کمپرسور دستگاهی است که برای افزایش فشار سیالی تراکمپذیر استفاده میشود. سطح فشار سیال ورودی از هر مقداری میان خلا عمیق تا فشار مثبت بالا را اختیار کرده و فشار خروجی از سطوح زیر اتمسفر تا مقادیر بالاتر از ده ها هزار پوند بر اینچ مربع متغیر است. پوند بر اینچ مربع یا PSI واحد مرجع در سیستم انگلیسی است و معادل آن بار در سیستم استاندارد است و ده ها هزار PSI برابر با چند صد تا چند هزار بار است!
فشارهای ورودی و خروجی به یکدیگر متصل و مرتبط بوده و با نوع کمپرسور و پیکربندی آن هماهنگ است. سیال ممکن است هرکدام از سیالات تراکمپذیری چون گازهای فرآیندی، بخارات یا هوا باشد و دامنهی وزن مولکولی وسیعی را شامل میشود. وزنهای مولکولی ثبت شده برای گازهای فشردهشده از ۲ برابر هیدروژن تا ۳۵۲ برای هگزا فلوراید اورانیوم متغیر است. کاربردهای گازهای فشرده نیز از محصولات مصرفی مانند یخچالهای خانگی تا تاسیسات بزرگ و پیچیدهی پتروشیمی را شامل میشود.
در زیر روشهای فشردهسازی که با روشهای مکانیکی و حاصل از حرکت مکانیکی است را بیشتر بررسی خواهیم کرد. این نوع کمپرسورها در صنایع فرآیندی و حمل و نقل و توزیع گاز استفاده میشود. فهرستی از صنایع شیمیایی، پتروشیمی، پالایشگاهی، خمیر و گاز و تاسیسات از جملهی کسب و کارهایی است که این ماشین آلات را به کار میگیرد. چند نمونه از کاربردهای معمول آن در این صنایع را نیز میتوان جداسازی هوا، استخراج بخار، تبرید، بازتراکم بخار، هوای فشرده یا هوای فرآیندی و هوای کارخانه را برشمرد.
روشهای فشرده سازی در کمپرسور ها
کمپرسور اشکال متعددی دارد که پیکربندی دقیق آنها به کاربرد متکی است. برای مقایسه انواع مختلف کمپرسورها را میتوان بر اساس حالت فشردهسازی به دو گروه پیوسته و ناپیوسته تقسیم کرد. حالت فشردهسازی مقطعی یا ناپیوسته ذاتی چرخهای دارد؛ مقدار مشخصی از گاز توسط کمپرسور گرفته شده، متراکم و تخلیه میشود و چرخه تکرار خواهد شد. در حالت فشردهسازی پیوسته اما گاز به درون کمپرسور وارد شده، فشرده شده و از درون کمپرسور عبور میکند. در تمام این مدت سیستم بدون وقفه کار میکند و گاز از سمت دیگر تخلیه میشود.
کمپرسورهایی که مقطعی کار میکنند جابجایی مثبت نامیده شده و بر دو نوع رفت و برگشتی و روتاری هستند. معروفترین کمپرسور رفت و برگشتی کمپرسور پیستونی و معروفترین کمپرسور روتاری یا دوار کمپرسور اسکرو است. کمپرسورهای پیوسته نیز بر دو نوع اساسی دینامیکی و اجکتور هستند. در تمام مدلهای گفته شده تنها کمپرسور اجکتور است که از انواع مکانیکی محسوب نشده و عمل مکانیکی استفاده نمیکند. شکل زیر رابطه انواع مختلف کمپرسور را نشان میدهد و شکل بعدی کاربرد متداول هر کمپرسور را مشخص ساخته است.
که با فاکتور گرفتن مدل غیرمکانیکی، یعنی اجکتورها، میتوان به ترجمهای از این دستهبندی در زیر دست یافت:
البته همانطور که در نسخهی انگلیسی مشهود است و تمرکز بیشتری بر مدلهای دینامیکی قرار گرفته، کمپرسور دیگری نیز با عنوان Mixed یا جریان ترکیبی داریم.
