お彼岸３連休、春本番を感じる晴天です。
カラスノエンドウが生い茂った”自然に還る”のキッチンガーデンを黄色のモンシロチョウが舞っています。
日中は、春というより初夏のような陽気で、まもなく蚊のシーズンになると思い出され早くも緊張です。
梅雨時にはナメクジも大量発生するので、育苗用にナメクジ除けのネットの袋を作っています。上だけカバーしても裾の隙間から入りそうなので袋状です。チャックか何かで簡単に開閉できるようにしたい。ブロガーの皆様の工夫を拝見せねば。。。
温水暖房の解説、これで完了です。
1800年代の温水ボイラーはいかにもアンティークな姿で魅力的です。現代の装置に比べたら、とっても不便そうではありますが。。。
HORTICULTURAL BUILDINGS. By F. A. FAWKES. (1881)
ボイラーの能力は、すでに述べたように（191ページ）、水柱高さが高いほど大きくなります。したがって、ボイラーを加温パイプより低い位置にするほど、暖房性能は向上します。
一方で、水柱高さを1フィート高くするごとに、水柱の底部にかかる圧力は1平方インチあたり433ポンド（=2.99 MPa, 304.44 mH2O）増えることを忘れてはいけません。
水柱の太さ、水管の形状、直径、絶対長さ、傾斜の有無、ねじれの有無、あるいはボイラーへの挿入位置は、圧力には全く影響しません。
圧力は鉛直高さにのみ比例します。
例えば、占有面積6平方フィート (0.56 m2) のボイラーが建物の地下室に設置されているとします。直径4インチ (10 cm)、長さ20フィート (6 m) の放熱管が40フィート (12 m) 上方に設置され、径１インチ (2.5 cm) の流入管と戻り管で接続されている場合、ボイラーにかかる全圧力は6トン13 cwt（1平方インチあたり17.32ポンド, 0.12 MPa, 12.18 mH2O）をわずかに上回ります。（1 cwt = 112 ポンド）
径4インチの流入管と戻り管が長さ200フィート (61 m) の放熱管と接続されている場合でも、鉛直高さが同じであれば、ボイラーの内圧は全く同じ、すなわち1平方インチあたり17,32ポンド、つまり総圧力は6トン13cwt強となります。
要するに、ボイラーが発揮すべき仕事量に見合うように、ボイラーを固定する地下深さを決めることが重要だとわかります。
なお、このボイラーの限界より高い水柱圧をかけてもボイラーが爆発することはありません。
水は圧力下で体積が縮むことはほとんどないのと同様、圧力がかからなくなったり、圧力に対する抵抗がとれたりした場合も、体積はほとんど変わらないので、ボイラーは単にひび割れるだけでしょう。
排水不良やその他の状況により、地下深さを非常に浅くする場合もあります。
この場合、ボイラーを安全に設置できる最小深さは、187～191ページに記載されているデータから容易に計算できます。ただし、ボイラーからの流出水と戻り水の差が大きいほど、垂直柱を短くする必要があり、ボイラーとこの配管部の高低差が小さくなるように設置することを常に覚えておいてください。
配管をボイラーより下に下げることはできません。
配管をどこに設置するにしても、ボイラーは必ず最も低い位置に設置しなければなりません。
Box氏はこれを次のように非常に明確に示しています。
図108は最も低い位置に設置したボイラー、図108aは最も低い位置と最も高い位置の中間に設置したボイラーを示しています。
いずれの場合も、水はボイラーから210 ℉ (99 ℃)で出て、そのまま水管に入るので、行きの水柱の平均温度は190℉(88 ℃)、戻りは平均140℉ (60 ℃)になることがわかります。
したがって、循環を引き起こす駆動力は190℉および140℉の水柱の比重の差と言えます。
図108Aでは、水柱内の平均温度はどちらも160℉ (71 ℃)と同じなので循環は起こり得ません。
ボイラーをパイプの真上に設置して、垂直に高く水柱を掲げることで、パイプを加熱し循環を起こすことも可能かもしれません。その場合は適当な水柱の高さになっていることを確認し、ボイラーに入る水と出る水の温度を決定します。
次に、パイプの配置図を作成し、図108および108aと同様に、パイプ全体にわたって様々な位置の温度を正確に記録します。
上昇水パイプと下降水パイプの水温を求めれば、どのような駆動力が循環に利用されるかが一目でわかります。
2つの水柱の差を計算する際には、必ずパイプの垂直部の温度のみを加算し、水平パイプの温度は加算してはいけません。
循環用の水タンクを用いてボイラーを給湯加温部より上にすることもできますが、これはあまり好ましい方法ではありません。
どのような場合でも、可能な限りボイラーは給湯加温部より下に設置すべきです。
給湯加温部に対するボイラーの水平位置については、一般的にその場所の状況によって決まります。
立て掛け式屋根の連続ハウスを暖房する必要がある場合は、一般的に、ボイラーをそのハウスエリアの中央の、後壁の後ろに配置し、両方向へ熱を供給することをお勧めします。(196ページ参照)
これができない場合は、ハウスエリアの端に設置しても問題ありません。なぜなら、最も熱を必要とするハウスの近くにボイラーを設置する必要はないからです。すなわち、肝心なのは給湯加温部の場所ですから。ボイラーの配置は、加温パイプの放熱面積とボイラーと加温部との間の配管の保温によって決まるからです。
その他の条件が同じであれば、ボイラーは、燃料の投入と給水が容易にできる場所、煙突の設置が容易な場所、見苦しくない場所、そして、焚き付け口の排水が容易で、焚べる作業からできるだけ近い場所に設置する必要があります。
燃焼は一般に光と熱の発生を伴う化学反応です。
通常の燃料では、炭素は大気中の酸素と結合して炭酸ガスを生成し、水素も同様に酸素と結合して水を生成します。
水素を含んだ可燃物に酸素も存在する場合、酸素：水素が重量比8:1で結合して、水9が生成されますが、利用可能な熱は発生しません。
このような可燃物中に存在する酸素が結合しなかった余剰の水素は、当然ながら熱として利用できます。
