هرجا که ظرفیت و قدرت بالا مدنظر باشد، بدون شک کمپرسور سانتریفیوژ حرف اول را میزند. از نظر تعداد مورد استفاده در صنعت، این ماشین‌ها در مقایسه با نوع رفت و برگشتی در جایگاه دوم هستند.
طی ۷ دهه‌ی گذشته استفاده از توربوکمپرسور یا کمپرسور سانتریفیوژ به موجب حجم، وزن و نیروی اینرسی کمتر و متعاقبا نیاز به فونداسیون کوچکتر فراگیرتر شده است. راندمان یا بازدهی این کمپرسور در مقایسه با کمپرسور پیستونی به ازای دوره‌ی سرویس معین پایینتر بوده و منبع انرژی ارزانی را طلب میکند. ۳ مدل اصلی کمپرسور باد صنعتی هم عبارت است کمپرسور پیستونی، کمپرسور اسکرو و کمپرسور سانتریفیوژ.
در آغاز دهه ۱۹۳۰ میلادی، کمپرسور سانتریفیوژ برای تامین هوای کوره‌های ذوب فولاد و تخلیه دود از کوره‌های تبدیل زغال به کک به کار گرفته شد. در اواخر همان دهه شروع تهویه مطبوع در تئاترها، ساختمان‌های اداری و دیگر اجتماعات مورد توجه قرار گرفت که کمپرسور سانتریفیوژ با توجه به مزیت سروصدا و ارتعاشات کمتر در مراکز مسکونی به سرعت به کار گرفته شد.
امروزه کمپرسور سانتریفیوژ کاربردهای اقتصادی خوبی داشته و همچنان که پیشتر گفته شد برای تامین ظرفیت های بالا تا ۲۰۰ هزار سی اف ام بکار میرود. نسبت تراکم در هر مرحله برای سانتریفیوژهای تک مرحله‌ای تا ۳ برابر بوده و برای توربوکمپرسورهای چندمرحله‌ای مجهز به چند پروانه به کمتر از ۲ برابر کاهش می یابد. تامین توان مورد نیاز این کمپرسور به آسانی با بهره‌گیری از توربین‌های بخار، توربین‌های گازی، موتورهای الکتریکی و موتورهای احتراق داخلی و همچنین بازیافت‌کننده‌های فشار میسر خواهد بود. افزایش فشار در این کمپرسورها با شتابگیری جریان گاز در حرکت شعاعی در طول پره‌های پروانه و تبدیل انرژی سرعت به انرژی فشار در عبور از دیفیوزر صورت میگیرد. قسمت پوسته و پروانه به همراه شافت در داخل پوسته دوران میکند.
عموما وجه تشابه زیادی میان پمپی سانتریفیوژ و کمپرسوری سانتریفیوژ وجود دارد؛ با این تفاوت که پمپ‌ها برای مایعات و سیالات غیرقابل تراکم و کمپرسورها برای گاز و سیالات قابل تراکم کاربرد دارند. هر دو ماشین انرژی مکانیکی را از منبعی خارجی گرفته و با عملی مکانیکی و حرکت دورانی پروانه، این انرژی را به انرژی فشار در سیال پمپ یا کمپرس شده تبدیل میکنند. نیروی سانتریفیوژ به سرعت محیطی پروانه و دانسیته سیال بستگی دارد. دانسیته سیال و مشخصه‌های آن در کمپرسور سانتریفیوژ نقش مهمتری را نسبت به کمپرسور پیستونی بازی میکند. سرعت محیطی در هر مرحله با توجه به سرعت صوت در سیال محدود میشود.
تعاریف و واژه‌شناسی
Dynamic Compressor:
کمپرسور دینامیکی ماشینی دوار با جریان پیوسته است که در آن عمل دینامیکی قطعه‌ی دوار سبب اعمال انرژی جنبشی و فشار به سیال میشود.
Impeller:
پروانه، قطعه‌ی اصلی بخش دوار است که با عمل ایرودینامیکی اندازه حرکت لازم را به گاز اعمال میکند.
Rotor:
روتور کل بخش دوار کمپرسور شامل پروانه‌ها، شافت، غلاف‌های شافت، اجزای دوار آب‌بندها و دیسک تراست است.
Shaft:
شافت جزئی از بخش دوار است که تمام اجزای متحرک روی آن سوار شده و از طریق آن انرژي از ماشین محرک منتقل میشود.
