دسته: کمپرسور

در این نوشتار سعی شده است درباره دسته بندی کمپرسورها از بعد روغن کاری شونده صحبت شود. لذا مطالب این نوشتار درباره عملکرد و مزایای این نوع کمپرسورها می باشد.

در کمپرسورهای از نوع دورانی روغن کاری شونده اختلاط روغن با گاز مورد تراکم بطور عمدی صورت می پذیرد. در این نوع از کمپرسورها روغن تحت فشار گاز خروجی از کمپرسور به محفظه تراکم فرستاده شده و ضمن اختلاط با گاز مورد تراکم عملیات روانکاری ، خنک کاری و کاهش نشتی گاز از لقی موجود در بین قطعات را به عهده دارد. روغن مخلوط شده با گاز مورد تراکم در تله جدا کننده روغن (Oil Separator) از آن جدا شده و بعد از خنک کاری به محفظه تراکم برگشت داده می شود.

به طور کلی روغن کاری شدن، به معنی تماس روغن با گاز در محفظه تراکم است. به همین دلیل کمپرسورها را می توان به دو دسته روغن کاری شونده (Lubricated) یا کمپرسورها از بعد روغن کاری شونده و خشک یا فاقد روغن (Dry or Oil Free) تقسیم نمود.

درکمپرسورهای خشک، محفظه تراکم از قسمت انتقال قدرت کاملا جدا بوده و لذا عملا گاز مورد تراکم هیچگونه تماسی با ماده روان کننده ندارد. در کمپرسور از نوع پیستونی روغن کاری شونده، اختلاط روغن با گاز مورد تراکم بطور ناخواسته و از طریق نشت روغن از کارتل به بالای پیستونها و از کناره رینگها صورت می گیرد.

امروزه با وجود مشکلات و مسائل متعددی که در زمینه بهره برداری از کمپرسورهای خشک وجود دارد، در بسیاری از موارد شرایط بهره برداری و مشخصه های فیزیکی و شیمیایی گاز مورد تراکم ایجاب می کند که عمل تراکم گاز در محفظه تراکم در غیاب روغن صورت گیرد.

تولید اکسیژن، صنایع غذائی و داروئی، تراکم بسیاری از گازهای مورد استفاده در صنایع پتروشیمی و … نمونه هایی از صنایعی بوده که نسبت به حضور روغن در گاز مورد تراکم حساس می باشند. هرچند که کمپرسورهای گریز از مرکز ذاتا فاقد روغن  OilFree می باشند ولی در کمپرسورهای رفت و برگشتی و دورانی با اعمال تدابیر لازم می توان مانع از حضور روغن در محفظه تراکم شد. کمپرسورهای خشک هر چند که از نظر حداکثر دمای قابل تحمل در محفظه تراکم در مقایسه با کمپرسورها از بعد روغن کاری شونده دارای مزیت می باشند (دمای مجاز در آن حدود ٣٠ تا ٧٠ درجه سانتیگراد از دمای مجاز در کمپرسورهای روغن کاری شونده بیشتر بوده و به همین خاطر نسبت تراکم بالاتری را در هر مرحله از این کمپرسورها می توان پیش بینی کرد ) ولی به لحاظ قیمت بالاتر، هزینه های تعمیر و نگهداری بیشتر، قابلیت اعتماد کمتر، راندمان پایینتر و … امروزه جزء در موارد اجباری حتی الامکان سعی می شود از کمپرسورهای خشک استفاده نشود . ویژگیهای نامطلوب کمپرسورهای خشک باعث شده تا امروزه نگرش جدیدی در این زمینه مطرح شود و آن عبارتست از تزریق روغن به مقدار بسیار کم (در حد چند( ppm با سازگاری لازم با گاز مورد تراکم. حضور روغن، حتی به مقدار ناچیز موجب بهبود نسبی در عملکرد کمپرسورهای خشک می گردد.

درکمپرسورهایی که بصورت خشک طراحی می شوند لازم است تا قطعاتی که در معرض سایش قرار دارند از کیفیت مطلوب تری در مقابل اصطکاک و عوارض ناشی از آن برخوردار باشند.

موادی نظیر تفلن گرافیتی ، گرافیت و … بعنوان مواد اولبه با ضریب اصطکاک پائین، خاصیت خود روانکاری و .. جزء ترکیبات مطلوب در ساخت رینگهای هادی و تراکم در کمپرسورهای پیستونی و به عنوان ماده پوشش دهنده در ساخت روتور کمپرسورهای حلزونی شدیدا مورد توجه قرار گرفته اند.

