水管ボイラー
高圧水管ボイラー （水管および水管とも呼ばれます）は、火によって外部から加熱された管内で水が循環するタイプのボイラーです。燃料は炉内で燃焼し、蒸気発生管内の水を加熱する高温ガスを生成します。小型のボイラーでは、追加の生成管が炉内で分離されていますが、大型のユーティリティボイラーは、炉の壁を構成する水で満たされた管に依存して蒸気を生成します。
高圧水管ボイラー：
加熱された水は蒸気ドラムに上昇します。ここでは、飽和蒸気がドラムの上部から引き出されます。一部のサービスでは、蒸気は過熱器を介して炉に再入して過熱状態になります。過熱蒸気は、所定の圧力で沸点以上に加熱される蒸気として定義されます。過熱蒸気は乾燥したガスであるため、タービンの駆動に使用されます。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です。
スチームドラムの底にある冷水は、大口径の「下降管」を介して給水ドラムに戻り、そこで給水を予熱します。 （大型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、下降管は水壁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、排気ガスを使用して、炉に吹き込む空気を予熱し、給水を温めます。火力発電所のこのような水管ボイラーは、 蒸気発生ユニットとも呼ばれます。
水が熱源を囲み、燃焼からのガスが水空間内のチューブを通過する古い火管ボイラー設計は、はるかに弱い構造であり、2.4 MPa（350 psi）を超える圧力にはほとんど使用されません。水管式ボイラーの大きな利点は、壊滅的な故障の可能性が少ないことです。ボイラー内に大量の水がなく、故障する大きな機械要素もありません。
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が取得され、1780年にフランスのダレリーによって製造されました。
用途
「過熱蒸気を生成する水管ボイラーの能力は、蒸気タービン発電を含む、乾燥した、高圧、高エネルギーの蒸気を必要とするアプリケーションでこれらのボイラーを特に魅力的にします。」
優れた作動特性により、水管ボイラーの使用は次の主要な分野で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
- 紙パルプ製造工場
- 精製ユニット
さらに、高圧、つまり約16メガパスカル（160 bar）と最大550°Cに達する高温の大量の蒸気（最大500 kg / s）が一般に必要な発電プラントでよく使用されます。たとえば、Ivanpah太陽光発電所では、2台のRentech Type-D水管ボイラーを使用しています。
定常
発電用の最新のボイラーは、高圧で運転できるため、ほぼ完全に水管設計です。加熱に、または化学成分としてプロセス蒸気が必要な場合、火管式ボイラーにはまだ小さな隙間があります。
マリン
高圧で動作する能力により、船舶用ボイラーはほぼ完全に水管になっています。この変更は1900年頃に始まり、レシプロ（つまりピストン）エンジンではなく推進用のタービンの採用をたどりましたが、レシプロエンジンでは水管ボイラーも使用されていました。
鉄道
鉄道機関車用の水管ボイラーの重要な採用はありません。少数の実験計画が作成されましたが、これらのいずれも成功しなかったか、または広く使用されるようになりました。特にヨーロッパのほとんどの水管鉄道機関車は、シュミットシステムを使用していました。ほとんどは化合物であり、いくつかのユニフローでした。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、蒸気タービンと送電を組み合わせて使用したため、例外でした。
- LMS 6399フューリー
- LNER 10000「ハッシュハッシュ」
少し成功した採用は、ハイブリッド水管/火管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、ここで水管設計と通常の位置でエコノマイザー（つまり予熱器）として従来の火管ボイラーを使用することは効果的な設計でした。
これの1つの有名な例は、1926年に建設されたUSAボールドウィン4-10-2 No. 60000です。2,400キロパスカル（350 psi）のボイラー圧力でコンパウンドとして動作し、160,000キロメートル（100,000マイル）をカバーしました。しかし、1年後、経済が追加費用に圧倒され、定置工場になるために引退したことが明らかになりました。一連の12台の実験機関車がボルチモアおよびオハイオ鉄道のMt.クレアはジョージ・H・エマーソンの監督の下で買い物をしますが、それらはどれも複製されていません。
水管式ボイラーを鉄道で使用しているのは、1902年にヨハンブロタンによってオーストリアで発明されたブロタンボイラーだけで、ヨーロッパ全体で珍しい例が見つかりました。しかし、ハンガリーは熱心なユーザーであり、約1,000人を抱えていました。ボールドウィンと同様に、これは水管式火室と火管式バレルを組み合わせたものです。 Brotanの元々の特徴は、メインバレルの上を走る長いスチームドラムで、見た目はフラマンボイラーに似ていました。
道路
