STEP #20 "Ri-scaldare" e un materiale associato

La Ghisa

Nello STEP #14 "Ri-scaldare" nel Ottocento nel riportare le tappe più importanti circa l'invenzione del Calorifero, sistema di riscaldamento ad oggi largamente adottato, si è considerato degno di nota il contributo apportato da Nelson H.Bundy che nel 1872 sviluppò il Bundy Loop: primo radiatore completamente in ghisa. Il perché che questo rappresenti un punto focale nella storia dei radiatori è da ricercarsi nelle proprietà intrinseche della ghisa stessa. Questo nuovo capitolo della nostra indagine sul verbo/azione "Ri-scaldare" ha come obiettivo proprio quello di studiare tali caratteristiche dimostrando come questo materiale sia in un certo qual modo associabile al verbo.

La ghisa, detta ferraccio fino alla fine dell'Ottocento per via della sua minor qualità rispetto all'acciaio dolce, è una lega ferrosa costituita principalmente da ferro e carbonio e in varie ma più ridotte percentuali da silicio, manganese, zolfo, fosforo. Il tenore di carbonio è compreso tra 2,06% < C < 6,67%, (limite di saturazione) e valori pari a <4,3%, =4,3% >4,3% classificano le ghise rispettivamente come ipoeutettiche, eutettiche o ipereutettiche (per sapere di più sulla classificazione delle ghise clicca qui). [1]

Mucchio di oggetti in ghisa.

La produzione della ghisa avviene generalmente per riduzione degli ossidi di ferro mediante combustione di carbon coke in apparecchiature chiamate altiforni. Il minerale viene disposto a strati alternati con carbon coke a basso tenore di zolfo, nella parte superiore dell'altoforno; il ferro liquido (ghisa) contenuto nel minerale, quando raggiunge lo stato fuso, cola verso il basso per poi essere raccolto o nel crogiolo e convogliato in canalette refrattarie o nelle siviere per essere poi trasformato in lingotti. [2]

Schematizzazione del processo produttivo della ghisa.

Sebbene rispetto all'acciaio dolce, che a sua volta ha un apporto di carbonio pari al 1,5%, la ghisa sia più fragile essa ha però una maggior durezza e soprattutto ha un coefficiente di dilatazione termica pari a 10 ppm ovvero il 20% in meno rispetto a quello dell'acciaio. Questo rende quindi il materiale molto adatto nei in casi in cui via siano accoppiamenti caratterizzati da variazioni di temperatura.
Inoltre per via della sua fluidità alla temperatura di fusione, può essere impiegata nella produzione di getti di fusione quindi realizzando la forma negativa di ciò che si vuole ottenere che funge da stampo entro il quale viene fatta colare la ghisa liquida e che a sua volta assume la forma desiderata. Al di là dunque della sua economicità di produzione ,resistenza all'usura, buona lavorabilità sia con macchine sia con utensili, essa fornisce la possibilità di realizzare forme molto complesse.[3]

Dettaglio decorazioni di un termosifone in ghisa.

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

[2]https://slideplayer.it/slide/550714/

[3]http://comefare.fixool.com/ghisa-segreti-lavorare-pulire-lega/

STEP #19 "Ri-scaldare" nella Scienza Applicata

Il Calore: una forma di energia

La necessità di porre una base per l'inizio di questo studio ci ha spinti a confrontarci con il significato, con l'etimologia e con le origini della parola "Ri-scaldare" e ciò che ci ha restituito questo primo approfondimento, trattato in parte nello STEP #02 "Ri-scaldare": una storia sulle sue origini, è che la parola derivi dal termine "Caldo [...] che ha Calore". 

Ma cosa è il calore e in che modo agisce sulla materia ?

Per spiegarlo sarà necessario ricorrere ad alcuni concetti parte della Fisica Tecnica, branca della Fisica applicata, annoverata tra le scienze applicate e comprendente la Termodinamica.

Il calore in Fisica è una grandezza definita come una forma di energia e in particolare come energia scambiata tra due sistemi tra cui sussiste una differenza di temperatura.

Fu James Prescott Joule che a metà 800 costruendo il sistema a noi noto come "Mulinello di Joule" scoprì cosa fosse effettivamente il calore.

