Fundamentos da Compressão: A evolução dos compressores de ar

Desde suas origens humanas até o final do século XVIII, a compressão de ar foi usada principalmente para a fundição de metais . Mas outra necessidade inicial das máquinas de sopro era a ventilação de minas subterrâneas, que eram importantes fontes de minérios metálicos e carvão necessários para a fundição.

A mineração subterrânea tem uma longa história, que remonta a milhares de anos. Um dos primeiros exemplos de mineração subterrânea ocorreu na China antiga, onde o carvão era extraído de minas subterrâneas para ser usado na metalurgia. Sabe-se que mineiros europeus cavavam túneis em busca de sílex desde 4000 a.C. e durante todo o período Neolítico.

Já no primeiro século, camponeses e trabalhadores braçais sem qualificação extraíam minério à luz de tochas em condições que hoje seriam consideradas perigosas e bárbaras. Eles acendiam fogueiras de galhos dentro das minas, o que promovia a circulação de ar da superfície para os poços. Essa técnica foi redescoberta pelos gregos e romanos medievais na Grã-Bretanha e em outros lugares, na busca por metais como cobre, níquel, estanho e ferro. Foi amplamente utilizada na Grã-Bretanha durante a Revolução Industrial, juntamente com sistemas de ventilação cada vez mais sofisticados.

O ar nas profundezas das minas de carvão era estagnado, resultando em um ar terrivelmente poluído e, às vezes, tóxico. No final do século XIX, canários em gaiolas eram usados para detectar o acúmulo de gases perigosos, como metano e dióxido de carbono, nas minas. Quando os pássaros paravam de cantar e começavam a apresentar sinais de cansaço ou falta de ar, era um sinal para os mineiros evacuarem o local.

Os primeiros métodos de ventilação dependiam da ventilação natural através de galerias e poços, que eram a única fonte de entrada, acesso e extração do minério. Túneis laterais curtos, conhecidos como transversais, conectavam os principais túneis de trabalho e também eram usados para fins de ventilação. O aquecimento do ar da mina com fogo fazia com que ele subisse pelos canais, enquanto simultaneamente puxava ar fresco por outros canais mais distantes. A capacidade de ventilação era limitada e exigia enormes quantidades de combustível.

Ventilação forçada de minas

Há registros de dispositivos como foles, ventiladores oscilantes, panos de linho e velas de vento para poços de mina sendo utilizados de diversas maneiras para melhorar a ventilação de minas no século XVI. Com o advento das máquinas a vapor no século XVIII, foles e rudimentares tubos de sopro começaram a ser usados para a ventilação de minas. No século XIX, compressores maiores, do tipo motor de combustão interna com viga oscilante, passaram a ser utilizados.

Na década de 1870, versões maiores dos sopradores da Roots Blower Company foram aplicadas na ventilação de minas, incluindo várias em minas da Comstock Lode por volta de 1870. Dois dos maiores sopradores já fabricados foram instalados em uma mina na Inglaterra em 1877, movimentando 200.000 pés cúbicos por minuto (5.663 m³/min) de ar. Cada impulsor tinha 4 metros de largura e 7,6 metros de diâmetro.

No final do século XIX, começaram a surgir ventiladores primitivos, como o mostrado na Fig. 1, para ventilação de minas. As técnicas de ventilação do início do século XX incluíam o uso de sopradores ou ventiladores centrífugos ou de hélice de baixa pressão, situados na entrada do túnel e conectados a um sistema de tubulações.

Os avanços tecnológicos libertam o potencial do ar pressurizado.

O primeiro registro de um compressor de ar usado para algo além de fundição e altos-fornos ocorreu em 1762, quando um "cilindro soprador" movido por uma roda d'água produziu impressionantes 14 psi (1 bar). Os primeiros compressores de ar industriais eram movidos a vapor. Esses dispositivos foram usados em algumas das primeiras grandes missões subaquáticas, nas quais o ar era bombeado para o mergulhador.

No início do século XIX, os engenheiros já utilizavam compressores de ar para a transmissão de energia . Na década de 1820, foi construída uma usina galesa que utilizava ar comprimido. Ficou evidente que o ar comprimido era uma fonte de energia superior ao vapor para máquinas pesadas.

O verdadeiro potencial do ar comprimido como fonte de energia ou força motriz surgiu na segunda metade do século XIX. Por exemplo, um dos usos mais espetaculares dos sopradores Roots foi no metrô subterrâneo construído na cidade de Nova York em 1867. O grande soprador tinha uma carcaça de ferro de 6,6 m de altura com impulsores de 4,9 m de comprimento, exigindo cinco vagões ferroviários para o transporte. A 60 rpm, produzia 2.832 m³/min de ar que literalmente impulsionava um vagão de passageiros de 22 lugares sobre trilhos em uma direção através do túnel do metrô e, em seguida, o puxava de volta.

O primeiro grande projeto de construção movido a tecnologia de ar comprimido foi o Túnel Ferroviário de Fréjus. Em 1857, os trabalhadores começaram a perfurar manualmente este túnel de 13 quilômetros (oito milhas) que ligava a Itália à França, atravessando o Monte Cenis, nos Alpes europeus. O progresso era lento, com uma média de cerca de 229 mm (9 polegadas) por dia, e a previsão era de que a obra levasse cerca de 30 anos para ser concluída. Quatro anos após o início do projeto, o ar comprimido foi introduzido no processo de perfuração. Equipes de construção e mineração de ambos os países utilizaram perfuratrizes pneumáticas, juntamente com compressores de ar úmido, para resfriar o ar dentro dos túneis à medida que os mineiros avançavam na rocha. Com o uso de ferramentas movidas a ar comprimido, o túnel foi concluído em 1870, após um total de 14 anos.

Com a substituição das perfuratrizes a vapor por perfuratrizes pneumáticas mais eficientes, os compressores de ar alternativos evoluíram rapidamente. Nos EUA, a Rand & Waring Drill and Compressor Company lançou o primeiro compressor de ar Rand para alimentar perfuratrizes em 1872. John Waring havia inventado um método para circular água pelas laterais e extremidades dos cilindros do compressor de ar. Isso representou um avanço importante em relação à simples pulverização de água no cilindro para resfriamento.

Quase na mesma época, Simon Ingersoll fundou a Ingersoll Rock Drill Company para fabricar sua perfuradora de rochas a vapor patenteada. Henry Sargeant, um artesão local qualificado, aprimorou o projeto de Ingersoll e convenceu seu chefe a comprar a empresa e as patentes de Ingersoll. Sargeant tornou-se o primeiro presidente da Ingersoll Rock Drill Company e continuou a pesquisa e o desenvolvimento de compressores de ar alternativos e perfuradoras de rochas, sendo creditado com 61 patentes durante sua vida.

Quase todos os compressores de ar desse período eram movidos a motores a vapor . Embora existissem máquinas verticais, horizontais e angulares, os compressores com motor a vapor horizontais eram os mais comuns, como o compressor com motor a vapor em linha reta da Ingersoll-Sargeant mostrado na Figura 2. Essa série da Ingersoll-Sargeant foi lançada em 1878 e permaneceu em produção por mais de duas décadas, até o início do século XX.

A próxima edição dará continuidade à rápida evolução dos compressores de ar horizontais que impulsionaram a revolução industrial.