فهرست
سایز کردن کمپرسور سانتریفیوژ را بر اساس مؤلفه‌های آن از قبیل ظرفیت هوادهی (Flow Capacity) و فشار خروجی (Discharge Pressure) می‌شناسند که معمولاً این اطلاعات روی پلاکی (Name Plate)که حاوی مشخصات کمپرسور سانتریفیوژ است و همچنین مدارک فنی (Operation Manual) درج میگردد.
به عنوان مثال در تصویر فوق ضمن ذکر مدل سایز کردن کمپرسور سانتریفیوژ به مشخصات کاری (Operating) کمپرسور از قبیل ظرفیت هوادهی (Flow) و فشار خروجی (Discharge Pressure) اشاره شده که در این نمونه ظرفیت هوادهی کمپرسور 5340 M3/Hr و فشار کاری آن 12 Bar (G) می‌باشد.
نکته مهمی که در میزان هوادهی یک کمپرسور سانتریفیوژ باید در نظر گرفت این است که این میزان هوادهی در چه شرایطی می‌باشد؟
آیا در هر منطقه‌ای از نظر ارتفاع از سطح دریا و با هر رطوبت نسبی و دمایی این میزان هوادهی تضمین شده است؟
آیا جهت بهره برداری از این کمپرسور سانتریفیوژ شرایط مناسب در کارخانه مصرف کننده مهیا است؟
و خیلی سوالات دیگر که در هنگام سایز کردن کمپرسور و ساخت آن باید درنظر گرفته شود تا زمانی که کمپرسور در محل دقیق مورد بهره برداری خود استفاده می‌شود علاوه بر اینکه تمهیدات لازم جهت راه اندازی و بهره برداری صحیح آن فراهم باشد بلکه ظرفیت هوادهی آن دقیقاً مطابق اعداد اعلام شده در پلاک و مدارک فنی باشد.
در این مقاله سعی داریم عوامل مهم و تأثیر گذار در سایز کردن یک کمپرسور سانتریفیوژ integrally geared را بررسی کنیم. برای سایز کردن صحیح یک کمپرسور سانتریفیوژ نیاز به در نظر گرفتن عوامل زیر می‌باشد:
- شرایط محیطی (Inlet Condition):
- فشار محیط (Barometric Pressure)
- دمای محیط (Inlet Temperature)
- رطوبت نسبی محیط (Relative Humidity)
- شرایط خروجی (Delivery Condition)
- فشار کاری (Operating Pressure)
- ظرفیت هوادهی (Flow Capacity)
- شرایط محل بهره برداری (Operating Condition)
- شرایط آب خنک کننده (Cooling Water Condition)
- سطح ولتاژ (Supply Voltage)
شرایط محیطی و فشار محیط
فشار بارومتریک (Barometric Pressure) همان فشار هوا در محیطی است که کمپرسور سانتریفیوژ در آن نصب شده و مورد بهره برداری قرار خواهد گرفت. واحد فشار بارومتریک Bar (A) می‌باشد. این فشار از این نظر حائز اهمیت می‌باشد که با ارتفاع از سطح دریا نسبت عکس دارد و هرچه ارتفاع ما از سطح دریا بیشتر شود میزان فشار بارومتریک کمتر خواهد شد.
از آنجائی که فشار بارومتریک به عنوان یک پتانسیل اولیه جهت دستیابی به فشار خروجی می‌باشد طبیعی است هرچه میزان این فشار کمتر باشد فرآیند فشرده سازی و دستیابی به فشارهای بالاتر دشوارتر خواهد بود که حتماً باید در طراحی سایز کردن کمپرسور سانتریفیوژ درنظر گرفته شود تا مشخص شود چه فشار بارومتریکی قرار است به فشار مد نظر ما در خروجی کمپرسور افرایش یابد.
مقایسه فشار بارومتریک و ارتفاع از سطح دریاهمانطور که در تصویر فوق مشاهده می‌شود در سطح دریا (Sea Level) بیشترین فشار بارمتریک (Barometric Pressure) معادل 1.013 Bar (A) وجود دارد و با افزایش ارتفاع، فشار بارومتریک کاهش می یابد بطوریکه در ارتفاع قله اورست فشار بارومتریک به 0.33 Bar (A) کاهش یافته است.
