در میان انواع کمپرسور هوا، کمپرسور اسکرو پرکاربردترین و شناخته‌شده‌ترین نوع کمپرسور هوای صنعتی معدنی است و این مقام بی‌جهت کسب نشده است. کمپرسور اسکرو در مقایسه با دیگر کمپرسور پرکاربرد روتاری، کمپرسور اسکرول، تنوع مدل‌های بسیار بیشتری دارد، دمای هوای فشرده خروجی پایینتر و المنت یا استیج هوای فشرده مقاوم‌تری دارد. اما تمایزی که یکی از این دو کمپرسور روتاری را بسیار فراگیرتر کرده است اینها نیست، کمپرسور اسکرو ظرفیت هوادهی یا دبی هوای فشرده خروجی بسیار بیشتری دارد. این برتری نسبت به کمپرسور پیستونی نیز محسوس است. مصارف عمومی صنعت و معدن مصارفی هستند که نیاز به فشار بسیار بالا (۵۰ تا ۱۰۰ بار) ندارند، از سوی دیگر در این کاربردها هوادهی هوای فشرده مداوم بسیار کلیدی است؛ هر دوی این نکات عامل برتری کمپرسور اسکرو بر شناخته‌شده‌ترین کمپرسور رفت و برگشتی، کمپرسور پیستونی، در مصارف صنعتی و حفاری است. همچنین کمپرسور پیستونی به دلایل متعدد در طراحی، بازدهی و بهره‌وری ضعیف‌تری نسبت به کمپرسور اسکرو دارد. اینها همگی دلایلی هستند بر اهمیت شناخت بهتر کمپرسور اسکرو.
کمپرسور اسکرو، مزایا و محدودیت‌ها
کمپرسور اسکرو (مارپیچی) از زیرمجموعه‌های کمپرسورهای جابجایی مثبت یا جریان تناوبی و پرکاربردترین نوع دورانی می باشد. در مطلب پیش رو به معرفی و بررسی این کمپرسورها خواهیم پرداخت.
در سال ۱۹۳۰ نیاز به ساخت کمپرسوری با ظرفیت و فشار متوسط و قادر به کار پیوسته در حالت‌های مختلف احساس شد. این کمپرسورها فصل مشترک کمپرسور رفت و برگشتی و سانتریفیوژ بوده و بهترین عملکرد را نسبت به سایر کمپرسورها در این فصل مشترک دارند و بیشتر در سیستم‌های تبرید مورد استفاده قرار میگیرند. مزایای این دسته از کمپرسورها عبارتند از:
- تعمیرات ساده
- هزینه تعمیراتی پایین
- طول عمر بالا
- دارای قطعات کم
- دارای نسبت فشار برای هر مرحله در حدود ۱۴ (Pressure ratio per stage)
و در عملکرد نیز در مقایسه با کمپرسورهای دیگر دارای مزایای زیر می باشند:
- توانایی هندل کردن گازهایی با ذرات پودری و جامد و یا قطرات سیال می باشد.
- برای تزریق سیال جهت خنک‌کاری و شستشو مناسب می باشد.
- Surge در آن بی معناست* (پی نوشت)
- تغییر در جرم مولکولی، ترکیب گاز و تا حدودی Pressure ratio در ظرفیت اثری ندارد.
فشار، ظرفیت هوادهی و طراحی کمپرسور اسکرو
طراحی فشار خروجی این کمپرسورها از چند میلی بار تا ۴۰ بار و در ظرفیت هوادهی هوای فشرده خروجی تا ۱۲۰۰ مترمکعب بر دقیقه بوده و از این نظر بعد از کمپرسورهای گریز از مرکز قرار دارد. در دو نوع خشک و روغنی طراحی و ساخته می شوند. از این کمپرسورها در ظرفیت‌های پایین برای سیستم تهویه مطبوع خودروها استفاده می‌شود. از بزرگترین معایب آنها صدای زیاد است که معمولا برای قسمت خروجی از یک کاهنده‌ی صدا استفاده می شود و کمپرسور را دراتاقک‌های عایق صوتی قرار می دهند.
