Cara kerja mesin uap Watt

Apa yang ditunjukkan model ini

Sebelum James Watt, mesin uap menghabiskan sebagian besar batu baranya untuk memanaskan lalu mendinginkan silinder besi yang sama, dua belas kali atau lebih dalam semenit. Model ini menunjukkan mesin yang memecahkan masalah itu, lalu mulai memutar poros pabrik dan bukan hanya menggerakkan pompa.

Ini mesin balok putar jenis yang dibuat Boulton dan Watt pada dekade 1780-an, ditampilkan sepersepuluh ukuran aslinya dan dibelah di tengah. Permukaan merah adalah bidang potong. Uap segar dari ketel berwarna jingga, uap bekas yang menuju kondensor biru pucat, dan air biru tua. Proporsinya mengikuti mesin Boulton dan Watt tahun 1785 di Powerhouse Museum, Sydney: diameter dalam 635 mm (25 inci), langkah 1,83 m (6 kaki), dan roda gila 4,27 m (14 kaki).

Panel angka di sudut menunjukkan kecepatan roda gila, seberapa lebar katup gas terbuka, daya yang diberikan uap ke piston, batu bara yang dibakar mesin, dan tekanan di atas piston. Garis kecil di bawah grafik menyimpan 30 detik terakhir kecepatan (merah) dan katup gas (biru), supaya Anda bisa melihat governor menanggapi saat beban diubah. Grafik di bawahnya adalah siklus tekanan-volume bagian atas silinder, digambar langsung selama mesin berjalan. Garis abu-abu di belakangnya adalah siklus pada beban rancangan, sehingga Anda bisa melihat perubahannya saat menggeser penggeser beban.

Mengapa mesin Newcomen boros batu bara

Mesin atmosferik Thomas Newcomen tahun 1712 mengisi silindernya dengan uap, lalu menyemprotkan air dingin ke dalamnya. Uap mengembun, tekanan di silinder turun, dan udara luar menekan piston ke bawah. Mesin itu bekerja, tetapi setiap langkah mendinginkan dinding silinder, dan uap berikutnya harus memanaskannya lagi sebelum bisa mengisi ruang. Banyak uap, dan batu bara yang menghasilkannya, habis hanya untuk menghangatkan besi.

Watt berhadapan dengan masalah ini pada 1763, ketika College of Glasgow memintanya memperbaiki model mesin Newcomen yang terus berhenti karena kekurangan uap. Jawabannya, yang sudah ia jalankan pada sebuah model pada 1765, adalah mengembunkan uap di tempat lain. Patennya diberikan pada 5 Januari 1769, dan klaim pertamanya menyatakan bahwa silinder "selama mesin bekerja harus dijaga sepanas uap yang masuk ke dalamnya."

Kondensor terpisah

Di model, kondensor adalah bejana besi yang berdiri di dalam bak kayu berisi air dingin, di bawah lantai rumah mesin. Saat satu ujung silinder terbuka ke saluran buang, uap mengalir deras turun lewat pipa ke kondensor, tempat semprotan air dingin dari keran injeksi mengubahnya kembali menjadi air. Air memakan ruang jauh lebih kecil daripada uap, jadi tekanan di kondensor tetap rendah, sekitar 0,2 bar di model. Silinder tidak pernah menyentuh air dingin, sehingga tetap panas.

Pengembunan menghasilkan air, dan sedikit udara ikut masuk bersama uap atau merembes lewat sambungan. Pompa udara di samping kondensor membuang keduanya. Embernya digerakkan oleh batang yang tergantung dari balok, dan air hangat yang diangkatnya masuk ke sumur panas, dari situ pipa umpan membawanya kembali ke ketel. Science Museum merangkum hasilnya dengan sederhana: mesin dengan kondensor Watt membakar dua pertiga lebih sedikit batu bara.

Angka model menunjukkan sebabnya. Dengan katup gas pada bukaan acuan 45%, uap tiba di silinder pada tekanan mutlak 1,14 bar, hanya sedikit di atas udara luar. Dengan sisi lain piston terbuka ke kondensor bertekanan 0,2 bar, setiap langkah ganda menghasilkan kerja sekitar 80 kJ. Jika mesin yang sama membuang uap ke udara terbuka pada 1,01 bar, tekanan balik akan meniadakan dorongan maju dan mesin akan berhenti.

