I pilastri della compressione: l'evoluzione dei compressori d'aria

Dalle sue origini fino alla fine del XVIII secolo, la compressione dell'aria è stata utilizzata principalmente per la fusione dei metalli . Ma un'altra esigenza iniziale delle macchine soffiatrici fu la ventilazione delle miniere sotterranee, importanti fonti di minerali metallici e carbone necessari per la fusione.

L'attività mineraria sotterranea ha una storia molto lunga, che risale a migliaia di anni fa. Uno dei primi esempi di attività mineraria sotterranea risale all'antica Cina, dove il carbone veniva estratto da miniere a pozzo per essere utilizzato nella lavorazione dei metalli. È noto che i minatori europei scavarono gallerie alla ricerca di selce fin dal 4000 a.C. e per tutto il Neolitico.

Già nel I secolo, contadini e operai non qualificati scavavano alla luce delle torce in condizioni che oggi sarebbero considerate pericolose e barbariche. Accendevano fuochi di sterpaglie all'interno delle miniere, favorendo il flusso d'aria dalla superficie verso i pozzi. Questa tecnica fu riscoperta dai Greci e dai Romani medievali in Gran Bretagna e altrove, alla ricerca di metalli come rame, nichel, stagno e ferro. Fu ampiamente utilizzata in Gran Bretagna durante la rivoluzione industriale, insieme a condotti di ventilazione sempre più sofisticati.

L'aria nelle miniere di carbone profonde era stagnante, il che la rendeva terribilmente inquinata e talvolta tossica. Alla fine del XIX secolo, i canarini in gabbia venivano utilizzati per rilevare l'accumulo di gas pericolosi come metano e anidride carbonica nelle miniere. Quando gli uccelli smettevano di cantare e iniziavano a mostrare segni di debolezza o mancanza di respiro, era il segnale che i minatori dovevano evacuare.

I primi metodi di ventilazione si basavano sulla ventilazione naturale attraverso cunicoli e pozzi, che costituivano l'unica fonte di ingresso, accesso e rimozione del minerale. Brevi gallerie laterali, note come "crosscut", collegavano le principali gallerie di lavoro e venivano utilizzate anche per la ventilazione. Riscaldando l'aria della miniera con il fuoco, la si faceva salire nei cunicoli, aspirando contemporaneamente aria fresca attraverso altri canali più distanti. La capacità di ventilazione era limitata e richiedeva enormi quantità di combustibile.

Ventilazione forzata della miniera

Esistono testimonianze di dispositivi denominati soffietti, ventilatori oscillanti, tele di lino e vele eoliche a testa d'albero, utilizzati in vari modi per migliorare la ventilazione delle miniere già a partire dal XVI secolo. Con l'avvento delle macchine a vapore nel XVIII secolo, si iniziarono a utilizzare soffietti e vasche di soffiaggio per il greggio. Entro il XIX secolo, vennero utilizzati compressori a vapore alternativi a bilanciere più grandi .

Negli anni '70 del XIX secolo, versioni più grandi dei soffiatori della Roots Blower Company furono utilizzate per la ventilazione delle miniere, tra cui diverse nelle miniere del Comstock Lode entro il 1870. Due dei soffiatori più grandi mai realizzati furono installati in una miniera in Inghilterra nel 1877, spostando 200.000 piedi cubi al minuto (5663 m³/min) di aria. Ogni girante era larga 13 piedi (4 m) e aveva un diametro di 25 piedi (7,6 m).

Verso la fine del XIX secolo, iniziarono ad apparire ventilatori primitivi, come quello mostrato in Fig. 1, per la ventilazione delle miniere. Le tecniche di ventilazione dei primi anni del XX secolo includevano l'uso di soffianti o ventilatori centrifughi o elicoidali a bassa pressione, situati all'imbocco della galleria e collegati a un sistema di tubazioni.

