در طراحی بسیاری از کمپرسورها از موتورهای القایی برای بهرهوری بالاتر استفاده میکنند. این نوع موتور گشتاور راهاندازی چندان بالایی نداشته و نمیتواند در برابر فشار برگشتی کاملی که از سیستم دریافت میکند شروع به کار کند. این نکته هم در کمپرسور هوا و هم در کمپرسورهای تبرید صادق است.
برای کمپرسور هوا میان کمپرسور و مخزن شیر یکطرفهای تعبیه میشود و شیر اتوماتیک تخلیه نیز به محض توقف کمپرسور، هوای محبوس در لولهی میان کمپرسور و شیر یکطرفه را به اتمسفر تخلیه میکند. در یخچالهای کوچک سادگی سیستم منجر به آن میشود که فشار از طریق شیر انبساط و ظرف چند ثانیه تا چند دقیقه پس از خاموش شدن کمپرسور به حالت تعادل بازگردد و نیازی به مداخلهی اضافی نیست. اینجا هم ضروری است که کمپرسور وارد چرخههای مکرر لود و آنلود سریع نشود که آسیب میبیند.
در سیستمهای تبرید بزرگتر شیر برقی سلنوئیدی کمپرسور را از باقی سیستم جدا کرده و فشار میان ورودی و خروجی را متعادل میسازد تا کمپرسور برای راهاندازی مجدد مشکلی نداشته باشد. تقریبا تمامی سیستمهای تبرید از کنترلرهای بنگ-بنگ استفاده میکنند. کنترل بنگ بنگ به معنای آن است که سیستم یا کاملا خاموش یا کاملا روشن است و نسبت زمان روشن و خاموش یا چرخهی کاری بر اساس نیاز تنظیم میشود و دمای موردنظر حفظ میگردد.
چه در کنترل لود-آنلود و چه در کنترل مادولار برای کمپرسور روتاری اسکرو از شیر لغزنده برای کاهش ظرفیت کمپرسور استفاده میشود. این رویه برای تمامی کمپرسورهای هوا، آمونیاک و سایر گازها یکسان است.
توضیح حالت کار آنلود در کمپرسور هوا
در کمپرسور صنعتی اسکرو یکی از حالات عملیاتی دستگاه کار بدون بار یا در حالت آنلود است. این مدل کارکرد چیست، چرا لازم بوده و چه مزایا و معایبی دارد؟
تنظیم فشار
درک حالت آنلود در درک چگونگی تنظیم فشار در کمپرسور هوا حاصل خواهد شد. در سیستمهای هوای فشردهی صنعتی سه روش کنترل فشار داریم: ۱. لود-آنلود یا بار-بیبار ۲. مادولار یا کنترل پیوسته و ۳. VSD یا سرعت متغیر
کمپرسورهایی که با کنترلر لود-آنلود مدیریت میشوند دو نقطه فشار تنظیم شده دارند:
- نقطه فشار پایین یا لودینگ ست پوینت: وقتی فشار سیستم به این حد برسد کمپرسور شروع به فشردهسازی هوا شده و اصطلاحا در حالت لود قرار میگیرد.
- نقطه فشار بالا یا آنلودینگ ست پوینت: وقتی فشار به این حد رسید کمپرسور فشردهسازی را متوقف نموده و کمپرسور وارد حالت آنلود یا بدون بار میشود.
پس از ورود به حالت آنلود فشار کل سیستم به مرور و در غیاب هوای فشردهی جدید کاهش یافته، به نقطهی فشار پایین میرسد و کمپرسور دوباره زیر بار میرود.
حالتهای کمپرسور: لود، آنلود و استاپ
در هر لحظه کمپرسور اسکروی اویل اینجکت در یکی از سه حالت زیر قرار دارد:
۱- زیر بار یا Loaded: کمپرسور در این وضعیت هوا را فشرده کرده و به سیستم میفرستد. منظور از سیستم مخزن است.
۲- بدون بار یا Unloaded: کمپرسور کار میکند ولی هوا فشرده نمیشود. در این وضعیت خروجی هوا از کمپرسور صفر شده و سیستم در حالت آمادهبهکار باقی میماند.
۳- خاموش یا Stopped: کمپرسور کاملا متوقف و موتور آن خاموش است.
چرا کمپرسورها مکرر خاموش نمیشوند؟
سادهترین حالت کنترل، خاموش و روشن است. در چنین حالتی وقتی فشار به حد بالا رسید کمپرسور کاملا خاموش شده و استاپ میکند. اما در کمپرسور صنعتی این روش استفاده نمیشود. چرا؟
کمپرسورهای صنعتی ماشین آلات کوچکی نیستند، این کمپرسورها از ۵ کیلووات تا ۱۰۰۰ کیلووات توان استخراجی الکتروموتور آنهاست و روشن خاموش مکرر موتور به معنای تاخیر زمانی، فشار بیش از حد روی موتور و سایش بلبرینگهاست.
روشن کردن کمپرسور ۱۰ تا ۲۰ ثانیه طول میکشد و این تاخیر زمانی به صورت مکرر خواهد بود. هر بار استارت به جریان برقی زیادی نیاز دارد و باعث داغ شدن موتور و مدارهای الکتریکی و در موتورهای دیزلی باعث خرابی باتری کمپرسور میشود. در نهایت زمانی که دستگاه خاموش باشد روغن کمپرسور دیگر تحت فشار نیست، روغنکاری ناقص و ضعیف باعث تماس مستقیم فلز با فلز و استهلاک شدید میشود.
بنابرین به جای خاموش سریع و مکرر کمپرسور، کمپرسور مدتی را در حالت بدون بار و در جا کار میکند و بعد در صورت عدم نیاز به هوای جدید خاموش میشود.
حالت آنلود چطور انجام میشود؟
حالت آنلود کمپرسور اسکرو با بستن شیر ورودی اتفاق میفتد. این شیر گاهی شیر تخلیه یا آنلودر نیز نامیده میشود. هرگاه شیر باز باشد هوا وارد شده و کمپرسور فشردهسازی میکند. وقتی شیر بسته شد هیچ هوایی وارد نشده و خروجی کمپرسور به صفر خواهد رسید. عدم ورود هوا به این معناست که هوایی برای فشردهسازی داخل کمپرسور و المنت نیست.
شرایط کمپرسور در حالت آنلود
در حالتی که کمپرسور آنلود کار میکند شیر ورودی بسته بوده، هوایی وارد نمیشود و خروجی هوای فشرده نیز صفر است. در این حالت میان شیر ورودی و روتور خلا شدید رخ میدهد، ولی داخل کمپرسور فشار حداقلی در حدود ۲/۵ تا ۳/۵ بار حفظ میشود که برای روغنکاری نیز ضرورت دارد.
چرا این فشار داخلی لازم است؟
سوال معقولی است. ما که هوا فشرده نمیکنیم، پس چرا داخلش باید فشار داشته باشیم؟ پاسخ آن دو دلیل اساسی را برجسته میکند.
۱. گردش روغن: کمپرسور اسکرو پمپ روغن جداگانه نداشته و روغن از طریق اختلاف فشار میان ورودی و خروجی جابجا میشود.
۲. هوای کنترلی: برای سیستم کنترل کمپرسور وجودمقدار حداقلی فشار لازم است.
چطور فشار داخلی کمپرسور در حالت آنلود حفظ میشود؟
داخل شیر ورودی کمپرسور سوراخ یا بایپس کوچکی وجود دارد که اجازهی ورود مقدار کمی هوا را میدهد. همین مقدار کم باعث حفظ فشار حداقلی است. همین مقدار هوای ورودی که به داخل مکیده میشود از طریق شیر Blow-off به بیرون هدایت میشود. این توازن هوای ورودی و خروجی فشار داخل را ثابت نگاه داشته و گردش روغن را حفظ میکند.
شیر حداقل فشار یا Minimum Pressure Valve
روی خروجی کمپرسور شیر حداقل فشار قرار دارد. این شیر تنها زمانی باز میشود که فشار بیش از حدود ۳/۵ بار باشد و به همین موجب همواره در حالت آنلود شیر حداقل فشار بسته است. وظایف این شیر در حالت بدون بار یا آنلود عبارت است از:
✔ جلوگیری از برگشت هوای فشرده از سیستم توزیع به داخل کمپرسور
✔ جلوگیری از خروج فشار داخلی وقتی به هیچ لولهای متصل نبوده یا فشار سیستم بسیار پایین است.