درطراحی و سایز کردن کمپرسور سانتریفیوژ فشار مکش محیط بر اساس فشار سطح دریا (1.013 Bar A) طراحی شده به بیان دیگر اگر فشار ورودی آن معادل 1.013 Bar (A) باشد به فشاری که روی پلاک آن درج شده دست خواهد یافت و اگر در محیطی دیگر با ارتفاع دیگر که فشار بارومتریک آن کمتر باشد مورد بهره برداری قرار گیرد با افت شدیدی در ظرفیت هوادهی و فشار خروجی مواجه خواهیم شد و دیگر مقادیر عنوان شده در پلاک و مدارک فنی قابل دستیابی نخواهد بود. لذا درنظر گرفتن فشار بارومتریک بسیار حائز اهمیت می‌باشد و اگر چنانچه طراحی بر اساس فشار سطح دریا انجام می‌شود حتماً جهت دستیابی به فلو (جریان) و فشار مد نظر باید ضرایب تصحیح (Correction Factor) در سایز کردن کمپرسور سانتریفیوژ و انتخاب کمپرسور سانتریفیوژ درنظر گرفته شود.
شرایط محیطی و دمای محیط
تغییرات دمای محیطی (Inlet Temperature) که کمپرسور سانتریفیوژ در آن مورد بهره برداری قرار می‌گیرد تأثیر مستقیم بر چگالی هوایی (Density) که قرار است فشرده شود می‌گذارد. هر چه دما پایین تر باشد چگالی آن بیشتر و تراکم پذیری (Compressibility) آن بیشتر و برعکس هرچه دمای هوا بیشتر باشد چگالی آن کمتر شده و تراکم پذیری آن کمتر می‌شود. تراکم پذیری بر محدوده کاری کمپرسور (Turndown Ratio) تأثیر مستقیم می‌گذارد که خود آن نیز تأثیر بر راندمان (Performance) کمپرسور می‌گذارد.
همانند فشار بارومتریک، برخی از کمپرسورها بر اساس دمای محیط مشخصی طراحی می‌شوند و شرایط دمایی مکانی که کمپرسور در آن مورد بهره برداری قرار خواهد گرفت در سایز کردن کمپرسور سانتریفیوژ کمپرسور لحاظ نشده و ظرفیت هوادهی کمپرسور و فشار خروجی آن مختص دمایی است که مشخصاً در پلاک آن یا مدارک فنی قید شده و چنانچه کمپرسور در مکانی با دمای محیط بیشتر مورد بهره برداری قرار گیرد قطعا بر میزان هوادهی کمپرسور تأثیر خواهد داشت و سبب کاهش Turndown Ratio کمپرسور میگردد.
شرایط محیطی و رطوبت نسبی
رطوبت نسبی (Relative Humidity) مقدار بخار آب موجود در هوای محیط می‌باشد که میزان خشک (Dryness) و مرطوب (Wetness) آن را مشخص می‌کند که با تغییر حالات هوا رطوبت نیز تغییر می‌کند. افزایش بخار آب باعث مرطوب شدن آن و درنتیجه کاهش چگالی هوا میگردد. هنگامی که مقدار بخار آب افزایش می‌یابد مقدار اکسیژن و نیتروژن که درصد عمده تشکیل دهنده ملکول‌های هوا می‌باشند در واحد حجم کم شده و درنتیجه چگالی مخلوط هوا و رطوبت کاهش می‌یابد زیرا جرم درحال کاهش است و بهمین دلیل چگالی هوا نیز کاهش می‌یابد.
با افزایش رطوبت نسبی میزان فلو و فشار تولیدی کمپرسور نیز کاهش می‌یابد لذا در زمان طراحی و سایز کردن کمپرسور سانتریفیوژ باید شرایط محیطی علاوه بر فشار بارومتریک و دمای ورودی، رطوبت نسبی نیز در نظر گرفته شود تا در شرایطی که رطوبت نسبی زیاد می‌باشد، ظرفیت هوا دهی و فشار خروجی کمپرسور تضمین شده باشد.
جهت شفاف سازی شرایط محیطی، به تصویر زیر که پلاک یک کمپرسور سانتریفیوژ است توجه کنید:
شرایط محیطی این کمپرسور سانتریفیوژ از جمله دمای محیط و فشار بارومتریک به شرح زیر در طراحی لحاظ شده است:
- فشار بارومتریک 14.1 PSI (A) که تقریباً برابر با فشار سطح دریا یعنی 1.013 Bar (A) می‌باشد.
