کمپرسور سانتریفیوژ چیست؟

کمپرسور سانتریفیوژ هواسازان تبریز

سیستم‌های تبرید تراکمی برای انجام عمل سرمایش، باید گاز مبرد را فشرده کننده. این فشرده سازی توسط کمپرسور تبریدی انجام می‌شود. کمپرسورهای برودتی با سازوکارهای مختلفی وجود دارند. مثل سیلندر پیستونی، اسکرال، اسکرو و یا سانتریفیوژی. در این مقاله قصد داریم با کمپرسور سانتریفیوژ بیشتر آشنا شویم.

کمپرسور تبرید

برای آنکه بدانیم وظیفه کمپرسور در سیکل برودتی چیست، باید مروری داشته باشیم بر سیکل تبرید تراکمی. سیکل تبردی تراکمی در چهار مرحله با استفاده از یک سیال کاری، به نام گاز مبرد، حرارت موجود را جذب و به محیط بیرون انتقال می‌دهد. این چهار مرحله عبارتند از:

فشرده‌سازی توسط کمپرسور
دفع حرارت توسط کندانسور
افت فشار توسط شیر انبساط
جذب گرما توسط اواپراتور

اما سوال اصلی اینجاست که چه نیازی به مرحله اول، یعنی فشرده‌سازی وجود دارد؟ چرا فشار مبرد را باید افزایش داد؟

فشرده کردن گاز مبرد دو دلیل دارد:

تامین انرژی لازم جهت حرکت مبرد در سیکل
افزایش دمای تقطیر مبرد

مبرد باید بتواند در سیکل برودتی، یعنی مسیری متشکل از لوله‌ها که قطعات مختلف را به هم متصل کرده، حرکت کند. برای این کار نیاز به انرژی دارد که توسط کمپرسور تامین می‌شود.

در مرحله دوم که گاز مبرد باید گرمای جذب شده را به وسیله کندانسور به محیط بیرون منتقل کند. این عمل یعنی میعان. برای انجام عمل میعان دمای تقطیر باید تا دمای محیط بیرون افزایش یابد. همان طور که می‌دانیم دمای تقطیر به فشار مبرد بستگی داشته و با آن رابطه مستقیم دارد. پس برای افزایش دمای تقطیر باید فشار مبرد را قبل از ورود به کندانسور افزایش داد. این کار نیز توسط کمپرسور انجام می‌شود.

کمپرسور سانتریفیوژ

همان طور که دیدیم وظیفه کمپرسور فشرده کردن گاز مبرد است. برای این کار می‌توان از سازوکارهای مختلفی استفاده کرد، که انواع کمپرسورها را تشکیل می‌دهد. یکی از این مکانیزم‌ها، کمپرسور سانتریفیوژ و یا کمپرسور گریز از مرکز است. این کمپرسور که با نام کمپرسور شعاعی نیز شناخته می‌شود، با افزایش انرژی جنبشی مبرد توسط روتور یا همان پروانه، به افزایش فشار دست پیدا می‌کند. سازوکار کمپرسورهای سانتریفیوژ شباهت‌های به کمپرسورهای محور دارد. هر دو کمپرسور با ایرفویل دوار طراحی ساخته می‌شوند. بخش ابتدایی کمپرسورهای سانتریفیوژ که القاگر (Inducer) نامیده می‌شود، بسیار شبیه به کمپرسورهای محوری است، تنها از این جهت تفاوت دارد که تغییری بیشتری در شعاع جریان به خروجی روتور (بخش چرخندهٔ یک دستگاه یا ماشین) ایجاد می‌کنند.

روش کاری این نوع کمپرسور به این شکل است که ابتدا مبرد توسط پره‌ها به سمت مرکز پروانه هدایت شده و بعد توسط نیروی گریز از مرکز به سوی محیط پروانه به سمت بیرون پرتاب می‌شود. در مرحله بعدی مبرد از یک محفظه حلزونی مارپیچ عبور می‌کند که در آنجا انرژی جنبشی آن به فشار استاتیک تبدیل می‌شود.

