دانلود مقاله کمپرسورها

کمپرسورها

انواع کمپرسورها -  هریک از چهار جزء سیستم تراکمی بخار، یعنی کمپرسور، کندانسور، دستگاه انبساط و اواپراتور عملکرد خاص خود را دارند .

در همین حال هر یک از این اجزاء تحت تأثیر شرایط اعمال شده از سوی سایر اجزاء قرار می گیرد.

به طور مثال تغییر درجه حرارت آب کندانسور ممکن است دبی مبردی که کمپرسور پمپ می کند را تغییر دهد که شیر انبساط باید دوباره تنظیم شود و فشار مبرد داخل اوپراتور تغییر یابد.

ابتدا اجزای سیکل تراکمی بخار را به صورت مجزا مطالعه کرده و سپس عملکرد تک تک را در جمع بررسی و آنگاه نحوه تداخل آنها را با یکدیگر به عنوان یک سیستم مشاهده خواهیم کرد.

قلب سیستم تراکمی بخار کمپرسور است.

چهار نوع رایج کمپرسورهای تبرید، رفت و برگشتی، پیچی، گریز از مرکز و پره ای می باشند.

کمپرسور رفت و برگشتی از پیستونی تشکیل شده که در سیلندر به عقب و جلو می رود و شیرهای رانش و مکش آن به گونه ای طرح شده که عمل پمپاژ انجام گیرد.

کمپرسورهای پیچی، گریز از مرکز و پره ای همگی از اجزای دوار استفاده می کنند.

کمپرسور پیچی و پره ای ماشینهای جابه جایی مثبت بوده و نوع گریز از مرکز به کمک نیروی گریز از مرکز کار می کند.

قسمت الف : کمپرسورهای رفت و برگشتی

یکی از مهمترین دستگاههای صنعت تبرید کمپرسورهای رفت و برگشتی می باشد که در اندازه های زیر یک کیلووات تا صدها کیلووات ظرفیت تبرید ساخته شده است.

کمپرسورهای جدید یک جهته بوده و تک سیلندر یا چند سیلندر می باشند.

سیلندرها در کمپرسورهای چند سیلندر به شکل V و W ، شعاعی یا خطی می باشند.

کمپرسورها شکل 1 دارای 16 سیلندر می باشد که در هریک از سر سیلندرها دو سیلندر قرار دارد.

در طول ضربه مکش پیستون، گاز مبرد با فشار پایین از طریق سوپاپ مکش واقع در پیستون یا سر سیلندر وارد می شود.

در طول ضربه تخلیه، پیستون مبرد را متراکم کرده و سپس آن را از طریق سوپاپ تخلیه واقع در سر سیلندر به بیرون می راند.

عموماً در 20 سال گذشته در اغلب ماشینهای دوار سرعت کاری کمپرسورها افزایش یافته است.

سرعت کمپرسورهای اولیه حدود 2 تا r/s 3 بوده و این مقدار برای کمپرسورهای امروزی تا r/s 60 رسیده است.

کمپرسورهای بسته : کمپرسورهایی که میل لنگ از محفظه کمپرسور بیرون آمده و بتوان یک موتور از بیرون به محور آنها کوپله کرد، کمپرسور نوع باز نامیده می شوند.

یک کاسه نمد می توان برای جلوگیری از نشت گاز مبرد یا در صورت کمتر بودن فشار محفظه سیلندر از اتمسفر، از نشت هوا به درون محفظه سیلندر در محل بیرون آمدن محور از محفظه کمپرسور به کار برد.

با وجود اینکه طراحان کاسه نمدهای بهتری طراحی کرده اند، اغلب ایجاد ترک در محفظه یکی از عوامل نشت می باشد.

برای جلوگیری از نشت کاسه نمد مطابق شکل برش داده شده 2 اغلب موتور و کمپرسور در یک محفظه قرار داده می شوند.

روشهای بهتری برای عایقکاری الکتریکی موتور اجازه کار موتور را در تماس با مبرد می دهند.

در بسیاری از طرحها گاز سرد ورودی برای خنک کردن موتور از روی آن عبور می کند.

همیشه در یخچالها، فریزرها و واحدهای تهویه مطبوع خانگی کمپرسور بسته به کار می رود.

تنها اتصالات محفظه کمپرسور اتصالات ورودی و خروجی و ترمینالهای الکتریکی می باشند.

رطوبت در سیستم ممکن است باعث آسیب رسیدن به موتور شود و بنابراین رطوبت گیری واحدهای بسته قبل از پر کردن گاز (شارژ) ضروری می باشد.

در واحدهای بسته بزرگتر اغلب سرسیلندرها بازشدنی هستند تا تعمیر و نگهداری پیستونها و سوپاپ ها امکان پذیر شود.

این واحدها نیمه بسته نامیده می شوند.

واحدهای تقطیر:  کمپرسور و کندانسور سیستم برای سهولت در یک واحد تقطیر (شکل 3) قرار داده شده اند.

موتور، کمپرسور و کندانسور را می توان به صورت یکپارچه روی یک بدنه و دور از شیر انبساط و اوپراتور نصب کرد.

عملکرد : دو مشخصه مهم عملکرد کمپرسور ظرفیت تبرید و توان مصرفی می باشد.

این دو مشخصه کمپرسوری که با سرعت ثابت کار می کند، اغلب با فشارهای خروجی و ورودی کنترل می شود.

در ابتدا می توان تجزیه و تحلیلی از یک کمپرسور رفت و برگشتی به عمل آورد، چون درک آثار این دو فشار به مراتب ساده تر است.

مطالعات راجع به یک کمپرسور مطلوب برای کمپرسور واقعی نیز صادق است، گرچه باید تغییراتی در مورد مقادیر اعداد به عمل آورد.

این تغییرات باید در بحث کمپرسور واقعی مورد بررسی قرار گیرندو

این تغییرات باید در بحث کمپرسور واقعی مورد بررسی قرار گیرندو راندمان حجمی : راندمان حجمی پایه پیشگویی عملکرد کمپرسورهای رفت و برگشتی می باشد.

دو نوع راندمان حجمی واقعی و جاروب در این فصل مورد بررسی قرار می گیرند.

راندمان حجمی واقعی به صورت زیر تعریف می شود.

که شدت جابه جایی حجم جاروب شده به کمک پیستون ها در طول ضربات مکش در واحد زمان می باشد.

راندمان حجمی جاروب بستگی به انبساط دوباره گاز حبس شده در حجم جاروب دارد و مطابق شکل 4 آن را به کمک نمودار فشار – حجم کمپرسور می توان به صورت بهتری تشریح کرد.

حجم حداکثر سیلندر یعنی v3 هنگامی ایجاد می شود که پیستون در انتهای ضربه پیستون به وجود می آید.

حجم حداقل یا حجم جاروب VC است که در انتهای دیگر ضربه پیستون به وجود می آید.

فشار خروجی (تخلیه) Pd می باشد.

در این لحظه فرض کنید که فشار ورودی P1 است .

گاز حبس شده در حجم جاروب ابتدا باید قبل از کاهش فشار سیلندر آن قدر که سوپاپ های مکش باز شده و گاز بیشتری را به داخل بکشند، تا حجم V1 انبساط یابد.

حجم گاز کشیده شده به داخل سیلندر V3-V1 خواهد بود و راندمان حجمی جاروب در این حالت می باشد.

هنگامی که فشار ورودی P2 است، حجم قسمت داخل ضربه به V3-V2 کاهش می یابد.

در حالت خاص وقتی که فشار ورودی تا P3 افت کند، پیستون تمام ضربه را برای انبساط دوباره گاز حجم جاروب به کار می برد و راندمان حجمی جاروب به صفر درصد می رسد.

راندمان حجمی جاروب را م توان به طریقی دیگر مطابق شکل 4 و یا به کار بردن فشار P1 به عنوان فشار ورودی تعریف کرد.

درصد جاروب m که برای یک کمپرسور معین ثابت می باشد، عبارت است از : با اضافه کردن Vc-Vc به صورت تعریف خواهیم داشت : بنابراین اگر یک انبساط آیزونتروپیک بین Vc ، V1 فرض شود ، که حجم مخصوص بخار ورودی کمپرسور = Vsuc حجم مخصوص بخار بعد از تراکم آیزنتروپیک تا Pd = Vdis مقادیر حجم مخصوص در نمودار فشار – آنتالپی یا جداول خواص بخار مافوق داغ مبرد وجود دارد.

با جایگزینی معادله (5) در معادله (4) خواهیم داشت : عملکرد کمپرسور ایده آل : در کمپرسور ایده آل تراکم گاز و انبساط دوباره گاز محبوس در حجم جاروب هر دو آیزنترپیک می باشد.

در کمپرسور ایده آل تنها عامل مؤثر روی راندمان جاروب انبساط دوباره گاز محبوس می باشد.

