Fundamentos da Compressão: “Produzindo Frio”

Além da necessidade de insuflar ar para os altos-fornos, a produção de gelo e a refrigeração foram fatores que impulsionaram o desenvolvimento dos primeiros compressores durante a Revolução Industrial. Descobrir como produzir frio mudou a forma como as pessoas se alimentavam e viviam, quase tão profundamente quanto descobrir como cozinhar.

Refrigeração mecânica e fabricação de gelo

Diversos métodos de resfriamento e refrigeração utilizando gelo natural e métodos primitivos de resfriamento evaporativo remontam às antigas civilizações egípcia e grega. Já em 1607, várias misturas frigoríficas eram utilizadas por cientistas para a produção de gelo e refrigeração, sendo a mais comum a mistura de sal e gelo. Essa técnica foi empregada por Fahrenheit em 1762, quando estabeleceu o ponto de congelamento da água em 0°C (32°F). Desde meados do século XVIII, cientistas experimentavam com o vácuo para produzir evaporação e refrigeração rápidas. O Dr. William Cullen foi o primeiro a utilizar esse princípio em 1755 para produzir gelo por meios puramente mecânicos. Ele reduziu a pressão atmosférica com uma bomba de ar, o que aumentou a evaporação da água, produzindo refrigeração intensa e gelo.

Compressor Perkins de pistão operado manualmente, c. 1834.

Poucos anos após a invenção da máquina de gelo a vácuo, diversos métodos químicos foram descobertos. Na década de 1820, Humphrey Davy e Michael Faraday aprimoraram ainda mais a refrigeração mecânica ao descobrirem que a compressão e liquefação da amônia podiam resfriar o ar quando a amônia liquefeita evaporava. Em 1824, patentes inglesas foram obtidas para refrigeração com o uso de ácido sulfúrico. Em 1834, Jacob Perkins é geralmente considerado o inventor da primeira máquina prática, precursora dos modernos aparelhos de compressão . Sua máquina, que empregava um compressor de pistão operado manualmente, como mostrado na Figura 1, foi substancialmente aprimorada em 1856 e passou a ser utilizada na refrigeração de cervejarias e produtos alimentícios.

As melhorias nos processos e nos equipamentos continuaram a evoluir rapidamente e, em 1850, o Prof. A.C. Twinning, de New Haven, Connecticut, patenteou um aparelho que utilizava uma bomba de vácuo e compressão de dupla ação com 216 mm (8,5 pol.) de diâmetro e 406 mm (16 pol.) de curso. Também em 1850, o Dr. John Gorrie, de Apalachicola, Flórida, patenteou uma máquina de fazer gelo que, pela primeira vez, utilizava um eixo rotativo com excêntricos e bielas para movimentar pistões de compressores dentro de cilindros orientados verticalmente, para compressão e geração de vácuo.

Máquina de fazer gelo Harrison acoplada diretamente a uma estrutura de motor a vapor, c. 1859.

Em 1859, o australiano James Harrison apresentou uma máquina de fazer gelo acoplada diretamente a uma estrutura de motor a vapor, como mostrado na Figura 2. Os desenvolvimentos continuaram rapidamente, com um grande avanço resultante da introdução da máquina de refrigeração por amônia pelo Prof. C.F.G. Linde, entre 1873 e 1875. Linde é considerado o principal expoente do sistema de refrigeração por compressão de amônia. Suas máquinas já estavam em operação em cervejarias alemãs em 1876, e ele obteve patentes nos EUA em 1880.

Como a refrigeração mecânica era produzida pela compressão e subsequente expansão de um fluido gasoso, como amônia, ácido sulfúrico e ar, mais aplicações foram encontradas do que os inventores jamais imaginaram. Isso levou diversas empresas americanas a desenvolverem grandes compressores de refrigeração na década de 1880 a 1890.

Charles J. Ball instalou sua primeira máquina de gelo por absorção em Sherman, Texas, em 1878. Era uma modificação de uma máquina a vácuo anterior, desenvolvida por Edmund Carré. As bombas de amônia, bombas de água, bomba de alimentação da caldeira, bomba de salmoura, etc., eram acionadas por correias através de um eixo movido por um motor a vapor com válvula deslizante. Com um custo de instalação de US$ 12.000, a máquina produzia cerca de cinco toneladas de gelo por dia com uma tonelada de carvão. A primeira máquina de compressão de fabricação própria de Ball foi instalada em Dallas, Texas, em 1887. A empresa, conhecida como Ice and Cold Machine Co., operou com sucesso em St. Louis, Missouri, por muitos anos.

O surgimento de grandes compressores alternativos para refrigeração

Conforme ilustrado neste desenho de patente, De La Vergne utilizou óleo lubrificante tanto na frente quanto atrás do pistão do compressor para evitar o superaquecimento, 1876.

A primeira máquina de refrigeração De La Vergne, que se tornou uma das mais populares, foi instalada na Cervejaria Hermann, na cidade de Nova York, em 1878. O inventor do aparelho original, John C. De La Vergne, atuava há muito tempo no ramo de produtos agrícolas em Nova York antes de se associar à indústria cervejeira em 1876. Isso o levou a se dedicar à refrigeração artificial e, em 1880, ele fundou a De La Vergne Refrigeration Machine Co., utilizando tecnologia patenteada para compressão e expansão de amônia com o uso de óleo lubrificante tanto à frente quanto atrás do pistão do compressor para evitar o superaquecimento, como mostrado na Figura 3. Em 1884, após desenvolvimento adicional, De La Vergne já fabricava máquinas de refrigeração para outras cervejarias. A vista em corte de um compressor de refrigeração De La Vergne de 1884, na Figura 4, mostra o cilindro de vapor horizontal e o cilindro compressor vertical de ação simples. O detalhe do cilindro na Figura 5 mostra o líquido de refrigeração e vedação acima e abaixo do pistão, na parte inferior do cilindro. A orientação vertical do cilindro era necessária para expelir o líquido de forma eficaz a cada ciclo. Após superar os receios quanto aos efeitos dos vazamentos de amônia na carne, o sistema também passou a ser utilizado em frigoríficos. Em 1890, a De La Vergne era uma grande empresa, tendo fabricado quase 250 compressores de amônia movidos a vapor, que forneciam refrigeração para a maioria das cervejarias americanas, bem como para fábricas de gelo, instalações de armazenamento refrigerado e quaisquer outros locais no mundo que necessitassem de refrigeração.

Compressor de refrigeração De La Vergne, 1884.

Embora De La Vergne e Ball estivessem entre os pioneiros dos compressores de refrigeração nos EUA, empresas como Frick, Weiser & Vilter e York logo dominariam o setor em rápido desenvolvimento.

Cilindro do compressor De La Vergne mostrando o líquido de refrigeração e vedação acima e abaixo do pistão.