کمپرسورهای چیلر سانتریفیوژ

اولین کمپرسور سانتریفیوژ تجاری که در تبرید به کار رفت در سال ۱۹۲۰ و توسط ویلیس کریر (Willis Carrier) صورت گرفت. کمپرسور هی سانتریفیوژ در سامانه های تبرید از ظرفیت های تبرید ۲۰۰ تا ۱۰۰۰۰ کیلووات کاربرد دارند. دماهای تبخیر در ماشین های چند مرحله ای ممکن است تا -۵۰C و حتی -۱۰۰C برسد. گرجه بیشترین کاربرد آن، کمپرسورهایی است که در تولید آب سرد ۶ تا ۸ درجه در سامانه های تهویه مطبوع به کار می روند. برش یک سامانه تبرید که در آن از کمپرسور سانتریفیوژ استفاده شده در شکل زیر نشان داده شده است.

کمپرسور سانتریفوژ قدیمی
ولیام کریر و اولین چیلر سانتریفوژ

عملکرد کمپرسورهای چیلر سانتریفوژ

کمپرسورهای سانتریفوژ از نظر ساختار مانند پمپ های سانتریفوژ است که در آن سیال وارد نافی چرخ پروانه ای دوار می شود و توسط نیروی سانتریفوژ به محیط چرخ پرتاب می گردد. بنابراین پره های چرخ سرعت زیادی به گاز داده و ضمنا فشار آن را بالا می برند. گاز خروجی از چرخ یا به پره های دیفیوزر یا به حلزون وارد می شود و در آن ها، قسمتی از انرژی جنبشی به فشار تبدیل می گردد. کمپرسور سانتریفوژ در صورتی که نسبت فشار کم باشد فقط با یک پروانه تولید می شود گرچه ماشین ها عموما چند مرحله ای هستند. کمپرسورهای سانتریفوژ با بازده های تراکم آدیاباتیک ۷۰ تا ۸۰ درصد کار می کنند.

کمپرسورهای سانتریفوژ فشرده سازی دینامیکی هستند و معمولا در چیلرهای آب خنک مورد استفاده قرار میگیرد زیرا در دمای پایین مورد بهره برداری از مورد استفاده قرار میگیرد. بهره وری در دمای پایین و فشار متراکم بهینه می شود. مولکول مبرد فشرده  و توسط سانتریفیوژ به بیرون از کمپرسور  خارج  می شوند. در این کمپرسور با مکش از قسمت اواپراتور چیلر اثر کلی به طور مداوم است  فشرده سازی جریان مبردگاز. این روند فشرده سازی اجازه می دهد تا حجم زیادی از گاز مبرد فشرده شود و در نتیجه نسبتاً فشرده شود چیلر اندازه جمع و جور. بدین ترتیب، کمپرسورهای سانتریفیوژ غالب هستند در ظرفیت های بزرگتر ۳۰۰ تن تبرید مورد استفاده قرار میگیرد.

اجزای کمپرسور سانتریفیوژ
اجزای کمپرسور سانتریفوژ

از این کمپرسور به عنوان جایگزینی برای نیازهای با ظرفیت بیشتر از چیلرهای کمپرسور سیلندر پیستونی یا رفت برگشتی استفاده میگردد. حال میتوان به جای چیلرهای متعدد از کمپرسورها می توان از یک چیلر گریز در مرکز استفاده کرد. چندین روش راه اندازی احتمالی برای کمپرسورهای برودتی وجود دارد. این شامل موتور، بخار است توربین ها، موتورهای گازی و توربین های گازی مورد استفاده قرار میگیرد. اما بیشتر از موتورهای الکتریکی متداول ترین روش هستند برای راه اندازی از  کمپرسور، ما روی این موارد تمرکز خواهیم کرد.

حتما بخوانید!
عیب یابی چیلر جذبی

کمپرسورهای گریز از مرکز به دو دسته گسترده هرمتیک و باز تقسیم می شوند.

شماتیک کمپرسور سانتریفوژ
کمپرسور سانترفیوژ

حذف گازهای ناشی از تبخیر آنی

کمپرسور سانتریفوژ با دو یا تعداد بیشتری مرحله را می توان جهت حذف تبخیر آن به کار برد. گازهای ناشی از تبخیر آن را می توان با انبساط جزیی مایع خروجی از کندانسور و جدا کردن این بخار و سپس تراکم مجدد آن به جای کاهش بیشتر فشار آن حذف نمود. حذف گازهای تبخیر آن باعث این فرآیند به نحو مناسبی انجام می شود.