ペクレ、プレイフェア、ド・ラ・ベシュらの実験から、一般的な可燃物の化学組成は次の表のとおりであることがわかっています。
表XXXI. 各種燃料の化学組成
デュロンの実験によれば、炭素が酸素、そして水素と適切な原子比で燃焼により結合すると、炭素＋酸素は炭素1ポンドあたり12,906 BTUの熱を、炭素＋水素では水素1ポンドあたり62,535 BTUの熱を発生することが分かっています。
（1ポンドの水の温度を32°F(=17.78℃)上げるのに必要な熱量が1 BTU（British Thermal Unit：英国熱量単位）です。これは、約1,055J、約252calに相当します。）
上記のデータから、上記の各種燃料が発生する熱量（BTU）の表を簡単に作成することができます。
例えば、1ポンド (454 g) の石炭の場合、次のようになります。
炭素 0.804x12,906 = 10,376 [BTU]
水素 0.0519 - 0.070/8 = 0.04206x62,535 = 2,630[BTU]
計 13,006 [BTU]
表XXXIIは、各種燃料の最大加温能力を比較しています。
ボックス氏は、石炭を例に次のように考察しています。
5%は燃カスの灰となり、
20%は煙突からの排気によって失われ、
12%はボイラー室での燃焼時の放射熱によって失われ、残りの63%が加温に利用されます。
燃料に水分が含まれている場合、可燃有効重量が減少するだけでなく、実際の燃料に含まれる熱が水の蒸発熱として消費されてしまいます。
すなわち、通常の状態の木材には20%の水分が含まれているため、燃焼物の重量は80%となります。さらに、残りの20%の水分を蒸発させるのに4%の熱が必要となるため、燃焼物の有効重量は、結局、約76%に減ってしまいます。
この項目の冒頭で、大気中の酸素が燃焼を促進すると述べましたが、燃料への大気供給に関する詳細な説明は「炉とボイラーの設定」の項（p.212）に記載されています。
ラムフォード氏らの実験に基づき、フッド氏は、各種パイプ内水温と空気温度における、径4インチパイプ（長さ100フィート（約30メートル））を加熱するのに必要な、1時間あたりの石炭量を示す表を提示しています。
石炭の通常の燃焼速度は、火格子1平方フィート (30 cm X 30 cm) あたり毎時約10～11ポンド (4〜5 kg) です。
しかし、どの燃料が最も多くの熱量[BTU]を出すかが分かったとしても、それで全てが終わったわけではありません。
この点だけを基準にすると、表XXXIIを見れば、石炭と木炭はどちらもコークスよりも優れていることが分かりますが、実際には、コークスが温水暖房に最も適した燃料であることが多いのです。
コスト計算も必要です。
ボイラーによっては、石炭、コークス、木材どれでも燃焼できるものもあれば、石炭用やコークスを投入することで効率が格段に向上するものもあります。
ボイラーの設置面が良質な遮熱材でできているか、そうでないかによって、効率は大きく異なります。
石炭は、特定の条件下では、熱が失われ燃焼バーが詰まると、石炭が浪費されやすくなります。
石炭燃焼では煤が堆積しますが、煤のような高断熱体がボイラー内部などを覆ってしまうと、煙突から逃げる熱が大きくなって損失を促進してしまいます。
コークスではこのような弊害は生じません。屋敷の暖房で煙突から煙が立ち上る光景は見苦しいものです。
もちろん、完全燃焼なら、煤も煙も発生しません。しかし、温水ボイラーや炉の製造業者は、まだ完全燃焼を実現できていません。それが実現するまでは、石炭は通常、コークスに取って代わられるでしょう。
ここで、「石灰窯式暖房」システムの利点について簡単に見てみましょう。
その燃料は炭酸カルシウム（石灰石）です。これを石炭と混合し、窯で加熱します。すると、炭酸が赤熱して蒸発し、石灰が残ります。
本来であれば大気中に放出される熱は、温水器の駆動熱源として利用できます。
確かに、その観点からすれば熱にはコストがかかっていないと言えるかもしれません。しかし、このシステムは、実際には、非常に大規模な施設で、石灰製造のような商業活動を行う場合にのみ利用できます。
領地に石灰石がなく、あるいは石灰製造に全く関わっていない貴族や紳士がわざわざ石灰石を購入して、それを領地まで運搬させ、その場所に石灰工場を建設し、製造した製品を販売するなどという事業を、年間わずかな石炭やコークスの節約のために行うことはないでしょう。
木材と泥炭はどちらも発熱量が少ないですが、木炭に加工すれば発熱量は2倍以上になります。
しかしながら、現在に至るまで、木材、泥炭やそれらの製品は燃料として広く普及していません。
そのほかに、様々な人工燃料が開発されています。、その主な原料は、石炭粉、石炭くず、コークス、泥炭、樹皮、タンニン、おがくず、植物繊維、ピッチ（タールなどを蒸留した後に残る黒色のかすや樹脂）、タールなどです。
ピッチとタールは一般に車両の接着剤として利用されています。
これらの燃料すべてに共通する大きな欠点は、石炭に見られるように、その接着成分が燃焼せずに蒸発しやすいことです。燃焼が阻害されると、熱が無駄になり、火格子が詰まって空気の供給が妨げられます。
炭化水素、通常石炭ガスと呼ばれるものは温水暖房装置の燃料として使用されることがあります。
この燃料には利点が1つあります。それは、見張りが不要であることです。一度点火すれば長時間燃焼し続け、もちろん、好きなように燃焼を調整することができます。
一方、石炭ガスの燃焼にかかるコストは、コークスと比較して、5倍（最も完全な燃焼の場合）から12倍（燃焼が不完全で熱の大部分が利用されない場合）にもなります。
石炭ガスの燃焼生成物は植物に非常に有害であり、（石炭ガスストーブを温室から完全に隔離していない限り）温室内の植物に深刻な被害を与えるのを防ぐのは困難です。
にもかかわらず、非常に小さな暖房には石炭ガスを使ったストーブが使われていることがよくあります。放熱パイプの長さが短い場合を除いて、石炭ガスを使用することは現実的ではないと考えます。
