سایزینگ حرفه‌ای کمپرسورهای اسکرو با درنظرگرفتن پارامترهای عملیاتی و محیطی

اهمیت سایزینگ صحیح در طراحی سیستم‌های هوای فشرده

سایزینگ کمپرسور یکی از مهم‌ترین مراحل در طراحی و اجرای سیستم‌های هوای فشرده صنعتی است. انتخاب نادرست کمپرسور می‌تواند منجر به کاهش راندمان، افزایش مصرف انرژی، استهلاک زودهنگام تجهیزات و حتی بروز خرابی‌های پرهزینه شود. برای انجام یک سایزینگ دقیق، صرفاً دانستن میزان فلو و فشار کافی نیست، بلکه باید مجموعه‌ای از پارامترهای فنی از جمله شرایط محیطی، محدوده فشار کاری، نوع کمپرسور، کروهای عملکردی ایرند، شرایط ارتفاع از سطح دریا و ضرایب کاهش توان موتور (Derating) به‌صورت هم‌زمان بررسی شوند.

در کمپرسور اسکرو، به دلیل وابستگی مستقیم عملکرد به شرایط محیطی و طراحی ایرند، توجه به جزئیاتی مانند دمای محل نصب، ارتفاع، نحوه خنک‌کاری (Air Cooled یا Water Cooled)، محدوده مجاز فشار کاری و ویژگی‌های موتور الکتریکی اهمیت دوچندان دارد. بی‌توجهی به هر یک از این عوامل می‌تواند باعث کاهش ظرفیت واقعی هوادهی، اورلود شدن موتور، آسیب به سیستم روانکاری و حتی خرابی ایرند شود.

در این بخش، اصول پایه و نکات کلیدی سایزینگ کمپرسورهای اسکرو، همراه با بررسی محدوده‌های عملکردی، مثال عملی انتخاب ایرند، تأثیر شرایط محیطی و الزامات طراحی برای دماهای خارج از محدوده استاندارد بررسی شد.

پارامترهای کلیدی در سایزینگ کمپرسورهای صنعتی

در مورد سایزینگ کمپرسورها اگر بخواهیم صحبت کنیم، یک‌سری پارامترهای مهم در سایزینگ کمپرسورها وجود دارد که باید در این فرایند در نظر گرفته شوند. اولین سؤالی که در سایزینگ مطرح می‌شود این است که فلو و فشار مورد نیاز سایتی که قرار است این کمپرسور در آن نصب شود چقدر است؟ یعنی هوای فشرده مورد نیاز از نظر فلو و فشار چه مقدار است. در ادامه باید بررسی کنیم دمای محیطی که قرار است کمپرسور در آن نصب شود چه مقدار است و همچنین محدوده فشاری ما، یعنی همان دلتا پی (ΔP) که در خط خود نیاز داریم چه میزان است. در نهایت نیز براساس کروهای عملکردی که در هر ایرند وجود دارد می‌توانیم سایز کمپرسور را تعیین کنیم.

محدوده فشار و توان در کمپرسورهای اسکرو اویل اینجکت

اصولاً کمپرسورهای اسکرو اویل اینجکت در محدوده فشاری ۵ تا ۱۳ بار کار می‌کنند. دلیل اینکه چرا در فشارهای پایین‌تر از ۵ بار کار نمی‌کنند این است که در خروجی کمپرسور مقدار روغن بسیار زیاد می‌شود، زیرا در فشارهای زیر ۵ بار جدایش هوا از روغن به درستی اتفاق نمی‌افتد. از طرف دیگر، فشارهای بالاتر از ۱۳ بار نیز برای این نوع کمپرسورها روتین نیست. زمانی که شما بخواهید کمپرسور اسکرو با فشار بالاتر از ۱۳ بار انتخاب کنید، این احتمال وجود دارد که روغنی که در سیستم استفاده می‌شود در دماهای بالا، مثلاً دماهای ۸۰، ۹۰ یا ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد و در آن فشار کاری، دچار خطرات ایمنی مانند احتراق یا انفجار شود. به همین دلیل اگر کمپرسور اسکرو اویل اینجکتی با فشار بالاتر از ۱۳ بار ببینید، معمولاً یک کمپرسور با طراحی خاص است. محدوده توان این کمپرسورها نیز معمولاً بین ۱۵ تا ۳۵۵ کیلووات است.