Shaft Sleeves:
غلاف‌ها، قطعاتی هستند که برای نگه داشتن پروانه‌ها روی شات و محافظت از شافت مورد استفاده قرار میگیرد.
Seals:
آب‌بندها، به قطعاتی گفته میشود که مابین بخش دوار و ثابت و برای حداقل‌سازی نشت گاز مابین نواحی پرفشار و کم‌فشار قرار میگرد.
Casing:
پوسته، قسمت ثابت تحت فشار که روتور و دیگار اجزای داخلی را میپوشاند. پوسته معمولا با گلوگاه‌های ورودی و خروجی یکپارچه ساخته میشود.
Diaphragm:
دیافراگم عضو ثابتی است که مابین مراحل مختلف یا پروانه‌ها قرار میگیرد.
Diaphragm Cooling:
خنک‌کاری داخلی گاز در داخل پوسته کمپرسور و با جریان مایعی که در گذرگاه‌های دیافراگم جریان دارد را گویند. این روش از لحاظ اقتصادی کاربردی نداشته و منسوخ است.
Diffuser:
دیفیوزر به گذرگاه پس از پروانه گفته میشود که در آن سرعت گاز به فشار استاتیک تبدیل میشود.
Volute:
حلزونی، طرحی از این قطعه را پیشتر هم در پست الفبای کمپرسور باد صنعتی سانترفیوژ مشاهده کرده ایم. حلزونی بخشی از پوسته است که گاز خروجی از دیفیوزر یا پروانه را جمع آوری کرده و سرعت آن را به فشار تبدیل میکند.
Balance Piston – Balance Drum – Balance Disk:
پیستون تعادل قطعه ای است که با استفاده از فشار گاز نیروی محرکه‌ی ایجاد شده توسط پروانه‌ها را خنثی میکند.
Booster:
کمپرسوری است که با فشار مکش بالا کار میکند. بارها به کمپرسورهای تکمرحله‌ای نیز اطلاق شده است اما الزاما تکمرحله‌ای نیست.
Axially Split – Horizontally Split:
صفحه‌ی اتصال دو نصفه‌ی پوسته در این نوع کمپرسور موازی محور است.
Radially Split – Vertically Split:
صفحه‌ی اتصال دو نیمه‌ی پوسته با محور شافت متقاطع است.
Barrel Type:
پوسته‌های نوع بشکه‌ای پوسته‌های استوانه‌ای با درپوش در دو سمت هستند و در واقع نوعی از کمپرسورهای رادیال یا عمودی است.
Overhung:
یاتاقان یکطرفه – کمپرسور تک مرحله‌ای است که هر دو یاتاقان آن در یک سمت پروانه قرار میگیرد.
Beam Type – Between Bearing:
یاتاقان در سوی پروانه، همانند کمپرسورهای چندمرحله ای.
Integrally Geared:
اساسا متشکل از یک یا چند کمپرسور یاتاقان یکٰ‌طرفه است که همه‌ی آنها توسط یک محرک و از طریق جعبه دنده‌ی مشترک میچرخند.
Double Flow:
پوسته‌ی دودهنه، پوسته‌ای را گویند که جریان گاز از دو گلوگاه در دو سمت آن وارد شده و از قسمت مرکزی خارج میشود.
Side Stream – Side Load:
جریان پیوستی یا انشعابی؛ پوسته ای که بعد از گلوگاه نخست گلوگاه‌های ورودی یا خروجی دیگری نیز در آن وجود دارند و جریان گاز در آن نقاط دارای فشاری معادل فشار پروانه‌ی بالادست یا پایین‌دست در میان مراحل خواهد بود.
Compressor Rated Point:
نقطه‌ی کار کمپرسور در بالاترین سرعت و در بالاترین ظرفیت لازم برای تولید همه‌ی شرایط عملیاتی مشخص شده
Normal Operating Point:
نقطه کارکرد معمول، نقطه کارکرد دائم بوده که راندمان بهینه را نیز داراست.
Normal Operating Speed:
سرعت کارکرد دائم، سرعتی است که با نقطه‌ی کارکرد دائم مطابقت دارد.
100% Speed: بالاترین سرعت لازم برای تامین تمام شرایط عملیاتی است و در بالاتر از منحنی سرعت دورانی نرمال قرار میگیرد. در برخی از مواقع سرعت نرمال، سرعت صد در صد و سرعت حداکثر ممتد یکی است.
Maximum Continuous Speed:
حداکثر سرعت مداوم. بالاترین حد سرعت عملکرد است و ممکن است برحسب توافق میان خریدار و سازنده در بیشتر از سرعت ۱۰۰ درصد قرار گیرد. این مقدار برای محرک‌های متغیر حداقل ۱۰۵ درصد بالاترین سرعت تعیین میشود.
Trip Speed:
سرعت بالایی است که در آن کنترل‌گر سرعت به طور اضطراری ماشین محرک را متوقف میسازد. این سرعت برای توربین‌های گازی ۱۰۵ درصد و برای توربین‌های بخار ۱۱۰ درصد سرعت حداکثر مداوم انتخاب میشود.
Critical Speed:
سرعت بحرانی. هر سرعتی که معادل با فرکانس طبیعی یک بخش از کمپرسور باشد.
Impeller Tip Speed:
سرعت انتهای پروانه. سرعت هر نقطه از پروانه که در قطر خارجی آن قرار گرفته باشد.
Minimum Allowable Speed:
حداقل سرعت مجاز. پایین‌ترین سرعتی است که سازنده مداوم در آن را مجاز میداند.
ICFM: Inlet Cubic Feet Per Minute
شدت جریان حجمی تعریف شده با فشار، درجه حرارت، تراکم پذیری و رطوبت در فلنج ورودی کمپرسور.
ACFM: Actual Cubic Feet Per Minute
شدت جریان حجمی تعریف شده در شرایط موجود فشار و درجه حرارت در هر نقطه از کمپرسور است و بنابراین همیشه معادل ICFM نیست.
SCFM: Standard Cubic Feet Per Minute
شدت جریان حجمی گاز خشک در هر نقطه که به ازای فشار ۱۴/۷ psia، درجه حرارت ۶۰ درجه فارنهایت و ضریب تراکم پیری ۱ محاسبه شده باشد.
Stable Range:
محدوده پایدار، محدوده‌ای از شدت جریان مابین حداکثر و حداقل ممکنه با هد (فشار) ثابت تعریف میشود
Surge Limit:
آغاز ناپایداری، مقدار جریانی که در کمتر از آن، در هد (فشار) معین، عملکرد کمپرسور ناپایدار میشود.
Choke:
خفقان، مقدار جریان حداکثری است که در هد معین کارکرد کمپرسور ناپایدار میشود.
G.H.P: Gas Horsepower
قدرت تراکم، عبارت است از مقدار کار واقعی لازم جهت تراکم و جابجایی مقدار گاز مورد نظر که تلفات ترمودینامیکی، تلفات ناشی از نشت و تلفات اصطکاک سیال را نیز در برمیگیرد.
B.H.P: Brake Horsepower
قدرت ترمزی، قدرت کل لازم ورودی کمپرسور شامل قدرت تراکم به اضافه تمام تلفات مکانیکی.
S.H.P: Shaft Horsepower
قدرت مورد نیاز شافت، همانند قدرت ترمزی تعریف میشود.
P.H.P: Peak Horsepower
حداکثر ثدرت موردنیاز کمپرسور به ازای ۱: فشار خروجی ثابت و فشار ورودی متغیر – ۲: فشار ورودی ثابت و فشار خروجی متغیر.
Stage:
مرحله. به یک جفت پروانه-دیفیوزر گفته میشود. این تعریف بیشتر توسط سازندگان و یا مهندسین اطلاق میشود.
Process Stage:
مرحله فرآیندی. به یک یا چند جفت پروانه-دیفیوزر گفته میشود که تراکم و جابجایی گاز در آن مجموعه بدون خنک‌کاری انجام میگیرد. این تعریف توسط مهندسین فرآیند انجام گرفته است.
آشنایی بیشتر با اجزا و قطعات مکانیکی
پس از آنکه با برخی از واژه‌ها و اصطلاحات مربوط به کمپرسور سانتریفیوژ آشنا شدیم اینک بهتر است به شناسایی قطعات و نقش هرکدام از آنها بپردازیم.
توربوکمپرسورها (کمپرسور سانتریفیوژ) از پوسته و قسمتی دوار موسوم به روتور که با تعدادی یاتاقان نگاه داشته شده است تشکیل شده است. در کمپرسورهای چندمرحله ای یا چند استیج، آب بند‌های دو سر شافت در سمت داخل نسبت به یاتاقان‌ها قرار گرفته و گذرهای داخلی جریان گاز توسط دیافراگم فراهم میشود. برشی از تمام قطعات و اجزای کمپرسور فیوز چندمرحله‌ای را در شکل زیر ملاحظه میکنید:
