와트 증기 기관

Watt steam engine
D에 의해 제조된 와트 복동 증기 엔진의 최신 버전입니다. 1832년 네이피어 선(런던)이 현재는 UPM 산업기술학교(Madrid) 로비에 있습니다.이런 종류의 증기 엔진은 영국과 세계에서 산업혁명을 추진했다.

와트 증기 엔진 설계는 증기 엔진과 동의어가 되었고, 중요한 새로운 디자인이 기본 와트 설계를 대체하기 시작하기까지는 오랜 시간이 걸렸습니다.

1731년 토마스 뉴코멘에 의해 소개된 최초의 증기 엔진은 "대기" 디자인이었다.파워 스트로크가 끝날 때 엔진에 의해 움직이는 물체의 무게가 수증기가 유입되면서 피스톤을 실린더 상단으로 끌어당겼습니다.그 후, 물보라에 의해 실린더가 냉각되어 증기가 응축되어 실린더에 부분적인 진공이 형성되었습니다.피스톤 상단의 기압이 피스톤을 아래로 밀어내면서 작업 물체를 들어 올렸습니다.와트는 증기가 즉시 응결되지 않고 실린더로 들어갈 수 있는 수준까지 실린더를 다시 데우는 데 상당한 양의 열이 필요하다는 것을 알게 되었습니다.실린더가 증기로 가득 찰 정도로 따뜻해지면 다음 동력 스트로크가 시작될 수 있었다.

Watt는 실린더를 가열하는 데 필요한 열을 별도의 응축 실린더를 추가하면 절약할 수 있다는 것을 깨달았습니다.파워 실린더가 증기로 채워진 후, 밸브가 2차 실린더로 열려 증기가 유입되어 응축되어 파워 스트로크의 원인이 되는 메인 실린더에서 증기를 끌어당겼다.응축 실린더는 수냉으로 수증기가 응축되도록 했다.파워 스트로크가 끝날 때 밸브가 닫혀 피스톤이 상단으로 이동할 때 파워 실린더에 증기가 가득 찼습니다.결과는 뉴코멘의 설계와 동일하지만, 즉시 또 다른 뇌졸중을 일으킬 준비가 된 동력 실린더의 냉각은 이루어지지 않았습니다.

와트는 수년간 설계에 종사하며 콘덴서를 도입하고 실질적으로 설계의 모든 부분을 개선했습니다.특히 와트는 실린더 내의 피스톤을 밀봉하는 방법에 대한 오랜 테스트를 수행했으며, 이는 파워 스트로크 중 누출을 상당히 줄여 전력 손실을 방지했습니다.이러한 모든 변화는 동일한 양의 [1]전력을 생산하기 위해 절반의 석탄을 사용하는 보다 신뢰할 수 있는 설계를 만들어냈습니다.

새로운 디자인은 1776년에 상업적으로 소개되었고, 첫 번째 예는 Carron Company의 제철소에 팔렸다.와트는 엔진을 개선하기 위한 작업을 계속했고, 1781년 엔진의 선형 운동을 회전 운동으로 바꾸기 위해 태양과 행성 기어를 사용하는 시스템을 도입했습니다.따라서 원래 펌핑 역할뿐만 아니라 이전에 물레방아를 사용했을 역할을 직접 대체할 수 있습니다.이것은 산업 혁명의 중요한 순간이었다. 왜냐하면 과거처럼 적절한 수원과 지형을 필요로 하지 않고 전원은 어디에나 위치할 수 있었기 때문이다.와트의 파트너인 Matthew Boulton은 이 회전력을 이용한 많은 기계를 개발하기 시작했고, 최초의 현대 산업화된 공장인 Soho Foundry를 개발하여 새로운 증기 엔진 설계를 생산했습니다.와트의 초기 엔진은 저압 증기를 사용한다는 점에서 뉴코멘의 원래 디자인과 비슷했고, 모든 동력은 대기압에 의해 생산되었다.1800년대 초, 다른 회사들이 고압 증기 엔진을 도입했을 때, 와트는 안전 문제 [2]때문에 그것을 따르는 것을 꺼렸다.엔진의 성능을 개선하기 위해 와트는 고압 증기의 사용과 복동 개념과 다중 팽창 개념 모두에서 다중 실린더를 사용하는 설계를 고려하기 시작했습니다.이러한 복동 엔진은 개별 실린더의 피스톤 로드가 직선으로 움직일 수 있도록 하여 실린더 내에서 피스톤이 참된 상태를 유지하는 동시에 워킹 빔 엔드가 호를 통과하여 이동하면서 이후 증기 엔진의 크로스헤드와 다소 유사한 동작을 발명해야 했습니다.

서론

1698년, 영국의 기계 디자이너 토마스 세이버리는 증기를 응축시켜 만든 진공으로 우물에서 직접 물을 끌어오는 펌프 기구를 발명했다.이 장비는 또한 광산을 배수하기 위해 제안되었지만, 약 25피트까지만 유체를 끌어올릴 수 있었습니다. 즉, 광산이 배수되는 곳으로부터 이 거리 내에 위치해야 했습니다.광산이 깊어질수록, 이것은 종종 비현실적이었습니다.그것은 또한 [3]최신 엔진에 비해 많은 양의 연료를 소비했다.

와트가 실험한 뉴코멘 엔진 모델

깊은 광산을 배출하는 해결책은 진공 원리에 대한 "대기" 엔진을 개발한 토마스 뉴코멘에 의해 발견되었다.반대쪽 끝에서 기계식 리프트 펌프를 작동시키는 흔들림 빔의 한쪽 끝에 체인으로 연결된 가동 피스톤이 들어 있는 실린더를 사용했습니다.각 스트로크의 바닥에서 수증기가 피스톤 아래의 실린더로 들어갈 수 있도록 허용되었습니다.피스톤이 평형에 의해 위로 당겨지면서 실린더 내에서 상승하면서 대기압에서 수증기를 끌어당겼다.스트로크 상단에서 증기 밸브가 닫히고 증기를 냉각하기 위한 수단으로 냉수가 실린더에 잠시 주입되었습니다.이 물은 수증기를 응축시켜 피스톤 아래에 부분적인 진공이 생성되었다.그러면 엔진 외부의 기압이 실린더 내부의 압력보다 높아져 피스톤을 실린더 안으로 밀어 넣습니다.피스톤은 체인에 부착되어 "로킹 빔"의 한쪽 끝에 부착되어 빔의 반대쪽 끝을 들어올리면서 빔의 끝을 아래로 당겼다.따라서 빔의 반대쪽 끝에 로프와 체인을 통해 연결된 갱도 깊숙이 펌프를 구동하였다.그 펌프는 물기둥을 위로 당기기 보다는 밀어 올렸기 때문에 멀리 떨어진 곳에서도 물을 끌어올릴 수 있었다.피스톤이 바닥으로 떨어지면 사이클이 [3]반복되었습니다.

뉴코멘 엔진은 세이버리 엔진보다 더 강력했다.처음으로 100야드(91m)[4] 이상의 깊이에서 물을 끌어올릴 수 있었다.1712년의 첫 번째 예는 광산을 퍼내는 데 사용된 500마리의 말들을 대체할 수 있었다.영국, 프랑스, 네덜란드, 스웨덴, 러시아의 광산에는 75개의 뉴코멘 펌프 엔진이 설치되었다.그 후 50년 동안 엔진 설계에 약간의 변경만 가해졌다.그것은 대단한 발전이었다.

뉴코멘 엔진은 실질적인 이점을 제공했지만, 동력을 공급하기 위한 에너지 사용 측면에서는 비효율적이었다.증기 분출과 차가운 물을 번갈아 실린더로 보내는 시스템은 실린더 벽이 번갈아 가열되었다가 한 번의 스트로크로 냉각되는 것을 의미했습니다.유입된 증기의 각 충전은 실린더가 다시 작동 온도에 도달할 때까지 응결을 계속합니다.그래서 매 스트로크마다 수증기 전위의 일부가 상실되었다.

개별 콘덴서

와트 펌핑 엔진의 주요 구성 요소

1763년, James Watt는 글래스고 대학에서 악기 제작자로 일하던 중 Newcomen 엔진을 수리하는 일을 맡았고 그것이 얼마나 비효율적인지 [5]주목했다.

1765년 와트는 엔진에 별도의 응축실을 장착하는 아이디어를 생각해 냈고 이를 "콘덴서"라고 불렀다.응축기와 작동 실린더가 분리되었기 때문에 실린더에서 큰 열 손실 없이 응축이 발생했습니다.응축기는 항상 차갑고 대기압을 밑도는 상태를 유지했으며 실린더는 항상 뜨거운 상태를 유지했습니다.

수증기가 보일러에서 피스톤 아래 실린더로 빨려 들어갔다.피스톤이 실린더 상단에 도달하자 증기 입구 밸브가 닫히고 콘덴서로 가는 통로를 제어하는 밸브가 열렸습니다.응축기는 낮은 압력으로 실린더의 증기를 응축기로 끌어당겨 수증기에서 액체 물로 냉각되고 응축되어 연결 통로에 의해 실린더의 공간으로 전달되는 응축기의 부분적인 진공 상태를 유지합니다.그런 다음 외부 기압이 피스톤을 실린더 아래로 밀었습니다.

실린더와 콘덴서의 분리는 뉴코멘 엔진의 작동 중인 실린더에서 증기가 응축될 때 발생하는 열 손실을 제거했습니다.이를 통해 와트 엔진은 뉴코멘 엔진보다 효율이 높아져 뉴코멘 엔진과 동일한 양의 작업을 수행하면서 소비되는 석탄의 양을 줄일 수 있었습니다.

와트의 설계에서는 차가운 물은 응축실에만 주입되었습니다.이런 유형의 콘덴서는 제트 콘덴서로 알려져 있습니다.콘덴서는 실린더 아래의 냉수조에 위치합니다.스프레이로 응축기에 유입되는 물의 부피는 증기의 잠열을 흡수하여 응축 증기의 부피의 7배로 측정되었다.그런 다음 공기 펌프에 의해 응축수와 주입된 물을 제거하고 주변의 냉수가 나머지 열에너지를 흡수하여 응축기 온도를 30°C~45°C, 등가 압력 0.04~0.1bar로 유지합니다.

매 스트로크마다 응축기에서 따뜻한 응축수가 흡입되어 진공 펌프에 의해 뜨거운 유정으로 보내져 파워 실린더 아래에서 증기를 배출하는 데에도 도움이 되었습니다.아직 따뜻한 응축수는 보일러의 급수로 재활용되었다.

뉴코멘 디자인에 대한 와트의 다음 개선 사항은 실린더 상부를 밀봉하고 실린더를 재킷으로 둘러싸는 것이었습니다.피스톤 아래에 들어가기 전에 증기가 재킷을 통과하여 피스톤과 실린더를 따뜻하게 유지하여 피스톤 내부의 결로를 방지합니다.두 번째 개선 사항은 피스톤 반대쪽의 진공에 대한 증기 팽창의 활용입니다.스트로크 중에 증기 공급이 끊기고 증기는 반대쪽의 진공에 대항해 팽창했다.이로 인해 엔진의 효율이 향상되었지만 샤프트에 가변 토크가 생성되어 많은 용도, 특히 펌핑에 바람직하지 않았습니다.따라서 와트는 팽창을 1:2의 비율로 제한했습니다(즉, 증기 공급이 하프 스트로크로 차단됨).따라서 피스톤 [6]압력의 변동은 적지만 이론적인 효율은 6.4%에서 10.6%로 향상되었습니다.와트는 안전상의 [2]: 85 이유로 고압 증기를 사용하지 않았다.

이러한 개선은 1776년의 완전한 개발 버전으로 이어졌고 실제로 [7]생산에 들어갔다.

매튜 불튼과 제임스 와트의 파트너십

별도의 콘덴서는 뉴코멘 엔진의 극적인 개선 가능성을 보여주었지만, 와트는 시장성이 있는 엔진이 완성되기 전에 극복할 수 없어 보이는 문제에 여전히 낙담했다.매튜 불튼과 파트너십을 맺은 후에야 그것이 현실이 되었다.와트는 Boulton에게 엔진 개선에 대한 자신의 아이디어를 말했고, 열렬한 기업가 Boulton은 버밍엄 근처의 Soho에서 테스트 엔진 개발에 자금을 지원하기로 합의했다.마침내 와트는 설비에 접근할 수 있었고 장인들의 실제 경험도 곧 첫 번째 엔진을 작동시킬 수 있었다.완전히 개발되어 유사한 뉴코멘보다 75% 정도 적은 연료를 사용했습니다.

1775년 와트는 두 개의 대형 엔진을 설계했다. 하나는 1776년 3월에 완성되었고, 다른 하나는 다음 달에 슈롭셔브로즐리있는윌킨슨의 제철소를 위한 이었다.런던 동부의 Stratford-le-Bow에 있는 세 번째 엔진도 그해 [8]여름 작동 중이었다.

와트는 몇 년 동안 그의 증기 엔진에 정확히 천공된 실린더를 얻기 위해 시도했지만 실패했고, 원형을 벗어나 피스톤을 통해 누출을 일으키는 망치 철을 사용해야만 했다.1916년 조지프 위컴 로는 다음과 같이 말했다. "[존] 스미톤은 최초의 엔진을 보고 '이렇게 복잡한 기계를 충분히 [9]정밀하게 제조할 수 있는 도구와 일꾼은 존재하지 않는다'고 기술자 협회에 보고했다."

1774년 존 윌킨슨은 당시 사용되던 캔틸레버 보어와는 달리 절삭 공구를 고정하는 축이 양 끝에 지지되고 실린더를 통해 연장되는 보링 기계를 발명했다.불튼은 1776년에 "윌킨슨 씨는 우리에게 거의 오류 없이 몇 개의 실린더를 천공했다; 우리가 팁톤에 설치한 직경 50인치의 실린더는 어떤 부분의 오래된 실링 두께에도 오류가 없다"[9]고 썼다.

Boulton and Watt의 업무는 광산 소유주와 다른 고객들이 엔진을 제작하는 것을 돕고, 그것들을 조립하기 위한 인력과 일부 특수 부품을 공급하는 것이었다.그러나 특허에서 얻는 주된 이익은 엔진 소유자가 절약한 연료의 원가에 기초하여 엔진 소유자에게 라이센스 요금을 부과하는 데서 비롯되었다.이 엔진들의 높은 연비는 1777년에 휠비지, 팅탕, 차이스워터 [10]광산에서 세 개의 엔진을 주문한 콘월 등 연료비가 비싼 지역에서 가장 매력적이었다는 것을 의미했다.

향후의 개선점

펌프 엔진에서의 와트의 평행 운동

첫 번째 와트 엔진은 뉴코멘 엔진과 같은 대기압 엔진이었지만 실린더와는 별도로 응결이 이루어졌습니다.저압 증기와 부분 진공으로 엔진을 구동하면 왕복 엔진 발전 [11]가능성이 높아졌습니다.밸브 배열은 저압 증기를 실린더에 번갈아 수용한 다음 콘덴서와 연결할 수 있습니다.이것에 의해, 파워 스트로크의 방향이 반대로 되어 회전 운동을 용이하게 할 수 있다.복동 엔진의 추가적인 이점은 효율성 향상, 고속화(고출력), 규칙적인 움직임입니다.

복동 피스톤이 개발되기 전에는 빔과 피스톤 로드에 대한 링크가 체인을 통해 이루어졌는데, 이는 당김을 통해 동력을 한 방향으로만 가할 수 있다는 것을 의미했습니다.이것은 물을 퍼내는 데 사용되는 엔진에 효과적이었지만 피스톤의 이중 작용은 피스톤이 밀고 당길 수 있음을 의미했습니다.빔과 로드가 체인으로 연결되어 있는 한 이는 가능하지 않았습니다.또한 봉인된 실린더의 피스톤 로드를 빔에 직접 연결할 수 없었습니다. 왜냐하면 로드가 수직으로 움직이는 동안 빔이 중심에서 피벗되어 각 면이 호를 그렸기 때문입니다.빔과 피스톤의 상충되는 작용을 연결하기 위해 와트는 평행 운동을 전개했다.이 장치는 팬터그래프와 결합된 4개의 막대 링크를 사용하여 슬라이더 유형의 링크를 사용하는 경우보다 훨씬 저렴하게 필요한 직선 운동을 생성했습니다.그는 자신의 해결책을 매우 자랑스러워했다.

와트 증기[12] 기관

빔이 양방향에 번갈아 가며 힘을 가하는 수단으로 피스톤 샤프트에 연결되어 있다는 것은 빔의 움직임을 사용하여 휠을 회전시킬 수 있다는 것을 의미하기도 했습니다.빔의 작용을 회전 운동으로 바꾸는 가장 간단한 해결책은 크랭크로 빔을 바퀴에 연결하는 것이었지만, 다른 당사자가 크랭크의 사용에 대한 특허권을 가지고 있었기 때문에 와트는 [13]다른 해결책을 생각해내야 했다.그는 직원 윌리엄 머독이 제안한 유성 기어와 유성 기어 시스템을 채택했는데, 특허권이 만료된 후에야 오늘날 [14]대부분의 엔진에서 볼 수 있는 보다 친숙한 크랭크로 되돌렸다.크랭크에 부착된 메인 휠은 크고 무거웠으며, 일단 움직이기 시작하면 그 운동량에 의해 일정한 힘을 유지하고 번갈아 가며 움직이는 동작을 부드럽게 해주는 플라이 휠 역할을 했다.회전하는 중앙 샤프트에 벨트와 기어를 부착하여 다양한 종류의 기계를 구동할 수 있었습니다.

공장 기계는 일정한 속도로 작동해야 했기 때문에 Watt는 증기 조절 밸브를 원심 조속기에 연결했고, 이를 사용하여 풍차의 [15]속도를 자동으로 제어했습니다.원심기는 부하 [16]변화에 대응하여 설정 속도를 유지할 수 없었기 때문에 진정한 속도 컨트롤러가 아니었다.

이러한 개선으로 증기 엔진은 영국 산업의 주요 동력원으로서 물레방아와 말을 대체할 수 있게 되었고, 이로 인해 증기 엔진은 지리적 제약으로부터 해방되어 산업 혁명의 주요 원동력 중 하나가 되었다.

와트는 또한 증기 엔진의 기능에 대한 기초적인 연구에도 관심을 가지고 있었습니다.오늘날에도 여전히 사용되고 있는 그의 가장 주목할 만한 측정 장치는 실린더 내의 증기 압력을 피스톤의 위치에 따라 측정하는 압력계를 포함하는 와트 표시기로, 사이클 전체에 걸쳐 증기 압력을 부피의 함수로 나타내는 다이어그램을 생성할 수 있습니다.

Preserved Watt 엔진

현존하는 가장 오래된 와트 엔진은 1777년의 올드 베스로, 현재 런던의 과학 박물관에 있다.세계에서 가장 오래된 엔진은 Smethwick 엔진으로, 1779년 5월에 사용되었고 지금은 버밍엄의 Thinktank에 있습니다(구 버밍엄 과학 산업 박물관의 이전).가장 오래된 것은 여전히 원래의 엔진 하우스에 있고, 여전히 설치된 작업을 수행할 수 있는 1812 Boulton and Watt 엔진으로, Wiltshire있는 Crofton Pumping Station에 있습니다.이 펌프는 케넷과 에이본 운하를 위한 펌프로 사용되었습니다. 연중 특정 주말이면 최신 펌프가 꺼지고 Crofton의 두 증기 엔진이 여전히 이 기능을 수행합니다.현존하는 가장 오래된 회전 증기 기관인 Whitbread Engine (1785년부터 세 번째로 만들어진 회전 엔진)은 호주 시드니에 있는 파워하우스 박물관에 있습니다.1788년의 Boulton-Watt 엔진은 런던의 과학 박물관에서 발견될 수 있고, M W 그라즈브룩의 네더톤 제철소에서 사용되었던 1817년식 송풍 엔진은 현재 버밍엄의 A38(M) 고속도로 시작의 교통 섬인 다트머스 서커스를 장식하고 있다.[17]

미시간 디어본에 있는 헨리 포드 박물관에는 1788와트 회전 엔진의 복제품이 소장되어 있습니다.그것은 불튼-와트 엔진의 실물 크기 작동 모델이다.미국[18]사업가 헨리 포드는 1932년 영국 제조업체 찰스 섬머필드로부터 복제 엔진을 의뢰했다.또한 박물관은 원래 버밍엄에서 [19]운하 펌핑에 사용된 Boulton and Watt 대기 펌프 엔진을 보유하고 있으며, 1796년부터 1854년까지 보이어 스트리트 펌핑[20] 스테이션에서 사용되었으며, 이후 1929년에 Dearborn으로 이전되었습니다.

Hathorn, Davey 및 Co.에서 생산한 와트 엔진

1880년대에 Hathorn Davey와 Co/Leeds는 외부 콘덴서를 갖춘 1hp/125rpm 대기식 엔진을 생산했지만 증기는 팽창하지 않았습니다.이것이 아마도 제조된 마지막 상업용 대기 엔진이었을 것이라는 주장이 제기되어 왔다.대기 엔진으로서, 그것은 가압된 보일러를 가지고 있지 않았다.그것은 소규모 기업을 [21]위한 것이었다.

데이비스 엔진 1885

최근의 동향

와트의 팽창 엔진은 일반적으로 역사적 관심사로만 간주됩니다.그러나 기술의 부흥으로 이어질 수 있는 최근의 발전들이 있다.오늘날 산업체에서는 100~150°C의 온도에서 엄청난 의 폐증기와 폐열이 발생하고 있습니다.또한 솔러터멀 컬렉터, 지열 에너지원 및 바이오매스 원자로는 이 온도 범위에서 열을 발생시킨다.이 에너지를 이용하는 기술, 특히 유기 랭킨 사이클이 있습니다.원칙적으로 이는 물이 아닌 100°C 미만의 온도에서 증발하는 유체(냉매)를 사용하는 증기 터빈입니다.그러나 그러한 시스템은 상당히 복잡하다.6~20bar의 압력으로 작동하므로 시스템 전체가 완전히 밀폐되어야 합니다.

확장 엔진은 특히 2~100kW의 낮은 출력 정격에서 상당한 이점을 제공할 수 있습니다. 즉, 확장 비율이 1:5일 경우 이론적인 효율이 15%에 달하며, 이는 ORC 시스템 범위에 해당합니다.팽창 엔진은 물을 단순하고 저렴하며 무독성, 불연성 및 비부식성 작동 유체로 사용합니다.대기압 부근 및 대기압 하부에서 작동하기 때문에 밀봉에 문제가 없습니다.비용 효율이 뛰어난 심플한 머신입니다.영국 사우샘프턴 대학의 연구원들은 현재 폐증기와 폐열로부터 에너지를 생산하기 위해 현대판 와트 엔진을 개발하고 있다.이론적으로는 최대 17.4%(및 실제 효율은 11%)의 [22]이론적인 효율이 가능하다는 것을 증명하는 등 이론을 개선했습니다.

Southampton 대학에서 제작 및 테스트된 25와트 실험용 응축 엔진

원리를 설명하기 위해 25와트 실험 모델 엔진을 제작하고 테스트했습니다.이 엔진에는 증기 팽창과 전자 제어와 같은 새로운 기능이 통합되어 있습니다.사진은 2016년에 [23]제작되고 테스트된 모델이다.현재 2kW급 엔진을 제작하고 테스트하는 프로젝트가 [24]준비 중이다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Ayres, Robert (1989). "Technological Transformations and Long Waves" (PDF): 13. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  2. ^ a b Dickinson, Henry Winram (1939). A Short History of the Steam Engine. Cambridge University Press. p. 87. ISBN 978-1-108-01228-7.
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  4. ^ Society of Gentlemen (1763). A new and complete dictionary of Art and sciences; comprehending all the branches of useful knowledge, with accurate descriptions as well of the various machines, tools, figures and schemes necessary for illustrating them, as of the classes, kinds, preparations, and uses of natural productions, whether animals, vegetables, minerals, fossils, or fluids; together with the kingdoms, provinces, cities, towns and other remarkable places throughout the world. Illustrated with above three hundred copper-plates engraved by Mr. Jefferys (The second edition, with many additions, and other improvements. ed.). London: W.Owen. p. 1073 (table).
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  23. ^ "Model tests, Mk 1". The Condensing Engine Project. 8 October 2016. Retrieved 25 August 2019.
  24. ^ "Crowd funding". The Condensing Engine Project. 9 October 2016. Retrieved 25 August 2019.

외부 링크

Wikimedia Commons 와트 증기 엔진 관련 매체