0 تا 100 کمپرسور اسکرو !

کمپرسور اسکرو (Screw Compressor)

 

در سال 1930 نیاز به ساخت کمپرسوری با ظرفیت متوسط و فشار متوسط و پیوسته در حالت های مختلف احساس شد. این کمپرسور فصل مشترک کمپرسور سیلندر پیستونی و سانتریفیوژ بوده و بهترین عملکرد را نسبت به سایر کمپرسورها در این فصل مشترک داشته و بیشتر در سیستم های تبرید مورد استفاده قرار می گیرد.

مزایای کمپرسور اسکرو

• تعمیرات ساده
• هزینه تعمیراتی پایین
• طول عمر بالا
• دارای قطعات کم
• دارای Pressure ratio per stage حدود 14
• وزن و حجم پایین

طراحی فشار خروجی در کمپرسورهای اسکرو از چند میلی بار تا 40 بار و در ظرفیت های تا 1200 مترمکعب در دقیقه بوده و از این نظر بعد از کمپرسورهای سانتریفیوژ قرار دارد. کمپرسور اسکرو در دو نوع خشک و روغنی طراحی و ساخته می شوند.

در سال 1960 کمپرسورهای با سرعت بسیار بالای بدون روغن با پروفیل و شکل جدید روتور رونمایی شد. هر چند که کمپرسورهای سیلندر پیستونی از راندمان بالاتر و توان مصرفی پایین تری نسبت به آن ها برخوردار بود ولی ابعاد کمپرسور اسکرو برای دبی معینی از جریان گاز، کوچکتر و به علت فقدان نیروهای بالانس نشده به فونداسیون سبک و فضای کمتر برای نصب نیاز داشته و لذا هزینه نصب آن کمتر می باشد. کمپرسورهای اسکرو قادرند گازهای چسبناک (Sticky) و قابل پلیمریزاسیون را متراکم نمایند. این گونه سیالات به دلیل وجود ذرات نرم باعث کاهش لقی بین روتورها و نشتی و افزایش راندمان حجمی کمپرسور می گردند.

در کمپرسور اسکرو بیشتر معایب سایر کمپرسورها مرتفع گردیده و دارای سرعتی نسبتا بالاتر، کارآمدتر، کوچک تر، سبک تر، ساده تر و قابلیت اطمینان بیشتری داشته و لرزش، نوسان جریان (Pulsation) متری نسبت به کمپرسورهای سیلندر پیستونی دارند. به علت بالا بودن راندمان آن (حدود 75 تا 85 درصد) در بیشتر موارد بر کمپرسورهای سانتریفیوژ ارجحیت داشته و عملکرد آن ها وابستگی چندانی به جرم مولکولی گاز نداشته و فاقد پدیده موج (Surging) بوده و از نظر اقتصادی در محدوده توان مصرفی 200-1500 اسب بخار، از آن ها ارزانتر می باشند.

کمپرسورهای اسکرو با توجه به حذف معایب کمپرسورهای سیلندر پیستونی، دارای راندمان بالا می باشند. در نوع روغنی نسبت فشار تا 8 قابل دست یابی می باشد. این میزان معمولا در کمپرسور سیلندر پیستونی بسیار مشکل و یا دست نیافتنی است. روتور این کمپرسورها حدود 75 تا 620 میلی متر بوده و میزان دبی آن بین 0.6 تا 600 مترمکعب در دقیقه می باشد. میزان نسبت فشار خروجی به ورودی در نوع خشک حدود 4 و در نوع روغنی تا 25 نیز ممکن است برسد. اختلاف فشار بین ورودی و خروجی در این نوع کمپرسور می تواند از 15 تا 50 بار برسد.

انواع کمپرسورهای اسکرو از نظر وجود روغن در محفظه فشار

بطور کلی این تجهیزات به دو دسته زیر تقسیم بندی می شوند:

• نوع خشک یا Oil Free
• نوع روغنی، Oil Flooded یا Oil Injected

کمپرسور اسکرو خشک یا بدون روغن Oil Free

در کمپرسورهای اسکرو از نوع خشک، گاز به تنهایی و بدون روغن وارد محفظه کمپرسور شده و به هیچ عنوان آغشته به روغن نخواهد شد. چرخدنده های تنظیم کننده (Timing Gear) که عمل همزمانی حرکت (Synchronized) و عدم سایش و برخورد روتورها با یکدیگر و انتقال دور از روتور محرک (نرینه) به روتور متحرک (مادینه) را باعث می شود. به دلیل عدم نشت روغن به محفظه فشار، یاتاقان ها و سیستم آب بندی در خارج از  محفظه فشار طراحی و نصب شده اند.

