دنیای مهندسی، دنیای شگفتی‌هاست. قوانین حاکم بر مهندسی و مخصوصا مهندسی مکانیک از دوره‌ی انقلاب صنعتی تا کنون به نحوی دنیا را تکان داده‌اند. ترمودینامیک و مکانیک سیالات یکی از این شاخه‌های پرکاربرد بوده‌اند که تاثیر زیادی بر تکنولوژی‌های مدرن بشر داشته‌اند.
شمار تکنولوژی‌هایی که با استفاده از علم مکانیک توسعه پیدا کرده‌اند و برای بشر امروزی راحتی و رفاه را تامین کرده‌اند و در استفاده و حتی تولید انرژی نقش دارند از عدد و رقم خارج است. کمپرسور یکی از این اختراعات میباشد که با استفاده از علم مکانیک سیالات و به طور کلی قوانین مکانیک ساخته شده و کار می‌کند.
قبل از هر چیز به تعریف کمپرسور خواهیم پرداخت:
کمپرسور چیست و چگونه کار می‌کند؟
کمپرسور یک وسیله‌ی مکانیکی است که فشار یک گاز را به وسیله‌ی کاهش حجم آن افزایش می‌دهد. طبق قوانین ترمودینامیک در دمای ثابت با کاهش حجم فشار سیال افزایش می‌یاید و کمپرسور از این قاعده برای تغییر فشار استفاده می‌کند. هوا پراستفاده‌ترین گاز در کمپرسورها میباشد و بعد از آن اکسیژن و نیتروژن و سایر گازهای صنعتی بیشترین میزان استفاده را دارند. سایر گازها با توجه به نیاز صنایع مختلف در کمپرسورها به کار گرفته می‌شوند.
کمپرسورها شباهت زیادی به پمپ‌ها دارند. با این تفاوت که پمپ‌ها برای افزایش فشار مایعات کارکرد دارند و با استفاده از پمپ می‌توان یک سیال را در راستای یک لوله به حرکت درآورد.
گازها برخلاف مایعات تراکم‌پذیرند و کمپرسور می‌تواند حجم گاز را تغییر دهد و با این مکانیزم می‌تواند فشار را افزایش دهد. اما مایعات به دلیل غیرقابل‌تراکم بودن با تغییرات سرعت و با توجه به قاعده‌ی برنولی فشار را تغییر می‌دهند.
وقتی شما یک گاز را فشرده می‌کنید فشار آن افزایش می‌یابد و انرژی پتانسیل درون آن ذخیره می‌شود. حالا این انرژی می‌تواند بعدها در جایی دیگر به کار گرفته شود و عمده‌ی دلیل استفاده از کمپرسور همین است. در نیروگاه‌ها و سیکل‌های تولید توان افزایش فشار می‌تواند استفاده‌های دیگری هم داشته باشد که در ادامه به آن خواهیم پرداخت
از کمپرسور به عنوان ابزاری برای گرفتن هوا از اتمسفر و فشرده‌سازی و ذخیره‌سازی آن نیز یاد می‌شود. کمپرسورها در حالت کلی به سه نوع مستقیم، محوری و سانتریفیوژی تقسیم می‌شوند که هر کدام کارکرد خود را دارد و با مکانیزم خاص خودشان کار می‌کنند.
اما این سه نوع کمپرسور چه تفاوت‌هایی با هم دارند و در کجا استفاده می‌شوند.
انواع کمپرسور و کاربرد آنها
قوانین دینامیک سیالات اجازه می‌دهد تا شما از روش‌های مختلفی یک وسیله‌ی مرتبط با سیالات را طراحی کنید. این طراحی‌ها از یک قانون تبعیت می‌کنند و در نهایت یک هدف مشخص دارند اما کمیت و کیفیت نتایج آن کاملا با هم فرق دارند. حالا به انواع کمپرسورها خواهیم پرداخت:
کمپرسورهای مستقیم یا جابجایی مستقیم
یک کمپرسور مستقیم سیستمی است که هوا یا سایر گازها را با جابجایی یک عضو دیگر نظیر پیستون متراکم می‌کند. این کار حجم مایع را کاهش می‌دهد و در نتیجه فشار آن افزایش می‌یابد. کمپرسورهای جابجایی مستقیم رایج‌ترین نوع کمپرسور برای کارهای خانگی و مشاغل صنعتی کوچک می‌باشند.
این نوع کمپرسورها یک کانتینر یا محفظه مشخص برای ذخیره سازی هوای فشرده دارند و پیستون‌ها در انواع مختلفی طراحی می‌شوند تا کارایی بهتر و مناسب‌تری داشته باشند.
دقیقا مثل یک موتور احتراقی، این کمپرسورها یک میل‌لنگ، یک میله‌ی ارتباطی و یک پیستون و یک سیلندر به همراه یک شیر تنظیم فشار دارند. بیشتر این کمپرسورها با توجه به ابعاد و کارایی آنها یک محفظه مخصوص هم دارند تا هوا یا گازها را در داخل آن نگهداری کند.
علاوه بر این برای کمپرسورهای هوا در برخی مواقع یک مکنده نیز در نظر می‌گیرند تا کمبود هوا را در داخل کانتینر جبران کند.
کمپرسورهای سانتریفیوژی
این کمپرسورها از یک دیسک یا پروانه استفاده می‌کنند و با چرخش مداوم هوا را به سمت لبه‌ها می‌راند و در نتیجه سرعت گاز را به طرز قابل توجهی افزایش می‌دهد. این نیروی سانتیریفیوژی در ادامه گاز را به دیفیوز یا پخش کننده می‌رساند و این دیفیوزز انرژی جنبشی ناشی از سرعت را به فشار تبدیل می‌کند.
در صنایع نفت و صنایع پتروشیمی و نیروگاه‌های گاز طبیعی از این نوع کمپرسور سانتریفیوژی استفاده می‌شود و می‌توانند فشاری در حدود 70 مگاپاسکال را تولید کنند که بسیار قابل‌توجه میباشد.
کمپرسورهای محوری
کمپرسورهای محوری از تعداد زیادی ایرفویل پنکه مانند ساخته شده است که با چرخش مداوم و تغییر حجم سیال فشار آن را افزایش می‌دهد و سیال را متراکم می‌کند. پنکه‌ها یا ایرفویل‌های موجود در کمپرسور محوری به صورت یک در میان ثابت و متحرک هستند و ایرفویل‌های ثابت یا همان استاتور بیشتر به منظور جهت دهی حرکت سیال کارکرد دارند.
کارکرد این کمپرسورها بیشتر مبتنی بر تعداد طبقات آنها میباشد. و هر چه تعداد این طبقات بیشتر باشد و تعداد روتورها و استاتورها بالاتر برود فشار خروجی نیز بیشتر خواهد بود. البته در نظر داشته باشید که کمپرسورها مصرف کننده‌ِ توان هستند و اگر فشار بیشتری نیاز دارید مسلما توان مصرفی آنها نیز بیشتر خواهد بود.
توان عملکرد کمپرسور
یکی از فاکتورهایی که معمولا در طراحی کمپرسورها استفاده می‌شود قدرت اسب بخار موتور میباشد. در هر صورت این فاکتور نمی‌تواند چندان کارکرد کمپرسور را نشان دهد و به همین دلیل بهتر است از مقدار هوایی که کمپرسور می‌تواند در یک فشار مشخص دریافت کند نیز استفاده کنید.
میزان هوایی که کمپرسور در مدت یک دقیقه می‌تواند دریافت کند را با CFM نشان می‌دهند که همان فوت مکعب بر دقیقه میباشد. چون فشار اتمسفر نقش مهمی را در میزان دریافت هوا دارد پس میزان CFM نیز با فشار اتمسفر تغییر خواهد کرد. میزان رطوبت هوا و دمای هوا هم می‌توانند نقش تعیین‌کننده‌ای در این باره داشته باشند.
برای اینکه بتوان از این فاکتور به درستی استفاده کرد یک واحد استاندارد SCFM در نظر گرفته شده است که میزان دریافت هوا در فشار سطح دریا یعنی 1 اتمسفر و 68 درجه فارنهایت و رطوبت 36 درصد را نشان می‌دهد.
