کمپرسور اسکرو؟
اولین کمپرسور اسکرو در سال ۱۸۷۸ و توسط هاینریش کریگر ساخته شد. پیکربندی روتور اصلی ماشین کریگر شباهت زیادی به طرح روتور بلوئر روتس داشت که در سال ۱۸۶۷ در اروپا ساخته شده بود. تفاوت آنجا بود که روتورهای ماشین کریگر در طول روتور و با زاویهی ۱۸۰ درجه مپیچیدند. در سال ۱۹۳۵ آلف لیسهولم مهندس سوئدی کمپرسور اسکرو با پروفیل روتور نامتقارن را معرفی کرد: در این مدل روتور ماده ۵ لوب و روتور نر ۴ لوب داشت که طرحی بهینه بود و تا به امروز همین طراحی به کار گرفته میشود. لوب به همان برجستگی، خاج یا گوشههای روتور کمپرسور گفته میشود.
کمپرسور اسکرو ماشینی جابجایی مثبت است؛ یعنی حجمی از گاز در یک فضای بسته محبوس شده و سپس از حجم آن میکاهند تا به فشار آن افزوده شود. درون محفظهی تراکم یا سیلندر فشردهسازی کمپرسور اسکرو که با نامهای ایرند و المنت کمپرسور شناخته میشود دو روتور مارپیچ با پروفیلهای جفت یکدیگر وجود دارد. مارپیچ الف دارای ورودیهای مقعر و مارپیچ ب دارای ورودیهای محدب است که در جهت مخالف یکدیگر میچرخند. مارپیچ الف با ورودیهای مقعر نیرو را از منبع محرکه دریافت کرده و این نیرو از طریق مجموعهای از چرخدندههای همزمان به مارپیچ ب منتقل میشود. منبع محرکه به طور معمول الکتروموتور یا موتور دیزلی است.
با چرخش مارپیچها گاز فرآیندی یا هوای محیطی به داخل دریچهی ورودی مکیده شده و سپس گاز توسط حرکت چرخشی دو مارپیچ در همتنیده فشرده میگردد. گاز در اطراف روتورهای مارپیچ از بالا شروع به حرکت کرده و به سمت پایین میرود. همچنین این گاز حرکت محوری داشته و از سمت مکش به سمت تخلیه هدایت میشود. مکان دریچهی تخلیهی کمپرسور عامل تعیینکننده در زمان تکمیل فرآیند فشردهسازی است و از شیرهای کشویی یا اسلاید والو بر روی دریچههای تخلیه استفاده میکنند تا فشار گاز و هوای خروجی را کنترل کرده یا تغییر دهند.
شیر کشویی یا اسلاید والو کمپرسور اسکرو؟
اثربخشی آرایش گفته شده به فاصلههای تنگ و دقیق بین دو مارپیچ و آببندی دریچههای ورودی و خروجی بستگی دارد. هیچ گونه تماسی میان مارپیچها وجود ندارد و برای بهبود راندمان کمپرسور روغن به داخل حفرهی ورودی تزریق میشود تا علاوه بر کمک به آببندی، شرایط خنککاری را نیز فرآهم آورد. هنگام تخلیه روغن از جریان گاز جدا شده و پس از فیلتراسیون و خنک کاری بازیافت میشود. جداسازی روغن از گاز تا درجهی ۰/۱ قسمت در میلیون وزنی با بکارگیری پد توری و المنتهای چسبنده یا کوالسینگ انجام میشود. از الیاف ریز میکرونی و بورو سیلیکاتی در این المنتها استفاده میشود. میزان خنکسازی به نوع گاز و کاربرد آن بستگی دارد که خنکسازی بیشتر و پاکسازی آن تمامی آثار روغن را حذف میکند.
کمپرسورهای روغنی بیش از ۹۰ هزار فوت مکعب استاندارد در ساعت در فشار ۲۰۰ پوند بر اینچ مربع جابجا کرده و به ازای هر ۱۰۰ اسب بخار ۱۰ تا ۲۰ گالن روغن در دقیقه تزریق میکند. این یعنی کمپرسوری که با موتوری ۲۰۰ اسب بخار کار میکند در دقیقه بیش از ۳۰ گالن روغن را فرآوری و مصرف میکند و به چرخهی روغن بازمیگرداند.
کمپرسورهای بدون روغن فشردهسازی را کاملا با عملیات مارپیچها انجام میدهند و فشار و توان عملیاتی پایینتری دارند. برای دستیابی به توان عملیاتی بالاتر از چندین کمپرسور اسکرو به صورت سری یا متوالی استفاده میشود. با چنین سیستمی توان عملیاتی کمپرسور اسکروی بدون روغن را میتوان تا ۱۲۰ هزار فوت مکعب استاندارد در ساعت و فشار ۱۵۰ پوند بر اینچ مربع افزایش داد.
مزیت نسبت به کمپرسور پیستونی؟
در کمپرسور رفت و برگشتی یا پیستونی مقدار کمی گاز در پایان کورس باقی میماند که اصطلاحا حجم محبوس نامیده میشود. این گاز در کورس مکش بعدی منبسط شده و در نتیجه مقدار گاز ورودی که میتوانست به داخل سیلندر کشیده شود را کاهش میدهد. در پایان فرآیند تخلیه از کمپرسور اسکرو هیچ حجم باقیماندهای وجود ندارد و تمام گاز فشرده شده به بیرون از پورت تخلیه رانده میشود. این موضوع اهمیت زیادی دارد و کمپرسور اسکرو نسبتهای فشردهسازی بسیار بالاتری در مقایسه با کمپرسور پیستونی دارد.
برای تفکیک و حائل میان روتورهای کمپرسور و بلبرینگها در دو انتهای دستگاه و در کنار لوب روتور آببندی یا سیلها تعبیه شده اند. بلبرینگهای ژورنال در خارج از ناحیهی آببندی قرار میگیرند. این بلبرینگها از نوع هیدرودینامیکی و اصطلاحا آستینی یا Sleeve هستند. بلبرینگهای پیشران از نوع کفشکی یا Tilt Pad هستند و در خارج از بلبرینگهای ژورنال قرار میگیرند. در کمپرسور اسکرو از روغنهایی با پایههای معدنی و سنتزی استفاده میشود و نوع روغن بایستی بر اساس سازگاری آن با گاز در حال تراکم انتخاب شود.
کنترل کمپرسور اسکرو
سه مورد از چهار روش کنترلی که در کمپرسور اسکرو متداول است بر روی انواع دیگر کمپرسور نیز استفاده میشود. این روشها عبارتند از کنترل سرعت یا فرکانس کمپرسور، دریچهی گاز سمت شیر مکش و دریچهی گاز شیر سمت تخلیه. روش کنترلی اختصاصی کمپرسورهای اسکرو بکارگیری شیر اسلاید یا کشویی است.
شیر کشویی
مطابق با شکل زیر روش کار شیر کشویی را مشاهده میکند. کاهش بار کمپرسور یا آنلود با حرکت شیر کشویی به سمت دریچهی تخلیه انجام میشود. این کار به طور موثری طول کاری روتور کمپرسور را کوتاه میکند. در چنین وضعیتی گاز یا هوای کمتری فشرده میشود و در نتیجه اسب بخار مورد نیاز نیز کاهش می یابد. این روش کنترلی با درایو با سرعت ثابت استفاده میشود. با کمک این شیر میتوان دبی را بین ۱۰۰ درصد ظرفیت طراحی تا ۱۵ درصد ظرفیت طراحی مدیریت کرد و مصرف توان موتور را نیز تا ۴۰ درصد کاهش داد.
درایو با سرعت متغیر
این روش کنترلی سرعت را با توان عملیاتی مورد نیاز تطبیق میدهد. در سایر ماشینهایی که از المنت دورانی استفاده میکنند نیز رایج است و بایستی به سرعت بحرانی المانهای دورانی به طور جداگانه توجه شود.
دریچهی گاز شیر سمت مکش
این روش کنترلی در ماشینهای سرعت ثابت استفاده میشود و با تعدیل جریان گاز ورودی میزان هوا یا گاز ورودی را تنظیم میکند. این روش کمهزینهترین روش کنترلی کمپرسور اسکرو است ولی محدودیتهایی دارد.
دریچهی گاز شیر سمت تخلیه
این نوع سیستم کنترلی توصیه نشده و به ندرت در کمپرسور اسکرو استفاده میشود. اگر سمت تخلیه بسته شده یا دریچه محدود شود کمپرسور بیش از حد گرم شده و فشار سیلندر از محدودهی ایمن فراتر میرود. شکل پایین روشهای مختلف کنترل را با توان مصرفی آنها مطابقت داده است.
توضیحات کامل و بیشتر دربارهی شیر کشویی
متداولترین نوع کمپرسور اسکرو کمپرسورهایی است که دو روتور نر و ماده در هم پیچیده دارد و از این نوع کمپرسور در صنایع تبرید صنعتی، کمپرسورهای هوا و فرآیندی گاز استفاده میشود. در چنین کمپرسورهایی متداولترین روش کنترل ظرفیت بکارگیری شیرهای کشویی یا اسلاید والو است. برخلاف کمپرسورهای ابتدایی تر که از خاموش و روشن مکرر دستگاه و یا نیمه باز کردن شیر مکش استفاده میکنند، شیر کشویی به کمپرسور اسکرو این امکان را داده تا در بارهای متغیری از ۱۰ درصد تا ۱۰۰ درصد کار کرده و توامان بازده نسبتا بالایی را حفظ کند.
شیر اسلاید یا کشویی قطعهی متحرک و شبیه پیستون است که در محفظهای تراشخورده داخل بدنهی کمپرسور جاگذاری شده و به موازات با روتورهای نر و ماده قرار گرفته است.
اسلاید ولو کمپرسور اسکرو چگونه کار میکند؟
در شرایط مختلف این شیر رفتار متفاوتی نشان میدهد:
۱. موقعیت بار کامل یا ظرفیت ۱۰۰ درصد
شیر کشویی به گونهای قرار میگیرد که مسیرهای برگشت یا بایپس موجود در بدنهی کمپرسور کاملا مسدود شود. در این حالت تمام گاز محبوس میان روتورها فشرده و تخلیه میشود.
۲. موقعیت بار جزئی یا ظرفیت از ۳۰ تا ۹۵ درصد
شیر کشویی به سمت تخلیهی کمپرسور لغزیده و با این حرکت شکاف بای پس را باز میکند. این شکاف شیر روتور را به سمت مکش متصل ساخته است. در این وضعیت:
- پیش از شروع فشردهسازی بخشی از گاز موجود در شیار روتورها به سمت مکش بازگردانده میشود.
- اتفاق فوق به شکل موثری طول مفید روتورها که در اختیار عملیات فشردهسازی است کاهش میدهد.
- در نتیجه کمپرسور حجم کمتری از گاز را در هر راند فشردهسازی پردازش میکند.
۳. موقعیت حداقل بار یا ظرفیتی حدود ۲۵ درصد
شیر کشویی در این حالت کاملا حرکت کرده و مسیر بایپس را به طور حداکثری باز میکند. در چنین موقعیتی تنها قسمت انتهایی روتورها گاز را فشرده میکند.
توجه داشته باشید که شیر کشویی مسیر مکش را گشاد یا تنگ نمیکند، بلکه جابجایی داخلی کمپرسور را تغییر میدهد.
