History of energy use II, steam engines The 18 th century European - - PowerPoint PPT Presentation

GEOS 24705 / ENST 24705 / ENSC 21100

Lecture 6

History of energy use II, steam engines

• 1. Fuel ¡became ¡scarce ¡even ¡when ¡only ¡used ¡for ¡heat ¡

¡Wood ¡was ¡insufficient, ¡& ¡coal ¡was ¡ge3ng ¡hard ¡to ¡extract ¡ ¡Surface ¡“sea ¡coal” ¡à ¡deep-­‑sha= ¡mining ¡below ¡the ¡water ¡table ¡

¡

• 2. ¡There ¡were ¡limited ¡ways ¡to ¡make ¡mo;on ¡

¡No ¡way ¡to ¡make ¡moCon ¡other ¡than ¡through ¡capturing ¡exisCng ¡ moCon ¡or ¡through ¡muscle-­‑power. ¡ ¡

¡

• 3. ¡There ¡was ¡no ¡good ¡way ¡to ¡transport ¡mo;on ¡

¡Water ¡and ¡wind ¡weren’t ¡necessarily ¡near ¡demand ¡ ¡ ¡

The ¡18th ¡century ¡European ¡energy ¡crisis ¡has ¡3 ¡parts ¡ ¡ The ¡only ¡means ¡out ¡of ¡the ¡energy ¡crisis ¡was ¡coal ¡ ¡ ¡ ¡ ¡– ¡but ¡to ¡mine ¡the ¡coal ¡required ¡mo;on ¡for ¡pumps. ¡

The ¡revolu;onary ¡solu;on ¡= ¡break ¡the ¡heat ¡à à ¡work ¡barrier ¡

Newcomen “Atmospheric Engine”, 1712

The ¡revolu;onary ¡solu;on ¡= ¡break ¡the ¡heat ¡à à ¡work ¡barrier ¡ use ¡heat ¡to ¡make ¡ordered ¡mo-on ¡

(Note that widespread use & Industrial Revolution followed invention by ~100 years – typical for energy technology)

Hero ¡of ¡Alexandria, ¡“TreaCse ¡on ¡PneumaCcs”, ¡120 ¡BC ¡

“lebes”: demonstration of lifting power of steam “aeliopile”

Physics: ¡long ¡understood ¡that ¡steam ¡exerted ¡force ¡

¡

EvaporaCng ¡water ¡produces ¡high ¡pressure ¡ Pressure ¡= ¡force ¡/ ¡area ¡

Physics: ¡condensing ¡steam ¡can ¡produce ¡sucCon ¡force ¡

¡ Low ¡pressure ¡in ¡airCght ¡container ¡means ¡air ¡exerts ¡force ¡ Same ¡physics ¡that ¡lets ¡you ¡suck ¡liquid ¡through ¡a ¡straw ¡

First ¡commercial ¡use ¡of ¡steam: ¡ the ¡Savery ¡engine ¡

¡

“A ¡new ¡Inven;on ¡for ¡Raiseing ¡of ¡ Water ¡and ¡occasioning ¡Mo;on ¡to ¡all ¡ Sorts ¡of ¡Mill ¡Work ¡by ¡the ¡Impellent ¡ Force ¡of ¡Fire ¡which ¡will ¡be ¡of ¡great ¡ vse ¡and ¡Advantage ¡for ¡Drayning ¡ Mines, ¡serveing ¡Towns ¡with ¡Water, ¡ and ¡for ¡the ¡Working ¡of ¡all ¡Sorts ¡of ¡ Mills ¡where ¡they ¡have ¡not ¡the ¡ benefiL ¡of ¡Water ¡nor ¡constant ¡ Windes.” ¡ ¡ Thomas ¡Savery, ¡patent ¡applicaCon, ¡ filed ¡1698 ¡

Savery ¡engine ¡is ¡not ¡a ¡ commercial ¡success ¡

¡

“.. ¡Savery’s ¡engine ¡was ¡wholly ¡ unsuited ¡for ¡draining ¡mines, ¡and ¡he ¡ failed ¡to ¡induce ¡the ¡miners ¡to ¡take ¡ it ¡up. ¡The ¡greatest ¡height ¡to ¡which ¡ it ¡could ¡raise ¡water ¡was.. ¡not ¡more ¡ than ¡sixty ¡or ¡eighty ¡feet...Moreover ¡ the ¡miners ¡[were]...afraid ¡to ¡ introduce ¡furnaces ¡into ¡their ¡shaQs, ¡