در سال ۱۹۶۰ کمپرسورهای با سرعت بسیار بالای بدون روغن (اویل فری) با پروفیل و شکل جدید روتور رونمایی شد. هرچند کمپرسورهای رفت و برگشتی از راندمان بالاتر و توان مصرفی پایین‌تری نسبت به این کمپرسورها برخوردار هستند ولی ابعاد کمپرسور اسکرو، برای دبی معینی از جریان گاز، کوچکتر بوده و به علت فقدان نیروهای بالانس نشده به فونداسیون سبک و فضای کمتری برای نصب نیاز دارند، از این رو هزینه نصب آنها کمتر می باشد. این دستگاه‌ها قادر هستند گازهای چسبناک (Sticky) و قابل پلیمریزاسیون را متراکم نمایند؛ اینگونه سیالات به دلیل وجود ذرات نرم باعث کاهش لقی روتورها و نشتی و افزایش راندمان حجمی کمپرسور می گردند. دراین تجهیزات بیشتر معایب سایر کمپرسورها مرتفع گردیده و کارآمدتر، سبک‌تر، ساده‌تر، دارای سرعتی نسبتا بالاتر و قابل اطمینان‌تر هستند؛ همچنین لرزش و نوسان جریان (Pulsation) کمتری نسبت به کمپرسورهای رفت و برگشتی دارند. به علت بالا بودن راندمان (حدود ۷۵تا۸۵ درصد) در بیشتر موارد بر کمپرسورهای گریز از مرکز ارجحیت داشته و عملکرد آنها وابستگی چندانی به جرم مولکولی گاز ندارد. این کمپرسورها از نظر اقتصادی نیز در محدوده توان مصرفی ۲۰۰-۱۵۰۰ اسب بخار از کمپرسورهای گریز از مرکز ارزانتر می باشند.
کمپرسور اسکرو روغن پاششی
کمپرسورهای اسکرو با توجه به حذف معایب کمپرسورهای رفت و برگشتی، دارای راندمان بالا هستند. در نوع روغنی این دستگاه‌ها امکان دستیابی به نسبت فشار ۸ وجود دارد که این میزان معمولا در کمپرسورهای رفت و برگشتی بسیار مشکل و دست‌نیافتنی می باشد. طول روتور این کمپرسورها حدود ۷۵ تا ۶۳۰ میلی‌متر بوده و میزان دبی بین ۰/۶ تا ۶۰۰ مترمکعب بر دقیقه می باشد. نسبت فشار خروجی به فشار ورودی (rp) در نوع خشک تا حدود ۴ و در نوع روغنی تا ۲۵ و نیز اختلاف بین فشار ورودی و خروجی بین ۱۵ تا ۵۰ بار می تواند باشد. سیستم آب‌بندی روتورها در دو طرف آنها قرار گرفته است و در مجموع چهار دسته سیستم آب‌بند در هر مرحله وجود دارد.
آب بندی کمپرسور
معمولا از سه نوع آب‌بند در این تجهیزات استفاده می شود: لایبرنت (متناسب با سیال)، حلقه‌های فشارشکن و آب‌بند مکانیکی (که طبق استاندارد AP1619 طراحی می گردد). برای سیال نیتروژن یا سایر گازهای خنثی نوع لایبرنت و حلقه‌های فشارشکن توصیه می شود. محدوده دما و فشار برای این نوع آب‌بندی ۱۷۵ درجه سانتیگراد و ۱۰ بار می باشد. برای فشارهای بالای ۴۵ بار و دمای بالای ۱۷۵درجه سانتیگراد از آب‌بند مکانیکی یا سیال محافظ روغن استفاده می شود.
دامنه کاربرد کمپرسور اسکرو
این تجهیزات اساسا برای تولید هوا در صنایع لوازم خانگی، غذایی، دارویی، صنایع شیمیایی و پتروشیمی و سیستم‌های تهویه غیرصنعتی طراحی و ساخته شده اند و اغلب در سرویس سیالات مبرد، هوا و گازهای سوختی در صنایع کاربرد فراوان دارند. این کمپرسورها قادر به کار با سیالاتی مانند بخار خشک، گازها و مخلوط‌های چندفازی هستند.
ساختار کمپرسور اسکرو
این کمپرسورها از خانواده جابجایی مثبت و دارای ساختاری ساده هستند، داخل بدنه‌ی این کمپرسور دو روتور با شیارهای مارپیچی ماشینکاری شده و با فضای بسیار محدود قرار دارد که فضای مذکور در طول روتور با بدنه کاهش یافته و باعث تراکم گاز می شود.
معمولا جنس پوسته‌ي آنها از چدن خاکستری است و مجرای ورودی و خروجی گاز در قسمت بالا و پایین پوسته در مقابل هم قرار دارد. در این واحدها با استفاده از دوران دو روتور نر و ماده عمل فشرده‌سازی سیال انجام می پذیرد. هر دو روتور در کنار یکدیگر و در داخل یک پوسته قرار گرفته اند و جهت گردش آنها مخالف یکدیگر است. حرکت دورانی به وسیله یک محرک اصلی مثل الکتروموتور به روتور نر و سپس به روتور ماده انتقال می یابد.
