کالبد شکافی کمپرسور سانتریفیوژ!!!

کمپرسور سانتریفیوژ (Centrifugal Compressor)

 

ویلیس کریر (Willis Carrier) در سال 1920 اولین  کمپرسور سانتریفیوژ تجاری را ابداع نمود و از آن زمان به بعد استفاده از این کمپرسورها در تاسیسات بزرگ رایج شد. این کمپرسورها سیستم های تبرید را در ظرفیت های تبرید 200 تا 10000 کیلووات تغذیه می کنند. عمل تراکم گاز در کمپرسورهای سانتریفیوژ با نیروی گریز از مرکز انجام می شود. از این رو این کمپرسورها برای تراکم مقادیر زیاد گاز مبرد و اختلاف فشارهای کم مناسب هستند. نیروی تراکم در این کمپرسورها به اندازه پروانه و سرعت چرخش آن بستگی دارد.

کمپرسورهای سانتریفیوژ فاقد سیلندر، سوپاپ و پیستون هستند و بنابراین تعداد قطعاتی که روغن کاری لازم داشته باشد در آن ها اندک است. به عنوان مثال در کمپرسورهای بسته فقط یاتاقان های اصلی که نگهدار محور محرک و یاتاقان موتور هستند به روغن کاری نیاز دارند. این کمپرسورها از سیستم روغن کاری تحت فشار استفاده می کنند. روغن تحت فشار توسط پمپ روغن که در مخزن روغن غوطه ور است به یاتاقان ها می رسد. فشار روغن قبل از راه اندازی کمپرسور باید تامین شده باشد، در غیر این صورت یک فشارسنج اختلاف فشار روغن دو طرف یاتاقان را حس کرده و مانع روشن شدن کمپرسور خواهد شد.

موتور کمپرسورهای سانتریفیوژ توسط مبرد مایع یا آب سرد خنک می شود. دور سیم پیچ موتور یک ژاکت (Jacket) خنک کننده قرار دارد. در بعضی سیستم های مبرد مایع بطور ثقلی از اکنومایزر وارد این قسمت می شود و به علت گرمای موتور به جوش آمده و در نتیجه موتور خنک می شود. گاز مبرد سپس به اکنومایزر برگشته و به طرف کمپرسور کشیده می شود. در سیستم های دیگر آب سرد ژاکت دور سیم پیچ موتور می چرخد.

کنترل ظرفیت کمپرسورهای سانتریفیوژ را می توان توسط تغییر سرعت به کمک محرک الکترونیکی فرکانس متغیر انجام داد. تغییر ظرفیت این کمپرسورها را نیز می توان توسط باز و بسته کردن پره های هدایت کننده پروانه (impeller) انجام داد. این پره ها جهت و مقدار جریان گاز مبرد را قبل از ورود به پروانه تغییر می دهند.

روش فشرده سازی گاز در کمپرسور سانتریفیوژ

قطعاتی که در فشرده سازی گاز در کمپرسور سانتریفیوژ شرکت می کنند عبارتند از:

• پروانه
• دیفیوزر

پروانه (Impeller) در کمپرسور سانتریفیوژ

یکی از مهم ترین قطعه در کمپرسورهای سانتریفیوژ، پروانه می باشد که انرژی لازم را از طریق شافت دریافت و به گاز منتقل می کند. پروانه از قطعات زیر تشکیل شده است:

• تیغه Vane
• صفحه Disc
• پوشش Shroud or cover

این انرژی توسط Vane و یا تیغه های موجود بر روی پروانه به گاز انتقال داده شده و باعث افزایش 3 پارامتر زیر در گاز خروجی از پروانه می شود.

• فشار
• سرعت
• دما

هدف استفاده از کمپرسورها افزایش فشار می باشد اما دو عامل ناخواسته دما و سرعت به نوعی عوامل مزاحم در تولید فشار در کمپرسورها به شمار می آیند.

افزایش دما در فرآیند فشرده سازی:

• باعث افزایش حجم گاز
• توان مصرفی اضافی برای فشرده سازی گاز
• محدودیت های پروسسی

افزایش سرعت در فرآیند فشرده سازی:

• ایجاد افت اصطکاکی بیشتر در مسیرهای درون کمپرسور
• افت فشار تولیدی درون کمپرسور
• محدودیت عدد ماخ

دیفیوزر (Diffuser) در کمپرسور سانتریفیوژ

قطعه ای ثابت درون پوسته و اطراف پروانه است که گاز خروجی از پروانه وارد آن شده و سرعت گاز را تبدیل به فشار می کند. به همین دلیل گازی که از دیفیوزر عبور کرده دارای فشار بیشتر از فشار در لحظه خروج از پروانه می باشد.

بسته به طراحی کمپرسور ممکن است گاز خروجی از پروانه به جای دیفیوزر وارد ولوت (Volute) شود، ولولت محفظه حلزونی شکل بوده که در کمپرسورهای تک پروانه و اطراف آن پروانه قرار دارد و همانند دیفیوزر وظیفه آن تبدیل سرعت گاز به فشار می باشد.

تقسیم بندی کمپرسورهای سانتریفیوژ

الف) کمپرسور سانتریفیوژ یکسر گیردار Overhang

در این نوع کمپرسورهای سانتریفیوژ، پروانه در یک طرف محفظه هوزینگ بیرینگ قرار داشته و Casing آن ها معمولا Vertically split (Redial) می باشد. جریان گاز بصورت محوری وارد پروانه و بصورت مماسی خارج می شود. برای بالا بردن نسبت فشار Pressure ratio در آن ها معمولا از گیربکس و یا گرداننده دور بالا استفاده می کنند. نمونه Overhang آن حداکثر برای دو پروانه مورد استفاده قرار می گیرد. معمولا برای تولید Pressure ratio 3 تا 4، مورد استفاده قرار می گیرد ولی برای تولید نسبت های بالاتر فشار، از کمپرسورهای Integral gear استفاده می شود.

در این نمونه برای تبدیل سرعت گاز خروجی از پروانه به فشار، از ولوت یا ولوت به همراه دیفیوزر در اطراف پروانه استفاده می شود. معمولا برای کنترل ظرفیت آن ها از IGV استفاده می شود. علی رغم ارزان بودن این کمپرسورها نسبت به Between bearing، دارای مشکلاتی مثل حساسیت نسبت به بالانس نبودن و Fouling می باشند.

ب) کمپرسور سانتریفیوژ یک مرحله ای Single stage

در این نوع کمپرسورهای سانتریفیوژ امتداد شافتی که چرخنده کوچک بر روی آن نصب است از پوسته گیربکس بیرون آمده و بر روی آن پروانه کمپرسور نصب می شود ودارای دور نسبتا زیاد و ظرفیت نسبتا پایینی می باشند. بازه بهره برداری در این کمپرسورها کم می باشد به همین دلیل باتوجه به استفاده از یک پروانه دارای Pressure ratio نسبتا بالایی می باشند.

ج) کمپرسور سانتریفیوژ چند مرحله ای Multi stage

برای افزایش فشار در کمپرسورهای سانتریفیوژ به دو طریق می توان عمل کرد:

• افزایش دور
• افزایش تعداد مراحل

در کمپرسورهای سانتریفیوژ تک مرحله ای برای دستیابی به افزایش دور، تا حد مشخصی دور را بالا می برند اما چند پارامتر محدود کننده افزایش سرعت، برای دستیابی به فشارهای بسیار زیاد می باشند که عبارتند از:

• مشکل متالوژیکی
• مشکل دما
• محدودیت سرعت گاز
• محدودیت سرعت مماسی

بر اساس دلایل فوق برای دستیابی به فشارهای بیشتر، پس از افزایش دور تا حد مشخصی، از روش افزایش تعداد پروانه استفاده می شود که به دو صورت زیر می باشند:

الف) افزایش تعداد پروانه بر روی یک گیربکس (Integral gear)

این نوع از کمپرسورهای سانتریفیوژ در واقع ترکیبی از چند کمپرسور Overhung می باشد که برای افزایش Pressure ratio و دست یافتن به فشار مورد نظر از دورهای بالا استفاده می کنند. در این کمپرسورها که معمولا پروانه های آن بر روی انتهای شافت یک گیربکس افزاینده دور نصب شده و ممکن است دور همه پروانه ها الزاما یکی نباشد. هر چقدر فشارها افزایش یابد پروانه ها کوچکتر و دورها افزایش می یابد. در این کمپرسورها گاز خروجی از هر پروانه وارد یک ولوت همراه دیفیوزر شده و پس از تبدیل سرعت به فشار در این مرحله، گاز خروجی از پوسته با دمای بالا وارد کولر شده و با خنک شدن، حجم گاز کاهش یافته و وارد پروانه بعدی می شود. روش کنترل ظرفیت در آن ها به وسیله IGV می باشد.

از مزایای این کمپرسورها:

• کاهش توان مصرفی
• دستیابی به فشارهای بالاتر
• افزایش راندمان کمپرسور
• دستیابی به Pressure ratio بالاتر
• ارزان تر بودن نسبت به کمپرسورهای Between bearing هم ظرفیت خود

از معایب این کمپرسورها:

• پیچیده بودن چیدمان اتصالات و Piping
• نگهداری و تعمیر بسیار سخت و وقت گیر بودن آن
• دامنه کارکرد بهره برداری کمتر نسب به Between bearing

ب) افزایش تعداد پروانه در یک Casing (Between bearing)

روش دیگر افزایش فشار، اضافه کردن تعداد پروانه در یک پوسته می باشد ولی محدودیت هایی برای افزایش تعداد پروانه در یک Casing وجود دارد که عبارتند از:

• محدودیت افزایش دمای کارکرد
• محدودیت های ارتعاشی
• محدودیت های فرآیندی
• محدودیت متالوژیکی
• و ...

برای برطرف کردن موارد فوق از ترکیب بندی متفاوت Casing استفاده می شود که برخی از آن ها برای کاهش نیروی محوری مسایل ترمودینامیکی و آیرودینامیکی می باشد.

 

شرکت بین المللی پاراکس