φωτ. 1

 

Τ.61, Ιούνιος 2010  

ΜΕΡΟΣ Χ: ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΕΠΟΧΗ - ΟΡΥΧΕΙΑ & ΑΝΕΛΚΥΣΗ

Στο προηγούμενο τεύχος παρουσιάσαμε την εφεύρεση του αναβατόριου, όπως αυτό αναπόφευκτα δημιουργήθηκε, μέσα από τη βιομηχανία της υφαντουργίας. 

Αυτή η ευφυής μηχανική διάταξη έμελλε να εξοβελίσει τα ιππήλατα μάγγανα και όλα τα παρόμοια ανελκυστικά συστήματα, αφού τα πλεονεκτήματα της νέας εφεύρεσης ήταν προφανή. 

Στην παράλληλη ενότητα της νορίας, παρουσιάσαμε την ατμομηχανή του J. Watt, στο ταξίδι της για λειτουργικότητα και αποδοτικότητα. Στην ίδια υποενότητα παρουσιάσαμε τη μετεξέλιξη του υδρόμυλου και της φτερωτής του  στην (σύγχρονη) τουρμπίνα. 

Στο παρόν τεύχος, θα εστιάσουμε την προσοχή μας στις εφαρμογές της ανέλκυσης, που ξεπήδησαν μέσα από την τρομερή ανάπτυξη του έτερου τομέα–πυλώνα της βιομηχανικής επανάστασης, της μεταλλουργίας–μεταλλείας. Θέλοντας να αναφέρουμε τους λόγους (όπως κάναμε και στο προηγούμενο τεύχος με την επιλογή της υφαντουργίας) που μας ώθησαν να επιλέξουμε τα ορυχεία για να δείξουμε τις εξελίξεις της εποχής στον τομέα της ανέλκυσης, θα μπορούσαμε να γράψουμε –γι’ αυτό μόνο– πολλές σελίδες. Ας τονιστεί όμως σε αυτό το σημείο μονάχα το εξής: πως ο τομέας των ορυχείων αποτέλεσε βασική κινητήρια δύναμη της βιομηχανικής επανάστασης, αφού εξασφάλιζε τους πόρους για το παμπάλαιο ανθρώπινο όνειρο, την άφθονη ενέργεια. Και ακόμα, πως οι ακραίες συνθήκες που διαμόρφωναν οι ιδιαιτερότητες του συγκεκριμένου κλάδου δημιουργούσαν και ανάλογα ακραίες (και ταχύτατες) εξελίξεις στον τομέα της ανέλκυσης. Αξιολογώντας την ως σημαντική, ας αναφέρουμε και την εφεύρεση των συρματόσχοινων, από τη –γερμανική μάλλον– βιομηχανία μεταλλείας, τα οποία κυριολεκτικά πολλαπλασίασαν τις δυνατότητες ανέλκυσης, όπως θα δούμε και παρακάτω. 

Αν κάποιος δει το αφιέρωμα στην ιστορία της ανέλκυσης (και το ονομάσαμε έτσι αφού μία ιστορία του ανελκυστήρα θα αφορούσε, πρωτίστως και κυρίως, τους δύο τρεις τελευταίους αιώνες ενώ εμείς επεκταθήκαμε σε τρεις χιλιετίες) από τα πρώτα τεύχη, θα παρατηρήσει κάποια διαφοροποίηση. Από την συνολική θέαση των αρχικών τευχών, που περιλάμβανε αναφορές σε πάμπολους τομείς, έχουμε φθάσει στα τελευταία τεύχη σε μια πιο θεματική παρουσίαση των εξελίξεων, μέσα από την οποία θίγονται πιο διεξοδικά 2-3 μονάχα τομείς κάθε φορά. Οι λόγοι αυτής της διαφοροποίησης είναι πιστεύουμε αρκετά προφανείς, ωστόσο, δεν βλάπτει και μια δική μας αιτιολόγηση. Στην εξαιρετική ένδεια στοιχείων –ειδικά στην Ελλάδα– για την περίοδο την προβιομηχανική, δεν μπορεί κανείς να αντιτάξει την… δημιουργική φαντασία, επιχρίζοντας με παραμύθια ό,τι λείπει. Ας μην ξεχνάμε ότι η ανέλκυση, –αλλά και η μηχανολογία γενικότερα– δεν αφήνει κατάλοιπα τέτοια, ώστε να μας επιτρέπεται να ανασυστήσουμε με ακρίβεια το παρελθόν στις τεχνικές του παραμέτρους. 

Κανένα βαρούλκο δεν έχει –ούτε θα μπορούσε– σωθεί από την Αθήνα του 5ου προχριστιανικού αιώνα.

Από την άλλη πλευρά, η σύγχρονη εποχή (από το 17ο αιώνα και εδώθε) γίνεται όλο και πιο περίπλοκη. Έτσι λοιπόν, αρχίζουν οι σελίδες να μην μπορούν να τα χωρέσουν όλα. Για μια στοιχειώδη κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της ατμομηχανής χρειάζονται τουλάχιστον 500 – 1000 λέξεις… Έτσι λοιπόν, το αφιέρωμα στην ανέλκυση γίνεται όλο και πιο θεματικό, και αυτό πιστεύουμε ότι συμβάλλει στην κατανόηση όσων θέλουμε να παρουσιαστούν από τις σελίδες του. 

Θα διατηρήσουμε και σε αυτό το τεύχος την ανάπτυξη μέσω δύο ενοτήτων, της κύριας και της υποενότητας της νορίας. 

Στην κύρια ενότητα θα δούμε -μέσα από τον τομέα των ορυχείων- την εξέλιξη των ανελκυστικών διατάξεων από το κυλινδρικό τύμπανο, στο κωνικό και το σπειροειδές και στη συνέχεια, την επανάσταση της κινούσας τροχαλίας. 

Στην υποενότητα της νορίας, θα δούμε τις παράλληλες εξελίξεις στους ατμοκινητήρες που έδιναν την ενέργεια στα τεράστια τύμπανα ανέλκυσης. 

Θα χαράξουμε και σε αυτό το τεύχος μια νοητή γραμμή που θα ενώνει τις τεχνικές λύσεις από το νερόμυλο στην ατμομηχανή και από εκεί στον ηλεκτροκινητήρα, ώστε να έχουμε μια εποπτική θέα των αλλαγών, και θα αναφερθούμε γι’ άλλη μια φορά –συνοπτικά βέβαια– στην τουρμπίνα των μέσων του 19ου αιώνα. 

Όπως έχουμε παλιότερα αναφέρει, από τα τέλη του 18ου αιώνα, οι πρώτες ατμομηχανές αρχίζουν να βρίσκουν εφαρμογή στην άντληση υδάτων παραγκωνίζοντας τα αρχαϊκότερα συστήματα (κουβάς–μαγγάνι κλπ). Σύντομα όμως άρχισαν –σε συνεργασία με το παραδοσιακό τύμπανο– να δίνουν ενέργεια στους ανυψωτικούς μηχανισμούς. Κι αν η υφαντουργία γέννησε –όπως είδαμε στο τ. 60– τα πολυώροφα κτίρια και έπειτα αναπόφευκτα και το αναβατόριο, ο τομέας των μεταλλείων με τις απαιτήσεις για ολοένα και μεγαλύτερα βάθη, γέννησε θηριώδη σχοινιά και τύμπανα τεράστιας διαμέτρου, που έπρεπε να κινούνται από όλο και δυνατότερες μηχανές. 

Τη δεκαετία του 1830, το βάθος των φρεατίων (ως προς τη δυνατότητα ανέλκυσης του μεταλλεύματος) έγινε δυνατό να ξεπεράσει τα 400 μέτρα! Το παραπάνω επίτευγμα (στην περιοχή Oberharz, της Γερμανίας) δεν θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί ούτε με τις αλυσίδες, αλλά ούτε και με τα γνωστά –παλαιόθεν– σχοινιά από τζίβα. Οι αλυσίδες ήταν εξαιρετικά βαριές για τέτοια μήκη ενώ και η τζίβα παρουσίαζε αυξημένο βάρος αλλά και μεγάλη ευπάθεια, ειδικά στο υγρό περιβάλλον των φρεατίων. Πιθανά λοιπόν, κάποιος ονόματι Albert – στέλεχος της βιομηχανίας των μεταλλείων–, εφεύρε γύρω στο 1830 τη συρμάτινη πλέξη, κατασκευάζοντας τα συρματόσχοινα. 

Η εφεύρεση του συρματόσχοινου καθιερώθηκε ταχύτατα, αφού επέκτεινε... σχεδόν στο άπειρο την παραγωγικότητα κάθε ανελκυστικής εγκατάστασης. Το βάρος των νέων συρμάτινων σχοινιών ήτανε στο 30% των σχοινιών από τζίβα· η δε διάρκεια της ζωής τους ήταν τετραπλασιασμένη σε υγρό περιβάλλον!

Το μόνο που ζητούσαν, ήταν ο περιορισμός των καμπτικών καταπονήσεων, κατά την τύλιξη και την εκτύλιξή τους στα τύμπανα. 

Λύση γι’ αυτό, η αύξηση της διαμέτρου των τυμπάνων–συναρτώμενα βέβαια με το πάχος των σχοινιών. (Η φυσική σχέση προσδιορίζει 100πλάσια διάμετρο τυμπάνου, σε σχέση με τη διάμετρο του σχοινιού). Όπως αναφέρθηκε, στα μέσα περίπου του 19ου αιώνα, το βάθος των φρεατίων ξεπερνούσε τα 300 και τα 400 μέτρα. Ολοένα λοιπόν αυξανόταν και το βάρος των σχοινιών, και συνακόλουθα αυξανόταν και η κωνικότητα των τυμπάνων, ώστε αναλόγως του βάθους, να εξισορροπείται το βάρος των συρματόσχοινων.

Η αιτία της χρήσης κωνικών τυμπάνων γίνεται κατανοητή από την εξίσωση του στατικού φορτίου ροπών: «Με κάποιες απλουστευτικές παραδοχές αυτό έχει, για την ανύψωση ενός φορτίου, τη μορφή του γινομένου της ακτίνας τού τυμπάνου (R) και του αθροίσματος των βαρών, δηλαδή του ωφέλιμου βάρους [= βάρος του φορτίου και του κλωβού] (Gn), του φερόμενου βάρους της τροχαλίας (Gf), και του ίδιου βάρους του σκοινιού (Gs), επομένως: Μst= R Χ (Gn + Gf + Gs). Σε ένα τύμπανο κυλινδρικής διατομής όλα αυτά τα μεγέθη είναι σταθερά, με εξαίρεση το ίδιο βάρος του σκοινιού, το οποίο μεταβάλλεται, γραμμικά αυξανόμενο, σε συνάρτηση προς το βάθος. Προκύπτει επομένως ότι η ροπή στρέψης που οφείλει να παρέχει η ανυψωτική μηχανή στο κυλινδρικό τύμπανο μεγιστοποιείται, λόγω του ίδιου βάρους του σκοινιού, όταν το φορτίο βρίσκεται στον πυθμένα του φρεατίου. Αντίστροφα, ελαττώνεται καθώς αυτό ανελκύεται και ελαχιστοποιείται όταν το φορτίο φτάσει στο σημείο ανάρτησης της τροχαλίας.

Επειδή όμως η ισχύς της προωθητικής μηχανής καθορίζεται από τη μέγιστη απαίτηση σε ροπή, είναι ιδιαίτερα σημαντικό η τελευταία να είναι κατά το δυνατόν μικρότερη, όταν το ωφέλιμο φορτίο βρίσκεται στο μέγιστο βάθος. Απαιτείται ακόμη, για τον καλύτερο χειρισμό και έλεγχο της ατμομηχανής, η ροπή να μεταβάλλεται το λιγότερο δυνατόν κατά τη διάρκεια της ανύψωσης του φορτίου. Ένα τέτοιο, σταθερό, στατικό φορτίο ροπών είναι επιτεύξιμο, εφόσον η ακτίνα του τυμπάνου αυξάνεται ανάλογα με τη μείωση του μήκους του σκοινιού, καθώς το ωφέλιμο φορτίο ανυψώνεται. Προκύπτει έτσι ως αναγκαίο ένα κωνικό τύμπανο, η μικρή ακτίνα του οποίου αντιστοιχεί στο μήκος του μοχλοβραχίονα για την ανύψωση τού ωφέλιμου φορτίου, όταν αυτό βρίσκεται στον πυθμένα του φρεατίου. Η μεγάλη ακτίνα του τυμπάνου αντιστοιχεί στο μήκος του μοχλοβραχίονα της διάταξης, όταν το ωφέλιμο φορτίο έχει φτάσει στο υψηλότερο σημείο ανέλκυσής του. Με βάση αυτές τις παρατηρήσεις είναι εύλογο ότι η κωνικότητα του τυμπάνου πρέπει να είναι μεγαλύτερη, όσο βαρύτερο είναι το σκοινί ανά τρέχον μέτρο του μήκους του (όσο πιο χοντρό και στριμμένο είναι) και, κατά συνέπεια, όσο πιο μεγάλο είναι το βάθος και το ωφέλιμο φορτίο».

Ο φαύλος κύκλος όμως των λύσεων και των αδιεξόδων, έκανε κι εδώ φυσικά την εμφάνισή του, αφού πέρα από κάποιο βάθος, το βάρος των σχοινιών δεν μπορούσε πια να εξισορροπηθεί, εκτός κι αν δημιουργούνταν ένα τύμπανο σπειροειδές με διάμετρο 12 – 13 μέτρα (ή και μεγαλύτερη) και με μεταλλικές αύλακες στις οποίες θα τυλίγονταν τα συρματόσχοινα. Τέτοιες θηριώδεις διατάξεις λειτουργούσαν το 1850 στα ορυχεία της Γερμανίας, δίνοντας εξαιρετική ομοιομορφία κίνησης (λόγω της διαμέτρου του τυμπάνου), προσφέροντας επίσης όμως πολύ μικρή ταχύτητα ανέλκυσης, αφού η κατασκευή των μηχανικών διατάξεων που θα λειτουργούσαν ως φρένα γι’ αυτές τις τεράστιες περιστρεφόμενες μάζες, αποτελούσε πρόβλημα δυσεπίλυτο και κοστοβόρο. 

