پیش از این گفته شد که مکانیسم تراکم در عموم کمپرسورهای گاز و هوا بر دو شق عمومی است، جابجایی مثبت و دینامیکی. کمپرسورهای دینامیکی یا توربوکمپرسورها به جریان گاز گذری انرژی جنبشی داده و در ادمه آن انرژی را به فشار تبدیل میکنند. در کمپرسورهای جابجایی مثبت که به انواع مدلهای آن از جمله کمپرسور اسکرو و کمپرسور پیستونی پرداخته ایم، حجم در اختیار گاز تغییر داده میشود تا فشار آن افزایش یابد. در کمپرسور دینامیکی اینگونه نبوده و از پروانه‌ها و تیغه‌های متعدد برای افزایش سرعت و سپس تبدیل انرژی جنبشی به فشار بیشتر با بکارگیری مبدلهای جریان استفاده میشود. دو خانواده‌ی اصلی این کمپرسورها عبارت از کمپرسور سانتریفیوژ و کمپرسور محوری است. کمپرسور سانتریفیوژ برای گستره‌ی وسیعی از فشار و دبی و برای کاربردهای صنعتی متنوعی کاربرد دارد. در طرف مقابل کمپرسور محوری دستگاهی است که شارش حجمی بسیار بالایی را در اختیار مصرف کننده قرار میدهد و نسبت فشار چندان قدرتمندی ندارد.
شماتیک کمپرسورهای سانتریفیوژ و محوری
ضعف این کمپرسورها در مقایسه با کمپرسور جابجایی مثبت فشار پایینتر یا در حقیقت نسبت فشرده سازی ضعیف در هر مرحله است. از این رو و برای دستیابی به نیازمندی‌های صنعتی از چندین مرحله در کنار یکدیگر استفاده میشود. اگر کمپرسور اسکرو در یک مرحله به فشار ۷، ۸ یا ۱۴ بار می رسد و در دو مرحله این خروجی را تا ده‌ها با بالا میبرد، در کمپرسورهای محوری برای دستیابی به فشار ۱۰ بار به ۱۰ مرحله تراکم نیاز است. هر مرحله از پیکربندی و ساختار کمپرسور محوری البته به مراتب از ساختار کمپرسور اسکرو، المنت روتاری اسکرو، ساده تر است. این کمپرسورها مشابه با کمپرسورهای جابجایی مثبت به خنک سازی میان‌مرحله‌ای نیاز دارد.
پیکربندی و ساختار
برخی از مفاهیم و پارمترهای توربوکمپرسور – برگرفته از کتاب مهندسی کاربرد کمپرسورها تالیف بایرام گلریز
کمپرسور دینامیکی به اشکال مختلفی مهندسی و ساخته میشود. از جمله دسته‌بندی‌های رایج در طراحی کمپرسور دینامیکی میتوان به سینگل شافت یا تک محوره و دنده‌ای اشاره کرد. در پیکربندی تک محور توربین، پوسته متحرک و الکتروموتور یا توربین گازی روی یک شافت قرار دارد. این طراحی برای قدرتهای بالا مناسب بوده و راه اندازی نسبتا ساده ای دارد. مدلهای دنده‌ای که به طور دقیق‌تر gear driven نامیده میشود، از گیربکس برای پروانه‌هایی با سرعتهای متفاوت بهره میبرد که بر روی مجموعه‌ای مکانیکی سوار شده اند. امکان نصب مراحل متعدد بزرگترین مزیت کمپرسور دینامیکی دارای گیربکس است. همچنین این کمپرسورها امکان انعطاف در طراحی و افزایش راندمان در محدوده‌های متنوع هوادهی یا ظرفیت حجمی خروجی را دارد. از کمپرسورهای دارای گیربکس برای هدایت و فرآوری گازهای هیدروکربوری و صنعتی استفاده میشود.
Surge، واماندگی و نقشه عملکردی کمپرسور
برخلاف کمپرسور اسکرو که دچار پدیده‌هایی چون Surge و واماندگی نمیشود، کمپرسور دینامیکی رفتاری غیرخطی داشته و به رخدادهای مذکور حساس است. پیشتر در معرفی کمپرسور اسکرو آمده است که:
: 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.
نمودار عملکردی کمپرسور سانتریفیوژ
واماندگی کمپرسور اختلالی موضعی در جریان کمپرسور دینامیکی یا توربوکمپرسورهاست که در حالت قطع کامل جریان هوا سِرج کمپرسور نامیده میشود. این مسئله در موتورهای جت جنگنده‌ها نیز رخ داده و همواره نیازمند تجهیزات کنترلی مدرن، شیرهای تزریق، سیستمهای VSD یا دور متغیر و قطعات حفاظتی هستند.
نمونه اولیه‌ای از جنگنده‌ي سوخو ۵۷ که یکی از موتورهایش دچار واماندگی کمپرسور شده است.
کمپرسور گاز فرآیندی
کمپرسور گاز فرآیندی دستگاهی است که با گازهای حاصل از فرآیندهای شیمیایی، پتروشیمی، پالایشگاهی، متالورژی و بعضا صنایع غذایی کار میکند. در این کاربردها کمپرسور وظایفی سنگینتر از کمپرسور هوا داشته و بایستی تحمل ناخالصی‌ها، تنوع شدید دمایی و خصائص خاصی چون انفجارپذیری را داشته باشد. این کمپرسورها از انواع دینامیکی نیز انتخاب شده و مدلهای موردنظر با مواد داخلی مناسب، روکش خاص و آب بندی بهتر طراحی میشود تا با گازهای خورنده، هیدروژنه و ترکیبات با نقطه شبنم بالا سازگار باشد.
کمپرسور دینامیکی یا توربوکمپرسور توان هوادهی یا شارش حجمی گاز فشرده با دبی بسیار بالا را دارد و این مهم آن را برای تغذیه‌ی توربین، انتقال گاز و سیستمهای پالایشگاهی انتخابی مناسب میسازد. برای دیگر مصارف گازهای فرآیندی، به ویژه مصارفی که نیازمند دبی بالا نبوده و فشار بسیار بیشتری نیاز دارد از کمپرسورهای پیستونی و اسکرو بهره برده میشود.
سازندگان توربوکمپرسور
برندهای مختلفی در ساخت کمپرسور گاز فرآیندی خبره هستند که به طور مبسوطی در مطلب مخصوص آن بهش پرداخته شده است. اطلس کوپکو با طراحی کمپرسورهای سانتریفیوژ یکپارچه و گیربکس محور، مان آلمان، زیمنس و هودن از جمله‌ی آنها هستند. این شرکتهای معتبر طراحی‌های متنوعی را برای کمپرسورهای محوری و دینامیکی خود به کار میبرند که از جمله‌ی آنها میتوان به طراحی بشکه‌ای و افقی اشاره کرد.
توربوکمپرسور بشکه‌ای با دو پوسته داخلی و خارجی
برای انتخاب و سفارش کمپرسور گاز فرآیندی عوامل مختلفی مدنظر قرار میگیرد و بسته به نیاز مصرف کننده، شرکتها و برندهای مختلفی پیشنهاد میشود. چه در کمپرسور هوا و چه در کمپرسور گاز صنعتی دبی خروجی و فشار کاری اولین و مهمترین این پارامترهاست. در کمپرسورهای گازی چگالی و ترکیب گاز، دمای ورودی و خروجی، نقطه شبنم و احتمال تقطیر دیگر عوامل اصلی است. تبیین این موارد عموما نوع دقیق کمپرسور را مشخص میسازد و پس از آن می توان به جزئیات و آپشن‌های کمپرسور از جمله ریکاوری انرژی، دسترسی به قطعات در بازار محلی، دسترسی به خدمات و کارشناسی معتبر، تکنولوژی سرعت متغیر یا نسخه استاندارد، تجهیز یکپارچه با خشک‌کن، تکنولوژی خنک کنندگی هواخنک یا آب خنک و … پرداخت. حضور گازهای سبکی چون هیدروژن داخل ترکیب ورودی به کمپرسور میتواند شرایط را ویژه‌تر سازد. این گازها نیازمند طراحی و آب‌بندی متناسب با هیدروژن است. از جمله پروژه‌هایی که این مسئله در آنها به طور جدی مشاهده میشود پروژه‌های اخیر کربن زدایی است.
کاربرد کمپرسور دینامیکی به عنوان کمپرسور باد صنعتی
توربوکمپرسورها وقتی بحث از هوادهی با حجم بسیار بالا باشد بی رقیبند و نه کمپرسور اسکرو و نه کمپرسور پیستونی یا اسکرول یارای رقابت با این ابرقهرمان‌ها را ندارند. همانطور که گفته شد در بهره‌وری برای فشرده‌سازی گازهای صنعتی کاربرد بسیار دارند؛ اصلاح کاتالیستی یا کراکینگ بهتر از جمله وظایفی است که توربوکمپرسورها در جریان آن گازهای سبک همچون هیدروژن را تحت فشار نگاه داشته و پیوسته جاری میسازند.
پارامترهای عملکردی کمپرسورهای اسکرو، پیستونی و سانتریفیوژ که در انتخاب کمپرسور مناسب کمک میکند.
همچنین در نیروگاه‌ها و صنایع انرژی نقش کمپرسور محوری پررنگ است. این کمپرسورها در توربین‌های گازی یا سیستمهای تهویه صنعتی تغذیه‌ی احتراق با هوای پرفشار را برعهده دارد. تنظیم فشار شبکه‌ی گاز با بوسترهای گاز و خطوط انتقال نیز از خدمات کمپرسور سانتریفیوژ بهره‌مند است. اما آیا توربوکمپرسورهای هوا هم کاربرد دارند؟
در صنایع فولاد و دیگر فلزات نیازمند هوادهی به کوره‌های بلند هستیم. کوره بلند کوره‌ای عمودی است که در کارخانه‌های ذوب فلزات و برای جداسازی فلز از سنگ آن کاربرد بسیار دارد. همچنین برای تزریق اکسیژن یا گازهای محافظ به حجم عظیمی از هوا یا گاز با فشار پایدار نیاز داریم. در این مصارف کمپرسور دینامیکی بسیار بهتر از کمپرسورهای اسکرو و پیستونی عمل میکند.
در کارخانجات سیمان سیستمهای پنوماتیک و تهویه با بکارگیری کمپرسور سانتریفیوژ راه اندازی میشود. در این صنایع هوای فشرده برای انتقال پودر، خنک‌سازی کوره و تغذیه ابزار بادی استفاده میشود. عدد دقیق فشار کاری و ظرفیت هوادهی مورد نیاز برای راه اندازی این ابزارآلات را کارخانه‌ی سازنده تعیین کرده و بر روی آنها درج میکند.
همچنین در صنایع غذایی که به روغن و حضور بخار آن حساسند این کمپرسورها میتوانند نقش ایفا کنند. توربوکمپرسورها به طور ذاتی اویل فری یا عاری از روغن هستند.
در هنگام در نظر گرفتن هزینه‌ی چرخه‌ی عمر ماشین آلات صنعتی، کمپرسور سانتریفیوژ حتی از کمپرسور اسکرو نیز به صرفه‌تر است و با کمپرسور پیستونی اصلا قابل مقایسه نیست. به همین موجب در صنایع خودروسازی و تولید انبوه نیز، کمپرسورهای دینامیکی برای ابزارهای بادی، رنگ‌پاشی و سیستمهای کنترل اتوماتیک استفاده میشود
باز هم کاربرد در صنایع گازی
توربوکمپرسور ایستگاه تقویت فشار گاز گچساران
از جمله دیگر کاربردهای این کمپرسورها در صنایع گازی میتوان به پروژه‌های تاسیساتی نفت و گاز اشاره کرد. کمپرسورهای دینامیکی با توربین‌های گازی یا الکتروموتورهای بزرگ کوپل شده و سیستمهای فشرده‌سازی گاز برای تزریق به چاه‌ها را هدایت میکند. کنترل دقیق فشار خروجی و جلوگیری از واماندگی کمپرسور به ویژه در این کاربردها و برای کمپرسورهای چندمرحله ای حائز اهمیت است.
فشرده‌سازی گازهای صنعتی در خطوط تولید گاز مایع، آمونیاک و اوره با بهره‌گیری از کمپرسورهای دینامیکی چندمرحله‌ای که به اینترکولرها مجهزند انجام میشود. در این فرآیند فشار به تدریج و با طراحی دقیق بالا برده میشود تا بازدهی ترمودینامیکی بالا حفظ شود و تلفات انرژی به حداقل برسد.
در دیگر کارهای مرتبط به این حوزه، اثرات زیست محیطی و اهمیت بازیافت انرژی مدنظر قرار میگیرد و پروژه‌های بازیابی گاز فلر تعریف شده است. در این مصارف نیز از کمپرسورهای دینامیکی بهره برده میشود.