چرا فشار داخلی آنلود را پایین نگاه میداریم؟
همواره امکان آن وجود دارد که فشار داخلی کمپرسور را حدود همان فشار کاری عادی یعنی ۷ تا ۸ بار نگه داریم، ولی در چنین حالتی هدررفت انرژی بسیار زیاد خواهد شد. هرچه فشار خروجی بالاتر باشد مصرف انرژی بیشتر است و در حالت آنلود نیز همین قاعده برقرار است.
هرچه فشار داخلی به هنگام آنلود پایینتر باشد مصرف انرژی در زمان آنلود کمتر خواهد بود. به عنوان قاعدهای سرانگشتی مصرف انرژی در زمان آنلود را حدود یک سوم مصرف انرژی در بار کامل فرض میکنیم.
مصرف انرژی و راهکارها
هرچه مدت زمانی که کمپرسور آنلود کار میکند بیشتر باشد، انرژی بیشتری از دست خواهد رفت. بنابراین ضروری است که زمان طولانی کارکرد انلود را کم کنیم. برای کاهش زمان انلود راهکارهای مختلفی را میتوان توصیه کرد که از هدررفت انرژی و استهلاک کمپرسور جلوگیری میکنند:
- نقاط فشار کران پایین و بالای کمپرسور را دقیق تنظیم کنید.
- حجم مخزن هوای ذخیرهی خود را افزایش دهید.
- از کنترلر مرکزی یا اصطلاحا سیکوئنسر استفاده کنید (Sequencer).
- میتوان کمپرسور کوچکتری برای پوشش بهتر بار کم نصب کرد.
با بهینهسازی زمان کار آنلود کمپرسور صرفهجویی انرژی قابل توجهی به دست خواهد آمد.
جمع بندی:
✔ کمپرسور صنعتی از لود و آنلود برای کنترل فشار استفاده میکند.
✔ در حالت آنلود کمپرسور کار میکند ولی هوا فشرده نمیشود.
✔ فشار داخلی در حالت آنلود پایین ولی ثابت نگاه داشته میشود تا روغن گردش داشته و هوای مورد نیاز کنترل سیستم تامین شود.
✔ هرچه زمان عملیات به صورت آنلود افزایش یابد، انرژی بیشتری هدر خواهد رفت.
✔ راهکارهایی مثل تنظیم دقیق ستپوینت و مخزن بزرگتر میتواند زمان کار به صورت آنلود را کاسته و انرژی را ذخیره کند.
روش کنترل پیوسته یا مادولار
در این روش به جای لود یا آنلود، شیر لغزنده به صورت پیوسته ظرفیت کمپرسور را متناسب با تقاضا تنظیم میکند. اگرچه این روش باعث دامنهی فشار خروجی را بهبود میبخشد، اما انرژی بیشتری در مقایسه با کنترل با لود و آنلود مصرف میکند. در چنین کمپرسوری حتی در حالت بدون بار و لود صفر مصرف انرژی تا ۷۰ درصد لود کامل است.
به دلیل همین نقطهی ضعف و محدودیت در مصرف توان موتور، مدولاسیون یا کنترل با کمک شیر لغزنده در مقایسه با درایو فرکانس متغیر که VFD خوانده میشود بازده پایینتری دارد. پیشتر نیز گفته شده است که کنترل سرعت موتور با دو اصطلاح VSD یا VFD خوانده میشود. VSD عبارتی عمومیتر و به معنای درایو سرعت متغیر است و یکی از متداولترین روشهای آن که در کمپرسور اسکرو کاربرد دارد تغییرات فرکانس یا بکارگیری درایو فرکانس متغیر است.
با این حال در موقعیتهایی که امکان لود و آنلود مکرر کمپرسور وجود ندارد روش مدولاسیون و شیر لغزنده روش مناسبی است. از جملهی این موقعیتها میتوان به کمپرسورهای دیزلی و غیبت مخزن هوای فشرده در سیستم اشاره کرد.
در مدولاسیون شیر لغزنده به گونهای کنترل میشود که فشار مشخصی در سیستم برقرار باقی بماند. در کنترل به روش لود-آنلود نیز از شیر لغزنده بهره برده میشود، اما در این روش شیر یا کاملا بسته و یا کاملا باز است.