محدوده عملکرد کمپرسورهای اسکرو اویل فری

در کمپرسورهای اسکرو اویل فری محدوده فشار کمی متفاوت است. محدوده فشار در این کمپرسورها معمولاً بین ۲ تا ۱۰ بار و محدوده توان آنها بین ۱۵ تا ۷۵۰ کیلووات است. دلیل اینکه کمپرسورهای اویل فری را معمولاً بالاتر از ۱۰ بار استفاده نمی‌کنیم این است که نسبت فشاری که در ایرندهای استیج اول و دوم وجود دارد معمولاً یک به سه است؛ یعنی یک بار می‌گیرد و سه بار تحویل می‌دهد، سه بار می‌گیرد و حدود نه بار تحویل می‌دهد. در نهایت این ایرندها حداکثر می‌توانند فشاری حدود ۱۰.۵ بار را تأمین کنند و بیشتر از این مقدار معمولاً امکان استفاده از کمپرسورهای اسکرو اویل فری وجود ندارد. محدوده توان این کمپرسورها نیز همان‌طور که گفته شد ۱۵ تا ۷۵۰ کیلووات است.

انتخاب سیستم خنک‌کاری مناسب در کمپرسورهای اسکرو

در کمپرسورهای اسکرو یک نکته بسیار مهم وجود دارد که باید به آن توجه کنیم. در توان‌های معمولاً ۳۱۵ و ۳۵۵ کیلووات به بالا باید به سراغ کمپرسورهای واترکولد (Water Cooled) برویم. در این توان‌ها دیگر استفاده از کمپرسورهای ایرکولد (Air Cooled) یا همان هواخنک مناسب نیست. دلیل آن این است که اندازه رادیاتور مورد استفاده بسیار بزرگ می‌شود و کمپرسور دیگر کارایی قبلی خود را نخواهد داشت. در توان‌های پایین‌تر شرایط کمی متفاوت است و رادیاتور کوچک‌تر است، اما زمانی که توان بالا می‌رود و رادیاتور بزرگ می‌شود، هم راندمان خنک‌کاری کاهش پیدا می‌کند و هم از نظر جانمایی در پکیج کمپرسور محدودیت ایجاد می‌شود. به همین دلیل در این توان‌ها معمولاً به سمت کمپرسورهای آب‌خنک می‌رویم.

تأثیر شرایط محیطی و آلودگی صنعتی بر انتخاب کمپرسور

یک شرایط دیگر هم وجود دارد که در آن پیشنهاد می‌شود از کمپرسورهای آب‌خنک استفاده شود، و آن هم محیط‌های صنعتی با گردوغبار زیاد است. در چنین محیط‌هایی بهتر است به جای کمپرسورهای هواخنک از کمپرسورهای آب‌خنک استفاده شود. دلیل این موضوع این است که کمپرسور حجم زیادی از هوا را از محیط مکش می‌کند و اگر محیط دارای گردوغبار باشد، این آلودگی‌ها وارد اتاق کمپرسور شده و در نهایت وارد ایرند می‌شوند و می‌توانند باعث آسیب به ایرند شوند. بنابراین در صنایع پرگردوغبار بهتر است برای افزایش عمر ایرند از کمپرسورهای آب‌خنک استفاده شود. در توان‌های بالا نیز همین موضوع صادق است.

مقایسه انواع کمپرسورها بر اساس محدوده فلو و فشار

برای انتخاب نوع کمپرسور، محدوده‌ای از فلو و فشار وجود دارد که براساس آن مشخص می‌شود چه نوع کمپرسوری مناسب است؛ مثلاً اسکرو، رفت‌وبرگشتی (Reciprocating) یا سانتریفیوژ (Centrifugal). اگر فلوی مورد نیاز ما بین ۰.۰۵ تا ۰.۵ مترمکعب بر دقیقه در فشارهای ۲ تا ۱۰ بار باشد، معمولاً می‌توان از کمپرسورهای تک‌استیج رفت‌وبرگشتی استفاده کرد که اغلب نیز از نوع هواخنک هستند. اگر محدوده فلو بین ۰.۲ تا ۱۰ مترمکعب بر دقیقه و فشار بین ۵ تا ۱۶ بار باشد، می‌توان از کمپرسورهای پیستونی دو استیج استفاده کرد. اگر محدوده فلو بین ۱ تا ۸۰ مترمکعب بر دقیقه باشد، بسته به فشار کاری می‌توان از کمپرسورهای اسکرو استفاده کرد؛ برای فشارهای ۵ تا ۱۳ بار از اسکرو اویل اینجکت و برای فشارهای ۲ تا ۱۰ بار از اسکرو اویل فری استفاده می‌شود.

در محدوده فلوهای بالاتر و فشارهای بالا، به‌خصوص بالای ۱۴ بار، می‌توان از کمپرسورهای پیستونی دابل اکت استفاده کرد. همچنین در فلوهای بیش از حدود ۵۰ تا ۷۰ مترمکعب بر دقیقه پیشنهاد می‌شود از کمپرسورهای سانتریفیوژ استفاده شود.

