STEP #22 "Ri-scaldare" un'invenzione futura

"ElastiCool" : la fibra adatta ad ogni stagione.

In questa nostra lunga indagine abbiamo avuto modo di vedere in quanti modi il verbo/azione "Ri-scaldare" è stato declinato e secondo quali aspetti è diventato oggetto di studio di grandi personaggi quali Benjamin Franklin, James Watt, James P. Joule,  Percy Spencer, e molti altri che hanno di fatto contribuito allo sviluppo e al progresso concedendoci oggi di avere le comodità di cui disponiamo; grazie a loro, senza voler sminuire l'immenso lavoro che sussiste, nel quotidiano abbiamo la possibilità di riscaldare le nostre case grazie all'energia elettrica o ancora riusciamo a riscaldare o persino cucinare i nostri cibi in pochi secondi. Così sulla stessa scia, con la volontà di trarre ispirazione dallo spiccato ingegno di questi uomini, fantasticando su ciò che ancora si può migliorare e ottenere ,declinando nuovamente il verbo "Ri-scaldare", è nata l''idea di " ElastiCool: la fibra adatta a ogni stagione ".

Di cosa si tratta ?

Partendo dal principio per cui quasi tutti i materiali se riscaldati aumentano di volume mentre se raffreddati tendono a contrarsi mantenendo però in entrambi le due circostanze invariata la massa si suppone la possibilità di realizzare una fibra costituita da un materiale altamente sensibile alle variazioni di temperatura esterna. Questa sua caratteristica intrinseca renderebbe tale fibra adatta alla realizzazione di capi d'abbigliamento in grado di adattarsi a condizioni di caldo e di freddo semplicemente aumentando o diminuendo di volume e conseguentemente essere in grado di apportare più o meno calore a chi li indossa a seconda delle condizioni meteorologiche.

Quali sono i requisiti da soddisfare?

Perchè ciò sia possibile è necessario dunque che il materiale in questione abbia un coefficiente di dilatazione termica molto alto, in modo tale da potersi espandere o contrarre in modo considerevole, ma allo stesso tempo è indispensabile che sia molto resistente agli stress termici, di modo che pur subendo variazioni volumetriche importanti non si deformi plasticamente ne giunga a rottura.

Perchè un giorno potrebbe parlarsene in quanto innovazione?

Pensando alla vita di tutti giorni il principale vantaggio di indumenti fatti in fibra "ElastiCool" sarebbe quello di poter indossare indipendentemente dalle stagioni i capi che più si preferiscono, risolvendo il problemi delle mezze stagioni, durante le quali frequenti sono le repentine variazioni di temperatura.Allo stesso modo, senza rinunciare al giusto apporto di calore, nei freddi mesi invernali si annullerebbe il problema associato all'escursione termiche cui siamo sempre soggetti passando da un ambiente chiuso e riscaldato ad un ambiente esterno. 

E poi chissà un giorno infinite potrebbero essere le applicazioni di questa nuova fibra!

STEP #14 "Ri-scaldare" nel Ottocento

L'invenzione del Calorifero

Definendo un evento come un fatto che si è verificato e che ha agito in modo determinante su una situazione e quindi un fatto che per tale ragione risulta essere degno di nota, nell'indagine che vede sempre come protagonista il verbo/azione "Ri-scaldare" è lecito, nella volontà di identificare gli eventi della storia tecnologica che lo coinvolgono, parlare dell'invenzione del Calorifero.

Anche conosciuto sotto il nome di radiatore o termosifone l'invenzione di questo sistema di riscaldamento può essere considerato a tutti gli effetti un evento di enorme rilevanza perchè primo esemplare dei più moderni sistemi di riscaldamento.

La storia de radiatori in ghisa può essere fatta risalire già intorno al XVIII secolo ma fu durante il XIX che si può apprezzare grazie al contributo di diverse importanti figure un evoluzione sostanziale di questo prodotto [1]

Andando per gradi il primo grande passo fu compiuto da Angier Marsh Perkins, inventore e ingegnerie, che riconoscendo gli enormi svantaggi degli allora attuali sistemi di riscaldamento, nel 1831 progettò un sistema di riscaldamento che prevedeva l'uso di acqua calda ad alta pressione.