فشار کلی کمپرسور سانتریفیوژ وابسته به نسب فشار هر مرحله است. بعد از آنکه مبرد از هر پروانه دورا عبور کرد سرعت آن به کاهش می‌یابد. دمای مبرد در ورودی هر مرحله تاثیر مستقیم بر توان مورد نیاز کمپرسور دارد. به همین دلیل معمولاً بین مراحل خنک کاری انجام می‌شود. کپرسورهای گریز از مرکز می‌توانند تا 6 مرحله داشته باشند. پروانه‌های این نوع کمپرسورها در دو طرح باز و بسته وجود دارند که از طرح باز برای کمپرسورهای گازی و یا هوا نیز استفاده می‌شود. پروانه‌های دوار این کمپرسور از جنس آلیاژ فولاد ضدزنگ و یا از آلومینیوم ساخته می‌شود. سرعت دوران کمپرسورهای سانتریفیوژ نسبت به دیگر کمپرسورها بسیار بالا است که تا 15 هزار یا حتی 100 هزار دور بر دقیقه نیز می‌رسد. دوران با سرعت بالا باعث شده که در کمپرسورهای سانتریفیوژ به جای یاتاقان‌های ساچمه‌ای، از یاتاقان‌های تخت یا لغزشی استفاده شود.

نکته بسیار مهم در طراحی کمپرسروهای سانتریفیوژ آب‌بندی مناسب آن است. مقداری نشتی در راستای شفت که از میان محفظه کمپرسور عبور می‌کند، بسیار رایج است. برای جلوگیری از این امر از آب‌بندی‌های مختلفی استفاده می‌شود. از جمله آن‌ها می‌توان به لابیرینتی، حلقوی، مکانیکی و یا هیدروستاتیک نام برد.

اجزای کمپرسور سانتریفیوژ

یک کمپرسور سانتریفیوژ یا گریز از مرکز شامل چهار قسمت اصلی است:

منفذ ورودی
روتور یا پروانه
دیفیوزر
کلکتور

ورودی

ورودی یک کمپرسور سانتریفیوژ معمولا یک لوله است که شامل شیر، تیغه یا همان ایرفویل و برخی اداوات اندازه‌گیری فشار و دما می‌باشد.

پروانه

بخش اصلی کمپرسور که در حقیقت عمل اعمال انرژی توسط این قسمت انجام می‌شود، ایمپلر impeller نام دارد. ایمپلر مجموعه‌ای است از پره‌ها یا تیغه‌ها که با دوران خود باعث می‌شوند. انرژی گاز افزایش یابد. این قسمت با کمپرسورهای محوری یکسان است با این اختلاف که در کمپرسورهای سانتریفیوژ گاز به واسطه افزایش شعاع پروانه افزایش انرژی می‌یابد.

ایمپلرها می‌توانند طراحی‌های مختلفی داشته باشند. ایمپلر باز که پره‌های آن قابل مشاهده است، ایمپلر بسته یا پوشیده و یا ایمپلر شراددار shrouded و همچنین ایمپلرها می‌توانند با جداکننده یا بدون جداکننده باشند.

دیفیوزر

این قسمت جایی است که گاز فشرده می‌شود. یا به عبارت بهتر انرژی جنبشی آن که توسط ایمپلر افزایش یافته به فشار استاتیک تبدیل می‌شود. این کار با کاهش تدریجی سرعت گاز انجام می‌شود. دیفیوزرها می‌توانند پره‌دار، بدون پره و یا ترکیبی باشند.

کلکتور

قسمت نهایی یک کمپرسور سانتریفیوژ کلکتور است که می‌تواند طراحی‌های مختلفی داشته باشد. اگر دیفیوزر به یک محفظه بزرگی تخلیه شود کلکتور با نام پلنیوم شناخته می‌شود. اگر دیفیوزر به قطعه‌ای مارپیچی شکل تخلیه شود، به کلکترو آن حلزونی یا اسکرال گفته می‌شود(با کمپرسپر اسکرال اشتباه نشود). اما کلکتور هر طراحی که داشته باشد هدف آن جمع‌آوری گاز خروجی از دیفیوزر است. که توسط لوله‌ای به سیکل باز می‌گردد تا به سمت کندانسور جریان یابد.