- دمای محیط 95 °F که برابر با 35 °C می‌باشد.
ظرفیت هوادهی کمپرسور سانتریفیوژ معادل 800 CFM یا 1360 M3/hr با فشار کاری 139 PSI (A) یا 9.5 Bar (A) می‌باشد که این اعداد بر اساس محیطی با دمای 35 °C و فشار محیط 1.013 Bar (A) می‌باشد و چنانچه کمپرسور در منطقه که ارتفاع از سطح دریای آن 1200 متر باشد قرارگیرد با توجه به کاهش فشار بارومتریک از 1.013 Bar (A) به 0.878 Bar (A) قطعاً این کمپرسور قادر به تولید هوای فشرده با ظرفیت های اعلام شده نخواهد بود.
شرایط خروجی و فشار کاری
برای فشار کاری واحدهایی نظیر Bar و یا PSI تعریف می‌شود که هرکدام هم بصورت Absolute و هم بصورت Gage تعریف می‌شوند:
Bar (A) = Bar (G) + Barometric Pressure
1 Bar = 14.5 PSI
با توجه به اختلاف بین واحد Absolute و Gage در نظر گرفتن واحد صحیح در فشار خروجی کمپرسور سانتریفیوژ ضروری می‌باشد زیرا در شرایطی که محدوده کاری کمپرسور (Turndown Ratio) محدوده بسته‌ای باشد با در نظر نگرفتن این موضوع که باعث افزایش مقدار فشار کاری میگردد ممکن است عملکرد کمپرسور سانتریفیوژ در فشار مد نظر غیر ممکن باشد.
از طرفی فشار نهایی خروجی از کمپرسور (Discharge Pressure) که به عنوان فشار کاری (Working Pressure) مد نظر می‌باشد در واقع با افزایش فشار بارومتریک به دست می‌آید چراکه این فشار است که پس از ورود به کمپرسور سانتریفیوژ و عبور از مراحل (Stage)های گوناگون افزایش یافته و به فشار مد نظر ما خواهد رسید. حال فرض کنید فشار بارومتریک واقعی در طراحی کمپرسور درنظر گرفته نشده باشد و بیشتر از آنچه که در واقعیت وجود دارد درنظر گرفته شده باشد طبیعتاً این اختلاف تأثیر چشمگیری در راندمان خروجی کمپرسور خواهد گذاشت.
در کمپرسور سانتریفیوژ ساخت گروه صعتی هوایار طراحی و انتخاب کمپرسور و تعیین فشار خروجی آن با در نظر گرفتن فشار بارومتریک و انتخاب نوع Impeller انجام می‌شود چراکه نوع Impeller برای فشارهای خروجی بالا و فشار های خروجی پایین با هم متفاوت می‌باشد.
تفاوت این Impeller ها در تیپ (Type) آنها می‌باشد و متناسب با اینکه چه فشاری در خروجی کمپرسور سانتریفیوژ بخواهیم تپ Impeller را بر اساس آن و درنظر گرفتن شرایط محیطی از جمله فشار بارومتریک انتخاب می‌کنیم.
فشار کمتر فشار بیشتر
<—————————————————->
| Type 4 | Type 3 | Type 2 | Type 1 |
به عنوان مثال در نظر بگیرید قصد تولید فشار 8 Bar (G) برای منطقه‌ای همانند شهرکرد را داریم که ارتفاع از سطح دریای بالایی دارد و فشار بارومتریک آن برابر با 0.789 Bar (A) می‌باشد از طرفی فرض کنید همین فشار را برای منطقه‌ای مانند اهواز می‌خواهیم که ارتفاع از سطح دریای بسیار کمتری در مقایسه با شهرکرد دارد و فشار بارومتریک آن برابر یا 1.011 Bar (A) می‌باشد. با یک مقایسه ساده کاملا مشخص است که دستیابی به فشار 8 Bar (G) در منطقه شهرکرد که فشار بارومتریک بسیار کمتری نسبت به اهواز دارد دشوارتر خواهد بود لذا درطراحی کمپرسور سانتریفیوژ علاوه بر درنظر گرفتن فشار بارومتریک، تیپ Impeller را به گونه‌ای انتخاب می‌کنیم که قادر با تولید فشار 8 Bar (G) در منطقه‌ای با ارتقاع شهرکرد و فشار بارمتریک آن باشد. این درحالی است که برخی از سازندگان کمپرسور سانتریفیوژ ، طراحی آنرا بر اساس ارتفاع سطح دریا (1.013 Bar (A)) و دمای محیط 25 °C درنظر گرفته‌اند که قطعا در صورت استفاده از این کمپرسور در نقاطی مانند شهرکرد دچار افت شدید می‌شود.
