کمپرسورهای جابجایی مثبت

یک کمپرسور جابجایی (Displacement compressor) دارای این خصوصیت است که حجم معینی از گاز یا هوا را محصور می‌کند و سپس با کاهش دادن منطقه حجم محصور شده، فشار را افزایش می‌دهد.

یک پمپ دوچرخه ساده‌ترین نوع یک کمپرسور جابجایی است، که در این نوع پمپ، هوا وارد سیلندر می‌شود و توسط پیستون متحرکی فشرده می‌شود. کمپرسور پیستونی دارای اصل عملکردی مشابهی است با یک پیستون، این کمپرسور دارای پیستونی است که در آن یک میله اتصال و یک میل لنگ چرخشی باعث عقب و جلو رفتن آن می‌شود. اگر برای فشردن هوا فقط یک طرف پیستون استفاده شود، پیستون یکطرفه نامیده می‌شود. اگر هر دو طرف بالا و پایین مورد استفاده قرار گیرد، کمپرسور دو طرفه نامیده می‌شود. تفاوت بین فشار در قسمت ورودی و قسمت خروجی به عنوان اندازه‌ای از کار کمپرسور است.

نسبت فشار، رابطه بین فشار مطلق در قسمت‌های ورودی و خروجی است؛ بنابراین ماشینی که هوایی تحت فشار اتمسفر را تا ۷ bar فشرده می‌سازد دارای کاری با نسبت فشار ۱=۸ / (۷+۱) است.

پیستونی

کمپرسور پیستونی (Piston compressors) قدیمی‌ترین و متداول‌ترین انواع کمپرسور است. این کمپرسور در شکل‌های دو طرفه یا یکطرفه موجود می‌باشند که قطعات آن‌ها روغنکاری شونده یا روغن کاری نشونده می‌باشند که به اشکال متفاوتی دارای تنوع تعداد سیلندر هستند. به استثنای کمپرسورهای واقعاً کوچک که دارای سیلندرهای عمودی هستند، شکل بندی V برای کمپرسورهای کوچک رایج‌ترین است.
در کمپرسورهای بزرگ دو طرفه، شکل بندی نوع L با سیلندر عمودی فشار پایین و سیلندر افقی فشار بالا مزایای بسیار زیادی داشته و به همین علت است که این نوع طرح نسبت به طرح‌های دیگر رایج تر است.
کمپرسورهایی که روغنکاری می‌شوند بطور معمول با سیستم روغن کاری پاششی یا روغن کاری فشاری کار می‌کنند. بیشتر کمپرسورها دارای سوپاپ‌های خودکار هستند. یک سوپاپ خودکار به هنگام بروز اختلافات فشار در دو سمت بشقابک سوپاپ باز و بسته می‌شود.

پیستونی روغنکاری نشونده

 

محور موتور شش سیلندر کمپرسور رفت و برگشتی است که می‌تواند با دو، چهار و شش سیلندر عمل کند.

کمپرسورهای پیستونی روغنکاری نشونده (Oil-free piston compressors) دارای رینگ‌های پیستونی از جنس پلی اتیلنی یا کربنی می‌باشند یا اینکه دیواره پیستون و سیلندر آن‌ها می‌تواند همانند کمپرسورهای مارپیچی شیاردار باشد. کمپرسورهای بزرگتر دارای یک یاتاقان متحرک و واشرهای درزگیری هستند که بر روی پین‌های انگشتی پیستون قرار دارند و دارای قطعه میانی تهویه‌کننده‌ای است که از انتقال روغن از محفظه کارتل روغن به محفظه تراکم ممانعت می‌کند. کمپرسورهای کوچک‌تر غالباً دارای یک کارتل روغن به همراه آب‌بندی جهت افزایش عمر یاتاقان‌ها هست.

