کمپرسور(compressor) دستگاهی است که با افزایش فشار گاز، حجم سیستم را کاهش داده و گاز را با فشار تخلیه می کند. کمپرسور ها از انواع توربو ماشین های توانگیر می باشند و طرز کار کلی آن ها مانند پمپ است. معمولا برای متراکم کردن هوا که یک گاز تراکم پذیر است از کمپرسورها استفاده می کنند اما از کمپرسورها در متراکم سازی گازهای طبیعی، اکسیژن، نیتروژن، و دیگر گازهای صنعتی نیز استفاده می شود. (این در حالی است که گاهی کمپرسور هوا را از دیگر انواع کمپرسور مجزا می دانند)
کمپرسورها به دو دسته اصلی تقسیم می شوند که عبارتند از:
کمپرسور های جابه جایی مثبت (Positive Displacment Compressor) شامل:
- کمپرسورهای دورانی (Rotary Compressor)
- کمپرسورهای رفت و برگشتی (Resiprocatig Compressor)
کمپرسور های دینامیکی (Dynamic Compressor) شامل:
- کمپرسورهای سانتریفوژ (Centrifugal Compressor)
- کمپرسورهای محوری (Axial Compressor)
کمپرسور رفت و برگشتی
بیشترین کاربردهای کمپرسورهای رفت و برگشتی در صنایع نفت و گاز است که در آن سیال وارد شده و فشارش در خروجی بالا می رود. در صنعت گاز نیز از کمپرسورهای رفت و برگشتی در خطوط انتقال گاز بین کشورها استفاده می کنند. این کمپرسورها همچنین در صنایع شیمیایی، تهویه ساختمان، تونل ها، معادن و کوره ها، سیستم های تبرید، تأمین فشار مخازن تحت فشار، تزریق گاز به میدان های نفتی، تأمین هوای فشرده جهت احتراق در ماشینهای احتراق داخلی و دیگ بخار و… کاربرد فراوانی دارند.
کمپرسور اسکرو
در کمپرسور اسکرو دو روتور مارپیچ که به طور متناوب گردش می کنند سیال را به محفظه می راند و فشار آن را افزایش می دهد. با گردش روتورها سیال به درون محفظه کشیده شده و در ادامه کار روتور، سیال را به انتها می راند، آن را به دام انداخته و بدین ترتیب فشارش را بالا می برد. سیال فشرده شده از انتها خارج می شود. این کمپرسورها تمایل به حرکت آرام دارند و لرزش چندانی نداشته از این رو نیازی به فنر ندارند، با این حال برای جلوگیری از لرزش های احتمالی در فرکانس های بالا یک لرزه گیر روی آن ها تعبیه می شود. لازم به ذکر است روتورها نباید خشک کار کنند و شیارهای روتور باید همواره روغنکاری شوند تا دچار خوردگی و ساییدگی نشوند.
کمپرسور اسکرو بدون روغن
در این کمپرسورها هوا در طی فرایند بدون وجود سیل های (Seal) روغن فشرده می شود. هوا معمولا فشار ماکزیمم پایین تری دارد از این رو هوا را در کمپرسورهای اسکرو بدون روغن چند طبقه، توسط چندین اسکرو فشرده می کنند تا فشار بیشتری در خروجی داشته باشد. حجم هوای خروجی در این حالت به 2000 فوت مکعب بر دقیقه می رسد.(در دمای 60 درجه سلسیوس و فشار اتمسفر). این کمپسورها در جایی که وجود روغن در سیستم مجاز نیست. مانند تحقیقات پزشکی و تولید نیمه رساناها کاربر دارند.
لازم به توضیح است جهت هماهنگ کردن دو محور این نوع کمپرسور از دو چرخ دنده استفاده می شود. هچنین این نوع کمپرسور دارای دبی های بسیار بالا (30297 متر مکعب در ساعت در فشار 3 بار و یا 120000 متر مکعب در فشار اتمسفر) می باشد. همچنین به علت دقت بسیار بالا در ماشینکاری و استفاده چرخ دنده و… قیمت این نوع کمپرسور چندین برابر انواع Oil-injected می باشد. حداکثر فشار این نوع کمپرسور در یک مرحله با توجه به سازنده از 3 تا 4 بار است.
کمپرسور پیستونی
اجزای ابتدایی کمپرسور رفت و برگشتی در شکل نشان داده شده. با پایین رفتن پیستون، هوا یا گاز به داخل پیستون کشیده شده و با برگشت پیستون به حالت اولیه ، متراکم می گردد. شبیه موتورهای احتراق داخلی، میله میل لنگ باعث می شود حرکت چرخشی میل لنگ به حرکت خطی پیستون تبدیل گردد و برخلاف موتورهای احتراق داخلی در این کمپرسورها گاز جرقه نمیزند بلکه در طی این عمل فشار گاز زیاد شده، دریچه تخلیه را باز کرده و با شدت خارج می شود.
طراحی پیستون ها ممکن است تکی یا دوتایی باشد. (در طراحی دوتایی، تخلیه و فشرده سازی در هر دو سر پیستون روی می دهد.) برخی از سیلندر های دوتایی که در فشار بالا کار می کنند در هر دو سمت، میله جدا برای پیستون دارند تا تعادل بار ایجاد گردد. سیلندر ها پشت سر هم به یک میل لنگ متصل اند و در جهت مخالف یکدیگر حرکت می کنند. در بسیاری از تجهیزات ترکیبی و سایشی روانکارها کاربرد دارند. جهت جلوگیری از سایش قطعات از رینگ های پیستون یک بار مصرف استفاده می شود. وظیفه پکینگ رینگ های موجود در سیلندر حاوی گاز پرفشار، پاک کردن روغن از روی میله سیلندر جهت جلوگیری از ورود روغن به سیلندر می باشد. پکینگ رینگ ها برای نگه داری گاز درون سیلندر طراحی شده اند ولی در فشار های بالا امکان نشت گاز از پکینگ وجود دارد. سیلندر ها در کمپرسورهای بزرگتر با ترموسیفون یا سیرکولاسیون سیال خنک می شوند در حالیکه کمپرسورهای کوچک تر خانگی اغلب با هوا خنک می گردند.
کمپرسور سانتریفوژ
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 گاز را زیاد کرده و این میزان انرژی، فشار را در خروجی دیفیوزر بالا می برد.
در کمپرسورهای سانتریفوژ جهت جریان عمود بر محور گردنده می باشد این مدل از کمپرسورها برای فشرده سازی حجم زیادی از گاز در یک فشار پایین به کار می روند زیرا نیروی فشاری ایجاد شده توسط پروانه ها کوچک است. به همین دلیل چیلرهایی که از کمپرسور سانتریفوژ استفاده می کنند بیش از یک پروانه در آن ها تعبیه می شود. این کمپرسورها به دلیل طراحی ساده و قطعات متحرک محدود و نگه داری آسان و کم هزینه، مطلوب می باشند.
کارکرد کمپرسور سانتریفوژ
هندسه تیغه ها، جریانات سه بعدی ناپایدار، ویسکوزیته سیال، اثرات تراکم پذیری و… از جزئیات پیچیده کار است. هر تیغه روی کمپرسور ایجاد فشار می نماید و نزدیکی تیغه ها به یکدیگر سیال را لا به لای خود می کشد و با گردش سیال روی آن کار انجام می دهند. طراحان کمپرسور در تونل باد آزمایشات و محاسبات پیچیده ای را برای تعیین عملکرد سانتریفوژها انجام می دهند. این عملکرد شامل نسبت فشار (CPR)در سراسر کمپرسور، سرعت دورانی لازم برای افزایش فشار و راندمان کمپرسور ایده آل می باشد.
کاربرد کمپرسور سانتریفوژ
امروزه کاربرد این کمپرسورها بیشتر در هواپیماهای نظامی و مسافربری که با موتورهای توربین گازی کار می کنند (که به آنها موتور جت می گویند)می باشد. چندین نوع موتور جت وجود دارد ولی همه آن ها یک بخش مشترک دارند و آن کمپرسور است. کمپرسور فشار هوای ورودی را قیل از وارد شدن به محفظه احتراق بالا می برد. عملکرد کمپرسور اثر به سزایی روی سرعت و قدرت موتور دارد. در ابتدا موتورهای جت با کمپرسورهای سانتریفوژ کار می کردند ولی امروزه در توربو جت های کوچک و موتور های توربو شفت از آن ها استفاده می شود.
کمپرسور محوری
در کمپرسورهای محوری، هوا به موازات محور گردنده جریان دارد. کمپرسور از چندین ردیف آبشاری تشکیل شده که برخی از این ردیف ها روتور نام دارد که به شفت مرکزی متصل شده و با سرعت بالا گردش می کند. باقی ردیف ها استاتور است که در جای خود ثابت است و گردش نمی کند. وظیفه استاتور افزایش فشار و بازگرداندن جریان از حالت مارپیچ به موازات محور است.
گاز از درون کمپرسور عبور کرده سرعت آن متناوبا زیاد و کم شده. با هر افزایش سرعت انرژی جنبشی گاز زیاد شده و با هر کاهشی ، انرژی جنبشی آن تبدیل به افزایش فشار می شود. این کمپرسورها جریان پیوسته دارند و در حجم زیاد، گاز متراکم ایجاد می کنند و راندمان بالایی دارند.
کارکرد کمپرسور محوری
کمپرسوری که در آن سیال وارد شده و در جهت محوری گردش کند، کمپرسور جریان محوری است. همانند کمپرسورهای سانتریفوژ هر تیغه استاتور ایجاد فشار می کند. و این تیغه ها مدام جریان ناپایدار ایجاد می کنند. عمل فشرده سازی به طور کامل بر اساس انتشار سیال در مسیر جریان صورت می گیرد. استاتور انرژی جنبشی مطلق سیال را به افزایش فشار در سیال تبدیل می کند. ترم دیگر انرژی جنبشی در سیستم مربوط به گردش روتور است. روتور انرژی جنبشی نسبی سیال را کاهش داده و انرژی جنبشی مطلق آن را افزایش می دهد، یعنی اثر روتور روی سیال، افزایش سرعت مولکول های سیال است و در نتیجه سرعت نسبی میان سیال با روتور کم می شود. طراحی مسیر عبور سیال در روتور با قابلیت انتشار بالا می تواند عملکرد خوبی در افزایش فشار داشته باشد. اگر در یک مرحله %50 افزایش فشار در روتور داشته باشیم گفته می شود بازده دستگاه %50 می باشد.
کاربرد کمپرسور محوری
این دسته از کمپرسورها (محوری)در موتور هواپیماهای جت و توربین گازی و موتور کشتی های سرعت بالا و پست های برق، همچنین در صنایع برای ایرسپراتورهای بزرگ، انفجار کوره های بزرگ، کراکینگ هوا با سیال به عنوان کاتالیزور، گرفتن هیدروژن پروپان و … کاربرد دارند. کمپرسورهای محوری به عنوان سوپرشارژ در افزایش قدرت موتورهای رفت برگشتی در خودروها نیز کاربرد دارند.