شرایط خروجی و فلوی خروجی
میزان هوا دهی کمپرسور سانتریفیوژ که اصطلاحاً به آن فلو (Flow) نیز گفته می‌شود بیانگر میزان هوادهی و یا حجم هوای فشرده‌ای می‌باشد که در واحد زمان تولید می‌کند.
برای فلو (Flow) واحدهای گوناگونی تعریف می‌شود:
- مترمکعب بر ساعت (M3/hr)
- فوت مکعب بر دقیقه (CFM)
- کیلوگرم بر ساعت (Kg/hr)
- لیتر بر دقیقه (Lit/min)
درهریک از واحدهای فوق، زمان را میتوان بر حسب دقیقه، ساعت و یا ثانیه تعریف کرد که معمولا به میزان فلو و یا تعریف خاصی دارد که در برخی از صنایع وجود دارد بستگی دارد.
نکته بسیار مهمی که این واحدها را ازیکدیگر متمایز می‌کند نوع تعریف آنها می‌باشد که به سه دسته زیر تقسیم می‌شود که در این مقاله جهت ساده کردن آن فقط برای واحد متر مکعب بر ساعت در نظر می‌گیریم:
| واحد | تعریف واحد |
|---|---|
| Nm3/hr | Normal |
| Sm3/hr | Standard |
| Im3/hr | Inlet یا Actual |
| واحد | تعریف واحد |
|---|---|
| Nm3/hr | Normal |
| Sm3/hr | Standard |
| Im3/hr | Inlet یا Actual |
هر کدام از این تعاریف بسته به شرایط محیطی از جمله فشار بارومتریک، دمای محیط و رطوبت نسبی مفهوم خاصی دارند.
تعاریف واحدها
| Inlet یا Actual | Standard | Normal | |
|---|---|---|---|
| شرایط محیطی | فشار بارومترک = فشار واقعی محیط دمای محیط = دمای واقعی محیط رطوبت نسبی = رطوبت نسبی واقعی محیط | فشار بارومترک = 1.013 Bar (A) دمای محیط = 15 °C رطوبت نسبی = 0 % | فشار بارومترک = 1.013 Bar (A) دمای محیط = 0 °C رطوبت نسبی = 0 % |
| Inlet یا Actual | Standard | Normal | |
|---|---|---|---|
| شرایط محیطی | فشار بارومترک = فشار واقعی محیط دمای محیط = دمای واقعی محیط رطوبت نسبی = رطوبت نسبی واقعی محیط | فشار بارومترک = 1.013 Bar (A) دمای محیط = 15 °C رطوبت نسبی = 0 % | فشار بارومترک = 1.013 Bar (A) دمای محیط = 0 °C رطوبت نسبی = 0 % |
فشار بارومترک = فشار واقعی محیط دمای محیط = دمای واقعی محیط رطوبت نسبی = رطوبت نسبی واقعی محیط
فشار بارومترک = 1.013 Bar (A) دمای محیط = 15 °C رطوبت نسبی = 0 %
فشار بارومترک = 1.013 Bar (A) دمای محیط = 0 °C رطوبت نسبی = 0 %
باتوجه به اینکه هرکدام از شرایط اعلام شده تعاریف جداگانه‌ای دارند هنگام انتخاب کمپرسور گریز از مرکز و سایز کردن آن باید واحد صحیح در هوادهی کمپرسور درنظر گرفته شود و صرفا به واحد M3/hr کفایت نکرد زیرا اختلاف ناشی از میزان هوادهی کمپرسور در هریک از این واحد ها قابل توجه می‌باشد.