پارامترهای زیر در میزان فشار و ظرفیت این کمپرسورها موثرند:
۱- طول روتور (فشار)
۲- قطر روتور (ظرفیت)
۳- زاویه پیچش لوب‌ها (فشار و ظرفیت)
۴- دور کمپرسور (ظرفیت)
افزایش دور در کمپرسورهای جابجایی مثبت فقط باعث افزایش ظرفیت شده و میزان تغییر فشار تابع افت فشار سیستم پایین می باشد. تعداد لوب‌های (گوشه ها یا دنده ها) روتور نر کمتر از روتور ماده می باشد؛ برخی از ترکیب‌های نر و ماده کمپرسورهای اسکرو در شکل زیر آمده است:
طراحی روتور کمپرسور
سیستم یاتاقان‌بندی روتورها در دستگاه‌های نوع سنگین، هیدرودینامیک یا لغزشی (شعاعی و محوری) و در نوع سبک، غلتشی می باشد. انتخاب چند مرحله بودن کمپرسور با توجه به دمای خروجی گاز و محدوده اختلاف فشار تعیین می شود. در کارخانه سازنده دو روتور خام از ابتدا به عنوان زوج انتخاب شده و به طور همزمان عملیات تراشکاری و ساخت آنها انجام می شود. در طراحی این تجهیزات اختلاف فشار بین سیال خروجی و ورودی عامل بسیار مهمی است، چون اگر از محدوده‌ی مجاز بالاتر باشد باعث خمش در روتورها و آسیب به تجهیزات می شود. مقدار مجاز معمولا بین ۰/۷ تا ۱۰ بار است ولی بیشتر طراحان با تغییر طول روتورها آنرا تا ۱۴ بار می رسانند. تغییر دور و سرعت این تجهیزات با استفاده از محرک‌هایی مثل توربین بخار یا گاز و یا موتورهای الکتریکی، بین ۷۰ تا ۱۰۵درصد دور، قابل انجام است. برای دورهای پایینتر از این محدوده مشکل دور بحرانی مطرح خواهد شد و اگر این مسئله نباشد تا ۵۰درصد دور معمولی تجهیزات قابل قبول می باشد اما منجر به بالا رفتن دمای کاری دستگاه می شود. این کنترل دور معمولا باعث افزایش کنترل سیستم لوله‌ی بای‌پس، دامنه تغییرات جریان و انعطاف پذیری تجهیزات در هنگام راه‌اندازی خواهد شد. لوله خارجی بای‌پس برای چرخاندن سیال از قسمت خروجی به ورودی یا اتمسفر (در سیال هوا) در اطراف تجهیزات قرار گرفته است. زمان تست این کمپرسورها معمولا ۴ ساعت تحت شرایط بهره‌برداری طبق استاندارد API 619 است. معمولا سقف مجاز دمای خروجی سیال در این تجهیزات ۳۵۰ درجه فارنهایت (۱۷۵درجه سانتیگراد) بوده و برای دمای بالاتر از ۴۵۰ درجه فارنهایت (۲۳۰درجه سانتیگراد) بایستی از سیستم خنک‌کاری روتور به وسیله روغن استفاده نمود.
سیستم‌های جانبی کمپرسور اسکرو
در تحلیل و بررسی سیستم‌های فشرده‌سازی گاز، تمرکز تنها بر کمپرسور هوا کفایت نکرده و می بایست تمام سیستم توزیع هوای فشرده را مورد بررسی قرار دهیم. فراتر از سیستم فشرده‌سازی گاز، سیستم توزیع هوای فشرده مشتمل بر سیستم‌های فرآیندی، روانکاری، آب‌بندی، خنک‌کاری، مانیتورینگ و کنترل ظرفیت نیز است و در مطلبی دیگر به بررسی کامل آنها خواهیم پرداخت.
نحوه تراکم گاز در کمپرسور اسکرو
مرحله اول:
سیال به قسمت روتورها کشیده می شود و فضای بین مارپیچ‌ها را پر می کند. این قسمت مانند مرحله مکش در کمپرسورهای پیستونی می باشد.
مرحله دوم و سوم:
هنگامی که سیال وارد قسمت فشرده‌سازی شد با چرخش روتورها حجم آن کاهش یافته و بنابراین فشار افزایش می یابد. این کم شدن حجم تا قسمت تخلیه سیال ادامه می یابد تا فشار به مقدار دلخواه برسد.
مرحله چهارم:
گاز فشرده به بیرون کمپرسور جریان می یابد.
پی‌نوشت: Surge
همانطور که در نمودار عملکرد کمپرسور سانتریفیوژ زیر مشاهده می کنید در نقطه‌ای که از آن با عنوان نقطه‌ی عملیاتی Surge یاد می شود با افزایش Head (کار با واحد فوت پوند بر پوند گاز یا نیوتن متر بر کیلوگرم گاز) به کمینه (مینیمم) دبی مجاز می رسیم و پس از آن نیاز به ریکاوری هست. این وضعیت عموما با سیستم کنترل surge مدیریت می شود. در کمپرسور اسکرو Surge رخ نمیدهد.
در نگارش این متن از کتاب کمپرسورها – شناخت و کاربرد نوشته‌ی مهندس داریوش نسایی و مهندس محمدرضا شیخ عالیوند بهره برده شده است که میتوانید از طریق لینک زیر نسخه الکترونیک آن را تهیه فرمایید