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構築されましたが、トラックや自動車などの他のタイプ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ズ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年頃に蒸気機関車で水管ボイラーを使用していました。
ほとんどのアンダータイプワゴン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、センチネルなどの垂直クロスチューブボイラーのバリエーションを使用しました。その他のタイプには、クラークソンの「シンブルチューブ」とFoden Oタイプワゴンのピストル型ボイラーがあります。
メリーウェザーなどの蒸気消防車メーカーは、通常、急速な蒸気発生能力のために水管ボイラーを使用していました。
多くの蒸気車は水管ボイラーを使用しており、Bolsover Express社は、Stanley Steamer火管ボイラーの水管の交換さえ行いました。
設計バリエーション
D型ボイラー
「Dタイプ」は、中小規模のボイラーの最も一般的なタイプで、模式図に示されているものに似ています。固定および海洋用途の両方で使用されます。複数の蒸気発生管を介して小さな水ドラム（別名「泥ドラム」）に垂直に接続された大きな蒸気ドラムで構成されています。これらは、炉を構成する大きな水で満たされたチューブで構成される壁に囲まれています。
M型ボイラー
Mタイプボイラーは、何百ものフレッチャー級駆逐艦を含む多くの米国第二次世界大戦軍艦で使用されました。 3組のチューブがMの形状を形成し、より優れた過熱温度制御を可能にする個別に起動される過熱器を作成します。 Dタイプボイラーに示されている泥ドラムに加えて、Mタイプには、垂直チューブと下降管の2つ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
「低含水量」ボイラーには、バーナーから直接衝突する水管によって接続された下部および上部ヘッダーがあります。これは、蒸気を生成し、負荷の変化にすばやく反応できる「炉なし」ボイラーです。
バブコック＆ウィルコックスボイラー
Babcock＆Wilcoxのアメリカの会社によって設計されたこのタイプは、単一のドラムを持ち、給水がドラムの底部から傾斜した水管を供給するヘッダーに引き込まれます。水管はドラムの上部に蒸気を戻します。炉は、チューブとドラムの下にあります。
このタイプのボイラーは、英国海軍のリアンダー級フリゲート艦で使用されていました。
- フォスターウィーラー
- 燃焼工学
スターリングボイラー
スターリングボイラーには、垂直に近いほぼ真っ直ぐな水管があり、多数の蒸気ドラムと水ドラムの間でジグザグに動きます。通常、「4ドラム」レイアウトにはチューブの3つのバンクがありますが、特定のアプリケーションでは、異なる数のドラムとバンクで設計されたバリエーションを使用します。
火格子の面積が大きいため、広範囲の燃料を燃焼させる能力が促進されますが、それらは主にサイズが大きいため、固定ボイラーとして使用されます。元々は発電所で石炭を燃焼させていたが、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た。製紙工場は廃棄物の樹皮を燃やし、砂糖精製所はバガス廃棄物を燃やします。横型のボイラーです。
ノコギリソウ
当時のポプラをベースにしたヤロウ造船所の設計者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編成の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連結されているため、簡単に管を洗浄できます。ただし、これは、チューブがさまざまな角度でドラムに入り、かしめるのがより難しいジョイントであることを意味します。火室の外では、各ドラム間の「冷えた」パイプのペアが「下降管」として機能します。
3本のドラムにより、Yarrowボイラーの水容量は大きくなります。したがって、このタイプは通常、古い船舶用ボイラーアプリケーションで使用されます。そのコンパクトなサイズは、第二次世界大戦中の可搬型発電ユニットでの使用に魅力的でした。輸送可能にするために、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、コンデンサーが貨車に搭載され、鉄道で輸送されました。
ホワイトフォースター
White-ForsterタイプはYarrowに似ていますが、チューブが徐々に湾曲しています。これにより、ドラムへの侵入が垂直になり、信頼性の高いシールを簡単に作成できます。
ソーニークロフト
造船業者ジョンI.ソーニークロフト＆カンパニーが設計したソーニークロフトタイプは、炉の両側に2セットの水管を備えた単一のスチームドラムを備えています。これらのチューブ、特に中央セットには鋭いカーブがあります。それらを洗浄する際の明らかな困難は別として、これはまた、チューブが温まるにつれて曲げ力を生じさせ、それらをチューブプレートから引き離し、漏れを生じさせる傾向がある。共通の排気口に通じる2つの炉があり、ボイラーに広いベースのテーパー形状を与えます。
強制循環ボイラー
強制循環ボイラーでは、チューブを通る水の流れを加速するためにポンプが追加されます。
その他の種類
- 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型制御過熱器