رابطه زیر جهت تبدیل این واحدها به یکدیگر می‌باشد:
(P1 x V1)/T1 = (P2 x V2)/T2
برای شفاف سازی موضوع و اینکه اختلاف این واحدها چه تأثیری در ظرفیت هوادهی کمپرسور خواهد گذاشت به مقایسه شرایط Normal با Standard خواهیم پرداخت.
(PN x VN) / TN = (PS x VS) / TS =
((1.013) x VN) / (0+273) = ((1.013) x VS) / (15+273)
VS / VN = 1.05
VS = VN x 1.05
محاسبات فوق نشان می‌دهد که 1 Nm3/hr حدود 5% بیشتر از 1 Sm3/hr می‌باشد و درواقع 1 Nm3/hr حدود 5% بیشتر نسبت به 1 Sm3/hr هوا در بر می‌گیرد.
حال همین شرایط را برای شرایط آب و هوایی منطقه ای مثل تهران در نظر می‌گیریم. با توجه به ارتفاع از سطح دریای تهران فشار بارومتریک آن حدود 0.88 Bar (A) و دمای محیط را 35 °C در نظر می‌گیریم.
(PN x VN) / TN = (Pi x Vi) / Ti =
((1.013) x VN) / (0+273) = ((0.88) x Vi) / (35+273)
Vi / VN = 1.29
Vi = VN x 1.29
همانطور که مشاهده می‌شود درشرایط آب و هوایی تهران، 1 Nm3/hr حدود 30% حجم هوای بیشتری در برمی‌گیرد که این اختلاف 30% باید در ظرفیت کمپرسوری که سایز و انتخاب می‌شود حتماً لحاظ شود درغیر این صورت جوابگوی مصرف کننده نمی‌باشد. به عنوان مثال اگر مصرف کننده‌ای 3000 Nm3/hr هوای فشرده در شرایط آب و هوایی تهران نیاز داشته باشد معادل حدود 3900 Im3/hr می‌شود و اگر بدون در نظر گرفتن واحد یک کمپرسور 3000 Im3/hr به مصرف کننده داده شود، با توجه به محاسبات فوق کمپرسور حدود 900 M3/hr کمتر از ظرفیت مورد نیاز انتخاب شده است.
شرایط محل بهره برداری و شرایط آب خنک کننده
همانطور که در مقالات قبل عنوان شد فرآیند خنک کاری هوای فشرده از لحاظ مختلف حائز اهمیت می‌باشد. کمپرسورها از لحاظ فرآیند خنک کاری به دو دسته آب خنک (Water Cooled) و هوا خنک (Air Cooled) تقسیم می‌شوند. کمپرسور سانتریفیوژ ساخت گروه صنعتی هوایار آب خنک می‌باشد لذا در نظر گرفتن الزامات و نیازمندی‌های کمپرسور سانتریفیوژ جهت خنک نمودن هوای فشرده باید پیشاپیش تعیین و به اطلاع مصرف کننده رسانیده شود تا درصورت نیاز نسبت به اصلاح و یا تأمین تجهیزات مناسب سیستم آب خنک کننده اقدامات لازم صورت پذیرد. از طرفی برخی مواقع برای مصرف کننده محدودیت‌هایی در تامین آب خنک کننده وجود دارد بعنوان مثال درشهرهای جنوبی ایران و مناطق گرمسیر تامین آب خنک کننده با دمای ایدآل 27 ~ 30 °C ممکن است چالش برانگیز باشد به طوری که حداقل دمای ایده‌آل آب خنک کننده در این مناطق 32 ~ 35 °C می‌باشد در چنین شرایطی باید طراحی مبدل‌های حرارتی مطابق با شرایط خاص صورت پذیرد که گاهاً منجر به تغییر پارامترهای طراحی و ساخت از قبیل طول مبدل، تعداد تیوب‌ها و … میگردد.
البته شرایط آب خنک کننده تنها به دمای آن محدود نمی‌شود بلکه باید سایر شرایط آب خنک کننده از قبیل فشار آب خنک کننده (Cooling Water Supply Pressure)، فلوی آب خنک کننده (Cooling Water Supply Flow)، ترکیبات شیمیایی آب (Chemical Characteristic)، میزان مجاز افزایش دمای آب خنک کننده (Cooling Water Temperature Rise) و … نیز باید مطابق طراحی مبدل حرارتی به اطلاع مصرف کننده رسانیده شود تا تمهیدات لازم جهت بهره برداری صحیح و کارآمد درنظر گرفته شود.
شرایط محل بهره برداری سطح ولتاژ شبکه
محرک این کمپرسورها هم می‌تواند الکتروموتور باشد هم توربین بخار که معمولا از الکتروموتور استفاده می‌شود. یکی از مولفه‌های تعریف شده در الکتروموتورها سطح ولتاژ آنها می‌باشد.
سطح ولتاژ درنظر گرفته شده برای راه اندازی کمپرسورها به سه سطح Low Voltage، Medium Voltage و High Voltage تقسیم بندی می‌شود که براساس استاندارهای ملی و بین المللی مقادیر مختلفی برای آنها تعریف می‌شود این سطح ولتاژ در انتخاب نوع سیستم راه اندازی کمپرسور تأثیر گذار می‌باشد.
هرچه ظرفیت هوادهی کمپرسور سانتریفیوژ بیشتر باشد جهت راه اندازی و بهره برداری آن به الکتروموتور با توان بیشتری نیاز است. برای الکتروموتورهایی با توان بالا به جهت پرهیز از فشار وارده بر برق شبکه ناشی از جریان ابتدایی راه اندازی معمولا از سطح ولتاژ های Medium Voltage و High Voltage استفاده که سیستم راه اندازی خاص خود را دارد.
برعکس در کمپرسورهایی با توان پایین تر میتوان از سطح ولتاژ Low Voltage استفاده نمود که آن هم سیستم راه اندازی مختص خود را دارد.
با درنظر گرفتن تعاریف فوق و بسته به توان کمپرسور باید جریان راه اندازی آن محاسبه و سیستم راه اندازی متناظر آن انتخاب و به اطلاع مصرف کننده رسانیده شود تا از ظرفیت برق شبکه اطمینان حاصل کرد و درصورت نیاز تمهیدات لازم جهت تهیه ترانس، افزایش ظرفیت برق شبکه و … درنظر گرفته شود تا در زمان راه اندازی با مشکل مواجه نشویم.
سوالات متداول
با کاهش فشار بارومتریک، فشار ورودی به کمپرسور سانتریفیوژ کاهش می یابد که سبب کاهش در ظرفیت هوا دهی کمپرسور، کاهش فشار تولیدی و کاهش Turndown Ratio میگردد.
دمای ورودی هوا بر چگالی هوا ورودی کمپرسور و انرژی جنبشی ایجاد شده در خلال عبور از Impeller تأثیر می‌گذارد. با کاهش دمای هوای ورودی و افزایش چگالی ظرفیت هوادهی کمپرسور افزایش یافته و بطبع مصرف انرژی آن نیز بیشتر می شود که این افزایش مصرف انرژی بدلیل افزایش میزان هوادهی آن می‌باشد نه نقطه ضعف کمپرسور.
از دیگر اثرات تغییر دما، تغییر در چگالی هوا و تغییر محدوده کاری کمپرسور (Turndown Ratio) می‌باشد بطوریکه در دماهای پایین‌تر، محدوده بیشتری از Turndown Ratio در دسترس است.
افزایش رطوبت نسبی سبب کاهش میزان هوادهی کمپرسور و بالطبع کاهش میزان توان مصرفی آن میگردد و برعکس کاهش رطوبت نسبی سبب افزایش میزان ظرفیت هوادهی و بطبع افزایش توان مصرفی در ظرفیت هوادهی بیشتر می‌شود.
از آنجایی که فرآیند خنک شدن هوای فشرده در محل بهره برداری آن توسط آب خنک کننده موجود انجام می‌شود، در نظر نگرفتن شرایط لازم از جمله دما، فلو، فشار و …در آب خنک کننده موجب افزایش تدریجی دمای هوای فشرده میگردد که علاوه بر افت راندمان بدلیل کاهش تراکم پذیری (Compressibility) هوا، درصورت افزایش بیش از حد دما منجر به توقف کمپرسور و عدم امکان بهره برداری از آن میگردد. در مبدل‌های روغن این فرآیند تأثیر خود را با افزایش تدریجی دمای روغن نشان می‌دهد که سبب کاهش ویسکوزیته روغن و افزایش میزان لرزش (Vibration) و آسیب دیدن تدریجی قطعات دوار می‌شود.
Loading...