Βαδίζοντας προς τη δεκαετία του 1870 περίπου, το βάθος των φρεατίων θα ξεπεράσει σταδιακά τα 500 μέτρα! Στην επόμενη ενότητα θα εξετάσουμε κάποιες από τις εξελίξεις των κινητήριων μονάδων που ήταν υπεύθυνες για το παραπάνω επίτευγμα. Ωστόσο, εξίσου θαυμαστά είναι και τα παρελκόμενα των ανελκυστικών διατάξεων. Αντικρίζοντας κανείς το θηριώδες τύμπανο της φωτογραφίας (φωτ. 1) θα νιώσει σίγουρα δέος όταν αναλογιστεί και τον ήχο μονάχα της λειτουργίας του, καθώς ανελκύονται ένας ή δύο τόνοι φορτίου, από το ασύλληπτο βάθος των 500 ή και παραπάνω μέτρων. Ωστόσο –και πέρα από το εντυπωσιακό του θεάματος– οι διαστάσεις όλων των μερών έπρεπε δραστικά να μειωθούν, ώστε να καταστεί η όλη εγκατάσταση περισσότερο λειτουργική και αποδοτικότερη…

Κάπως έτσι φτάνουμε σε μια από τις ακμαιότερες βιομηχανικές εγκαταστάσεις του προηγούμενο αιώνα,  το ορυχείο Hannover, στο Bochum της Γερμανίας 

Στο Hordel, το μικρό προάστιο του Bochum της Γερμανίας, στην οδό Hannover, όπου βρισκόταν το ορυχείο, συνέβησαν μερικές από τις σπουδαιότερες τεχνικές εξελίξεις, που διαμόρφωσαν τον κλάδο της ανέλκυσης. Πίσω από τα καφεκόκκινα τούβλα αυτού του συγκροτήματος εφαρμόστηκε πρώτη φορά το 1878, η «ανέλκυση Koepe». Εδώ επίσης, 10 χρόνια μετά, τοποθετήθηκε η πρώτη ανελκυστική μηχανή πύργου στον κόσμο. Τέλος, στον ίδιο χώρο –μετά τον δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο– πραγματοποιήθηκε, για πρώτη φορά, ανέλκυση με σύστημα τεσσάρων σχοινιών. 

Ο Carl Friedrich Κοepe λοιπόν –τεχνικός διευθυντής του ορυχείου Hannover– έπρεπε να αυξήσει το βάθος του φρεατίου των ορυχείων. Όμως τα διαθέσιμα μέσα ανύψωσης με τύμπανα, δεν έδιναν τη δυνατότητα για ανέλκυση μεγαλύτερου βάθους, εντός λογικού κόστους. Ο δαιμόνιος μηχανικός πρότεινε την αντικατάσταση των τυμπάνων από μια κινούσα τροχαλία, που θα τοποθετούνταν σε έναν πυργίσκο του ορυχείου (φωτ. 2- δες παρακάτω). Η δεξιόστροφη ή αριστερόστροφη κίνηση της τροχαλίας –από την ατμομηχανή– θα ανύψωνε τον αριστερό κλωβό (κατεβάζοντας τον δεξιό) ή θα κατέβαζε τον δεξιό κλωβό (ανυψώνοντας τον αριστερό), στο φρεάτιο. Κι όχι μόνο αυτό, αλλά η πρόταση περιείχε και δεύτερο σκέλος· για να αποφευχθεί ένα επιπλέον μηχανοστάσιο, ο Koepe πρότεινε την τοποθέτηση της ατμομηχανής και της τροχαλίας σε έναν πύργο, πάνω από το φρεάτιο, προτείνοντας έτσι με αυτόν τον τρόπο, την κατασκευή του πρώτου στον κόσμο, πύργου ανέλκυσης (φωτ. 3- δες παρακάτω). 

Οι προτάσεις του –λόγω επικινδυνότητας(!)– έγιναν σταδιακά (και με δυσκολία) αποδεκτές από τους αρμόδιους. Διαμόρφωσαν όμως έκτοτε, την τυπολογία των ανελκυστικών διατάξεων, έτσι περίπου όπως και σήμερα τη γνωρίζουμε. 

Η περιγραφή της «ανέλκυσης Koepe», και των πύργων ανέλκυσης, θα ολοκληρωθεί στο επόμενο τεύχος.