復水器

復水器：蒸気を凝縮させる熱交換器

復水器は、蒸気タービンやエンジンで仕事をした後の低圧の水蒸気を冷却し、凝縮させて液体に戻す熱交換器です。この工程によって得られた水（飽和液）は、再び給水ポンプへと送られ、サイクルを継続します。エアコンや冷凍機にも同様の原理で動作する凝縮器がありますが、冷媒を使用するため復水器とは区別されます。復水器を含む熱力学サイクルの代表例として、ランキンサイクルの等圧冷却過程が挙げられます。

復水器の種類と特徴

復水器は大きく分けて、表面復水器と直接接触復水器の2種類があります。

表面復水器: 冷却水が復水器の冷却管内を流れ、蒸気とは直接接触しません。冷却水の清浄度を保つ必要がある汽力発電所などで広く採用されています。
直接接触復水器: 冷却水を復水器内に直接導入し、蒸気と混合します。復水の清浄度が厳しくない地熱発電などで利用され、構造がシンプルで熱交換効率が高いという利点があります。

復水器の構造と性能

復水器は、主に以下の部分から構成されています。

胴: 鋼製の箱型容器で、負圧に耐えられるよう内部に補強が施されています。大型の発電プラントではタービンの真下に配置され、低圧タービンの排気を直接受けますが、小規模なプラントではタービンの横に設置され、配管で排気を導くこともあります。胴の下部には凝縮した水が溜まるピット（ホットウェル）があります。
冷却管: 胴には多数の冷却管が貫通しており、冷却水を通して蒸気を冷却・凝縮させます。火力[[発電]]所ではアルミニウムや黄銅が使用され、腐食しやすい部分にはチタンが用いられることもあります。直接接触復水器では、冷却管の代わりに冷却水を噴射するノズルが多数設置されています。
真空度: 復水器の圧力が低いほどタービンの熱効率は向上しますが、設備費や運転コストも増加します。そのため、真空度は冷却水温度などを考慮して最適な値に設定されます。日本の火力[[発電]]所では、海水温度の影響を受け、沖縄では低く、北海道では高く設定されています（概ね95～98 kPa）。地熱発電では、蒸気に含まれる非凝縮性ガスにより、火力・原子力[[発電所]]よりも真空度が低く設定される傾向にあります。

復水器の付属設備

復水器の効率的な運用には、以下の付属設備が不可欠です。

空気抽出器: タービン内部から流入する空気や、地熱蒸気に含まれる非凝縮性ガスを除去し、真空度を維持します。エゼクターや真空ポンプなどが用いられます。
鉄イオン注入装置: 海水冷却の場合、冷却管の腐食防止のために、微量の硫酸鉄(II)を海水に注入して保護皮膜を形成します。
塩素注入装置: 海生生物の付着・繁殖を防ぎ、冷却効率の低下や圧損増加を防ぎます。通常は海水の電気分解によって塩素を発生させます。

蒸気機関車における復水器

蒸気機関車では、一般的に使用済みの蒸気は煙突から排出されます。しかし、水資源の少ない地域や戦時下などでは、水の消費量を削減するために復水器を搭載した蒸気機関車が使用されました。復水器によって水の消費量は理論上90%、実用上40%程度削減できますが、排気蒸気をドラフトとして使用できなくなるため、ターボブロアファンなどの代替装置が必要となります。また、復水器自体の重量や複雑さも考慮する必要があります。復水器式蒸気機関車は、ドイツのヘンシェル社が第二次世界大戦前後にアルゼンチンやロシアに納入した実績があり、第二次世界大戦中のドイツ軍や、戦後の南アフリカ国鉄でも使用されました。

まとめ

復水器は、発電プラントや蒸気機関車など、様々な蒸気利用システムにおいて重要な役割を果たしています。その種類や構造、設置環境によって最適な設計が求められ、効率的な運用には適切な付属設備の設置も不可欠です。

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