火管ボイラー

火管ボイラーは1828年にマーク・セガン[ ^{1]によって発明された}ボイラーの一種で、密閉された容器内の水の中を通る1本以上の管を通って高温のガスが火から排出される。ガスの熱は熱伝導によって管の壁を通して伝達され、水を加熱して最終的に蒸気を生成する。

火管ボイラーは、歴史的に主要な 4 種類のボイラーのうち 3 番目として開発されました。4 種類のボイラーは、低圧タンクまたは「ヘイスタック」ボイラー、 1 本または 2 本の大きな煙道を備えた煙道ボイラー、多数の小さな管を備えた火管ボイラー、および高圧水管ボイラーです。1 本の大きな煙道を備えた煙道ボイラーに対する利点は、多数の小さな管によって、同じボイラー総容積ではるかに大きな加熱表面積が得られることです。一般的な構造は、火からの熱い排気ガスを運ぶ管が貫通する水の入ったタンクです。タンクは通常、大部分が円筒形で、加圧容器としては最も頑丈な形状です。この円筒形タンクは、水平または垂直のどちらにもできます。

このタイプのボイラーは、水平の「機関車」形式で、事実上すべての蒸気機関車で使用されました。これは、火管を含む円筒形のバレルを持ちますが、一方の端には「火室」を収容するための延長部もあります。この火室は、大きな火格子領域を提供するための開いたベースを持ち、多くの場合、円筒形のバレルを超えて延長され、長方形または先細りの囲いを形成します。水平火管ボイラーは、スコッチボイラーを使用する船舶用途でも一般的です。したがって、これらのボイラーは一般に「スコッチマリン」または「マリン」タイプのボイラーと呼ばれます。^[2] 垂直ボイラーも複数の火管タイプで製造されましたが、これらは比較的まれです。ほとんどの垂直ボイラーは、煙道付きか、交差水管付きでした。

機関車型ボイラーでは、燃料が火室で燃焼して高温の燃焼ガスを生成します。火室は、長い円筒形のボイラー シェルに接続された冷却水ジャケットに囲まれています。高温のガスは、一連の火管または煙道に沿って導かれ、火管がボイラーを貫通して水を加熱し、飽和 (「湿った」) 蒸気を生成します。蒸気はボイラーの最高点である蒸気ドームまで上昇し、そこで集められます。ドームには、ボイラーからの蒸気の排出を制御する レギュレーターが設置されています。

機関車のボイラーでは、飽和蒸気は多くの場合、過熱器に送られ、ボイラー上部の大きな煙道を通って戻され、蒸気を乾燥させて過熱蒸気に加熱します。過熱蒸気は蒸気エンジンのシリンダーに送られますが、非常にまれにタービンに送られて機械的な作業を生み出します。排気ガスは煙突から排出され、給水を予熱してボイラーの効率を高めるために使用される場合があります。

火管ボイラー、特に船舶用ボイラーの通気は、通常、高い煙突によって行われます。スティーブンソンの ロケット以降のすべての蒸気機関車では、排気蒸気をシリンダーから煙突に送風管を通して導き、部分的な真空を作り出すことで、追加の通気が行われています。現代の産業用ボイラーは、ボイラーの強制通気または誘導通気を行うためにファンを使用しています。

ロケットのもう一つの大きな進歩は、一本の大きな煙道の代わりに、多数の小径の火管（多管式ボイラー）を採用したことです。これにより、熱伝達の表面積が大幅に増加し、蒸気をより高速に生成できるようになりました。これがなければ、蒸気機関車は強力な原動機として効果的に発展することは決してなかったでしょう。

関連する祖先タイプの詳細については、「煙突付きボイラー」を参照してください。

最も初期の形の火管ボイラーは、リチャード・トレビシックの「高圧」コーンウォール ボイラーでした。これは、火を囲む 1 つの大きな煙道を備えた長い水平の円筒です。火自体は、この煙道に渡された鉄格子の上にあり、その下には不燃性の残留物を集める浅い灰受けがありました。今日では低圧 (おそらく 1 平方インチあたり 25 ポンド (170 kPa)) と考えられていますが、円筒形のボイラー シェルを使用することで、ニューコメンの時代の初期の「ヘイスタック」ボイラーよりも高い圧力を実現できました。炉は自然通風(空気の流れ) に依存していたため、火に十分な空気 (酸素) を供給するために、煙道の遠端に高い煙突が必要で​​した。

