با این ماشین کمتر شناخته شده آشنا شویم. ماشینی که در سکوت تمام توان کارخانجات و راهسازی و حفاری را تامین میکند.
کمپرسور هوا دستگاهی است که با متراکم ساختن هوای محیط، انرژی مکانیکی را به انرژی پتانسیل هوای فشرده تبدیل میکند. در واقع این ماشین با کاهش حجم هوا و افزایش فشار آن انرژی لازم برای بکارگیری هوای فشرده در ابزار و ماشین آلات و همچنین سیستمهای صنعتی متکی بر تکنولوژی پنوماتیک یا بادی را فراهم میسازد. بنیان همه‌ی کمپرسورها یک چیز است و آن یک چیز قانونی قدیمی با نام قانون بویل است. قانون بویل را محصلان ذیل قوانین ترمودینامیک در سال سوم دبیرستان میخوانند و طبق آن در دمای ثابت، فشار و حجم گاز رابطه‌ی معکوس دارند. هرچه حجم کاهش یابد فشار افزایش می یابد و هرچه فشار کاهش یابد حجم گاز افزایش می یابد. همین قانون به طراحی کمپرسور و توجیه عملکرد آن منجر شده است.
انواع کمپرسور هوا
مدلهای مختلفی از کمپرسور هوا داریم که هرکدام از اصل یکسانی پیروی میکنند، اما از نظر پیکربندی، بازده و یا سازوکار متفاوتند. کمپرسورهای پیستونی که مهمترین نوع کمپرسور رفت و برگشتی است هوای ورودی را درون سیلندر فشرده میکنند و سپس با فشار بالاتر تخلیه میکنند. عملکرد کمپرسور پیستونی شباهت به همان شماتیکی دارد که از موتورهای درون سوز خودروها در ذهن داریم. پیستونها در رفت و برگشت هوا را متراکم کرده و تخلیه میکنند و مجدد هوای جدید را با خلق خلا به درون میمکند. این مدل کمپرسورها برای مصارف کوچکتر و یا فشارهای بالاتر استفاده میشود.
کمپرسور اسکرو یا مارپیچی از دو روتور هم‌محور نر و ماده استفاده میکند. هوا در میان برجستگیٰ‌های روتور گیر افتاده و تدریجا متراکم شده و از سوی دیگر با فشار بالاتر تخلیه میشود. این مدل نرم تر و کم لرزش تر کار میکند، قطعات متحرک کمتری دارد و از این رو امکان سوار کردن آن بر روی شاسی متحرک هست و مهمتر از همه، به دلیل قانون کمتر شناخته شده‌ی سیکل کاری کمپرسور و برخلاف کمپرسور پیستونی، امکان کار پیوسته را دارد. مثلا در حفاری که کمپرسور هوا باد پرفشار را به درون دریل فوت میکند و دریل را به چرخش وامیدارد تا سنگ را بشکافد و پیش برود، نیازمند کمپرسوری هستیم که امکان کار پیوسته و مداوم را داشته باشد. کمپرسورهای پیستونی نیازمند استراحتند. جالب اینجاست که در حفاری با کمپرسور هوا باد فوت شده براده‌ها و ذرات حفاری شده را نیز به بیرون از چاله فوت میکند و در عمل با یک تیر دو نشان را میزند.
گروه دیگر کمپرسورهای هوا کمپرسورهایی گریز از مرکز یا توربینی اند. این کمپرسورها با استفاده از نیروی گریز از مرکز و چرخش سریع پروانه هوا را شتاب داده و سپس در دیفیوزر فشرده میسازند. این مدلها بیشتر در صنایع بزرگ و سیستمهای با دبی بالا دیده میشود. تمامی این کمپرسورها برای ذخیره‌سازی هوای فشرده و تزریق آن به سیستم نیازمند مخزن تحت فشار هستند که هوای فشرده را ذخیره ساخته و ایمن نگاه میدارد و پیوسته به لوله کشی هوای فشرده تزریق میکند.
تفاوت کمپرسور هوا با سایر کمپرسورهای گازی
تفاوت کمپرسور هوا و سایر کمپرسورهای گازی یا اصطلاحا کمپرسور گازهای فرآیندی در گاز مورد استفاده و شرایط کاری نهفته است. هوا ترکیبی از گازهای مختلف نسبتا پایدار است و این گازها خورندگی پایینی داشته و برای کار تا حد زیادی ایمن محسوب میشوند. گازهای فرآیندی همچون متان، هیدروژن و آمونیاک ویژگی‌های مخصوص خود را داشته و بیشتر اوقات خطرناک هستند. کمپرسورهای گازی به موجب همین ویژگی‌ها و البته خطرات نیازمند طراحی دقیق، آب بندی ویژه و بکارگیری مواد مقاوم در برابر واکنش‌های شیمیایی هستند. از نظر ترمودینامیکی ضریب تراکم پذیری و گرمای ویژه‌ه‌ی هوا با گازهای دیگر متفاوت است و رفتار متفاوتی را حین فشرده سازی نمایش و بروز میدهد. در نتیجه‌ی این مسئله طراحی سیستمهای خنک کننده و محاسبات راندمان کمپرسورهای هوا ساده‌تر بوده و پایداری بهتری نشان میدهد.
