칼럼: 광산용 초기 증기 엔진 설계

Mar 07, 2023

2023년 5월 13일

Thomas Savery가 1689년에 증기 기관에 대한 영국 특허를 받았을 때 증기 기관은 전적으로 그의 발명품이 아니었습니다. 많은 역사가들에 따르면 Savery는 Edward Somerset, Second Marquee of Worcester의 초기 아이디어를 바탕으로 디자인을 시작했습니다. Royal Collection Trust에 따르면, "물을 조종하는 엔진"이라고 불렀던 Somerset의 아이디어는 증기 기관의 선구자였습니다. Trust는 그것이 대포의 총신으로 제작된 유압 엔진이라고 말했고 Worcester는 그것이 가능하기를 바랐습니다. 관개 속도를 높이기 위해 농업에 사용됩니다.

Savery는 관개용이 아닌 콘월의 광산에서 물을 펌핑하기 위해 엔진을 설계했습니다.

아이러니하게도 그가 광산용으로 설계한 Savery의 엔진은 광산을 펌핑하는 데 사용되지 않았지만 그의 증기 펌프는 사유지와 시골집에 물을 공급하는 데 유용했습니다. Society, 2018년 7월, Vol. 27일, APS 뉴스 7호. 기사, "1698년 7월 2일: Thomas Savery가 초기 증기 기관에 대한 특허를 취득했습니다."

온라인 학술지인 Economic Historian의 2022년 7월 31일자 기사 "Steam Engine"에는 Savery의 엔진이 불을 사용하여 광산에서 물을 펌핑하도록 의도되었다고 나와 있습니다. 탱크에 증기를 채운 다음 증기 공급원으로부터 탱크를 분리하는 방식으로 작동했습니다. 증기가 채워진 탱크의 온도가 격리로 인해 떨어지면 증기가 응축되어 탱크에 진공이 생성됩니다. 진공은 액체 상태의 물과 기체 상태의 물 사이의 부피 차이에 의해 형성됩니다. 광산의 물이 진공을 채우기 위해 몰려들었고, 진공 시스템은 성공적이었지만 얕은 깊이에서만 효율적으로 작동할 수 있었습니다. 탱크로 유입된 물은 증기 압력을 사용하여 최대 80피트까지 배출되거나 강제로 더 높이 올라갔습니다.

APS News에 따르면 엔진에는 몇 가지 결함이 있었습니다. 물을 들어올리는 데는 효율적이지 않았습니다. 부분적으로는 단단히 밀봉된 조인트를 가공하는 기술이 아직 존재하지 않았기 때문입니다. 모든 부품은 황동, 구리, 청동으로 만들어졌으며, 주조 또는 성형 부품으로 함께 엮은 다음 납땜하거나 리벳으로 고정했습니다. 불완전한 밀봉으로 인해 엔진이 폭발하기 쉽습니다. 또한 광산 용도로 경제적으로 실행 가능하도록 너무 많은 연료를 소비했습니다.

Thomas Newcomen은 대장장이(철물 상인)였으며 Savery는 자신의 엔진을 만들기 위해 고용되었습니다. NPS는 Savery가 Newcomen이 자신의 뒷마당 연구를 위해 기계의 사본을 위조하도록 허용했다고 밝혔습니다. 1712년에 Newcomen은 Savery의 설계를 기반으로 자신의 증기 기관을 만들었지만 Newcomen의 대기 증기 기관은 Savery의 것보다 훨씬 우수했다고 NPS는 말합니다. Newcomen의 엔진은 크게 향상된 성능, 상당한 기계적 차이를 보여 주었으며 증기 압력이 필요하지 않았으며 진공을 다르게 사용했습니다.

Newcomen 엔진은 상단이 개방된 실린더 내에서 작동하는 피스톤을 활용했다고 스코틀랜드 국립 박물관에 따르면 원래 Newcomen 엔진이 보관되어 있습니다. 피스톤은 체인으로 흔들리는 빔에 연결되었습니다. 다른 쪽 끝에서는 빔이 막대를 통해 광산의 펌프에 연결되었습니다. 상승 행정에서는 보일러에서 나온 증기를 실린더에 채운 후 실린더에 찬 물을 주입하여 증기를 다시 물로 바꾸고 진공 상태를 만듭니다. (물이 증기로 변하면 1,500배 팽창하므로 수용된 부피는 증기가 다시 물로 응축되면 진공이 생성됩니다.) 그런 다음 진공은 피스톤을 아래로 당기고 흔들리는 빔을 통해 워터 펌프의 플런저를 올렸습니다.

Newcomen의 엔진에 로커 빔을 사용하는 것은 나중에 엔진이 빔 엔진으로 불리게 된 방식이었습니다.

경제 역사가가 지적했듯이 Newcomen 엔진의 주요 결점은 각 가열 및 냉각 행정 중에 피스톤을 재가열하기 위해 과도한 증기를 소비한다는 것입니다. 그러나 당분간은 가능한 최고의 디자인이었습니다.

다음 개발은 – 그리고 그것은 주요한 것이었습니다 – 제임스 와트(James Watt)라는 스코틀랜드의 악기 제조사로부터 나왔습니다. 와트는 증기기관을 발명한 것이 아니다. 그는 증기 응축기를 발명했습니다. 그는 수리를 요청받은 Newcomen의 엔진 중 하나를 연구하고 결함을 확인하고 자신의 발명품을 사용하여 개선했습니다. 이는 증기 응용 분야에 혁명을 일으켰습니다.