در نهایت شکل آخر نیز منحنیهای عملکردی کمپرسورهای دینامیکی مشتمل بر کمپرسور محوری و کمپرسور سانتریفیوژ را با کمپرسورهای جابجایی مثبت مقایسه میکند.
شکل فوق نیز شکل جالبی است که تفاوت کمپرسورها در توان افزایش فشار و توان افزایش دبی سیال ورودی را نمایش میدهد. البته تمامی این نقاط روی شکل برای یک مرحله فشردهسازی در هرکدام از این کمپرسورهاست. همانطور که مشاهده میکنید کمپرسورهای جابجایی مثبت بسیار در افزایش فشار توانمند هستند ولی ضعف جدی در ارتقای دبی خروجی در مقایسه با دبی ورودی دارند.
کمپرسورهایی که به طور غیرپیوسته و متناوب کار میکنند کدامند؟
کمپرسور رفت و برگشتی
کمپرسور رفت و برگشتی یا کمپرسور پیستونی به طور تاریخی شناختهشدهترین و پرکاربردترین کمپرسور در میان کمپرسورهاست. این کمپرسور از آرایشی مکانیکی بهره میبرد و حرکات رفت و برگشتی به پیستونی آزاد داخل سیلندر منتقل میشود. جابجایی پیستون توام با ورودی گاز به وسیلهی شیرهای ورودی است که منجر به فشردهسازی آن میشود. در ادامه شیرهای تخلیه جریان برگشتی گاز با فشار بالا را تخلیه کرده و از بازگشت آن به سیکل مکش بعدی جلوگیری میکند. حال سوال این است که فشردهسازی در کدام طرف پیستون انجام میپذیرد؟ به کمپرسورهایی که فقط یک طرف پیستون فشردهسازی دارد کمپرسور تک اثره یا single-acting و به کمپرسورهایی که در هر دو طرف پیستون عمل فشردهسازی انجام میشود کمپرسور دو اثره یا double-acting میگوییم. کمپرسور پیستونی مشابه با تمامی دیگر مدلهای کمپرسور به صورت تکمرحلهای و چندمرحلهای کار میکند. در کمپرسور پیستونی تک استیج یا تک مرحلهای سیلندری واحد بر روی شاسی سوار میشود و در کمپرسور پیستونی چند مرحلهای چندین سیلندر روی یک شاسی مشترک به صورت متوالی و با بهرهگیری از یک خنک کننده کار میکنند. در اشکال زیر نمونههایی از انواع پیکربندی کمپرسور پیستونی را مشاهده میکند. کمپرسور رفت و برگشتی کمترین جریان یا دبی را در میان کمپرسورها دارد. در هر سیلندر کمپرسور پیستونی دبی ورودی کمپرسور میان ۱۰۰ تا ۱۰ هزار CFM متغیر است و این کمپرسورها برای کاربردهای فشار قوی بسیار مناسب هستند. بالاترین فشارهای کمپرسور پیستونی در حدود ۴۰ هزار psi یا حدود ۳ هزار بار است! در نسبت تراکم ۱/۵ به ۱ به بالا کمپرسور پیستونی از کارامدترین انتخابهاست.
کمپرسور رفت و برگشتی از نوع دیافراگمی
کمپرسور دیافراگمی هرگز به اندازهی دیگر کمپرسور همخانوادهی خود شهرت ندارد. این کمپرسورها در دبیهای پایین کاربرد داشته و قادر به تولید فشارهای بالا هستند. در کمپرسور دیافراگمی مجموعهای میللنگ پیستونی را حرکت میدهد و پیستون به جای گاز، روغن را جابجا خواهد کرد. در نهایت این روغن است که در حرکت خود دیافراگم را و دیافراگم گاز را جابجا میکند. این ساختار مزیت برجسته ای دارد: هیچ نشتی به بیرون در چنین کمپرسوری وجود ندارد. علاوه بر آن نشتی به داخل، که از عوامل آلودگی گاز فرآیند خواهد بود، نیز هرگز رخ نمیدهد. کمپرسور دیافراگمی نیازمند قدرت کم بوده و اتصال آن به موتور تسمهای است. در شکلهای پایین کمپرسور دیافراگمی تکمرحلهای و کمپرسور دومرحله با آرایش متقابل یا opposed را ملاحظه میکند.
کمپرسور روتاری
کمپرسورهای روتاری یا دوار از همین خانوادهی جابجایی مثبت هستند و چندین پیکربندی مختلف و متفاوت را شامل میشود که در ۳ ویژگی اصلی مشترکند:
۱. در تمام کمپرسورهای روتاری، انرژی موتور شافت ورودی را به حرکت وامیدارد که شافت نیز متقابلا المانهای دوار را به حرکت واداشته و انرژی را به گاز تحت فشار منتقل میکند.
۲. فشردهسازی در کمپرسورهای روتاری نیز متناوب است.
۳. کمپرسورهای روتاری به معنای متداولی که در کمپرسور پیستونی میشناسیم از شیرهای ورودی و تخلیه بهره نمیبرند.
کمپرسورهایی که میشناسیم و از همه پرکاربردتر آنها کمپرسور اسکرو، کمپرسور اسکرول و کمپرسور حلزونی هستند همگی از این خانواده اند. کمپرسورهای Helical یا اصطلاحا مارپیچی و کمپرسور Spiral یا اصطلاحا حلزونی از دو لوب مارپیچی یا حلزونی در همتنیده بهره میبرند و گاز را میان این لوبها و محفظهی روتور متراکم میسازند. سیکل تراکم در این کمپرسورها چه زمانی آغاز میشود؟ هر زمانی که فضای باز مارپیچ روتورها از مقابل دریچهی ورودی عبور کرده و مقدار مشخصی گاز را به دام بیندازد.
گاز به صورت محوری و در امداد روتور به سمت دریچهی تخلیه حرکت میکند. دقت کنید که اینجا از دریچه یا پورت تخلیه صحبت شده و کلمهی شیر تخلیه استفاده نشد. گازی که به دام افتاده به سمت خروجی حرکت کرده و به مرور حجم آن کاهش یافته و فشارش افزایش می یابد، در نتیجهی این سازوکار موقعیت نسبی دریچهی خروجی است که نسبت فشار را کنترل میکند و همینجاست که پای شیر کشویی یا اسلاید ولو به میان باز میشود. نسخهی حلزونی تنها در فشارهای پایین کاربرد دارد.
کمپرسور اسکرو یا لوب مارپیچی بر دو نوع خشک یا روغنی است و واژگان لاتین آن به ترتیب Dry و Flooded است. ما پیش از بارها و مرتب با این کمپرسورها روبرو بوده ایم و آنها را با عناوین کمپرسور اسکرو اویل فری و کمپرسور اسکرو اویل اینجکت میشناسیم. در نوع خشک چرخدندههای زمانبندی یا timing gears حرکت نسبی روتورها را به طور دقیق زمانبندی میکند و در کمپرسور روغنی محیط مایع از تماس روتورها با یکدیگر جلوگیری به عمل میاورد. کمپرسور اسکرو یا لوب مارپیچی پیچیدهترین و همهفنحریفترین کمپرسور روتاری است و بالاترین عدد ماخ نوک روتور را در میان تمامی مدلهای کمپرسور روتاری دارد. این کمپرسورها با عنوان کمپرسور اسکرو یا کمپرسور SRM شناخته میشود. کاربرد کمپرسور اسکرو استثنایی است: این کمپرسور شکاف میان کاربردهای کمپرسور سانتریفیوژ و کاربردهای کمپرسور پیستونی را پر میکند. محدودهی ظرفیت برای مدلهای خشک بین ۵۰۰ تا ۳۵ هزار cfm و فشار تخلیه در یک مرحله و با فشار مکش اتمسفریک به ۴۵ psi محدود میشود. در کمپرسورهای سوپر شارژ یا چند مرحلهای فشار ۲۵۰ psi نیز در دسترس است. کمپرسور حلزونی یا spiral نیز به ۱۰ هزار cfm و فشار تخلیهی ۱۵ psi محدود است که فشار اتمسفریک محسوب میشود.
کمپرسور لوب مستقیم شبیه به کمپرسور لوب مارپیچی، با پیچیدگیهای بسیار کمتر است. این کمپرسور همانطور که از نامش برمیآید و مطابق شکل بالا، دو روتور با لوبهای بدون پیچخوردگی و مستقیم دارد که هنگام چرخش در همدیگر فرو میروند. این کمپرسورها به طور معمول با طراحی دو لوب و در نسخهای خاص با طراحی سه لوب تولید میشود. تمام مدلهای کمپرسور لوب مستقیم از چرخدندههای زمانبندی برای فازبندی روتورها استفاده میکند. جفت لوبها از مقابل دریچهی ورودی عبور کرده و گاز در این فضا و در ناحیهی باز لوبها به دام میافتد. در مسیر حرکت گاز به سمت دریچهی تخلیه هیچگونه فشردهسازی رخ نداده و چهار سیکل تراکم در یک دوره چرخش شافت انجام میشود. سیکل مذکور در شکل بالا قابل مشاهده است.
محدوده حجمی عملکرد کمپرسور لوب مستقیم از ۵ تا ۳۰ هزار cfm است و محدودهی فشار آن بسیار محدود است؛ حداکثر تا ۱۵ psi در یک مرحله. در برخی از مصارف معدود نیز از این کمپرسورها به صورت متوالی و دو مرحلهای استفاده میشود که در آن فشار تخلیه تا ۲۰ psi میرسد.
کمپرسور روتاری بعدی کمپرسوری با پرههای کشویی است. این کمپرسورها به انگلیسی Vane نامیده شده و در فارسی اصطلاحا پرهای نامیده میشود. کمپرسور پرهای از المان دوار تک استفاده میکند و روتور به صورت غیرمرکزی نسبت به مرکز سیلندر نصب شده و پرهها درون آن قرار میگیرد. روتور شیاردار است و پرهها به هنگام چرخش روتور آزادانه در داخل شیارها به داخل و خارج حرکت میکنند. در فرآیند فشرده سازی این کمپرسورها گاز میان هر جفت پره گیر افتاده و همانطور که پرهها از مقابل دریچهی ورودی عبور میکنند به صورت محیطی حرکت کرده و متراکم میشود. هر جفت پره به سمت دریچهی تخلیه حرکت کرده و در این کمپرسور هم موقعیت دریچهها نسبت فشار را کنترل میکند. کمپرسور پرهای به منبع روانکاری خارجی برای پرههای خود نیاز دارد.
کمپرسورهای پرهای و کشویی به طور گستردهای به عنوان پمپ خلا و گاه به عنوان کمپرسور استفاده میشود. این کمپرسور بیشترین دبی خروجی برابر با ۶ هزار cfm داشته و کران پایین هوادهی یا دبی گاز خروجی آن ۵۰ cfm است. کمپرسورهای پرهای در مقایسه با کمپرسور لوب مستقیم فشار تخلیه بالاتر داشته و در هر مرحله قابلیت فشار کاری تا ۵۰ psi را دارند که فشار قابل قبولی برای برخی از مصارف هوای فشرده است. همراهی بوستر عملکرد واحدهای کوچک کمپرسور پرهای را تا ۴۰۰ psi ارتقا خواهد داد.
کمپرسور پیستون مایع به طور معمول پمپ رینگ مایع خوانده میشود و از روتوری تک مطابق با تصویر پایین استفاده میکند. روتور این کمپرسور از مجموعهای از پرههای خمیده رو به جلو تشکیل شده و ناحیهی داخلی آن شامل دهانههای آببندیشدهای است که به دور هستهای داخلی و توخالی میچرخند. هستهی داخلی است که هر دو دریچهی ورودی و خروجی درون آن تعبیه شده است. روتور این کمپرسور همانطور که گفته شد یک تک روتور بوده و خارج از مرکز با طراحی تک لوب یا دو لوب میچرخد. مایع در نوک پرهها حمل شده و با چرخش روتور به داخل و خارج حرکت کرده، پیستونی مایع را شکل میدهد. دهانههای دریچه به طوری طراحی شده اند که اجازهی ورود گاز را میدهند و زمانی که پیستون مایع از مرکز دور میشود، دریچهی ورودی با چرخش بسته شده و فشردهسازی انجام میشود. همچنین دریچهی خروجی با نزدیکی پیستون مایع به داخلیترین قسمت مسیر حرکتش باز میشود و تخلیه گاز یا هوای فشرده انجام میشود. این کمپرسور نیز مانند دیگر مدلهای کمپرسور روتاری برای نسبت فشار مورد نظر بر موقعیت دقیق دریچههای ورودی و خروجی متمرکز است. در طراحی دو لوبی این کمپرسورها دو سیکل تراکم در طی هر دور چرخش روتور صورت میپذیرد.
محدودهی ظرفیت این کمپرسورها بزرگ و گسترده است و از ۲ تا ۱۶ هزار cfm ظرفیت خروجی متغیر است. این کمپرسورها نیز مشابه با کمپرسور پره ای در صنایع خلا یا وکیوم کاربرد گسترده ای دارد. کمپرسور یا پمپ رینگ مایع همچنین برای فشارهای محدودهی ۵ تا ۸۰ psi و تا ۱۰۰ psi کاربرد دارد. کمپرسورهای رینگ مایع به دلیل حضور پیستون مایع توانایی جذب مایع در گاز مکش را بدون ایجاد خرابی دارد. ویژگی مذکور بازدهی ضعیف آن را اندکی بهبود میبخشد. این کمپرسورها در آرایش چندمرحلهای نیز تولید میشود.
کمپرسورهایی هستند که پیوسته کار میکنند: اجکتور و دینامیکی
اجکتورها
اجکتور دستگاهی بدون هرگونه قطعات متحرک است. سادگی و نبود قطعات مستعد سایش به اطمینان و هزینهی نگهداری پایین این دستگاه کمک کرده است، ولی کارآمدی آن در مقایسه با کمپرسورهای مکانیکی ضعف دارد. اجکتورها با گاز یا بخار محرکی کار میکنند که هوا و بخار آب از آن جمله اند. اجکتور از نازلی برای شتابدهی به گاز محرک بهره برده و آن را به داخل سیلندر مکش میفرستد. در داخل سیلندر گاز هدف در زوایای قائم با گاز محرک وارد شده و متراکم میشود. سیلندر مکش اصطلاحا دالان مخلوطکننده نیز نامیده میشود. گاز مکش در سیال محرک گیر افتاده و سپس مخلوط به سمت دیفیوزر هدایت میشود. در این مرحله و مشابه با کمپرسورهای دینامیکی گاز سرعت بالا به تدریج سرعت خود را از دست داده و فشار آن افزایش می یابد.
اجکتور به شکل گستردهای به عنوان پمپ خلا کاربرد داشته و برای سطوح خلا عمیق عملکرد خوبی دارد. فشار سیال محرک در خروجی اجکتور موثر بوده و در صورتی که به اندازهی کافی فشار بالایی داشته باشد اجکتور گاز را تا فشاری بالاتر از اتمسفر فشرده میکند. اجکتورها در دو گروه فروصوت و فراصوت استفاده میشوند.
اجکتور هیچگونه اختلاط میان مایع و گاز نداشته و از معدود مدلهای کمپرسور است که این مصونیت را دارد. طراحی این دستگاه شامل نازل و دیفیوزر متناسب با سرعت گاز است.
