ボイラー内に大量の水はなく、故障する可能性のある大きな機械部品もありません。

水管ボイラーは1766年にイギリスのブレイキーによって特許を取得し、1780年にフランスのダレリーによって製造されました。^[2]

「水管ボイラーは、過度に大きくて厚い壁の圧力容器を使用せずに設計できるため、蒸気タービン発電など、乾燥した高圧の高エネルギー蒸気を必要とする用途に特に適しています。」^[3]

水管ボイラーは優れた動作特性を備えているため、以下の主要分野での使用が非常に好まれています。

• 産業におけるさまざまなプロセスアプリケーション
• 化学処理部門
• パルプおよび製紙工場
• 精製ユニット

さらに、これらのボイラーは、高圧（約16メガパスカル（160バール））と最高550℃に達する高温を伴う大量の蒸気（最大500kg/s）が一般的に必要とされる発電所で頻繁に使用されています。たとえば、イヴァンパ太陽光発電所では、プラントのウォームアップと化石燃料発電所としての運転時に、レンテックD型水管ボイラーを2基使用しています。^[4]

現代の発電用ボイラーは、高圧で動作できるため、ほぼ完全に水管設計になっています。加熱用または化学成分としてプロセス蒸気が必要な場合、火管ボイラーのニッチな市場がまだあります。注目すべき例外の 1 つは、典型的な原子力発電所 (加圧水型原子炉) で、蒸気発生器は一般に火管ボイラー設計に似た構成になっています。これらの用途では、高温ガス経路が「火管」を通じて原子炉から非常に高温/高圧の一次冷却材を運び、管の外部表面で蒸気が生成されます。

高圧で作動する能力により、船舶ボイラーはほぼ完全に水管式になりました。この変化は 1900 年頃に始まり、往復動 (ピストン) エンジンではなくタービンが推進力として採用されるようになりました。ただし、水管ボイラーは往復動エンジンでも使用され、火管ボイラーも多くの船舶タービン用途で使用されました。

鉄道機関車に水管ボイラーが本格的に採用された例はない。実験的な設計がいくつか作られたが、どれも成功せず、広く普及することもなかった。^[5]特にヨーロッパの水管式鉄道機関車のほとんどはシュミット方式を採用していた。ほとんどが複合式で、ユニフロー式は少数だった。ノーフォーク・アンド・ウェスタン鉄道のジョーン・ヘンリーは例外で、蒸気タービンと電動トランスミッションを組み合わせて使用​​していた。^[6]

• LMS 6399 フューリー

致命的な事故の後、完全に再建された

• LNER 10000「静かにして」

シュミットボイラーではなくヤローボイラーを使用。成功せず、従来のボイラーで再沸騰。^[7]

もう少し成功したのは、水管/火管のハイブリッドシステムの使用でした。機関車ボイラーの最も熱い部分は火室であるため、ここで水管設計を使用し、通常の位置に従来の火管ボイラーをエコノマイザー（つまり予熱器）として使用するのは効果的な設計でした。

有名な例としては、1926年に製造された米国のボールドウィン 4-10-2 No. 60000がある。ボイラー圧力2,400キロパスカル（350psi）で複動運転し、160,000キロメートル（100,000マイル）以上を走行した。しかし1年後、追加コストが経済性を上回ったことが明らかになり、ペンシルバニア州フィラデルフィアのフランクリン研究所の博物館に展示されることとなった。^{[8]ジョージ・H・エマーソンの監督の下、}ボルチモア・アンド・オハイオ鉄道のマウント・クレア工場で12両の実験用機関車が製造されたが、いずれも多数は製造されなかった。^[9]

鉄道で水管ボイラーが大量に使用された唯一の例は、 1902年にオーストリアのヨハン・ブロタンが発明したブロタンボイラーである。これはヨーロッパ全土でまれに見られるが、ハンガリーは熱心な使用者で、約1,000台あった。ボールドウィンと同様に、水管式火室と火管式樽を組み合わせたものである。ブロタンの元々の特徴は、主樽の上を走る長い蒸気ドラムであり、外観はフラマンボイラーに似ている。^{[10] [11]}

牽引エンジンは通常、機関車のボイラーをフレームとして使用して製造されますが、トラックや自動車などの他の種類の蒸気道路車両では、さまざまな種類のボイラーが使用されています。道路輸送の先駆者であるゴールドスワーシー・ガーニーとウォルター・ハンコックは、どちらも 1830 年頃に蒸気車両に水管ボイラーを使用しました。

ほとんどのアンダータイプ貨車は水管ボイラーを使用していました。多くのメーカーは、アトキンソン、クレイトン、ギャレット、センチネルなど、垂直クロスチューブボイラーの派生型を使用していました。他のタイプには、クラークソンの「シンブルチューブ」やフォーデンO型貨車のピストル型ボイラーがあります。^[12]

メリーウェザーなどの蒸気消防車メーカーは、通常、蒸気を急速に発生させる能力があるため、水管ボイラーを使用していました。

多くの蒸気自動車は水管ボイラーを使用しており、ボルソーバー・エクスプレス社はスタンレー・スチーマーの火管ボイラーを水管ボイラーに置き換えることさえした。^[13]