دیافراگمی

کمپرسورهای دیافراگمی (Diaphragm compressors) گروه دیگری را تشکیل می‌دهند. دیافراگم بطور مکانیکی یا هیدرولیکی به کار انداخته می‌شود. کمپرسورهای دیافراگمی مکانیکی با جریان اندک و فشار پایین یا به عنوان پمپ‌های خلاء مورد استفاده قرار می‌گیرند. کمپرسورهای دیافراگمی هیدرولیکی برای فشار بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مار پیچی

اصول کلی کمپرسور جابجایی چرخشی با پیستون مار پیچی شکل (Screw compressors)، در سال‌های دههٔ ۱۹۳۰ توسعه یافت، و این زمانی بود که یک کمپرسور چرخشی با ظرفیت بالا و جریانی ثابت در شرایط متفاوت، مورد نیاز بود. اجزاء اصلی هواساز کمپرسور شامل روتورهای نر و مادگی می‌باشد، که مادامی که به طرف یکدیگر حرکت می‌کنند، حجم بین آن‌ها و محفظه کاهش می‌یابد. هر هواساز مارپیچ دارای نسبت فشار ثابتی است که به طول مارپیچ، فاصله میان دنده‌های مارپیچ و شکل مجرای تخلیه آن بستگی دارد. برای بدست آوردن بهترین راندمان، نسبت فشار باید با فشار کاری مورد نیاز تطبیق داده شود. کمپرسور مارپیچی دارای سوپاپ نبوده و هیچ نیروی مکانیکی ندارد که باعث عدم تعادل شود. این بدین معنی است که این نوع کمپرسور با ابعاد بیرونی کوچک می‌تواند با سرعت میله گردنده بالائی کارکند و جریان عظیمی را ترکیب نماید. یک نیروی محوری فعال که به اختلاف فشار بین ورودی و خروجی بستگی دارد بر یاتاقان‌ها وارد می‌گردد. مارپیچ، که در اصل متقارن بود، هم‌اکنون در طرح‌های مختلف به صورت اشکال حلزونی توسعه یافته‌است.

کمپرسورهای مارپیچی روغن کاری نشونده

اولین کمپرسورهای مارپیچی دارای شکل متقارنی بودند و در محفظه فشار آن‌ها از مایع استفاده نمی‌شد. به همین دلیل به آن‌ها کمپرسورهای مارپیچی روغنکاری نشونده یا خشک می‌گفتند. در اواخر دههٔ ۱۹۶۰ کمپرسور مارپیچی روغنکاری نشونده سرعت بالائی بوجود آمد که دارای شکل مارپیچ نامتقارنی بود. این شکل جدید روتور بطور چشمگیری منجر به افزایش راندمان شد، این افزایش کارایی به علت کاهش نشت در دستگاه بود.

در کمپرسورهای مارپیچی خشک از یک چرخ دنده بیرونی استفاده می‌شود تا روتورهای چرخشی را که در جهت عکس یکدیگر حرکت می‌نمایند، هماهنگ کند. از آنجائیکه روتورها نه با یکدیگر و نه با محفظه تراکم کمپرسور تماس پیدا می‌کنند بنابراین در محفظه تراکم نیازی به روغن کاری نیست در نتیجه هوای فشرده شده کاملاً عاری از روغن است. روتورها و محفظه با دقت بسیار زیادی ساخته می‌شوند تا نشت روغن از قسمت تراکم به قسمت ورود هوا به حداقل برسد. نسبت فشار هوا اختلاط شده توسط اختلاف درجه حرارت بین ورودی و خروجی، محدود می‌شود. به همین دلیل است که کمپرسورهای مارپیچی روغنکاری نشونده را غالباً به صورت چندین مرحله‌ای می‌سازند.

مارپیچی مایع تزریقی

در این نوع کمپرسور تزریقی، مایعی با هدف روغن کاری و خنک کاری به محفظه تراکم و غالباً به یاتاقان‌های کمپرسور تزریق می‌شود. نقش این مایع خنک کاری و روغن کاری کمپرسور و کاهش نشت برگشتی به قسمت ورودی هوا است.

امروزه، روغن، به دلیل خواص خوب روانسازی رایج‌ترین مایع مورد استفاده در روانکاری است. با توجه به این از مایعات دیگری نیز استفاده می‌شود، از جمله آب. کمپرسورهای مارپیچ مایع تزریقی می‌توانند برای نسبت‌های فشار بالا ساخته شوند، زیرا که با یک مرحله تراکم هوا فشاری معادل ۱۳ بار ایجاد می‌نماید.