با این توصیف‌ها می‌توان توان عملکرد یک کمپرسور را با دو عامل توان مصرفی اسب بخار آن و استاندارد دریافت هوا تعیین کرد و می‌توان با فرمول مشخص آن برای هر کمپرسور با توجه به قیمت برق میزان هزینه‌های آنها را نیز تعیین کرد.
استفاده‌‌ی کمپرسورها در صنعت
حالا به بخش هیجان‌انگیز مقاله یعنی کاربرد کمپرسور رسیده‌ایم، کمپرسورها استفاده‌های وسیعی در صنعت دارند و حتی برای استفاده‌های خانگی نیز کاربرد دارند. می‌خواهیم بخشی از این استفاده‌ها را برای شما تشریح و توضیح دهیم. ابتدا استفاده‌های آنها در خانه و مشاغل کوچک را بررسی خواهیم کرد و سپس به استفاده‌های صنعتی در مقیاس بزرگتر خواهیم پرداخت:
- پر کردن باد تایرها
ساده‌ترین کاربردی که می‌توان برای خانه‌ها از کمپرسورها نام برد پر کردن تایر ماشین میباشد. همانطور که گفته شده کمپرسورها یک محفظه برای نگهداری هوا دارند و می‌توان با تنظیم فشار تایرهای کم‌باد را تنظیم کرد تا عملکرد مناسبی داشته باشند. درجه فشار موجود روی کمپرسورها می‌تواند در تنظیم دقیق باد تایرها بسیار کارساز باشد.
- نقاشی و سمپاشی
شما برای نقاشی خانه یا ماشین خود به یک کمپرسور در ابعاد نسبتا کوچک نیاز دارید. کمپرسور فشار لازم برای افشانه‌ی رنگ را فراهم می‌کند و کار رنگ کردن بسیار راحت‌تر انجام می‌گیرد. از طرفی اگر مزرعه دارید و دوست دارید آنها را سمپاشی کنید با یک کمپرسور قدرتمند این کار در کمترین زمان ممکن صورت می‌گیرد.
- تمیزکاری تجهیزات
تمیز کردن برخی تجهیزات نظیر داخل ماشین یا وسایل کشاورزی و حتی تمیز کردن خانه و یا باغچه با یک کمپرسور مجهز در زمانی خیلی کمتر انجام می‌گیرد، احتمالا همه‌ی شما کمپرسورهای باد برای جمع کردن برگ‌های خشک شده را دیده‌اید، جالب‌تر این است که این کمپرسورها اصلا وزن زیادی ندارند و کار کردن با آنها چندان سخت نیست.
- برف‌سازی
عمده‌ی برف مصنوعی که در پیست‌های اسکی ساخته می‌شود با استفاده از قابلیت‌های کمپرسورها میباشد. این کمپرسورها فشار هوای مرطوب را به صورت ناگهانی تغییر می‌دهند و با کاهش دمای ناگهانی ذرات برف را تولید مِی‌کنند.
- باد کردن وسایل بادی
دوست دارید توپ فوتبال و یا والیبال خود را باد کنید؟ شما به یک کمپرسور ساده نیاز دارید تا بدون هیچ دردسری این کار را انجام دهید. لوازم پینت‌بال هم از قدرت کمپرسورهای پرفشار و بسیار کوچک استفاده می‌کنند و گاز را با فشار بالا به گلوله‌های رنگی وارد می‌کنند تا با سرعت بالایی شلیک شوند.
- تهویه
تهویه هوای خانه عموما چه با سیستم‌های قدیمی تهویه و چه با سیستم های جدید HVAC نیازمند استفاده از کمپرسور میباشد. بدون کمپرسور امکان ایجاد چرخه برای فعالیت این سیستم وجود ندارد و در حقیقت این کمپرسور است که سیال عامل که همان هوای گرم و سرد و با رطوبت زیاد و کم است را تامین می‌کند و در خانه و یا تاسیسات بزرگتر نظیر مراکز آموزشی و تجاری پخش می‌کند.
- استفاده در مصارف پزشکی
استفاده از باد و کمپرسورهای بادی با دقت بالا و ظرافت لازم در پزشکی و دندانپزشکی کاربرد گسترده‌ای دارد. دندانپزشکان از طریق این کمپرسورها می‌تواند محتوای دخل دندان را بدون ایجاد حالت مکش بیرون کنند و برای جرمگیری و مواردی از این دست نیز کاربرد دارد. پمپ باد یا کمپرسور باد در پزشکی و مخصوصا جراحی‌ها داخلی کاربرد زیادی دارد و استفاده‌های آن برای جراحان در بسیاری از مواقع جزو ملزومات کار میباشد.
اکسیژن موجود در بیمارستان‌ها نیز از طریق کمپرسورها ذخیره و برای بیماران تامین می‌شود.
- تامین فشار در صنایع هوایی و فضایی و دریایی
فشار کابین در هواپیماها و هلی‌کوپترها و یا موارد فضایی نظیر سفینه‌های فضایی از طریق این کمپرسورها تامین می‌شود. برای صنایع دریایی نظیر زیردریایی‌ها و مواردی از این دست هم که تامین فشار بسیار ضروری میباشد از کمپرسورهای با دقت بالا استفاده می‌شود. این کمپرسورها دارای سیکل اتوماتیک هستند و هوای داخل آنها در برخی مواقع بیش از چند ماه استفاده می‌شود.
- توربوشارژرها
توربوشارژرها و سوپرشارژر‌ها نیز از آن دسته مواردی هستند که کارکرد زیادی در صنایع ماشین‌سازی دارند و برای افزایش میزان انتقال جرم به درون سیلندرها از کمپرسورهاِ متناسب با آنها استفاده می‌شود. تامین انرژی بیشتر در مواقع اضطراری یکی از کاربردهایی است که معمولا حضور کمپرسورها در آن الزامی میباشد تا با تغییر فشار بتوان انرژی بیشتری تولید کرد.
استفاده از کمپرسور در صنایع بزرگ و تولید انرژی
کمپرسورها جزء جدانشدنی نیروگاه‌ها و سیکل‌های تولید توان و تبرید تراکمی هستند و بدون کمپرسور هیچ سیکلی تکمیل نمی‌شود. در ادامه به کاربرد این کمپرسورها در صنعت خواهیم پرداخت:
- کمپرسورها در نیروگاه‌ها
در نیروگاه‌های بخار، انرژی حرارتی موجود در بخار آب در توربین بخار تبدیل به توان می‌شود و فشار و دمای آن افت می‌کند. در سیکل‌های گازی هم چنین اتفاقی می‌افتد و وظیفه‌ی تامین این حرارت را نیز بویلرها بر عهده دارند. با این حال بویلرها نیاز دارند تا در فشار بالاتر کار کنند پس باید به نحوی این فشار تامین کرد. این وظیفه بر عهده‌ی کمپرسورها میباشد. کمپرسورهای استفاده شده در نیروگاه‌ها عموما از نوع محوری می‌باشند و ابعاد آنها بسیار بزرگ میباشد.
در حال حاضر شرکت زیمنس تولید‌کننده‌ی برتر این کمپرسورها میباشد و بیشتر نیروگاه‌های جهان و ایران از محصولات این شرکت استفاده می‌کنند.
- صنایع یخچال سازی و تاسیسات
ساخت یخچال و وسایل برودتی که در آنها از سیکل‌های تبرید تراکمی و تبرید جذبی استفاده می‌شود با کمپرسورها امکان‌پذیر است. کمپرسورهای دقیق این محصولات، فشار موردنیاز اواپراتورها را تامین می‌کنند تا در دمای بیشتری مبرد را در داخل سیکل به کار بیندازند. این کمپرسورها معمولا در ابعاد کوچک موجود می‌باشند و از نوع محوری می‌باشند که سرعت بالایی دارند.
برای تاسیسات و سیستم‌های تهویه در مقیاس بزرگتر وجود کمپرسور برای تهویه بسیار ضروری میباشد کاهش فشار یک راه سودمند برای تغییر دما و همچنین حرکت گاز در لوله‌های انتقال هوا میباشد که این کار توسط کمپرسورها انجام می‌گیرد.
نکات کاربردی در کمپرسورهای خانگی
برای کارایی بهینه کمپرسورهای خانگی نیاز است تا نکاتی را رعایت کنید. این نکات به شما کمک می‌کنند تا راحت‌تر از این کمپرسورها استفاده کنید و همچنین میزان دوام و ماندگاری آنها نیز تا حد زیادی افزایش پیدا می‌کند.
- از میزان برق مصرفی کمپرسورها اطمینان حاصل کنید. اگر کمپرسوری نیاز دارید که صرفا برای کارهای خانگی کوچک کارکرد دارد نیاز نیست تا از کمپرسورهای فشار قوی با مصرف برق بالا استفاده کنید.
- اگر نیاز دارید که کمپرسور خود را حمل کنید و استفاده‌های مختلفی از آن داشته باشید بهتر است از نوع پرتابل یا قابل حمل آن استفاده کنید که سبک‌تر هستند و امکان حمل آنها با دست وجود دارد. یا می‌توانید از نوع چرخدار آن هم استفاده کنید که بدون هیچ زحمتی جابجا می‌شوند.
- بر روی کمپرسورها درجه‌ی فشار آنها درج شده است و معمولا با درجه‌ی عقربه‌ای نشان داده می‌شوند. می‌توانید این درجه فشار را روی فشار موردنیاز خود تنظیم کنید و سپس آن را استفاده کنید. در نظر داشته باشید که این فشار، فشار مطلق نمی‌باشد و فشار نسبی است. یعنی نسبت به فشار اتمسفر در شرایط استاندارد سنجیده می‌شود.
- کمپرسورهای خانگی عموما از نوع یک طبقه هستند و نمی‌توانند برای کارهای سنگین‌تر استفاده شوند. داشتن یک کمپرسور خانگی می‌تواند کارهای شما را تا حد زیادی آسان کند.
- از سالم بودن والف یا شیر آن اطمینان حاصل کنید تا در مواقعی که از آن استفاده می‌کنید محفظه‌ی هوا تخلیه نشود و بتوانید مدت زمان زیادی از آن استفاده کنید.
- هنگام کار کردن با کمپرسور پیشنهاد می‌شود که از عینک مخصوص استفاده کنید. این عینک باعث می‌شود تا ذرات گرد و غبار و بقیه‌ی موادی که هنگام اعمال فشار و هوا به آنها در هوا پراکنده می‌شوند وارد چشم شما نشوند. هنگام کار کردن با مواد شیمیایی استفاده از عینک ضروری میباشد.
- کمپرسور را در جای گرم نگهداری نکنید، انبساط گاز در دماهای بالا اتفاق می‌افتد و اگر فشار آن زیاد باشد و دمای نسبتا زیادی نیز در مدتی طولانی به آن اعمال شود امکان ترکیده شدن منبع کمپرسور وجود دارد. دمای اتاق یعنی 25 درجه سانتیگراد بسیار ایده‌آل میباشد و سعی کنید حتی الامکان در این دما نگهداری کنید.
- اگر از شلنگ باد طولانی استفاده می‌کنید سعی کنید حتما از شلنگ مخصوص استفاده کنید تا خم نشود و جلو جریان هوا گرفته نشود. شلنگ باد استاندارد جنس سفت‌تری نسبت به شلنگ‌های معمولی دارد.
- روغن‌کاری قطعات کمپرسور را هر چند مدت یکبار انجام دهید تا در هنگام کار کردن با آنها با مشکل مواجه نشوید.
جمع‌بندی
کمپرسورها جزء جدانشدنی صنعت هستند و هدیه‌ای از دنیای مکانیک هم برای صنایع بزرگ و هم صنایع کوچک و مصارف خانگی میباشد. انواع مختلف کمپرسورها با توجه به کارایی گسترده آن در جاهای مختلفی به کار گرفته شوند. از صنایع دریایی و هوایی و پزشکی گرفته تا کشاورزی و باغبانی ردپایی از کمپرسورها در آنها وجود دارد.
استفاده از کمپرسورها در خانه به شما قدرت عمل زیادی می‌دهد و می‌توانید کارها را در زمان کمتری با کیفیت بالاتری انجام دهید. کمپرسورهای خانگی در انواع ثابت و قابل حمل وجود دارند و بسته به نیاز خود می‌توانید آنها را خریداری کنید.