첨단증기기술

첨단 증기 기술(때로는 현대 증기라고 알려져 있다)은 최근 사례보다 더 다양한 용도를 위해 고안된 증기 엔진의 기술 개발에 대한 접근방식을 반영한다.일반적으로 증기 동력이 내부 가연성으로 대체된 경우, 중소 규모의 상업용 애플리케이션에서 증기 동력의 감소를 초래한 고유 문제(과도한 오염, 유지관리 비용, 노동 집약적 운영, 저전력/중량 비율 및 전체적인 열 효율.엔진 또는 전기 그리드에서 끌어온 전원에 의해.널리 사용되고 있는 증기 설비는 대규모의 전기를 생산하는데 사용되는 고효율 화력발전소뿐이다.이와는 대조적으로, 제안된 증기 엔진은 정지, 도로, 철도 또는 해양 사용을 위한 것일 수 있다.

증기 견인력 향상

'모던 스팀'에 대한 언급은 대부분 1970년대 이후의 개발에 적용되지만, 20세기 내내 발전된 스팀 기술의 특정 측면, 특히 급속한 스타트업의 자동 보일러 제어 등이 확인될 수 있다.

애브너 도블

1922년 아브너 도블은 보일러 압력에 따라 버너를 점화하여 차단하면서 증기 온도와 ^[1]압력에 동시에 반응하는 전기기계 시스템을 개발하였다.역류 단층관 보일러는 작동 압력이 750–1,200 psi(5.17–8.27 MPa)였으나, 폭발 위험이 없을 정도로 순환 중인 물이 거의 없었다.이러한 종류의 보일러는 1930년대 내내 미국, 영국, 독일에서 지속적으로 개발되었고 1950년대까지 자동차, 버스, 트럭, 철도, 쾌속선, 그리고 1933년에 Travel Air 2000 양면기에 사용하기 위해 사용되었다.^[2][3]

센티넬

영국 센티넬와곤웍스는 도로 차량에 사용되는 275psi(1.90MPa)로 작동하는 수직형 수관 보일러를 개발해 기관차와 철도를 피했다.증기는 기존의 기관차 보일러보다 훨씬 더 빨리 올릴 수 있었다.

홀크로프트 앤더슨

남부 철도(영국)의 앤더슨 콘덴싱 시스템의 시도는 1930년과 1935년 사이에 이루어졌다.응축 장치는 추가적인 복잡성과 무게 때문에 증기 기관차에 널리 사용되지 않았지만, 다음과 같은 네 가지 잠재적인 장점을 제공한다.

• 열효율 향상
• 물 소비량 감소
• 라임스케일 제거를 위한 보일러 유지보수 감소
• 소음 감소

앤더슨 응축 시스템은 기계적 증기 재압축이라고 알려진 과정을 사용한다.그것은 글래스고 해양 기술자인 해리 퍼시벌 하비 앤더슨이 고안한 것이다.^[4]그 이론은 각 증기 파운드에 존재하는 영국 열기구 970개 중 약 600개를 제거함으로써(각 킬로그램의 2260킬로줄 중 1400개) 엔진 출력의 1~2%만 소비하는 펌프를 통해 배기가스 증기를 보일러로 되돌릴 수 있다는 것이었다.1925년과 1927년 사이에 앤더슨과 또 다른 글래스고 엔지니어 존 맥컬럼(일부 소스는 맥컬럼을 준다)은 고무적인 결과를 가지고 정지해 있는 증기 플랜트에 대한 실험을 실시했다.SHC(Steam Heat Conservation, SHC)라는 회사가 결성되었고, 수르비톤 발전소에 앤더슨의 시스템 시연회가 마련되었다.

SHC는 이 시스템을 철도 기관차에 적용하는 데 관심이 있었고, 남부 철도의 리처드 먼셀과 접촉했다.Maunsell은 Surbiton에서 통제된 테스트를 수행할 것을 요청했고 이것은 1929년에 이루어졌다.마우셀의 기술 조수인 해롤드 홀크로프트가 참석했고 기존 대기 작업 대비 29%의 연료 절감 효과가 기록됐다.남부 철도는 1930년에 SECR N 등급 기관차 번호 A816(지하철 1816호 및 31816호)을 앤더슨 시스템으로 변환하였다.그 기관차는 시련을 겪었고 초기 결과는 고무적이었다.홀크로프트는 이스트레이에서 리치필드 서밋까지 오르막길을 걸어본 후 다음과 같이 말했다고 한다.