کمپرسور دندانه دار

واحد هواساز در کمپرسور دندانه دار (Tooth compressor) از دو روتور تشکیل می‌شود که در محفظه تراکم به طرف یکدیگر حرکت می‌کنند. فرایند فشرده‌سازی از سه مرحله مکش، تراکم و رانش تشکیل می‌شود. در مرحله مکش، هوا وارد محفظه تراکم می‌شود، که با حرکت روتورها به تدریج کوچک و کوچکتر می‌گردد. خروجی هوا در مرحله تراکم به وسیله یکی از روتورها مسدود می‌باشد، در حالیکه ورودی برای مکش هوای تازه در قسمت دیگر محفظه تراکم باز است. عمل تخلیه هنگامی صورت می‌گیرد که یکی از روتورها کانال را باز کند و بدین ترتیب هوای متراکم شده با نیروی زیادی به بیرون از محفظه تراکم فرستاده شود. مراحل مکش و رانش هوا در محفظه تراکم به صورت شعاعی صورت می‌پذیرند، که این امکان را فراهم می‌آورد از طرح‌های ساده‌تر یاتاقان استفاده شود و همچنین ویژگی‌های پر کردن هوا را بهبود بخشد. هر دو این روتورها از طریق چرخ دنده‌ای هماهنگ شده و بطور هم‌زمان می‌چرخند. حداکثر نسبت فشاری که توسط کمپرسور دندانه دار روغنکاری نشونده بدست می‌آید، ۵/۴ است. در نتیجه برای فشارهای بالاتر چندین مرحله دیگر مورد نیاز است.

فرفره‌ای

 

مکانیسم پمپ فرفره‌ای

این کمپرسور یکی از انواع کمپرسورهای جابجایی مارپیچی روغنکاری نشونده‌است، به عنوان مثال این کمپرسور با کاهش همواره حجم معینی از هوا آن را فشرده می‌سازد. واحد هواساز کمپرسور از یک حلزونی ثابت در قسمت محفظه و یک موتور که به صورت گریز از مرکز راه‌اندازی می‌شود و همچنین یک مارپیچ متحرک، تشکیل شده‌است. حلزونی‌ها با اختلاف فاز ۱۸۰ درجه نصب می‌شود تا محفظه هوایی با حجم‌های متغیری را تشکیل دهند. این امر باعث می‌شود که قسمت‌های تشکیل دهنده کمپرسور دارای تعادل شعاعی باشند، میزان نشتی وقتیکه اختلاف فشار در محفظه‌های هوا کمتر از اختلاف فشار بین ورودی و خروجی باشد، به حداقل می‌رسد. حلزونی متحرکت توسط میل لنگی به کار انداخته می‌شود که دارای کورس کوتاهی است و این مارپیچ بطور گریز از مرکز در حول مرکز حلزونی ثابت حرکت می‌کند. قسمت ورودی هوا در بالای محفظه تعبیه شده‌است.

وقتیکه مارپیچ متحرک برخلاف عقربه‌های ساعت حرکت می‌کند، هوا به داخل فرستاده می‌شود و در یکی از محفظه‌های هوا حبس و بطور متغیری به سمت مرکز فشرده می‌شود. در این قسمت دریچه خروجی و سوپاپ یکطرفه‌ای تعبیه شده‌است. دوره تراکم به ازاء هر ۵/۲ دور چرخش در حال اجراء است که در این دوره، جریان هوا ثابت و بدون ضربه‌است. از آنجائیکه این فرایند عاری از هر گونه تغییرات گشتاور بوده، تقریباً آرام و بدون لزرش است؛ بنابراین با کمپرسور پیستونی قابل مقایسه‌است.

پره‌ای

اصول کار کمپرسور پره‌ای (Vane compressor) همانند بسیاری از موتورهای هوای فشرده دیگر است. پره‌ها معمولاً از آلیاژهای ریختگی مخصوص ساخته می‌شوند و بیشتر کمپرسورها از نوع روغن روغنکاری شونده می‌باشند. یک روتور که دارای پره‌های متحرک شعاعی است به صورت خارج از مرکز در محفظه استاتور نصب می‌شود. وقتیکه روتور می‌چرخد، پره‌ها به واسطه نیروی گریز از مرکز با دیواره‌های استاتور تماس برقرار می‌نماید وقتیکه فاصله بین روتور و استاتور افزایش می‌یابد، هوا به داخل فرستاده می‌شود. هوا در محفظه‌های مختلف کمپرسور حبس شده و حجم این محفظه‌ها هم‌زمان با چرخش کاهش می‌یابد. وقتیکه پره‌ها از مقابل مجرای خروجی می‌گذرند، هوا تخلیه می‌شود.

کمپرسور حلقه روغنی

کمپرسور حلقه روغنی (Liquid-ring compressor) یکی از انواع کمپرسورهای جابجایی است که دارای نسبت فشار درونی می‌باشد. روتور این کمپرسور دارای پره‌های ثابتی است که به صورت خارج از مرکز در یک محفظه قرار گرفته که بخشی ازآن با مایعی پر می‌شود. چرخ پره، مایع را به اطراف محفظه کمپرسور منتقل نموده و به واسطه نیروی گریز از مرکز حلقه‌ای از مایع در اطراف محفظه کمپرسور تشکیل می‌شود. از آنجائیکه محفظه کمپرسور بیضوی شکل است، حلقه مایع به صورت خارج از مرکز در اطراف روتور قرار می‌گیرد. حجم بین چرخ پره بطور متناوب تغییر می‌کند. این کمپرسور معمولاً دارای دو محفظه تراکم متقارن رو به روی هم است تا بدین ترتیب از اعمال نیروهای شعاعی بر روی یاتاقان‌ها ممانعت به عمل آید.

فرایند خنک کاری در این کمپرسور به صورت مستقیم است و به تماس بین مایع و هوا بستگی دارد، به این معنی است که افزایش درجه حرارت بر روی هوای تراکم یافته خیلی کم است. با این وجود، اتلاف از طریق اصطکاک گرانروی مایع بین محفظه و تیغه‌ها بالا است. هوا توسط مایع کمپرسور اشباع می‌شود، که بطور معمول آب است. گاهی اوقات به منظور جذب عنصر تشکیل دهنده معینی از گاز یا حفاظت کردن کمپرسور در مقابل فرسودگی و خوردگی در مواقعی که گازهای تهاجمی تحت فشار قرار می‌گیرند، می‌توان از مایعات دیگری نیز استفاده کرد.

کمپرسورهای فرایندی

کمپرسورهای فرایندی عموماً در مراحل استخراج نفت و گاز از چاه برای افزایش فشار آن‌ها جهت تزریق به چاه‌های نفت یا خطوط لوله و نیز برای پالایشگاه‌ها کاربرد دارد. گازهای فرآیندی مخلوطی از انواع هیدروکربنها و سولفید هیدروژن و انیدرید کربنیک حاصل از استخراج نفت می‌باشد. این کمپرسورها در دو نوع پیچی (اسکرو)API 619 و پیستونی (رفتی برگشتی)API 618 طراحی می‌شوند

دمنده‌ها

یک دمنده (Blower)، به این علت که بدون تراکم‌سازی درونی کار می‌کند، کمپرسور جابجایی نیست. وقتی که محفظه تراکم در تماس با مجرای خروجی قرار می‌گیرد، هوای فشرده از قسمت تراکم رهائی می‌یابد. وقتی که حجم اتاقک فشار با چرخش‌های پیوسته کاهش می‌یابد، عمل تراکم صورت می‌پذیرد. بدین ترتیب، تراکم در تقابل با فشار کاملاً مخالف صورت می‌گیرد و به همین دلیل بازدهی کمپرسور کاهش می‌یابد و سر و صدای زیادی تولید می‌شود. دور روتر هم شکل، متقارن معمولی، که برخلاف جهت یکدیگر در محفظه دارای انتهای مسطح می‌چرخند، در محفظه استوانه‌ای کار می‌کنند. روتورها توسط چرخ دنده همزمان‌کننده‌ای به‌طور هم‌زمان با یکدیگر می‌چرخند. دمنده‌های معمولاً هوا روغنکاری نشونده می‌باشند. بازدهی پایین باعث می‌شود که آن‌ها فقط در کاربردهای کم فشار و فشرده‌سازی تک مرحله‌ای مورد استفاده قرار گیرند، حتی اگر دو یا سه مرحله‌ای آن در دسترس باشد. دمنده‌ها معمولاً به عنوان پمپ‌های خلاء و عوامل نیوماتیکی به کار گرفته می‌شوند.