ترمودینامیک کمپرسور
همانطور که گفته شد کمپرسور هوا ماشینی ترمودینامیکی است که انرژی مکانیکی منبع الکتریکی یا دیزلی را با فشرده‌سازی گاز به انرژی پتانسیل تبدیل میکند. در اذهان معروف‌ترین مثال انرژی پتانسیلی باتری ها هستند و کمپرسور نیز همچون باتری عظیم و توانمندی نیروی لازم را به جاهایی میبرد که به الکتریسیته‌ی پایدار صنعتی دسترسی نداریم و در جاهایی هم که به این الکتریسیته دسترسی داریم، نیروی برق را به نیرویی منعطف‌تر که مانورپذیری بهتری دارد و ایمن‌تر است تبدیل میکند و در ماشین‌آلات متنوع بادی ساخته‌ی بشر تزریق میکند.
دو فشرده‌سازی کلی که معرفی شد با زبان علمی‌تر با نام‌های تراکم دینامیکی و تراکم جابجایی مثبت شناخته میشوند. کمپرسورهای گریز از مرکز، توربوکمپرسورها و کمپرسورهای ساده‌تر محوری از تراکم دینامیکی بهره میبرند. در این کمپرسورها انرژی جنبشی به ذرات هوا داده شده و سرعت آنها افزایش می یابد. این انرژی افزوده در دیفیوزر به فشار بالاتر تبدیل شده و همین تفاوت در تبدیل انرژی باعث کاربری متفاوت این کمپرسورهاست. کمپرسورهای دینامیکی برای دبی‌های بسیار بالا و فشارهای کمتر و متوسط مناسب هستند، در حالیکه کمپرسورهای جابجایی مثبت برای فشارهای بالاتر و دبی کمتر بهینه شده اند. در جابجایی مثبت حجم مشخصی از هوا به دام می افتد، با کاهش تدریجی حجم فشارش افزایش می یابد و تخلیه میشود و فرآیند تکرار میشود. کمپرسورهای پیستونی و اسکرو از جمله‌ی این مدلها هستند. دسته‌ی دیگری هم با عنوان کمپرسورهای اسکرول یا بعضا اسکرال شناخته میشود.
چالش ها
از جمله چالش‌های پیش روی طراحی کمپرسور هوا کنترل فرآیند تراکم است. به دنبال تراکم همدما هستیم یا آدیاباتیک؟ طبیعتا و از دانش دبیرستانی خود میدانیم که هیچکدام به شکل کامل در دسترس نیست. فشرده سازی نیز در محدوده‌ای بین این دو حالت رخ میدهد. مهندسان و طراحان با خنک سازی بین مرحله‌ای، به وسیله‌ی اینترکولرها که مبدل‌های حرارتی قدرتمندی هستند، چند مرحله تراکم داشته باشند و با افزایش بازده نیاز به انرژی ورودی را بکاهند. چنین تلاشی فرایند را به فرآیندی همدما نزدیکتر میکند.
تفاوت ترمودینامیکی کمپرسور هوا و گاز
مهمترین تفاوت کمپرسورهای هوا و کمپرسورهای فرآیندی در ویژگی‌های مولکولی و ترمودینامیکی گازهای مختلف است. ضریب آدیاباتیک هوا حدود ۱/۴ است، در حالیکه همین عدد برای گازهای صنعتی کمتر یا بیشتر است. چنین تفاوتی اگرچه کوچک مینماید، اما روی نسبت فشار نهایی، دمای خروجی و توان مورد نیاز تاثیر قابل توجهی دارد. افزون بر این بیشتر گازهای صنعتی خواص شیمیایی فعالی دارند. یعنی چه؟ این یعنی واکنش نشان میدهند. جداره‌ها، تجهیزات کاربردی، آب‌بندی‌ها، بلبرینگ‌ها، لاستیک‌ها و همه و همه در معرض خوردگی و تغییر شکل هستند. ما در هوا زندگی میکنیم و همه‌ی قطعات در هوا زندگی کرده اند، پس طراحی کمپرسوری برای تراکم آن ساده تر است.
