تجهیزات ماشین تراکمی (بخش اول:کمپرسور)

۶ ماه قبل ۲۹۱ ۰

تجهیزات ماشین تراکمی

یک ماشین تراکمی حداقل شامل چهار تجهیز کمپرسور، کندانسور، شیر انبساط و اواپراتور است، اما در واقع یک سیستم تبرید دارای اجزای بیشتری است که به ترتیب در شکل زیر معرفی می‌شوند و در ادامه به همین ترتیب ذکر شده به توضیح و تشریح کامل تمام آنها می‌پردازیم.

سرمایش تراکمی، سیکل تبرید تراکمی، کمپرسور، چیلر تراکمی

 

راندمان آیزنتروپیک:

فرآیند تراکمی که در کمپرسور رخ می‌دهد، در سیکل تبرید به صورت آیزنتروپیک در نظر گرفته می‌شود که به معنی عدم انتقال حرارت با محیط (آدیاباتیک) است، اما در واقع همواره اتلافات حرارتی ناشی از اصطکاک وجود دارد. راندمان آیزنتروپیک، نسبت تراکم واقعی کمپرسور به تراکم آیزنتروپیک آن است. مطابق شکل زیر خطوط مورب بیانگر فرآیند تراکم در کمپرسور می‌باشند.

سرمایش تراکمی، سیکل تبرید تراکمی، کمپرسور، چیلر تراکمیسرمایش تراکمی، سیکل تبرید تراکمی، کمپرسور، چیلر تراکمی

راندمان حجمی:

به نسبت حجم واقعی بخار جابجا شده به حداکثر حجمی که به صورت تئوری در سیلندر‌های کمپرسور جای می‌گیرند راندمان حجمی می‌گویند و آن را با نماد nvol نشان می‌دهند

سرمایش تراکمی، سیکل تبرید تراکمی، کمپرسور، چیلر تراکمی

نسبت تراکم:

به نسبت بین فشار بالا و پایین کمپرسور نسبت تراکم گفته می‌شود که هر چه این عدد بزرگتر باشد بیانگر اختلافات بیشتر فشار بالا و پایین کمپرسور و در نتیجه کار بیشتر آن است.

سرمایش تراکمی، سیکل تبرید تراکمی، کمپرسور، چیلر تراکمی

انواع کمپرسورها از نظر عملکرد

کمپرسورها به دو دسته کلی جابجایی مثبت و دینامیکی تقسیم می‌شوند:

کمپرسور جابه جایی مثبت

عملکرد کمپرسورهای جابجایی مثبت بدین صورت است که حجم مشخصی از گاز وارد محفظه کمپرسور شده و با مکانیزم‌های مختلفی متراکم می‌شود مثل: سیلندر و پیستون و... اما در کمپرسورهای دینامیکی گاز به واسطه شتاب گرفتن یک پروانه دوار متراکم شده و با تبدیل سرعت به فشار، در خروجی شیپوره به فشار بالاتری می‌رسد.

کمپرسورهای جابجایی مثبت به صورت زیر طبقه‌بندی می‌شوند:

1. کمپرسورهای رفت و برگشتی (سیلندر – پیستونی)

2. کمپرسورهای اسکرو

3. کمپرسورهای اسکرال

4. کمپرسورهای دینامیکی (سانتریفیوژ)

کمپرسورهای سانتریفیوژ نیز پرکاربردترین نوع کمپرسورهای دینامیکی است که در ظرفیت‌های بسیار بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای مثال در مواردی که دبی ورودی کمپرسور در حدود 2000  (مترمکعب بر ساعت) یا بیشتر باشد.

سرمایش تراکمی، سیکل تبرید تراکمی، کمپرسور، چیلر تراکمی

کمپرسورها از نظر ساختمان

کمپرسورها از نظر ساختمان نیز به صورت زیر دسته‌بندی می‌شوند:

1.      کمپرسورهای باز

2.      کمپرسورهای نیمه بسته

3.      کمپرسورهای بسته

علاوه بر تفاوت‌هایی که در اصول عملکرد کمپرسورها وجود دارد نحوه ساخت کمپرسورها نیز پارامتر دیگری برای تمایز آنها از یکدیگر می‌باشد. انواع ساختمان کمپرسورها در جدول زیر آمده است:

انواع کمپرسور

در کمپرسورهای باز، محفظه کمپرسور و موتور الکتریکی جدای از هم نصب شده‌اند. به دلیل عدم وجود محافظ در اطراف این نوع کمپرسور، همواره ریسک انتشار مبرد وجود خواهد داشت. از مزایای کمپرسورهای باز می‌توان به دسترسی آسان به قطعات کمپرسور برای تعمیر ونگهداری و همچنین هزینه پوسته کمپرسور اشاره نمود. در یک کمپرسور نیمه بسته، موتور الکتریکی و محفظه کمپرسور در یک پوسته دو قسمتی نصب شده‌اند. دو قسمت پوسته به نحوی به هم پیچ شده‌اند که برای تعمیرات قابل باز شدن باشند. این گونه کمپرسورها معمولا در مقایسه با کمپرسورهای بسته دارای قیمت بیشتری هستند که این موضوع خود به دلیل هزینه اضافه ناشی از پیچ‌ها و واشرهای لازم برای اتصال دو قسمت پوسته می‌باشد.

در یک کمپرسور بسته، موتور الکتریکی ومحفظه کمپرسور در یک پوسته نصب شده اند. پوسته این نوع کمپرسورها از نوع فولادی و جوش شده است که پوششی کاملا بسته در مقابل محیط را فراهم می‌کند. باز کردن پوسته جوش شده این نوع کمپرسورها غیر ممکن بوده و در صورت بروز آسیب به موتور کمپرسور، این دستگاهها باید اوراق شوند. دسته‌بندی عمومی فوق امکان تعمیرات و نگهداری انواع کمپرسورها را نشان می‌دهند. بدیهی است که موضوع تعمیر ونگهداری برای کمپرسورهای بزرگ و گران قیمت به مراتب مهم‌تر از کمپرسورهای کوچکی است که بصورت انبوه تولید می‌شوند.

کمپرسورهای رفت و برگشتی (سیلندر-پیستونی)

کمپرسورهای رفت و برگشتی که به کمپرسورهای پیستونی نیز معروف هستند، هر چند که هنوز به نحو گسترده‌ای مورد استفاده‌اند، با رقابت فزاینده سایر انواع کمپرسورها، در دهه‌های اخیر روبرو شده اند. درون محفظه کمپرسورهای رفت و برگشتی پیستونی داخل هر سیلندر به سمت بالا و پایین حرکت می‌کند. 

کمپرسور، کمپرسور رفت و برگشتی، کمپرسور سیلندر پیستون

هنگامی که پیستون در پایین‌ترین نقطه حرکت خود قراردارد فشار گاز مبرد فوق گرم از طریق سوپاپ ورودی به کمپرسور وارد می‌شود. هنگامی که پیستون به سمت بالا حرکت می‌کند، همزمان سوپاپ ورودی بسته و فشار گاز به سبب کاهش حجم سیلندر، افزایش می‌یابد. زمانیکه فشار گاز به اندازه‌ای بالا رفت که بتواند سوپاپ خروجی را باز کند، گاز متراکم از کمپرسور خارج می‌شود. سپس حرکت پیستون به سمت پایین موجب ورود مجدد گاز به درون کمپرسور خواهد شد. مزایای کمپرسورهای رفت وبرگشتی اصول نسبتاً ساده کارکرد و ساختار انها می‌باشند. جزء اصلی این دستگاه که همان سیلندر دایره‌ای با پیستون متناسب آن می‌باشد، که به راحتی و با دقت بالایی قابل تولید می‌باشد.

از سوی دیگر وجود قطعات متحرک زیاد، یکی از معایب این گونه کمپرسورها است، زیرا این موضوع باعث ایجاد ارتعاشات غیر قابل اجتناب در این دستگاه‌ها گردیده است. یکی دیگر از معایب این کمپرسورها وجود فضای مرده می‌باشد. هنگامی که پیستون در بالاترین نقطه حرکت خود قراردارد، مقداری از گاز متراکم در فضای بین بالای پیستون و سقف سیلندر گیر افتاده و باعث کاهش راندمان حجمی کمپرسور می‌گردد.

این موضوع به دلیل کاهش حجم موثر سیلندر و به تبع آن کم شدن میزان گاز ورودی در هر مکش اتفاق می‌افتد. سوپاپ‌های ورودی و خروجی که میزان جریان گاز را کنترل می‌کنند، به وجود قطرات مایع در جریان گاز حساس هستند. چنانچه مقادیر قابل توجهی از مایع به کمپرسور وارد شود، فشار بسیار بالایی در نقطه انتهایی حرکت پیستون ایجاد خواهد شد که موجبات صدمه شدید به سوپاپ‌ها ومیل لنگ را فراهم می‌آورد به این پدیده «ضرب مایع» گویند.

کمپرسور، کمپرسور رفت و برگشتی

کمپرسور‌های پیچی (اسکرو)

با توجه به پیشرفت‌های حاصل شده در کمپرسورهای پیچی طی سال‌های اخیر استفاده از آنها در صنعت تهویه مطبوع و صنایع تبرید نیمه سنگین، بسیار متداول گردیده است. احتمال می‌رود که روند استفاده از این‌گونه کمپرسورها در سال‌های آینده افزایش بیشتری یافته و بتوان از آنها به عنوان جایگزین بسیاری از کمپرسورهای رفت و برگشتی بزرگ  50 (KW) استفاده نمود. کمپرسورهای پیچی در دو نوع ترکیب‌بندی مختلف تولید می‌شوند، کمپرسورهای پیچی دو قلو که به نام مخترع این نوع کمپرسور به نام لیشولم نیز شناخته می‌شوند و کمپرسورهای پیچی تکی.

کمپرسور، کمپرسور اسکرو

کمپرسورهای پیچی دو قلو که معمول‌ترین نوع این کمپرسورها نیز هستند، از دو قسمت گردنده (روتور) با سطح مقطع مکمل یکدیگر تشکیل شده‌اند. این دو قسمت گردنده همچنین به نامهای روتور لغزنده و روتور پیچی و یا روتورهای نر وماده نیز خوانده می‌شوند.

سطح مقطع این روتورها به نحوی طراحی شده است که حجم مابین آنها به طور دائم از ابتدا تا انتهای کمپرسور، کاهش یابد. برخلاف کمپرسورهای رفت وبرگشتی، این گونه کمپرسورها هیچ فضای مرده‌ای ندارند. مبرد از سمت کم فشار وارد کمپرسور شده و با کاهش حجم دائم از قسمت پرفشار خارج می‌گردد که این خود به معنای افزایش دائم فشار مبرد می‌باشد. کمپرسورهای پیچی فاقد سوپاپ‌های مکش و فشار بوده و تنها به یک شیر یک طرفه برای اطمینان از عدم برگشت مبرد در هنگام خاموش بودن کمپرسور مجهز می‌باشند.

کمپرسورهای پیچی می‌توانند با نسبت تراکم بسیار بالایی کارکنند. زیرا روغن علاوه بر روانکاری وعایقکاری، وظیفه جذب گرمای حاصل از اصطکاک و تراکم را نیز برعهده دارد. بنابراین در کمپرسورهای پیچی نیاز به سیستم خنک‌کننده روغن خواهیم داشت که غالباً از طریق پاشیدن مبرد به داخل محفظه کمپرسور و یا از طریق مکانیزم‌های خنک‌کاری دیگر عمل می‌کنند. مبدل‌های حرارتی CBE به نحو گسترده‌ای به عنوان خنک‌کننده‌های روغن مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کمپرسور، کمپرسور اسکرو

کمپرسورهای حلزونی (اسکرال)

مزایای کمپرسورهای حلزونی از اوایل قرن بیستم آشکار گشته بود وتنها، بدلیل نیاز به دقت بسیار بالا در ساخت، تا دهه 80 میلادی معرفی آنها در مقیاس بزرگ به تاخیر افتاد. کمپرسورهای حلزونی یا مار پیچی، گاز را در فضای ایجاد شده بین یک مارپیچ ثابت و یک مارپیچ دوار محبوس می‌کنند. مار پیچ دوار، به کمک یک موتور الکتریکی که شفتی را به گردش در می‌آورد دوران می‌کند.

کمپرسور، کمپرسور حلزونی، کمپرسور اسکرال

دقت کنید که مارپیچ دوار یک حرکت دورانی انجام می‌دهد و نمی‌چرخد. شکل 9 عملکرد یک کمپرسور حلزونی را نمایش می‌دهد. گاز فوق گرم از انتهای خارجی مارپیچ‌ها وارد شده و به دلیل حرکت دورانی یکی از مارپیچ‌ها متراکم می‌گردد. سوراخ خروجی که گاز متراکم و فشار بالا از آن خارج می‌شود در مرکز حلزون‌ها قرار دارد. کمپرسورهای مذکور در هر دو نوع باز و بسته تولید می‌شوند و دارای مزایای متعددی در مقایسه با کمپرسورهای رفت و برگشتی هستند: عدم سوپاپ‌های مکش و رانش موجب حذف افت فشار مبرد و ارتعاشات و صداهای ناشی از وجود آنها می‌گردد.

* مارپیچ‌ها هیچ گونه فضای مرده‌ای ندارند و این موضوع سبب شده که راندمان حجمی این نوع کمپرسورها تا نزدیک 100% برسد.

* قطعات متحرک کمتر موجب کاهش میزان خرابی‌ها وهزینه‌های تعمیر و نگهداری می‌گردد.

* کمپرسور‌های حلزونی نسبت به قطرات مایع موجود در جریان مبرد، حساس نیستند.

کمپرسور، کمپرسور حلزونی، کمپرسور اسکرال

کمپرسورهای سانتریفیوژ

از پر کاربردترین کمپرسورهای دینامیک در چیلرهای تراکمی است که ایجاد تراکم و تولید فشار در آن مبتنی بر سرعت و یا به عبارت دیگر انرژی جنبشی است. به این صورت که بخار مبرد از مرکز پروانه ای که با سرعت زیاد در حال گردش است وارد شده و با زاویه 90 درجه به دهانه دهش پرتاب می شود.

کمپرسور، کمپرسور سانتریفیوژ

اصولاً بازده این نوع کمپرسور نسبت مستقیمی با سرعت آن دارد. بنابراین برای بازده بیشتر باید سرعت نیز بیشتر باشد. سرعت در این گونه کمپرسورها متناسب با ظرفیت بین 3000 تا 18000 دور در دقیقه است. یکی از نکات مهم در تشریح عملکرد کمپرسورهای گریز از مرکز و تاثیر عوامل مختلف بر بازده آن مربوط به سرعت دوران(سرعت زاویه ای) و سرعت خطی یا نوک است.

سرعت دوران با دور در دقیقه سنجیده می شود، اما سرعت نوک که مربوط به سرعت لبه خارجی پروانه و جا به جایی سیال در آن است با واحد طول بر واحد زمان مانند فوت بر ثانیه یا متر بر ثانیه بیان می شود. برای مثال اتومبیل های مختلف با قطر چرخ های مختلف می توانند سرعت یکسانی داشته باشند. اما به طور قطع برای یکسان بودن سرعت خطی و یا سرعت دو اتومبیل با قطر چرخ های مختلف، تعداد دوران چرخ های هریک متفاوت خواهد بود. در کمپرسورها نیز برای رسیدن به سرعت مشخصی، قطر کوچکتر نیازمند دور در دقیقه بیشتری نسبت به قطر پروانه بزرگتر است.

کمپرسورهای سانتریفوژ با گردش پروانه کمپرسور، سیال را به درون محفظه کشیده و در اثر حرکت چرخشی پروانه نیروی گریز از مرکز شدیدی را در سیال (در یک محفظه مدور) ایجاد می کند. به این ترتیب سیال در برخورد با محفظه تحت فشار قرار می گیرد. کمپرسورهای سانتریفوژ با افزایش دور پروانه  انرژی جنبشی سیال را زیاد کرده و این میزان انرژی، فشار را در خروجی دیفیوزر بالا می برد. در این نوع کمپرسور برای افزایش فشار از چند کمپرسور سری استفاده می شود تا فشار در مراحل متعدد زیاد شود. این نوع کمپرسور هم مانند کمپرسورهای پیچی (اسکرو) سوپاپی نداشته و قطعات متحرک آن بسیار کمتر از کمپرسورهای سیلندر پیستونی است و در جایی که نیاز به تامین بار سرمایشی و دبی بسیار زیاد و فشار کم مد نظر باشد، چیلرهای گریز از مرکز گزینه مناسبی هستند. تنها قطعه یا قطعات متحرک در کمپرسورهای گریز از مرکز، پروانه یا پروانه های متصل به شفت اصلی هستند. بنابراین اتلاف توان در کمپرسور تنها ناشی از اغتشاش و اصطکاک سیال مبرد است. در چیلرهای مجهز به کمپرسور گریز از مرکز تغییر دمای تقطیر تاثیر بسیار سریع و بسیار زیادی بر ظرفیت خنک کنندگی دارد. البته در کمپرسورهای رفت و آمدی نیز تغییر ظرفیت خنک کنندگی متناسب با افزایش و کاهش دمای تقطیر زیاد یا کم می شود، اما این تغییرات در کمپرسورهای گریز از مرکز بسیار بیشتر و وسیع تر است.

روانکاری کمپرسورها

کمپرسورها به سه دلیل اصلی نیاز به روانکاری دارند:

1.      کاهش ساییدگی بین قطعات و روان‌تر شدن عملکرد کمپرسور

2.      خنک کردن کمپرسور در حین تراکم و افزایش فشار

3.      عایقکاری و محافظت از نشتی گاز مبرد از کمپرسور

در کمپرسورهای مختلف از تکنیک‌های روانکاری متفاوتی استفاده می‌شود، در کمپرسورهای پیچی، روغن اغلب به قطعات متحرک پمپ پاشیده می‌شود، این در حالی است که در کمپرسورهای پیستونی وحلزونی از مکانیزم پاشیدن روغن از محفظه کارتل در قسمت تحتانی کمپرسور استفاده می‌شود. چنانچه ویسکوزیته مخلوط روغن - مبرد بسیار کم باشد، این موضوع باعث جدا سازی ناکامل و یا غیر موثر قطعات فلزی از یکدیگر خواهد شد که به نوبه خود موجب سایش بیشتر و افزایش اصطکاک می‌گردد.

برای مقابله با این مشکل از مواد ضد خوردگی و سایش مختلفی می‌توان استفاده نمود. اما به دلیل خطراحتمال بروز واکنش شیمیایی بین این مواد نگهدار و مبرد کاربرد این دسته از ضدسایش‌ها در سیستم‌های تبرید محدود گردیده است. همچنین اگر ویسکوزیته مخلوط روغن مبرد بالا باشد، مشکلات دیگری بروز خواهد نمود. از جمله این مشکلات می‌توان به اشکال در جریان مبرد و اختلال در سیستم پمپاژ و راندمان پایین اشاره نمود. برای اینکه سیستم در شرایط مطلوب کار کند، باید مخلوط روغن – مبرد دارای ویسکوزیته دینامیکی باشد که جهت انجام عایقکاری و جلوگیری از نشتی مبرد و همچنین روانکاری قطعات متحرک کمپرسور، مناسب بوده و از طرفی این مخلوط باید دارای پایداری حرارتی و شیمیایی بوده و با قطعات و مواد سیستم تبرید، واکنش نداشته باشد.

روغن مورد استفاده برای روانکاری می‌تواند اثرات منفی روی قطعات سیستم تبرید داشته باشد. چنانچه قطرات روغن در این قطعات باقی بمانند، میزان انتقال حرارت کاهش می‌یابد. به همین دلیل معمولا یک جدا‌کننده روغن مستقیماً بعد از کمپرسور نصب میگردد تا جریان روغن به سوی کندانسور و اواپراتور را کاهش دهد. به این ترتیب مبرد از روغن جدا خواهد ماند زیرا جدا‌کننده روغن به طوردائم، روغن را به محفظه کارتل باز میگرداند. گاهی اوقات روغن و مبرد مخلوط شده در کندانسور از یگدیگر جدا می‌شوند، در این صورت فاز مبرد به سوی شیر انبساط حرکت می‌کند و فاز روغن در رسیور کندانسور باقی می‌ماند. این موضوع باعث عدم برگشت روغن به کمپرسور و در نتیجه کاهش راندمان روانکاری سیستم خواهد شد.

در اواپراتور به دلیل اینکه روغن در معرض دماهای پایین قرار دارد، امکان تشکیل واکس روغن (حالت جامد) وجدا شدن فازها وجود خواهد داشت. و چنانچه قابلیت انحلال روغن و مبرد در دماهای پایین کم باشد، مشکلاتی در بازگشت روغن به کمپرسور پدید خواهد آمد.

 

* این مطلب ادامه دارد...

لینک های مرتبط

دسته بندی ماشین آلات تراکمی (بخش اول:چیلر تراکمی)

 

نگارش : محمد جعفر نیری، پیمان ابراهیمی ناغانی

منبع : بخشی از کتاب روشهای تولید و توزیع برودت در سیستم‌های تهویه مطبوع - مولف : پیمان ابراهیمی ناغانی، سید علیرضا ذوالفقاری، محمد جعفر نیری - انتشارات نوآور


۰ دیدگاه