یک پمپ دوچرخه ساده ترین نوع یک کمپرسور جابجایی مثبت می باشد، که در این نوع پمپ، هوا وارد سیلندر می‌شود و توسط پیستون متحرکی فشرده می‌شود. یک کمپرسور جابجایی مثبت (Displacement compressor) حجم معینی از گاز یا هوا را محصور می‌کند و سپس با کاهش دادن منطقه حجم محصور شده، فشار را افزایش می‌دهد.

کمپرسور پیستونی دارای اصل عملکردی مشابهی است با یک پیستون، این کمپرسور دارای پیستونی می باشد که در آن یک میله اتصال و یک میل لنگ چرخشی باعث عقب و جلو رفتن آن می‌شود. اگر برای فشردن هوا فقط یک طرف پیستون استفاده شود، پیستون یک طرفه نامیده می‌شود. اگر هر دو طرف بالا و پایین مورد استفاده قرار گیرد،کمپرسور دو طرفه نامیده می‌شود. تفاوت بین فشار در قسمت ورودی و قسمت خروجی به عنوان اندازه‌ای از کار کمپرسور می باشد.

نسبت فشار، رابطه بین فشار مطلق در قسمتهای ورودی و خروجی است. بنابراین ماشینی که هوایی تحت فشار اتمسفر را تا ۷ bar فشرده می‌سازد دارای کاری با نسبت فشار ۱=۸ / (۷+۱) می باشد.

کمپرسورهای گریز از مرکز با کمپرسورهای پیستونی دارای تفاوت هایی هستند در این نوشتار به برخی از این تفاوت ها پرداخته شده است.

در مقایسه کمپرسورهای گریز از مرکز با کمپرسورهای پیستونی می توان گفت:

1. حذف شدن خطر ضربه هیدرولیکی احتمالی .
2. ابعاد کوچکتر و وزن کمتر در قدرتهای مساوی .
3. نبودن سوپاپ ها و در نتیجه حذف مقاومت .
4.  تعادل و آب بندی بهتر بخاطر نبودن نیروی انرسی متغیر
5. حذف روغن کاری درونی که در نتیجه آن روغــن به وسایــل تبــادل کننــده نمی رود(کندانسور ـ تبخیر کنند). در عوض استفاده از سیستم روغن کاری مخصوص و الکتروموتور سینکرونی از کمبودهای کمپرسورهای گریز از مرکز بشمار می رود.

موارد استفاده از کمپرسورهای گریز از مرکز در ماشینهای مبرد بزرگ در صنایع شیمیایی و نفت و در دستگاههای بزرگ تهویه مطبوع می باشد و معمولاً وقتی از این نوع کمپرسورها استـفاده می شود که حجم بخار ورودی به کمپرسور خیلی زیاد باشد .
مبردهای مورد استفاده در کمپرسورهای گریز از مرکز باید دارای راندمان حجمی کم ( زیاد شدن حجم بخار) و وزنی ملکولی زیاد (افزایش انرژی جنبشی وکم شدن تعداد پروانه) باشند که این خواص در فریون ۱۱ و ۱۴۲ و ۱۲ مشاهده می شود .
در مکانهای که احتیاج به سرمایش زیادی دارند از کمپرسورهای بزرگ تبرید  استفاده می کنند و ظرفیت هز یک از آنها ار ۱۰۰ تا ۱۰۰۰۰ تن تبرید است . بر حسب نوع و ظرفیت کمپرسور مبردهای مورد استفاده در چیلرفریون ۱۲ یا ۲۲ یا ۱۱۳ یا یا ۵۰۰ یا … استفاده می شوند البته در سالهای اخیر به دلیل آشکار شدن اثر مخرب CFC ها بر لایه اوزون جو زمین و ممنوعیت استفاده از آنان مبردهای بی زیان برای لایه اوزون به تدریج جانشین آنان می شوند که از جمله آنان می توانیم به R134a اشاره کرد .
کمپرسورهای تبرید از یک یا تعدادی پره تشکیل می شوند که روی محوری که با سرعت در محفظه می چرخد سوار شده است. مبرد که به چشم پره وارد شده است با نیروی گریز از مرکز در سرعت زیادبه نوک پره رانده می شود و از اینجا مبرد به دیفیوزر وارد شده و فشار سرعتی آن به فشار استاتیکی تبدیل می شود. سپس به کندانسور رانده شده تا تقطیر شود و ادامه سیکل انجام می شود .

