Pilares de la compresión: “Fabricación de frío”

Además de las necesidades de soplado de aire para los altos hornos, la fabricación de hielo y la refrigeración fueron algunas de las necesidades que impulsaron el desarrollo de los primeros compresores durante la revolución industrial. Descubrir cómo producir frío cambió la forma en que la gente se alimentaba y vivía, casi tan profundamente como descubrir cómo cocinar.

Refrigeración mecánica y fabricación de hielo

Diversos métodos de enfriamiento y refrigeración, tanto con hielo natural como mediante métodos primitivos de enfriamiento evaporativo, se remontan a las antiguas civilizaciones egipcia y griega. Ya en 1607, los científicos utilizaban diversas mezclas refrigerantes para la fabricación de hielo y la refrigeración, siendo la más común la sal y el hielo. Fahrenheit empleó este método en 1762, cuando estableció el punto de congelación del agua en 0 °C (32 °F). A mediados del siglo XVIII, los científicos experimentaban con el vacío para producir una evaporación y refrigeración rápidas. El Dr. William Cullen fue el primero en utilizar este principio en 1755 para producir hielo por medios puramente mecánicos. Redujo la presión atmosférica con una bomba de aire, lo que incrementó la evaporación del agua para producir una refrigeración intensa y hielo.

Compresor de pistón manual Perkins, c. 1834.

Pocos años después de la invención de la máquina de hielo al vacío, se descubrieron diversos métodos químicos. En la década de 1820, Humphrey Davy y Michael Faraday impulsaron aún más la refrigeración mecánica al descubrir que la compresión y licuefacción del amoníaco permitía enfriar el aire al evaporarse el amoníaco licuado. En 1824, se obtuvieron patentes inglesas para la refrigeración mediante el uso de ácido sulfúrico. En 1834, se atribuye generalmente a Jacob Perkins la invención de la primera máquina práctica, precursora del moderno aparato de compresión . Su máquina, que empleaba un compresor de pistón manual, como se muestra en la figura 1, fue mejorada sustancialmente en 1856 y se empezó a utilizar en la refrigeración de cervecerías y productos alimenticios.

Los procesos y equipos continuaron evolucionando rápidamente, y en 1850, el profesor A. C. Twining, de New Haven, Connecticut, patentó un aparato que utilizaba una bomba de vacío y compresión de doble efecto con un diámetro de 216 mm (8,5 pulgadas) y una carrera de 406 mm (16 pulgadas). También en 1850, el Dr. John Gorrie, de Apalachicola, Florida, patentó una máquina de hielo que, por primera vez, utilizaba un eje giratorio con excéntricas y articulaciones para mover los pistones del compresor dentro de cilindros verticales, generando así la compresión y el vacío.

Máquina de fabricación de hielo Harrison acoplada directamente a un bastidor de máquina de vapor, c. 1859.

En 1859, el australiano James Harrison presentó una máquina de hielo acoplada directamente a la estructura de una máquina de vapor, como se muestra en la figura 2. El desarrollo continuó rápidamente, con un avance significativo gracias a la introducción, entre 1873 y 1875, de la máquina de refrigeración por amoníaco por el profesor C.F.G. Linde. Linde es considerado el principal exponente del sistema de refrigeración por compresión de amoníaco. Sus máquinas ya estaban en funcionamiento en cervecerías alemanas en 1876, y obtuvo patentes estadounidenses en 1880.

Dado que la refrigeración mecánica se producía mediante la compresión y posterior expansión de un fluido gaseoso como el amoníaco, el ácido sulfúrico y el aire, se descubrieron más aplicaciones de las que los inventores jamás habían imaginado. Esto impulsó a varias empresas estadounidenses a desarrollar grandes compresores de refrigeración en la década de 1880 a 1890.

En 1878, Charles J. Ball instaló su primera máquina de hielo por absorción en Sherman, Texas. Se trataba de una modificación de una máquina de vacío anterior desarrollada por Edmund Carré. Las bombas de amoníaco, agua, alimentación de la caldera, salmuera, etc., eran accionadas por correas desde un eje impulsado por una máquina de vapor con válvulas deslizantes. Con un costo de instalación de $12,000, la máquina producía aproximadamente cinco toneladas de hielo diarias con una tonelada de carbón. La primera máquina de compresión de fabricación propia de Ball se instaló en Dallas, Texas, en 1887. La empresa, conocida como Ice and Cold Machine Co., operó con éxito en San Luis, Misuri, durante muchos años.

La aparición de grandes compresores de refrigeración alternativos

Como se muestra en este dibujo de patente, De La Vergne utilizó aceite lubricante tanto delante como detrás del pistón del compresor para evitar el sobrecalentamiento, 1876.

La primera máquina frigorífica De La Vergne, que se convirtió en una de las más populares, se instaló en la cervecería Hermann de la ciudad de Nueva York en 1878. El inventor del aparato original, John C. De La Vergne, se había dedicado durante mucho tiempo al negocio de productos agrícolas en Nueva York antes de vincularse con la industria cervecera en 1876. Esto lo impulsó a interesarse por la refrigeración artificial, y en 1880 fundó la De La Vergne Refrigeration Machine Co., utilizando una tecnología patentada para la compresión y expansión de amoníaco con aceite lubricante tanto delante como detrás del pistón del compresor para evitar el sobrecalentamiento, como se muestra en la figura 3. Para 1884, tras un mayor desarrollo, De La Vergne fabricaba máquinas frigoríficas para otras cervecerías. La vista en sección de un compresor frigorífico De La Vergne de 1884 en la figura 4 muestra el cilindro de vapor horizontal y el cilindro compresor vertical de simple efecto. El primer plano del cilindro en la figura 5 muestra el líquido refrigerante y de sellado por encima y por debajo del pistón en la parte inferior del cilindro. La orientación vertical del cilindro era necesaria para expulsar eficazmente el líquido con cada bombeo. Tras superar los temores sobre el efecto de las fugas de amoníaco en la carne, el sistema también se introdujo en las plantas empacadoras de carne. Para 1890, De La Vergne era una gran empresa, que había fabricado casi 250 compresores de amoníaco accionados por máquinas de vapor, los cuales proporcionaban refrigeración a la mayoría de las cervecerías estadounidenses, así como a fábricas de hielo, cámaras frigoríficas y cualquier otro lugar del mundo que necesitara refrigeración.

Compresor frigorífico De La Vergne, 1884.

Aunque De La Vergne y Ball estuvieron entre los pioneros estadounidenses de los compresores de refrigeración , empresas como Frick, Weiser & Vilter y York pronto dominarían la industria en rápido desarrollo.

Cilindro del compresor De La Vergne que muestra el líquido refrigerante y de sellado por encima y por debajo del pistón.