Il principio di funzionamento del "Apparatus for heating air in Buildings", questo il nome del brevetto ottenuto in Gran Bretagna, era semplice:  attraverso un tubo di ferro battuto di piccolo diametro ma con pareti spesse per il 15% della sua lunghezza totale arrotolato all'interno di una fornace di mattoni,  veniva fatta passare l'acqua che una colta riscaldata nelle serpentine del tubo era poi fatta circolare verso le serpentine dei riscaldatori di tubi o battiscopa, collocati nelle stanze da riscaldare. 

Sistema di Riscaldamento Perkins.

Per poter sfruttare la gravità come mezzo di circolazione dell'acqua ogni circuito doveva essere dotato di un tubo di espansione che veniva montato nel punto più alto del sistema. Questi vasi di espansione infatti permettevano all'acqua riscaldata di espandersi dal basso nel recipiente e di comprimere l'aria all'interno dello stesso, esercitando così una pressione artificiale sull'acqua [2].

Sistema di riscaldamento Perkins (HPHW) .

Il vero problema legato a questo prima sistema stava nel fatto che il funzionamento era garantito ad elevate pressioni dell'acqua e questo rappresentava un vero limite per l'inserimento negli ambienti domestici per tale ragione nel 1841 sempre Perkins sviluppò un secondo sistema a bassa pressione conosciuto come  Perkins Hot Water Apparatus importato negli Stati Uniti intorno al 1842 grazie alla collaborazione con Joseph Nason e Robert Briggs [3].

Patent Apparatus for Warming  and Ventilating Buildings, AM Perkins, London 1840

Così nel 1862 si vide il primo radiatore a vapore brevettato in America dalla riuscita collaborazione di Nason, Perkins e Briggs. Predecessore dei moderni radiatori esso era dotato di un design del tutto nuovo che prevedeva l'uso tubi di ferro battuto verticali avvitati su una base di ghisa [4]

Tuttavia fu dieci anni più tardi, 1872,  che Nelson H.Bundy sviluppo il primo radiatore completamente in ghisa pensato per funzionare con un sistema di riscaldamento a vapore.

Sezione traversale e longitudinale del radiatore Bundy Loop.

Il vapore salendo da un lato, passando sopra l'estremità della piastra, e riscendendo nel lato opposto del tubo faceva di ogni ogni anello un singolo circuito [5].

La progettazione complessiva di questi radiatori significava che nella maggior parte dei casi sarebbe stato possibile fornire radiatori in grado di produrre un ampio apporto di calore in qualsiasi situazione, e allo stesso tempo essere esteticamente gradevoli in termini di proporzioni.







[1] https://www.ukaa.com/guides/the-history-of-cast-iron-radiators-91
[2]http://www.hevac-heritage.org/victorian_engineers/perkins/perkins.htm#perkins1
[3]http://www.reclaimedradiators.co.uk/hx.html
[4]https://www.qssupplies.co.uk/history-of-heating-timeline.html
[5]https://chestofbooks.com/architecture/Building-Construction-V4/Radiators-Construction-Of-Radiators.html

STEP #13 "Ri-scaldare" nel Settecento

La Macchina a Vapore e la Rivoluzione Tecnologica

Parlando delle molteplici innovazioni tecnologiche che nel 700 hanno garantito lo sviluppo di sistemi di riscaldamento sempre più funzionali non ci si può esimere dal fare una breve osservazione relativa al contesto storico; infatti proprio nella seconda metà del 700 più precisamente tra il 1760 e il 1780 avvenne la Prima Rivoluzione Industriale: un processo che favorito da una componente di innovazione tecnologica molto ricca ha portato ad un' evoluzione economica e sociale. Il processo infatti di industrializzazione ha generato il passaggio della società da un sistema agricolo-artigianale e commerciale ad un sistema industrializzato e moderno fondato sull'uso delle macchine e di risorse energetiche derivate da nuovi fonti [1].

Tra gli eventi che hanno portato ad un cambiamento così radicale e che coinvolgono il verbo/azione "Ri-scaldare" , è di assoluta rilevanza l'invenzione della Macchina a Vapore sviluppata da James Watt , noto ingegnere e inventore Scozzese che agì tra il XVIII e XIX [2].

In una macchina a vapore una sorgente di calore porta ad ebollizione una certa quantità di acqua producendo vapore che, espandendosi, preme sulle pareti del contenitore mettendo in movimento un pistone quindi si tratta di un sistema che sfruttando l'energia termica è in grado di generare lavoro meccanico.

Schematizzazione del principio di funzionamento di una Macchina a Vapore.

Il contributo di J.Watt consistette nel miglioramento sostanziale di un altrettanto noto macchinario costruito da Thomas Newcomen. 