مزایا کمپرسورهای اسکرو بدون روغن:

بخاطر عدم وجود روغن در سیال خروجی تجهیز جذابیت بیشتری برای صنایع داشته و می توان با استفاده از پکیج های چند مرحله ای (Multi-stage) تولید فشار را در این نوع کمپرسورها افزایش داد.

معایب کمپرسورهای اسکرو بدون روغن:

در کمپرسورهای اسکرو بدون روغن به دلیل فقدان روغن و عدم خنک کاری دمای سیال قابل تراکم در حین عملیات فشار بالا رفته و با توجه به نوع گاز نسبت فشار تقریبا حدود 3:1 خواهد شد که این افزایش دمای گاز، احتمال پیچیدگی پوسته و همچنین تماس روتورها با یکدیگر و پوسته را می تواند در بر داشته باشد. لذا مقادیر لقی بین قطعات بایستی به نحوی متناسب پیش بینی شود. معمولا توانایی تولید فشار بالا را نداشته و برای تامین فشار زیاد (بالاتر از 10 بار و 60 مترمکعب) از نوع چند مرحله ای آن استفاده می شود. از دیگر معایب این تجهیزات راندمان کمتر آن ها نسبت به نوع روغنی بوده و به آب بندی مناسبی به منظور جلوگیری از نشتی در آن ها نیاز است.

هزینه یک کمپرسور بدون روغن (به دلیل عملکرد در سرعت بالا) تقریبا ظرفیتی معادل دو برابر هم اندازه خود از نوع روغنی را داشته ولی نیازی به جداکننده روغن از گاز پروسس ندارند. ورودی سیال باید به گونه ای در نظر گرفته شود که احتمال وارد شدن ذرات، گرد و خاک به داخل دستگاه به حداقل برسد. بنابراین وجود یک سیستم ذرات گیری از سیال ورودی الزامی است. از محدودیت کمپرسورهای اسکرو بدون روغن، فشار خروجی کمتر نسبت به نوع Oil-injected یا روغنی است.

کمپرسور اسکرو نوع روغنی Oil-Injected (Flodded)

در این نوع از کمپرسورها مقدار ناچیزی روغن با حجم زیاد گاز وارد محفظه تراکم می شود، هدف استفاده از روغن در این کمپرسورها:

• خنک کردن گاز و کاهش حجم آن
• روانکاری مناسب و سایش کمتر
• ایجاد آب بند بین دو روتور و کاهش فرار گاز در هنگام فشرده سازی
• کاهش دمای گاز در هنگام فشرده سازی
• انتقال قدرت بین دو روتور
• رسیدن به Pressure ratio بالاتر در مقایسه با کمپرسورمشابه غیر روغنی

روغن در کمپرسور اسکرو روغنی نه تنها نقش روان کاری و آب بندی بهتر محفظه تراکم بین روتورها و بدنه را ایفا کرده، بلکه باعث خنک شدن سیال در زمان فشار سازی می شود. لایه روغن موجود بین روتورها اجازه می دهد تا روتور محرک با استفاده از فیلم روغن، روتور متحرک را به چرخش درآورده و نیاز به چرخنده های زمان بندی (Timing Gear) را منتفی نماید. وجود روغن موجب افزایش نسبت تراکم مجاز (بالای 15:1) بدون افزایش دما و باتوجه به نسبت جرمی روغن به گاز (4:1 و حتی بیشتر) باعث افزایش راندمان تجهیز در مقایسه با نوع خشک می گردد. در برخی از کمپرسورها نیز مقدار جزئی سیال تزریق می شود لیکن دارای سیستم جدایش روغن از گاز نمی باشند.

مزایای کمپرسورهای اسکرو روغنی:

• طراحی ساده
• پایین بودن دمای سیال خروجی
• خنک کرد گاز و کاهش حجم آن
• سبک و کم حجم
• روان کاری مناسب و سایش کمتر
• هزینه نگهداری پایین
• نصب آسان
• قطعات متحرک کم
• ایجاد آب بند بین دو روتور و کاهش فرار گاز در هنگام فشرده سازی
• کاهش دمای گاز در هنگام فشرده سازی
• نسبت فشار بالاتر در مقایسه با کمپرسرو مشابه غیر روغنی

معایب کمپرسورهای اسکرو روغنی:

• کاهش راندمان در زمانی که پایین تر از نسبت فشار طراحی کار کند.
• نیاز به تجهیزات جانبی برای جداسازی روغن و برگشت آن به سیستم
• انتقال روغن در سیال خروجی
• محدودیت فشار خروجی در طراحی های یک مرحله ای
• محدودیت استفاده در فشار متوسط (کمتر از 10 بار) و دبی متوسط (تا 1000 مترمکعب بر ساعت)
• بیشترین اتلاف انرژی در تغییر وضعیت بی بار (Unloading) و بالا بودن صدا

سیستم آب بند در کمپرسور اسکرو

در هر مرحله وجود دارد و معمولا از سه نوع آب بند لابیرنت، حلقه های فشار شکن و آب بند مکانیکی، که در طراحی طبق استاندارد API619 نوع آن مشخص می شود، در این کمپرسور استفاده شده است. نوع لابیرنت معمولا برای سیال هوا پیشنهاد شده است. برای سیال نیتروژن یا سایر گازهای خنثی نوع لابیرنت و حلقه های فشار شکن توصیه می شود. محدوده دما و فشار برای این نوع آب بندی 175 درجه سانتیگراد و 10 بار می باشد. برای فشار بالای 45 بار و دمای بالای 175 درجه سانتیگراد از مکانیکال سیل (آب بند مکانیکی) با سیال محافظ روغن استفاده می شود.

نحوه فشرده سازی گاز در کمپرسور اسکرو

مرحله اول:

سیال به داخل قسمت روتورها کشیده می شود و فضای بین مارپیچ ها را پر می کند. این قسمت مانند مرحله مکش در کمپرسورهای سیلندر پیستونی می باشد.

مرحله دوم و سوم:

هنگامیکه سیال وارد قسمت فشرده سازی شد با چرخش روتورها حجم آن کاهش و بنابراین فشار افزایش می یابد. این کم شدن حجم تا قسمت تخلیه سیال ادامه تا فشار به مقدار دلخواه برسد.

مرحله چهارم:

گاز فشرده به بیرون کمپرسور جریان می باید.

دامنه کاربرد کمپرسور اسکرو

این تجهیزات اساسا برای تولید هوا در صنایع لوازم خانگی، غذایی، دارویی و صنایع شیمیایی و پتروشیمی و سیستم های تهویه غیر صنعتی طراحی و ساخته شده و اغلب در سرویس سیالات مبرد، هوا و گازهای سوختی در صنایع کاربرد فراوان داشته و قادرند با سیالاتی مثل بخار خشک، گازها و مخلوط های چند فازی کار کنند.

ساختار کمپرسور اسکرو

این کمپرسور از خانواده جابجایی مثبت بوده که دارای ساختاری ساده و مشتمل بر یک بدنه که تنها دو روتور با شیارهای مارپیچی ماشین کاری شده و با فضای بسیار محدود، که این فضا در طول روتور با بدنه کاهش یافته و باعث تراکم گاز می شود.

معمولا جنس پوسته کمپرسور اسکرو از چدن خاکستری می باشد و مجرای ورودی و خروجی گاز در قسمت بالا و پایین پوسته و در مقابل هم قرار داشته و با استفاده از دوران دو روتور نر و ماده عمل فشرده سازی سیال انجام می پذیرد. هر دو روتور در کنار یکدیگر در داخل یک پوسته قرار گرفته و جهت گردش آن ها مخالف یکدیگر است. حرکت دورانی بوسیله یک محرک اصلی مثل الکتروموتور به روتور نر و سپس به روتور ماده انتقال می یابد.

پارامترهای موثر در میزان فشار و ظرفیت کمپرسورهای اسکرو

• طول روتور (موثر بر فشار)
• قطر روتور (موثر بر ظرفیت)
• دور کمپرسور (موثر بر ظرفیت)
• زاویه پیچش لوب ها (موثر بر فشار و ظرفیت)

سیستم یاتاقان بندی روتورها در دستگاه های نوع سنگین هیدرودینامیک یا لغزشی (شعاعی و محوری) و در نوع سبک غلتشی می باشد. انتخاب چند مرحله بودن کمپرسور باتوجه به دمای خروجی گاز و محدوده اختلاف فشار تعیین می شود.

در طراحی کمپرسور اسکرو اختلاف فشار بین سیال خروجی و ورودی عامل بسیار مهمی است. چون اگر از محدوده مجاز بالاتر باشد باعث خمش در روتورها و آسیب رسانی به تجهیز می شود. مقدار مجاز معمولا بین 0.7 تا 10 بار است ولی اکثر طراحان با تغییر طول روتورها آن را تا 14 بار رسانده اند. تغییر دور و سرعت این تجهیزات با استفاده از محرک هایی مثل توربین بخار یا گاز یا موتورهای الکتریکی قابل تغییر است. این کنترل دور معمولا باعث افزایش کنترل سیستم لوله بای پاس و دامنه تغییرات جریان و انعطاف پذیری تجهیز در هنگام راه اندازی خواهد شد. لوله خارجی بای پاس برای چرخاندن سیال از قسمت خروجی به ورودی یا اتمسفر (در سیال هوا) در اطراف تجهیز قرار گرفته است.

 

شرکت بین المللی پاراکس