ボイラーは目的に最適化可能ですし、望み通りに設置できるでしょう。配管は適切に設置され、適切な加熱面積を確保できます。暖房装置全体を完璧な状態で稼働させることができるでしょう。
ただし、その暖房装置がうまく稼働するかどうかは、管理人次第です。
管理者の職務は多岐にわたり、重要なものです。ここではそのいくつかについて述べてみましょう。
どの燃料を選ぶかは、多くの場合、燃料供給係の役割です。
どの燃料を選択するかは、燃料の入手しやすさとその地域での価格、敷地内で廃棄することになる廃棄物が再利用できるかどうか、使用するボイラーのタイプ、そしてボイラーが必要とする作業内容によって決まります。
炉に燃料を投入する際、投入回数が多いほど燃料消費量が増え、投入間隔が長いほど燃料の節約につながることを覚えておかなければなりません。
ただし、燃料供給係はさらに細心の注意を払わなければなりません。長時間の燃焼は、炉の容積が大きい場合にのみ経済的になるからです。
また、炉床上に供給する燃料の厚さについても適切な判断を下す必要があります。
これもボイラーの形状によって異なります。
可能な限りデッドプレート（火除け板）を使って新しい燃料を炉床に投入する前に一部を加熱することを忘れてはいけません。
一般に、燃えている層が薄く明るいほど、一酸化炭素は発生しにくく、それに伴う熱損失は少なくなります。
ダンパーと炉扉の開け閉めは、燃料の量と投入頻度に応じて適切に操作する必要があります。
これらの作業は、一般に燃料供給係の能力を試すものとなります。
これらの点に関しては、経験こそが唯一の指針となりますが、次のことを覚えておくと良いでしょう。
・ダンパーは常に燃焼を維持できる範囲でできるだけ閉じておくべきであること。
・強い火力にする場合は火格子の上部から空気を供給する必要があること。
・空気の供給と排出が多すぎると、燃焼が速くなり、気流速度が増し、煙突から熱が逃げてしまうこと。
・空気の供給が少なすぎて排出が多すぎると、二酸化炭素が発生すること。
燃料供給係は、以下の事項を確認しなければなりません。
・空気管とバルブが正常に作動していること。また、それらを含む装置のどの部分にも、汚れなどが詰まっていないこと。
・給水タンクの底に常に水があること。
・使用する水はきれいな雨水であること。
・そして、ボイラー、火格子、煙道、煙突にクリンカー（石炭の燃焼または製錬の副産物として生成される灰とシリカの溶解物）や煤などが付着していないこと。
ボイラーのお話も終盤で、設置上の具体的なアドバイスになりました。薪のストーブやキッチンストーブとも関連する話題では？と思いました。家庭菜園で温室暖房に専用の薪ストーブをお持ちの方はめったにいらっしゃらないでしょうが、ご自宅の居間やキッチンで薪ストーブを楽しんでいらっしゃる方は結構多いのかも。うらやましぃ〜です。
HORTICULTURAL BUILDINGS. By F. A. FAWKES. (1881)
ボイラーの成否は、その設置方法に大きく左右されます。
設置以外の条件も重要ですが、注意深く＆間違いなく設置することが、暖房の成否を分けることは間違いありません。
「燃料」の項で述べるように、燃焼に必要な酸素は空気から供給しなければいけません。
したがって、まず最初に留意すべきは、様々な燃料が必要とする空気の量を知ることです。
完全燃焼の場合、1ポンド（約450 g）の炭素を燃焼させるのに必要な空気量は最低限158立方フィート（約4.5 m3）、1ポンドの水素を燃焼させるには最低限473立方フィート（約13.4 m３）の空気が必要です。どちらも、空気が62°F（17℃）として想定される数値です。
しかし、煙突から排出される空気を分析すると、通常、約半分の酸素は燃焼に使われず、排気に残っていることが分かります。したがって実際には上記の2倍の量の空気が必要ということになります。
燃焼中に酸素が十分に供給されるのであれば、酸素原子2個が炭素原子1個と結合して炭酸ガス（CO2）が生成されます。
酸素量が不十分で、炭素原子1個が酸素原子1個としか結合できない場合は、一酸化炭素ガス（CO）が生成されます。
あるいは、酸素(O)と炭素（C）の比が2対1未満で1対1以上の場合、空気中の酸素の一部は炭酸ガスの生成に、残りは一酸化炭素ガスの生成に利用されます。
ファーブルとシルバーマンの実験によると、1ポンド（約450g）の炭素が燃焼して一酸化炭素ガスになった場合には4,453 ジュールの熱しか発生しませんでした。一方、デュロンの実験によれば、同量の炭素が燃焼後二酸化炭素ガスになった場合は12,906ジュールの熱が発生することが示されています。（単位熱量「ジュール」については、「燃料」の項を参照。）
燃料分析（221ページ）によると、石炭には平均0.804の炭素が含まれており、（石炭中に存在する酸素を考慮すると）0.04206の水素が過剰に含まれていることがわかります。
したがって、1ポンドの石炭に必要な空気の立方フィートを求めるには、次の式を用います。
(0.804 x 158) + (0.04206 x 473) x 2 = 294 立法フィート（62°Fの空気）
このような計算式で、表XXVIIは作成されています。
ボックス氏は、蒸気機関の煙突からの排気（空気と燃焼生成物の混合）の温度を550°F（288 ℃）と想定した場合の様々な燃料における排気の体積を次のように推定しています。
温水ボイラーは蒸気機関に比べ燃焼がはるかに遅く、燃焼生成物が炉から排出される（または排出されるべき）温度も低くく、62°F（17°C）と 500°F（260°C） の間で空気の体積は約２倍に膨張するため、前述の数値は多少修正される可能性があります。
このように、炉へ取り入れる空気の量に大きく依存することがわかります。
空気が少なすぎると一酸化炭素が発生しやすく；多すぎると通風速度が速くなって、（多くの愚かな燃焼作業者は喜びますが）炎が大きくなりやすくなります。すなわち、少なすぎても多すぎても燃焼効率は低下します。