• n ¡account ¡of ¡...their ¡giving ¡rise ¡to ¡

explosions... ¡” ¡ ¡ Robert ¡Galloway, ¡“A ¡History ¡of ¡Coal ¡ Mining ¡in ¡Great ¡Britain” ¡ ¡ Issues: ¡ Good ¡only ¡for ¡pumping ¡liquids. ¡ Efficiency ¡below ¡0.1% ¡

Newcomen’s ¡design ¡is ¡state ¡of ¡the ¡art ¡for ¡60+ ¡years ¡

First ¡true ¡steam ¡engine: ¡

¡

Thomas ¡Newcomen, ¡1712, ¡blacksmith ¡ (copy ¡of ¡Papin ¡1690 ¡design) ¡ ¡ “It ¡was ¡at ¡this ¡juncture ¡that ¡the ¡miners ¡had ¡ put ¡into ¡their ¡hands ¡the ¡most ¡wonderful ¡ inven;on ¡which ¡human ¡ingenuity ¡had ¡yet ¡ produced ¡– ¡the ¡Newcomen ¡steam-­‑engine.. ¡ a ¡machine ¡capable ¡of ¡draining ¡with ¡ease ¡ the ¡deepest ¡mines; ¡applicable ¡anywhere; ¡ requiring ¡liLle ¡or ¡no ¡aLen;on; ¡so ¡docile ¡ that ¡its ¡movements ¡might ¡be ¡governed ¡by ¡ the ¡strength ¡of ¡a ¡child; ¡so ¡powerful ¡that ¡it ¡ could ¡put ¡forth ¡the ¡strength ¡of ¡hundreds ¡of ¡ horses; ¡so ¡safe ¡that... ¡the ¡utmost ¡damage ¡ that ¡can ¡come ¡to ¡it, ¡is ¡its ¡standing ¡s;ll ¡for ¡ want ¡of ¡fire.” ¡ ¡ Robert ¡Galloway, ¡“A ¡History ¡of ¡Coal ¡Mining ¡ in ¡Great ¡Britain” ¡

Newcomen’s ¡design ¡is ¡state ¡of ¡the ¡art ¡for ¡60+ ¡years ¡

First ¡true ¡steam ¡engine: ¡

¡

Thomas ¡Newcomen, ¡1712, ¡blacksmith ¡ ¡ First ¡reciproca-ng ¡engine: ¡linear ¡moCon ¡of ¡ piston ¡that ¡transmits ¡force ¡ ¡ ¡ Steps ¡ 1 Fill ¡chamber ¡with ¡steam ¡ 2 Cool ¡the ¡chamber ¡to ¡condense ¡steam ¡ 3 Low ¡chamber ¡pressure ¡pulls ¡piston ¡down ¡ 4 Open ¡valve ¡at ¡bocom ¡of ¡piston, ¡let ¡ gravity ¡pull ¡pump ¡side ¡down ¡again ¡ ..... ¡ ¡ ¡Steam ¡fills ¡chamber ¡as ¡piston ¡rises ¡ ¡ Issues: ¡ Very ¡low ¡efficiency: ¡0.5% ¡ Intermicent ¡force ¡transmission ¡

Newcomen’s ¡design ¡is ¡state ¡of ¡the ¡art ¡for ¡60+ ¡years ¡

First ¡true ¡steam ¡engine: ¡

¡

Thomas ¡Newcomen, ¡1712, ¡blacksmith ¡ ¡ First ¡reciproca-ng ¡engine: ¡linear ¡moCon ¡of ¡ piston ¡that ¡transmits ¡force ¡ ¡ ¡ Steps ¡ 1 Fill ¡chamber ¡with ¡steam ¡ 2 Cool ¡the ¡chamber ¡to ¡condense ¡steam ¡ 3 Low ¡chamber ¡pressure ¡pulls ¡piston ¡down ¡ 4 Open ¡valve ¡at ¡bocom ¡of ¡piston, ¡let ¡gravity ¡ pull ¡pump ¡side ¡down ¡again ¡ ..... ¡ ¡ ¡Steam ¡fills ¡chamber ¡as ¡piston ¡rises ¡ ¡ Issues: ¡ Very ¡low ¡efficiency: ¡0.5% ¡ Intermicent ¡force ¡transmission ¡

¡

First ¡Newcomen ¡engine ¡ ¡ (1712, ¡Dudley ¡Castle) ¡

¡ (reproducCon) ¡ ¡ video: ¡hcps://www.youtube.com/watch?v=HC6LUWSBXjk ¡ ¡ video: ¡hcps://www.youtube.com/watch?v=QltRwiu4U2Q ¡ ¡ ¡ ¡

Last ¡Newcomen ¡engine ¡ ¡ (1810 ¡– ¡1923, ¡Farme ¡Colliery) ¡

¡ manually ¡operated ¡valves ¡ used ¡for ¡li=ing ¡coal, ¡not ¡pumping ¡

What ¡is ¡a ¡“heat ¡engine”? ¡

A ¡device ¡that ¡generates ¡converts ¡thermal ¡energy ¡to ¡ mechanical ¡work ¡by ¡exploiCng ¡a ¡temperature ¡ gradient ¡ ¡ ¡

• Makes ¡something ¡more ¡ordered: ¡ ¡

¡random ¡moCons ¡of ¡molecules ¡à ¡ordered ¡ moCon ¡of ¡enCre ¡body ¡ ¡

• Makes ¡something ¡less ¡ordered: ¡ ¡

¡degrades ¡a ¡temperature ¡gradient ¡(transfers ¡ heat ¡from ¡hot ¡to ¡cold) ¡

Cooling ¡towers ¡(from ¡nuclear ¡power ¡p heat ¡from ¡reactor ¡drives ¡a ¡steam ¡turb

All ¡heat ¡engines ¡involve ¡heat ¡flow ¡ No ¡heat ¡engine ¡has ¡perfect ¡efficiency ¡ All ¡heat ¡engines ¡involve ¡waste ¡heat ¡

Energy-­‑GPD ¡relaConship ¡extends ¡to ¡19th ¡cent. ¡

France ¡and ¡the ¡Netherlands ¡ grew ¡by ¡x ¡10 ¡from ¡1800-­‑1900 ¡ and ¡energy ¡usage ¡increased ¡

• correspondingly. ¡

¡ In ¡last ¡few ¡decades ¡wealth ¡ has ¡risen ¡without ¡much ¡ change ¡in ¡energy ¡use. ¡(This ¡is ¡ common ¡in ¡high-­‑income ¡ countries.) ¡

Data: World Bank, ~1960-2011 2005 USD www.energyhistory.org, converted to 2005 USD

0.1 1.0 10.0 Power use per capita (1000 W) 0.1 1.0 10.0 100.0 GDPPPP ($1000)

$9/yr/W $3/yr/W

All France 1800-2011 Netherlands 1800-2011

Argentina Australia Austria Bangladesh Belgium Bolivia Brazil Cambodia Canada Chile Colombia CostaRica Denmark DominicanRepublic Ecuador ElSalvador Finland France Germany Greece Guatemala Haiti Honduras India Indonesia Ireland Israel Italy Japan Jordan LebanonMalaysia Mexico Morocco Nepal Netherlands NewZealand Nicaragua Norway Pakistan Paraguay Peru Philippines Portugal SKorea Spain SriLanka Sweden Switzerland Syria Thailand Tunisia Turkey UK USA Vietnam

1800 ¡Britain ¡rich ¡but ¡“wasteful” ¡with ¡low-­‑efficiency ¡engines ¡

1800-­‑1900 ¡Britain: ¡doubling ¡ energy ¡= ¡doubling ¡wealth. ¡ ¡ Both ¡Britain ¡(and ¡U.S.) ¡ historically ¡were ¡“wasteful” ¡ energy ¡users ¡– ¡excess ¡energy ¡ used ¡per ¡GDP ¡– ¡and ¡are ¡more ¡ “normal” ¡now. ¡(U.S. ¡was ¡ wasteful ¡because ¡of ¡abundant ¡ wood.) ¡ ¡ U.S. ¡note: ¡one ¡datapoint ¡per ¡ 10 ¡years ¡;l ¡1949 ¡

Data: World Bank, ~1960-2011 2005 USD www.energyhistory.org, converted to 2005 USD U.S. data from EIA

0.1 1.0 10.0 Power use per capita (1000 W) 0.1 1.0 10.0 100.0 GDPPPP ($1000)

$9/yr/W $3/yr/W

All France 1800-2011 Netherlands 1800-2011 U.K. 1800-2011 U.S. 1850-2011

Argentina Australia Austria Bangladesh Belgium Bolivia Brazil Cambodia Canada Chile Colombia CostaRica Denmark DominicanRepublic Ecuador ElSalvador Finland France Germany Greece Guatemala Haiti Honduras India Indonesia Ireland Israel Italy Japan Jordan LebanonMalaysia Mexico Morocco Nepal Netherlands NewZealand Nicaragua Norway Pakistan Paraguay Peru Philippines Portugal SKorea Spain SriLanka Sweden Switzerland Syria Thailand Tunisia Turkey UK USA Vietnam

First ¡WaL ¡steam ¡engine: ¡

¡

James ¡Wac, ¡1769 ¡patent ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(1774 ¡producCon ¡model) ¡

Higher efficiency than Newcomen by introducing separate condenser Reduces wasted heat: cylinder stays always hot, condenser stays always cold. In Newcomen’s engine, the single metal cylinder alternately heats and cools Net: ¼ fuel usage of Newcomen’s engine

Improved ¡WaL ¡steam ¡engine: ¡

¡

James ¡Wac, ¡1783 ¡model ¡ Albion ¡Mill, ¡London ¡ ¡ As ¡before: ¡ Separate ¡condenser ¡ ¡ ¡ Improvements: ¡

• “Double-­‑acCng”: ¡force ¡on ¡both ¡

up-­‑ ¡and ¡down-­‑stroke ¡

• RotaConal ¡moCon ¡
• Engine ¡speed ¡regulator ¡
• à ¡Higher ¡efficiency: ¡~3% ¡

Engineers ¡cared ¡about ¡efficiency: ¡ coal ¡= ¡money ¡ ¡ ¡

video of 1788 engine

Coal ¡and ¡ore ¡from ¡mines ¡have ¡been ¡carried ¡by ¡“tramways” ¡since ¡the ¡1500’s ¡

Once ¡you ¡have ¡an ¡engine ¡to ¡pump ¡the ¡mines, ¡you ¡envision ¡other ¡uses... ¡

Little Eaton Gangway, Derbyshire, working til 1908

First ¡locomo;ves ¡– ¡conversions ¡of ¡sta;onary ¡steam ¡engines ¡

built ¡by ¡Richard ¡Trevithick, ¡mining ¡engineer ¡ Experimented ¡with ¡“high-­‑pressure” ¡steam ¡(50 ¡psi), ¡double-­‑acCng ¡cylinders. 1804 ¡Pen-­‑y-­‑Darren ¡locomoCve, ¡carrying ¡iron ¡in ¡Wales, ¡replacing ¡horse-­‑ drawn ¡tramway. ¡Ran ¡~10 ¡miles ¡at ¡~2 ¡mph ¡but ¡destroyed ¡track. ¡

Image: ¡1804 ¡Coalbrookdale ¡ locomo;ve, ¡which ¡failed. ¡No ¡ images ¡of ¡Pen-­‑y-­‑Darren ¡survive ¡ ¡ ¡

Image: ¡source ¡unknown ¡

First ¡prac;cal ¡locomo;ves ¡begin ¡1814 ¡

“Puffing ¡Billy”, ¡designed ¡by ¡William ¡Hedley, ¡(mine ¡manager), ¡ ¡ built ¡by ¡the ¡mine’s ¡blacksmith ¡and ¡enginewright ¡ Coal ¡hauler, ¡9” ¡x ¡36” cylinders ¡

¡

Basically ¡a ¡staConary ¡steam ¡engine ¡placed ¡on ¡wheels, ¡note ¡rocker ¡beam ¡ ¡

First ¡passenger ¡locomo;ve, ¡1829 ¡

George ¡Stephenson’s ¡“Rocket”, ¡built ¡for ¡Liverpool ¡and ¡Manchester ¡Railway ¡ won ¡the ¡Rainhill ¡trials ¡at ¡29 ¡mph ¡(unloaded), ¡14 ¡mph ¡loaded ¡ first ¡example ¡of ¡single ¡pair ¡of ¡drive ¡wheels ¡

Image: ¡source ¡unknown ¡

Stephenson was a mine engineman and brakeman, then

• enginewright. Illiterate til age 18.

