در این مطلب پا را فراتر از اصول اولیهی طراحی کمپرسور اسکرو خواهیم گذاشت و با بررسی دینامیک روتور اسکرو و مسیرهای نشتی داخلی بهای واقعی عملکرد خارج از شرایط توصیه شده را بررسی میکنیم. در این بررسی بایستی با مفهوم نسبت حجم ذاتی یا Vi آشنا شده و خطر نادیده گرفتن کلیرانسهای داخلی را بشناسیم. این خطرات ۱۵ تا ۲۰ درصد راندمان کمپرسور و انرژی کارخانهی شما را قربانی میکند و راههایی برای درمان آن توصیه خواهیم کرد.
غالب مهندسانی که سررشتهای از علم کمپرسور داشته باشند میدانند که در کمپرسور اسکرو با روتورهای دوقلو فشردهسازی از نوع جابجایی مثبت است و روتور نر روتور ماده را میچرخاند. از همین رو روتور نر را روتور محرک و روتور ماده را روتور متحرک نیز نام گذاشته اند. همچنین در مدلهای کمپرسور روغنی که با عناوین لاتین Oil Flooded و Oil Injected نیز شناخته میشود روغن وظایف مهمی دارد. روغن کمپرسور در این مدلها آببندی کمپرسور را علاوه بر خنککاری بر عهده دارد.
اما در پس این توصیف ساده و اولیه، تعادلی برقرار است؛ تعادلی پیچیده از پروفیل روتور، ترمودینامیک نشتی و بهینهسازی Vi یا نسبت حجم ذاتی. در عمل کمپرسورهای اسکرو به ندرت با راندمان درج شده بر روی پلاک کار میکنند. عدم عملکرد با راندمان مذکور به معنای عدم تطابق کامل مصرف انرژی با فشار اسم و هوادهی یا دبی گاز فشردهی خروجی است.
چه عوامل پنهانی بر عملکرد کمپرسور اسکرو اثر مخرب دارد؟
۱. ناحیهی حفرهی دمشی یا Blow-hole در کمپرسور اسکرو پنج مسیر نشتی دارد.
۲. نسبت حجم ذاتی Vi و نسبت فشار واقعی که در عملیات برملا میشود به طور پیوسته دچار عدم تطابق است.
۳. اپراتور و کارفرما کمپرسور اسکرو را در شرایطی غیر از شرایط طراحی به کار میاندازد. چنین شرایطی بار جزئی، فشار برگشتی متغیر و شرایط مکش یا ورودی غیرعادی به همراه دارد.
برای بررسی هرکدام از عوامل فوق بایستی اصول اولیهی کمپرسور اسکرو را کنار گذاشته و خط آببندی روتور را بررسی کنیم، نشتی داخلی را کمّی و عددی کرده و Vi را بهینهسازی نماییم. همچنین با اقتصاد واقعی کمپرسور اسکرو و عملکرد آن آشنا شویم.
روتور کمپرسور اسکرو چگونه تکامل یافته است؟
در کمپرسور اسکرو روتور نر تنها وظیفهی چرخاندن روتور ماده را بر عهده ندارد، برجستگیها یا لوبهای مارپیچ آنها نیز در همتنیده و قفل میشود و خط آببندی متحرکی را شکل میدهد. این خط آببندی در هنگام فشردهسازی در جهت محوری حرکت میکند. بر اثر هندسهی طراحی کمپرسور اسکرو دچار نقطهی یا حفرهای دمشی است. در حفره که اصطلاحا Blow-hole نامیده میشود مسیری مثلثی در انتهای فشار قوی کمپرسور است که در محل تلاقی روتورها و دیوارهی انتهایی سیلندر شکل گرفته است. در تکامل کمپرسور اسکرو تغییراتی در روتورها داده شده است و پروفایلهای نامتقارن و مدرن در برندهای مختلفی چون کمپرسور کایزر به ارتقای راندمان حجمی در مقایسه با پروفایلهای متقارن پرداخته اند. این پروفایلها با نامهای SRM X، پروفایل سیگما و SKK نیز شناخته میشود. در پروفایلهای گفته شده ناحیهی blow-hole حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد کوچک شده و خط آببندی طولانیتر و پیچ در پیچی شکل داده شده است. نتیجهی این تغییرات بهبود ۱۰ تا ۱۵ درصدی راندمان حجمی کمپرسور است. اگر کمپرسوری خریداری کردید که به جای ۲۰ مترمکعب بر دقیقه در مقایسه با مدل مشابهی ۲۲ مترمکعب بر دقیقه هوادهی دارد، احتمالا رد پای این تغییرات را به طور زنده مشاهده میکنید.
