Fundamentos da Compressão: A evolução dos compressores de ar

Avanços na gaxeta da haste do pistão

A vedação ao redor da haste do pistão alternativo era um requisito para as máquinas a vapor desde a sua concepção. As vedações também eram necessárias nas hastes dos pistões dos compressores alternativos , que se tornaram comuns na segunda metade do século XIX. Diversas arruelas, feitas de materiais como pele de porco, cânhamo, tecido de pato, borracha, folha de metal, lascas de metal e inúmeras combinações desses materiais, eram "enchidas" ou "empacotadas" ao redor das hastes dos pistões e mantidas no lugar e comprimidas contra a haste por uma gaxeta. Isso exigia o aperto regular dos parafusos da gaxeta para controlar o vazamento à medida que o material de vedação se desgastava. As primeiras gaxetas metálicas surgiram na forma de peças em forma de cunha de algum tipo de metal macio, dispostas de forma que a pressão do flange aparafusado as pressionasse contra a haste do pistão. Muitas variações desse projeto foram investigadas durante esse período, mas, assim como seus predecessores, exigiam manutenção contínua, consumiam energia do motor e desgastavam e riscavam rapidamente as hastes dos pistões.

Adam W. France, um engenheiro de operação de máquinas a vapor na Filadélfia, Pensilvânia, experimentou vários projetos, desenvolvendo finalmente um projeto de gaxeta de ferro fundido com corte tangencial que patenteou em 1899. A Figura 1 mostra uma gaxeta de haste de pistão France antiga com os anéis de corte tangencial. Essa gaxeta metálica totalmente flutuante permitia que os elementos de vedação se movessem livremente dentro do conjunto, ao contrário das gaxetas não flutuantes, nas quais os elementos de vedação eram mantidos rigidamente na caixa de gaxeta e exigiam ajustes externos para compensar o desgaste ou desalinhamento. A gaxeta metálica totalmente flutuante eliminava materiais de gaxeta que geravam atrito. Além disso, os anéis de vedação metálicos antifricção suportavam altas temperaturas e pressões. E proporcionavam uma vedação eficaz em hastes de pistão que se moviam lateralmente durante o curso na gaxeta devido ao desgaste da cruzeta ou do cilindro, expansão desigual das peças, desalinhamento ou inúmeras outras causas.

Desenvolvimentos semelhantes em gaxetas foram feitos por O.J. Garlock quase na mesma época; e Charles Lee Cook também introduziu diversas patentes que aprimoraram as gaxetas da haste do pistão. Os três seguiram em frente e desenvolveram suas próprias empresas de gaxetas e vedações de sucesso. O desenvolvimento desse tipo de gaxeta para haste de pistão foi um passo crucial que eliminou um obstáculo fundamental para o aumento da velocidade e da pressão de operação de compressores alternativos .

Avanços em válvulas de compressores

Os primeiros compressores alternativos utilizavam válvulas de assento de metal pesado ou diversas válvulas com acionamento mecânico, incluindo as válvulas Corliss, controladas por cames e bielas, semelhantes às máquinas a vapor que acionavam os cilindros do compressor. Eram pesados, ruidosos e tinham vida útil curta. No início do século XX, os avanços tecnológicos resultaram em motores e compressores de maior velocidade, mas a tecnologia das válvulas dos compressores limitava a confiabilidade e o desempenho. Em 1905, em um esforço para superar essas limitações, a Laidlaw-Dunn-Gordon, que havia se fundido com a Worthington em 1899, desenvolveu um sistema chamado mecanismo de válvulas de ar Cincinnati. Este permitia a abertura e o fechamento mecânicos de uma válvula de admissão e o fechamento mecânico de uma válvula de descarga, resultando em um compressor mais rápido, silencioso e eficiente. O mecanismo era adequado apenas para máquinas de grande porte e, embora caro, era eficaz e amplamente utilizado.

As inovadoras válvulas de placa foram concebidas pela primeira vez por Hanns Hörbiger na Áustria, em 1895. Hörbiger começou a trabalhar com o engenheiro Friedrich Wilhelm Rogler em 1900, e suas novas válvulas de placa de aço demonstraram superar todas as desvantagens dos projetos de válvulas comuns na época, possibilitando o avanço da tecnologia de compressores de ar comprimido na Europa.

Figura 2

Nos Estados Unidos, um período de rápida inovação em válvulas para compressores ocorreu entre 1910 e 1920. Em 1911, Lorenze Iversen, engenheiro-chefe da Mesta Machine Company de West Homestead, Pensilvânia, patenteou uma válvula de placa automática para motores de sopro. A válvula de placa automática da Mesta, mostrada na Figura 2, logo se tornou o padrão, não apenas para a Mesta, mas também para muitas outras empresas de compressores que licenciaram a tecnologia de válvulas da Mesta para compressores de ar, gás e refrigeração. A Figura 3 mostra a ampla gama de tamanhos de válvulas que a Mesta fabricava.

Figura 3

Entre 1913 e 1914, a Chicago Pneumatic desenvolveu a válvula Simplate, que foi utilizada em seus compressores por muitas décadas. Em 1914, a Ingersoll-Rand começou a introduzir novos compressores com a válvula “Rogler”, mostrada na Figura 4, que era baseada na invenção anterior de Hörbiger.

Um dos avanços mais notáveis da Laidlaw-Dunn-Gordon em compressores ocorreu em 1915, com a introdução da válvula Feather, patenteada em 1912. Essa válvula, mostrada na Figura 5, era tão simples, silenciosa, eficiente, durável e universalmente aplicável que tornou praticamente obsoletos todos os compressores antigos com válvula de assento. A válvula Feather da Laidlaw-Dunn-Gordon tornou-se um componente essencial dos compressores Worthington por décadas.

Figura 4

Por volta de 1916, a Bury Compressor Company de Erie, Pensilvânia, patenteou a válvula de placa de caixa Universal Pyramid, mostrada na Fig. 6. Ela foi descrita como tendo 50% mais área do que qualquer outra válvula usada e sendo “durável como as pirâmides; silenciosa como a esfinge”.

Todas essas válvulas incluíam um sistema de amortecimento e funcionavam com base na pressão diferencial, em vez de dependerem de acionamento mecânico. Além disso, apresentavam menor resistência e, portanto, maior eficiência do que as pesadas válvulas de assento metálicas. Essas tecnologias de válvulas e gaxetas do início do século XX permaneceram predominantes até a década de 1970, quando a disponibilidade de materiais plásticos de engenharia levou novamente a desenvolvimentos que possibilitaram a operação confiável de compressores em velocidades ainda maiores.

Figura 5

Figura 6

A próxima edição concluirá esta breve série sobre a evolução dos compressores de ar industriais .