ظرفیت هوادهی کمپرسور – چند متر هوای فشرده نیاز دارید؟
شناخت واحدهای فیزیکی مورد استفاده در کار با کمپرسور باد صنعتی کاربردی خواهد بود. در مطلب اخیر اصول کلی اندازهگیری کار، توان و دبی هوای فشرده را تشریح می کنیم.
کار مکانیکی چیست و چگونه آن را اندازه میگیریم؟
کار مکانیکی را میتوان مضروب یک نیرو در مسافتی که آن نیرو بر یک جسم وارد می شود دانست. دقیقا مشابه با حرارت، کار انرژی ای است که از یک جسم به جسم دیگر منتقل می شود، با این تفاوت که در اینجا به جای دما بحث از نیرو است. می توان این پدیده را در گازی که داخل یک سیلندر توسط پیستون فشرده می شود تجسم کرد. فشردهسازی محصول نیرویی است که پیستون را حرکت می دهد و در نتیجه انرژی از پیستون به گاز محبوس منتقل می گردد.
این انتقال انرژی در زبان ترمودینامیک کار شناخته می شود. نتیجهی کار ممکن است در اشکال گوناگونی چون تغییر در انرژی پتانسیل، انرژی جنبشی یا انرژي دمایی پدیدار شود. کار مکانیکی مربوط به تغییرات حجم مخلوطی گازی یکی از مهمترین فرآیندهای ترمودینامیک مهندسی است. واحد سیستم بینالمللی (SI) برای کار ژول است: ۱ ژول = ۱ نیوتنمتر = یک وات ثانیه.
توان را چگونه اندازه میگیریم؟
توان کاری است که در واحد زمان انجام می شود و مقیاسی است که کار به چه سرعتی قابل انجام است.
واحد SI توان وات است: ۱ وات = ۱ ژول بر ثانیه. برای مثال توان یا جریان انرژی لازم برای حرکت یک شافت در یک کمپرسور از نظر عددی یکسان با مجموع حرارت خروجی از سیستم و حرارت وارد بر گاز فشرده است.
در کمپرسور هوای اسکرو توان مورد نیاز توسط موتور دیزلی و یا الکتروموتور کمپرسور تامین میگردد. کمپانیهای سازنده کمپرسور دیزلی از موتورهای برندهای شناخته شده و معتبر برای تامین توان کمپرسور خود بهره میبرند که در میان آنها میتوان به کاترپیلار، دویتز، جان دیر، کوبوتا ژاپن، مرسدس بنز و کامینز اشاره کرد. این کمپانیها بر روی کمپرسور اسکرو برقی خود عموما از موتورهای الکتریکی زیمنس بهره میبرند، همچنین از دیگر برندهای معتبر آلمانی میتوان به schorch اشاره کرد.
نرخ حجمی جریان (دبی) چگونه اندازهگیری می شود؟
نرخ حجمی جریان یا همان دبی یک سیستم سنجهای از حجم جریان سیال بر هر واحد زمان است؛ میتوان آن را از ضرب سطح مقطع جریان در سرعت متوسط جریان محاسبه نمود. واحد SI برای دبی جریان مترمکعب بر ثانیه است، هرچند واحد لیتر بر ثانیه نیز برای دبی (ظرفیت هوای خروجی) کمپرسور متداول استفاده می شود. این واحد یا به صورت لیتر بر ثانیه نرمال (Nl/s) و یا خروجی هوای آزاد (l/s) بیان می گردد. واحد لیتر بر ثانیه نرمال عموما در زمان اشاره به یک جریان جرمی کاربرد دارد.
برای محاسبهی خروجی هوای آزاد (FAD) نرخ دبی خروجی کمپرسور باد صنعتی در شرایط استاندارد هوای ورودی، فشار ورودی یک بار (اتمسفر) و دمای ورودی ۲۰ درجه سانتیگراد، مدنظر قرار میگیرد.
خروجی هوای آزاد چیست؟ *FAD*
این عبارت را با بهرهگیری از یک مثال بهتر می توان توضیح داد: FAD=39l/s برای کمپرسوری که در فشار ۱۳ بار مشغول به کار است چه معنایی دارد؟ چه مدت زمان لازم است تا این کمپرسو باد صنعتی یک مخزن کمپرسور ۳۹۰ لیتری تحت ۱۳ بار فشار را پر کند؟ برای پاسخ باید به سراغ شرایط ورودی برویم که فشاری برابر با یک بار داشت.