در بسیاری از کمپرسورها به لحاظ محدودیت های دمایی (افزایش غیر مجاز درجه حرارت در اثر تراکم و حساسیت قطعات مکانیکی به لحاظ رعایت لقی ها و آثار نامطلوب درجه حرارت بر روی ماده روان کننده) و در برخی از کمپرسورها بخاطر محدودیت های ذاتی (مانند کمپرسورهای گریز از مرکز ) عملا دست یابی به فشار مورد نظر در کمپرسورهای یک مرحله ای میسر نبوده و بعد از تراکم گاز در مرحله اول لازم است که قبل از استمرار تراکم گاز، آن را از کمپرسور خارج کرده و بعد از خنک کردن جهت دستیابی به فشار مورد نظر به مرحله (یا مراحل) بعدی فرستاده شود. کمپرسورهایی که در آن فرآیند تراکم در چند مرحله صورت می گیرد را اصطلاحا کمپرسورهای چند مرحله ای (Multistage) می گویند.
البته گاهی اوقات چندمرحله ای کردن تراکم گاز در کمپرسور بخاطر بهبود راندمان کمپرسور صورت می پذیرد. هرچند که افزایش تعداد مراحل کمپرسور موجب گران شدن قیمت اولیه و در مواردی افزایش هزینه های تعمیر و نگهداری آن می شود ولی با توجه به اهمیت انرژی مصرفی و ارتباط آن با راندمان کمپرسور و تأثیر چشمگیر آن بر هزینه های بهره برداری بسیاری از خریداران ترجیح می دهند که از کمپرسورهای چند مرحله ای بجای کمپرسورهای یک مرحله ای استفاده کنند.
درطراحی خنک کن های بین مرحله ای سعی شده است که گاز مورد تراکم قبل از ورود به مرحله بعدی تا دمای ورودی به مرحله اول خنک شود. ولی این نظریه همواره صادق نبوده و عامل تعیین کننده در این زمینه هزینه های خنک کاری، تأثیر آن بر راندمان کمپرسور، صرفه جوئی در هزینه های بهره برداری و محدودیت خنک کاری از نظر بروز میعان در مراحل بعدی  کمپرسور می باشد.

کمپرسور اسکرو یا حلزونی با طرح های مشابه کمپرسورهای امروزی نخستین بار در سال ١٩٣۴ توسط  Lysholm مهندس ارشد شرکت(SRM) Sevenska Rotor Maskiner اختراع شد. با این که اولین کمپرسور اسکرو یا حلزونی درسال ١٨٧٨ درآلمان ساخته شد، لذا این می توان افزود: کمپرسور اسکرو یا حلزونی را می توان جزء کمپرسورهای جدید در صنایع دانست. Lysholm سعی بر این داشت تا کمپرسوری ازخانواده دورانی، با سرعت بالاتر از کمپرسورهای تناوبی که بتوان مستقیما آن را با توربینهای گازی راه اندازی نمود و فاقدمشکلات پدیده موجدارشدن (Surging) که در کمپرسورهای گریزازمرکزبه وقوع می پیوندد باشد، طراحی و تولید کند.

اولین کمپرسور ساخته شده توسط وی ازنوع خشک  (OilFree) که دارای دنده زمان بندی کننده (Timming Gear) بوده تا موجب همزمانی چرخش روتورها شود. آرایش روتورها به صورت٣+۳ طراحی شد (روتور نری با سه برجستگی و روتور مادگی با سه فضای مقعر) و دارای زاویه پیچش تندی (Steep) بوده که اجازه می دهد تا کمپرسور با نسبت تراکم داخلی (Built- in Compression Ratio) بالاتر و فشار خروجی بیشتری کارکند. فشار دهش درطرحهای اولیه این کمپرسورهاحدود ۲۰-۳۰  psigبود.

متأسفانه طرح فوق باعث ایجاد فضای گیرانداختن  TrappedPocketدر کمپرسور شده و این امرموجب بالا رفتن فشار گاز قبل از خروج گاز از کمپرسور شده که نهایتا افزایش سروصدای کمپرسور و کاهش راندمان را بدنبال داشت.

دردهه ١٩۴٠ Hans Nilson مهندس ارشد شرکت SRM تغییراتی را در کمپرسورهای اولیه بوجود آورد . در طرح وی روتور نری (Male Rotor) با چهار گوشواره وروتور مادگی (FemaleRotor) با شش محفظه مقعر(آرایش ۶+۴) ساخته شد. این تغییرات موجب حذف فضای گیر افتادن و افزایش زاویه پیچش حلزونی شده که در نهایت باعث افزایش تثبیت تراکم و راندمان کمپرسور می شد.

