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凝縮式蒸気機関車は、ボイラー給水間隔を延ばすため、または密閉空間内での蒸気の放出を減らすために、排気蒸気を回収するように設計された機関車の一種です。この装置は、通常は火室のドラフト生成に使用される排気蒸気を熱交換器を通してボイラー水タンクに送ります。設置方法は、目的、設計、および搭載される機関車の種類によって異なります。通常の閉サイクル凝縮式蒸気機関とは異なり、凝縮器の機能は主に水を回収するか、大気への過剰な排出を防ぐことであり、効率と出力の両方を向上させるために真空を維持することではありません。
蒸気タービンや船舶用蒸気機関でよく用いられる表面凝縮器とは異なり、蒸気機関車の凝縮装置は通常、出力を増加させるものではなく、むしろ蒸気ボイラーを加熱する火室への空気流量が減少するため、出力が大幅に低下する可能性がある。大量のガスから少量の液体へと蒸気を凝縮すると、排気口で大きな圧力降下が生じるが、これは通常、ほとんどの蒸気機関車において追加の出力を生み出す。真空まで膨張させることで潜在的に出力は増加する可能性があるものの、火室を通る空気流量が減少するため、従来の蒸気機関車に比べて出力は実際には大幅に低下する。これは、火室の吸気口に空気を引き込むために、火室排気口に排出する廃蒸気がなくなるためである。同様の出力を得るには、蒸気駆動または機械駆動のファンによって火室に空気を供給する必要がある。これは多くの場合、効率の向上を相殺してしまう。
船舶では、低圧段や低速タービンを備えた複式蒸気機関が搭載されていることが多いため、廃熱回収段が少なく、排気蒸気の温度は、同等の出力を持つ一般的な定置式または船舶用蒸気機関よりも高くなります。現代の蒸気機関では、廃熱は熱交換器を使用して回収されることがよくあります。しかし、凝縮式機関車は、廃熱が周囲の空気に放出され回収されないため、この利点がなく、したがって、廃蒸気のエネルギーは機械的な仕事に利用されません。多くの場合、海軍や定置式蒸気発電所のように豊富な冷却水源ではなく空気を使用するため、温度勾配ははるかに悪くなります。アンダーソン凝縮システムは、廃蒸気を部分的に冷却してから凝縮水に圧縮し、高温の凝縮水をボイラーに戻して未使用の廃熱を回収することで、これらの損失を大幅に削減します。これにより、エネルギーの無駄が大幅に削減されます。
機関車の凝縮器内の温度が比較的高く、熱が空気中に放出されるため、凝縮器をサイクルに組み込むことで期待される熱効率の向上は、一般的な機関車のスペース制約内では通常実現されません。実際、凝縮器配管内の粘性摩擦による損失や、凝縮水をボイラーに戻すためのポンプ操作が必要となるため、単に大気中に放出する場合よりも出力が低下する可能性があります。
これらの制限は、サイズや重量の制限がないため、船舶用または定置式の蒸気機関には適用されません。船舶には、タイタニック号とその姉妹船で非常に低い6 psi (41 kPa)の廃蒸気を回収するために使用された 400 トンの廃蒸気タービンなど、大規模な廃蒸気回収システムが搭載されていることがよくありました。[ 1 ]これは機関車全体の重量の数倍であり、機関車の廃蒸気回収方法としては明らかに実現不可能です。
排気蒸気を凝縮することの欠点は、ブラストパイプを使用して火を吸い込むために蒸気が利用できなくなることです。そのため、代わりに蒸気駆動ファンによってドラフトを発生させる必要があります。 [ 2 ]可能な限り、排気蒸気を使用するように配置されていますが、場合によっては生蒸気が必要となり、追加の蒸気と燃料消費が発生します。
蒸気機関車の凝縮器は、水冷式または空冷式である。
ここでは、排気蒸気が機関車の水タンク内の冷水に吹き込まれる。蒸気が停止した際にタンクの水がシリンダーに吸い込まれるのを防ぐため、逆止弁を取り付ける必要がある。このシステムは主にトンネル内を走行する機関車で使用されていた。
ここでは、排気蒸気が内燃機関の冷却システムと同様の空冷式ラジエーターに吹き込まれる。このシステムは、小型路面電車（凝縮器が屋根に取り付けられていた）と大型炭水車（凝縮器が炭水車に取り付けられていた）の両方で使用されていた。
アンダーソン凝縮システム[ 3 ]は空冷式凝縮器を使用するが、蒸気は部分的にしか凝縮されず、蒸気中に水滴のエアロゾルが形成される。このエアロゾルは、特別に設計されたボイラー給水ポンプを使用して圧力によって液化される。アンダーソンシステムでは、（大気中に排気する場合と比較して）燃料を約30%節約できると主張されているが、これは逆説的に思える。エアロゾルを圧縮するために必要な動力を考えると、燃料消費量は増加すると予想される。
これが可能な理由は、カルノーの定理によるもので、熱を汲み上げるのに必要なエネルギーは、熱そのものを発生させるのに必要なエネルギーよりも少ないという定理である。
蒸気圧縮脱塩として知られる同様の効果が、後に水の脱塩に利用されました。凝縮水をボイラーに戻す代わりに、高温圧縮された凝縮水を熱交換器に通してボイラーに熱を戻し、きれいな飲料水として放出します。これは、水の脱塩に使用される最も効率的なプロセスの1つです。[ 4 ]
凝縮装置を設置する主な理由は2つあります。排気ガス排出量の削減と航続距離の延長です。
元々はメトロポリタン鉄道がロンドン地下鉄のトンネルで機関車を運行できるようにするために開発された。このシステムはダニエル・グーチが考案し、ベイヤー・ピーコック・アンド・カンパニーが開発した。蒸気は排気蒸気管から同じタンク内の凝縮管を通って水タンクに分岐される。[ 5 ]タンク内の水はすぐに沸点近くまで加熱され、排気蒸気の凝縮効果が低下する可能性がある。タンクを定期的に空にして冷水で満たすことも珍しくなかった。通常のインジェクターは温水では機能しない[ 5 ]（温水インジェクターが開発されるまで）ため、凝縮機関車には通常、車軸駆動のボイラー給水ポンプが装備されていた。トンネルで作業していないときは、蒸気は通常の方法でブラストパイプに導かれ、煙突に送られた。
イギリスでは、路面電車の蒸気機関車には法律で凝縮器の設置が義務付けられていました。水タンク式凝縮器（上記参照）が使用されることもありましたが、空気式凝縮器の方が一般的でした。蒸気路面電車の機関車は通常、全長にわたる屋根を持ち、その上に排気蒸気を凝縮するための空冷式銅管が多数設置されていました。キットソン社はこのタイプの機関車を多数製造しました。このシステムは（出力が非常に低い）路面電車の機関車には十分でしたが、より大型の鉄道機関車には適していませんでした。
一般的に、これは排気蒸気を凝縮するために強制空冷を用いる、より高度な設備であった。このシステムは、砂漠や極度に乾燥した地域（例えば南アフリカ）を走行する蒸気機関車に十分な水を供給するという問題を軽減することを目的としていた。（下記参照）
ウィキメディア・コモンズにある凝縮式蒸気機関車に関するメディア