効率を上げるため、ボイラーは一般にレンガ造りの部屋で覆われていました。煙道ガスは、火管を通過した後、鉄製のボイラー シェルの外側にあるこの部屋を通って、ボイラーの前面に設置された煙突に送られました。

ランカシャー ボイラーはコーンウォール ボイラーに似ていますが、火を囲む 2 つの大きな煙道があります。これは1844 年にウィリアム フェアバーンが発明したもので、より効率的なボイラーの熱力学を理論的に検討した結果、水の量に対する炉の火格子面積を増やすことに成功しました。

その後の開発でギャロウェイ管（発明者にちなんで1848年に特許を取得）^[3]が追加され、煙道に交差する水管が作られ、加熱面積が増加しました。これらは直径の大きい短い管であり、ボイラーは比較的低い圧力を使用し続けているため、これはまだ水管ボイラーとは見なされていません。管は先細りになっていますが、これは単に煙道への設置を容易にするためです。^[4]

スコッチ船舶ボイラーは、多数の小径管を使用する点で、以前のボイラーと大きく異なります。これにより、容積と重量に対してはるかに大きな加熱表面積が得られます。炉は1本の大径管のままで、その上に多数の小管が配置されています。それらは燃焼室（ボイラーシェル内に完全に含まれる密閉空間）を介して互いに接続されており、煙管を通る排ガスの流れは後ろから前になります。これらの管の前面を覆う密閉された煙室は、煙突または漏斗に向かって上向きに伸びています。典型的なスコッチボイラーには炉が2つあり、大型のボイラーには3つありました。大型蒸気船など、このサイズを超えると、複数のボイラーを設置するのが一般的でした。^[5]

機関車のボイラーは、二重壁の火室、多数の小さな煙管を備えた水平の円筒形の「ボイラー バレル」、および排気ガス用の煙突を備えた煙室という 3 つの主要部品で構成されています。ボイラー バレルには、過熱装置 (存在する場合) を運ぶためのより大きな煙管が含まれています。機関車のボイラーでは、排気された蒸気を煙室の 送風管から排気に注入することで強制通風が行われます。

機関車型ボイラーは、牽引エンジン、蒸気ローラー、ポータブルエンジン、その他の蒸気道路車両にも使用されています。ボイラーは本来の強度を備えているため、車両のベースとして使用されます。車輪を含むその他のすべての部品は、ボイラーに取り付けられたブラケットに取り付けられます。このタイプのボイラーに過熱装置が組み込まれていることはまれであり、一般に鉄道機関車型よりもはるかに小型 (かつシンプル) です。

機関車型のボイラーは、トラックの先駆けである蒸気動力のオーバータイプ蒸気貨車の特徴でもあるが、この場合は車両の荷重を支えるシャーシーが重い桁フレームで構成されており、これにボイラーが取り付けられている。

テーパーボイラー

特定の鉄道機関車のボイラーは、火室側の大径から煙室側の小径へと先細りになっています。これにより重量が軽減され、水の循環が改善されます。その後のグレート・ウェスタン鉄道やロンドン・ミッドランド・アンド・スコティッシュ鉄道の機関車の多くは、先細りボイラーを採用するように設計または改造されました。