Rappresentazione del "Mulinello di Joule"

L'esperimento che fu da egli condotto aveva come obiettivo quello di riscaldare l'acqua contenuta in un contenitore adiabatico, ovvero che per costruzione non consentiva lo scambio e la dispersione di calore con il mondo esterno, attraverso il lavoro. Il mulinello di Joule era infatti un particolare tipo di calorimetro nel quale le palette del mulino, contenute all'interno del contenitore pieno d'acqua, erano soggette ad una coppia di forze dovuta alla caduta di due grossi pesi, liberi di muoversi sotto l'effetto dell'accelerazione di gravità. In questi termini la diminuzione dell'energia potenziale gravitazionale delle due masse che scendevano per la forza peso viene convertita in energia cinetica associata al moto delle pale del mulinello che è a sua volta, per via dell'attrito,era ceduta all'acqua dentro il contenitore .

Sapendo pertanto che il lavoro era un trasferimento di energia apparve chiaro come anche il calore potesse essere considerato una forma di energia a sua volta [1].

Questa scoperta gettò le basi per lo sviluppo della Termodinamica e dei noti quattro principi della Termodinamica che regolano gli scambi di energia (calore) tra il sistema e l'ambiente.

[1]http://storiascienza.wikifoundry.com/page/Il+mulinello+di+Joule

STEP #18 "Ri-scaldare" in un fatto di cronaca

Avvio alla campagna di informazione "L'Italia che Rinnova"

In questa nostra indagine, che sin da subito ha posto in primo piano la necessità di ottenere una visione d'insieme quanto meno ricca, lasceremo spazio anche ad un fatto di cronoca in grado, in quanto avvenimento, di restituire un contenuto attuale relazionato al verbo/azione "Ri-scaldare".

Dimostrando quanto il tema relativo al Riscaldamento Globale, concetto sviluppatosi già agli all'inizio del XIX secolo e descritto nello Step #15 "Ri-scaldare" nel Novecento , sia più che mai attuale si propone di seguito un articolo pubblicato in data 23 Gennaio dal giornale la "Stampa" dedicato all'avvio della campagna di informazione "L'Italia che Rinnova".

"Come scaldarsi senza scaldare il pianeta
Al via “Italia che Rinnova”, campagna di informazione per scoprire la prima fonte di energia rinnovabile: il legno. Tra i promotori Legambiente, Kyoto club, UNCEM e AIEL.

Che differenza c’è tra boschi e capelli? Come si scaldano gli italiani? Quanti sono 7,5 Mtep e perché ci riguarda? Le risposte a queste ed altre domande aiuteranno gli italiani a scoprire, e usare nel modo migliore, quella che è la prima tra le energie rinnovabili: il legno. 

Per farlo si sono uniti il mondo dell’ambientalismo, con Legambiente e Kyoto Club, l’UNCEM (l’unione di comuni e comunità montane) e le associazioni di settore, AIEL (Associazione Italiana Energie Agroforestali), RisorsaLegno, ANFUS (Associazione nazionale Fumisti e Spazzacamini) e ASSOCOSMA (Associazione Nazionale Costruttori Stufe).

Il nome della campagna è ‘L’Italia che rinnova’ (www.italiacherinnova.com) e l’obiettivo è quello di valorizzare una fonte di energia che consente di scaldarsi senza scaldare il pianeta. Il legno infatti rappresenta la prima fonte di energia rinnovabile in Italia, circa il 34% del totale." [1]

[1]https://www.lastampa.it/tuttogreen/2020/01/23/news/come-scaldarsi-senza-scaldare-il-pianeta-1.38362406

STEP #17 "Ri-scaldare" : un Abecedario

Con l'obiettivo di espandere sempre di più i nostri orizzonti un esercizio molto utile può essere quello di individuare per ciascuna lettera dell'alfabeto una parola il cui significato sia di rimando il verbo posto sotto indagine.

Di seguito l'elaborazione di un abecedario sarà in questo modo utile a creare un panorama molto ricco fatto di innovazioni tecnologiche, persone, unità di misura, società, prodotti d'uso che hanno contribuito ad accrescere il valore del verbo/azione "Ri-scaldare" nel corso dei secoli.

A come Altoforno

B come Benjamin Franklin

Alcuni riferimenti visivi.

C come Camino

D come Dilatazione termica

E come Energia geotermica

F come Fuoco

G come Grado

H come Hudson Reed

I come Ipocausto

L come Leonardo Da Vinci

M come Microonde

N come Nanofili d'argento

O come Ozono

P come Pietro De Zanna

Q come Quom

R come Radiatore

S come Stufa

T come Termoformatura

U come Unione

V come Vapore

Z come Zehnder

STEP #16 "Ri-scaldare": un Protagonista per il verbo/azione

Percy Spencer: l'inventore del forno a microonde.

Fino ad ora molteplici sono stati gli uomini che hanno arricchito tramite il loro contributo in termini di studi, invenzioni o semplice sviluppo, la storia che si cela dietro il verbo "Ri-scaldare". E' stato grazie a questi stessi uomini che abbiamo la possibilità di riscaldare le nostre case con impianti ormai più sicuri rispetto al tradizionale caminetto ed è anche grazie ad uno tra essi che ad oggi abbiamo la possibilità di cuocere o riscaldare o ancora decongelare cibi in pochi minuti.

Di chi stiamo parlando? Dell'l’ingegnere statunitense Percy Spencer anche noto come l'inventore del forno a microonde.

Foto di Percy Spencer.

Anni di Gioventù

Nato nel 1894 ad Howland, una cittadina situata nella Contea di Penobscot, nello stato del Maine (USA), Percy Spencer rimase orfano in tenera età; il padre infatti morì nel 1897 e la madre lo lasciò poco dopo, così fu costretto a passare l'infanzia affidato alle cure degli zii. Tali vicissitudini non limitarono mai la sua incredibile curiosità tanto che all'età di soli 12 anni, durante il suo apprendistato presso fabbrica tessile, cominciò da autodidatta a conoscere il mondo dell'elettricità riuscendo all'età di 16 anni a stabilire un nuovo sistema elettrico in una cartiera locale. 

A 18 anni venuto a conoscenza del ruolo eroico che gli operatori radio avevano avuto durante l'affondamento del Titanic , entrò nella United States Navy, la marina militare statunitense, come operatore radio e apprese la tecnologia wireless. In quel periodo si interessò al calcolo, alla metallurgia, alla fisica, alla chimica e alla trigonometria [1]. 

L'ingresso alla Raytheon Company

Fu però nel 1925 che entrò nella Raytheon Company fondata tre anni prima da Lawrence Marshall e Vannevar Bush e dove grazie alla sua curiosità leggendaria che divenne responsabile di molte delle più grandi scoperte tra le quali appunto il mircoonde [2].

Il Magnetron

Era il 1941 quando in piena guerra mondiale, l’Inghilterra perfezionò l’invenzione del radar di Watson-Watt passando ai sistemi a microonde cioè un radar in grado di emettere onde dalla lunghezza di appena 25 cm. Le microonde risultarono così corte e precise da poter essere indirizzate in maniera più efficace mirata: queste venivano generate da un dispositivo noto come magnetron .

Nel momento di maggior intensità bellica però l’Inghilterra necessitava di un numero di magnetron maggiore rispetto a quanto riuscissero a produrre e contattarono quindi l’azienda di Percy Spencer. Fu proprio mentre lavorava su un magnetron che il povero Spencer si rese drammaticamente conto che un cioccolatino presente nella sua tasca si era liquefatto. Da lì l'intuizione che quello stesso sistema potesse essere impiegato non solo a scopi bellici [3].

La nascita del Microonde

Al fine di verificare la sua ipotesi, cioè che fossero state le microonde emanate dal magnetron a riscaldare la cioccolata fino a liquefarla, provò a metterci accanto dei chicchi di mais che quasi subito scoppiarono trasformandosi in succulenti popcorn. Per l’esperimento successivo utilizzò un uovo che scoppiò e proprio sul viso di uno dei suoi colleghi. 

Era nato così il forno a microonde, brevettato dalla Raytheon nel 1947 anno in cui venne sviluppato anche il primo apparato destinato alla commercializzazione, chiamato “Radarange”, che era alto 1,8 m, pesava 340 kg, aveva un sistema di raffreddamento ad acqua e produceva una potenza in radioonde di 3 kW. Chiaramente non fu subito un successo ma già nel 1954 fu brevettato il primo forno a microonde per uso casalingo talmente efficace da diventare uno degli elettrodomestici più presenti nelle cucine di tutto il mondo [4].

Radarange il modello da pavimento 1161. 

Riconoscimenti

Per quanto riguarda Spencer alla sua morte aveva acquisito ben 150 brevetti e nel 1999, è stato inserito nella National Inventors Hall of Fame alla luce di questi fatti, tra tutti, per il modo in cui ha rivoluzionato il modo stesso di cucinare va ricordato in quanto protagonista maggiore nella storia del verbo "Riscaldare" [5].

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Percy_Spencer

[2]https://www.massmoments.org/moment-details/percy-spencer-inventor-of-microwave-oven-born.html

[3]http://www.difesa.it/Area_Storica_HTML/pilloledistoria/Pagine/Il_forno_a_microonde_una_invenzione_della_seconda_guerra_mondiale.aspx

[4]https://www.historychannel.com.au/articles/first-domestic-microwave-oven/

[5]https://solbrillersalg.com/9939-percy-spencer-biography-and-contributions

STEP #15 "Ri-scaldare" nel Novecento

Nasce il concetto di "Riscaldamento Globale"

"L’innovazione tecnologica è uno dei motori fondamentali della crescita e del progresso e può essere definita, pertanto, come la creazione di una nuova conoscenza, applicata a problemi di ordine pratico" [1].

Da queste parole si evince come il progresso tecnologico è da sempre stato frutto di una domanda, una domanda legata a bisogni sociali da inserirsi in precisi momenti storici. 

Pertanto se spesso un'invenzione tecnologica rappresenta un evento per il contributo fornito in termini di cambiamento e sviluppo è possibile che un evento esterno generi una necessità alla quale è possibile rispondere con il progresso.

In questi termini nella valutazione circa l'importanza del ruolo che il verbo "Ri-scaldare" ha assunto nel corso dei secoli è fondamentale comprendere anche il contesto storico in cui il progresso tecnologico si è insinuato per comprendere quelle ragioni che lo hanno "guidato" e quali ancora lo spingeranno ad evolversi.

Così si introduce nella nostra indagine un tema che ancora oggi è importante tenere a mente e per il quale è necessario agire: Il Riscaldamento Globale concetto sviluppatosi proprio alla fine del XIX secolo e l'inizio del XX secolo.

"Il Riscaldamento Globale indica in climatologia il mutamento del clima terrestre[..] ed è caratterizzato in generale dall'aumento della temperatura media globale e da fenomeni atmosferici a esso associati" [2].

Di fatto il pianeta Terra nel corso dei suoi 4,5 miliardi di anni ha subito delle modifiche relativamente al valore della temperatura superficiale che in alcune occasioni è salita o si è abbassata di molto. Tuttavia nel periodo geologico che stiamo attraversando si assiste a un aumento delle temperature preoccupante.

Temperature di Aprile 2020, National Oceanic Atmospheric Administration.

Secondo la National Oceanic Atmospheric Administration la temperatura di aprile 2020 è risultata superiore di 1,06 gradi centigradi rispetto alla media del Ventesimo secolo, che è pari a 13,7 gradi. Considerando solo agli oceani invece, sarebbe stato l’aprile più caldo di sempre, 0,83 gradi in più della media di 16 gradi. Nel complesso l' aprile 2020 si colloca alla seconda posizione rispetto ad aprile 2016 anno in cui l’incremento sopra la media era stato di 1,13 gradi centigradi [3].

"Non si tratta peraltro di una tendenza isolata: gli otto mesi di aprile più caldi si sono verificati di recente, ovvero dal 2010, mentre aprile 2020 e dicembre 2019, due periodi vicini nel tempo, si dividono l’undicesima posizione di mesi più caldi di sempre nella lunga classifica che si compone di 1.684 misurazioni mensili." queste le parole riportate dall'articolo del Corriere Della Sera [4].

Ciò che è peggio è che la comunità scientifica concorda nell'indicare le attività antropogeniche come prima causa dell'effetto serra e conseguente riscaldamento globale.

L’effetto serra consiste nella proprietà dell’atmosfera di mantenere le oscillazioni della temperatura dell’aria all'interno di un intervallo limitato sia rispetto alle variazioni del ciclo diurno giorno-notte sia del ciclo stagionale estate-inverno, per effetto di alcuni gas naturalmente presenti in natura quali vapore acqueo, anidride carbonica, il metano e l’ozono. 

L'aumento di questi componenti dovuti alle attività produttive dell'uomo, a partire in particolar modo dalla Rivoluzione industriale,ha amplificato il fenomeno, rendendo la quantità di calore solare trattenuta eccessiva [5].

In questi termini la possibilità di un progresso è nelle nostre stesse mani, e l'avanzamento tecnologico è l'unico mezzo che possediamo per rispondere all'esigenza di aumentare del 20% l'efficienza energetica, ridurre del 20% l'emissioni e aumentare del 20% la quota delle risorse rinnovabili (Piano Clima Energia 20-20-20)[6].

Info grafica del Piano Clima Energia 20-20-20.

[1]Schilling M. A. “Gestione dell'innovazione”, Mcgraw-Hill, Milano, 2009
[2]https://it.wikipedia.org/wiki/Riscaldamento_globale
[3]https://www.noaa.gov/climate
[4]https://www.corriere.it/economia/casa/20_maggio_15/clima-globale-stato-secondo-aprile-piu-caldo-ultimi-141-anni-63a7cb50-9688-11ea-a66c-1f6181297d24.shtml
[5]https://www.focusjunior.it/scienza/ambiente/cambiamenti-climatici-che-cose-il-riscaldamento-globale-e-perche-va-fermato/
[6]https://www.schede-tecniche.it/pacchetto-clima-energia-20-20-20.html

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