Grundpfeiler der Kompression: Die Entwicklung von Luftkompressoren

Von ihren Anfängen bis zum späten 18. Jahrhundert wurde die Luftkompression hauptsächlich zum Schmelzen von Metallen eingesetzt. Ein weiterer früher Anwendungsbereich für Gebläsemaschinen war die Belüftung von Untertagebergwerken, die wichtige Quellen für die zum Schmelzen benötigten Metallerze und Kohle darstellten.

Der Untertagebau blickt auf eine jahrtausendealte Geschichte zurück. Eines der frühesten Beispiele findet sich im alten China, wo Kohle in Schächten abgebaut und zur Metallverarbeitung verwendet wurde. Europäische Bergleute gruben nachweislich bereits seit 4000 v. Chr. und während der gesamten Jungsteinzeit Stollen auf der Suche nach Feuerstein.

Bereits im ersten Jahrhundert schürften ungelernte Bauern und Arbeiter im Fackelschein unter Bedingungen, die heute als gefährlich und barbarisch gelten würden. Sie entzündeten Reisigfeuer in den Minen, um die Luftzirkulation von der Oberfläche in die Schächte zu fördern. Diese Technik wurde von den mittelalterlichen Griechen und Römern in Britannien und anderswo wiederentdeckt, die nach Metallen wie Kupfer, Nickel, Zinn und Eisen suchten. Sie wurde in Britannien während der industriellen Revolution zusammen mit immer ausgefeilteren Belüftungsschächten intensiv genutzt.

Die Luft in tiefen Kohlebergwerken war stickig und daher stark verschmutzt, mitunter sogar giftig. Ende des 19. Jahrhunderts wurden Kanarienvögel in Käfigen eingesetzt, um die Ansammlung gefährlicher Gase wie Methan und Kohlendioxid in den Bergwerken zu erkennen. Sobald die Vögel aufhörten zu singen und Anzeichen von Schwäche oder Atemnot zeigten, war dies für die Bergleute das Signal zur Evakuierung.

Frühe Belüftungsmethoden basierten auf natürlicher Belüftung durch Stollen und Schächte, die den einzigen Zugang zum Erz und dessen Abtransport ermöglichten. Kurze Querschläge verbanden die Hauptförderstollen und dienten ebenfalls der Belüftung. Durch Erhitzen der Grubenluft mittels Feuer stieg diese in den Stollen auf, während gleichzeitig Frischluft durch weiter entfernte Stollen nachströmte. Die Belüftungskapazität war begrenzt und der Brennstoffverbrauch enorm.

Zwangslüftung im Bergwerk

Es gibt Aufzeichnungen über Geräte, die als Blasebälge, oszillierende Ventilatoren, Leinentücher und Schachtkopf-Windsegel bezeichnet werden und bereits im 16. Jahrhundert auf verschiedene Weise zur Verbesserung der Grubenbelüftung eingesetzt wurden. Mit dem Aufkommen der Dampfmaschinen im 18. Jahrhundert kamen Blasebälge und einfache Blasrohre zur Grubenbelüftung zum Einsatz. Im 19. Jahrhundert wurden dann größere, oszillierende Dampfkompressoren mit Schwingbalken verwendet.

In den 1870er Jahren wurden große Gebläse der Roots Blower Company zur Grubenbelüftung eingesetzt, darunter mehrere in den Gruben der Comstock Lode bis 1870. Zwei der größten jemals gebauten Gebläse wurden 1877 in einer Grube in England installiert und förderten 5663 m³ Luft pro Minute (200.000 ft³/min). Jedes Laufrad war 4 m breit und hatte einen Durchmesser von 7,6 m (25 ft).

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts kamen primitive Ventilatoren, wie der in Abb. 1 dargestellte, zur Grubenbelüftung zum Einsatz. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts verwendete man Gebläse oder Niederdruck-Radial- bzw. Propellerventilatoren, die am Tunnelportal angebracht und an ein Rohrsystem angeschlossen waren.

Technologische Fortschritte erschließen das Potenzial der Druckluft.

Die erste Verwendung eines Luftkompressors außerhalb von Schmelz- und Hochöfen erfolgte 1762, als ein von einem Wasserrad angetriebener Blaszylinder einen Druck von beachtlichen 14 psi (1 bar) erzeugte. Die ersten industriellen Luftkompressoren wurden mit Dampf betrieben. Diese Geräte kamen bei einigen der ersten größeren Unterwassermissionen zum Einsatz, bei denen Taucher mit Luft versorgt wurden.

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts nutzten Ingenieure Luftkompressoren zur Energieübertragung . In den 1820er Jahren wurde in Wales ein Kraftwerk errichtet, das Druckluft verwendete. Es zeigte sich, dass Druckluft als Energiequelle für schwere Maschinen besser geeignet war als Dampf.

Das wahre Potenzial von Druckluft als Energie- oder Antriebsquelle zeigte sich erst in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Ein besonders spektakuläres Beispiel dafür ist der Einsatz von Roots-Gebläsen in der 1867 erbauten New Yorker U-Bahn. Das riesige Gebläse besaß ein 6,6 m hohes Eisengehäuse mit 4,9 m langen Laufrädern und benötigte fünf Eisenbahnwaggons für den Transport. Bei 60 Umdrehungen pro Minute erzeugte es 2832 m³/min Luft, die einen 22-sitzigen Personenwagen auf Schienen durch den U-Bahn-Tunnel in eine Richtung blies und anschließend wieder zurücksaugte.

Das erste große Bauprojekt, das mit Drucklufttechnologie betrieben wurde, war der Fréjus-Eisenbahntunnel. 1857 begannen Arbeiter, den acht Meilen langen Tunnel, der Italien und Frankreich durch den Monte Cenis in den europäischen Alpen verband, von Hand zu bohren. Der Fortschritt war langsam, mit durchschnittlich etwa 229 mm pro Tag, und man rechnete mit einer Bauzeit von rund 30 Jahren. Vier Jahre nach Projektbeginn wurde Druckluft in den Bohrprozess eingeführt. Bau- und Bergwerksteams beider Länder nutzten pneumatische Bohrer sowie Nasskompressoren, um die Luft im Tunnel zu kühlen, während sich die Bergleute tiefer in das Gestein vorarbeiteten. Dank des Einsatzes von Druckluftwerkzeugen wurde der Tunnel 1870, nach insgesamt 14 Jahren, fertiggestellt.

Als dampfbetriebene Gesteinsbohrer von effizienteren, luftbetriebenen Bohrern abgelöst wurden, entwickelten sich Kolbenkompressoren rasant weiter. In den USA brachte die Rand & Waring Drill and Compressor Company 1872 den ersten Rand-Luftkompressor für Gesteinsbohrer auf den Markt. John Waring hatte ein Verfahren entwickelt, um Wasser an den Seiten und Enden der Kompressorzylinder zu zirkulieren. Dies war ein bedeutender Fortschritt gegenüber dem einfachen Einsprühen von Wasser in den Zylinder zur Kühlung.

Etwa zur gleichen Zeit gründete Simon Ingersoll die Ingersoll Rock Drill Company , um seinen patentierten dampfbetriebenen Gesteinsbohrer herzustellen. Henry Sargeant, ein ortsansässiger Handwerker, verbesserte Ingersolls Konstruktion und überzeugte seinen Chef, Ingersolls Unternehmen und Patente zu erwerben. Sargeant wurde der erste Präsident der Ingersoll Rock Drill Company und setzte die Forschung und Entwicklung von Kolbenkompressoren und Gesteinsbohrern fort. Er meldete im Laufe seines Lebens 61 Patente an.

Fast alle Luftkompressoren dieser Zeit wurden von Dampfmaschinen angetrieben . Obwohl es vertikale, horizontale und Winkelmaschinen gab, waren horizontale Dampfkompressoren am weitesten verbreitet, wie beispielsweise der in Abb. 2 dargestellte geradlinige Dampfkompressor von Ingersoll-Sargeant . Diese Ingersoll-Sargeant-Baureihe wurde 1878 eingeführt und war über zwei Jahrzehnte bis in die frühen 1900er-Jahre im Einsatz.

Die nächste Ausgabe wird die rasante Entwicklung horizontaler Luftkompressoren fortsetzen, die die industrielle Revolution ermöglichten.