کمپرسور گریز از مرکز
کمپرسور گریز ار مرکز یا کمپرسور سانتریفیوژ (Centrifugal Compressor) یک تجهیز مکانیکی است که با استفاده از شتاب شعاعی پروانه (ایمپلر) و درون محفظه کمپرسور، وظیفه فشرده‌سازی سیال را بر عهده دارد. در کمپرسور سانتریفیوژ، سیال (هوا یا گاز) به‌صورت محوری وارد پروانه شده و به‌صورت شعاعی تخلیه می‌شود؛ از همین‌رو به آن کمپرسور شعاعی نیز گفته می‌شود. در این نوع کمپرسور، پروانه سرعت سیال عامل (گاز یا هوا) را با تبدیل انرژی جنبشی به سرعت افزایش می‌دهد، در حالی‌که دیفیوزر این سرعت را بیشتر به انرژی فشاری تبدیل می‌کند. کمپرسورهای سانتریفیوژ شعاعی در دبی پایین قادر به ایجاد نسبت تراکم بالاتر هستند که این یک مزیت عمده نسبت به کمپرسورهای محوری به شمار می‌رود. کمپرسور سانتریفیوژ دستگاهی است که در آن بخار یا گاز مشخصی با کمک پروانه کمپرسور فشرده می‌شود. برای دستیابی به فشار بالاتر، این کمپرسورها می‌توانند در چند مرحله (Multi-Stage) به‌صورت سری آرایش یابند. در نتیجه، با افزایش تعداد مراحل کمپرسور می‌توان فشار گاز فشرده را افزایش داد. بسته به میزان فشار موردنیاز در کاربردهای مختلف، می‌توان چندین مرحله کمپرسور را به‌صورت متوالی به هم متصل کرد تا فشار مطلوب حاصل شود. کمپرسورهای چندمرحله‌ای عمدتاً در صنایع فرآیندی، نفت و گاز استفاده می‌شوند. از طرف دیگر، در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب معمولاً از کمپرسورهای تک‌مرحله‌ای کم‌فشار برای دستیابی به نسبت تراکم موردنظر استفاده می‌شود. در این کمپرسورها، افزایش سرعت سیال به کمک پروانه صورت می‌گیرد که انرژی جنبشی را به گاز یا هوا منتقل می‌کند. سپس، هنگامی که دبی عبوری از دیفیوزر کاهش می‌یابد، این انرژی جنبشی به سرعت سیال تبدیل شده و در ادامه دیفیوزر این سرعت را به افزایش انرژی فشاری تبدیل می‌کند.
روش کار کمپرسور گریز از مرکز
روش کار کمپرسور سانتریفیوژ کمی با کمپرسور رفت و برگشتی تفاوت دارد. این کمپرسور به شکل زیر عمل می‌کند
- در شروع کار، هوا از مخزن هوا یا منبع دیگر وارد کمپرسور سانتریفیوژ می‌شود.
- پس از ورود، هوا با پروانه (Impeller) برخورد می‌کند. پروانه دارای تیغه‌های شعاعی متعددی است که همزمان با دوران پروانه می‌چرخند.
- با برخورد هوا به تیغه‌های شعاعی پروانه، نیروی گریز از مرکز هوا را به سمت محیط پروانه هدایت می‌کند.
- تیغه‌های پروانه با انتقال انرژی جنبشی به هوا، موجب افزایش سرعت (Velocity) جریان می‌شوند.
- بعد از عبور هوا از پروانه، جریان وارد ناحیه دیفیوزر (Diffuser) می‌گردد. دیفیوزر دارای پره‌های ثابت (Stationary Vanes) است. در این بخش، سرعت جریان هوا کاهش می‌یابد.
- بر اساس اصل برنولی، مربع سرعت با فشار نسبت معکوس دارد. بنابراین، پوسته حلزونی (Volute Casing) یا دیفیوزر، سرعت افزایش‌یافته هوا را به انرژی فشاری تبدیل می‌کند. در اغلب شرایط، میزان افزایش فشار در پروانه تقریباً با افزایش فشار در دیفیوزر برابر است.
- در واقع، دیفیوزر بخشی ثابت از کمپرسور است که جریان هوا را پس از خروج از روتور همراهی می‌کند. کاهش سرعت در این بخش منجر به افزایش بیشتر فشار می‌شود.
دیفیوزر و پروانه به ترتیب حدود 35% و 65% از کل فشار تولیدی توسط کمپرسور را تأمین می‌کنند. بنابراین، کمپرسور سانتریفیوژ نقش اساسی در فرآیند تراکم هوا ایفا می‌کند.