در صفحات بعد اثر فشار مکش روی عملکرد یک کمپرسور ایده آل مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

شکل 5 اثر درجه حرارت تبخیر را روی راندمان حجمی جاروب نشان می دهد.

راندمان های حجمی از معادله 6 محاسبه شده و در مورد کمپرسور با مبرد 22 و درصد جاروب 5/4 و درجه حرارت تقطیر C 35 کندانسور اعمال شده اند.

هنگامی که درجه حرارت تبخیر c 61- است، راندمان حجمی جاروب صفر خواهد شد که درجه حرارت اشباع مربوطه به p3 در شکل 4 می باشد.

در صورت برابری فشار ورودی و خروجی (فشار برابر در تبخیر و تقطیر) راندمان حجمی 100 درصد خواهد بود.

دبی جرمی، ظرفیت و توان مصرفی را به مراتب بهتر از دبی حجمی کنترل می کند.

دبی جرمی wkg/s در کمپرسور با شدت جابه جایی فرضی L/s 50 دبی جرمی را می توان محاسبه و مانند شکل 5 رسم کرد.

با کاهش ورودی ، حجم مخصوص ورودی کمپرسور همراه با راندمان حجمی افزایش می یابد و دبی جرمی را در درجه حرارت های پایین تبخیر کاهش می دهد.

توان مصرفی : توان مصرفی کمپرسور ایده آل حاصل ضرب دبی جرمی و افزایش آنتالپی در طول تراکم آیزنتروپیک می باشد.

(8) P=Whi Kw، توان = P Kg/s، دبی جرمی = W Kj/kg = کار آیزونتروپیک تراکم = hi شکل 6 تغییرات hi را با تغییر درجه حرارت تبخیر نشان می دهد.

مقدار hi در درجه حرارت های پایین تبخیر زیاد بوده و پس از برابری فشار خروجی و ورودی (هنگام برابر شدن فشار تبخیر و تقطیر) به صفر می رسد.

منحنی توان مصرفی (شکل 6) مقدار صفر را در دو نقطه نشان می دهد که درجه حرارت های تبخیر برابر درجه حرارت تقطیر شده و دبی جرمی صفر می باشد.

بین این دو نقطه توان مصرفی به حداکثر می رسد.

منحنی توان به علت کاربردهای مهم، از مقبولیت خاصی برخوردار است.

اغلب سیستم های تبرید رد طرف چپ نقطه حداکثر منحنی توان کار می کنند.

در طول دوره افت درجه حرارت حاصل از شروع کار سیستم با اواپراتور گرم، توان مصرفی به حداکثر می رسد و موتور توان بیشتری را نسبت به شرایط طراحی که بر اساس آن انتخاب شده لازم دارد.

برخی مواقع موتورها را باید برای پایین تر بردن سیستم از نقطه حداکثر روی منحنی توان، بزرگتر انتخاب کرد.

برای جلوگیری از بزرگتر انتخاب کردن موتور، فشار ورودی به صورت عمدی به کمک خفگی گاز ورودی تا افت فشار اواپراتور زیر نقطه حداکثر منحنی توان کاهش داده می شود.

در شرایط عادی، وجود بارهای سنگین باعث افزایش درجه حرارت تبخیر شده که در نتیجه توان مصرفی کمپرسور افزایش یافته و اضافه بار به موتور وارد خواهد شد.

که h1 و h4 به ترتیب آنتالپی ها بر حسب کیلوژول بر کیلوگرم مبرد خروجی و ورودی اواپراتور می باشند.

مطابق شکل 7 اثر تبرید h1-h4 با ازدیاد فشار ورودی کمی افزایش یافته و آنتالپی ورودی شیر انبساط ثابت می ماند.

این افزایش ناشی از بالا رفتن جزئی آنتالپی بخار شاباع در درجه حرارت های تبخیر بالاتر می باشد.

همچنین شکل 7 ظرفیت تبرید محاسبه شده با معادله 9 را نشان می دهد.

ظرفیت در نقطه با دبی صفر برابر صفر است.

ظرفیت تبرید را به طور مثال می توان با افزایش درجه حرارت از 0C تا C 20 دو برابر کرد.

ضریب عملکرد و دبی حجمی به ازای کیلووات تبرید : ضریب عملکرد را می توان از ظرفیت تبرید در شکل 7 و توان در شکل 6 قرائت کرد، نتیجه نمایش داده شده روی شکل 8 افزایش تدریجی را با افزایش درجه حرارت تبخیر نشان می دهد.

دبی حجمی به ازای واحد ظرفیت تبرید نشان دهنده اندازه فیزیکی یا سرعت کمپرسور لازم برای تأمین kw 1 تبرید می باشد.

به علت حجم مخصوص زیاد دبی حجمی فراوانی باید به ازای یک ظرفیت معین در درجه حرارت های کم تبخیر، پمپ شود.

اثر درجه حرارت تقطیر : اغلب سیستم های تبرید حرارت را به محیط تخلیه می کنند و شرایط محیط نیز در طول سال تغییر می کند.

واحدهای تبرید فرآیندها که در سراسر سال کار می کنند، دارای محدوده وسیعی از درجه حرارت تقطیر می باشند.

پاسخ کمپرسور رفت و برگشتی در مقابل تغییرات درجه حرارت تقطیر را می توان مانند درجه حرارت تبخیر تجزیه و تحلیل کرد.

شکل 9 راندمان حجمی جاروب محاسبه شده از معادله 6 برای یک کمپرسور با درجه حرارت تبخیر C 20- را نشان می دهد.

با افزایش درجه حرارت تقطیر، راندمان حجمی افت می کند.

به علت ثابت ماندن حجم مخصوص مبرد در ورودی کمپرسور راندمان حجمی فقط روی دبی جرمی جریان تأثیر می گذارد که با افزایش درجه حرارت تقطیر کاهش می یابد.

شکل 10 این کاهش را نشان می دهد.

ظرفیت تبرید حاصل ضرب اثر تبرید و دبی جرمی جریان می باشد که هر دو با افزایش درجه حرارت تقطیر کاهش می یابند.

نتیجه این است که با افزایش درجه حرارت تقطیر، ظرفیت تبرید افت به مراتب سریعتری خواهد داشت.

مشخصه مهم باقیمانده، توان است که در شکل 11 نشان داده شده است.

توان کمپرسور ، حاصل ضرب کار تراکم بر حسب کیلوژول بر کیلوگرم و دبی جرمی جریان می باشد.

کار تراکم بر حسب کیلوژول بر کیلوگرم و دبی جرمی جریان با افزایش درجه حرارت تقطیر کاهش می یابد، به گونه ای که توان به مقدار حداکثر خود رسیده و سپس طبق شکل 6 مانند توان به صورت تابعی از درجه حرارت تبخیر افت می کند.

چند تفسیر راجه به اهمیت نکاتی که در اشکال 9 و 11 وجود دارد به شرح زیر می باشند.

حداکثر توان در کمپرسورهای واقعی مانند کمپرسورهای ایده آل است، اما هنگامی که پمپاژ از درجه حرارت های کم تبخیر شروع می شود، در عمل تراکم یک مرحله ای از درجه حرارت تبخیر c 20- تا درجه حرارت تقطیر c 60 (که نقطه حداکثر شکل 11 است) امکان پذیر نمی باشد.

با تعدیل بیشتر در اختلاف درجه حرارت های تبخیر و تقطیر انتظار می رود که توان مصرفی کمپرسور، با زیاد شدن درجه حرارت تقطیر کاهش می یابد.

مشخصه مهم دیگری که روی نمودارها نشان داده نشده، ضریب عملکرد است که به صورت یکنواخت با افزایش درجه حرارت تقطیر، کاهش می یابد.

از نظر توان و راندمان درجه حرارت های تقطیر پایین مورد نظر می باشند و بنابراین کندانسور باید سردترین هوا یا آب موجود را مصرف کرده و با حداکثر دبی اقتصادی هوا یا آب کار کند و سطوح آن تمیز نگه داشته شوند.

همچنین هوا یا گازهای غیر قابل تقطیر دیگر در کندانسور، باعث بالا رفتن فشار کندانسور می شوند.

کلیه محاسبات اشکال 9 تا 11 بر اساس حجم جاروب 5/4 درصد می باشد.

مک گرات خاطر نشان کرد که افزایش درصد جاروب از مقدار معقول خود یعنی 4 به 15 درصد، توان مصرفی را برای کاربردهای تهویه مطبوع بدون توجه به فشار خروجی، به مقدار تقریباً ثابتی می رساند.

این مشخصه طراحی را می توان برای جلوگیری از وارد شدن اضافه بار به موتور کمپرسور در طول آب و هوای گرم که درجه حرارت تقطیر افزایش می یابد، به کار برد.

هرچند کاهش هزینه، ناشی از کم شدن ظرفیت جابه جایی یک کمپرسور معین بر اثر کاهش راندمان حجمی خواهد بود.