آشنایی با انواع کمپرسور:
معرفی کمپرسورهای دینامیکی
کمپرسورها از مهم‌ترین دستگاه‌ها در صنایع مختلف به شمار می‌روند. آنها مسئول انتقال و افزایش فشار گازها هستند و در فرآیندهای متنوعی از جمله سیستم‌های تهویه مطبوع، تولید برق و فرآیندهای صنعتی کاربرد دارند. یکی از دسته‌بندی‌های پیچیده این دستگاه‌ها، کمپرسورهای دینامیکی هستند که عملکرد آنها بر اساس تبدیل انرژی جنبشی به انرژی فشاری است.
اصول عملکرد کمپرسورهای دینامیکی
در کمپرسورهای دینامیکی، افزایش فشار گاز به‌وسیله حرکات دینامیکی ایجاد می‌شود. هنگامی که گاز از طریق پره‌های دوار کمپرسور عبور می‌کند، پره‌ها اقدام به هل دادن گاز با سرعتی می‌کنند که منجر به افزایش انرژی جنبشی آن می‌شود. این انرژی جنبشی سپس از طریق ولت‌ها (سوپاپ‌ها) یا دیفیوزرها به انرژی فشاری تبدیل می‌شود.
از دیدگاه عملکرد، کمپرسورهای دینامیکی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
- کمپرسورهای جریان محوری (Axial Flow)
- کمپرسورهای جریان شعاعی (Radial Flow)
- کمپرسورهای جریان محوری (Axial Flow Compressor)
کمپرسورهای جریان محوری بر اساس حرکت آرام گاز و حرکت آن به جلو از بین پره‌های دوار کار می‌کنند. این نوع کمپرسورها معمولاً در توربین‌های گازی استفاده می‌شوند، زیرا آنها قادرند حجم زیادی از گاز را با فشار کم یا متوسط انتقال دهند. ساختار این کمپرسورها به گونه‌ای است که گاز در یک روند خطی و در جهت محور مرکزی کمپرسور حرکت می‌کند.
ساختار و اجزای کمپرسورهای جریان محوری
در داخل کمپرسورهای جریان محوری، جریان گاز در امتداد محور محوریت دارد. پره‌های متحرک که روی رتور نصب شده‌اند، انرژی لازم برای حرکت گاز را تأمین می‌کنند. این پره‌ها به گاز سرعت می‌بخشند و آن را به سمت جلو می‌رانند.
علاوه بر پره‌های متحرک، کمپرسورهای جریان محوری شامل یک سری پره‌های ثابت به نام پره‌های راهنما هستند. این پره‌ها برای هدایت جریان گاز طراحی شده‌اند و همچنین نقش کلیدی در تبدیل انرژی جنبشی به انرژی فشاری دارند. به گونه‌ای که پس از عبور از پره‌های متحرک، گاز به پره‌های راهنما می‌رسد و از آنها عبور می‌کند. این فرآیند ضمن هدایت گاز، انرژی جنبشی آن را کاهش داده و فشار آن را افزایش می‌دهد.
فرآیند افزایش فشار
در کمپرسورهای جریان محوری، نحوه افزایش فشار به‌صورت تدریجی و مداوم است. گاز ابتدا از فضای نسبتاً بزرگ (با سطح مقطع زیاد) وارد کمپرسور می‌شود و به تدریج به سمت فضاهای کوچکتر هدایت می‌شود. این کاهش تدریجی حجم باعث کاهش فشار گاز می‌شود. برای درک بهتر این فرآیند می‌توان آن را با یک شلنگ مقایسه کرد: زمانی که گاز از یک لوله بزرگ به یک لوله کوچک منتقل می‌شود، فشار آن به‌طور طبیعی افزایش می‌یابد.
کاربردها و مزایا
کمپرسورهای جریان محوری در صنایع مختلف کاربرد دارند:
- توربین‌های گازی: این کمپرسورها در نیروگاه‌های تولید برق و موتورهای جت برای به حداکثر رساندن کارایی و خروجی انرژی استفاده می‌شوند.
- سیستم‌های تهویه مطبوع: آنها برای تأمین جریان هوای سرد در سیستم‌های تهویه هوا به کار می‌روند.
- صنایع شیمیایی و پتروشیمی: در این صنایع، کمپرسورهای جریان محوری برای جداسازی و انتقال گازهای مختلف کاربرد دارند.
یکی از مزایای اصلی کمپرسورهای جریان محوری، توانایی آنها در ارائه جریان بالای گاز در فشارهای متوسط و پایین است، که این امر آنها را برای کاربردهای مختلف ایده‌آل می‌سازد.
- کمپرسورهای جریان شعاعی (Radial Flow Compressor)
کمپرسورهای جریان شعاعی، که به‌طور متداول به‌عنوان کمپرسورهای گریز از مرکز شناخته می‌شوند، عملکردی مبتنی بر نیروی گریز از مرکز دارند. این نوع کمپرسورها به‌خوبی می‌توانند انرژی جنبشی گازها را افزایش دهند و به‌کارگیری این مفهوم، اساس کار آنها را تشکیل می‌دهد. در این سیستم، Vane های نصب شده بر سطح پروانه نقش کلیدی در انتقال نیروی مورد نیاز به سیال دارند.
ساختار و عملکرد کمپرسورهای جریان شعاعی
پروانه کمپرسور (Impeller) به‌عنوان عامل اصلی انتقال انرژی در این کمپرسورها عمل می‌کند. پروانه معمولاً بر روی یک محور چرخان نصب می‌شود و با دور بالا می‌چرخد. هنگامی که سیال (گاز) به چشمه پروانه (Impeller Eye) وارد می‌شود، توسط تیغه‌های Vane که به پروانه متصل شده‌اند، به سمت خارج هدایت می‌شود. این هدایت باعث افزایش سرعت گاز می‌گردد و در نتیجه آن، نیروی گریز از مرکز بر روی آن اعمال می‌شود. پس از عبور از تیغه‌ها، سیال با سرعت بالا به نوک پروانه می‌رسد، جایی که این انرژی جنبشی به‌وسیله نیروی گریز از مرکز از پروانه جدا می‌شود.
پس از جدا شدن از پروانه، سیال وارد محفظه اطراف خود (Volute یا Diffuser) می‌شود. در این مرحله، انرژی جنبشی دریافتی از سیال به انرژی فشاری تبدیل می‌شود. عملکرد دیفیوزر در اینجا مشابه با آنچه که در پمپ‌ها اتفاق می‌افتد، می‌باشد؛ بدین صورت که با افزایش سطح مقطع عبوری جریان، فشار گاز افزایش می‌یابد.
حلقه‌های عملکردی و اصل خلأ
یکی از جنبه‌های جالب در عملکرد کمپرسورهای گریز از مرکز، نحوه تشکیل خلأ ناشی از پرتاب سیال به سمت بیرون است. این پرتاب، سبب ایجاد فشار منفی در چشمه پروانه می‌شود و بنابراین سیال تازه به‌شکل مداوم به نوک پروانه وارد می‌گردد. این جریان مداوم و تجدید دو منبع نیاز به تأمین انرژی در سیستم کمپرسور است و می‌تواند به حافظه کارآمدی عملکرد کمپرسور کمک کند.
چالش‌ها و نیازمندی‌ها
با توجه به عملکرد خاص این کمپرسورها، یکی از چالش‌های اساسی آنها تأمین دور مناسب برای چرخش پروانه است. برای این‌که سیال به‌خوبی از پروانه جدا شود و اجازه دهد که ذرات قبلی با ذرات جدید جایگزین شوند، دور کمپرسور باید به حدی برسد که نیروی گریز از مرکز بتواند بر نیروی جاذبه بر مولکول‌های گاز غلبه کند. در غیر این‌صورت، ممکن است فشار کمپرسور و جریان گاز (Flow Rate) کاهش یابد که این امر به طور مستقیم بر کارایی کلی سیستم اثر می‌گذارد.
علاوه بر این، گازها به دلیل ویژگی‌های فیزیکی خود نسبت به مایعات نیازمند دورهای چرخشی بالاتری هستند. این نیاز به دلیل فاصله زیاد بین مولکول‌های گاز و عدم چگالی مناسب آنها می‌باشد. در نتیجه، کمپرسورهای جریان شعاعی نسبت به پمپ‌های مایع، معمولاً طراحی پیچیده‌تری دارند و تعداد بیشتری Vane در پروانه‌های خود دارند.
کاربردها و مزایای کمپرسورهای جریان شعاعی
کمپرسورهای گریز از مرکز در بسیاری از صنایع مختلف کاربرد دارند:
- صنایع هوافضا: این کمپرسورها در موتورهای جت برای افزایش فشار هوای ورودی به موتور استفاده می‌شوند.
- صنایع پتروشیمی: در این صنایع برای انتقال و فشرده‌سازی گازهای مختلف، از جمله گاز طبیعی، به کار می‌روند.
- سیستم‌های تهویه مطبوع: کمپرسورهای گریز از مرکز به‌منظور جابجایی هوای خنک در سیستم‌ها (Heating, ventilation, and air conditioning)HVAC استفاده می‌شوند.
مزیت این نوع کمپرسورها، توانایی آنها در ارائه سرعت و فشار بالاست، که آنها را مناسب برای کاربردهای خاص می‌کند. همچنین، به دلیل طراحی با کارایی بالا و قابلیت کنترل جریان، کمپرسورهای جریان شعاعی معمولاً نسبت به سایر انواع کمپرسورها، انرژی کمتری مصرف می‌کنند.
جمع‌بندی
کمپرسورهای جریان شعاعی یا گریز از مرکز، با عملکرد منحصر به فرد خود و استفاده از نیروی گریز از مرکز، به‌عنوان یکی از مهم‌ترین ابزارها در فرآیندهای صنعت مدرن شناخته می‌شوند. درک دقیق عملکرد و ویژگی‌های این دستگاه‌ها برای دستیابی به کارایی بهینه در سیستم‌های مختلف ضروری است.