「D タイプ」は、概略図に示されているものと同様の、小型から中型のボイラーの最も一般的なタイプです。これは、定置型と船舶用の両方で使用されます。これは、複数の蒸気発生管を介して、小型の水ドラム (別名「泥ドラム」) に垂直に接続された大型の蒸気ドラムで構成されています。これらのドラムと管、および石油燃焼バーナーは、水壁で囲まれています。水壁とは、ガスがドラム間で流れないように、互いに近い間隔で配置された追加の水入り管です。これらの水壁管は、蒸気ドラムと水ドラムの両方に接続されているため、予熱器とダウンカマーの組み合わせとして機能し、ボイラー シェルへの熱損失を減らします。

M 型ボイラーは、数百隻のフレッチャー級駆逐艦を含む、第二次世界大戦中の米国の軍艦で使用されました。3 組の管が M の形を形成し、別々に燃焼する過熱器を形成して、より優れた過熱温度制御を可能にします。D 型ボイラーに見られる泥ドラムに加えて、M 型には、垂直管とダウンカマーの 2 列の追加列の下部にウォータースクリーン ヘッダーとウォーターウォール ヘッダーがあります。

低水分ボイラーには、バーナーから直接水が噴射される水管で接続された下部ヘッダーと上部ヘッダーがあります。これは、蒸気を生成し、負荷の変化に迅速に対応できる「炉のない」ボイラーです。

アメリカのバブコック・アンド・ウィルコックス社が設計したこのタイプは、ドラムが 1 つあり、給水はドラムの底からヘッダーに引き込まれ、傾斜した水管に供給されます。水管は蒸気をドラムの上部に戻します。炉は水管とドラムの下にあります。

このタイプのボイラーは、イギリス海軍のリアンダー級 フリゲート艦とアメリカ海軍の ニューオーリンズ級巡洋艦で使用されました。

スターリング ボイラーには、ほぼ垂直でほぼ真っ直ぐな水管が、多数の蒸気ドラムと水ドラムの間をジグザグに走っています。通常は、「4 ドラム」レイアウトで 3 列の管がありますが、特定の用途では、異なる数のドラムと列で設計されたバリエーションが使用されます。

サイズが大きいため、主に固定式ボイラーとして使用されますが、火格子面積が大きいため、さまざまな燃料を燃焼できます。もともとは発電所で石炭を燃料としていましたが、可燃性廃棄物を生成し、プロセス蒸気を必要とする産業でも広く普及しました。製紙工場では廃棄樹皮を、製糖工場ではバガス廃棄物を燃焼できます。これは水平ドラム型のボイラーです。

設計者である当時ポプラに拠点を置いていたヤロー造船所にちなんで名付けられたこのタイプの3ドラムボイラーは、水管で接続されたデルタ構造の3つのドラムを備えています。ドラムはまっすぐな水管で接続されており、チューブの清掃が容易です。ただし、これはチューブがさまざまな角度でドラムに入ることを意味し、接合部のコーキングがより困難になります。火室の外側では、各ドラムの間にある一対のコールドレッグパイプがダウンカマーとして機能します。^[14]

ヤロウボイラーは3つのドラムを備えているため、水容量が大きい。そのため、このタイプは、通常、古い船舶用ボイラーに使用されている。コンパクトなサイズのため、第二次世界大戦中には、移動可能な発電ユニットに使用するのが魅力的だった。移動可能にするため、ボイラーとその補助装置（燃料油加熱、ポンプユニット、ファンなど）、タービン、コンデンサーは貨車に搭載され、鉄道で輸送された。

ホワイト・フォースター型はヤロー型に似ていますが、チューブが徐々に曲がっています。これによりドラムへの進入が垂直になり、信頼性の高いシールを作るのが簡単になります。^[14]

造船会社ジョン・I・ソーニクロフト社が設計したソーニクロフト型は、蒸気ドラムが1つと炉の両側に2組の水管が備わっているのが特徴である。これらの水管、特に中央の水管は急カーブを描いている。そのため、清掃が明らかに難しいだけでなく、水管が温まると曲げ力が加わり、管板から外れて漏れが生じる傾向がある。炉が2つあり、共通の排気口に排気するため、ボイラーの底部は広く先細りの形状になっている。^[14]

強制循環ボイラーでは、チューブを通る水の流れを速めるためにポンプが追加されます。 ^[15]

• O型ボイラー
• A型ボイラー
• フレックスチューブボイラー
• M型制御過熱装置

• クラークソンシンブルチューブボイラー
• コーナーチューブボイラー
• 内部にライフル加工が施されたボイラー管（サーブ管とも呼ばれる）
• 3ドラムボイラー

ウィキメディア・コモンズには、水管ボイラーに関連するメディアがあります。

• ロバートソン、レスリー・スティーブン（2018年10月10日）[1901]。水管ボイラー：ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジで行われた短期講義に基づく。ニューヨーク：D.ヴァン・ノストランド社。ISBN 978-0342103232. OCLC  556436534. OL  32303266M . 2021年6月28日閲覧– Internet Archive経由。