過熱装置

過熱装置とは、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装置です。過熱蒸気は、発電用蒸気タービン、一部の蒸気機関、そして水蒸気改質などのプロセスで使用されます。過熱装置には、輻射式、対流式、個別燃焼式の3種類があります。過熱装置の大きさは、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）まで様々です。

種類

  • 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領域に直接配置されます。
  • 対流式過熱装置は、炉の対流域、高温の排気ガスの経路、通常はエコノマイザの前段に設置されます。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、主ボイラーの外側に設置され、独立した燃焼システムを備えた過熱器です。この過熱器の設計では、過熱器配管付近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過熱器と同等であるため、ほとんど使用されません。

蒸気タービン

石炭火力発電所の簡略図。過熱装置は19番要素です。

多くの用途において、タービンは往復動エンジンよりも蒸気エネルギーを効率的に利用します。しかし、沸点付近の飽和（「湿り」）蒸気には液滴が含まれる、あるいは凝縮して水滴となる可能性があり、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することで、液滴がシステム内に侵入してブレードを損傷するのを防ぎます。

蒸気機関

蒸気機関では、過熱装置がボイラーで発生した蒸気をさらに加熱して熱エネルギーを増加させ、機関内部での蒸気の凝結の可能性を低減する。 [ 1 ] [ 2 ]過熱装置は蒸気機関の熱効率を高めるため、広く採用されている。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る。20世紀初頭から、過熱装置は多くの蒸気機関車、ほとんどの蒸気車両、そして定置型蒸気機関に採用されてきた。現在でも世界中の 発電所で蒸気タービンと組み合わせて使用​​されている。

機関車

蒸気機関車における過熱装置設置の一般的な配置。
煙室から見た過熱装置。上部中央は過熱装置ヘッダーで、シリンダーにつながる配管が接続されています。下部の管は、煙道内の過熱装置エレメントに蒸気を送り込み、また送り出します。煙突とダンパーは、図を分かりやすくするために省略されています。

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、乾式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送り込みます。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多数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とともに、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、折り返されています。ほとんどの過熱装置エレメントは、火管側で 2 回、煙室側で 1 回これを繰り返しているため、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。エレメントを通過した後に、過熱された蒸気は過熱装置ヘッダーの別のコンパートメントに入り、エンジンのシリンダーへと送られます。

ダンパーとスニフティングバルブ

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ぎますが、スロットルが閉じると冷却効果が失われるため、煙室のダンパーが閉じて煙道への流れを遮断し、煙道の損傷を防ぎます。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（ LNER）では、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ました。これにより、過熱装置は比較的低温に保たれ、シリンダーは高温に保たれました。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ます。

フロントエンドスロットル

過熱装置は、蒸気回路内のスロットルと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。これを対策として、後期の蒸気機関車には、過熱装置の後の煙室にフロントエンドスロットルを備えたものがありました。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で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。フロントエンドスロットルのもう1つの利点は、過熱蒸気を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多少時間がかかります。

シリンダーバルブ

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な潤滑状態に保つことが難しいため、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。

アプリケーション

1910年にセルゲイ・プロクジン＝ゴルスキーが撮影した、過熱装置を備えた蒸気機関車の初期のカラー写真。

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・シュミットが開発した。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、シュミット式を改良できると考え、国産のスウィンドン式の過熱装置の設計と試験に着手し、1909年にスウィンドンNo.3過熱装置が完成した。[ 4 ]ダグラス・アール・マーシュは、1907年10月から1910年3月の間に、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実施し、性能と効率の点でシュミット過熱装置の利点を実証した。[ 5 ]

改良型過熱装置は、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工場で、サザン鉄道のリチャード・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 Steiermärkische Landesbahnen (STLB) が所有しており、同社はムール渓谷鉄道で観光列車を運行しています。

ユーリーの「イーストリー」過熱装置

ロバート・ユーリーによるLSWR用過熱装置の設計は、H15型4-6-0機関車での経験に基づくものでした。性能試験を見据えて、8両の機関車にシュミット型とロビンソン型の過熱装置が取り付けられ、残りの2両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勃発しました。しかし、1915年末のLSWR機関車委員会の報告書では、ロビンソン型が最も燃費効率が良かったと記されています。ロビンソン型は平均距離39,824マイル（64,090.5km）を走行し、1マイルあたり平均48.35ポンド（21.9kg）の石炭を消費しました。一方、シュミット型と飽和型の機関車では、それぞれ48.42ポンド（22.0kg）と59.05ポンド（26.8kg）の石炭を消費しました。[ 6 ]

しかし、報告書では、どちらの過熱器にも重大な欠点があると指摘されている。シュミット方式は、過熱器ヘッダーにダンパー制御を備えており、高温ガスが硫酸に凝縮し、孔食を引き起こし、過熱器エレメントの劣化を招いた。[ 6 ]エレメントとヘッダー間の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ければメンテナンスが困難であった。ロビンソン方式は、飽和蒸気室と過熱蒸気室が隣接しているため温度変化が生じ、材料に応力が生じるという問題があり、シュミット方式と同様のアクセス上の問題もあった。[ 6 ]

この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、アセンブリ全体はメンテナンスを容易にするために垂直に配置されていた。[ 7 ]この装置は実用上非常に成功したが、重量が重く、製造コストも高かった。[ 7 ]

メリットとデメリット

過熱装置を使用する主な利点は、燃料と水の消費量の削減ですが、保守費​​用の増加という代償も伴います。ほとんどの場合、利点が費用を上回り、過熱装置は広く普及しましたが、英国の入換機関車（スイッチャー）に過熱装置が搭載されることはほとんどありませんでした。鉱物輸送用の機関車では、その利点はわずかだったようです。例えば、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搭載していましたが、後にこれを撤去し始めました。

過熱装置は、適切なメンテナンスを行わないと、U字型の曲がり部分で過熱管が破裂するといった危険な故障を起こしやすくなります。過熱管は製造が難しく、設置後の試験も困難です。破裂すると、過熱された高圧蒸気が大きな煙道から噴出し、火災現場に戻って機関車運転室に入り込み、機関車の乗務員にとって極めて危険な状態となります。

参考文献

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。
  1. ^ 「スーパーヒーター」 . www.pleasley-colliery.org.uk。
  2. ^ 「蒸気機関車の仕組み」 。 2008年12月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2008年12月28日閲覧。
  3. ^ Herbert Rauter、Günther Scheingraber、1991: Preußen-Report。バンド 2: Die Schnellzuglokomotiven der Gattung S 1 – S 11。ヘルマン・メルカー・フェルラーク、 ISBN 3-922404-16-2（ドイツ語）、pp. 85-88。
  4. ^ Allcock, NJ; Davies, FK; le Fleming, HM; Maskelyne, JN; Reed, PJT; Tabor, FJ (1951年6月). White, DE (編). The Locomotives of the Great Western Railway, Part One: Preliminary Survey . Kenilworth: RCTS . p. 56.
  5. ^ブラッドリー（1974）
  6. ^ a b c dブラッドリー（1987）、15ページ
  7. ^ a b cブラッドリー（1987）、16ページ

参考文献

  • ブラッドリー, DL (1974). 『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: ロンドン鉄道通信旅行協会, 1974. pp.  88– 93.
  • ブラッドリー、DL (1987). 『LSWR機関車：ユーリー級』 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。
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