Les fondements de la compression : l’évolution des compresseurs d’air

Depuis ses origines jusqu'à la fin du XVIIIe siècle, la compression d'air a surtout servi à la fusion des métaux . Mais un autre besoin ancien des souffleurs était la ventilation des mines souterraines, importantes sources de minerais métalliques et de charbon nécessaires à la fusion.

L'exploitation minière souterraine a une très longue histoire, remontant à des milliers d'années. L'un des premiers exemples remonte à la Chine antique, où le charbon était extrait de mines à puits pour être utilisé dans la métallurgie. On sait que les mineurs européens creusaient des tunnels à la recherche de silex dès 4000 avant J.-C. et tout au long du Néolithique.

Dès le premier siècle, des paysans et des ouvriers non qualifiés exploitaient les mines à la lueur des torches, dans des conditions que nous jugerions aujourd'hui dangereuses et barbares. Ils allumaient des feux de branchages à l'intérieur des mines, ce qui favorisait la circulation de l'air de la surface vers le fond des galeries. Cette technique fut redécouverte par les Grecs et les Romains du Moyen Âge, en Grande-Bretagne et ailleurs, dans leur quête de métaux tels que le cuivre, le nickel, l'étain et le fer. Elle fut largement utilisée en Grande-Bretagne durant la révolution industrielle, parallèlement à la modernisation des puits de ventilation.

L'air stagnait dans les mines de charbon profondes, ce qui engendrait une pollution extrême, voire toxique. À la fin du XIXe siècle, on utilisait des canaris en cage pour détecter l'accumulation de gaz dangereux comme le méthane et le dioxyde de carbone. Lorsque les oiseaux cessaient de chanter et commençaient à montrer des signes de faiblesse ou d'essoufflement, c'était le signal d'évacuation pour les mineurs.

Les premières méthodes de ventilation reposaient sur la ventilation naturelle par des galeries et des puits, seuls points d'entrée, d'accès et d'extraction du minerai. De courts tunnels latéraux, appelés galeries transversales, reliaient les galeries principales et servaient également à la ventilation. Le chauffage de l'air de la mine par le feu le faisait monter dans les galeries, tout en aspirant simultanément de l'air frais par d'autres galeries plus éloignées. La capacité de ventilation était limitée et nécessitait d'énormes quantités de combustible.

Ventilation forcée des mines

On trouve des traces de l'utilisation, dès le XVIe siècle, de divers dispositifs pour améliorer la ventilation des mines : soufflets, ventilateurs oscillants, toiles de lin et voiles d'aération. Avec l'avènement des machines à vapeur au XVIIIe siècle, on commença à utiliser des soufflets et des cuves de soufflage rudimentaires. Au XIXe siècle, on employa des compresseurs à vapeur à balancier alternatif de plus grande taille .

Dans les années 1870, des versions de grande taille des ventilateurs de la Roots Blower Company furent utilisées pour la ventilation des mines, notamment plusieurs dans les mines du gisement de Comstock dès 1870. Deux des plus grands ventilateurs jamais construits furent installés dans une mine anglaise en 1877, brassant 5 663 m³/min d'air. Chaque turbine mesurait 4 m de large et 7,6 m de diamètre.

Vers la fin du XIXe siècle, des ventilateurs rudimentaires, tels que celui illustré sur la figure 1, commencèrent à apparaître pour la ventilation des mines. Au début du XXe siècle, les techniques de ventilation comprenaient l'utilisation de souffleurs ou de ventilateurs centrifuges ou à hélice basse pression, placés à l'entrée du tunnel et reliés à un réseau de canalisations.

Les progrès technologiques libèrent le potentiel de l'air comprimé

La première utilisation d'un compresseur d'air à des fins autres que la fusion des métaux et les hauts fourneaux remonte à 1762, lorsqu'un « cylindre de soufflage » actionné par une roue à eau produisait une pression impressionnante de 14 psi (1 bar). Les premiers compresseurs d'air industriels fonctionnaient à la vapeur. Ces appareils furent utilisés lors des premières grandes missions sous-marines, où l'air était pompé jusqu'au plongeur.

Au début du XIXe siècle, les ingénieurs utilisaient des compresseurs d'air pour le transport d'énergie . Dans les années 1820, une usine galloise fonctionnant à l'air comprimé fut construite. Il devint alors évident que l'air comprimé était supérieur à la vapeur comme source d'énergie pour les machines lourdes.

Le véritable potentiel de l'air comprimé comme source d'énergie ou de force motrice s'est révélé dans la seconde moitié du XIXe siècle. À titre d'exemple, l'une des applications les plus spectaculaires des surpresseurs Roots fut celle du métro new-yorkais construit en 1867. Ce surpresseur imposant, doté d'une enveloppe en fer de 6,6 m de haut et de turbines de 4,9 m de long, nécessitait cinq wagons pour son transport. À 60 tours par minute, il produisait un débit d'air de 2 832 m³/min qui propulsait littéralement un wagon de 22 places sur les rails, dans un sens à travers le tunnel du métro, avant de l'aspirer en sens inverse.

Le premier grand chantier de construction utilisant la technologie de l'air comprimé fut le tunnel ferroviaire du Fréjus. En 1857, les ouvriers commencèrent à creuser manuellement ce tunnel de 13 kilomètres reliant l'Italie et la France à travers le mont Cenis, dans les Alpes européennes. La progression était lente, avec une moyenne d'environ 229 mm par jour, et l'on prévoyait une trentaine d'années pour son achèvement. Quatre ans après le début du projet, l'air comprimé fut introduit dans le processus de forage. Les équipes de construction et de minage des deux pays utilisèrent des perforatrices pneumatiques, ainsi que des compresseurs à eau pour refroidir l'air à l'intérieur des tunnels à mesure que les mineurs creusaient. Grâce à l'utilisation d'outils à air comprimé, le tunnel fut achevé en 1870, soit quatorze ans plus tard.

Avec le remplacement des perforatrices à vapeur par des perforatrices pneumatiques plus performantes, les compresseurs d'air à piston se sont rapidement développés. Aux États-Unis, la Rand & Waring Drill and Compressor Company a commercialisé le premier compresseur d'air Rand destiné à alimenter les perforatrices en 1872. John Waring avait inventé un système de circulation d'eau autour des parois et des extrémités des cylindres du compresseur. Il s'agissait d'une avancée majeure par rapport à la simple pulvérisation d'eau à l'intérieur du cylindre pour le refroidissement.

À peu près à la même époque, Simon Ingersoll fonda l'Ingersoll Rock Drill Company pour fabriquer sa perforatrice à vapeur brevetée. Henry Sargeant, un artisan local qualifié, perfectionna le modèle d'Ingersoll et convainquit son patron de racheter l'entreprise et les brevets. Sargeant devint le premier président de l'Ingersoll Rock Drill Company et poursuivit les travaux de recherche et de développement sur les compresseurs d'air alternatifs et les perforatrices, déposant 61 brevets au cours de sa vie.

Presque tous les compresseurs d'air de cette époque étaient entraînés par des machines à vapeur . Bien qu'il existât des machines verticales, horizontales et angulaires, les compresseurs à moteur horizontal étaient les plus courants, comme le compresseur à moteur linéaire Ingersoll-Sargeant illustré à la figure 2. Cette série Ingersoll-Sargeant fut lancée en 1878 et resta en production pendant plus de deux décennies, jusqu'au début du XXe siècle.

Le prochain numéro poursuivra l'étude de l'évolution rapide des compresseurs d'air horizontaux qui ont soutenu la révolution industrielle.