بررسی و شناخت کمپرسورها(قسمت اول)

مقاله زیر در گروه دیوارصنعت نوشته شده است و کپی با ذکر منبع مجاز است

جهت درج آگهی خرید و فروش کمپرسور کلیــــــک کنید


مقدمه

از زمانی که علم فیزیک از سالیان دور در زندگی انسانها نقش مهمی را برعهده گرفت انسانها در صدد بودند تا با استفاده از گسترش سیطره عملکرد خود، خواه در بازه زمان و یا مکان مقدار کار زیادی را با صرف انرژی کمتر انجام دهند. به این ترتیب برای اولین بار در زندگی بشر اهرمها مورد استفاده قرار گرفتند، که انتقال نیرویی بزرگ را از طریق یک جسم صلب برای انجام کار بیشتر فراهم می آورد .

پس از گذشت سالها بشرمتوجه شد که این انتقال قدرت می تواند از طریق سیالات نیز صورت بگیرد که در نتیجه آن با صرف نیرویی اندک، بازدهی کار بالایی را فراهم می کرد.

در سالهای اخیر مباحث علم هیدرولیک و پنوماتیک در عرصه علم مکانیک مطرح گردیده اند، که تشکیل شده اند از ماشینهایی که بر روی سیال کار انجام می دهند و این کار را منتقل می کنند.

کمپرسور به ماشینی اطلاق می شود که از آن برای افزایش فشار سیالات تراکم پذیر (گازها و بخارات) استفاده می شود. کمپرسور در رفاه زندگی بشری و گسترش صنایع از آنچنان اهمیتی برخوردار بوده که امروزه اصطلاحاً آن را اسب بارکش (Work Horse) صنایع می نامند.

در اهمیت کمپرسورها همین بس که دامنه ی بکارگیری از آن در شاخه های مختلف صنایع،پزشکی، لوازم خانگی و … به سرعت در حال توسعه می باشد، به طوری که امروزه حضور آن در جای جای جوامع بشری بشدت به چشم می خورد که عمده ترین آنها عبارتند از وسایل خانگی (یخچال،فریزر، کولرگازی،جاروبرقی)، تجهیزات پزشکی ( دریل های دندانپزشکی، هوای مورد استفاده در بیمارستان ها) صنایع هواپیمایی (تامین هوای فشرده برای موتور توربین) و دیگر صنایع (تامین هوای فشرده برای سیستم های پنوماتیکی، میعان گازها، ذخیره سازی گاز و …)

یک برآورد نسبی در زمینه ی نقش کمپرسور در صنایع بزرگ نشان می دهد که حدود ۱۰% انرژی مصرفی در صنایع صرف تراکم گازها ( و به ویژه هوای فشرده) می گردد.

شرایط بهره برداری از کمپرسورها در صنایع از چنان دامنه وسیعی برخوردار است که امروزه انواع متنوعی از کمپرسورها در ظرفیت های مختلف و از فشار مکش بسیار کم (خلاء) تا فشار دهش بسیار زیاد ( بیش از ۶۰۰۰ بار) بکار گرفته می شوند.

هدف از به کار گیری کمپرسورها در صنایع

هر چند که وظیفه کمپرسور ها افزایش فشار گازها و یا بخارات می باشد ولی این عمل میتواند بنا به دلایل مختلفی صورت پذیرد که عمده ترین آنها عبارتند از:

  • غلبه بر از دست رفتن انرژی در هنگام انتقال گازها ( مانند شبکه گاز سراسری)
  • صرفه جویی در حجم مخازن در زمان نگهداری گازها (ذخیره سازی گازها)
  • تغذیه گازها به منابع زیر زمینی جهت افزایش بازیابی منابع نفتی
  • افزایش فشار گاز جهت میعان آن (سیستم تبرید)
  • تامین نیروی محرکه لازم برای انجام کار مکانیکی (پنوماتیکی)
  • افزایش فشار گاز جهت انجام واکنش شیمیایی و تولید فرآورده های پتروشیمی (تولید آمونیاک)

دسته بندی کمپرسورها از نظر رفتاری

بر حسب چگونگی فرآیند تراکم، کمپرسورها به دو دسته تقسیم می شوند:

  • الف : کمپرسورهای جابجایی مثبت (Positive Displacement)
  •  ب : کمپرسورهای دینامیک (Dynamic)

در کمپرسورهای جابجایی مثبت همواره مقدار معینی از گاز بین دو قطعه به دام افتاده و با کاهش حجم در محفظه، فشار گاز افزایش می یابد. این کمپرسورها خود به دو دسته ی تناوبی (Reciprocating) و دورانی (Rotary) تقسیم می شوند.