پیشرفت در طراحی و ساخت ماشینهای تراش حلزونی به شرکت Howden که یک شرکت اسکاتلندی بود اجازه داد تا تولید نسل جدید کمپرسورهای اسکروی را که روغن کاری می شدند (OilFlooded) را توسعه و گسترش دهند.

استفاده از شیر لغزشی (Slid Valve) در سالهای اولیه دهه ١٩۵٠ موجب شد تا شرکت SRM بتواند درکنار تغییر ابعاد کمپرسور ظرفیت آنها را نیزکنترل نماید. کنترل ظرفیت که یکی از عوامل محدود کننده در طراحی کمپرسور بود اجازه داد تا بتوان نسبت تراکم را دریک دمنده وسیعی از تغییرات دبی، تحت کنترل درآورد. امروزه استفاده از شیر لغزنده درکنترل ظرفیت کمپرسورهای حلزونی ازنوع روغن کاری شونده کاربرد وسیعی دارد. روغن کاری کمپرسور علاوه بر افزایش راندمان کمپرسور به میزان ٨ تا ١٠ درصد در مقایسه با کمپرسورهای خشک، موجب افزایش نسبت تراکم مجاز شده و نیاز به دنده های زمان بندی کننده را در بهره برداری از کمپرسورهای حلزونی منتفی ساخته است. لایه روغن موجود بین روتورها اجازه می دهد تا روتور مادگی توسط روتور محرک (روتور نری) بچرخش درآید. این امر نخستین بار توسط شرکت اطلس کوپکو درسال ١٩۵٧ به مرحله اجراء درآمد. استفاده از شیر لغزنده همراه با روغن کاری به روش تزریقی نخستین بار در سیستم تبرید در سال ١٩۶٠ بکار گرفته شد. تغییر در ساختار روتورها وتغییر شکل آن بصورت غیر متقارن Asymmetric سال ١٩۶٩ توسط شرکت Sullair صورت پذیرفت. تغییر شکل روتورها باعث کاهش میزان نشتی در طول مسیر تراکم شده که در نهایت افزایش راندمان را به دنبال داشت. بهبود کارایی در سرعت کم اجازه می دهد تا این کمپرسور ها را بتوان بطور مستقیم توسط الکتروموتورها مورد بهره برداری قرار داد.

کمپرسورهای جریان محوری مانند سایر انواع کمپرسورها دارای مزایا و معایبی هستند، در این نوشتار سعی شده است که به این موارد پرداخته شود.

مزایای کمپرسورهای جریان محوری

کمپرسورهای جریان محوری جدیدا مصرف صنعتی زیادی پیدا کرده اند و برای حجم های خیلی بالا حتی تا ۸۶۰۰۰۰ فوت مکعب در دقیقه مناسب ترین کمپرسور می باشند. این دسته از کمپرسورها در مقایسه با کمپرسورهای سانتریفوژ برای فشردگی یک حجم معین گاز قطر چرخان (Rotor)، نصف قطر پروانه کمپرسور سانتریفوژ خواهد بود. اگر کمپرسور جریان محوری خوب طراحی و ساخته شود، سرعت گاز می تواند به ft/s 400 در خروجی برسد. هزینه اولیه ساختن یک کمپرسور جریان محوری با هزینه اولیه ساختن یک کمپرسور سانتریفوژ برای انجام کار معین برابر می باشد، ولی هزینه نیروی محرکه کمپرسور جریان محوری کمتر از هزینه نیروی محرکه کمپرسور سانتریفوژ است. یعنی اینکه برای یک کار معین، کمپرسور جریان محوری توربین یا موتور برقی کوچکتری نیاز دارد که این خود باعث کم شدن هزینه های بعدی می شود.

معایب کمپرسور جریان محوری

اگر چه کمپرسورهای جریان محوری برای جریانهای بالاتری نسبت به کمپرسورهای سانتریفوژ استفاده می شوند اما ارتفاع فرستادن گاز در این کمپرسورها خیلی پایین می باشد و تقریبا کمتر از نصف کمپرسورهای سانتریفوژ است که به این معنی می باشد، فشار خروجی در این نوع کمپرسورها خیلی کمتر از کمپرسورهای سانتریفوژ است. مثلا برای رسیدن به فشار psig 65 به دوازده مرحله فشرده کردن گاز نیاز است که این خود باعث افزایش حجم اشغال شده توسط کمپرسور و سایر هزینه ها می شود. با توجه به موارد ذکر شده نتیجه می شود این کمپرسورها راندمان کمتری نسبت به کمپرسورهای سانتریفوژ دارند.

کمپرسورهای دیافراگمی (Diaphragm compressors) جز کمپرسورهای جابجایی مثبت هستند. دیافراگم بطور مکانیکی یا هیدرولیکی به کار انداخته می‌شود. کمپرسورهای دیافراگمی مکانیکی با جریان اندک و فشار پایین یا به عنوان پمپ‌های خلاء مورد استفاده قرار می‌گیرند. کمپرسورهای دیافراگمی هیدرولیکی برای فشار بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. بعلاوه می توان گفت: عملکرد کمپرسورهای دیافراگمی مانند نوعی کمپرسور رفت و برگشتی (reciprocating compressor) است که در آن تراکم گاز با استفاده از یک ممبران انعطاف‌پذیر انجام می‌گیرد.

حرکت به جلو و عقب ممبران توسط یک میله و یک مکانیزم میل لنگ و یا به وسیله یک سیستم هیدرولیکی انجام می‌شود. تنها ممبران و محفظه کمپرسور در تماس با گاز پمپ شده قرار می‌گیرند. به همین دلیل این ساختار برای پمپاژ گازهای سمی و مواد منفجره بسیار مناسب است. ممبران باید به اندازه کافی قابل اعتماد باشد تا تغییر شکل مورد نیاز را تحمل کند. همچنین ممبران باید دارای خواص شیمیایی مناسب و مقاومت دمایی کافی باشد.

کمپرسور رفت و برگشتی از عمل رفت و برگشت پیستون درون سیلندر برای فشرده سازی گاز تبریدی استفاده می کند. به این صورت که موقعی که پیستون به سمت پایین حرکت می کند، واکیومی درون سیلندر ایجاد می شود. به خاطر فشار در بالای سوپاپ ورودی بیشتر نسبت به فشار پایین آن است سوپاپ ورودی مجبور می باشد که باز شود و گاز تبریدی در سیلندر مکیده می شود. بعد از اینکه پیستون به پایین می رسد موقعیت آن شروع به حرکت به سمت بالا می کند. سوپاپ ورودی بسته می شود گاز تبریدی درون سیلندر به تله می افتد. موقعی که پیستون به سمت بالا در کمپرسور حرکت می کند و فشرده سازی گاز تبریدی ادامه می یابد فشار آن افزایش می یابد. در نقطه معین از فشار توسط نیروهای تبرید نشان داده شده است که سوپاپ خروجی است که باز می شود و هوای تبریدی فشرده شده به خارج از سیلندر جریان می یابد. یک بار پیستون به بالاترین موقعیت می رسد دوباره شروع کرده و به سمت پایین حرکت می کند و سیکل دوباره در کمپرسور تکرار می شود.

کمپرسورها بر اساس فرآیند تراکم و رفتاری که از خود نشان می دهند به دو دسته زیر تقسیم بندی می شوند:

• کمپرسورهای گریزازمرکز Centrifugal
• کمپرسورهای جابجائی مثبت PositiveDisplacement

در کمپرسورهای گریز ازمرکز (جریان پیوسته) ابتدا انرژی جنبشی گاز مورد تراکم افزایش داده شده و سپس بخش اعظمی از انرژی جنبشی آن در یک مجرای گشاد شونده بنام حلزونی (Voulte) به انرژی پتانسیل (فشار) تبدیل می شود.

در کمپرسورهای جابجائی مثبت همواره مقدار معینی از گاز بین دو قطعه به تله انداخته شده و با کاهش حجم محفظه، فشار گاز افزایش می یابد. این کمپرسورها خود به دو دسته تناوبی(Reciprocating) و دورانی(Rotary)  تقسیم می شوند. البته هریک از دسته های فوق تنوع زیادی درشکل و ساختار مکانیکی داشته ولی از لحاظ رفتاری دارای ویژگیهای نسبتا یکسانی هستند.

کمپرسورهای فریونی کاسه نمدی جز کمپرسورهای پیستونی تراکم یک مرحله ای و از انواع کمپرسورهای خرد و کوچک هستند. در این دسته از کمپرسورها دو سیلندر یا چهار سیلندر بصورت عمودی یا V شکل با قطر ۴۰ تا ۷۰ میلی متر ساخته می شوند . عمل خنک سازی سیلندرها با هوا بوده و میل لنگ کمپرسور با دو تکیه گاه و سرعت آن ۲۴ دور در ثانیه است . انتقال نیرو از الکتروموتور به کمپرسور بوسیله تسمه با کوپلینگ می باشد . دو طرف میل لنگ بوسیله کاسه نمد سیفونی با فنری آب بندی شده و سطح اصطحکاک گرافیت ـ فولادی و برتری یا فولاد است . روغن کاری پاشش فشاری است .