سیستم کنترلی اسلاید والو
شیر کشویی توسط پیستون هیدرولیکی که در پوستهی انتهایی سمت تخلیهی کمپرسور تعبیه شده به حرکت واداشته میشود. در این سیستم فشار روغن که از مدار روغن کمپرسور تامین شده به یک طرف پیستون اعمال میشود و شیر برقی جریان روغن به پیستون را کنترل میکند. موقعیت شیر کشویی معمولا با پتانسیومتر به کنترل گزارش میشود. البته در کمپرسورهای کوچکتر یا قدیمیتر به جای سیستم هیدرولیک از سیستمهای مکانیکی دستی یا محرک الکتریکی استفاده میشود.
علل استفاده از اسلاید والو
معایب اسلاید والو در کمپرسور اسکرو
- تخلیه کامل نیست. حتی در حداقل ظرفیت که حدود ۱۰ تا ۲۵ درصد است کمپرسور به موجب اصطکاک و کار فشردهسازی باقیمانده توان قابل توجهی مصرف میکند.
- به سیستم روغن کمپرسور وابسته است. شیرهای کشویی کمپرسور اسکرو عموما با محرک هیدرولیک بوده و به فشار روغن تمیز و پایدار نیاز دارد. فشار روغن پایین باعث حرکات ناخواسته یا عدم حرکت شیر میشود.
- پیوسته است ولی فوری نیست. حرکت از ۱۰۰ درصد به ۵۰ درصد ظرفیت کمپرسور چند ثانیه طول میکشد و این به دبی روغن بستگی دارد.
- در طول زمان مستهلک میشود. شیر کشویی با فاصلهی کمی روی روتورها یا بدنهی کمپرسور حرکت میکند. سایش نشتی داخلی را افزایش داده و ظرفیت در موقعیتهای گفته شده کاهش می یابد.
- این شیر مناسب همهی گازها نیست. شیر کشویی مشابه با سایر شیرها در گازهای سبکی چون هیدروژن و به ویژه در جریانهای آلوده ضعف نشان داده، دچار گرفتگی و خوردگی میشود.
مقایسهی شیر کشویی و درایو سرعت متغیر
در بسیاری از کمپرسورهای بزرگ و مدرن از هر دو استفاده میشود. سیستم کنترل ظرفیت فرکانس متغیر برای کنترل دقیق تا حدود ۴۰ درصد سرعت و اسلاید ولو کمپرسور اسکرو برای کاهش بیشتر ظرفیت به کار گرفته میشود.
عیب یابی و مشکلات رایج اسلاید ولو در کمپرسور اسکرو
شیر کشویی مانند پوشاندن جزئی یک ردیف از پنجرههای باز با صفحهای لغزنده است. در این سیستم
۱. به هنگام بار کامل صفحه همهی پنجرهها را میپوشاند تا تمام هوا از آن عبور کند.
۲. به هنگام بار جزئی صفحه حرکت میکند و برخی از پنجرهها را باز میگذارد. یعنی هوا قبل از ورود به اتاق به بیرون باز میگردد. فن همچنان کار میکند اما هوای کمتری وارد اتاق میشود.
شیر کشویی یا اسلاید ولو روشی هوشمندانه برای مدیریت تغییرات ظرفیت کمپرسور اسکرو است که بادوام و کارآمد بوده و اتلاف انرژی خاصی بر روی بار مصنوعی ندارد. این شیر استاندارد صنعتی برای سیستمهای تبرید و کمپرسورهای گاز فرآیندی است و در مواردی کاربرد آن چشمگیر است که بار متغیر است ولی استفاده از درایو سرعت و فرکانس متغیر به صرفه یا در دسترس نیست. درک عملکرد تمامی اجزای کمپرسور اسکرو به حفظ کارایی و طول عمر آن کمک میکند. در کاربردهای خاصی چون تبرید آمونیاکی، کمپرسور هوا و کمپرسور گاز فرآیندی برخی از جزئیات بکارگیری اسلاید والو در موضوعاتی چون اندازهگیری،استراتژی کنترلی و حالتهای خرابی متنوع و متفاوت است.
