کمپرسورهای جابجایی مثبت
کمپرسورهای جابجایی مثبت
کمپرسورهای جابجایی مثبت یکی از اصلی‌ترین دسته‌های کمپرسورها هستند که بر اساس یک اصل ساده اما بسیار مهم کار می‌کنند: به دام انداختن مقدار مشخصی از هوا یا گاز در یک محفظه بسته و سپس کاهش حجم آن به منظور افزایش فشار. این شیوه‌ی فشرده‌سازی به دلیل سادگی، قابلیت اطمینان و توانایی تولید فشارهای بالا، در بسیاری از کاربردهای صنعتی و حتی خانگی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ساده‌ترین نمونه از کمپرسورهای جابجایی مثبت همان تلمبه دستی است. در تلمبه دستی، هوا به داخل سیلندر وارد می‌شود و با حرکت پیستون به سمت بیرون رانده و متراکم می‌شود. همین اصل ساده، پایه و اساس طراحی بسیاری از کمپرسورهای صنعتی امروزی به ویژه کمپرسورهای پیستونی است.
نمودار کمپرسور برای کمپرسورهای جابهجایی مثبت:
کمپرسور پیستونی و شیوه عملکرد آن
کمپرسورهای پیستونی یکی از متداول‌ترین انواع کمپرسورهای جابجایی مثبت هستند. در این کمپرسورها، یک پیستون متحرک درون سیلندر حرکت رفت و برگشتی دارد و این حرکت باعث مکش و سپس تراکم هوا یا گاز می‌شود. حرکت پیستون از طریق میله و میل‌لنگ صورت می‌گیرد و این سازوکار عملکردی مشابه پمپ‌ها دارد.
کمپرسورهای پیستونی بسته به نحوه استفاده از پیستون به دو دسته تقسیم می‌شوند:
-
کمپرسور یک‌طرفه: تنها از یک سمت پیستون برای فرآیند تراکم استفاده می‌شود.
-
کمپرسور دوطرفه: هر دو سمت پیستون درگیر فرآیند مکش و تراکم هستند و این ویژگی ظرفیت و راندمان کمپرسور را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد.
انتخاب بین این دو نوع کمپرسورهای جابجایی مثبت وابسته به شرایط کاری، میزان فشار مورد نیاز و ظرفیت جریان است.
نسبت فشار و نقش آن در کمپرسور
یکی از مهم‌ترین مفاهیم در تحلیل کمپرسورهای جابجایی مثبت، نسبت فشار است. نسبت فشار در واقع رابطه بین فشار مطلق در ورودی و فشار مطلق در خروجی کمپرسور را نشان می‌دهد. برای مثال، اگر هوا با فشار جوی وارد کمپرسور شود و در خروجی به فشار بالاتری برسد، این اختلاف فشار بیانگر نسبت فشار کمپرسور خواهد بود.
نسبت فشار اهمیت زیادی در طراحی و انتخاب کمپرسور دارد. هرچه نسبت فشار بیشتر باشد، به انرژی بیشتری برای تراکم نیاز است. بنابراین، کمپرسور باید به گونه‌ای طراحی شود که تعادل میان ظرفیت، فشار خروجی و انرژی مصرفی برقرار شود.
نمودار فشار – حجم در کمپرسورهای جابجایی مثبت
برای درک بهتر عملکرد کمپرسورهای پیستونی، نمودار فشار – حجم یا همان نمودار p–V مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نمودارها تغییرات فشار و حجم را در طول یک سیکل کاری کمپرسور نشان می‌دهند.
در نمودار تئوری، حجم کورس پیستون یعنی همان حجمی که پیستون در طول مرحله مکش جابه‌جا می‌کند، مشخص می‌شود. همچنین مفهومی به نام ضریب مجاز حجمی وجود دارد که به حجم باقی‌مانده در بالای پیستون و زیر شیرهای ورودی و خروجی اشاره دارد. این حجم باید از نظر مکانیکی ثابت بماند و وجود آن باعث می‌شود که مقداری از هوا در سیلندر باقی بماند و در سیکل بعدی منبسط شود.
اما در عمل، نمودار واقعی فشار – حجم با نمودار تئوری تفاوت دارد. این تفاوت‌ها به دلیل عوامل متعددی به وجود می‌آیند:
-
شیرها یا ولوها هیچ‌گاه به طور کامل آب‌بندی نمی‌شوند و مقداری نشتی اجتناب‌ناپذیر است.
