هوا فشرده ( Cumpressed Air )
هوا فشرده – 3
1- بررسي كلي هوا (Air in general) در هوا فشرده
هوا، تركيب گازي است، بي رنگ، بي بو و بي مزه. هوا از گازهاي بسياري تشكيل شده است، اما گازهاي تشكيل دهنده آن عمدتاً اكسيژن و نيتروژن هستند. در بيشتر شرايط محاسباتي مي توان هوا را به عنوان يك تركيب گازي كامل در نظر گرفت. تركيب هوا از سطح دريا تا ارتفاع 25 كيلومتري نسبتاً ثابت است.
هوا كم و بيش با ذرات جامدي مثل گرد و غبار، شن، دوده و كريستال هاي نمك آلوده مي شود. ميزان آلودگي در نواحي پر جمعيت، بالاتر و در روستاها و ارتفاعات بالاتر كمتر است.
هوا يك ماده شيميايي نيست، بلكه ماده اي است كه بطور مكانيكي تركيب شده است. به همين علت است كه مي توان اجزاي سازنده آن را به عنوان مثال با سرد كردن، از يكديگر جدا كرد.
2- هواي مرطوب (Moist air) در هوا فشرده
هوا را مي توان به عنوان تركيبي از هواي خشك و بخار آب در نظر گرفت. هوايي كه حاوي بخار آب است، هواي مرطوب ناميده مي شود، اما رطوبت هوا مي تواند در حدود گسترده تغيير نمايد. هوا مي تواند كاملاً خشك باشد و يا از رطوبت اشباع شده باشد. حداكثر فشار بخار آبي كه هوا مي تواند در خود نگاه دارد با ازدياد دما افزايش مي يابد. حداكثر فشار بخار آب با دما ارتباط دارد.
زماني كه هوا به حداكثر فشار خود مي رسد، معمولاً حاوي بخار آب نيست. فشار بخار نسبي (رطوبت نسبي هم ناميده مي شود) حالتي است كه بين فشار بخار واقعي و فشار بخار اشباع شده در همان درجه حرارت وجود دارد. نقطه شبنم دمائي است كه در آن هوا از بخار آب اشباع شده است. بدين ترتيب با كاهش درجه دما ميعان آب صورت مي گيرد. نقطه شبنم اتمسفري، درجه حرارتي است كه در آن بخار آب در فشار اتمسفري به مايع تبديل مي شود. نقطه شبنم فشار، دماي معادل به همراه افزايش فشار است.
رابطه زير بكار برده مي شود:
(p – x) x x V = x x T
x x x V = x x T
p = فشار مطلق كل (bar)
= فشار اشباع در دماي واقعي (bar)
= فشار بخار نسبي
V = حجم كلي هواي مرطوب
= ضريب ثابت گاز براي هواي خشك = 278.1 J / Kg x K
= ضريب ثابت گاز براي بخار آب = 461.3 J / Kg x K
= جرم هواي خشك (kg)
= جرم بخار آب (kg)
T = دماي مطلق هواي مرطوب (K)
1-3 انواع كمپرسورها (Types of compressors) در هوا فشرده
هوا فشرده –
1-5-1 دو اصل اساسي (Two basic principles) در هوا فشرده
براي فشردگي هوا (يا گاز) وجود دارد، فشردگي ديناميك و اصل جابجايي. از جمله كمپرسورهاي جابجايي شامل كمپرسورهاي پيستوني و انواع متفاوت كمپرسورهاي چرخشي مي باشند. اينها از جمله رايج ترين كمپرسورها در بيشتر كشورها هستند.
به عنوان مثال در يك كمپرسور پيستوني، هوا وارد محفظه تراكم مي شود، كه اين محفظه از مجراي ورودي اش بسته مي شود. سپس حجم كمپرسور كاهش مي يابد و هوا متراكم مي شود. وقتي كه فشار به اندازه فشار موجود در مانيفولد رسيد، سوپاپ خروجي باز مي شود و هوا در فشار ثابتي تحت كاهش مستمر حجم محفظه كمپرسور خارج مي شود.