این کمپرسورها بسته به تعداد استیج‌ها (تک‌استیج، دو استیج یا چند استیج) می‌توانند فشارهای مختلفی تولید کنند و در صنعت مورد استفاده قرار بگیرند. در چنین شرایطی به جای اینکه چند کمپرسور رفت‌وبرگشتی یا چند کمپرسور اسکرو را در کنار هم قرار دهیم، می‌توان از یک کمپرسور سانتریفیوژ استفاده کرد که کل هوای مورد نیاز سایت را تأمین کند. البته اگر هوای مورد نیاز سایت کمتر از حدود ۵۰ تا ۶۰ مترمکعب بر دقیقه باشد، استفاده از کمپرسور سانتریفیوژ معمولاً اقتصادی نیست، زیرا این کمپرسورها برای دبی‌های بالا طراحی شده‌اند.

نقش کروهای عملکردی ایرند در سایزینگ کمپرسور

اگر دوباره به بحث سایزینگ کمپرسورهای اسکرو برگردیم، باید توجه کنیم که هر ایرندی که برای کمپرسور انتخاب می‌شود دارای کرو عملکردی است. این کرو عملکردی شامل نمودارهایی است که رابطه دور ایرند، فشار، فلو و توان مصرفی را نشان می‌دهند. در واقع برای هر ایرند دو نمودار مهم وجود دارد: نمودار دور به فلو و نمودار دور به توان مصرفی (Power Consumption). برای سایزینگ کمپرسور باید هر دو نمودار بررسی شوند

مثال عملی انتخاب ایرند بر اساس دور موتور و دبی مورد نیاز

به عنوان مثال فرض کنید کمپرسوری می‌خواهید انتخاب کنید که میزان هوای مورد نیاز سایت شما حدود ۴۴ تا ۴۵ مترمکعب بر دقیقه است. موتورهایی که در کمپرسورها استفاده می‌شوند معمولاً ۱۵۰۰ یا ۳۰۰۰ دور هستند. بنابراین اگر بخواهیم کمپرسور را به صورت کوپل مستقیم انتخاب کنیم، باید یکی از این دو دور را انتخاب کنیم. فرض کنیم دور ۳۰۰۰ rpm را انتخاب کنیم. در کرو عملکردی، یک خط عمودی از ۳۰۰۰ دور رسم می‌کنیم تا نمودار فشار را قطع کند و سپس آن نقطه را به نمودار فلو منتقل می‌کنیم. اگر این ایرند که در این مثال VMX250R است با دور ۳۰۰۰ بچرخد، در نمودار فلو مقدار حدود ۴۵ مترمکعب بر دقیقه را به ما می‌دهد. یعنی اگر موتور ۳۰۰۰ دور به این ایرند متصل شود، حدود ۴۵ مترمکعب بر دقیقه هوا تولید خواهد شد.

حالا باید ببینیم توان مورد نیاز این ایرند چقدر است. اگر کمپرسور را برای فشار ۷ بار سایز کنیم، همان خط ۳۰۰۰ دور را روی نمودار فشار ۷ بار می‌بریم و از محل تقاطع آن را به نمودار توان منتقل می‌کنیم. توان مورد نیاز در این حالت حدود ۲۴۰ کیلووات خواهد بود. در انتخاب کمپرسورها معمولاً توان مورد نیاز ایرند باید حدود ۵ درصد کمتر از توان موتور باشد. بنابراین اگر ایرند حدود ۲۴۰ کیلووات توان نیاز داشته باشد، می‌توان برای آن موتور ۲۵۰ کیلووات انتخاب کرد. در نتیجه این کمپرسور در فشار ۷ بار با دور ۳۰۰۰ rpm می‌تواند حدود ۴۵ مترمکعب بر دقیقه هوا تولید کند.

تأثیر شرایط محیطی بر عملکرد واقعی کمپرسور

نکته بسیار مهمی که در اینجا وجود دارد و یکی از اشتباهات رایج در سایزینگ کمپرسورهاست این است که باید دقت کنیم کرو عملکردی ایرند در چه شرایط محیطی ارائه شده است. معمولاً سازنده ایرند این کروها را در شرایط فشار اتمسفریک یک بار (سطح دریا) و دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد ارائه می‌کند. حال اگر کمپرسور قرار باشد در شرایطی کار کند که ارتفاع از سطح دریا مثلاً ۱۵۰۰ یا ۲۰۰۰ متر باشد، یا در شهری مثل تبریز با ارتفاع حدود ۲۰۰۰ تا ۲۲۰۰ متر نصب شود، و همچنین دمای محیط بالاتر از ۲۰ درجه باشد، در این صورت شرایط عملکرد تغییر می‌کند.
برای اصلاح این شرایط باید از رابطه گاز کامل استفاده کرد: