La evolución de los compresores para la fabricación de hierro y acero

Cilindro de vapor de balancín Boulton and Watt reconstruido en 1817, cilindro de soplado de aire accionado por cilindro de balancín.

La historia de los compresores se remonta a miles de años atrás, cuando las primeras civilizaciones descubrieron el poder del pulmón humano. Gracias a su capacidad para exhalar oxígeno, el pulmón facilitó la creación de fuego para cocinar y calentarse. Alrededor del 5000 a. C., nació la metalurgia, al fabricarse herramientas, armas e ídolos religiosos con metal. Entre los metalúrgicos, se hizo evidente que se necesitaba más aire para generar fuegos más intensos y así transformar minerales líquidos como el cobre y el oro en metales duros.

El primer dispositivo de aire creado por el hombre fue el soplete, que los metalúrgicos egipcios utilizaban para producir los metales preciosos hallados en antiguas tumbas. Sin embargo, ante las exigencias de la producción de metales, las limitaciones del pulmón humano se hicieron evidentes. Incluso en su mejor estado, el pulmón humano solo es capaz de generar una fracción de la presión de aire necesaria para fundir metal. Además, los pulmones resultaron ser una fuente inadecuada para alimentar el fuego debido al dióxido de carbono presente en el aire que exhalamos. Evidentemente, se necesitaba un sistema más potente y sofisticado para la producción de aire .

Fuelles primitivos accionados por humanos

El primer desarrollo de dispositivos mecánicos para comprimir aire se realizó para insuflarlo en los altos hornos donde se fabricaban hierro y acero. Las primeras fundiciones primitivas aparecieron en China en el siglo I d. C., utilizando fuelles accionados manualmente, hechos con vejigas de animales, para forzar la entrada de aire en los hornos. Este dispositivo, consistente en una bolsa flexible, posibilitaba la producción de aire comprimido. Posteriormente, se desarrollaron fuelles tipo acordeón que aspiraban el aire por un lado al extenderse y lo expulsaban por el otro al apretar las asas. Finalmente, aparecieron ruedas, accionadas por animales o personas, con rudimentarios mecanismos de manivela y biela que generaban el movimiento alternativo necesario para impulsar los fuelles.

Trompeta impulsada por agua

En el siglo VIII, una pequeña forja de Cataluña, en el noreste de España, descubrió las ventajas de utilizar una tobera para insuflar aire mediante un fuelle manual sobre capas de carbón vegetal y mineral de hierro en un hogar. Esto incrementó notablemente la producción de hierro, y su uso se extendió por toda Europa durante los siguientes doscientos años. Mediante un aspirador de aire de columna de agua, conocido como trompa, la presión del aire se elevó a unos 0,1 bar (1,5 psig), lo que aceleró el proceso de fundición y aumentó aún más la producción.

Fuelles accionados por rueda hidráulica

Aunque se introdujeron pequeñas mejoras aquí y allá, el diseño básico del fuelle permaneció inalterado durante la asombrosa cifra de tres milenios. No fue hasta el siglo XVII cuando los inventores comenzaron a diseñar formas de acoplar la máquina sopladora a una rueda hidráulica. El flujo continuo de aire que proporcionaba este mecanismo hizo que las fundiciones se conocieran como altos hornos, y a partir de entonces, la tecnología comenzó a avanzar mucho más rápidamente. Cabe destacar, por supuesto, que los fuelles no han desaparecido: todavía se pueden encontrar en chimeneas, acordeones, órganos de fuelle y otros dispositivos.

Réplica de fuelles del primer alto horno norteamericano en Saugas, Massachusetts, c. 1645.

El primer alto horno operativo de Norteamérica se encontraba en Saugus, Massachusetts, en 1645. Sus dos fuelles, que se muestran en la reconstrucción de la versión original en la figura 1, eran accionados de forma alternativa por un árbol de levas conectado a una rueda hidráulica de alimentación superior. Los fuelles se desinflaban mediante las levas del eje principal y se inflaban mediante contrapesos consistentes en cajas de madera rellenas de piedras y montadas sobre dos vigas móviles que se extendían a través de orificios en el techo de la sala de fundición.

Bañeras de soplado

El desarrollo de los altos hornos generó la necesidad de una forma más potente de aire comprimido. En 1650, el físico alemán Otto von Guericke diseñó una bomba de vacío capaz de aspirar aire a través de diminutas cámaras, dejando los compartimentos libres de aire. Más de un siglo después, John Smeaton concibió una idea aún más influyente. Considerado generalmente el primer ingeniero profesional del mundo, en 1762 diseñó un nuevo tipo de soplador accionado por ruedas hidráulicas. Una manivela excéntrica en una rueda hidráulica tenía un vástago de pistón de movimiento alternativo y una cámara de soplado a cada lado. El pistón dentro de la cámara estaba sellado con cuero. Las cámaras de soplado de madera eran cuadradas o redondas y se mantenían unidas mediante aros de acero externos. Mientras un pistón ascendía para comprimir el aire en una cámara, el otro descendía en la otra. En la parte superior de cada cámara había un tubo de salida conectado a una caja de mezcla común que se mantenía siempre presurizada. La caja de mezcla suministraba aire comprimido a un conducto de aire o colector principal que conducía a las toberas del horno. Una cuba de soplado típica tenía 1829 mm (72 pulgadas) de diámetro y 1829 mm (72 pulgadas) de altura, y generaba una presión de 0,14 bar (2 psig).

Energía de vapor

En 1769, se utilizó por primera vez una máquina de vapor para impulsar tinas de soplado. En 1776, el inventor inglés John Wilkinson creó una potente unidad de soplado que sirvió como precursora de las máquinas compresoras actuales .

El desarrollo de grandes compresores de soplado con máquinas de vapor de pistón alternativo, que proporcionaban mayores volúmenes de aire de soplado a una presión significativamente superior, supuso un avance crucial en la evolución de los altos hornos de alta producción. Las primeras máquinas eran del tipo de balancín. Como se muestra en la figura 2, la biela del pistón del cilindro de vapor de la máquina de soplado Boulton y Watt, reconstruida en 1817, estaba conectada a un extremo de una viga de soporte. La biela del pistón del cilindro de soplado estaba conectada al otro extremo de la viga, y cada carrera del cilindro de vapor proporcionaba una carrera correspondiente al cilindro de soplado.

Con la expansión de la industrialización en Estados Unidos durante el siglo XIX, los altos hornos se hicieron cada vez más comunes, aumentando en número y tamaño. Varias empresas comenzaron a producir compresores de soplado . Por ejemplo, en la década de 1890, Edward P. Allis & Company fabricaba máquinas verticales con una carrera de 1524 mm (60 pulgadas), cilindros de vapor de 1067 mm (42 pulgadas) de diámetro y cilindros neumáticos de 2134 mm (84 pulgadas) de diámetro, como se muestra en la figura 3. La evolución posterior de estas enormes máquinas se tratará en el próximo número.

En la década de 1890, Edward P. Allis & Company construía motores-compresores verticales de 60 pulgadas (1524 mm) de carrera con cilindros de vapor de 42 pulgadas (1067 mm) de diámetro y cilindros de aire de 84 pulgadas (2134 mm) de diámetro.