جابجایی هوا به طرز مضحکی دشوار است، شما هوا را هل نمیدهید، بلکه به تعداد عظیمی از مولکولها شتاب میدهید و اصطکاک، تلاطم، نشتی و در نهایت تلفات ترمودینامیکی بایستی مدیریت شود.
چرا جهان هنوز راه بهتری برای جابجایی هوا پیدا نکرده است؟
تلاش برای جابجایی کارآمدتر هوا، در حرکت هواپیما، خنک کردن کامپیوتر و دیتاسنتر، راهاندازی پنکه، فشردهسازی کمپرسور اسکرو یا جابجایی حجم زیاد با کمپرسور گریز از مرکز داستان نبردی بیپایان با محدودیتهای فیزیکی و عملی است. پیشرفتها هیجانانگیز ولی عقیم میمانند و سیستمهای دنیای واقعی از قوانین بنیادین دینامیک سیالات هم پیچیدهتر است.
از قواعد فیزیک نمیتوان فرار کرد؛ فعلا
جابجایی هوا مسئلهای فیزیکی و غیرشیمیایی است و چارچوبهای فیزیکی بیش از یک قرن است که در برابر راهحلهای جدید مقاومت کرده است.
- پیچیدگی جریال سیال: جریان آرام، جریان آشفته و معادلات پیچیدهی نویه استوکس از مقدمات یادگیری مکانیکی سیالات در دانشگاه است. معادلات توصیف حرکت هوا در سرعتهای بالا بسیار دشوار و حلناشدنی هستند. در مبحث جریان آشفته با پدیدهای به نام لایههای مرزی مواجهیم، لایههای نازکی از هوای مرده که به سطوح چسبیده و مانند پتویی عایق عمل میکند. لایهی مرزی بازدهی مبدلهای حرارتی و کولرها را به شدت کاهش میدهد. این لایهی نازک برای هواپیما هم نیروی درگ یا پسا خلق میکند. نیروی درگ (Drag) نیرویی مقاوم در فیزیک و مکانیک سیالات است که در خلاف جهت حرکت یک جسم درون مایع یا گاز به آن وارد میشود و در برابر حرکت جسم مقاومت میکند.
رویای eVTOL یا پرندههای برقی عمودپرواز برای جابجایی مسافران شهری و پیشرانههای الکتروآیرودینامیک یا EAD از جمله پیشرفتهای این حوزه هستند.
پیشرانههای الکتروآیرودینامیکی از ولتاژ بالا برای ایجاد باد یونی استفاده میکند که هواپیما را بدون هیچ قطعهی متحرکی به حرکت درمیآورد. EAD در برخی فشارهای اتمسفر پیشرانهای بهتر از ملخهای معمولی تولید میکند اما در فشارهای پایین مستعد ایجاد قوس الکتریکی است که پرواز در ارتفاعات را خطرناک خواهد کرد.
کمپرسور صنعتی؛ چهارمین تاسیسات حیاتی
خودروهای برقی، موشکهایی که به فضا میروند و برمیگردند و چندبار مصرف هستند، تراشههای هوش مصنوعی با میلیاردهای ترانزیستور و رباتهای جراح، اما در کارخانجات صنعتی همچنان جابجایی حجم زیادی از هوا لازم است و هنوز کم و بیش همان کاری را میکنیم که ۱۰۰ سال پیش میکردیم.
چیزی را با سرعت میچرخانیم و اختلاف فشار خلق میکنیم.
فن، بلوئر، کمپرسور اسکرو، کمپرسور پیستونی، کمپرسور سانتریفیوژ
ماشینهایی متفاوت، طراحی متفاوت، فشارهای متفاوت
اما همگی یک قاعدهی یکسان: ایجاد فشار برای حرکت دادن هوا
پس از برق، آب و گاز، هوای فشرده چهارمین عنصر تامین نیرو در زندگی انسان و صنعت است. علیرغم پیشرفتهای فراوان این تجهیزات هم با سد ترمودینامیکی روبروست.
دشمن اصلی: گرما
زمانی که هوا فشرده میشود دمای آن به شدت افزایش می یابد. این گرما بهرهوری فرآیند را به شدت کاهش داده و نیاز به صرف انرژی را دوچندان میکند. تخمین زده میشود ۷۰ تا ۹۰ درصد از انرژی مصرفی کمپرسور هوا به گرما و دیگر تلفات تبدیل میشود. گرمای ناشی از فشردهسازی بزرگترین عامل اتلاف این انرژی است.
در تئوری کمترین انرژی مورد نیاز برای فشرده کردن هوا در فرآیند همدما یا ایزوترمال حاصل میشود. برای دستیابی به فرآیندی همدما بایستی تمامی گرمای تولیدشده در حین آن را بلافاصله و به طور کامل از سیستم خارج کنیم تا دما ثابت بماند. در دنیای واقعی این غیرممکن است. کمپرسورهای واقعی تحت وضعیت پلیتروپیک کار میکنند.
پیشرفتهترین کمپرسورهای کنونی راندمان آیزنتروپیک یا بازدهی با آنتروپی ثابت در حدود ۹۲ درصد دارند. این عدد به مرزهای رویا نزدیک شده و فناوری کنونی امکان پیشروی ندارد. به عبارت دیگر با طراحیهای متعارف دیگر نمیتوان انتظار بهبود عملکرد چشمگیری داشت.
چالشهای سیستمی
هوا را نمیبینید، حضورش را حس نمیکنید، اما اگر قرار باشد حجم عظیمی از آن را جابجا یا تا چند بار فشرده کنید، ناگهان پای قوانین فیزیک به میان خواهد آمد. در ضمن شما به تولید هوای فشرده برای چندین هزار ساعت و به طور مداوم نیاز دارید.
طبیعت لطف نداشته و میانبُرهای زیادی در اختیار ما نگذاشته است. برای جابجایی هوا از نقطهی الف به نقطهی ب به نیرو نیاز دارید و این نیرو با کمک اختلاف فشار ساخته میشود.
حال میتوانید اختلاف فشار را با کمک روش مکانیکی، الکتریکی، حرارتی یا حتی فناوریهای عجیب و غریب ایجاد کنید، اما بالاخره به انرژی نیاز دارید و مشکل اصلی همینجاست.
حدود ۷۰ درصد کمپرسورها استاندارد و سرعت ثابت هستند. این کمپرسورها هرچه رخ دهد باز هم هوای فشرده خروجی یکسانی تولید کرده و بیرون میدهند و نمیتوانند خود را با نوسانات مصرف وفق دهند. هدررفت انرژی و افت پایداری سیستم دو مورد از معضلات این کمپرسورهاست. راهحل جایگزین کمپرسور سرعت متغیر است. این کمپرسورها در صنعت VSD به اختصار Variable Speed Drive یا VFD به اختصار Variable Frequency Drive نامیده میشوند. کمپرسور سرعت متغیر ۱. ۴۰ درصد گرانتر است و ۲. در محیط صنعتی مرطوب و غبارآلود دچار مشکل میشود.
سبک و سنگین گزینهها در طراحی کمپرسور
کمپرسور انتخابی شما هیچوقت پرفکت نخواهد بود. کمپرسور اویل فری هوای تمیز تولید میکند اما راندمان پایین و عدم اطمینان دارد و نسبت به کمپرسور اسکرو روغنی گرانتر است. کمپرسور پیستونی فشارهای بسیار بالایی تولید میکند اما قطعات متحرک و استهلاک زیادی دارد. در حالیکه کمپرسور گریز از مرکز یا سانتریفیوژ برای جریان حجمی بالا مناسبتر است و مطمئنتر رفتار میکند.
پروفایل پیشرفتهی روتور همچون پروفایل سیگما از کمپرسور کایزر، درایوهای سرعت متغیر، موتورهای بهتر، یاتاقانهای مغناطیسی و پیشرفتهتر، کنترل دقیقتر، خطای ساخت کمتر و مدیریت هوشمند انرژی همگی راهکارهای ما برای بهینهسازی فرآیندی قدیمی بوده اند.
نگهداری و فرسودگی
حتی در صورت دستیابی به بهترین طراحی هم گذر زمان راندمان کمپرسور را تخریب میکند. فرسودگی شیرها، نشتی، گرفتگی کولرها و افزایش فاصلهی نوک پرهها یا کلیرانس تیپ ظرفیت کمپرسور را تا ۲۰ درصد کاهش میدهد.
کمپرسور کارنو
اینطور به نظر میرسد که آیندهی هوای فشرده رویایی و عجیب نیست، بلکه ذره ذره صرفهجویی کسلکننده در اتلاف انرژی مسیر را روشن خواهد کرد.
و قوانین فیزیک برای تک تک مولکولهایی که جابجا میکنیم از ما هزینه میگیرند.
پیشرفتهای تدریجی در دستیابی به کمپرسور بهتر در حال انجام است. به عنوان مثال پروژه کمپرسور کارنو در حال استفاده از مایعی مخصوص برای فشردهسازی هوا و حذف همزمان گرماست تا فرآیند به تراکم همدما نزدیکتر شود. رویای این پروژه دستیابی به ۵۰ درصد مصرف انرژی کمتر است که خود پیشرفت چشمگیری است. این تکنولوژی در مراحل آزمایشگاهی است و ضعف آن هوادهی ناکافی است.
بهینهسازی کل سیستم کمپرسور با بکارگیری الگوریتمهای هوشمند از جمله دیگر راهکارهاست. توزیع هوشمند بار بین چندین کمپرسور و خلق چارچوبهای کنترلی به بهبود راندمان کل سیستم کمک خواهد کرد.
آیا هوش مصنوعی معما را حل خواهد کرد؟