La macchina a vapore di Newcomen era infatti costituita da un recipiente cilindrico entro il quale era collocato un pistone a sua volta dotato di un contrappeso. Il vapore in questo caso era prodotto esternamente e poi iniettato alla base del cilindro dove accumulandosi e facendo aumentare la pressione era in grado di far salire il pistone che alla fine apriva una valvola per far scorrere un getto d'acqua fredda sul cilindro con l'obiettivo di far condensare il vapore e abbassare il pistone [3].

Macchina a Vapore di James Watt.

In questi termini la prima modifica vedette l'introduzione di un motore dotato di camera di condensazione del vapore separata, mediante la quale si riuscivano a ridurre le perdite di vapore che si verificavano nell'alternarsi di riscaldamenti e raffreddamenti dell’unico cilindro della macchina di Newcomen. Inoltre, con l’introduzione di una seconda camera era la stessa pressione del vapore a svolgere il lavoro, e non quella atmosferica che nella macchina di Newcomen era responsabile dell’abbassamento del cilindro. A ciò si aggiunse l'inserimento di una seconda valvola che permetteva di introdurre vapore nel cilindro sia dal basso, durante il moto del pistone verso l’alto, sia dall'alto, quando il pistone era giunto al massimo della sua corsa, per agevolarne il ritorno verso il basso della camera aumentando di molto le prestazioni del motore [4].

La macchina a vapore, perfezionata da Watt, a determinò un cambiamento epocale in quanto ha svincolato l’umanità dalla "fatica fisica" sfruttando invece un mezzo che grazie al calore era in grado di fornire, con continuità, potenza e lavoro meccanico. 

[1]https://www.culturanuova.net/storia/3.contemp/1a.rivoluzione.industriale.php
[2]https://it.wikipedia.org/wiki/James_Watt
[3]http://ungaretti.racine.ra.it/SeT/macvapor/newcome1.htm
[4]http://www.fmboschetto.it/didattica/inventori_italiani/Branca_Bielli_Bosello.pdf

STEP #12b "Ri-scaldare" nella Storia della Tecnologia Moderna

l'Evoluzione del Camino

Continuando questo excursus sui sistemi di riscaldamento e evidenziando le innovazioni tecnologiche che hanno a mano a mano garantito lo sviluppo di soluzioni sempre più performanti, giungiamo all'età Moderna considerato il periodo sicuramente più interessante sotto questo punto di vista.

A partire dal XVII risolti i problemi legati ad aspetti costruttivi e architettonici, viene riconsiderata la meccanica di funzionamento; un esempio è il lavoro condotto dall'architetto francese Savot che realizza , nel 1624, per la biblioteca del Louvre il primo caminetto a convenzione naturale, il principio di funzionamento è molto semplice: l’aria fresca entra attraverso una presa d’aria dall'esterno, che per 'convezione naturale' viene risucchiata nel vano della cappa del camino, e attraverso un sistema di canalizzazione realizzato attorno alla cappa del camino, si riscalda, per poi infine risalire verso l’alto ed uscire riscaldata nell'ambiente della stanza [1]. 

Ancora altrettanto interessante è il lavoro eseguito da Gaucher, che nel 1715 realizza un caminetto con presa d'aria esterna che evitava il raffreddamento degli ambienti a causa del risucchio legato agli infissi e che al tempo stesso garantiva una rigenerazione dell'aria [2].

Illustrazione di caminetto "Gaucher".

Altrettanto degni di nota sono i primi caminetti costruiti interamente in lamiera di ferro e denominati 'Cheminée économiques' o 'Cheminée portatives' (letteralmente cammini portatili) che fanno la loro comparsa intorno al 1745: l'idea alla base era quella di sfruttare il fattore di conduttività del metallo per incrementare il grado di irraggiamento del calore [3].

Illustrazione di "Cheminée économiques".

Infine per ultimo, non per importanza, non ci si può esimere dal menzionare uno dei prodotti forse più importanti nella storia dei sistemi di riscaldamento domestico, stiamo parlando della Franklin Stove realizzata nel 1741 dalla poliedrica figura Benjamin Franklin .

Fotografia di una stufa Franklin.

Disegni originali di B. Franklin per il design della Franklin Stove.

La stufa di circa 76 cm altezza era realizzata interamente in piastre di metallo. Tranne che per un pannello decorativo nella parte superiore della struttura essa si caratterizzava per una facciata completamente aperta mentre il  retro era stato progettato per essere collocato a pochi pollici di distanza dalla canna fumaria (camino).

Sezione laterale della Franklin Stove.

Come si vede meglio in una vista laterale della stufa sezionata, le due caratteristiche principali, in aggiunta a quanto già detto, erano la presenza di un condotto metallico atto a dirigere il flusso dei fumi dovuti al fuoco fungendo da deflettore e un condotto di scarico che fungeva a tutti gli effetti da sifone capovolto. 

Il principio di funzionamento pertanto prevedeva l'ingresso di aria fredda attraverso il condotto posto sotto il pavimento la quale,una volta riscaldata sia dal fuoco che dai fumi circolanti per i condotti e accumulatasi, veniva emessa fuori dai due fori posti ai lati della parte superiore del deflettore. Invece il condotto a forma di U nel pavimento posto dietro la stufa, fungendo appunto da sifone capovolto, faceva in modo che i fumi potessero fuoriuscire dalla stufa nel canna fumaria [4].

Infine l'uso della ghisa nelle pareti del dispositivo consentiva di mantenere il calore anche quando il fuoco si affievoliva, riscaldando così una stanza con meno combustibile [5].

[1]https://it.qwe.wiki/wiki/Franklin_stove

[2]http://blog.apros.it/2017/12/27/levoluzione-del-caminetto-nella-storia/

[3]https://www.alfredoneri.com/breve_storia_del_caminetto.htm

[4]https://it.qwe.wiki/wiki/Franklin_stove
[5] http://inspirationx.com/the-inspiring-life-of-benjamin-franklin-part-2/

STEP#12a "Ri-scaldare" nella Storia della Tecnologia Medievale

La storia del Camino

Nello step #08 "Ri-scaldare" nella Storia della Tecnologia avevamo iniziato a intravedere in che modo l'uomo, già intorno al I sec a.C,  avesse cominciato a portare il calore nelle proprie abitazioni e negli edifici della città sviluppando il concetto stesso di focolare. Con l'obiettivo di ripercorrere questa sotto-trama della storia, che vede l'uomo vero e unico artefice del proprio destino, non possiamo che menzionare gli strumenti attraverso i quali, nel corso dei secoli, è stato sviluppato il processo di addomesticamento del fuoco e il suo intrinseco uso per scaldare, illuminare e cucinare.

Di base sappiamo che prima del XIII secolo il fuoco domestico, soprattutto nelle abitazioni più modeste, era allestito in focolari posti al centro degli ambienti con un foro ricavato nel tetto per la fuoriuscita del fumo, sebbene il posizionamento faceva sì che il calore si diffondesse in modo uniforme negli ambienti adiacenti percorrendo una traiettoria radiale, molteplici erano gli svantaggi legati a questa soluzione: in primis i fumi emessi circolvano liberamente e  altresì per via di quelli che erano i materiali da costruzione impiegati nelle case, prevalentemente legno e paglia, gli incendi erano molto frequenti [1].

Sarà a partire dal XII secolo che la sempre maggiore diffusione di nuovi materiali costruttivi, quali pietra e mattoni, rese possibile dapprima nelle case nobiliari e in seguito nelle case più modeste, il trasferimento del focolare dal centro degli ambienti a ridosso delle pareti. In Italia il cosidetto camino a parete, di origine nord europea, fa la sua comparsa tra il 1200 e il 1300 [2].

Illustrazione di Camino a Padiglione.

Sebbene dotati di una canna fumaria in pietra, che garantiva il convoglio dei fumi verso l'esterno i primi camini a parete detti a 'a padiglione' rappresentavano un ingombro importante poichè completamente aggettanti rispetto alla parete lungo la quale erano posizionati e inoltre la presenza dei fianchi scoperti rendeva il tiraggio difficoltoso e non si aggiungeva nulla in termini di sicurezza.

Per ovviare a questi problemi e per favorire la diffusione del caminetto nei diversi ambienti della casa si sviluppa una tipologia di camino intermedia tra il camino a muro che conosciamo oggi e il camino a padiglione: ovvero un camino incassato per metà nello spessore del muro, a favorire il tiraggio e ridurre l'ingombro. 

Tra il 1300 e il 1600 tra i molti che attenzionarono questi aspetti di carattere costruttivo e architettonico si affiancarono figure che con piccoli accorgimenti o soluzioni del tutto nuove cercano di apportare dei miglioramenti da un punto di vista funzionale.

Appartenenti a questa seconda categoria ricordiamo Leonardo Da Vinci che nel " Codice Atlantico" propone uno studio originale sull'alimentazione della fiamma, realizzata con una presa d'aria esterna a imbuto [3].

Illustrazioni tratte dal "Codice Atlantico" raffigurante il sistema di alimentazione della fiamma a imbuto.

[1]http://blog.apros.it/2017/12/27/levoluzione-del-caminetto-nella-storia/

[2]http://www.architetturadipietra.it/wp/?p=4799

[3]https://www.alfredoneri.com/breve_storia_del_caminetto.htm

STEP #08 "Ri-scaldare" nella Storia della Tecnologia

Ipocausto: L'ingegnoso sistema di riscaldamento dei Romani

Se fino ad ora abbiamo condotto la nostra indagine in merito al verbo "Ri-scaldare" ricercandolo nelle diverse forme di comunicazione e d'arte, vedendo come quest'ultime riescano in modo diverso a rappresentare il nostro verbo, comunicando le molteplici accezioni del suo significato, vogliamo adesso scoprire come nell'antichità l'uomo abbia fatto propria questa'azione.

Nello specifico la domanda che quest'oggi ci poniamo è: come ci si riscaldava nelle antiche civiltà?

Per rispondere a questo quesito dobbiamo fare un salto nel tempo fino ad arrivare tra il II e il I secolo a.C quando a Roma l'ingegnere Gaius Sergius Orata (Lucrino, 140 a.C - 90 a.c) inventò i "pensiles balneae" ovvero il sistema di riscaldamento a Ipocausto nelle terme, che sebbene già noto nell'antica Grecia furono poi i Romani a perfezionare adottandolo in modo esteso per riscaldare i calidari, spazi destinati ai bagni in acqua calda e ai bagni di vapore delle terme romane, e per il riscaldamento delle ville più lussuose [1].

Si tratta sicuramente di un'invenzione tecnologica di una certa rilevanza soprattutto se comparata a quelli che erano i sistemi precedentemente adottati. Prima del I secolo a.C infatti tutti i bagni locali venivano riscaldati attraverso grandi bracieri che da un lato rappresentavano un rischio per la salute per via dei fumi di combustione e poi non riuscivano a mantenere la temperatura costante [2].

Padre degli attuali sistemi di riscaldamento a pavimento e parete, l'Ipocausto, dal greco 'ὑπόκαυστον (da ὑπό = "sotto" e καίω = "brucio")', si configura in un impianto in grado di far circolare sotto il pavimento e lungo le pareti aria calda proveniente da un forno costantemente alimentato a legna o carbone vegetale o fascine.

Spaccato di un sistema di riscaldamento romano a Ipocausto [3].

Nello specifico il grande focolare detto "praefurnium" era caratterizzato da una grande apertura ricavata nel muro e collegata ad uno stretto canale entro cui la figura responsabile (il "fornacator") inseriva a ritmo continuo il combustibile. L'aria ad altissima temperatura che veniva così prodotta era da un lato utilizzata per riscaldare l'acqua, ponendo al di sopra del focolare delle grandi cisterne a loro volta collegate alle vasche dei bagni e dall'altro lato veniva sfruttata per riscaldare le sale. I pavimenti degli ambienti che andavano riscaldati erano infatti sospesi e sorretti dalle così dette "sospensurae" colonnine quadrate o circolari fatte in mattoni. In questo modo il calore generato dal focolare aveva modo di circolare in questo spazio vuoto al di sotto delle pavimentazioni, venendo così convogliato agli ambienti soprastanti. Inoltre per ottenere un riscaldamento più uniforme venivano collocate delle tubature in laterizio a sezione rettangolare, "tubuli",  lungo delle intercapedini realizzate nelle pareti, che permettevano all'aria calda di diffondersi anche verticalmente [4].

Schema del principio di funzionamento dell'Ipocausto romano [5].

Sebbene per riscaldare un'intera stanza erano necessari più ipocausti questo sistema era talmente efficiente che nelle sale più calde, "calidarium", la temperatura giungeva fino ai 60°C [6].

[1]https://it.wikipedia.org/wiki/Ipocausto

[2][3]https://www.romanoimpero.com/2015/03/il-riscaldamento-dei-romani.html

[4][5]https://www.vanillamagazine.it/il-riscaldamento-a-pavimento-ipocausto-fu-inventato-dai-greci-e-reso-popolare-dai-romani/

[6]https://www.romanoimpero.com/2015/03/il-riscaldamento-dei-romani.html