کایزر ( و دیگران) چه تغییراتی در پروفایل روتور سیگما (SRM و غیره) اعمال کرده اند؟
مهمترین تغییرات طراحی روتور کمپرسور اسکرو در مدلهای مذکور را میتوان بر ۳ دسته دانست. نخست زاویهی لید روتور تندتر شده است. زاویهی لید تندتر یا زاویهی هلیکس بالاتر به دبی حجمی بالاتر و نسبت حجم ذاتی کمتر دست می یابد، عیب آن چیست؟ زاویهی تندتر طول مسیر را کاسته و در نتیجه خط آببندی کوتاهتر میشود.
دومین تغییر زاویهی هلیکس کمعمقتر روتور بوده است. در این حالت برخلاف مورد قبل، آببندی بهتر شده و نسبت فشار بالاتری قابل دستیابی است.عیب این تغییر چیست؟ سطح اصطکاک روتورها افزایش می یابد.
در نهایت و در سومین تغییر عدم تقارن افزایش حرارتی مدیریت شده است. روتور نر به دلیل کار موثر داغتر میشود. در نتیجه و برای مدیریت این عدم تقارن حرارتی روتورهای اسکرو، در حالت سرد، چرخدندههای تایمینگ و بیضی حفرهی سیلندر نامتقارن طراحی میشود. نادیده گرفتن چنین تغییراتی به هنگام عملیات و افزایش دما به تماس و برخورد روتورها خواهد انجامید.
کدام مسیرهای نشتی داخلی راندمان حجمی کمپرسور را تخریب میکند؟
کمپرسور در اثر کار و زمان دچار خوردگی و آسیبهایی میشود که به نشتی می انجامد، اما این تنها نشتی کمپرسور اسکرو نیست. حتی کمپرسور نو هم پنج مسیر نشتی متفاوت دارد. این مسیرها کدامند و هرکدام چه مقدار نشتی دارد؟
ولی سهم این نشتیها یکسان نیست، مسئول ۴۰ تا ۶۰ درصد کل نشتی داخلی حفرهی دمشی یا Blow Hole است. هرچه سرعت روتور بالاتر باشد نشتی فرصت کمتری در اختیار دارد تا رخ داده و عمق یابد اما از سوی دیگر همین سرعت بالاتر باعث اختلاف فشار که سرعت نشتی را افزایش میدهد را در سراسر کلیرانسها بیشتر میکند. برآیند این دو عامل چه میشود؟ در نهایت افزایش سرعت روتور کمپرسور اسکرو چه تاثیری بر نشتی داخلی دارد؟ دبی نشتی به عنوان درصدی از کل دبی عبوری با افزایش سرعت کاهش می یابد. همانطور که میدانیم اینورتر در کمپرسورهای سرعت متغیر یا VSD مسئول تنظیم سرعت مطابق با نیاز هوای مصرفی است. در چنین کمپرسورهایی و در سرعتهای پایین راندمان حجمی آسیب میبینید و توضیحات مربوط به سرعت روتور و نشتی داخلی این مسئله را تایید میکند.
در کمپرسور روغنی ویسکوزیتهی بالاتر به معنای آببندی بهتر است، اما همین ویسکوزیتهی بالاتر عامل اتلاف انرژی نیز خواهد بود و اتلاف با مجذور ویسکوزیته رابطهی مستقیم دارد. نسبت جرمی روغن به گاز بهینه در کمپرسور ۰/۵ تا ۰/۷ درصد کسر حجمی روغن است. بسیاری به اشتباه این نسبت را یک به یک فرض میکنند.
نسبت حجم ذاتی Vi به نسبت فشار عملیاتی
اصلا نسبت حجم ذاتی چیست؟ اینجا محل تفاوت کمپرسور اسکرو با سایر کمپرسورهای سانتریفیوژ و پیستونی است. Vi پارامتری مکانیکی در کمپرسور است که یا ثابت و یا در مدلهایی که شیر کشویی دارد قابل تنظیم و متغیر است. این پارامتر کاهش حجم از مکش تا دریچهی تخلیه را پیش از آنکه گاز یا هوا در آستانهی تخلیه قرار گیرد تعیین میکند. نسبت تراکم حاصل از این کاهش حجم نیز به گاز فرآیندی و شرایط سیستم بستگی دارد.
نسبت فشار عملیاتی یا واقعی برابر است با Vi به توان k که در این معادله و برای گاز ایدهآل بدون انتقال حرارت، k ظرفیت گرمای ویژه است. در واقعیت اما انتقال حرارت رخ میدهد، در کمپرسور اسکرو روغنی انتقال حرارت به روغن و در کمپرسور اسکرو اویل فری انتقال حرارت به روتورها و بدنه انجام میشود و پارامتر k از حالت بی دررو یا آدیاباتیک به مقداری پلی تروپیک تغییر میکند. این مقدار معمولا و در کمپرسور روغنی ۱/۱ تا ۱/۲ است.
حال چه هنگام عدم تطابق رخ داده و تناسب میان Vi و نسبت فشار از دست میرود؟
در دو حالت این تطابق دچار نقصان میشود. یکی زمانی است که تراکم ناقص میدهد و Vi کوچکتر از نسبت تراکم عملیاتی است. در این حالت دریچهی تخلیه پیش از آنکه گاز به فشار رسیده باشد باز میشود و گاز پرفشار از خط به داخل شیارهای روتور برمیگردد. در نتیجه افزایش ناگهانی فشار، سروصدای تیز، افزایش بار بر یاتاقانها و کاهش راندمان حجمی را شاهد خواهیم بود. اگر در دریچهی تخلیهی کمپرسور صدای تق تق فلزی میشنوید احتمالا تراکم ناقص بوده است.
در حالت دوم نیز عکس قضیهی فوق برقرار است. Vi از نسبت تراکم عملیاتی یا واقعی بالاتر است و گاز قبل از باز شدن دریچهی تخلیه به چیزی فراتر از فشار مورد نیاز متراکم میشود. در این حالت گاز فوق فشرده در حین خروج از کمپرسور و در مسیر توزیع منبسط میشود. در نتیجه این عدم تطابق تراکم تلف شده و دمای تخلیه بالا میرود. میدانید چه زمانی این مسئله به فاجعه تبدیل میشود؟ در موارد شدیدتر قبل از باز شدن دریچه روتورها با یکدیگر برخورد میکنند و در کمپرسور اویل فری چنین فاجعه ای یعنی … خر بیار و باقالی بار کن!
آیا این عدم تطابق در عمل نیز مشاهده میشود؟ صددرصد. بسیاری از کمپرسورهای صنعتی در فشارهای برگشتی متغیر کار میکنند. در کارخانجات مختلف شیفتهای مختلفی هستند که از تنظیمات فشار متفاوت استفاده میکنند یا سیستم با فشار هدر نامنظم به کار میگیرند. در چنین مواردی، اگرچه میتوان با بکارگیری شیر کشویی Vi متغیر خلق کرد، ولی عموما از ترس هزینه، پیچیدگی یا نشتی از شکاف شیر از آن استفاده نکرده و در Vi ثابت کار میکنند. نتیجهی این موارد آن است که اکثر کمپرسورهای اسکرو بین ۳۰ تا ۵۰ درصد زمان را با عدم تطابق کار میکنند.
فشار برگشتی فشاری را گویند که با جریان مطلوب سیال در لوله یا سیستم مخالفت کند. در کمپرسور اسکرو فشار برگشتی فشاری است که پس از دریچهی تخلیه وجود داشته و کمپرسور برای خروج گاز یا هوای فشرده بایستی با آن بجنگد و برخلاف آن عمل کند.
صخرههای دور از دسترس در عملکرد کمپرسور اسکرو: روغنی و بدون روغن
کمپرسور اسکرو روغنی مزیت واضحی دارد: حضور روغن به آببندی، خنک کاری و روانکاری کمک میکند، ولی دو محدودیت پنهان هم دارد:
- روغن خیلی کم باعث رشد تصاعدی نشتی کمپرسور میشود.
- روغن خیلی زیاد باعث آببندی بهتر نمیشود، فقط عاملی است که به داغ کردن کمپرسور و افزایش مصرف انرژی منجر خواهد شد. در کلیرانسها روغن باعث اتلاف بوده و اتلاف مذکور با ویسکوزیتهی روغن و مجذور سرعت روتور کمپرسور رابطهی مستقیم دارد.
در کمپرسور اسکرو محدودهی تزریق روغن بهینه باریک و کوچک است. اکثر نقشههای OEM از تغییرات بار و سرعت چشمپوشی کرده و نرخ تزریق روغن را ثابت فرض میکنند. تزریق متغیر روغن کمپرسور که با سرعت و فشار آن تطبیق یابد به ندرت رخ میدهد، ولی در مواردی که در کمپرسورهای VSD به چنین مسئلهای توجه میشود، ۲ تا ۴ درصد راندمان بهبود می یابد.
در کمپرسور اسکرو خشک یا بدون روغن چرخدندههایی برای همزمانی روتورها کار میکند و از برخورد آنها جلوگیری میشود. در این کمپرسورها و در غیاب روغن، کلیرانس یا فواصل خالی بیشتر است. در کمپرسورهای خشک و اویل فری با لبهی پرتگاهی هم روبرو هستیم: انبساط و انقباض حرارتی و اصطکاک کلیرانس را افزایش میدهد و در نقطهای ناگهان دستگاه دیگر کار نمیکند. این مسئله در نتیجهی فشار جزئی بوده و در این هنگام لغزش یا اسلیپ داخلی با دبی جابجایی برابری میکند. به زبان ساده، نشتی و هدررفت جریان به صورت برگشتی بسیار زیاد شده است.
کمپرسور را خارج از شرایطی که برای آن طراحی و توصیه شده است به کار نیندازید!
دیتاشیت و پلاک کمپرسور راندمان را بر پایهی شرایط زیر بیان میکند:
- بار ۱۰۰ درصد
- سرعت اسمی موتور
- Vi اسمی
- دمای مکش و فشار اسمی
در برخی کمپرسورها که با بکارگیری شیر کشویی یا اسلاید ولو و اینورتور یا VSD سیستم را مدیریت کرده و بار جزئي دارند راندمان حجمی بهبود می یابد. این بهبود ناشی از نشتی کمتر نسبت به جریان عبوری است. طول موثر روتورها کاهش یافته و فرصت کمتری برای نشتی وجود دارد.
اما در همین کمپرسورها راندمان آدیاباتیک یا بیدررو کاهش می یابد. این کاهش ناشی از ۱. گردش مجدد از مسیر شکاف شیر کشویی ۲. افزایش تلفات اصطکاکی به عنوان سهمی از توان کل و ۳. توزیع ضعیف روغن در حالاتی که کشو بسیار به سمت کوتاه برده میشود، است.
راندمان کمپرسور اسکرو با اینورتر (VSD) بهتر است یا با شیر کشویی (Slide Valve)؟
برای کسانی که جیب پرپولی دارند راهحل بهینه راه حلی ترکیبی است. در این حالت شیر کشویی دبی اولیه را کاهش میدهد و سپس اینورتر تنظیم دقیق را عهدهدار میشود. این روش هزینهی بالاتر و پیچیدگی خاص خود را دارد و به ندرت به کار گرفته میشود.
دمای ورودی یا مکش نباید بیش از حد بالا باشد (بیش از حد یعنی ۳۰ درجهی سانتیگراد بالاتر از دمای توصیهی کارخانه)
در چنین شرایطی چگالی گاز کاهش می یابد اما کلیرانس کمپرسور ثابت است، پس نسبت نشتی به جریان جرمی به شدت افزایش می یابد. پارامتر دیگری که مورد توجه است توان ویژه است که با واحد کلیووات بر مترمکعب بر دقیقه معرفی میشود. این مقدار توان در موارد جدی تا دو برابر افزایش می یابد. به هنگام تشخیص علل مشکلات این مسئله را به خرابی و کهنگی کمپرسور ربط میدهند، در حالی که مشکل از دمای ورودی در بالادست کمپرسور است.
آيا فشردهسازی بیش از حد هزینه دارد؟
بله. تصور کنید:
کمپرسور هوای روغنی با نسبت طول به قطر روتور برابر با ۱/۶ و Vi یا حجم ذاتی ۳/۵ که برای تولید فشار اسمی ۷ بار مطلق طراحی شده است. اگر این کمپرسور ۱۰ بار مطلق تولید کند Vi آن برای فشار کاری واقعی خیلی کوچک است و نتایج زیر را به همراه خواهد داشت:
۱. توان اندازهگیری شده روی شافت و نه فقط ورودی موتور تا ۱۲ درصد افزایش می یابد.
۲. دمای هوا یا گاز فشردهی خروجی تا ۲۵ درجه بالاتر خواهد رفت.
۳. مطابق با قانون آرنیوس، به ازای هر ۱۰ سانتیگراد افزایش دما و کارکرد بالاتر از دمای طراحی عمر روغن نصف میشود.
۴. روتورها به موجب حرارت دچار انبساط حرارتی نامتقارن شده و خطر برخورد جدی است.
۵. در کمپرسور ۲۵۰ کیلوواتی نمونه چنین اثری در سال (۸ هزار ساعت کار) معادل ۲۵۰ ضربدر ۱۲ درصد ضربدر ۸۰۰۰ و در نهایت ضرب در نرخ کیلووات ساعت قیمت برق هزینهی اضافی دارد. این هزینه فقط ناشی از عدم تطابق Vi و با نادیده گرفتن هرگونه خرابی و نشتی دیگر است.