垂直火管ボイラー( VFT) は、俗に「垂直ボイラー」とも呼ばれ、垂直の円筒形のシェルを持ち、その中に複数の垂直の煙道管が含まれています。

水平戻り管式ボイラー（HRT）は、水平円筒形のシェルを持ち、その中に複数の水平煙道管があり、火はボイラーシェルの真下、通常はレンガ造りの建物内にあります。

英国では装甲艦が登場する以前および初期の頃に広く使用されていたが、保護されている場所は水面下のみで、装甲甲板の下である場合もあった。そのため、短い甲板の下に収まるように、管は炉の上に戻されず、燃焼室を間に置いたまま炉からまっすぐに延びていた。そのため、スコッチボイラーまたはリターンチューブボイラーという名前が付けられ、広く普及しているスコッチボイラーやリターンチューブボイラーに比べて直径がかなり小さくなっている。このボイラーは大成功とはならず、より強力な側面装甲が導入された後は使用が中止された。「炉頂は水面のすぐ近くにあるため、過熱しやすくなります。さらに、ボイラーの長さのため、傾斜角が同じでも、水面への影響ははるかに大きくなります。最後に、ボイラーの長さと直径の比率が大きくなるため、ボイラーのさまざまな部分の不均等な膨張が特に上部と下部で顕著になります。長くて低いボイラーでは循環が比較的弱いため、局所的な歪みもより深刻になります。」これらすべてが寿命の短縮につながった。また、同じ長さの燃焼室でも、少なくともバッフルなしでは、直管ボイラーの方が戻り管ボイラーよりも効率がはるかに悪かった。^{[6] : 233-235}

浸漬燃焼ボイラーは、1940年代にセラーズエンジニアリング社によって開発された単通路の火管ボイラーです。火管のみで構成されており、炉と燃焼室としても機能し、複数のバーナーノズルから予混合空気と天然ガスを加圧下で噴射します。熱応力が低減され、構造上耐火レンガがまったく不要であるとされています。^[7]

火管ボイラーには、加熱面積を増やすために水管が付いていることもあります。コーンウォール ボイラーには、煙道の直径全体に渡って数本の水管が付いていることがあります (これは蒸気機関車では一般的です)。広い火室を持つ機関車用ボイラーには、アーチ チューブまたは熱サイフォンが付いている場合があります。火室技術が発達するにつれて、火室内に耐火レンガ(耐熱レンガ) のバッフルを設置して、熱い排気ガスの流れを火管に流れ込む前に火室の上部に導くと、上部の火管と下部の火管の間の熱が均等化されて効率が向上することが分かりました。これらを所定の位置に保持するために金属製のブラケットが使用されていましたが、このブラケットが燃えて腐食するのを防ぐために、水管として構築され、ボイラーの底部からの冷たい水が加熱されると対流によって上方に移動し、金属が破損温度に達する前に熱を持ち去りました。

加熱面積を増やすための別の技術は、ボイラー管（サーブ管とも呼ばれる）の内側に 内部ライフリングを組み込むことです。

すべてのシェルボイラーが蒸気を発生させるわけではなく、加圧された水を加熱するために特別に設計されたものもあります。

ランカシャー設計に敬意を表して、現代のシェルボイラーはツイン炉設計を採用しています。さらに最近開発されたのが、バーナーがブラインド炉に点火し、燃焼ガスが二重に戻ってくる逆火設計です。これにより、よりコンパクトな設計と配管の削減が実現しました。

「パッケージ」ボイラーという用語は、20 世紀初頭から中頃に生まれました。これは、断熱材、電気パネル、バルブ、ゲージ、燃料バーナーがすべてメーカーによって組み立てられた状態で設置場所に配送される住宅用暖房ボイラーを指すために使用されます。その他の配送方法は、石炭燃焼時代の従来の方法によく似ています。当時は、他のコンポーネントが、事前に組み立てられた圧力容器に現場で追加されるか、「ノックダウン」ボイラーに現場で追加されました。ノックダウン ボイラーでは、圧力容器が鋳物セットとして配送され、現場で組み立てられます。原則として、工場での組み立ての方がはるかに費用対効果が高く、パッケージ ボイラーは家庭用として好まれる選択肢です。部分的に組み立てられた配送は、アクセスが制限されている場合にのみ使用されます。たとえば、地下の設置場所への唯一のアクセスが狭い階段を下る必要がある場合などです。

