過熱装置

過熱器は、飽和蒸気または湿り蒸気を過熱蒸気または乾き蒸気に変換するために使用される装置です。過熱蒸気は、発電用の蒸気タービン、一部の蒸気エンジン、および水蒸気改質などのプロセスで使用されます。過熱器には、輻射式、対流式、および個別燃焼式の 3 つのタイプがあります。過熱器のサイズは、数十フィートから数百フィート (数メートルから数百メートル) までさまざまです。

• 放射過熱器は、放射によって熱を吸収するように、水壁近くの燃焼室の放射ゾーンに直接配置されます。
• 対流式過熱装置は、炉の対流ゾーン、高温の排気ガスの経路、通常はエコノマイザの前に配置されます。対流式過熱装置は一次過熱装置とも呼ばれます。
• 別燃焼式過熱器は、メインボイラーの外側に設置され、独自の別個の燃焼システムを持つ過熱器です。この過熱器の設計では、過熱器パイプの領域に追加のバーナーが組み込まれています。効率が低く、生成される蒸気の品質が他のタイプの過熱器と変わらないため、ほとんど使用されません。

多くの用途では、タービンは往復エンジンよりも蒸気エネルギーを効率的に利用します。ただし、沸点の飽和 (「湿った」) 蒸気には、液体の水滴が含まれるか、凝縮してタービンブレードを損傷する可能性があります。そのため、蒸気タービンエンジンでは、通常、一次ボイラー内で蒸気を過熱して、液体の水がシステムに入り込んでブレードを損傷しないようにします。

蒸気機関では、過熱器がボイラーで発生した蒸気をさらに加熱し、蒸気の熱エネルギーを増加させて、蒸気が機関内で凝縮する可能性を減らします。 ^{[1] [2]}過熱器は蒸気機関の熱効率を高めるため、広く採用されてきました。過熱された蒸気は過熱蒸気と呼ばれ、過熱されていない蒸気は飽和蒸気または湿り蒸気と呼ばれます。20世紀初頭から、過熱器は多くの蒸気機関車、ほとんどの蒸気車両、および定置型蒸気機関に適用されました。世界中の 発電所で蒸気タービンと組み合わせて現在でも使用されています。

蒸気機関車で使用される過熱装置の最も一般的な形式は、火管式です。これは、ドライパイプで供給された飽和蒸気を、煙室の管板に対して取り付けられた過熱装置ヘッダーに取り込みます。次に、蒸気は、煙道と呼ばれる大径の火管内に配置された長いパイプであるいくつかの過熱装置エレメントを通過します。機関車の火からの高温の燃焼ガスが煙道を通過し、周囲のボイラー内の水を加熱するだけでなく、その上を流れる過熱装置エレメント内の蒸気を加熱します。過熱装置エレメントは、加熱された蒸気が戻ることができるように、折り返します。ほとんどの過熱装置エレメントは、火口側で 2 回、煙室側で 1 回これを行い、蒸気は加熱されながらヘッダーの長さの 4 倍の距離を移動します。エレメントを通り抜けた過熱蒸気は、最後に過熱装置ヘッダーの別のコンパートメントに入り、次にエンジンのシリンダーに送られます。

過熱装置を通過する蒸気は、その金属を冷却して溶融を防ぐが、スロットルが閉じると冷却効果がなくなるため、煙室のダンパーが閉じて煙道を通る流れを遮断し、煙道が損傷するのを防ぐ。一部の機関車、特にロンドン・アンド・ノース・イースタン鉄道の機関車には、機関車が惰力走行しているときに過熱装置に空気を取り込むスニフティング バルブが装備されていた。これにより、過熱装置は比較的低温に保たれ、シリンダーは暖かく保たれた。スニフティング バルブは、多くの LNER 機関車の煙突の後ろに設置されている。

過熱装置は、スロットルと蒸気回路内のシリンダー間の距離を広げるため、スロットル操作の即時性が低下します。これを補うため、後期の蒸気機関車には、過熱装置の後の煙室に前端スロットルが取り付けられました。このような機関車は、ボイラーの全長に渡って伸びる外部スロットル ロッドと、煙室の外側にあるクランクによって識別できる場合があります。この配置により、発電機や空気ポンプなどの補助機器に過熱蒸気を使用することもできます。前端スロットルのもう 1 つの利点は、過熱蒸気がすぐに利用できることです。ドーム スロットルでは、過熱装置が実際に効率上の利点をもたらすまでに時間がかかります。

過熱装置を備えた機関車には、高温で スライドバルブを適切に潤滑し続けることが難しいため、通常、ピストンバルブまたはポペットバルブが取り付けられています。

最初の実用的な過熱装置は、1880年代から1890年代にかけてドイツでヴィルヘルム・シュミットによって開発されました。初期の過熱装置を搭載したプロイセンのS4機関車は1898年に製造され、1902年からはさらに多くの機関車が量産されました。 ^[3]この発明の利点は、1906年にイギリスのグレート・ウェスタン鉄道（GWR）によって実証されました。GWRの主任機械技師であったGJ・チャーチワードは、シュミット型を改良できると考え、国産のスウィンドン型の設計と試験に着手し、1909年にスウィンドンNo.3過熱装置が完成しました。^[4] ダグラス・アール・マーシュは、1907年10月から1910年3月にかけて、飽和蒸気を使用するI3クラスの機関車とシュミット過熱装置を搭載した機関車の間で一連の比較試験を行い、性能と効率の点で後者の優位性を証明しました。^[5]

改良された過熱装置は、グレート・セントラル鉄道のジョン・G・ロビンソンがゴートン機関車工場で、ロンドン・アンド・サウス・ウェスタン鉄道(LSWR)のロバート・ユーリーがイーストリー鉄道工場で、そしてサザン鉄道 (イギリス)のリチャード・マンセルが同じくイーストリーで導入した。

現存する最古の過熱装置付き蒸気機関車であり、また最初の狭軌機関車でもあるBh.1は、オーストリアのシュタイアーマルク州鉄道（STLB）が所有しており、ムール渓谷鉄道で観光列車を運行している。^[要出典]

ロバート・ユーリーのLSWR用過熱装置の設計は、彼のH15クラス4-6-0機関車での経験の産物でした。性能試験を見越して、8台の機関車にシュミットとロビンソンの過熱装置が取り付けられ、他の2台は飽和状態のままでした。^[6]しかし、試験が行われる前に第一次世界大戦が介入しましたが、1915年後半のLSWR機関車委員会の報告書では、ロビンソンバージョンが最高の燃料効率を示したと指摘されていました。平均距離39,824マイル（64,090.5 km）で、1マイルあたり平均48.35ポンド（21.9 kg）の石炭を消費しました。これに対し、シュミットと飽和状態の例では、それぞれ48.42ポンド（22.0 kg）と59.05ポンド（26.8 kg）の石炭でした。^[6]

しかし、報告書では、両方の過熱器タイプに重大な欠点があると述べられています。シュミットシステムは、過熱器ヘッダーにダンパー制御が備わっており、高温ガスが硫酸に凝縮して孔食を引き起こし、過熱器エレメントの劣化を引き起こしました。^[6]エレメントとヘッダーの間でガス漏れも頻繁に発生し、水平に配置されたアセンブリを取り外さないとメンテナンスが困難でした。ロビンソンバージョンは、飽和蒸気室と過熱蒸気室が隣接しているために温度変化が生じ、材料にストレスがかかり、シュミットタイプと同様のアクセスの問題がありました。^[6]

報告書の勧告により、ユーリーは、過熱器ヘッダーの上下に別々の飽和蒸気ヘッダーを備えた新しいタイプの過熱器を設計することができました。^[7]これらは、飽和ヘッダーから始まり、煙道管を通って過熱器ヘッダーに戻る要素によって接続され、アセンブリ全体が垂直に配置されてメンテナンスが容易になりました。^[7]この装置は運用で非常に成功しましたが、重量があり、製造コストが高かったです。^[7]

過熱装置を使用する主な利点は、燃料と水の消費量が減ることですが、メンテナンス費用が増加するという代償があります。ほとんどの場合、利点が費用を上回り、過熱装置は広く使用されるようになりましたが、英国の入換機関車 (スイッチャー) に過熱装置が装備されることはほとんどありませんでした。鉱物輸送に使用される機関車では、利点はわずかだったようです。たとえば、ノース イースタン鉄道は、NER クラス P 鉱物機関車の一部に過熱装置を装備しましたが、後に取り外し始めました。

過熱装置は、注意深くメンテナンスしないと、U 字型の曲がり部分で過熱装置チューブが破裂するなど、特定の危険な故障を起こしやすくなります。過熱装置は製造が難しく、設置後のテストも困難です。破裂すると、過熱された高圧蒸気が大きな煙道に漏れ、火に戻って機関車運転室に入り、機関車の乗務員にとって極めて危険な状態になります。

ウィキメディア・コモンズには、過熱装置に関連するメディアがあります。

• ブラッドリー、DL（1974年）。ロンドン・ブライトン・アンド・サウス・コースト鉄道の機関車、3。ロンドン：ロンドン、鉄道通信および旅行協会、1974年。pp.88-93。
• ブラッドリー、DL（1987）。LSWR機関車：ユーリークラス。ディドコットオックスフォード：ワイルドスワンパブリケーションズ。ISBN 0-906867-55-X。