"평범한 방법으로는 이것이 많은 소음과 수증기 구름을 만들었을 것이지만, 응축제를 작동시키면 눈이 용광로에서 녹을 수 있는 용이성으로 모두 흡수되었다!엔진은 전기 기관차처럼 조용했고 유일한 희미한 소음은 로드가 약간 부딪히고 피스톤 글랜드가 약간 부딪힌 탓이었다.이는 믿기 위해 경험해야 했지만, 조절기가 활짝 열리고 가역기가 충분히 끝났다면, 두 번째 엔진(백업으로 제공된 LSWR T14 클래스)이 첫 번째 엔진을 추진한다고 상상했을 것이다."^[5]

재판은 1934년까지 계속되었으나 여러 가지 문제가 발생하여 프로젝트는 더 이상 진행되지 않았다.그 기관차는 1935년에 다시 표준형식으로 개조되었다.^[6]

안드레 샤플론

과학적 분석과 열효율을 위한 노력의 응용에 있어서 프랑스의 기계 엔지니어 안드레 샤플론의 업적은 발전된 증기 기술의 초기 사례였다.^[7][8]채플론의 원생 리비오 단테 포르타는 채플론의 작업을 계속했다.^[7]

리비오 단테 포르타

전후 1940년대 후반과 1950년대에 몇몇 디자이너들은 증기 기관차를 현대화하는 일을 했다.첨단 증기 기술을 접목한 스테판소니언 철도 기관차 개발에서 아르헨티나의 엔지니어 리비오 단테 포르타는 1948년부터 '현대 증기' 운동의 선구자였다.^{[9]: 3–6} 가능한 경우 포르타는 새로운 기관차를 설계하는 것을 훨씬 선호했지만, 실제로 그는 새로운 기술을 통합하기 위해 오래된 기관차를 근본적으로 업데이트해야 하는 경우가 더 많았다.

불레이드와 수수께끼

영국에서는 올리버 불레이드에 의한 1949년의 SR 리더 등급과 로버트 리들스에 의한 1950년대의 영국 철도 '표준' 등급 증기 기관차, 특히 BR 표준 등급 9F가 프랑코-크로스티 보일러를 포함한 새로운 증기 기관차 설계 특징을 시험하는 데 사용되었다.아일랜드로 이주하면서, Bulleid는 또한 많은 새로운 특징들을 가진 CIE No. CC1을 디자인했다.

목적달성

2003년^[11] DLM 회사의 로저 월러가 기계공학연구소에 준 비스코 트리톤 강의는 증기력 문제가 어떻게 해결되고 있는지 알려준다.월러(Waller)는 주로 1992년부터 1998년까지 새로 건설된 일부 랙 및 피니언 산악 철도 기관차를 말한다.이들은 스위스와 오스트리아의 3개 회사를 위해 개발되었으며 2008년^[update] 현재 이 중 2개 라인에서 계속 작업하고 있다.새로운 증기 기관차는 디젤 기관차와 같은 등급의 경유를 연소시키며, 모두 가용성과 인건비 절감이라는 동일한 장점을 보여주며, 동시에 대기 오염과 지상 오염을 크게 감소시키는 것으로 나타났다.그들의 경제적 우위는 그들이 이전에 이 노선을 운영했던 디젤 기관차와 철도를 대체했다는 것을 의미했다. 게다가 증기 기관차는 관광 명소다.

개발의 평행선은 1960년대에 디젤 전기 엔진을 재장착한 제네바 호수 노들 기선 몽트뢰의 증기력 복귀였다.^[12]경유화력보일러의 자동제어, 교량으로부터의 엔진의 원격제어 등을 통해 랙 기관차로 달성한 것과 유사한 경제적 목표를 추구하여, 기선은 모터보트와 같은 규모의 승무원이 운용할 수 있도록 하였다.

탄소중립성

화석연료를 태우는 첨단 증기 기술을 기반으로 한 발전소는 불가피하게 오래 지속되는 온실가스인 이산화탄소를 배출하게 된다.그러나 CO, NO와_x 같은 기타 오염물질은 다른 연소기술에 비해 필터 등의 애드온이나 연료의 특별한 준비 없이도 폭발연소를 수반하지 않는 증기기술로 상당한 감소를 달성할 수 있다.^[13]

목재나 다른 바이오 연료와 같은 재생 가능한 연료를 사용할 경우, 시스템은 탄소중립이 될 수 있다.바이오 연료의 사용은 여전히 논란의 여지가 있다. 그러나 액체 바이오 연료는 디젤 인젝터 보호에 필요한 엄격한 연료 표준을 요구하지 않기 때문에 디젤용보다 증기 발전소의 제조가 더 쉽다.

