Pilares de la compresión: La evolución de los compresores de aire

Desde sus orígenes hasta finales del siglo XVIII, la compresión de aire se utilizó principalmente para la fundición de metales . Pero otra necesidad temprana de las máquinas de soplado fue la ventilación de las minas subterráneas, que eran importantes fuentes de los minerales metálicos y el carbón necesarios para la fundición.

La minería subterránea tiene una larga historia, que se remonta a miles de años. Uno de los primeros ejemplos se encuentra en la antigua China, donde se extraía carbón de minas de pozo para su uso en la metalurgia. Se sabe que los mineros europeos excavaban túneles en busca de sílex desde el año 4000 a. C. y durante todo el Neolítico.

Ya en el siglo I, campesinos y obreros sin formación extraían minerales a la luz de antorchas en condiciones que hoy se considerarían peligrosas y bárbaras. Encendían hogueras de leña dentro de las minas, lo que favorecía la circulación de aire desde la superficie hacia los pozos. Esta técnica fue redescubierta por los griegos y romanos medievales en Gran Bretaña y otros lugares en su búsqueda de metales como el cobre, el níquel, el estaño y el hierro. Se utilizó ampliamente en Gran Bretaña durante la Revolución Industrial, junto con sistemas de ventilación cada vez más sofisticados.

El aire en las minas de carbón profundas era viciado, lo que resultaba en un ambiente terriblemente contaminado y, a veces, tóxico. A finales del siglo XIX, se utilizaban canarios en jaulas para detectar la acumulación de gases peligrosos como el metano y el dióxido de carbono en las minas. Cuando los pájaros dejaban de cantar y comenzaban a mostrar signos de agotamiento o dificultad para respirar, era señal para que los mineros evacuaran.

Los primeros métodos de ventilación dependían de la ventilación natural a través de galerías y pozos, que eran la única vía de entrada, acceso y extracción del mineral. Unos túneles laterales cortos, conocidos como galerías transversales, conectaban los túneles principales de explotación y también se utilizaban para la ventilación. Al calentar el aire de la mina con fuego, este ascendía por los conductos, mientras que, simultáneamente, se aspiraba aire fresco a través de otros conductos más alejados. La capacidad de ventilación era limitada y requería enormes cantidades de combustible.

Ventilación forzada de minas

Existen registros del uso de dispositivos como fuelles, ventiladores oscilantes, telas de lino y velas de viento en la cabeza del pozo para mejorar la ventilación de las minas ya en el siglo XVI. Con la llegada de las máquinas de vapor en el siglo XVIII, se empezaron a utilizar fuelles y rudimentarios sopladores para la ventilación de las minas. En el siglo XIX, se emplearon compresores de vapor de mayor tamaño, de tipo balancín alternativo .

En la década de 1870, se empezaron a utilizar versiones de gran tamaño de los sopladores de la Roots Blower Company para la ventilación de minas, incluyendo varios en las minas del filón Comstock hacia 1870. Dos de los sopladores más grandes jamás fabricados se instalaron en una mina en Inglaterra en 1877, moviendo 5663 m³/min (200 000 ft³/min) de aire. Cada impulsor tenía 4 m (13 ft) de ancho y un diámetro de 7,6 m (25 ft).

Hacia finales del siglo XIX, comenzaron a aparecer ventiladores primitivos, como el que se muestra en la figura 1, para la ventilación de minas. A principios del siglo XX, las técnicas de ventilación incluían el uso de sopladores o ventiladores centrífugos o de hélice de baja presión, situados en la boca del túnel y conectados a un sistema de tuberías.

El avance tecnológico libera el potencial del aire comprimido.

El primer compresor de aire utilizado para algo distinto a la fundición y los altos hornos data de 1762, cuando un cilindro soplador accionado por una rueda hidráulica produjo una impresionante presión de 14 psi (1 bar). Los primeros compresores de aire industriales funcionaban con vapor. Estos dispositivos se emplearon en algunas de las primeras grandes misiones submarinas, en las que se bombeaba aire al buzo.

A principios del siglo XIX, los ingenieros ya utilizaban compresores de aire para la transmisión de energía . En la década de 1820 se construyó una planta en Gales que utilizaba aire comprimido. Pronto se hizo evidente que el aire comprimido era mejor que el vapor como fuente de energía para maquinaria pesada.

El verdadero potencial del aire comprimido como fuente de energía o fuerza motriz surgió en la segunda mitad del siglo XIX. Por ejemplo, uno de los usos más espectaculares de los sopladores Roots se dio en el metro de Nueva York, construido en 1867. El enorme soplador tenía una carcasa de hierro de 6,6 m de altura con impulsores de 4,9 m de longitud, lo que requirió cinco vagones de ferrocarril para su transporte. A 60 rpm, producía 2832 m³/min de aire que, literalmente, impulsaba un vagón de pasajeros de 22 plazas sobre las vías en una dirección a través del túnel del metro, para luego aspirarlo de vuelta.

El primer gran proyecto de construcción impulsado por tecnología de aire comprimido fue el túnel ferroviario de Fréjus. En 1857, los trabajadores comenzaron a perforar este túnel de ocho millas (13 km) que unía Italia y Francia a través del monte Cenis, en los Alpes europeos... a mano. El avance fue lento, con un promedio de 229 mm (9 pulgadas) diarios, y se preveía que su finalización tomaría unos 30 años. Cuatro años después del inicio del proyecto, se introdujo el aire comprimido en el proceso de perforación. Los equipos de construcción y minería de ambos países utilizaron taladros neumáticos, junto con compresores de agua para enfriar el aire dentro de los túneles a medida que los mineros avanzaban en la roca. Gracias al uso de herramientas neumáticas, el túnel se completó en 1870, tras un total de 14 años.

Con la sustitución de las perforadoras neumáticas por perforadoras de vapor más eficientes, los compresores de aire de pistón evolucionaron rápidamente. En Estados Unidos, la compañía Rand & Waring Drill and Compressor presentó el primer compresor de aire Rand para perforadoras en 1872. John Waring había inventado un sistema para hacer circular agua por los laterales y extremos de los cilindros del compresor. Esto representó un avance importante con respecto a la simple pulverización de agua en el cilindro para su refrigeración.

Casi al mismo tiempo, Simon Ingersoll fundó la Ingersoll Rock Drill Company para fabricar su perforadora de roca patentada, accionada por vapor. Henry Sargeant, un hábil artesano local, perfeccionó el diseño de Ingersoll y convenció a su jefe de comprar la empresa y sus patentes. Sargeant se convirtió en el primer presidente de la Ingersoll Rock Drill Company y continuó la investigación y el desarrollo de compresores de aire alternativos y perforadoras de roca, obteniendo 61 patentes a lo largo de su vida.

Casi todos los compresores de aire de este período funcionaban con máquinas de vapor . Si bien existían máquinas verticales, horizontales y angulares, los compresores-motor horizontales eran la configuración más común, como el compresor-motor lineal Ingersoll-Sargeant que se muestra en la figura 2. Esta serie Ingersoll-Sargeant se introdujo en 1878 y se mantuvo en producción durante más de dos décadas, hasta principios del siglo XX.

El próximo número continuará la rápida evolución de los compresores de aire horizontales que impulsaron la revolución industrial.