وضعیت نرمال، وضعیت مرجع
پس از یک ثانیه از زمانی که دستگاهی خالی را استارت می کنیم ۳۹ لیتر با فشار یک بار در آن جاری است. ۱۰ ثانیه بعد فشار داخل دستگاه همچنان یک بار خواهد بود. ۲۰ ثانیه بعد فشار ۲ بار بوده و به همین منوال پس از ۱۳۰ ثانیه با فشار ۱۳ بار پر شده است. سپس باید تفاوت میان وضعیت مرجع و وضعیت نرمال را مدنظر قرار دهیم. وضعیت مرجع با فشار ۱ بار، دمای ۲۰ درجه سانتیگراد و صفر درصد رطوبت نسبی (RH) شناخته می شود. این در حالی است که وضعیت نرمال با یک اتمسفر = ۱/۰۱۳۲۵ بار، دمای صفر درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی صفردرصد شناخته می شود. مفهوم بعدی که باید با آن آشنا باشیم SER یا انرژي موردنیاز ویژه است. این عبارت به معنای آن است که چه مقدار انرژی برای تحویل ۱ لیتر FAD در فشاری مشخص لازم است.
محاسبه ظرفیت هوادهی یا دبی هوای فشرده خروجی کمپرسور باد صنعتی
ویلیام فورستهوفر نگارندهی هندبوک کمپرسورها در قسمت کمپرسور هوای فشرده اسکرو به روابط عملکردی مختلفی اشاره دارد. در میان این روابط برخی با احتساب طول و قطر روتور اصلی (روتور نر)، چرخش روتور بر دقیقه که با آگاهی از دور الکتروموتور یا موتور دیزلی و همچنین نسبت دندههای دو سوی شافت و ثابت پروفایل روتور که با توجه به تعداد برآمدگیهای روتورهای نامتقارن نر و ماده تعیین میشود ظرفیت هوادهی یا دبی هوای فشرده خروجی کمپرسور اسکرو را تعیین میکند. توجه داشته باشید که دندهی بزرگتر سمت موتور و دندهی کوچکتر سمت کمپرسور بسته میشود و در نتیجهی این شکلبندی به ازای هر چرخش سمت موتور، چند دور روتور کمپرسور خواهد چرخید. در ادامه فرمول مذکور خواهد آمد.
همانطور که در شکل بالا مشاهده میکنید هرکدام از چینشها و ساختارهای متفاوت روتورهای نر و ماده در کمپرسور اسکرو نتایج و مصارف خاص خود را به همراه دارد. برای مثال عموم طراحیها نامتقارن است به جز پروفایل متقارن ۴+۶ که مناسب کمپرسور اویل فری است. در میان شکلبندیهای نامتقارن پروفایل نامتقارن ۴+۶ مناسب کمپرسور روغنی (اویل اینجکت) سایز کوچک است.
فرمول ظرفیت هوادهی
بدیهی است که تعداد کمتر لوب یا برجستگیهای روتورها سهولت عبور جریان را فراهم آورده و به دبی هوادهی بالاتر می انجامد، مزیتی که به قیمت تراکم کمتر حاصل میشود. برای مثال چینش پروفایل نامتقارن ۳+۴ از این نمونه است. در سوی دیگر پروفیل روتور نامتقارن ۶+۸ کمپرسور اسکرو تراکم یا فشرده سازی بالاتر را به همراه دارد و از ظرفیت هوادهی دستگاه میکاهد.
در فرمول فوق CFM ظرفیت هوادهی یا دبی هوای فشرده خروجی کمپرسور هوای فشرده اسکروست. RPM تعداد دوران روتورها بر دقیقه، DM قطر روتور اصلی یا روتور نر و L طول روتور اصلی است. Co که با عنوان ثابت پروفایل روتور شناخته میشود در حقیقت به ساختار روتورها و شکل چینش آنها در کنار یکدیگر اشاره دارد. این عدد برای روتورهای ۳+۴ برابر با ۱۸/۰۸۲ و برای روتورهای ۴+۶ برابر با ۱۵/۸۵۳ است. هر چه تعداد لوب (Lobe) یا پیچهای روتورها افزایش یابد این عدد کاهش می یابد، به طوری که در روتورهای ۶+۸ نامتقارن این عدد به ۱۰/۳۶۴ میرسد. این رقم با ظرفیت هوادهی کمپرسور اسکرو رابطه مستقیم دارد و طبیعی است که در کمپرسورهای با تعداد پیچ روتور بالاتر هوای فشرده خروجی با فشار بالاتر و دبی پایینتری خارج خواهد شد.
روشهای کنترل ظرفیت کمپرسور هوای فشرده اسکرو
روشهای متداول کنترل ظرفیت در کمپرسور اسکرو پیچی عبارت است از:
- تغییر سرعت دورانی که اگر نوع ماشین محرک این امکان را فراهم کند، این روش از نظر صرفهجویی در انرژی مناسب است. مقصد از ماشین محرک وسیلهی تامین کنندهی نیروی محرکه یا در بیشتر موارد موتور دیزلی یا الکتروموتور کمپرسور است. در این حالت اصطلاحا موتور کمپرسور «سرعت متغیر» نامیده میشود.
- کنترل ظرفیت از طریق برگشت دادن گاز خروجی به ورودی که در صورت طولانی بودن این عمل، گاز موجود در داخل کمپرسور گرم میشود. اتلافات انرژی مصرفی نیز زیاد است. البته در مواردی برای جلوگیری از داغ شدن گاز و متعاقبا کمپرسور، قسمت برگشتی گاز را بعد از کولر به سمت ورودی برمیگردانند که به اصطلاح Spill Back نامیده میشود.
- بسته شیر ورودی (به طور کامل یا به طور درصدی) تا همین سالهای اخیر از روشهای بیشتر متداول بود. ولی این روش هم موجب افزایش نسبت تراکم و هم بالا رفتن درجه حرارت خروجی میشود. هنوز هم در خیلی از طرحها و غالبا در کمپرسورهای اویل اینجکت یا روغنی این روش استفاده میشود.
- استفاده از شیر کنترلی لغزنده به موازات محور روتورها از روشهای موثر کنترل ظرفیت شناخته میشود. مکانیزم عملکرد آن به گونهای است که با باز و بسته کردن درچهای به سمت مکش، طول بخش تراکم را تغییر داده، کم یا زیاد میکنند. در نتیجهی این عمل گاز قبل از تراکم به گلوگاه مکش هدایت میشود.
در شکل زیر منطق عملکردی شیر کنترلی لغزنده را در دیاگرام فشار-حجم و نیز موقعیت شماتیک روتور و دریچهی تخلیه از پوسته به محل ورودی را مشاهده میکنید:
شکل زیر نیز برشی عمودی از کمپرسور اویل اینجکت یا روغنی است که جریان یا هوادهی آن با بهرهگیری از شیر لغزنده کنترل میشود. شیرهای لغزنده، همانطور که در شکلهای بالاتر نمایش داده شد، برای کمپرسور اسکرو اویل فری یا هوای خشک هم کاربرد دارد؛ در این مورد می بایست تمامی پیشبینیهای لازم برای روانکاری شیر لغزنده صورت گیرد.
شکل پایین هم میزان مصرف قدرت برای حالتهای کنترل به طور ایدهآل، کنترل ظرفیت با بکارگیری شیر لغزنده و کنترل ظرفیت با استفاده از بستن شیر ورودی را به ترتیب از پایین به بالا نمایش میدهد.
کتابخانهی جهان کمپرسور مجموعهای گسترده از منابع معتبر انگلیسی را در اختیار علاقمندان به مطالعه بیشتر قرار میدهد. با مراجعه به آدرس این کتابخانه که در زیر آمده است، امکان دسترسی به هندبوکهای مهندسی شیمی و مکانیک، هندبوک نگهداری خطوط لوله، مقالات معتبر و مرجع طراحی کمپرسور و کتابهای متعدد دیگری را خواهید داشت.
دارسی ویسباخ
توجه ضروری است که بنیان معادله دارسی ویسباخ برای سیالات تراکم ناپذیر است.
معادلهی دارسی ویسباخ در ترکیب با دیاگرام مودی که هر دو در ادامه خواهد آمد معادلهای تجربی و ۲۵۰ ساله است که افت فشار داخل لوله را با سرعت حرکت سیال مرتبط میسازد. در کنار این معادله، معادلات برنولی و کولبروک نیز کاربرد دارد.
در معادله دارسی ویسباخ افت فشار، L طول لوله، D قطر لوله، V سرعت سیال و در نهایت g شتاب ناشی از جاذبه هستند. ضریب اصطکاک f نیز از معادله زیر تبعیت میکند که در آن آلفا و بتا تابع قطر و نوع دیوارهی لوله است.
برای محاسبهی ضریب اصطکاک از معادله کولبروک و دیاگرام مودی نیز بهره برده میشود.