مشخصه های عملکردی

پروانه ها در کمپرسور های سانتریفوژ مجهز به پره های خمیده پس سو هستند. پره های خمیده پس سو و مشخص های عملکرد فن با پره های خمیده پیش سو نشان داده شد. هوایی که از فن عبور می کند سیال تراکم ناپذیر فرض می شود حال آنکه در کمپرسور سانتریفوژ بخار سیال مبرد متراکم می شود. مشخصه غالب در این ماشین برای حالت دوران با سرعت ثابت بار افزایش دبی از صفر، فشار ایجاد شده توسط کمپرسور از مقداری غیر صفر آغاز و ابتدا افزایش یافته و سپس به صورتی یکنواخت کاهش می یابد.

یکی از مختصات منتخب برای نشان دادن مشخصه کمپرسور در شکل زیر نشان داده شده است. در اینجا نسبت فشار رانش به مکش در مثبل دبی ترسیم شده است. در این شکل منحنی عملکرد برای چند سرعت مختلف و خطوط هم بازده یا بازده ثابت نشان دهده شده است. منحنی عملکرد در سمت چپ خط سرج ادامه نمی یابد، پدیده سرج در بخش  بعد مورد بحث قرار خواهد گرفت.

عملکرد کمپرسور سانتریفوژ

انتخاب پروانه و سیال مبرد

دو بعد اصلی پروانه عبارتند از قطر پروانه و ضخامت بین دو سطح پروانه (پهنای معبر پروانه) طراح سامانه کمپرسور باید ترکیبی از این ابعاد را همراه با سیال مبرد مورد نظر انتخاب کند. قطر پروانه صرفا توسط فشار رانش مورد نظر مشخص می شود زیرا برای سرعت دورانی معینی قطر بزرگ پروانه باعث سرعت زیاد نوک پره می شود که خود منجر به نسبت فشار بالا می گردد. نتیجه مثال ۲-۱۱ تاثیر نوع مبرد را روی سرعت نوک پره مورد نیاز مشخص می کند. اگر کمپرسور سانتریفوژ توسط موتور الکترینکی به سرعت ۶۰r/s گردانده شود، قطر پروانه مورد لزوم جهت تامین سرعت نوک پره ۱۱۳٫۱ m/s (برای سیال مبرد ۱۱) برابر ۰٫۶ متر است. حال آنکه با سرعت نوک پره ۲۹۷m/s با آمونیاک فطر پروانه باید ۱٫۵۸ متر باشد. بنابراین قطر پروانه مورد نیاز برای حالت آمونیاک غیر عملی می باشد. مضافا اینکه از نقطه نظر استحکام پروانه، سرعت نوک پره برای آمونیاک نزدیک به مقدار حدی ۳۰۰m/s است.

حتما بخوانید!
بررسی جامع چیلر جذبی دو اثره

نتیجه مقدماتی از بحث فوق این است که سیال مبرد منتخب باید خاصیت هایی شبیه به سیال مبرد ۱۱ داشته باشد. البته کمپرسور های سانتریفوژ می توانند با آمونیاک هم کار کنند. ولی ممکن است مراحل بیشتری جهت تراکم مورد نیاز باشد. مثلا در مثال  اگر تراکم در دو مرحله انجام شود، ∆h می تواند به دو بخش تقسیم گردد و سرعت نوک پره هر دو پروانه به ۲۱۰m/s کاهش یابد.

انتخاب دیگر طراح پهنای معبر پروانه می باشد. برای افزایش ظرفیت، پهنای معبرر بین دو سطح پروانه باید افزایش یابد و البته توان مورد نیاز افزایش می یابد. طراحان کمپرسور سانتریفوژ دائما در تلاش جهت افزایش بازده با ماشین های ظرفیت کم می باشند. یکی از دلایل افت بازده، کاهش ظرفیت این است که پهنای کعبرر پروانه کم شده و پروانه باریک می شود و اصطکاک گاز روی سطوح چرخ نسبت به دبی گازی که از پروانه عبور می کند زیاد می گردد. انتخاب سیال مبرد با چگالی کم، استفاده از پهنای معبر بزرگ به ازای ظرفیت معینی را امکان پذیر می سازد.

مبرد ۱۱ و ۱۱۳ با مشخصات مذکور در فوق تطبیق دارند و سیال مبرد رایجی در سامنه های تبرید آب بام کمپرسورهای سانتریفوژ هستند. ولی آمونیاک، مبرد ۱۲ و سایر مبرده ها نیز در کمپرسورهای سانتریفوژ به نحو موفقیت آمیزی به کار می روند.

سرعت چرخش کمپرسور

پدیده سرج

در شکل زیر هیچ گونه اطلاعاتی در سمت چپ منحنی پوش سرج موجود نیست. اگر چه عملکرد کلاسیک پمپ ها، فن ها و کمپرسورهای با پره خمیده پس سو با خط چین در شکل نشان داده شده است. با کاهش بار تبرید دبی از نقطه A کاهش می یابد، نقطه کار روی منحنی فشار-دبی تا نقطه B بالا می رود. با کاهش بیشتر دبی نقطه کار به نقطه C رانده می شود و در این نقطه توانایی کمپرسور برای ایجاد فشار کاهش می یابد. افت فشار به علت مشخصه های درونی توربوماشین های با پره خمیده پس سو است و در حقیقت جداشدگی جریان در پره ها شروع می شود.

گرچه ظرفیت کمپرسو در نقطه C بسیار کاهش می یابد. بار گرمایی در اواپراتور به تبخیر میع مبرد ادامه داده و فشار را در اواپراتور افزایش و نسبت فشار را کاهش می دهد. در این حالت کمپرسور به صورت لحظه ای امکان تغییر شرایط کار و برگشت به نقطه A را دارد و این چرخه دائما تکرار می شود. این توالی به نام سرج نامیده می شود و دارای سرو صدای غیر قابل قبول و نوسانات بار در کمپرسور و موتور است. دوره چرخه معمولا ۲ تا ۵ ثانی است که بستگی به ابعاد تاسیسات دارد.

حتما بخوانید!
اصول عملکرد چیلر رفت و برگشتی

دلیل اینکه در شکل زیر اطلاعات مربوط به کمپرسور در سمت چپ منحنی پوش سرج نشان داده نشده است، اطلاعات به صورت یکنواخت نبوده و نوسانات و تغییرات زیادی دارد. فن های سانتریفوژ درست مانند کمپرسوها طبق شکل دارای مشخصه های فشار-دبی یکسانی هستند و پدیده سرج در آن ها نیز رخ می دهد. بسیاری از فن ها گاهی در منطقه سرج کار می کنند  تنها نتیجه نامطلوب آن صدای غرش پایین آن هاست. کار کردن کمپرسورهای سانتریفوژ در منطقه سرج قطعا نامطلوب است و باید از بروز آن به شدت احتراز شود.

کنترل ظرفیت

دو روش بسیار رایج و بسیار کارآمد در کنترل ظرفیت کمپرسور عبارتند از:

  • تنظیم پره های پیش دورای در ورود به پروانه
  • تغییر سرعت
کمپرسور سانتریفوژ
کنترل ظرفیت کمپرسور سانتریفیوژ

دو روش غیر کارآمد که کمتر استفاده می شود عبارت است از تغییر فشار کندانسور و کنارگذاری گازهای رانش.

روش دوم برای جلوگیری از سرج است و در مواردی با پره های پیش دورانی ترکیب می شود. معادله شکل نمودار  برای گشتاور نشان می دهد که اگر برای Vn مولفه مثبتی به وجود بیاید گشتاور کاهش می یابد و در نتیجه ظرفیت تراکم نیز کاهش خواهد یافت. پره های پیش دورانی برای گاز ایجاد چرخش در ورود چرخ می کنند به نحوی که گاز ورودی دارای سرعت مماسی در جهت دوران چرخ باشد. شکل بالا چگونگی وضعیت پره های پییش دورانی در مشخصه کمپرسور را نشان می دهد.

نمودار تغییر ظرفیت کمپرسور سانتریفیوژ بر حسب دور
نمودار تغییر ظرفیت کمپرسور سانتریفوژ

استفاده از پره های پیش دورانی در حالتی که پره در وضعیت کاملا باز قرار دارد وسیله کارآمدی برای کنترل است ولی در حالتی که پره ها به وضعیت بسته نزدیک می شوند بیشتر به صورت شیر کنترل عمل می کنند. پره ها همان طوری که در شکل بالا نشان دهده شده است در ورود به کمپرسور غیر قابل رویت هستند. در صورتی که کمپرسور سانتریفوژ توسط توربین بخار یا گاز رانده شود تغییر سرعت دوران نیز میتوان با تغییر در دور کمپرسور، ظرفیت کمپرسور کمپرسور تغییر کند.

تحریریه تیم خدمات فنی مهندسی به فیکس

برداشت از مطالب سایت تنها با ذکر منبع و لینک سایت مجاز می باشد

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *