کمپرسور

نام انگلیسی: Compressor

کمپرِسورها یا فشارندهها میتوانند برای فشرده کردن گاز یا مایعات به کار رود. البته در حالت دوم به آن پمپ میگویند. کمپرسورها یکی دیگر از انواع تجهیزات متحرک دوار مورد استفاده در صنایع فرآیندی هستند. معمولاً گاز پر فشار خروجی از کمپرسور ها را از یک سیسنم خنک کننده عبور میدهند تا دمای گاز دوباره به حد معمولی باز گردد. انواع گوناگونی از کمپرسور وجود دارد که برای مصارف صنعتی و خانگی طراحی شده اند.
کمپرسورها به طور عمومی دارای دو نوع محوری و شعاعی هستند: کمپرسور محوری هوا را از میان پره های خود عبور داده و به سمت عقب میراند. کمپرسور شعاعی (گریز از مرکز) بیشتر در موتورهای قدیمی استفاده میشده است. این نوع از کمپرسور دارای پره های بسته است و هوا را از میان پرههای خود عبور نمیدهد بلکه هوا را در جهت شعاع خود به سمت بیرون میراند و هوا پس از برخورد به پخش کننده (دیفیوژر) از سرعتش کاسته شده و به دما و فشارش افزوده میشود.
کمپرسور دستگاهی است که برای بالا بردن فشار گاز و یا انتقال آن از نقطه ای به نقطه دیگردر طول پروسس استفاده می شود. در واقع کمپرسور با افزایش سرعت گاز و تبدیل آن به فشار، جریان گاز را در سیستم راحت تر می کند. البته افزایش فشار در نوعی از کمپرسورها به وسیله کاهش حجم صورت می گیرد. مسئله مهمی که درکمپرسورها مطرح است، نسبت فشار خروجی، به ورودی کمپرسور است زیرا در ورودی کمپرسورها با افزایش فشار دمای گاز نیز بالا می رود و این افزایش دما در کار قطعات مختلف کمپرسور و سیستم روغن کاری و… اختلال ایجاد می کند. البته در کمپرسور می توان نسبت فشار را حتی تا ۱۰ رساند، ولی این امر با تدابیر خاصی امکان پذیر است که در قسمتهای بعد مفصلاً توضیح داده خواهد شد. در کمپرسورها افزایش فشار به دو صورت انجام می گیرد، برحسب این مورد دو نوع اساسی کمپرسور نیز وجود دارد که عبارتند از:
کمپرسورهای دینامیک که فشار گاز را با زیاد کردن سرعت آن و سپس، گرفتن سرعت گازافزایش میدهند. کمپرسورهای جابجایی مثبت که با کاهش حجم گاز، فشار آن را افزایش می دهند.
البته هر کدام از این کمپرسورها بر حسب شکل ساختمانی و نحوه عملکرد تقسیم بندی می شوند که در زیر به طور خلاصه آورده شده است:
۱ -کمپرسورهای دینامیک Compressors Dynamic سانتریفوژ Centrifugal compressor جریان محوری Axial Flow compressor
۲-  کمپرسورهای جابجایی مثبت Positive displacement compressor رفت وبرگشتی Reciprocating compressor دورانی Rotary compressor
از بین کمپرسورهای نامبرده،کمپرسورهای رفت و برگشتی، سانتریفوژ و جریان محوری بیشتر از سایر کمپرسورها مورد استفاده قرار می گیرند که آنها را به طور مفصل بررسی خواهیم کرد.

کمپرسور سانتریفوژ
نام انگلیسی: Centrifugal compressors

در این کمپرسورها افزایش فشار گاز بر اثرافزایش سرعت آن صورت می گیرد. به این صورت که سرعت گاز بر اثر حرکت پروانه (Impeller ) زیاد شده پس از آن سرعت گاز با برخورد با پخش کننده ها کاهش پیدا می کند و در عوض فشارش بالا می رود. کمپرسورهای سانتریفوژ دقیقاً مانند پمپهای سانتریفوژ تشکیل شده اند از یک پروانه که داخل پوسته ای می چرخد. اساس کار این کمپرسورها بر پایه نیروی گریز از مرکز طراحی شده است. درکمپرسورهای سانتریفوژ فاصله بین پوسته و پروانه خیلی کم است. بنابراین جنس محور کمپرسور باید از فلز یا آلیاژی باشد که در دورهای بالا حداقل انحنا را داشته باشد تا پروانه با پوسته تماس پیدا نکند. همچنین گاز ورودی به کمپرسور باید کاملاً خشک باشد و هیچ مایعی به همراه نداشته باشد . برای همین، قبل از هر کمپرسور یک مخزن آبگیر (Knock Drum out) قرار می دهند تا اگر احیاناً قطرات مایعی در گاز موجود است توسط این مخازن گرفته شود. چون قطرات مایع به پره های کمپرسور ضربه وارد کرده و آسیب می رساند. اگر فشار خیلی بالا مد نظر باشد، باید از کمپرسورهای سانتریفوژ چند مرحله ای استفاده کرد به خاطر اینکه با افزایش فشار گاز دمای آن نیز زیاد می شود و این افزایش دما اگر از حد معینی بیشتر شود باعث آسیب رساندن به قطعات کمپرسور و اختلال در سیستم می شود. همچنین ممکن است با افزایش فشار، قسمتی از گاز تبدیل به مایع شود و این قطرات مایع ایجاد شده در گاز باعث از بین بردن پره های کمپرسور می شود. به دلایل ذکر شده از کمپرسورهای چند مرحله ای استفاده می شود. به این ترتیب که پس از هر مرحله فشردگی، گاز را خنک کرده و مایع احتمالی در آن را توسط intercooler به وسیله مخازنی در بین راه گرفته سپس گاز خشک (بدون مایع) و خشک شده را به مرحله دوم می فرستند و به این ترتیب می توان پس از چند مرحله فشردن به فشار نسبتاً بالایی دست یافت.

مزایای کمپرسورهای سانتریفوژ
کمپرسورهای سانتریفوژ نیاز به تعمیر کمتری دارند و می توانند مدت زیادی را بدون وقفه در سیستم کار کنند. علاوه برآن، این کمپرسورها اندازه کوچکتری نسبت به کمپرسورهای رفت و برگشتی دارند . زیرسازی کمپرسورهای سانتریفوژ کوچکتر از انواع دیگراست و نیاز به آب یا روغن خنک کننده ندارد چون به طور کلی محفظه این نوع کمپرسورها با هوا خنک می شود. جریان خروجی از این نوع کمپرسورها یکنواخت است و ضربه ای به بخش تخلیه کمپرسور وارد نمی کند. مزیت دیگری که این نوع کمپرسورها دارند این است که استهلاک کمتری نسبت به انواع دیگر دارند و این به خاطر کم بودن قطعات متحرک این کمپرسور است.

معایب کمپرسورهای سانتریفوژ
کارکرد این کمپرسورها وابستگی شدید به وزن مخصوص، جرم مولکولی و نسبت Cp/Cv گاز ورودی دارد. کاهش وزن مخصوص و وزن مولکولی گاز باعث افزایش توان مصرفی کمپرسور خواهد شد، همچنین متراکم کردن گازهای با وزن مولکولی کم باعث افزایش تعداد مراحل در این کمپرسورها می شود. با وجود مزایایی که کمپرسورهای سانتریفوژی نسبت به کمپرسورهای رفت و برگشتی دارند، دارای راندمان کمتری نسبت به آنها هستند. موتورهای محرک کمپرسورها به دو صورت الکتریکی و توربینی است اما باتوجه به سرعت زیاد کمپرسورهای سانتریفوژی اگر برای این نوع کمپرسورها از موتورهای الکتریکی استفاده شود، برای تغییر سرعت دوران برای گازهای متفاوت نیاز به جعبه دنده می باشد که این امر احتمال لرزش و ارتعاش را بالا می برد و باعث افزایش هزینه های تعمیرات و استهلاک خواهد شد. در نتیجه کنترل جریان در این کمپرسورها با سهولت کمتری انجام می شود.

کمپرسور رفت و برگشتی
نام انگلیسی: Reciprocating Compressors

این کمپرسورها را می توان به هر اندازه که مورد احتیاج باشد، ساخت . نوع یک مرحله ای آن با حرکت رفت پیستون فشار گاز را از مکش تا خروجی بالا می برد. اساس کار این کمپرسورها حرکت یک پیستون داخل یک سیلندر است که با کاهش حجم گاز، فشار آن را بالا می برد. کمپرسورهای رفت و برگشتی یک مرحل های را بیشتر برای فشار بین ۱۰۰ تا ۱۵۰ psig به کار می برند . از کمپرسورهای دو یا چندمرحل های زمانی استفاده می شود که فشار خیلی بالا ( مثلاً ۶۰۰  psig) مورد احتیاج با شد، اما با توجه به افزایش درجه حرارت گاز به هنگام فشرده شدن در کمپرسورهای چند مرحله ای، بعد از هر مرحله از یک خنک کننده استفاده می شود تا درجه حرارت گاز را برای مر حله بعدی پایین بیاورد. چون حرکت گاز در خروجی این کمپرسورها به طور یکنواخت صورت نمی گیرد، در هر حر کت رفت پیستون، به خروجی کمپرسور ضرباتی وارد می گردد. برای جلوگیری از این ضربات و یکنواخت کردن جریان تدابیر مختلفی به کار می رود که مهمترین آنها عبارتند از:
دو ضربه ای کردن پیستون، یعنی اینکه پیستون هم در حرکت رفت و هم در حرکت بر گشت مقداری گاز فشرده به خروجی مشتر کی وارد نماید.
به کار بردن ضربه گیر یا خفه کن (Damper): ضربه گیرمخزنی است که به طور وارونه در خروجی کمپرسور (اگر چند مرحله ای باشد در خروجی هر مرحله یک ضربه گیر) کار گذاشته می شود. اساس کار ضربه گیر بر پایه انبساط و انقباض گازی که وارد آن می شود استوار است یعنی اینکه در حر کت رفت پیستون گاز درون ضربه گیر فشرده می شود و در حرکت برگشت پیستون به علت افت فشار در خروجی کمپرسور، گاز منقبض شده درون ضربه گیر، منبسط شده، از آن خارج شدن وارد لوله خروجی کمپرسور می شود.

مزایای کمپرسور رفت و برگشتی
هنگامی که احتمال تغییر وزن مولکولی گاز ورودی به تاسیسات وجود دارد، از این کمپرسورها استفاده می شود به علت اینکه در این کمپرسورها عمل تراکم حساسیت زیادی به وزن مولکولی ندارد، این کمپرسورها در مورد گازهای همراه با نفت (Associate gas)، مناسب می باشند. این کمپرسورها راندمان بالاتری نسبت به کمپرسورهای سانتریفوژ دارند، اما دارای سرعت کمتری نسبت به سایر کمپرسورها هستند. لذا بدون احتیاج به جعبه دنده به طور مستقیم می توانند به موتور الکتریکی متصل گردند. برای شروع حرکت نسبت به سایر انواع کمپرسورها توان کمتری لازم دارند. همچنین زمانی که میزان گاز کم باشد، نسبت به انواع دیگر ارجح هستند.

کمپرسور جریان محوری
نام انگلیسی: Axial Flow compressors
این کمپرسورها نیز مانند کمپرسورهای سانتریفوژ یک قسمت چرخان (Rotor) دارند که سرعت سیال را بالا می برد اما برخلاف کمپرسورهای سانتریفوژ که جریان به صورت شعاعی می باشد، جریان به صورت موازی با محور کمپرسور حرکت می کند. ساختمان این نوع کمپرسورها به صورتی است که نصف فشار گاز در قسمت چرخان (Rotor) و نصف دیگر در قسمت ثابت (Stator) تولید می شود. پره های ثابت شده بر محور چرخان به ترتیب از قسمت مکش تا خروجی کمپرسور کوچکتر گشته و باعث بالا رفتن فشار ساکن (pressure static ) وانرژی جنبشی (kinetic Energy) گاز می شود. سیستم روغن زنی و سیستم کنترل جریان در سرعت های مختلف در این کمپرسورها دقیقا شبیه کمپرسورهای سانتریفوژ است.

مزایای کمپرسور جریان محوری
این نوع کمپرسورها اخیرا مصرف صنعتی زیادی پیدا کرده و برای حجم های خیلی بالا حتی تا ۸۶۰۰۰۰ فوت مکعب در دقیقه مناسب ترین کمپرسور می باشد. در مقام مقایسه با کمپرسورهای سانتریفوژ برای فشردگی یک حجم معین گاز قطر چرخان (Rotor) کمپرسور جریان محوری نصف قطر پروانه کمپرسور سانتریفوژ خواهد بود. اگر کمپرسور جریان محوری خوب طراحی و ساخته شود، سرعت گازمی تواند به ft/s 400 در خروجی برسد. هزینه اولیه ساختن یک کمپرسور جریان محوری با هزینه اولیه ساختن یک کمپرسور سانتریفوژ برای انجام کار معین برابر است، ولی هزینه نیروی محرکه کمپرسور جریان محوری کمتر از هزینه نیروی محرکه کمپرسور سانتریفوژ می باشد. یعنی اینکه برای یک کار معین، کمپرسور جریان محوری توربین یا موتور برقی کوچکتری نیاز دارد که این خود باعث کم شدن هزینه های بعدی می گردد. معایب کمپرسور جریان محوری اگر چه این کمپرسورها برای جریانهای بالاتری نسبت به کمپرسورهای سانتریفوژ استفاده می شود اما ارتفاع فرستادن گاز در این کمپرسورها خیلی پایین است و تقریبا کمتر از نصف کمپرسورهای سانتریفوژ می باشد که به معنی این است که فشار خروجی در این نوع کمپرسورها خیلی کمتر از کمپرسورهای سانتریفوژ است. مثلا برای رسیدن به فشار psig 65 به دوازده مرحله فشرده کردن گاز نیاز است که این خود باعث افزایش حجم اشغال شده توسط کمپرسور و سایر هزینه ها می شود. با توجه به موارد ذکر شده نتیجه می شود این کمپرسورها راندمان کمتری نسبت به کمپرسورهای سانتریفوژ دارند.