کمپرسورهای جابجایی – پیستوی روغن کاری نشونده
COMPRESSED AIR MANUAL BOOK
راهنمای هوای فشرده
کمپرسورهای جابجایی
2-1-1 کمپرسورهای جابجایی بطور کلي؟
(Displacement compressors in general)
يک کمپرسور جابجايي داراي اين خصوصيت است که حجم معيني از گاز يا هوا را محصور مي کند و سپس با کاهش دادن منطقه حجم محصور شده، فشار را افزايش مي دهد.
2-1-2 کمپرسور هاي پيستوني چیست؟ (Piston compressors)
کمپرسور پيستوني قديمي ترين و متداول ترين انواع کمپرسور است. اين کمپرسور در شکل هاي دوطرفه يا يکطرفه موجود مي باشند که قطعات آن ها روغن کاري شونده يا روغن کاري نشونده مي باشند که به اشکال متفاوتي داراي تنوع تعداد سيلندر هستند. به استثناي کمپرسورهاي واقعاً کوچک که داراي سيلندر هاي عمودي هستند، شکل بندي V براي کمپرسور هاي کوچک رايج ترين است.
در کمپرسورهاي بزرگ دو طرفه، شکل بندي نوع L با سيلندر عمودي فشار پايين و سيلندر افقي فشار بالا مزاياي بسيار زيادي داشته و به همين علت است که اين نوع طرح نسبت به طرح هاي ديگر رايج تر است.
کمپرسورهايي که روغن کاري مي شوند بطور معمول با سيستم روغن کاري پاششي يا روغن کاري فشاري کار مي کنند. بيشتر کمپرسورها داراي سوپاپ هاي خودکار هستند. يک سوپاپ خودکار به هنگام بروز اختلافات فشار در دو سمت بشقابک سوپاپ باز و بسته مي شود.
2-1-3 چگونه کار می کنند؟ (Oil-free piston compressors)
کمپرسورهاي پيستوني روغنکاري نشونده مانند کمپرسورهای جابجایی داراي رينگ هاي پيستوني از جنس پلي اتيلني يا کربني مي باشند و يا اينکه ديواره پيستون و سيلندر آنها مي تواند همانند کمپرسورهاي مارپيچي شياردار باشد. کمپرسورهاي بزرگتر داراي يک ياتاقان متحرک و واشرهاي درزگيري هستند که بر روي پين هاي انگشتي پيستون قرار دارند و داراي قطعه مياني تهويه کننده اي است که از انتقال روغن از محفظه کارتل روغن به محفظه تراکم ممانعت مي کند. کمپرسورهاي کوچک تر غالباً داراي يک کارتل روغن به همراه آب بندي جهت افزايش عمر ياتاقان ها هست.
2-1-2 عملکرد کمپرسورهاي ديافراگمي چگونه است؟ (Diaphragm compressors)
کمپرسورهاي ديافراگمي گروه ديگري از کمپرسورهای جابجایی را تشکيل مي دهند. ديافراگم بطور مکانيکي يا هيدروليکي به کار انداخته مي شود. کمپرسورهاي ديافراگمي مکانيکي با جريان اندک و فشار پايين يا به عنوان پمپ هاي خلاء مورد استفاده قرار مي گيرند. کمپرسورهاي ديافراگمي هيدروليکي براي فشار بالا مورد استفاده قرار مي گيرند.
2-1-5 کمپرسورهاي مار پيچي از چه زمانی توسعه یافت؟ (Screw compressors)
اصول کلي کمپرسور جابجايي چرخشي با پيستون مارپيچي شکل، در سال هاي دهه 1930 توسعه يافت، و اين زماني بود که يک کمپرسور چرخشي با ظرفيت بالا و جرياني ثابت در شرايط متفاوت، مورد نياز بود.
اجزاء اصلي هواساز کمپرسور شامل روتورهاي نر و مادگي مي باشد، که مادامي که به طرف يکديگر حرکت مي کنند، حجم بين آنها و محفظه کاهش مي يابد. هر هواساز مارپيچ داراي نسبت فشار ثابتي است که به طول مارپيچ، فاصله ميان دنده هاي مارپيچ و شکل مجراي تخليه آن بستگي دارد. براي بدست آوردن بهترين راندمان، نسبت فشار بايد با فشار کاري مورد نياز تطبيق داده شود.
کمپرسور مارپيچي داراي سوپاپ نبوده و هيچ نيروي مکانيکي ندارد که باعث عدم تعادل شود. اين بدين معني است که اين نوع کمپرسور با ابعاد بروني کوچک ميتواند با سرعت ميله گردنده بالائي کارکند و جريان عظيمي را ترکيب نمايد.
يک نيروي محوري فعال که به اختلاف فشار بين ورودي و خروجي بستگي دارد بر ياتاقان ها وارد مي گردد. کمپرسورهای جابجایی مارپيچ، که در اصل متقارن بود، هم اکنون در طرح هاي مختلف به صورت اشکال حلزوني توسعه يافته است.
2-1-5-1 کمپرسورهاي مارپيچي روغن کاري نشونده در کجا مصرف می شود؟ (Oil-free screw compressors)
اولين کمپرسورهاي مارپيچي داراي شکل متقارني بودند و در محفظه فشار آنها از مايع استفاده نمي شد. به همين دليل به آنها کمپرسورهاي مارپيچي روغن کاري نشونده يا خشک مي گفتند. در اواخر دهه 1960 کمپرسور مارپيچي روغن کاري نشونده سرعت بالائي بوجود آمد که داراي شکل مارپيچ نامتقارني بود. اين شکل جديد روتور بطور چشم گيري منجر به افزايش راندمان شد، اين افزايش کارائي به علت کاهش نشت در دستگاه بود.
در کمپرسورهاي مارپيچي خشک و کمپرسورهای جابجایی از يک چرخ دنده بيرونی استفاده مي شود تا روتورهاي چرخشي را که در جهت عکس يکديگر حرکت مي نمايند، هماهنگ کند. از آنجائي که روتورها نه با يکديگر و نه با محفظه تراکم کمپرسور تماس پيدا مي کنند. بنابراين در محفظه تراکم نيازي به روغن کاري نيست در نتيجه هواي فشرده شده کاملاً عاري از روغن است. روتورها و محفظه با دقت بسيار زيادي ساخته مي شوند تا نشت روغن از قسمت تراکم به قسمت ورود هوا به حداقل برسد. نسبت فشار هوا اختلاط شده توسط اختلاف درجه حرارت بين ورودي و خروجي، محدود مي شود. به همين دليل است که کمپرسورهاي مارپيچي روغن کاري نشونده را غالباً به صورت چندين مرحله اي مي سازند.
2-1-5-2 کمپرسورهاي اسکرو مایع تزریقی چگونه مصرف می شوند؟ (Liquid injected screw compressors)
در اين نوع کمپرسور تزريقي، مايعي با هدف روغن کاري و خنک کاري به محفظه تراکم و غالباً به ياتاقان هاي کمپرسور تزريق مي شود. نقش اين مايع خنک کاري و روغن کاري کمپرسور و کاهش نشت برگشتي به قسمت ورودي هوا است.
امروزه، روغن ، به دليل خواص خوب روان سازي رايج ترين مايع مورد استفاده در روانکاري است. با توجه به اين از مايعات ديگري نيز استفاده مي شود، از جمله آب. کمپرسورهاي مارپيچ مايع تزريقي مي توانند براي نسبت هاي فشار بالا ساخته شوند، زيرا که با يک مرحله تراکم هوا فشاري معادل 13 بار ايجاد مي نمايد.
2-1-6 چطور کمپرسور دندانه دار هوا را فشرده می کند؟ (Tooth compressor)
واحد هواساز در کمپرسور دندانه دار و کمپرسورهای جابجایی از دو روتور تشکيل مي شود که در محفظه تراکم به طرف يکديگر حرکت مي کنند.
فرآيند فشرده سازي از سه مرحله مکش، تراکم و رانش تشکيل مي شود. در مرحله مکش، هوا وارد محفظه تراکم مي شود، که با حرکت روتورها بتدريج کوچک و کوچکتر مي گردد. خروجي هوا در مرحله تراکم به وسيله يکي از روتورها مسدود مي باشد، در حالي که ورودي براي مکش هواي تازه در قسمت ديگر محفظه تراکم باز است.
عمل تخليه هنگامي صورت مي گيرد که يکي از روتورها کانال را باز کند و بدين ترتيب هواي متراکم شده با نيروي زيادي به بيرون از محفظه تراکم فرستاده شود. مراحل مکش و رانش هوا در محفظه تراکم بصورت شعاعي صورت مي پذيرند، که اين امکان را فراهم مي آورد از طرح هاي ساده تر ياتاقان استفاده شود و همچنين ويژگي هاي پر کردن هوا را بهبود بخشد.
هر دو اين روتورها از طريق چرخ دنده اي هماهنگ شده و بطور همزمان مي چرخند. حداکثر نسبت فشاري که توسط کمپرسور دندانه دار روغن کاري نشونده بدست مي آيد، 5/4 است. در نتيجه براي فشار هاي بالاتر چندين مرحله ديگر مورد نياز است.
2-1-7 عملکرد کمپرسور فرفره اي؟ (Scroll compressor)
اين کمپرسور يکي از انواع کمپرسورهاي جابجايي اسکرو روغن کاري نشونده است، به عنوان مثال اين کمپرسور با کاهش همواره حجم معيني از هوا آن را فشرده مي سازد. واحد هواساز کمپرسور از يک حلزوني ثابت در قسمت محفظه و يک موتور که بصورت گريز از مرکز راه اندازي مي شود و همچنين يک مارپيچ متحرک، تشکيل شده است. حلزوني ها با اختلاف فاز 180 درجه نصب مي شود تا محفظه هوايي با حجم هاي متغيري را تشکيل دهند.
اين امر باعث مي شود که قسمت هاي تشکيل دهنده کمپرسور داراي تعادل شعاعي باشند. ميزان نشتي وقتي که اختلاف فشار در محفظه هاي هوا کمتر از اختلاف فشار بين ورودي و خروجي باشد، به حداقل مي رسد.
متحرکت توسط ميل لنگي به کار انداخته مي شود که داراي کورس کوتاهي است و اين مارپيچ بطور گريز از مرکز در حول مرکز حلزوني ثابت حرکت مي کند. قسمت ورودي هوا در بالاي محفظه تعبيه شده است.
وقتي که مارپيچ متحرک برخلاف عقربه هاي ساعت حرکت مي کند، هوا به داخل فرستاده مي شود و در يکي از محفظه هاي هوا حبس و بطور متغيري به سمت مرکز فشرده مي شود.
در اين قسمت دريچه خروجي و سوپاپ يکطرفه اي تعبيه شده است. دوره تراکم به ازای هر 5/2 دور چرخش در حال اجراء است که در اين دوره، جريان هوا ثابت و بدون ضربه است. از آنجائي که اين فرآيند عاري از هر گونه تغیيرات گشتاور بوده و تقريباً آرام و بدون لزرش است، بنابراين با کمپرسور پيستوني قابل مقايسه است.
2-1-8 کمپرسور پره اي چکار می کند؟ (Vane compressor)
اصول کار کمپرسور پره اي همانند بسياري از موتورهاي هواي فشرده ديگر است. پره ها معمولاً از آلياژهاي ريختگي مخصوص ساخته مي شوند و بيشتر کمپرسورها از نوع روغن روغنکاري شونده مي باشند.
يک روتور که داراي پره هاي متحرک شعاعي است به صورت خارج از مرکز در محفظه استاتور نصب مي شود. وقتي که روتور مي چرخد، پره ها به واسطه نيروي گريز از مرکز با ديواره هاي استاتور تماس برقرار مي نمايد. وقتي که فاصله بين روتور و استاتور افزايش مي يابد، هوا به داخل فرستاده مي شود. هوا در محفظه هاي مختلف کمپرسور حبس شده و حجم اين محفظه ها همزمان با چرخش کاهش مي يابد. وقتي که پره ها از مقابل مجراي خروجي مي گذرند، هوا تخليه مي شود.
2-1-9 کمپرسور حلقه روغني چیست؟ (Liquid-ring compressor)
کمپرسور حلقه روغني يکي از انواع کمپرسورهاي جابجايي است که داراي نسبت فشار دروني مي باشد. روتور اين کمپرسور داراي پره هاي ثابتي است که به صورت خارج از مرکز در يک محفظه قرار گرفته که بخشي ازآن با مايعي پر مي شود. چرخ پره، مايع را به اطراف محفظه کمپرسور منتقل نموده و به واسطه نيروي گريز از مرکز حلقه اي از مايع در اطراف محفظه کمپرسور تشکيل مي شود. از آنجائي که محفظه کمپرسور بيضوي شکل است، حلقه مايع به صورت خارج از مرکز در اطراف روتور قرار مي گيرد. حجم بين چرخ پره بطور متناوب تغير مي کند. اين کمپرسور معمولاً داراي دو محفظه تراکم متقارن رو به روي هم است تا بدين ترتيب از اعمال نيروهاي شعاعي بر روي ياتاقان ها ممانعت به عمل آيد.
فرآيند خنک کاري در اين کمپرسور بصورت مستقيم است و به تماس بين مايع و هوا بستگي دارد، به اين معني است که افزايش درجه حرارت بر روي هواي تراکم يافته خيلي کم است. با اين وجود، اتلاف از طريق اصطکاک گرانروي مايع بين محفظه و تيغه ها بالا است. هوا توسط مايع کمپرسور اشباع مي شود، که بطور معمول آب است. گاهي اوقات به منظور جذب عنصر تشکيل دهنده معيني از گاز و يا حفاظت کردن کمپرسور در مقابل فرسودگي و خوردگي در مواقعي که گازهاي تهاجمي تحت فشار قرار مي گيرند، مي توان از مايعات ديگري نيز استفاده کرد.
2-1-10 توضیح در مورد دمنده ها؟ (Blowers)
يک دمنده، به اين علت که بدون تراکم سازي دروني کار مي کند، کمپرسور جابجايي نيست. وقتي که محفظه تراکم در تماس با مجراي خروجي قرار مي گيرد، هواي فشرده از قسمت تراکم رهائي مي يابد. وقتي که حجم اتاقک فشار با چرخش هاي پيوسته کاهش مي يابد، عمل تراکم صورت مي پذيرد. بدين ترتيب، تراکم در تقابل با فشار کاملاً مخالف صورت مي گيرد و به همين دليل بازدهي کمپرسور کاهش مي يابد و سر و صداي زيادي توليد مي شود.
دور روتر هم شکل، متقارن معمولي، که برخلاف جهت يکديگر در محفظه داراي انتهاي مسطح مي چرخند، درمحفظه استوانه اي کار مي کنند. روتور ها توسط چرخ دنده همزمان کننده اي به طور هم زمان با يکديگر مي چرخند . دمنده هاي معمولاً هوا روغنکاري نشونده مي باشند. بازدهي پايين باعث مي شود که آنها فقط در کاربردهاي کم فشار و فشرده سازي تک مرحله اي مورد استفاده قرار گيرند، حتي اگر دو يا سه مرحله اي آن در دسترس باشد. دمنده ها معمولاً به عنوان پمپ هاي خلاء و عوامل نيوماتيکي به کار گرفته مي شوند.
2-2 کمپرسور هاي ديناميک (Dynamic compressors) در کمپرسورهای جابجایی
2-2-1 بررسي کلي کمپرسورهاي ديناميکي؟ (Dynamic compressors in general)
کمپرسورهاي ديناميکي در دو طرح محوري و شعاعي موجود مي باشند. طرح هاي شعاعي غالباً کمپرسورهاي توربيني يا کمپرسورهاي توربيني شعاعي ناميده مي شوند و طرح هاي محوري غالباً کمپرسورهاي گريز از مرکز ناميده مي شوند. برخلاف کمپرسورهاي جابجايي که با جريان ثابت کار مي کنند، کمپرسورهاي ديناميکي با فشار ثابتي کار مي کنند. عملکرد کمپرسور ديناميکي تحت تأثير شرايط بيروني قرار دارد، از جمله ايجاد تغييري جزئي در فشار ورودي باعث تغيير ريادي در ظرفيت مي شود.
2-2-2 تفاوت کمپرسورهاي گريز از مرکز ؟ (Centrifugal compressors)
از جمله ويژگي هاي کمپرسور گريز از مرکز و کمپرسورهای جابجایی، جريان رانش شعاعي آن است. هوا با استفاده از پره هاي شعاعي وارد مرکز پروانه دواري مي شود و توسط نيروهاي گريز از مرکز به سوي محيط پروانه دوار به بيرون پرتاب مي شود. قبل از اينکه هوا به مرکز پروانه دوار بعدي رانده شود، از يک پخش کنند و يک محفظه حلزوني عبور مي کند، که در اين محفظه انرژي جنبشي به فشار تبديل مي شود.
نسبت فشار در هر مرحله توسط فشار نهايي کمپرسور تعيين مي شود. همچنين بعد از هر پروانه دوار سرعت هوا بطور چشمگيري افزايش مي يابد. دماي هوا در قسمت ورودي هر يک از مراحل نقش مهمي در مقتضيات توان کمپرسور دارد، و به همين دليل است که خنک کاري بين مراحل نياز مي شود. کمپرسورهاي گريز از مرکز با بيش از 6 مرحله و فشاري تا 25 بار غير معمول نيستند. پروانه دوار مي تواند داراي طرح باز و يا بسته باشد؛ طرح باز در کاربردهاي هوا رايج تر است. پروانه دوار معمولاً از آلياژ فولاد ضد زنگ و يا آلومينيوم ساخته مي شود. سرعت اين کمپرسور در مقايسه با کمپرسورهاي ديگر خيلي بالا است، حدود 15000 تا 100000 دور بر دقيقه کاملاً رايج مي باشد.
اين به اين معني است که به جاي ياتاقان هاي ساچمه اي از ياتاقان هاي تخت در کمپرسور استفاده مي شود. ياتاقان هاي ساچمه اي در کمپرسورهاي يک مرحله اي با نسبت فشار کم مورد استفاده قرار مي گيرند. غالباً کمپرسورهاي چند مرحله اي داراي دو پروانه دوار هستند که بر روي هر دو انتهاي محور گردان نصب شده اند که بارهاي محوري توليد شده توسط اختلاف فشار را خنثي مي کنند. پايين ترين ميزان جريان حجمي در کمپرسور گريز از مرکز عمدتاً توسط جريان موجود در آخرين مرحله تعيين مي شود. مقدار حد عملي l/s 160 در مجراي خروجي از يک تجهيز افقي دو تکه، غالباً قاعده کلي است.
هر کمپرسور گريز از مرکز بايد بطور مناسبي آب بندي شود تا ميزان نشتي را در راستاي محور گردنده که از ميان محفظه کمپرسور عبور مي کند را کاهش دهد. آب بندهاي مختلفي مورد استفاده قرار مي گيرند و پيشرفته ترين آنها را مي توان در کمپرسورهاي پرسرعت که تامين کننده فشارهاي بالا مي باشند، يافت.
رايج ترين انواع آب بندهاي چهارگانه شامل آب بندهاي لابيرينتي، آب بندها حلقوي (معمولاً آب بندهاي گرافيتي که خشک کار مي کنند، اما آب بندهاي مايع نيز به کار گرفته مي شود)، آب بندهاي مکانيکي و آب بندهاي هيدرواستاتيکي مي باشد.
2-2-3 کمپرسورهاي محوري را شرح دهید؟ (Axial compressors)
يک کمپرسور محوري و کمپرسورهای جابجایی داراي جريان محوري است. هوا يا گاز از ميان رديف هايي از پره هاي ثابت و متحرک در امتداد محور گردان کمپرسور عبور مي کنند. بدين ترتيب سرعت هوا بتدريج همزمان با اينکه پره هاي ثابت انرژي جنبشي را به فشار تبديل مي کنند، افزايش مي يابد. پايين ترين ميزان جريان حجمي در چنين کمپرسوري حدود s 15 است. معمولاً يک استوانه متعادل کننده اي در کمپرسور تعبيه مي شود، تا نيروي فشار محوري را متعادل سازد.
کمپرسورهاي محوري و کمپرسورهای جابجایی بطور کلي از کمپرسورهاي گريز از مرکز کوچکتر هستند و بطور معمول سرعت آنها %25 بالاتر است و اين کمپرسورها براي ميزان جريان حجمي بالا در فشار نسبتاً متوسط مورد استفاده قرار مي گيرند. به استثناي کاربردهاي توربين گازي، نسبت فشار به ندرت بالاتر از 6 است. جريان معمول تقريباً s 65 و فشار مؤثر تقربيا 14 بار است.