Il progresso tecnologico libera il potenziale dell'aria pressurizzata

Il primo esempio di compressore d'aria utilizzato per scopi diversi da fonderie e altiforni risale al 1762, quando un "cilindro di soffiaggio" azionato da una ruota idraulica produsse la straordinaria pressione di 14 psi (1 bar). I primi compressori d'aria industriali erano alimentati a vapore. Questi dispositivi furono utilizzati in alcune delle prime grandi missioni subacquee, in cui l'aria veniva pompata al sommozzatore.

All'alba del XIX secolo, gli ingegneri utilizzavano i compressori d'aria per la trasmissione di energia . Gli anni '20 dell'Ottocento videro la costruzione di un impianto gallese che utilizzava aria compressa. Divenne evidente che l'aria compressa era migliore del vapore come fonte di energia per macchinari pesanti.

Il vero potenziale dell'aria compressa come fonte di energia o di forza motrice emerse nella seconda metà del XIX secolo. Ad esempio, uno degli utilizzi più spettacolari dei soffiatori Roots fu nella metropolitana sotterranea costruita a New York City nel 1867. Il grande soffiatore aveva un guscio di ferro alto 6,6 m con giranti lunghe 4,9 m, e richiedeva cinque vagoni ferroviari per il trasporto. A 60 giri al minuto, produceva 2832 m³/min di aria che letteralmente soffiavano una carrozza passeggeri da 22 posti sui binari in una direzione attraverso il tunnel della metropolitana, per poi risucchiarla di nuovo.

Il primo grande progetto di costruzione alimentato dalla tecnologia ad aria compressa fu il traforo ferroviario del Fréjus. Nel 1857, gli operai iniziarono a perforare a mano questo tunnel lungo 13 km che collegava l'Italia e la Francia attraverso il Monte Cenis, nelle Alpi europee. I lavori procedettero lentamente, con una media di circa 229 mm al giorno, e si prevedeva che sarebbero stati necessari circa 30 anni per il completamento. Quattro anni dopo l'inizio del progetto, l'aria compressa fu introdotta nel processo di perforazione. Squadre di costruzione e minerarie di entrambi i paesi utilizzarono trapani pneumatici, insieme a compressori a umido utilizzati per raffreddare l'aria all'interno delle gallerie mentre i minatori si facevano strada più in profondità nella roccia. Grazie all'utilizzo di utensili ad aria compressa, il tunnel fu completato nel 1870, con un totale di 14 anni di lavoro.

Con il passaggio dalle perforatrici a vapore alle più efficienti perforatrici ad aria compressa, i compressori d'aria alternativi si evolsero rapidamente. Negli Stati Uniti, la Rand & Waring Drill and Compressor Company introdusse il primo compressore d'aria Rand per alimentare le perforatrici nel 1872. John Waring aveva inventato un modo per far circolare l'acqua lungo i lati e le estremità dei cilindri del compressore d'aria. Si trattava di un importante progresso rispetto al semplice spruzzo d'acqua nel cilindro per il raffreddamento.

Più o meno nello stesso periodo, Simon Ingersoll fondò la Ingersoll Rock Drill Company per produrre la sua perforatrice a vapore brevettata. Henry Sargeant, un abile artigiano locale, migliorò il progetto di Ingersoll e convinse il suo capo ad acquistare l'azienda e i brevetti di Ingersoll. Sargeant divenne il primo presidente della Ingersoll Rock Drill Company e continuò la ricerca e lo sviluppo di compressori d'aria alternativi e perforatrici, vantando ben 61 brevetti nel corso della sua vita.

Quasi tutti i compressori d'aria di questo periodo erano azionati da motori a vapore . Sebbene esistessero macchine verticali, orizzontali e angolari, i motori-compressori orizzontali erano la configurazione più comune, come il motore-compressore a linea retta Ingersoll-Sargeant mostrato in Fig. 2. Questa serie Ingersoll-Sargeant fu introdotta nel 1878 e durò oltre due decenni, fino ai primi anni del 1900.

Il prossimo numero proseguirà la rapida evoluzione dei compressori d'aria orizzontali che hanno sostenuto la rivoluzione industriale.