火道ボイラー自体が圧力容器であるため、機械的な故障を防ぐために多くの安全機能が必要です。ボイラー蒸気爆発はBLEVE (沸騰液体膨張蒸気爆発) の一種であり、壊滅的な被害をもたらす可能性があります。

• 安全弁は危険な圧力が発生する前に蒸気を放出します。
• 火室の上の可溶栓は火室プレートよりも低い温度で溶けるため、水位が低すぎて火室の頂部を安全に冷却できない場合は、蒸気が漏れる音で操作者に警告します。
• ステー、またはタイは、火室とボイラーのケーシングを物理的に連結し、変形を防ぎます。腐食は目に見えないため、ステーにはテルテールと呼ばれる縦方向の穴が開けられており、危険になる前に漏れることがあります。

スタンレー・スチーマー自動車に使用されていた火管式ボイラーには、ボイラーの外殻よりも弱い数百本の管があり、ボイラーが爆発するずっと前に管が破損して漏れるため、爆発は事実上不可能であった。スタンレーのボイラーが最初に製造されてからほぼ 100 年が経つが、爆発したボイラーは 1 台もない。^[要出典]

ボイラーがオンとオフを繰り返すたびに、効率が低下する可能性があります。火が燃え始めると、定常状態になるまで燃焼効率は通常低下します。火が止まると、暖かい煙突は内部空間から追加の空気を吸い込み、冷却されるまで続きます。

過度なサイクリングを最小限に抑えることができる

• 調節式ボイラーは、非調節式ボイラー（最大燃焼率で稼働）よりも長時間稼働できます（負荷に一致する燃焼率で）。
  • 凝縮調節ボイラーを使用することにより。
  • 非凝縮型調節ボイラーを使用します。
  • STOP と START の間の温度差が大きいようにコントロール (サーモスタットまたは温度センサー付きコントローラー) を設定します。
• 非凝縮ボイラーでは、炉側の腐食を防ぐために、ボイラーへの戻り水の温度が最低 130 °F (54 °C) ～ 150 °F (66 °C) になるように対策を講じてください。
  • 最小オフ時間を8分から15分に設定する。快適な暖房負荷の場合、通常、短い時間間隔では居住者の苦情は発生しません。^[8]

一般的な規定としては、ポンプ付きの一次配管ループとポンプ付きの二次配管ループを用意し、一次ループから二次ループに水を移送するための可変速制御ポンプ、または二次ループから一次ループに水を流すための3方弁のいずれかを設置することです。^[9]

ボイラーへの戻り水温は、設計に応じて最低130°F（54°C）～150°F（66°C）に設定され、排気ガスからの水蒸気の凝縮とCOの溶解を防ぐ。
₂など​
₂排気ガスから炭酸と硫酸が生成され、腐食性の液体となり熱交換器を損傷する。^[10]

凝縮ボイラーは、排気ガス中の水蒸気から蒸発熱を取り出すことで、低い燃焼率で 2% 以上の効率を実現できます。効率の向上は、燃料と、回収可能なエネルギーが全体のうちどのくらいの割合を占めるかによって異なります。メタン排気ガスは、プロパンや燃料油よりも回収可能なエネルギーが多く、比較的少ないです。凝縮水は、排気ガスから溶解した二酸化炭素と硫黄酸化物によって腐食性があり、廃棄する前に中和する必要があります。^[10]

凝縮ボイラーの季節効率は、通常 70% ～ 75% の非凝縮ボイラーよりも高く、通常 84% ～ 92% です。季節効率は、暖房シーズン全体にわたるボイラーの総合的な効率であり、燃焼効率は、燃焼中のボイラーの効率 (定常損失を除く) です。季節効率が高い理由の 1 つは、排気ガスを凝縮するために使用されるボイラー温度が低いため、オフ サイクル中の定常損失が減少することです。ボイラー温度が低いと、凝縮蒸気ボイラーが使用できなくなり、給水システムのラジエーター温度を低くする必要があります。