空気は火格子および扉から炉内に入り、煙突から排出されます。
燃焼速度を適切にコントロールためには排気口の大きさを調整します。
空気は火格子の上からも下からも通過できますが、通常、より完全に燃焼させるには、下からのみにすることをお勧めします。
一般的に、火格子と同じ高さに、燃料を投入したりくべたりするための扉が炉に一つ設けられ、その下に灰を掻き出すための扉がもう一つ設けられています。
厚みが薄い火格子は厚いものより燃焼が長持ちします。空気は火格子が薄い方が厚いよりも素早く通過するので、より冷たい空気が供給されるからです。
火格子の厚さと空気層の厚さはどのサイズの火格子でも一定とみなすことができますが、中央の深さは、表に示すように長さに応じて変える必要があります。
そのため、火格子は固定されていますが、煙突へ通じる排気口の大きさは通常ダンパーによって調整できるようになっています。ダンパーの開度を適切に調整することが極めて重要であり、燃焼作業者が有能であるかどうかを判断するための主要な判断材料の一つとなります。
両扉とも、特に上の扉は正確な寸法のものである必要があります。
上の扉は、炉とボイラーの間に空気が入り込んで炉が冷えないように、きちんと閉まる必要があります。
下の扉は、必要に応じて火格子への空気の流入量を調節するのに利用します。
経験的に、またフッドやボックスなどの研究者による調査から得られた、火格子の最適な寸法を表XXIXに示します。
火格子の長さは3フィート（0.9 m）を超えないようにします。
燃料の消費速度は、炉に入る空気の量、つまり火格子の表面積に依存し、炉全体の大きさには依存しません。
ただし、格子の面積が同じであれば（流入する空気の速度が同じなら）、炉が大きければ大きいほど、燃料を許される範囲で（積める限度量まで）、より多く保持でき、長時間燃焼を維持させることができます。
火格子面積に比例する燃料消費量は通風速度によって多少変化する可能性はありますが、他の条件が同じであれば、1平方フィートあたり1時間あたり10～11ポンドの石炭は妥当な消費量と考えられます。
このことから、それぞれの長さの加温パイプに対応した格子面積は、216ページの表XXXに示すとおりです。
温水ボイラーのなかには、一連の管で構成された特殊な火格子がボイラーに接続されているものもあります。
その目的は、加熱面積を増やすことです。
加熱面積を増やせば、ある程度、熱効率が上がりますが、水管の加熱される面積はさほど大きくないので、ボイラーの熱性能を大幅に向上させることはできません。これは、冷たい空気は水管の両側を絶えず通過するに過ぎないだけでなく、実際には炎の下の面は熱供給に全く貢献しないこと（201ページ参照）を考慮すれば、大きな効果はないと結論づけられます。
同時に、水管を使用すれば必然的に水圧が高くなることも認めざるを得ません。なお、ボイラーが火格子に接続され、戻り管はボイラーだけでなく水管に接続されているように注意する必要があります。そうしないと、この利点が失われます。
また、水管は固体の格子よりもはるかに燃焼が長持ちすることは間違いありません。
空気の供給は最も重要ですが、空気の排出については重要であるものの二次的な重要性でしかありません。
煙突に通じる炉の喉部は、空気の流入に比べて小さくする必要があります。
煙突の高さと断面積を決定する規則がいくつかありますが、それらはすべて、温水ボイラー用の煙突ではなくて、もっと強力な燃焼用の煙突に適用される規則です。
一般的に、煙突の高さはその場所の状況によって決められます。
断面積は、1時間あたりに消費される石炭約10～12ポンドにつき、14～20平方インチとします。
デッドプレートは、これは火格子表面の一部を塞ぐプレートですが、炉の前面からの熱をふせぐのに役立ちます。また、一部のボイラーでは、燃料を炉内に投入する際に、まずデッドプレート上に燃料を置き、十分に加熱されてから火口に押しやることで、完全に燃焼させるのに役立ちます。
ボイラーの型式ごとに設置方法が異なります。各ボイラーメーカーは通常、自社のボイラーに最適な設置方法の詳細を提供しています。
なお、設置場所は熱伝導率の低い材料で作る必要があることに注意してください。
ボイラーを設置する場所の内側は耐火レンガで覆う必要があります。
通常、煙突には普通のレンガが使用されますが、必要に応じて下部は耐火レンガで覆うことも可能です。
一般的に、モルタルはポルトランドセメントよりも優れています。ポルトランドセメントは耐熱性が低いためです。
煤扉（煙突の掃除や清掃ができない部分に取り付けられるドア）はピッタリとしていて、煙道などに煤が堆積しないようにする必要があります。
燃料庫、炉、ボイラーは、常に雨風の当たらない小屋で守る必要があります。そうしないと、ボイラーがいくら優れた断熱材の中に設置されていても、放射と対流によって熱が奪われるからです。
ボイラーの中でも作り付けでない、移設できるタイプの独立型ボイラーについての項です。
HORTICULTURAL BUILDINGS. By F. A. FAWKES. (1881)
ボイラーの設置場所に最適な材料は熱伝導率の低い素材（例えばレンガ）ですが、ボイラーを可搬式にしたいことが往々にあります。
可搬式の独立型ボイラーの場合は、通常、レンガではなく鉄が用いられます。鉄は熱が伝わりやすいので熱が逃げやすく、熱効率は若干犠牲にしなければなりません。
非常に小型の可搬式ボイラーは保温材で囲わなくてもはそれほど問題はありませんが、大型の可搬式ボイラーはストークホール（炉の前の作業部）の作業者が熱の輻射を受けないように何らかの手段を講じる必要があります。
通常の独立ボイラーは直立した円錐形で、水平断面の形は長方形または円形です。これは実質的には改良型のサドルボイラーと同じです。
図105は水平断面が長方形の円錐形独立ボイラーを示しています。
このボイラーは、前面にスライドドアがあり、背面にある絞りダンパーで空気の出入りを調整しています。
点線は円錐形の「フィーダー（燃料庫）」を示しており、ここに燃料を積んでおくことができます。
直径4インチ、約100フィート（30メートル）以下の長さのパイプしか加熱する必要がなく、ストークホールのスペースが非常に限られている小型ボイラーにはこのようなタイプが非常に適しています。
図106と107は大型の独立型ボイラーを示しています。
これらのボイラーは、非常に巧妙な構造のエアジャケット（特許取得済み）を備えています。
ご覧のとおり、ボイラーの周りには鉄製の囲いがあり、その囲いの外側にさらにもう一つの鉄製の囲いがあります。
外側の囲いの底部の孔から、この２重の囲いの間の空間へ空気を送り込みます。
内側の囲いに空けられた孔から入った空気の一部は火格子の下側に送り込まれ、残りの空気は2つの囲いの間を上昇し、炉の上部へ送り込まれます。
燃焼のための空気（酸素）の供給は火格子の下側に限られているため、炭酸ガス（CO2）が発生しますが、空気を上部から追加してやると炭酸ガスは炭酸（H2CO3）に変わるので、燃焼がスムーズに行われ熱損失が少なくなります。（213ページ参照）。
さらに、二重の炉の囲いの間を絶えず空気が通過することによって生じる対流が外側の囲いから放射によって外へ逃げる熱を炉内に戻してくれます。
すなわち、この装置は「保温機能」と「給気加熱機能」を同時に備えていることになります。
さらに、炉の底だけでなく上部にも酸素が供給されるため、燃料をより厚く積んで燃やすことができるので、空気を火格子の下側からのみ供給するタイプよりも、焚べる作業が少なくてすみ、燃焼が長持ちします。
機関車などのボイラーでは、火格子に空気を供給するための様々な工夫があります。炉内の燃料が厚く積まれて燃焼している場合、火炉の上部からも空気を供給する必要があることがよく知られています。さもないと、二酸化炭素が満ちて燃焼不全になり、熱損失が甚大になるからです。
独立型ボイラーは、暖房を必要とする住宅内に設置してはいけません。
ボイラー自体から放射される熱を住宅の暖房に利用しようとするのは間違った節約方法です。
燃焼生成物が住宅内の空気と混ざり合うと、重大な被害を発生させる恐れがあるからです。
図107. 熱風囲いのある独立型の管状ボイラー。(デニス社特許、特許出願公開コードA1C)
子供の頃のお手伝いは石炭風呂の灰の掻き出しでした。なので、19世紀のボイラーの火炉のあたりは何となくイメージできるような気がします。スイッチ一つでお湯が沸く装置しか知らない世代はイメージしにくいかもしれませんね。
HORTICULTURAL BUILDINGS. By F. A. FAWKES. (1881)
温水ボイラーは数え切れないくらい多くの種類が開発されています。
それらの全て、あるいは一部を説明するだけでも、本項に収まりきれません。そこで、ここではボイラーの原理と、一般的な特徴を簡単に整理し、注意点をいくつか列挙したいと思います。
ボイラーの出力は主に加熱される面積に依存しますが、炎と高温ガスが高温でない面に接触する場合、放出される熱量はその受熱面の配置に依存します。
この受熱面が平坦で水平であり、その下に火炉がある場合にのみ、完全に効率的であると言えます。
火炎上の面が垂直の場合の効率は50%と見積られ、炎より下にある水平面は効率に全く寄与しません。
例えば、
図100に示すように、長方形のボイラー（A-B-C-D）の下に火炉があるとします。
面 A は面全体の熱効率が高いです。炎が上昇するなどして面Aに直接当たるため、ボイラーの下部の水が加熱されて上昇し、より冷たい水に代わるからです。
高温ガスなどは面Cに当たりにくく、仮に当たったとしても、水の上部表面が温められるだけで対流は起こりにくいでしょう。
さらに、微細な灰や煤は面Cに付着しやすく、水への熱伝導をさらに阻害します。
ボイラーの面Aが1、面BとDがそれぞれ1/2、面Cでの伝熱効率が0の場合、有効伝熱面積比率は全面積4（A ,B ,C ,D各面が1)とすると、2、つまり全面積の半分となります。
図の面A、B、C、D全面に水が面する内部炉の場合は、これと逆のことが起こります。面Cは1、面BとDはそれぞれ1/2、面Aは0として計算します。その結果、全有効伝熱面積比率はボイラーの下に火炉がある場合と同じ、2となります。
ボイラーには、炎が直かに当たる面の他に、炎が直に当たらないものの、煙突へ向かう燃焼生成物からの熱が伝わる2次的な面があります。
このような2次的な煙道または管面での有効伝熱量は、通常、その面積の約3分の1（Hood の式）として、または直径の1と1/4（Molesworthの式）として計算します。
ボイラーの炎が直に当たる面では、面積1平方フィートあたり、直径4インチのパイプなら40～50フィート、直径3インチのパイプでは55～66フィート、直径2インチのパイプでは80～100フィートが加熱できると推定されます。
この計算でボイラーの大きさを決める際には、慎重に行う必要があります。
小型ボイラーと大型ボイラーの放射による熱損失率は小型ボイラーの方がはるかに大きくなります。さらに、小型ボイラーでは煙突に流入する気流の温度が大型ボイラーよりもずっと高くなります。
また、燃焼条件も大きく影響します。燃料消費が2倍になると、通常の状態よりも多くの熱をボイラーから得ることができますが、この方法で単純に2倍の効率が得られるというわけではありません。燃料消費量が2倍になっても、暖房能力は2倍になるどころか、それよりずっと少なくなるからです。
各メーカーは、それぞれのボイラーが加熱可能な配管の長さを提示しています。
しかし、燃料の節約という観点から最も有利な方法は、可能とされる配管長さの50%の配管長で使用することです。言い換えれば、ボイラーが加熱できるとされる最大配管長 f を超えないようにすべきです。
一部の専門家は、暖房に必要な暖房面積をハウスから直接推定しようと試みています。
例えば、次のような方法が提示されています。
「暖房するハウスの容積を測り、半耐寒性植物の場合は100フィートごとに、ボイラー面積10平方インチ、火格子面積1平方インチを与える。熱帯植物の場合はこの比率を2倍にする。促成栽培の場合は必要な温度に応じてその中間の比率をとる。」
ハウス内で得られる温度は、ボイラーが出力する熱量よりもハウス内での熱の放射面積に大きく依存することが分かっているので、まず必要なパイプの長さを決定して、それから必要なボイラーのサイズと出力を計算するのが唯一最適な方法です。
ボイラーを選ぶ際には、他の条件が同じであれば、火が直接当たる面積が最も大きいボイラーが最も経済的であることに疑いの余地はありません。
このようなボイラーは、火が直に当たる面積が小さく、その出力を主に補助的な加熱面や二次加熱面に頼っているボイラーよりも優れています。
つまり、燃料から最大限熱を引き出し、それを放射面で再び放出できるかどうかがボイラーの良し悪しを決めます。
ボイラーの設置場所や炉の状態に大きく左右されるため、ボイラーの選定においては、これらを十分に考慮する必要があります。
ボイラーは鋳鉄や錬鉄で作られています。鋳鉄は錬鉄ほど腐食や付着に強くありません。
もちろん、鋳鉄は錬鉄ほど耐圧性が高くありません。しかし、かかる圧力は水頭による圧力だけなので、耐圧性はそれほど重要ではありません。（「ボイラーの位置」の項を参照してください。）
通常、適切に燃料を供給していれば蒸気は全く発生しません。（水頭圧のみで蒸気圧は考慮しなくてよい、ということ。）
ただし、錬鉄製でも鋳鉄製でも、ボイラーはすべて使用前に1平方インチあたり40ポンド（=276 kPa；1000mlのパック牛乳138本分）以上の圧力に耐えるか試験する必要があります。
［サドル型ボイラーと管状ボイラーの特徴］
ボイラーには様々な形状がありますが、通常はサドル型ボイラーと管状ボイラーの大別できます。
サドル型は直接火が当たる部分がほぼ平坦な面ですが、管状タイプは一連の管に火が当たります。
サドルボイラーは製造業者が煙道を枝分かれさせたり増やしたりした結果、さまざまな形状のものが出現しています。
そのため、直接火の当たる面とは無関係に、煙突に到達する前に最大限の熱量を取り出そうと可能な限り大きな二次表面を設けています。
サドルボイラーの伝熱面は波状になっていて、高温のガスと炎が表面を滑って逃げることがないようにしています。
大規模な場合、通常の「コーニッシュ」ボイラー（円筒形の水平内部燃焼式の耐圧性の高いボイラー）に配熱されるまでの間、サドル型ボイラーで延長することがあります。
サドル型ボイラーはどんな形状のものでも通常錬鉄製ですが、複数の鉛直な内部煙道を持つものは鋳鉄製です。
管状ボイラーの形状にはそれほど多様性はありませんが、製造業者は利点が得られると判断すれば、様々な形状を生み出すでしょう。
垂直方向の管を上部リングと下部リングに挿入し、上部リングを下部リングよりも小さくすることで円錐形を形成する場合もあります。
下部リングとの連通部が戻りの入口、上部リングとの連通部が流出の出口になります。
このようなボイラーには、管とリングの接合部に継ぎ目がない構造のものもあります。
また、複数の管が水平に上下に配置され、それぞれの管が下側の管より短くなるようにすることで、円錐形にしたものもあります。
非常に多くのバリエーションと組み合わせがありますが、すべてのボイラーは4つのグループに分けられます。図101、102、103、および104はそれらのうちの優れた代表例です。
図101は、一般的な錬鉄製サドルボイラーを示しています。
このようなボイラーを設置する際には、通常、両側面に縦方向の耐火レンガ製の内部羽根が配置されます。
これにより、高温のガスはボイラーの頂部に衝突した後、内部羽根の下を後方から前方へ、そしてボイラー上部を前方から後方へ、そして煙突へと流れるようになります。
火炉はボイラーの下部のトンネル部分にあって、燃料は通常、ボイラーの前の方から供給されます。
しかし、ここ数年で、サドルボイラーの頂部に管を挿入して上部から燃料を供給できるタイプが発明されました。
図102は、さらに改良されたサドル型のボイラーを示しています。
図102のボイラーには、炎が当たる面と外面（通常のサドル型ボイラーと同じ）に加えて、3本の煙道が追加されています。
燃焼流は炉を出てボイラーの後方を通過した後、中央の煙道を通ってボイラーの前方へ向かう1本の流れとなり、矢印で示すように、側面の煙道を通って2本の流れとなって後方に戻ります。
図103は、縦型の管状ボイラーを示しています。その構造は以下のとおりです。
—ボイラー本体は半々に分かれており、それぞれ底室、隔膜室、上室の3つの中空室で構成されています。これらは2列の垂直の管で接続されています。
中間室すなわち隔膜室は、未燃焼ガスの流出を防ぐためにプレートによって調整されており、燃料節約装置としてだけでなく、部分的な煙配給装置としても機能します。
ボイラーを2つすることで、各半分は幅18インチの開口部で行き来させることができます。
また、片方の半分に事故が発生した場合、その半分を切り離し、もう片方の半分をそのまま稼働させることができます。また、ボイラーには水柵（水止め）が取り付けられていることにも注目してください。
図103. ウィークス社製の2連式直立型管状ボイラー（特許取得済み）
—ボイラーは鋳鉄製のリングで構成され、各リングは同一平面上にある4本の管で構成されています。
隅柱（コーナーポスト）にある印はリングの接合部を示しています。この図では4つのリングが示されています。したがって、管とコーナーポストの接合部には継ぎ目がありません。
各コーナーポストに貫通したコーナープレートとボルトでリングを所定の位置に固定しています。
管は水平に作られ、全体として円錐形になっています。そのため、炎と高温ガスは伝熱面に直角に当たり、伝熱面を滑って逃げることはありません。
コーナーポストは中空構造になっており、水循環のための導管として機能しています。
図104：デニス社（特許）の「A1」水平管式ボイラー
このようなボイラーはセグメントで構成されているため、事故が発生した場合でも、非常に容易かつ迅速に分解し、新しいリングを取り付けることができます。
図には示されていませんが、このボイラーには水柵（水止め）を取り付けることができます。
水平管を持つボイラーは、他の条件が同じであれば、垂直管のボイラーよりもはるかに浅い燃料投入口が必要です。
管状ボイラーは、同じサイズであればサドルボイラーよりも伝熱面積がずっと大きいことは疑う余地がなく、したがって、サドルボイラーよりも効率的であると考えられます。
特に、温水ボイラーでは伝熱面積に比例してボイラーの水量を増やしても何のメリットも得られないことを考えると、これは妥当なことです。
逆に、ボイラーが最小量の水でも伝熱面積が最大ならば、効率は大幅に向上します。
もちろん、ボイラーは常に水で満たされていなければならず、そうであれば水が完全に蒸発してボイラーが損傷する危険は生じません。
蒸気は発生しないはずであり、発生したとしても水頭を超える圧力は発生しないはずです。したがって、圧力上昇による爆発や破損は決して起こり得ないはずです。
［ボイラーの選定条件］
ボイラーを選定する際の条件のいくつかは、おおよそ以下のようにまとめることができます。
・暖房空間における有効な直接伝熱面積は？
・暖房空間における有効な二次的伝熱面積は？
・排水不足による不便が生じない高さにボイラーを設置できるか？
・設置が可能な場所か？
・燃焼で生じた生成物が煙突へと排出される前に、最大限の熱量を確保できるか？
・分解や修理、交換が容易か？
・燃料はその地域で入手しやすいか？ 作業要員を確保できるか？
・水の上昇や水の流入と戻りといった流れを遮るものは最小限か？
・流入管はボイラーの最も高い位置に、戻り管は最も低い位置に配置されているか？
こういった点はボイラーの購入を検討している人に提示されますが、個々のケースはそれぞれのメリットに基づいて個別に判断されるべきものです。
したがって、すべての条件を知らずに様々なボイラーの中で特定のボイラーを推奨することは不可能です。
ただし、他の条件が同じであれば、鋳鉄製は鍛造製よりも優れており、管状ボイラーはサドルボイラーより優れており、水平管式ボイラーは垂直管式ボイラーよりも優れているということは言えるでしょう。
温水ボイラーに清浄な雨水を集めて使用すれば、硬水を使用した場合より沈殿物や付着物が発生する危険が小さくなります。
水は常に循環してボイラーに出入りしていれば付着物の発生が防がれています。さらに、温水ボイラーは水蒸気発生用のボイラーに比べて付着物の発生が少ないです。
燃料を節約し、火を焚く労力を減らすために、住居に付属する小さなコンサバトリーや温室の所有者はキッチンのボイラーから加熱パイプを引いて操作したいと考えることがよくあります。
しかし、温室とキッチンの床が同じ高さの場合、このような方式は推奨できません。
なぜなら、給水管を床面より下に下げなければボイラーを放熱管に接続できない可能性が高いからです。
たとえ床面より下げる必要がないとしても、放熱管をボイラーよりも高い位置に設置するのは不便であったり、できなかったりするでしょう。
さらに、住宅と兼用のボイラーで上階の浴槽を温めたり、ボイラーと接続して温室よりも高い位置に調理用や家庭用の給湯タンクを設置したりする場合、温室のパイプには冷水しか入ってこないことがよくあります。なぜなら、温い水は自然に最も高い位置へ流れるからです。
また、キッチンの火格子（コンロ）は通常、燃料容量が小さく、燃料補給作業なしで長時間燃焼を維持できるようには作られていません。
その結果、温室の暖房が最も必要な夜間に、火だねはあっても消えてしまう可能性があります。
一般的に、可能であれば温室を専用のボイラーで暖房する方が経済的です。
大規模で複雑な園芸施設では、1台のボイラーで放熱配管をすべて加熱するのが一般的です。
これは非常に経済的で好ましい方法です。
ただし、もし唯一のボイラーが、例えば、強い霜で故障すると、大きな損害が発生する可能性があります。
このような場合、2台のボイラーを連結し、1台が故障しても残りの1台で配管全体に熱を供給できるようにするか、1台のボイラーで運転する一方で、同様のボイラーを予備として連結準備しておくことが望ましいでしょう。
暖房区画が非常に長い場合、あるいはハウスが点在してハウス間に距離がある場合は、複数の中央熱源を設け、各地点にボイラーを設置するのが賢明です。
こうすれば、長い主管を数多く敷設する必要がなくなるため、経済性と効率性が向上します。
12月25日は、雨が降ってからドーンと寒くなりました。北国の人にはまだまだ空気が温かいと言われそうですが、九州人には十分寒いです。雨だったせいかクリスマスだったせいか、バスが30分以上遅延してバス停で凍死するかと思いました（大袈裟😅）。
5年前に作った木枠が痛んできたので、小寒・大寒に備えて屋根付きの新しいコールドフレームを作りました。
苗はこれから。冬はゆっくりとしか成長しないので、コールドフレームへの植え替えはいつになることやら（笑）
何でも値上がりして生きづらさは増すばかりですが、来年なんとか良い年になるといいですね。
商業温室で温湯暖房は見かけなくなっていますが、高級メロンハウスなどでは今も利用されています。温湯はじんわり均一に暖房できるところがきっと魅力なんでしょうね。
HORTICULTURAL BUILDINGS. By F. A. FAWKES. (1881)
熱を供給する主管は熱を調節したり止めたりするバルブと密に繋がっています。
表XXIIIで示したように、温水パイプ内の熱を持続的に供給するには、温水が一定の速度で流れている必要があります。
さて、ここでボイラーの火を弱めると、ボイラーからパイプへ流れ出す水（流出水）の温度は流入水（戻り水）の温度に近づくようになり、流れる速度が低下します。そして、温度差がある限度に達すると、熱を持続的に供給するのに十分な速度が得られなくなります。
したがって、小型の暖房システムすなわち1つのハウスあるいは１つの配管系を暖めるシステムでは、火力を増減させることで供給する熱を自由に調節したり停止したりすることができます。
しかし、ほとんどの場合は1つの熱源で複数のハウス区画あるいは複数の配管系を動かすことが多いです。
したがって、1つ以上、複数の配管系列の循環を遮断したり、残りの配管系列の循環を妨げずにある系列を停止したりする機能が必要になります。
これを実現するために、チェックバルブまたはスロットルバルブを使用します。
こういったバルブは、概ね図86と似た構造をしており、絞り通気バルブと同様に平衡状態にあるため、水の動きによってバルブが閉じたり開いたりといったことはありません。
バルブが完全に開いていれば、スロットルバルブのディスクの端以外、温水は循環することができます。バルブを閉じれば温水の循環は完全に止まります。
この種のバルブは開いている時、他のバルブよりも水の循環を邪魔しません。
バルブが単に循環を停止させる目的だけなら、流出管にバルブがひとつあればよく、戻り管にバルブを設置する必要はないでしょう。ボイラーが非常に強力に運転でき、配管がそれに適した配管になっている場合、流出管にのみバルブを設置すれば、水の循環を妨げるよりむしろ流れを迂回させるといった効果的な使い方ができるでしょう。
一般的には、バルブは流出管と戻り管の両方に設置するべきです。
図95に示すように、主管の長さ方向の中央から分岐して立ち上げる主管の一部または全部にバルブを設置することができます。
通常のスロットルバルブは循環を妨げますが、水圧抵抗は生じません。
例えば、運転中のボイラーと予備のボイラーの間、運転中の２つのボイラー間、あるいは大規模で複雑な配管系の特定箇所などでは、高圧バルブが必要となることがよくあります。
使用する高圧バルブは、通常の「ねじ込み式バルブ」のように迂回した流路を作るものではなく、開弁時に完全に、直接、明確に流路となるタイプを使用してください。
以下の図96のバルブはこの条件を満たしています。
このバルブを閉じると、2枚のディスクが機械的にねじ込まれることによって弁座に押し付けられ、あらゆる圧力に対抗します。
バルブを開くと、ディスクは弁座からわずかに後退し、流路部から完全に出ます。
この図はねじ込み式のバルブ弁を示していますが、この原理はスピゴットソケット（蛇口弁と受け口）式またはフランジ式のバルブにも同様に適用されています。
図97は一般的なスロットルバルブを示しています。高圧バルブを流出管に、スロットルバルブを戻り管に設置することが推奨される場合もありますが、そのような組み合わせに利点はありません。
高圧バルブを使用する場合は、当然のことながら、流出管と戻り管の両方を高圧バルブにする必要があります。
バルブのパイプへの取り付けにおいて、注意すべき点が1つあります。
195ページの図95を参照すると、鉛直の立ち上がった主管は区画Cで途切れ、ハウスDには通っていないことがわかります。区画Cの一端の両側にある放熱パイプは、そのままハウスDまで通っています。配管が区画Dに入る箇所には、図98に示すように、H部にバルブが取り付けられています。
ハウスDを加温する必要がある場合、H部の中央にあるバルブを閉じ、他の2つのバルブを開きます。ハウスDへの熱供給を停止する場合は中央のバルブを開き、他の2つのバルブを閉じます。このシステムの明確な欠点は、Cが加熱されない限り、ハウスDを加温できないことです。
末端がフランジのパイプもありますが、非常に稀です。
末端がフランジのパイプでは、フランジの隙間に水密性の高い接合部ができるように、加硫ゴム製のワッシャーをかませてフランジをボルトで締め付けます。
蛇口栓と受け口を端に持つパイプの接合には以下のような方法があります。
一つは錆止め接合です。
これは、蛇口と受け口の間をロープでコーキングし、湿らせた鉄粉と塩化アンモニウムの錆止め混合物で気密にシールするものです。
この接合は一度作ると、パイプを壊さずに取り外すことはほとんど不可能です。
もう一つの接合方法は赤鉛と白鉛の混合物でロープを使ってパイプをコーキングする方法です。
もう一つはロープでポルトランドセメントをコーキングする方法です。
しかし、最も簡単で、漏水に最も強く、そして最も簡単に外せる接合は円形の加硫ゴムリングを利用するものです。
この接合方法は、リングを蛇口栓の先に置き、受け口または接合口に押し込むだけです。
リングは受け口の端と蛇口栓の端のほぼ中間に位置し、水がパイプ内を循環すると平らな楕円形に丸まります。(図99参照)
数分もあれば、新しいリングを挿入することでこのように接合部を修理できますし、接合部を分解してパイプを別の用途に使用することもできます。もちろん、加硫ゴムリングはボイラーに最も近い接合部には使用しないでください。
加硫ゴムリングで接合した装置はリングを挿入した直後から始動できますが、パイプに水を満たす前に、錆び止めやセメントの接合が硬化・乾燥していることを確認する必要があります。
加硫ゴムリングはパイプの膨張・収縮に対応するので、他の接合で発生しがちな漏水の危険性はそれほど高くありません。
前述のように（「鉄骨ハウスと木骨ハウス」51ページ参照）、鋳鉄は温度が32°Fから212°Fに上がると1/889膨張します。つまり100フィートあたり約1.35インチ伸びます。
したがって、特に接合固定するパイプは線膨張しやすいようにしておく必要があります。そうしないと、接合部が漏水しやすくなります。
接合した2つのパイプの温度が異なる場合、流出水側の膨張と戻り水側の膨張が異なります。
給湯技術者の中には独自の接合方法を使い、そのため、パイプを特殊な端部形状にすることがあります。
こういった特殊な接合方法は、後から変更や増築を行う際に同じ形状のパイプを入手することが困難になる可能性や、加硫ゴムリング付きのソケットと蛇口栓付きのパイプに比べて利点が極めて限定的なことから、実用的であるとは言えません。
お彼岸３連休、春本番を感じる晴天です。 カラスノエンドウが生い茂った”自然に還る”のキッチンガーデンを黄色のモンシロチョウが舞っています。 まずは冬を耐え抜いて花満開のシクラメン トンネル内で冬を過ごしたチャードもわさわさしています。茹でたら茎は赤いまま、葉は濃い緑になりました...