-
باز و بسته شدن شیرها با تاخیر انجام می‌شود و همین موضوع موجب افت راندمان می‌گردد.
-
هنگام عبور جریان گاز از شیرها، افت فشار رخ می‌دهد.
-
همچنین زمانی که گاز به داخل سیلندر وارد می‌شود، دمای آن افزایش می‌یابد و همین گرم شدن، تفاوت بیشتری بین شرایط واقعی و ایده‌آل ایجاد می‌کند.
راندمان و عوامل تأثیرگذار
در کمپرسورهای جابجایی مثبت راندمان حجمی و راندمان کلی دستگاه از اهمیت بالایی برخوردار است. راندمان حجمی نشان می‌دهد چه میزان از حجم تئوری محاسبه‌شده در واقعیت وارد سیلندر می‌شود. وجود حجم مرده یا کلیرانس، نشتی‌ها و افزایش دما باعث کاهش راندمان حجمی می‌شوند.
از سوی دیگر، راندمان کلی دستگاه به عواملی مانند طراحی مکانیکی، کیفیت ساخت و میزان اصطکاک در اجزای متحرک بستگی دارد. اگر اجزای کمپرسور به خوبی آب‌بندی نشده باشند یا نگهداری دستگاه مناسب نباشد، میزان انرژی مصرفی افزایش یافته و کارایی دستگاه کاهش پیدا می‌کند.
تفاوت شرایط واقعی و تئوری
نکته مهمی که باید در کمپرسورهای جابجایی مثبت در نظر گرفت، تفاوت میان عملکرد واقعی و ایده‌آل است. در شرایط ایده‌آل فرض می‌شود که هیچ‌گونه نشتی، تاخیر یا افت فشار وجود ندارد و گاز به صورت هم‌دمایی فشرده می‌شود. اما در عمل همیشه مقدار بیشتری کار و انرژی برای تراکم لازم است، زیرا فرآیند واقعی به صورت ایزنتروپیک یا نزدیک به آن رخ می‌دهد که در آن دما افزایش پیدا می‌کند. بنابراین، کار مورد نیاز برای تراکم واقعی همواره بیشتر از مقدار ایده‌آل خواهد بود.
کاربردهای صنعتی کمپرسورهای جابجایی مثبت
کمپرسورهای جابجایی مثبت در طیف وسیعی از صنایع حضور دارند. در صنعت نفت و گاز از آن‌ها برای انتقال و ذخیره‌سازی گاز طبیعی استفاده می‌شود. در صنایع شیمیایی و پتروشیمی نقش اساسی در فرآیندهای تولید گازهای مختلف ایفا می‌کنند.
در نیروگاه‌ها، این کمپرسورها وظیفه تأمین هوای فشرده برای سیستم‌های کنترل و ابزار دقیق را بر عهده دارند. در کارگاه‌های صنعتی نیز ابزارهایی مانند دریل‌های بادی و آچارهای پنوماتیک با استفاده از هوای فشرده تولیدشده توسط کمپرسورهای جابجایی مثبت کار می‌کنند. همچنین در سیستم‌های تبرید و تهویه مطبوع، گردش مبرد توسط این کمپرسورها انجام می‌شود که نقشی حیاتی در ایجاد سرمایش دارد.
نتیجه
کمپرسورهای جابجایی مثبت با عملکرد ساده اما بسیار کارآمد خود توانسته‌اند در بسیاری از صنایع جایگاه ویژه‌ای پیدا کنند. از تلمبه‌های دستی گرفته تا کمپرسورهای پیستونی پیشرفته، همه بر یک اصل مشترک استوارند: کاهش حجم برای افزایش فشار. بررسی مفاهیمی مانند نسبت فشار، حجم کورس پیستون، ضریب مجاز حجمی، تفاوت میان نمودار تئوری و واقعی، نقش ولوها، افت فشار، نشتی و افزایش دما همگی برای شناخت دقیق‌تر عملکرد این کمپرسورها ضروری هستند.
با وجود پیشرفت تکنولوژی، کمپرسورهای جابجایی مثبت همچنان به دلیل قابلیت اطمینان، سادگی طراحی و توانایی تولید فشارهای بالا، به عنوان یکی از بهترین انتخاب‌ها در کاربردهای صنعتی و خانگی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
برای مطالعه بیشتر درباره فیزیک، ساختار ماده و کمپرسورها می‌توانید به منابع زیر مراجعه کنید: