کمپرسورها دستگاه هایی هستند که برای فشرده سازی و انتقال سیال (هوا یا گاز) از یک مکان به مکان دیگر استفاده می شوند. کمپرسورها انواع مختلفی دارند که کمپرسور گریز از مرکز (سانتریفیوژ) یکی از آنهاست. کمپرسورهای گریز از مرکز بیشترین کاربرد را در سراسر جهان دارند. دلیل اصلی این است که ساخت این کمپرسورها بسیار آسان است. در این مقاله، جنبه های مختلف کمپرسور هوای گریز از مرکز از جمله اصل کار، انواع و اجزای آن را توضیح داده شده است.
کمپرسور گریز از مرکز چیست؟
کمپرسور گریز از مرکز یک دستگاه مکانیکی است که سیال را با کمک شتاب شعاعی پروانه که توسط محفظه کمپرسور احاطه شده است، فشرده می کند. در کمپرسور گریز از مرکز، هوا یا گاز به صورت محوری وارد پروانه می شود و به صورت شعاعی تخلیه می شود. بنابراین به آن کمپرسور شعاعی نیز می گویند.
در کمپرسور گریز از مرکز، سرعت سیال عامل (گاز یا هوا) با تبدیل انرژی جنبشی هوا/گاز به سرعت توسط پروانه افزایش می یابد. دیفیوزر بعدا سرعت هوا یا گاز را به فشار تبدیل می کند. کمپرسورهای گریز از مرکز شعاعی دارای نسبت فشار بالا در دبی کم هستند که این مزیت اصلی نسبت به کمپرسورهای محوری است.
کمپرسور گریز از مرکز دستگاهی است که در آن بخار یا گازی خاص با کمک پروانه کمپرسور فشرده می شود. در صورت نیاز به فشرده سازی بیشتر، این کمپرسورها ممکن است روی چند مرحله تنظیم شوند. هر مرحله بخشی از کل افزایش فشار است.
بسته به فشار مورد نیاز برای عملکردهای مختلف، چندین مرحله را می توان به صورت سری به هم متصل کرد تا فشار لازم را به دست آورد. این کمپرسورهای چند مرحله ای برای کاربرد در فرآوری و صنایع نفت و گاز استفاده می شود. از طرف دیگر، تصفیه خانه های فاضلاب برای دستیابی به نسبت فشار مورد نیاز، از حالت کم فشار تک مرحله ای استفاده می کنند.
در این کمپرسورها با کمک پروانه ای که انرژی جنبشی گاز یا هوا را تامین می کند سرعت افزایش می یابد. سپس، هنگامی که دبی جریان توسط دیفیوزر کاهش می یابد، این انرژی جنبشی به سرعت سیال تبدیل می شود. سپس دیفیوزر این سرعت را به افزایش فشار تبدیل می کند.
اصل کار کمپرسور گریز از مرکز
اصل کار کمپرسور گریز از مرکز کمی متفاوت از کمپرسور دوار یا رفت و برگشتی است.
یک کمپرسور گریز از مرکز به روش زیر عمل می کند:
- هنگام راه اندازی، هوا از مخزن هوا یا هر منبع دیگری به کمپرسور گریز از مرکز وارد می شود.
- پس از ورود به کمپرسور به پروانه برخورد می کند. این پروانه دارای پره های شعاعی متعددی است که با چرخش پروانه می چرخند.
- با برخورد هوا به پره های شعاعی پروانه، هوا با نیروی گریز از مرکز به مرکز پروانه فشار می آورد.
- پس از برخورد، پره های پروانه انرژی جنبشی را به هوا می دهند. به همین دلیل سرعت آن افزایش می یابد.
- هوا پس از عبور از پروانه وارد ناحیه دیفیوزر می شود. این دیفیوزر دارای پره های ثابت است. پس از ورود به ناحیه دیفیوزر، سرعت جریان هوا شروع به کاهش می کند.
- بر اساس اصل برنولی، مجذور سرعت با فشار نسبت عکس دارد. محفظه حلزونی یا دیفیوزر، سرعت افزایش یافته هوا را قبل از اینکه هوا به مرکز پروانه کشیده شود، به فشار تبدیل می کند. در بیشتر شرایط، افزایش فشار پروانه تقریبا برابر با افزایش فشار دیفیوزر خواهد بود.
در واقع، دیفیوزر بخش ثابت کمپرسور است که جریان هوا را هنگام خروج از روتور همراهی می کند. این کاهش سرعت در نهایت منجر به افزایش فشار می شود. دیفیوزر و روتور یا پروانه تقریباً 35% و 65% از کل فشار تولید شده توسط کمپرسور را تشکیل می دهند. کمپرسور گریز از مرکز به شدت بر فرآیند فشرده سازی هوا تأثیر می گذارد.
قطعات کمپرسور گریز از مرکز
کمپرسور هوای گریز از مرکز دارای اجزای اصلی زیر است:
1. پروانه
2. محفظه
3. دیفیوزر
4. دریچه های ورودی و خروجی / پورت ها
5. کلکتور
1) روتور یا پروانه
روتور یا پروانه یکی از مهم ترین قسمت های کمپرسور گریز از مرکز است. روتور کمپرسور هوا گریز از مرکز، دیسکی است که به شفت کمپرسور متصل است. تعداد متفاوتی از تیغه های منحنی به این دیسک متصل می شوند.
این تیغه ها یک کانال انتشار برای گاز عامل یا هوا فراهم می کنند. تعداد این تیغه های منحنی از حدود 15 تا 20 عدد در یک پروانه کمپرسور گریز از مرکز متغیر است.
پروانه کمپرسور از طریق تیغه های متصل به دیسک چرخان به هوا یا گاز سرعت می دهد. این تیغه ها را می توان بسته به عملکرد مورد نیاز به سمت عقب، جلو یا شعاعی منحرف کرد. اکثر کمپرسورهای چند مرحله ای از تیغه های شیب دار به سمت عقب برای حداکثر بازده استفاده می کنند.
2) پوسته
اجزای کمپرسور گریز از مرکز که در تصویر بالا آورده شده است عمدتا توسط یک پوسته محافظت می شوند.
طراحی بدنه به گونه ای است که انرژی جنبشی هوا از درگاه خروجی پروانه تخلیه می شود اما این انرژی جنبشی قبل از خروج هوا از پوسته به فشار تبدیل می شود. پوسته شامل چندین یاتاقان است که روتور را به صورت محوری و شعاعی پشتیبانی می کند. پوسته از فولاد یا چدن ساخته می شود.
دو نوع اصلی پوسته عبارتند از:
1. پوسته با برش عمودی
2. پوسته با برش افقی
3) دیفیوزر
پروانه هوا را با سرعت بسیار بالا به کانال دیفیوزر می فرستد. این دیفیوزر معمولا بر دو دیواره ای که کانال شعاعی را تشکیل می دهند تاثیر می گذارد. این چیدمان سرعت هوا یا گاز را کاهش می دهند و فشار دینامیکی را به فشار استاتیکی تبدیل می کنند.
کانال دیفیوزر فضای کوچکی بین غشاهای مجاور است که به طور معمول جریان هوا را 180 درجه می چرخاند تا آن را به سمت رانر بعدی هدایت کند. پس از بخش دیفیوزر، هوا یا گاز به داخل کلکتور می رود.
4) کلکتور
پس از آخرین پروانه، هوا یا گاز جمع شده و به سمت قسمت خروجی هدایت می شود. جزء مورد استفاده برای جمع آوری هوا یا گاز منتشر شده توسط دیفیوزر کلکتور نام دارد. همچنین با عنوان اسکرول یا حلزونی شناخته می شود.
یک کلکتور همچنین می تواند دارای شیر و دیگر قطعات برای کنترل کمپرسور باشد. کلکتور آخرین جزء کمپرسور گریز از مرکز است. یک لوله رانش به کلکتور متصل می شود که از آنجا هوای تحت فشار یا هر سیال دیگری تخلیه می شود و به محل یا قسمت مورد نظر منتقل می شود.
5) تیغه های پروانه
این تیغه ها به قسمت چرخان پروانه متصل می شوند. هدف اصلی این تیغه ها تامین انرژی جنبشی برای سیال عامل و افزایش سرعت آن است.
6) دریچه های ورودی و خروجی
درگاه ورودی کمپرسور برای مکش هوا یا گاز داخل کمپرسور استفاده می شود. در مقابل، درگاه خروجی برای تخلیه هوا یا گاز تحت فشار استفاده می شود.
انواع کمپرسور گریز از مرکز
کمپرسور گریز از مرکز دارای انواع زیر است:
1. کمپرسور تک مرحله ای
2. کمپرسور چند مرحله ای
اصل کار این کمپرسورها یکسان است اما ساختار آنها کمی با یکدیگر متفاوت است.
1) کمپرسور تک مرحله ای
یک کمپرسور تک مرحله‌ای دارای یک رانر واحد است که هوا یا گاز را به نسبت فشار 3:1 حرکت می‌دهد. اعتقاد بر این است که این نوع کمپرسورها دارای ساختار میله ای یا آرایش پروانه معلق هستند.
یکی از مزیت های اصلی این کمپرسورها نسبت به کمپرسورهای چند مرحله ای این است که راندمان بالایی دارند و گاز تولیدی کاملا بدون روغن است.
کمپرسور تک مرحله ای دارای انواع زیر نیز می باشد:
الف) کمپرسور تک مرحله ای معلق
در این کمپرسور، پروانه در انتهای غیر محرک شفت (خارج از یاتاقان شعاعی در انتهای غیر محرک) قرار می گیرد. این کمپرسورها دارای نازل‌های مکش جریان محوری هستند که محدوده کاری وسیع تر و راندمان بالاتری را ارائه می‌دهند.
این کمپرسورهای گریز از مرکز در درجه اول برای کاربردهای با دبی بالا و هد پایین طراحی می شوند. جریان کمپرسور توسط شیرهای پروانه ای، شیرهای های مکش/تخلیه یا تیغه های ورودی تنظیم می شود.
ب) کمپرسور تک مرحله ای گیربکسی
این کمپرسور تک مرحله ای با گیربکس یکپارچه دارای پروانه نیمه باز معلق می باشد. این پروانه معلق مستقیما روی شفت پرسرعت گیربکس قرار دارد.
این کمپرسور می تواند دبی گاز معادل 300,000m³/h ، فشار باردهی تا 50 bar و نسبت فشار تا 3.5 را پردازش کند.
2) کمپرسور چند مرحله ای
کمپرسور چند مرحله ای از 1 تا 10 پروانه تشکیل شده است و می تواند بر اساس الگوهای مختلف مسیر جریان تنظیم شود. در هر مرحله فرض می شود که نسبت تراکم و دما ثابت است.
این کمپرسورها را می توان در آرایش های دو جریانی، مرکب و مستقیم سوار کرد. در این کمپرسور نیز طراحی میله ای در نظر گرفته می شود، اما رانر بین یاتاقان های شعاعی قرار دارد.
کمپرسورهای چند مرحله ای نیز دارای انواع زیر هستند:
- کمپرسورهای گیربکسی
- کمپرسور برای خط لوله
- کمپرسور با پوسته زنگوله ای
- کمپرسور با برش عمودی پوسته
- کمپرسور با برش افقی پوسته
الف) کمپرسور با برش افقی پوسته
در یک کمپرسور با برش افقی پوسته، پوسته یا محفظه استوانه ای به دو قسمت تقسیم می شود:
- نیمه پایینی
- نیمه بالایی
مزیت این نوع کمپرسور این است که تعمیر و نگهداری قطعات داخلی تنها با برداشتن قسمت بالایی انجام می شود. به همین دلیل بیشتر اتصالات لوله به جز اتصالات ورودی/خروجی فرآیند اصلی در قسمت پایین نشان داده شده است. اتصالات ورودی/خروجی فرآیند اصلی بهترین استفاده را در نیمه پایینی دارند، اما می توانند در نیمه بالایی نیز استفاده شوند.
این نوع کمپرسورهای سانتریفیوژ دارای قابلیت اطمینان و راندمان بالایی هستند و طراحی آسانی دارند. کمپرسورهای با برش افقی پوسته برای کاربردهایی مانند متالورژی، معدن، صنایع شیمیایی و نفت و گاز استفاده می شوند.
ب) کمپرسور با برش عمودی پوسته
کمپرسور با برش عمودی پوسته از یک سیلندر بسته با دو کپ انتهایی تشکیل شده است (به عنوان کمپرسور بشکه ای نیز شناخته می شود). به دلیل ساختار یک تکه آن و وجود نشت بند در دو طرف آن، مقاومت فشار بالایی دارد.
این کمپرسورها برای صنایع غذایی، انرژی و نفت و گاز و همچنین سکوهای دریایی کاربرد دارند.
ج) کمپرسور با پوسته زنگوله ای
این نوع کمپرسور یک کمپرسور با برش عمودی پوسته یا بشکه ای است. در فشار بالا این کمپرسور دارای محفظه زنگی شکل است که به جای پیچ با رینگ های برشی بسته می شود.
د) کمپرسور خط لوله
این کمپرسورها یک محفظه زنگوله ای شکل با یک کپ انتهایی عمودی دارند. بیشتر از این کمپرسورها برای انتقال گاز طبیعی استفاده می شود. معمولا دارای نازل های ورودی و خروجی جانبی هستند که در جهت های مخالف قرار دارند تا نصب در خط لوله گاز طبیعی را ساده کنند. اگر نسبت فشار برای یک رانر واحد اجازه دهد، ورودی های محوری نیز می توانند استفاده شوند.
این کمپرسورها عموما برای کنترل فشار تا 100 bar طراحی می شوند. کمپرسور خط لوله توانایی بالایی در کنترل جریان با راندمان بالا دارد. سرعت جریان بالا و نسبت تراکم پایینی دارند.
ه) کمپرسورهای گیربکسی
این کمپرسور هوای گریز از مرکز در کاربردهای جریان بالا/فشار کم یا جریان کم/فشار بالا استفاده می کند. این کمپرسور دارای چرخ دنده های بزرگ و 1 تا 4 پینیون پرسرعت می باشد. می توانید یک یا دو پروانه را به هر محور پینیون وصل کنید.
مزایای کمپرسورهای گریز از مرکز
- در دبی جریان کم، نسبت فشار بالایی را ارائه می دهد
- طراحی این کمپرسورها در مقایسه با کمپرسورهای جابجایی مثبت آسان است
- نسبت به کمپرسورهای رفت و برگشتی یا دوار قابل اعتمادتر هستند
- به فونداسیون خاصی نیاز ندارند
- این کمپرسورها بدون روغن هستند
معایب کمپرسورهای گریز از مرکز
- نسبت به کمپرسورهای جا به جایی مثبت انعطاف کمتری دارد
- مشکلات کاویتاسیون دارند
- قابلیت خود مکش (self-priming) ندارد
- در سرعت نسبتا بالا کار می کنند و نیاز به جدایش یا نصب طولانی مدت دارند
کاربردهای کمپرسورهای گریز از مرکز
- با توربین های گازی استفاده می شود
- در موتورهای خودرو
- در سوپرشارژرها
- در کارخانه‌های شیمیایی، پتروشیمی، فرآوری گاز طبیعی و پالایشگاه های نفت کاربرد دارند
- در کارخانه های جداسازی هوا برای تولید گازهای خالص استفاده می شود
- کمپرسورهای خط لوله، گاز طبیعی را به مصرف کننده می رسانند