凝縮領域で運転することでより高い効率が得られるとは限りません。満足のいく家庭用温水を生成するには、熱交換器表面で効果的に凝縮できる温度よりも高いボイラー水温が必要になることがよくあります。寒い季節には、建物のラジエーター表面積は通常、低いボイラー温度で十分な熱を供給できるほど大きくないため、ボイラーの制御により、暖房需要を満たすために必要に応じてボイラー温度が上昇します。これらの 2 つの要因により、さまざまな設備で経験される効率向上のばらつきの大部分が説明されます。^[10]

高圧鉄道蒸気ボイラーを安全な状態に保つには、徹底したメンテナンススケジュールが必要です。

チューブプレート、可溶栓、および火室ステーのヘッドに漏れがないか確認する必要があります。ボイラーの付属品、特に水位計と給水機構が正しく機能していることを確認する必要があります。蒸気圧を安全弁が上がるレベルまで上げ、圧力計の表示と比較する必要があります。

機関車ボイラーの耐用年数は、冷却と加熱の連続サイクルから解放されれば、かなり長くなります。歴史的には、機関車は「蒸気中」で約 8 日から 10 日間連続して保管され、その後、温水ボイラーの洗浄に十分な冷却が行われました。急行機関車のスケジュールは走行距離に基づいていました。^[11]今日保存されている機関車は通常、蒸気中​​で連続して保管されることはなく、推奨される洗浄間隔は現在 15 日から 30 日ですが、最大 180 日まで可能です。^[12]

このプロセスは、ボイラー内に圧力が残っている間に「ブローダウン」から始まり、次に火室底部の「泥穴」からボイラー内の水をすべて排出し、「ウォッシュアウトプラグ」をすべて取り外します。次に、高圧水ジェットと銅などの軟質金属の棒を使用して、内部表面からスケールを噴射またはこすり落とします。火室の頂部や火室周辺の狭い水空間など、特にスケールが蓄積しやすい領域には特別な注意を払います。ボイラーの内部は、プラグ穴を通しての視認によって検査され、特に火管、火室の頂部、ステーの完全性、およびボイラープレートの穴やひび割れがないかがチェックされます。ゲージガラスコック、チューブ、可溶性プラグからスケールを取り除く必要があります。可溶性プラグの芯に焼成の兆候が見られる場合は、そのアイテムを交換する必要があります。^[13]

再組み立ての際には、ねじ山付きプラグを元の穴に戻すように注意する必要があります。ねじ山を再度切ると、テーパーが変わる可能性があります。泥穴ドアのガスケットは、アスベスト製の場合は交換する必要がありますが、鉛製のものは再使用できます。これらの有害物質の廃棄については特別な指示が適用されます。^[12]今日の多くのボイラーは、作業環境と保存サービスの両方でガスケットに高温合成物質を使用しています。これらの材料は歴史的なものよりも安全です。大規模な保守施設では、機関車をより早く再稼働させるために、ボイラーを洗浄し、外部供給からの非常に熱いお湯で再充填していたでしょう。

通常、これは年次検査であり、インジェクター、安全弁、圧力計などの外部接続部品の取り外しとチェックが必要になります。高圧銅配管は使用中に加工硬化を起こし、危険なほど脆くなることがあります。そのため、再取り付け前に焼きなまし処理が必要になる場合があります。ボイラーと配管の水圧テストも必要になる場合があります。

英国では、全面オーバーホールの間隔は最大10年と定められている。全面検査を行うには、ボイラーを機関車のフレームから持ち上げ、断熱材を取り外します。すべての火管は点検または交換のために取り外されます。オーバーホールのためにすべての付属品が取り外されます。使用を再開する前に、資格のある検査官がボイラーの適合性をチェックし、10年間有効な安全証明書を発行します。^[12]

ウィキメディア・コモンズには、火管ボイラーに関連するメディアがあります。

• 機関車のボイラー
• ボイラーの内部機能と欠陥を示す画像ギャラリー。
• BS EN 12953 は、BS2790 に代わる最新の関連規格です。
• 米国特許 5558046 – 灰含有燃料に適した火管ボイラー