Uap di kedua sisi piston

Mesin-mesin pertama Watt bekerja tunggal seperti mesin Newcomen: uap mendorong piston ke bawah dan berat batang pompa menariknya kembali. Untuk menggerakkan mesin-mesin pabrik dengan mulus, Watt mematenkan kerja ganda pada Maret 1782. Uap bekerja di sisi atas piston saat turun dan di sisi bawah saat naik, sedangkan sisi yang tidak didorong terbuka ke kondensor.

Model ini memakai katup geser untuk mengatur pergantian itu. Bentuknya blok kuningan yang berongga di bagian bawah, bergerak naik turun di atas tiga lubang pada permukaan katup. Lubang atas menuju bagian atas silinder, lubang bawah ke bagian bawah, dan lubang tengah ke saluran buang. Saat katup membuka satu lubang luar ke kotak uap, rongganya menyambungkan lubang luar lainnya ke saluran buang.

Tepi luar katup lebih lebar daripada lubangnya dengan selisih yang disebut lap uap. Karena lap ini, katup menutup uap segar jauh sebelum langkah berakhir: pada 46% langkah turun dan 55% langkah naik di model. Kedua angka berbeda karena ujung balok berayun mengikuti busur dan batangnya tidak panjang tak hingga. Setelah titik potong, uap yang terkurung terus mendorong sambil memuai, dan ini menghemat uap. Watt menjelaskan kerja pemuaian ini dalam paten 1782 yang sama.

Mengubah ayunan balok menjadi putaran

Ujung atas batang piston harus bergerak lurus, kalau tidak pakingnya akan robek. Padahal ujung balok bergerak mengikuti busur. Jawaban Watt pada 1784 adalah gerak paralel: susunan batang dan sebuah batang radius yang diatur agar satu sambungan menggambar garis hampir lurus sepanjang langkah. Watt mengatakan inilah penemuan yang paling ia banggakan. Rangkaian asli Watt hanya mendekati garis lurus; model menahan kepala silang tepat di sumbu silinder dan menghitung letak batang-batang dari situ.

Di ujung lain balok, batang penghubung turun ke poros. Alih-alih engkol, batang ini membawa roda gigi yang terpasang mati padanya dan tidak bisa berputar di atasnya. Roda gigi planet ini bertautan dengan roda gigi matahari berukuran sama di poros roda gila, dan sebuah sabuk menahan keduanya tetap berdekatan. Saat planet dibawa berkeliling, matahari berputar dua kali untuk setiap gerak naik turun piston. Watt memakainya karena, seperti dicatat sejarah ASME, engkol yang merupakan pilihan paling jelas sudah dipatenkan orang lain.

Roda gila 4,27 m membawa poros melewati dua titik mati di setiap putaran, saat piston berada di ujung langkah dan tidak bisa memutar poros.

Bagaimana governor menjaga kecepatan

Mesin pabrik harus berputar dengan kecepatan hampir sama, entah mesin-mesin yang digerakkannya sedang sibuk atau menganggur. Governor sentrifugal melakukannya tanpa perlu diawasi. Dua bola kuningan tergantung pada lengan dari spindel yang digerakkan oleh poros roda gila. Saat spindel berputar lebih cepat, bola berayun ke luar dan ke atas. Gerakan ini mengangkat selongsong, yang lewat engkol siku dan batang panjang menutup sedikit katup kupu-kupu di pipa uap. Uap yang sampai ke silinder berkurang, dan mesin melambat. Jika mesin terlalu lambat, bola turun dan katup gas terbuka.

Coba di Kontrol. Pada beban rancangan 30 hp, mesin stabil di 40,3 rpm. Turunkan beban ke 10 hp, roda gila sebentar melaju sampai 42,8 rpm sebelum katup gas menutup hingga sekitar 8% dan kecepatan stabil di 42,6 rpm. Matikan governor dan lakukan hal yang sama: katup gas tetap di tempatnya, dan dalam semenit mesin melaju melewati 110 rpm. Naikkan beban ke 40 hp, katup gas terbuka penuh, tetapi mesin tetap melambat ke sekitar 29 rpm. Di atas sekitar 37 hp pada 40 rpm, silinder memang tidak sanggup memberi kerja yang cukup.

Governor seperti ini tidak pernah benar-benar kembali ke kecepatan awal. Ia butuh sedikit selisih kecepatan untuk menahan katup gas di posisi baru, jadi mesin berputar sedikit lebih cepat pada beban ringan daripada beban berat. Insinyur menyebut ini droop.

Angka-angkanya, dihitung

Rumus tinggi governor berasal dari bandul kerucut: bola yang berputar mengelilingi sumbu vertikal akan diam di tempat tarikan lengannya ke dalam mengimbangi gravitasi, pada ketinggian h = g/ω² di bawah engsel, berapa pun massanya. Putar lebih cepat, h mengecil, jadi bola naik. American Society of Mechanical Engineers (ASME) memperkirakan mesin Whitbread bertenaga sekitar 35 daya kuda indikasi setelah dibuat kerja ganda, dengan anggapan tekanan efektif rata-rata 10 psi dan 20 sampai 21 langkah per menit. Model sampai pada angka yang sama.

Newcomen melawan Watt, di mesin yang sama

Tab Kontrol punya sakelar bernama Kondensor terpisah. Matikan, dan model bekerja seperti mesin Newcomen: semprotan dingin disemburkan langsung ke silinder di akhir setiap langkah, dan bejana kondensor menganggur. Ada dua perubahan. Vakumnya memburuk karena semprotan harus melawan dinding silinder yang hangat, sehingga tekanan balik model naik dari 0,2 bar ke 0,55 bar. Lalu dinding mendingin di setiap langkah, jadi uap berikutnya harus memanaskannya lagi sebelum bisa mendorong.

Pengaruh kedua inilah yang dikejar Watt, dan inilah yang menghabiskan batu bara. Model menghitungnya dengan menambahkan uap yang mengembun di dinding ke uap yang bekerja. Dengan kondensor terpisah, ditambahkan 0,6 kg untuk setiap kilogram yang bekerja, mewakili silinder berselubung yang masih kehilangan sedikit panas. Dengan semprotan di silinder, ditambahkan 2 kg, jadi dua pertiga seluruh uap habis untuk memanaskan ulang besi. Kedua angka adalah nilai model, dipilih agar hasilnya mendekati "dua pertiga lebih sedikit batu bara" dari Science Museum.

Batang di lab menunjukkan hasil untuk mesin yang sama pada 40 rpm dengan katup gas terbuka penuh:

Artinya 3,1 kali lebih banyak batu bara untuk kerja yang sama. Di model yang sedang berjalan, perbedaannya juga tampak dengan cara lain. Pada beban rancangan 30 hp, pengaturan Newcomen tidak sanggup bertahan: katup gas terbuka penuh, kecepatan turun, dan mesin berhenti. Turunkan beban ke 15 hp dan mesin bertahan di 40,6 rpm, tetapi membakar 239 kg batu bara per jam dibanding 87 kg untuk pengaturan Watt pada beban yang sama.

Batu bara per daya kuda-jam, dihitung

Insinyur di masa Watt membandingkan mesin dari seberapa banyak kerja yang dihasilkan dengan sejumlah batu bara tertentu. Model melakukan hitungan yang sama, langkah demi langkah, pada beban rancangan dengan governor bekerja:

Dua angka di sini adalah anggapan, bukan hasil: ketel model menghasilkan 6 kg uap dari setiap kilogram batu bara, dan batu bara mengandung 29 MJ per kilogram. Keduanya nilai model. Ubah salah satunya, dan semua angka di bawahnya dalam tabel ikut bergeser.

Baris terakhir patut dibaca pelan-pelan. Dari setiap seratus satuan panas dalam batu bara, kurang dari tiga yang sampai ke piston sebagai kerja. Sisanya naik ke cerobong, masuk ke air dingin di bak, dan ke air hangat yang dibuang pompa udara ke sumur panas. Di model, satu kilogram batu bara memberi kerja 0,78 MJ di piston. Itu cukup untuk mengangkat satu ton air setinggi 80 meter, persis pekerjaan yang menjadi alasan mesin ini dibeli. Pada pengaturan Newcomen, kilogram yang sama memberi 0,27 MJ.

Apa itu daya kuda

Panel daya menampilkan daya kuda lebih dulu karena itulah satuan yang dipakai Watt untuk menilai mesinnya. Satu daya kuda (hp) adalah kerja 33.000 kaki-pon per menit: gaya 33.000 pon dipindahkan satu kaki, atau 330 pon dipindahkan 100 kaki, setiap menit. National Institute of Standards and Technology (NIST) AS memberikan konversinya 550 kaki-pon per detik, yaitu 745,7 watt. Model membagi dengan angka itu untuk mengubah watt menjadi daya kuda, jadi 26,1 kW terbaca 35,0 hp.

Angka kilowatt di sebelahnya ada karena sekarang hampir semua hal dinilai dalam watt. Dengan satuan Watt sendiri, 10 sampai 15 daya kuda mesin Sydney setelah dirombak adalah kerja 10 sampai 15 kuda tanpa istirahat.

Memotong uap lebih awal

Watt melihat bahwa uap yang sudah ada di silinder masih bisa terus bekerja setelah katup menutup, dan penggeser titik potong memungkinkan Anda mencobanya. Penggeser ini menentukan sampai sejauh mana dalam langkah uap segar terus masuk. Katup geser di model adalah katup sungguhan, jadi mengubah titik potong mengubah lap dan sudut majunya, dan saluran buang juga terbuka pada titik lain. Tanpa lead, katup yang lapnya sebesar pecahan L dari langkahnya memotong pada posisi piston sekitar cos²δ, dengan sin δ = L. Sudut 45° di model memberi titik potong dekat setengah langkah.

Pemuaian menguntungkan karena uap yang terkurung terus mendorong tanpa biaya. Jika uap pada suhu tetap memuai sampai dua kali volumenya, ia melakukan kerja 1 + ln 2 = 1,69 kali kerja selama ia masuk. Bila memuai empat kali, kerjanya 2,39 kali lipat. Jadi titik potong yang pendek memeras lebih banyak kerja dari setiap kilogram uap.

Masalahnya, titik potong yang pendek juga berarti uap per langkah lebih sedikit, sehingga dayanya lebih kecil. Atur titik potong ke 25% pada tekanan Watt 1,45 bar, dan mesin tidak sanggup menanggung 30 hp: melambat lalu berhenti. Naikkan tekanan ketel ke 2,5 bar, dan mesin kembali bertahan di 41,4 rpm dengan katup gas hanya terbuka 24%, memakai 2,4 kg batu bara per hp·jam, bukan 3,4. Itulah jalan yang ditempuh para insinyur sesudahnya. Mesin pompa Cornwall tahun 1800-an memakai uap bertekanan tinggi dan memotongnya lebih awal; atur model ke titik potong 20% pada 3,5 bar, kerja tunggal, dan batangnya menunjukkan 1,8 kg per hp·jam.

Kerja tunggal dan kerja ganda

Sakelar Kerja ganda menentukan apakah uap boleh masuk ke bagian bawah silinder. Jika dimatikan, sisi bawah piston selalu terbuka ke kondensor, seperti pada mesin pompa pertama Watt. Kerja per langkah ganda tinggal separuh, dan dengan katup gas penuh model memberi 20 hp, bukan 42. Pada beban rancangan 30 hp, mesin kerja tunggal melambat sampai berhenti. Pada 15 hp, mesin bertahan di sekitar 38 rpm dengan katup gas terbuka 84%.

Perbedaannya juga terlihat di panggung. Pada pengaturan kerja tunggal, bagian bawah silinder selalu biru pucat, dan titik p-V di grafik menghabiskan separuh setiap siklus di garis kondensor.

Mesin dalam sejarah

Daftar “Mesin dalam sejarah” memuat 76 mesin, dari pompa Savery tahun 1698 hingga pembangkit batu bara masa kini. Anda dapat mencari menurut nama, tahun, atau tempat, lalu menyaring berdasarkan negara dan kegunaan: pompa tambang dan air, pabrik dan penggilingan, lokomotif dan kendaraan jalan, kapal, listrik, serta model atau paten. Memilih mesin melakukan dua hal. Jenis yang sesuai muncul di panggung, salah satu dari enam jenis di bawah, dan empat setelan model Watt berubah untuk mewakilinya: tujuan uap buangan (injeksi di silinder, kondensor terpisah, atau udara luar), kerja tunggal atau ganda, titik potong, dan tekanan ketel. Setelan ini menggambarkan jenis mesin, bukan hasil pengukuran mesin tertentu itu.

Catatan di bawah menu memuat apa yang dikatakan museum dan lembaga tentang masing-masing mesin. Beberapa menyebut angka daya, dan angka itu ditampilkan sebagai angka mesin aslinya: 1000 hp untuk mesin SS Great Britain pada 1843, 1400 hp untuk mesin Corliss yang menggerakkan Machinery Hall di Pameran Centennial 1876, dan 700 hp untuk mesin pabrik Burnley tahun 1903. Pilihan terakhir sama sekali bukan mesin piston. Pada 2024, pembangkit batu bara AS rata-rata memakai 10.777 Btu bahan bakar untuk setiap kilowatt-jam yang dihasilkan, dan karena satu kilowatt-jam setara 3412 Btu, efisiensinya 31,7%. Pembangkit itu masih mendidihkan air, memuaikan uap, dan mengembunkannya, tetapi di dalam turbin dan pada tekanan serta suhu yang jauh lebih tinggi.

Pilihan lokomotif menunjukkan mengapa kereta api bisa tanpa kondensor. Pengaturan jenis Rocket membuang uap ke udara pada 1,01 bar, yang pada tekanan Watt hampir tidak menyisakan apa-apa. Pada 4,4 bar ada cukup tekanan untuk mendorong melawan atmosfer dan masih melakukan kerja, dengan harga batu bara yang lebih banyak per daya kuda.

Enam mesin dalam satu panggung

Tombol di bagian bawah panggung mengganti mesin Watt dengan lima mesin lain. Semuanya bergerak, dan panel angka berubah menjadi tekanan, efisiensi, konsumsi batu bara, serta putaran mesin yang dipilih. Tanda kecil setelah tiap angka menjelaskan asalnya: “sumber” menautkan halaman museum atau situs bersejarah; “model” berarti angka dihitung oleh model halaman ini untuk jenis mesin tersebut.

Newcomen, 1712. Silinder yang terbuka di atas berdiri pada ketel berbentuk tumpukan jerami. Uap pada tekanan hampir sama dengan udara mengisi ruang di bawah piston. Semburan air dingin dari tangki di dinding mengembunkannya, lalu udara di atas menekan piston ke bawah. Rantai pada ujung balok yang melengkung menjaga batang piston dan pompa bergerak lurus naik turun. John Lienhard dari University of Houston memperkirakan efisiensi mesin Newcomen pertama sekitar sepertiga persen. Jadi, 1 kg batu bara dengan energi 29 MJ menghasilkan kerja sekitar 0.1 MJ. Old Sarah milik Science Museum, mesin atmosfer dekat Wakefield, masih memompa dari kedalaman 330 ft pada 1917 dengan sekitar 5 langkah per menit.

Watt, 1785. Mesin yang dibahas di bagian lain halaman ini. Dengan kondensor terpisah pada 1.45 bar, model menghasilkan efisiensi 2.8% dan konsumsi 3.3 kg batu bara per daya kuda-jam.

Trevithick, 1805. Mesin Hazledine and Co. di Science Museum bekerja pada sekitar 50 psi di atas atmosfer (4.46 bar absolut) dan menghasilkan 3 hp. Silinder ditanam dalam ketel agar uap tiba tetap panas, sedangkan uap buangan keluar lewat cerobong. Tidak ada kondensor maupun balok. Model menghasilkan 2.3%: tekanan tinggi mengganti sebagian besar kerugian akibat membuang uap pada tekanan atmosfer, dalam mesin yang jauh lebih kecil.

Rocket, 1829. Menurut Science Museum Group, lokomotif Stephenson menggabungkan ketel banyak pipa dengan pipa sembur. Uap buangan kedua silinder miring menyembur ke cerobong dan menarik gas panas tungku melalui pipa. Makin keras mesin bekerja, makin kuat api menyala. Dengan tekanan tinggi yang sama tanpa kondensor, model menghasilkan 2.2%.