در کمپرسورهای دینامیک ابتدا انرژی جنبشی گاز افزایش یافته و سپس بخش اعظمی از انرژی جنبشی آن در یک مجرای گشاد شونده بنام حلزونی (Volute) به انرژی پتانسیل (فشار) تبدیل میشود.

1

2

دسته بندی کمپرسورها از نظر آب بندی شافت

کمپرسورهای بسته (Hermetic)

این کمپرسورها غالبا ً در سیستم های تبرید با ظرفیت کم (حداکثر تا ۲۰ تن تبرید) مورد استفاده قرار می گیرند. کلیه ی قطعات کمپرسور در داخل یک محفظه کنسرو مانند قرار داشته و عملا ً نشت مبرد از آن غیر ممکن است. این کمپرسورها به صورت یکبار مصرف ساخته شده و غیر قابل تعمیر می باشند. لازم به ذکر است که برخی از تعمیر کاران ادعای تعمیر آن را دارند، اما این عمل هم از نظر فنی و هم از نظر مالی توجیه پذیر نیست.

از معایب این نوع از کمپرسورها می توان به حساس بودن به نوسانات ولتاژ الکتریکی اشاره کرد که موجب می شود سیم پیچ مسی داخل موتور آن بسوزد. البته لازم به ذکر است که هزینه این کمپرسورها نسبت به سایر مدل های کمپرسور پائین می باشد.

3

4

75

6

3

کمپرسورهای نیمه بسته (Semi Hermetic)

این دسته از کمپرسورها را می توان چیزی مابین کمپرسورهای بسته و باز دانست. هر چند که هیچ قطعه متحرکی از این کمپرسورها خارج نمی شود ( و لذا عملا ً در شرایط عادی نشتی گاز از کمپرسور صفر است) ولی این کمپرسورها قابل تعمیر بوده و به همین دلیل می توان آن را یک کمپرسور صنعتی دانست.

این کمپرسورها عموما ً برای سیستم های تبرید با حداکثر تا ۱۰۰ تن تبرید استفاده می شوند.12

کمپرسورهای باز (Open type)

اکثر کمپرسورهای صنعتی از این نوع می باشند. در این طرح، محور از پوسته کمپرسور خارج شده و توسط تجهیزاتی نظیر تسمه، گیربکس و یا اتصالات مستقیم، انرژی مورد نیاز جهت راه اندازی و بهره برداری را دریافت می کند. آب بند کردن محل خروج محور از پوسته و بالاخص در کمپرسورهای تبریدی و فرآیندی که کارتر آن تحت فشار است و مخصوصا ً مواقعی که نشتی گاز از محل خروج محور ازپوسته از نظر ایمنی و بهداشتی خطرناک باشد، از اهمیت ویژه ای برخوردار است. این

کمپرسورها از نظر تعمیرپذیری دارای هیچگونه محدودیتی نمی باشند

13

اصول کارکرد

در کمپرسورهای پیستونی با حرکت پیستون به سمت عقب گاز به درون سیلندر وارد گردیده و فضای درون سیلندر را پر می کند. در حرکت رو به جلو، با اعمال نیرو از سوی پیستون، گاز حبس شده در سیلندر متراکم می گردد.

15

هنگامی که پیستون به انتهای کورس تراکم خود می رسد، اگر دسته پیستون آزاد شود، به طور خودکار به سمت عقب بر میگردد؛ چراکه همواره در پایان حرکت رو به جلوی پیستون، بین پیستون و انتهای سیلندر فاصله هوایی وجود دارد که اصطلاحا ً فضای مرده (Clearance Volume) نامیده میشود.

برای جلوگیری از برخورد پیستون به سوپاپ مکش، تمام کمپرسورهای رفت و برگشتی طوری طراحی می شوند که در بالاترین نقطه ی مسیر حرکت پیستون، فاصله ی کمی بین آن دو وجود داشته باشد؛ حجم این فضا که حجم سیلندر در نقطه مرگ بالا است، حجم فضای مرده نامیده می شود. این فضا حاوی گاز متراکم شده بوده که به بیرون فرستاده نشده است، با آزاد کردن دسته پیستون انرژی پتانسیل ذخیره شده در گاز باقیمانده در فضای مرده بر روی پیستون نیرو وارد کرده و آن را به سمت عقب می راند.

بدیهی است که با عقب رفتن پیستون، گاز حبس شده در فضای مرده منبسط شده و تا زمانی که فشار درون سیلندر به فشار خط مکش نرسد، پیستون دارای حرکت رو به عقب خواهد بود.

حرکت رفت و برگشتی پیستون از طریق میل لنگ (Crank Shaft) و شاتون (Connecting Rod) تامین می شود و سوپاپ های مکش و دهش نصب شده در بالای سیلندر در جهت عکس یکدیگر عمل می کنند. هنگامی که فشار در داخل سیلندر از فشار مکش کمتر شود سوپاپ مکش باز شده و برعکس اگر فشار درون سیلندر با فشار مکش مساوی و یا بیشتر باشد، سوپاپ مکش بسته می شود. سوپاپ ها اساسا ً یک شیر یک طرفه بوده که در شرایط عادی (فشار در دو طرف مساوی) بسته اند.

بسته بودن سوپاپ ها به وسیله ی نیروی فنر صورت می گیرد. بنابراین برای باز شدن سوپاپ مکش لازم است که فشار درون سیلندر آنقدر کاهش یابد که اختلاف فشار بین لوله خط مکش و داخل سیلندر بحدی برسد که بتواند بر نیروی وارده از سوی فنر نیز غلبه نماید. علاوه بر آن، جریان گاز از درون سوپاپ ها نیز به لحاظ مقاومتی که در مسیر جریان گاز وجود دارد باعث افت فشار می گردد.

وجود دو پدیده ی فوق به سهم خود نیاز به صرف انرژی داشته که برخلاف انرژی لازم برای تراکم گاز حبس شده در فضای مرده قابل بازیابی نبوده و باید آن را بعنوان انرژی از دست رفته تلقی کرد.

سوپاپ دهش نیز وقتی باز می شود که فشار درون سیلندر از فشار خط دهش بیشتر شود. در این مرحله نیز نیروی لازم برای غلبه بر نیروی فنر(ها) و از دست رفتن انرژی ناشی از اصطکاک موجود در مسیر عبور گاز از درون سوپاپ ها باید مورد توجه قرار گیرد.

سیکل تراکم در کمپرسور

تخلیه گاز از درون سیلندر هنگامی صورت می گیرد که فشار درون سیلندر به حدی افزایش یابد که اولا ً از فشار خط دهش بیشتر شده و ثانیا ً بتواند بر نیروی فنر و اصطکاک ناشی از عبور گاز از درون سوپاپ دهش غلبه کند.

اگر کمپرسور فاقد فضای مرده باشد (که عملا ً منتفی است) سیکل تراکم در کمپرسور دارای دیاگرام P-V به صورت زیر خواهد بود :

16

دیاگرام فشار- حجم سیکل تراکم (بدون در نظر گرفتن حجم فضای مرده)

تاثیر فضای مرده روی دیاگرام P-V به صورت زیر است :

17

20

دیاگرام فشار- زمان تئوریک سیکل تراکم که در آن فشار سیلندر در مقابل وضعیت میل لنگ ترسیم شده است

در طراحی کمپرسور همواره سعی بر این است که درصد فضای مرده را حتی الامکان کاهش دهند، ولی تجربیات عملی در کمپرسورها نشان می دهد آن دسته از کمپرسورهایی که با درصد فضای مرده کم طراحی شده اند در هنگام بهره برداری سروصدای بیشتری دارند.

امروزه اکثر کمپرسورهای پیستونی با فضای مرده حدود ۶ تا ۱۲ درصد (و به ندرت ۱۵ درصد) طراحی و ساخته می شوند. منظور از ذکر درصد، نسبت حجم فضای مرده به حجم جارو شده توسط پیستون می باشد.

بررسی دیاگرام واقعی P-V در کمپرسورهای پیستونی

به لحاظ وجود عواملی نامطلوب در زمان بهره برداری از کمپرسورها، نمودار P-V آن با آنچه که در نمودارهای قبل به آن اشاره شد، تفاوت های زیادی دارد.

الف ) تاثیر فضای مرده

ب ) از دست رفت انرژی در سوپاپ ها

انرژی لازم جهت غلبه بر نیروی فنر

از دست رفت انرژی ناشی از اصطکاک

21

ارسال نظر

4 + دو =