هوا فشرده – 2
در كمپرسور ديناميكي، هوا وارد محفظه اي مي شود كه داراي پروانه تراكم ساز، سريعي است كه با سرعت بالايي مي چرخد. سپس گاز از طريق پخش كننده ها خارج مي شود كه در آن انرژي جنبشي به فشار استاتيك تبديل مي شود. كمپرسورهای ديناميكي در دو نوع با جريان محوري و شعاعي موجود مي باشند. همه آنها براي مقادير جرياني كه حجم زيادي دارند مناسب هستند.
1-5-1- كمپرسورهاي جابجايي (Displacement compressors) در هوای فشرده
يك پمپ دوچرخه ساده ترين نوع يك كمپرسور جابجايي است، كه در اين نوع پمپ، هوا وارد سيلندر مي شود و توسط پيستون متحركي فشرده مي شود. كمپرسور پيستوني داراي اصل عملكردي مشابهي است با يك پيستون، اين كمپرسور داراي پيستوني است كه در آن يك ميله اتصال و يك ميل لنگ چرخشي باعث عقب و جلو رفتن آن مي شود. اگر براي فشردن هوا فقط يك طرف پيستون استفاده شود، پيستون يكطرفه ناميده مي شود. اگر هر دو طرف بالا و پايين مورد استفاده قرار گيرد، كمپرسور دو طرفه ناميده مي شود. تفاوت بين فشار در قسمت ورودي و قسمت خروجي به عنوان اندازه اي از كار كمپرسور است.
نسبت فشار؛ رابطه بين فشار مطلق در قسمت هاي ورودي و خروجي است. بنابراين ماشيني كه هوايي تحت فشار اتمسفر را تا 7bar فشرده مي سازد، داراي كاري با نسبت فشار 1=8 (7+1) است.
1-5-2- نمودار كمپرسور براي كمپرسورهاي جابجايي (The compressor diagram for displacement compressors) در هوای فشرده
شكل 1:15 نمودار تئوريكي كمپرسور را نشان مي دهد و شكل 1:16 نمودار واقعي كمپرسور پيستوني را نشان مي دهد. حجم كورس پيستون برابر است با حجم استوانه اي كه پيستون در مرحله كورس مكش از آن عبور مي كند. ضريب مجاز حجمي منطقه اي است كه بايد به دلايل مكانيكي در نقطه عطف پيستون باقي بماند و همچنين شامل منطقه مورد نياز سوپاپ ها نيز مي شود.
تفاوت بين حجم كورس پيستون و حجم مكش به انبساط هوايي بستگي دارد كه قبل از اينكه مكش بتواند شروع شود در ضريب مجاز حجمي باقي مي ماند. تفاوت بين نمودار تئوريكي p/V و نمودار واقعي به طرح عملي كمپرسور بستگي دارد. به عنوان مثال در يك كمپرسور پيستوني دريچه ها هيچگاه بطور كامل آب بندي نمي شوند و هميشه نشت بين پيستون و ديوار و سيلندر وجود دارد. به علاوه سوپاپ ها نمي توانند بدون تأخير باز و بسته شوند، زيرا كه اين تأخير وقتي كه گاز از ميان كانالها عبور مي كند باعث افت فشار مي شوند. بنابر دلايل اين طرح است، وقتي كه گاز به داخل سيلندر جاري مي شود، گرما داده مي شود. كار تراكم با تراكم هم دمايي به صورت زير بيان مي شود:
W = x x 1n
كار تراكم با تراكم هم دمايي ( بدون تبادل گرمايي با محيط ) به اينصورت است :
W = x
W = كار تراكم (J)
(Pa) فشار اوليه
حجم اوليه
(Pa) فشار نهايي
K = K ≈ 1/3 – 1/4 توان هم دمائي در بيشتر موارد با مضرب
اين رابطه نشان مي دهد كه براي فشرده سازي هم دمايي (بدون تبادل گرمايي با محيط) نسبت به فشرده سازي هم دمايي كار بيشتري مورد نياز است. در واقع كار لازم بين حدهاي (K ≈ 1/3 – 1/4) نهفته است.
1-5-3- كمپرسورهاي ديناميكي (Dynamic compressors) در هوا فشرده
كمپرسور ديناميكي، موتور جرياني است كه در آن افزايش فشار بطور همزمان با عبور جريان گاز صورت مي گيرد. گاز جاري بواسطه پروانه هاي چرخنده اي سرعت بالائي به خود مي گيرد، كه بعد از اين ، وقتي كه تحت نيرو مورد كاهش سرعت واقع مي شود، به فشار تبديل مي گردد. اين كمپرسورها بنابر جهت اصلي جريان به عنوان كمپرسورهاي شعاعي يا محوري ناميده مي شود.
در مقايسه با كمپرسورهاي جابجايي، كمپرسورهاي ديناميكي داراي ويژگي بخصوصي هستند. در اين کمپرسورها تغيير كوچكي در فشار كار باعث ايجاد تغيير بزرگي در ظرفيت مي شود.
هر سرعتي داراي يك حد ظرفيتي بالاتر و پايين تري است. حد بالاتر به اين معني است كه سرعت جريان گاز به سرعت صوت مي رسد. حد پايين تر به اين معني است كه فشار مقابل بزرگتر از فشار تراكم كمپرسور بوده و به معني بازگشت جريان در كمپرسور است كه باعث ايجاد تكان، ضربه و خطر خسارت مكانيكي در كمپرسور مي شود.
1-5-4- تراكم در چندين مرحله (Compression in several stages) در هوای فشرده
به لحاظ تئوريكي گاز را مي توان يا بصورت فرآيند هم دمايي و يا عدم تبادل گرمايي فشرده ساخت. اين كار مي تواند به عنوان قسمتي از يك فرآيند بازگشت پذير انجام شود.
اگر گاز فشرده شده را بتوان سريعاً در درجه حرارت نهايي اش بعد از تراكم، مورد استفاده قرار داد، فرآيند عدم تبادل گرمايي حتماً سودمند خواهد بود. در واقع بندرت
مي توان گاز را مستقيماً و بدون سرد كردن مورد استفاده قرار داد. بنابراين ازآنجائي كه اين فرآيند نياز به كار كمتري دارد، فرآيند هم دمايي ترجيح داده مي شود.
در عمل تلاش مي كنيم اين فرآيند را با سرد كردن گاز در طول مدت فشرده سازي محقق سازيم.
يك روش عملي براي كاهش گرمايش گاز اين است كه تراكم را به چندين مرحله تقسيم كنيم. گاز بعد از هر مرحله سرد مي شود، تا بيشتر فشرده گردد. كاهش نسبت فشار در مرحله اول باعث افزايش كارايي مي شود. اگر نسبت فشار در هر مرحله يكسان باشد ميزان انرژي مورد نياز نيز به پايين ترين سطح مي رسد.
هر چقدر كه تعداد مراحل فشرده سازي بيشتر باشد، كل فرآيند به تراكم هم دمايي نزديك تر مي شود. با اين وجود، يك حد اقتصادي براي تعداد مراحل تراكم در طراحي يك دستگاه واقعي وجود دارد.
1-5-5- مقايسه بين كمپرسورهاي جابجايي و گريز از مركز (Comparison between displacement and centrifugal compressors) در هوای فشرده
منحني ظرفيت كمپرسور سانتريفیوژ تفاوت قابل ملاحظه اي با منحني ظرفيت كمپرسور جابجايي دارد. كمپرسور گريز از مركز ماشيني است كه داراي ظرفيت متغير و فشار ثابتي است. در عوض كمپرسور جابجايي، ماشيني با ظرفيت ثابت و فشار متغيري است.
مثال هاي ديگري از تفاوت هاي موجود بين اين دو كمپرسور است. كمپرسور جابجايي بر خلاف بيشتر كمپرسورهاي گريز از مركز، حتي در سرعت پايين نسبت فشار بالاتري دارد. كمپرسورهاي گريز از مركز به خوبي با مقادير زياد جريان هوا متناسب هستند.