Built first locomotive in 1814.

¡

Piston ¡pushed ¡by ¡steam ¡on ¡both ¡ up-­‑ ¡and ¡down-­‑stroke. ¡ ¡ No ¡more ¡need ¡for ¡a ¡ ¡condenser. ¡ Steam ¡is ¡simply ¡vented ¡at ¡high ¡ temperature

¡slide ¡valve ¡alternates ¡input ¡& ¡exhaust ¡

Double-­‑ac;on ¡steam ¡engine ¡

Double-­‑ac;on ¡steam ¡engine ¡

slide valve alternates input & exhaust

primary use: transportation

Double-­‑ac;on ¡steam ¡engine ¡

Where ¡and ¡what ¡period ¡is ¡this ¡locomoCve ¡from? ¡

Where ¡and ¡what ¡period ¡is ¡this ¡locomoCve ¡from? ¡ 1846 London & Birmingham locomotive

Early, primitive: conductor stands in open air

• nly four wheels, still looks like a carriage

Britain: coal burner (no spark catcher chimney) heavy wheels for solid straight track

Where ¡and ¡what ¡period ¡is ¡this ¡locomoCve ¡from? ¡

Where ¡and ¡what ¡period ¡is ¡this ¡locomoCve ¡from? ¡

U.S.: - wood-burning with spark-catcher chimney

• lightweight front wheel assembly (‘bogie’), non-driven, to swivel around curves
• “cow-catcher” front for travel where livestock is unfenced
• single pair of driving wheels, 2 sets of 4 undriven wheels: “4-2-4” arrangement

Where ¡and ¡what ¡period ¡is ¡this ¡locomoCve ¡from? ¡

1855 “Pony” locomotive, built in Paterson NJ

Where ¡and ¡what ¡period ¡is ¡this ¡locomoCve ¡from?

Where ¡and ¡what ¡period ¡is ¡this ¡locomoCve ¡from?

U.S.:

• wood-burning with spark-catcher chimney (also carrying wood cart)
• lightweight front ‘bogie’, 2 driving wheels: 4-4-0 “American type” pattern
• “cow-catcher” front for travel where livestock is unfenced

Mid-1800s:

• larger boiler than 1850’s locomotive
• most U.S. locomotives of mid-1800s are 4-4-0

Where ¡and ¡what ¡period ¡is ¡this ¡locomoCve ¡from?

Houston and Texas Central Locomotive, ~1868, 4-4-0 a classic U.S. locomotive of the frontier “Old West” era

A ¡famous ¡locomoCve ¡of ¡the ¡same ¡period

President Lincoln’s funeral train specially built for the President in 1865, typical 4-4-0 here en route from Washington DC to Springfield IL carrying Lincoln’s body

Where ¡and ¡what ¡period ¡is ¡this ¡locomoCve ¡from?

U.S. – cow-catcher, 4-4-0 pattern – but, not wood-burning, now smokestack is for coal-burning Time – engineering seems more sophisticated than in 1860’s Old West type – driving wheels are even larger than in 1860s

Where ¡and ¡what ¡period ¡is ¡this ¡locomoCve ¡from?

1893, “Engine 999” of the New York Central Railroad, 4-4-0 built for the Empire State Express service “World’s Fastest Locomotive”: claimed land speed record of 112.5 mph

Where ¡and ¡what ¡period ¡is ¡this ¡locomoCve ¡from?

A ¡modern ¡picture ¡of ¡the ¡same ¡locomoCve ¡

now at the Museum of Science and Industry, Chicago IL

Wabash ¡Railway ¡(Chicago), ¡steam ¡locomoCve ¡#2024, ¡1948 ¡ ¡more ¡powerful, ¡note ¡many ¡driving ¡wheels: ¡ ¡2-­‑8-­‑2 ¡arrangement?

Image: ¡ ¡Postcard ¡(Chuckman’s ¡collec;on ¡of ¡Chicago ¡postcards) ¡

LocomoCves ¡becomes ¡more ¡sophisCcated ¡over ¡Cme