اجزای کمپرسور سانتریفیوژ
- پروانه (Impeller)
پروانه یا روتور یکی از مهم‌ترین اجزای کمپرسور سانتریفیوژ است. پروانه شامل یک دیسک است که به کمک مجموعه‌ای از خار به شافت کمپرسور متصل شده و تیغه‌های خمیده متعددی (حدود ۱۵ تا ۲۰ عدد) روی آن نصب می‌شوند. این تیغه‌ها مسیر پخش (Diffusion Channel) برای سیال عامل (هوا یا گاز) فراهم می‌کنند. پروانه انرژی جنبشی را به سیال منتقل کرده و سرعت آن را افزایش می‌دهد. جهت‌گیری تیغه‌ها می‌تواند رو به عقب (Backward)، شعای (Radial) یا رو به جلو (Forward) که انتخاب آن به عملکرد مورد نیاز بستگی دارد. در بیشتر کمپرسورهای چندمرحله‌ای، تیغه‌های مایل به عقب برای دستیابی به بیشترین بازدهی استفاده می‌شوند.
- پوسته یا بدنه (Casing / Housing)
تمامی اجزا در یک محفظه محافظ قرار می‌گیرند. پوسته مسیر عبور هوای فشرده‌شونده در اطراف پروانه را شکل می‌دهد. وظیفه آن این است که انرژی جنبشی هوای خروجی از پروانه را قبل از تخلیه از کمپرسور به انرژی فشاری تبدیل کند. پوسته همچنین دارای یاتاقان‌هایی برای پشتیبانی محوری و شعاعی روتور است و معمولاً از فولاد یا چدن ساخته می‌شود. پوسته‌ها به‌طور کلی به دو نوع Split عمودی (Vertically Split) و Split افقی (Horizontally Split) تقسیم می‌شوند.
- دیفیوزر (Diffuser)
پروانه، هوا را با سرعت بسیار زیاد وارد کانال دیفیوزر می‌کند. دیفیوزر با ایجاد مسیر شعاعی میان دو دیواره ثابت، سرعت جریان را کاهش داده و فشار دینامیکی را به فشار استاتیکی تبدیل می‌کند. این بخش معمولاً جریان را تا حدود ۱۸۰ درجه تغییر جهت داده و آن را به مرحله بعدی یا به سمت کلکتور هدایت می‌کند. دیفیوزر درست قبل از بخش خروجی قرار دارد.
- کلکتور (Collector)
پس از دیفیوزر، جریان هوا یا گاز در بخشی به نام کلکتور جمع‌آوری شده و به سمت خروجی هدایت می‌شود. کلکتور که با نام Volute یا Scroll نیز شناخته می‌شود، نقش انباره را برای گاز فشرده ایفا کرده و ممکن است مجهز به شیرها یا تجهیزات کنترلی باشد. از کلکتور، جریان به لوله‌ی تخلیه منتقل شده و به بخش یا نقطه‌ی موردنظر ارسال می‌گردد.
- تیغه‌های پروانه (Impeller Blades)
این تیغه‌ها به پروانه متصل بوده و وظیفه اصلی آن‌ها انتقال انرژی جنبشی به سیال عامل و افزایش سرعت آن است.
- مجاری یا شیرهای ورودی و خروجی (Inlet & Outlet Ports/Valves)
مجاری ورودی برای مکش هوا یا گاز به داخل کمپرسور و مجاری خروجی برای تخلیه‌ی هوا یا گاز فشرده به بیرون به‌کار می‌رود.
انواع کمپرسورهای سانتریفیوژ
کمپرسور سانتریفیوژ به‌طور کلی به دو دسته اصلی تک مرحله‌ای و چند مرحله‌ای تقسیم می‌شود
- کمپرسور تک‌مرحله‌ای (Single-Stage Compressor)
در این نوع کمپرسور، تنها یک پروانه (Runner/Impeller) وجود دارد که قادر است هوا یا گاز را با نسبت تراکم تا حدود 1:3 متراکم کند.
ویژگی‌ها
-
- پروانه در انتهای شافت غیرمحرک (Non-Driving End) قرار دارد.
- بازدهی بالا نسبت به کمپرسورهای چندمرحله‌ای.
- گاز تولیدی عاری از نوسان (Surge-Free) و بدون آلودگی روغن (Oil-Free) است.
انواع کمپرسور تک‌مرحله‌ای
- کمپرسور تک‌مرحله‌ای Overhung
- پروانه در انتهای غیرمحرک شافت و بیرون از یاتاقان شعاعی نصب می‌شود.
- دارای نازل‌های مکش محوری (Axial Suction Nozzles) برای افزایش بازدهی و دامنه کاری.
- عمدتاً برای کاربردهای دبی بالا – هد پایین استفاده می‌شود.
- کنترل دبی از طریق شیر پروانه‌ای (Butterfly Valve)، شیر مکش/تخلیه یا پره‌های راهنمای ورودی انجام می‌شود.
- کمپرسور تک‌مرحله‌ای با گیربکس مجتمع (Integrally Geared Single-Stage)
- دارای پروانه نیمه‌باز (Semi-Open Impeller) معلق روی شافت پرسرعت گیربکس.
- ظرفیت جریان تا 300,000 m³/h
- فشار خروجی تا 50 bar
- نسبت تراکم تا 3.5
- کاربرد: هوا یا گاز فرآیندی تمیز.
- کمپرسور چندمرحله‌ای (Multi-Stage Compressor)
این کمپرسورها بین 1 تا 10 پروانه دارند که می‌توانند در مسیرهای مختلف جریان آرایش یابند.
ویژگی‌ها
-
- در هر مرحله نسبت تراکم و دما تقریباً ثابت در نظر گرفته می‌شود.
- اغلب دارای طراحی Beam-Type هستند و پروانه بین یاتاقان‌های شعاعی قرار دارد.
انواع کمپرسور چندمرحله‌ای
- کمپرسور با پوسته افقی (Horizontally Split Casing)
- پوسته استوانه‌ای به دو نیمه بالا و پایین تقسیم می‌شود.
- مزیت: تعمیر و نگهداری آسان با باز کردن تنها نیمه بالایی.
- بیشتر اتصالات پایپینگ در نیمه پایینی تعبیه می‌شوند.
- کاربرد: متالورژی، معدن، صنایع شیمیایی و نفت و گاز.
- ویژگی: بازدهی بالا + قابلیت اطمینان بالا.
- کمپرسور با پوسته عمودی (Vertically Split Casing / Barrel Type)
- دارای پوسته استوانه‌ای بسته با دو درپوش انتهایی (End Caps).
- مزیت: مقاومت بالا در برابر فشار به دلیل ساختار یک‌تکه.
- کاربرد: صنایع غذایی، انرژی، نفت و گاز و سکوهای فراساحلی.
- کمپرسور با پوسته زنگوله‌ای (Bell Casing Compressor)
- مشابه نوع Barrel، با پوسته زنگوله‌ای شکل.
- در فشارهای بالا به‌جای پیچ، با حلقه‌های برشی (Shear Rings) بسته می‌شود.
- کمپرسور خط لوله (Pipeline Compressor)
- پوسته زنگوله‌ای با یک درپوش انتهایی عمودی.
- معمولاً برای انتقال گاز طبیعی استفاده می‌شود.
- نازل‌های ورودی و خروجی در دو طرف مقابل نصب می‌شوند تا نصب در خطوط لوله ساده شود.
- فشار کاری تا 100 بار
- ویژگی: دبی بالا – نسبت تراکم پایین، بازدهی بالا.
- کمپرسور چندمرحله‌ای با گیربکس مجتمع (Integrally Geared Multistage)
- دارای چرخ‌دنده اصلی بزرگ و 1 تا 4 پینیون پرسرعت.
- هر شافت پینیون می‌تواند 1 یا 2 پروانه داشته باشد.
- کاربرد: جریان زیاد/فشار کم یا جریان کم/فشار زیاد.
مزایای کمپرسور سانتریفیوژ
- در دبی پایین، نسبت تراکم بالایی ارائه می‌دهد.
- طراحی آن نسبت به کمپرسورهای جابجایی مثبت ساده‌تر است.
- قابلیت اطمینان بالاتری نسبت به کمپرسورهای رفت و برگشتی یا دوار دارد.
- نیاز به فونداسیون خاص ندارد.
- به‌صورت عاری از روغن (Oil-Free) عمل می‌کند.
کاربردهای کمپرسور سانتریفیوژ
- نیروگاه‌ها، اتصال به توربین گاز جهت فشرده‌سازی هوا پیش از ورود به محفظه احتراق.
- خودرو، استفاده در موتورهای احتراق داخلی.
- سوپرشارژرها، جهت افزایش توان موتور.
- صنایع پتروشیمی، در فرآیندهایی مانند تولید نیتروژن، جداسازی هوا، و تولید مواد شیمیایی نظیر اتیلن، متانول و آمونیاک.
- صنایع نفت و گاز، در فرایندهای تزریق گاز، گاز لیفت (Gas Lift) و تراکم گاز؛ همچنین در خطوط انتقال گاز طبیعی، سیستم‌های ذخیره‌سازی و تنظیم فشار شبکه انتقال.
- کارخانجات جداسازی هوا، برای تولید گازهای خالص نهایی.
- کمپرسورهای خط لوله، انتقال گاز طبیعی از واحد تولید تا مصرف‌کننده.
- سیستم‌های سرمایش و تهویه مطبوع در مقیاس بزرگ، در چیلرهای صنعتی و سیستم‌های تهویه مطبوع تجاری.