Pemuaian tiga tingkat, 1894. Uap melewati tiga silinder yang makin besar. Setiap silinder memakai uap yang telah memuai di silinder sebelumnya. Mesin pompa Leavitt di Chestnut Hill, Boston, merupakan peninggalan teknik yang diakui ASME. Dalam uji, mesin berjalan pada 175.7 psi (13.1 bar absolut) dan 50.6 rpm, membakar 1.146 lb batu bara per daya kuda-jam. Itu sama dengan 0.52 kg dan, pada 29 MJ per kg, efisiensi 17.8%, enam kali model Watt. Brosur ASME memberi angka 20.8% untuk mesin saja, diukur dari uap. Kapal Liberty Perang Dunia Kedua seperti SS Jeremiah O’Brien masih memakai mesin pemuaian tiga tingkat 2,500 hp.

Turbin Parsons, 1884. Tidak ada piston. Dalam model, uap masuk dari tengah rumah turbin dan memuai melalui barisan sudu gerak pada rotor serta sudu tetap pada rumahnya, langsung memutar poros. Science Museum Group mencatat putaran turbin pertama Parsons sebesar 18,000 rpm, cocok untuk dinamo, tetapi tidak memberi angka efisiensi; panel menyatakannya. Pada 1892, tiga turbin Parsons 100 kW dengan kondensor di Cambridge menyamai efisiensi mesin piston terbaik berukuran sama dalam uji. Panel juga menampilkan pembangkit batu bara masa kini sebagai pembanding: 31.7%.

Satu kilogram batu bara, mesin demi mesin

Lomba efisiensi di bawah kontrol membuat tiap mesin membakar 1 kg batu bara untuk mengangkat air setinggi 10 m. Mengangkat satu kilogram setinggi 10 m membutuhkan 9.81 × 10 = 98.1 J. Karena 1 kg batu bara mengandung 29 MJ, massa air yang diangkat adalah 29,000,000 × efisiensi ÷ 98.1 kg.

Dua baris dihitung dari konsumsi batu bara. Mesin balok Peel, Williams and Peel tahun 1846 membakar sekitar 6 lb per daya kuda-jam, setara 2.72 kg dan efisiensi 3.4%. Angka 1.146 lb mesin Leavitt setara 0.52 kg dan 17.8%. Efisiensi 11% mesin Cornwall adalah angka keseluruhan yang diberikan ASME untuk mesin 80 inch di Cornwall pada 1835. Brosur yang sama menyebut mesin Cornwall pada 1830-an memindahkan empat hingga lima kali lebih banyak air per ton batu bara daripada mesin Watt terbaik. Makalah ASEE menghitung efisiensi mesin Smeaton di Long Benton sekitar 1.4% dari kerjanya sebesar 9.45 juta kaki-pon per bushel batu bara. Dari mesin Newcomen pertama hingga pembangkit masa kini, batu bara yang sama mengangkat air 96 kali lebih banyak.

Batang menggunakan skala logaritmik: tiap langkah pada sumbu berarti sepuluh kali langkah sebelumnya. Dengan skala linear, batang Newcomen terlalu pendek untuk terlihat. Grafik di bawah lomba menempatkan kesembilan mesin yang sama pada garis waktu.

Tantangan dan katup pengaman

Tujuh tantangan di bawah kontrol masing-masing menguji satu sifat mesin. Tiga memakai model Watt: tiga kali kerja Newcomen dengan batu bara yang sama, menjaga 40 rpm pada beban 60 hp, serta efisiensi di atas 4% dengan titik potong lebih awal dan tekanan ketel lebih tinggi. Pada 1.45 bar, model turun di bawah 38 rpm pada sekitar 37 hp dan sudah berhenti saat mencapai 50 hp. Karena itu, tantangan beban memerlukan tekanan ketel dinaikkan dahulu ke 2.5 bar atau lebih. Tantangan keempat memakai katup pengaman, tuas berpemberat di atas ketel. Ketel model yang berbentuk gerobak dibatasi pada 3.5 bar, angka pilihan kami untuk ketel tekanan rendah berbentuk ini. Jika setelan dinaikkan melampaui batas dengan katup aktif, tuas terangkat dan membuang uap sehingga mesin tetap bekerja pada 3.5 bar. Jika katup dimatikan, panel memperingatkan bahaya pada ketel.

Pengukur dan asap

Dua jam ukur di model menunjukkan tekanan yang diawasi masinis. Pengukur tekanan uap di pipa samping silinder membaca kotak katup setelah katup gas, jadi jarumnya turun saat governor menutup katup gas. Pengukur vakum di kondensor menunjukkan 0,2 bar dengan kondensor Watt dan 0,55 bar pada pengaturan Newcomen. Asap dari cerobong mengikuti batu bara yang dibakar model: makin tebal saat beban dinaikkan atau saat Anda memilih pengaturan yang boros.

Membaca siklus tekanan-volume

Ikuti titik merah searah jarum jam. Bagian atas yang datar adalah pemasukan, saat bagian atas silinder terbuka ke kotak uap. Lengkung yang turun darinya adalah pemuaian setelah titik potong, saat tekanan turun seiring volume bertambah. Pada 84% langkah, katup membuka bagian atas ke saluran buang dan tekanan jatuh ke garis kondensor. Pada langkah balik, katup menutup saluran buang sebelum piston sampai di atas, sehingga sisa uap terjepit di ruang sisa dan menjadi bantalan bagi piston. Luas di dalam siklus adalah kerja yang dilakukan pada sisi piston itu dalam satu siklus.

Turunkan beban dan lihat siklusnya menyusut. Governor menutup katup gas, tekanan di kotak uap turun, dan bagian atas siklus yang datar ikut turun. Ini disebut pengaturan dengan katup gas: mesin selalu memotong di titik yang sama, tetapi bekerja dengan uap yang lebih tipis.

Di mana model berbeda dari mesin aslinya

Mesin tahun 1785 memasukkan uap lewat katup jatuh, bukan katup geser. Kami memakai katup geser karena satu bagian yang bergerak bisa menunjukkan semua peristiwa katup. Batang penghubung aslinya 5,5 m, lebih panjang daripada 4 m di model, dan balok mesin Whitbread diganti besi cor bertahun-tahun setelah dibangun, sedangkan balok kami dari kayu ek. Tekanan ketel adalah pilihan kami sendiri: 1,45 bar mutlak, agar setelah pipa dan katup gas kotak katup sedikit di atas tekanan atmosfer, dekat dengan 3 psi di atas atmosfer yang diusulkan ASME. Roda gilanya juga lebih ringan daripada aslinya, agar perubahan beban tenang dalam hitungan detik, bukan menit.

Dari model kondensor ke mesin Lap

Watt membuat model kondensornya pada 1765 dan menerima paten pada 1769. Setelah bermitra dengan Matthew Boulton, paten itu diterapkan pada 1776, pada mesin pompa tambang dan mesin peniup untuk pabrik besi. ASME menyebut keduanya membakar sepertiga bahan bakar yang biasa pada masa itu. Lalu datang gerak putar: paten Watt untuk "gerak melingkar mengelilingi sumbu", yang mencakup roda gigi matahari dan planet, bertanggal 25 Oktober 1781. Kerja ganda dan kerja pemuaian menyusul pada Maret 1782, dan gerak paralel pada Agustus 1784.

Mesin pabrik bir Whitbread di Sydney dipasang pada 1785, mungkin mesin putar keenam buatan perusahaan itu, dan bekerja 102 tahun sampai 1887. Powerhouse Museum menyebut mesin ini dirombak untuk menaikkan dayanya dari 10 menjadi 15 daya kuda dan governornya ditambahkan pada dekade 1790-an. Mesin Lap tahun 1788, kini di Science Museum London, menggerakkan piringan poles di Soho Manufactory milik Boulton selama 70 tahun. ASME mencatatnya sebagai mesin pertama yang dipasangi governor sentrifugal. Watt menilainya 10 daya kuda, dan uji pada 1858 mengukur 13,75. Seluruhnya, Boulton dan Watt membuat sekitar 500 mesin, sekitar 60% di antaranya mesin putar.