첨단증기기술의 장점

증기 발전소의 연소 및 동력 전달은 원칙적으로 별개의 단계로 간주할 수 있다.하늘 전체적인 열 효과를 내기가 어려울 것은 대부분 54–61 과정의 분리를 구체적인 문제 각 단계에서 전체 시스템 이브 수정하지 않해결할 수 있는 연소와 전력 전달의 유출과 열 losses,[9]주로 탓:사이에 작동 유체를 생성하는 추가 무대 때문입니다.ry 시간.예를 들어, 보일러나 증기발생기는 고체, 액체 또는 기체 연료에서 얻어진 열원을 사용하도록 개조될 수 있으며 폐열을 사용할 수 있다.어떤 선택을 하든지 그것은 오직 증기만을 다루면 되기 때문에 엔진 유닛의 설계에 직접적인 영향을 미치지 않을 것이다.

21세기 초

소형정화공장

이 사업은 주로 민간주택과 소규모 마을을 대상으로 한 복합발전과 난방시스템이 목재나 대나무 칩을 태우는 사업이다.이는 2행정 당나귀 엔진과 소형 디젤 발전소를 대체하기 위한 것이다.소음 수준의 급격한 감소는 증기 구동 소형 발전소의 즉각적인 이익이다.호주 멜버른의 테드 프리처드는 2002년부터 2007년 사망할 때까지 이러한 종류의 유닛을 집중적으로 개발하고 있었다.프리처드 파워(현 유니플로파워)사는 2010년 고정형 S5000을 계속 개발하고 있으며, 시제품이 제작되어 시험 중이며, 시장 준비 제품을 위해 디자인을 다듬고 있다고 밝혔다.^[15]

2006년까지 독일의 Enginion이라는 회사는 가정용 PC 타워 크기의 마이크로 CHP 장치인 Steamcell을 적극적으로 개발하고 있었다.2008년까지 베를린 회사인 AMOVIS와 합병한 것으로 보인다.^[16][17]

2012년부터 프랑스 회사인 EXOES는 산업 회사에 특허받은 엔진인 랭킨 사이클을 판매하고 있는데, 이 사이클은 집중 태양력, 바이오매스, 화석 등 많은 연료와 함께 작동하도록 설계되었다.지속 가능한 열과 동력 엔진의 "SHAPE"라고 불리는 이 시스템은 열을 전기로 변환시킨다.SHAPE 엔진은 내장형 및 고정형 애플리케이션에 적합하다.SHAPE 엔진은 바이오매스 보일러와 집광형 태양광 발전 시스템에 통합되었다.이 회사는 자동차 제조사, 장거리 트럭 제조사, 철도 회사와 협력할 계획이다.^[18]

스필링의 자회사 ^[19]파워텀이 비슷한 유닛을 시판하고 있다(아래 참조).

인도의^[20] 한 회사는 4마력에서 50마력까지의 크기의 증기발생기를 제조한다.그들은 또한 엔진에 의해 동력을 공급받을 수 있는 많은 다른 공장들을 제공한다.

기술의 문제에서 퀘이시터빈은 고온 지역에서 증기가 흡수되는 반면 추운 지역에서는 소진되는 낮은 회전식 증기 엔진이라는 점에 주목하라.

소형고정정지공장

스필링사는 폐열이나 압력회수에서 도출된 바이오매스 연소나 전력에 적응한 다양한 소형 고정식 발전소를 생산한다.^[21][22]

핀란드 회사인 Steammotor 핀란드는 800kW의 증기발생기로 작동하는 소형 회전식 증기엔진을 개발했다.이 엔진은 목재 칩 화력 발전소에서 전기를 생산할 계획이다.회사에 따르면 쿼드럼이라는 증기엔진은 27%의 효율을 내고 180°C의 증기로 8bar의 압력으로 운행하는 반면, 해당 증기터빈은 15%의 효율을 내는 데 그쳐 240°C의 증기온도와 40bar의 압력이 필요하다.높은 효율은 특허받은 크랭크 메커니즘에서 얻어지며, 이 메커니즘은 부드럽고 맥박이 없는 토크를 제공한다.그 회사는 공사를 더 발전시킴으로써 30–35%^[23]의 높은 효율에 도달할 가능성이 있다고 믿는다.

자동차용

1970년대 1차 석유파동 때는 대형 자동차회사들에 의해 증기 기술에 대한 여러 조사가 시작되었지만, 위기가 진정되면서 곧 추진력이 상실되었다.

1950년대 후반부터 1970년대까지 호주 엔지니어 테드 프리차드의 주요^[24] 연구 분야는 작은 트럭과 두 대의 자동차에 적응한 단열 시스템을 작업하는 여러 개의 효율적인 증기 동력 장치들의 건설이었다.그 차들 중 하나는 그 당시 가장 낮은 배출량 수치를 달성하고 있었다.

IAV, a Berlin-based R&D company that later developed the Steamcell, during the 1990s was working on the single-cylinder ZEE (Zero Emissions Engine), followed by the compact 3-cylinder EZEE (Equal-to-Zero-Emissions-Engine)^[25] designed to fit in the engine compartment of a Škoda Fabia small family saloon.이 모든 엔진은 증기 발생기와 실린더에 증기가 주입되는 전략적 부스트 지점 모두에서 무염 세라믹 열전지를 많이 사용했다.

철도 사용

• No. 52 8055,^[26] a rebuild of an existing locomotive (1943: built as 52 1649 (DRB); 1962: reconstruction as 52 8055 (DR), 1992: 52 8055 (EFZ - Eisenbahnfreunde Zollernbahn e.V.), 2003: rebuilt and modernized as 52 8055 NG (DLM - Dampflokomotiv- und Maschinenfabrik).
• 완전히 새로운 기관차에 대한 제안인 5AT 프로젝트(^[27]영국, 2000년대)
• 1970년대 석유 파동 당시 기관차 애호가 로스 롤랜드가 제안한 ^[28]ACE 3000 프로젝트.이 기관차는 디젤 기관차처럼 보일 것이고, 당시 석유보다 훨씬 저렴한 석탄을 사용하여 현재의 디젤 기관차와 경쟁하도록 설계되었다.ACE 3000은 자동 사격과 수위 조절과 같은 많은 새로운 기술을 특징으로 할 것이다.기관차는 디젤 부대에 연결될 수 있고 그것과 일치하여 달릴 수 있을 것이므로 두 대의 동일한 기관차를 연결시킬 필요가 없을 것이다.ACE 3000은 현대 증기의 가장 널리 알려진 시도 중 하나였지만, 결국 자금 부족으로 프로젝트는 실패했다.
• CSR 프로젝트 130은 100mph 이상의 고속 여객 운송이 가능한 현대식 증기기관차(기존 ATSF 3460급 기관차 기준)를 개발하고자 하며, 최대 130mph(프로젝트 130이라는 명칭)까지 시험했다.^[29]고체연료로서 (액체연료를 의무화하는 다른 모든 현대적 설계와는 달리) 토레프화 바이오매스를 연료로 운용하기 때문에 탄소중립성을 제안한다.이번 개발은 미네소타대학교 환경연구소(IoE)와 철도전문가를 고용한 비영리단체인 지속가능철도(Sustainable Rail International)가 공동으로 추진한 것이다.

참신한 레이아웃과 기존 레이아웃 비교

52 8055와 제안된 5AT는 모두 재래식 배치로, 뒤에 택시가 있고 ACE 3000은 앞쪽에 택시가 있다.특히 액체 연료 연소 시 다른 접근법이 가능하다.예를 들면 다음과 같다.

카브포워드형

이는 대규모 출력의 잠재력을 가진 잘 설계된 설계로 운전자에게 좋은 시야를 제공할 수 있다.단일 종단인 경우에는 턴테이블, 즉 삼각형 접합부에 올려야 할 것이다.예:남태평양 4294.

가랏타입

전력 잠재력이 큰 또 다른 잘 다듬어진 설계.예:사우스 오스트레일리아 철도 400급.미래의 설계에는 짧은 물탱크와 각 끝의 택시가 포함될 수 있으며, 운전자에게 어느 방향이든 좋은 시야를 제공할 수 있다.

권력이 가짜인 경우

센티넬-캠멜 기관차

1930년대의 센티넬 디자인과 유사한 소형 수관 보일러를 가진 동력 보그에 탑재된 설계.예:Sentinel-Cammell 기관차(오른쪽).

무화기관차

또 다른 첨단 증기 기술 제안은 독립적으로 미리 생성된 저장된 증기로 운행되는 무연 기관차를 되살리는 것이다.캘리포니아 새크라멘토의 태양열 증기기관차 프로젝트가^[30] 그 예다.

참고 항목

• 가스터빈에서 낭비되는 열을 증기 터빈에 생성하기 위해 증기 터빈을 구동하기 위해 사용하는 혼합 가스 및 증기
• 증기 기술 특허 목록
• 스팀카
• 21세기 증기기관차
• 스팀모터
• 유니플로우 증기기관

참조