کمپرسور اویل فری یا بدون روغن؛ دستگاهی ساده که هنوز در ایران و خاورمیانه توان تولید آن را نداریم.
انصاف نیوز در مطلبی به بررسی ماشینی نسبتا ساده ولی نیازمند دقت بالا در ساخت و طراحی و پرداخت روکش پرداخته است.
کمپرسورها انواع مختلفی دارند و با گازهای مختلفی نیز کار میکنند. از جملهی برخی از مشهورترین گازهایی که با کمپرسور فشرده میشود میتوانیم به گاز خامی که از چاه استخراج میشود اشاره کنیم. گاز خامی که از اعماق زمین استخراج شده فشار پایینی دارد و نه برای انتقال با لوله و نه برای ارسال به واحدهای پتروشیمی مناسب نیست؛ پس با کمک کمپرسور گاز فرآیندی این گاز متراکم شده و به مقاصد مذکور ارسال میشود. مشهورترین گاز دیگری که با آن حسابی سر و کار داریم هوای اطراف ماست و کمپرسورهای هوا از معروفترین و پرکاربردترین کمپرسورهاست. اتفاقا امروز هم با یکی از انواع همین کمپرسور هوا کار داریم.
کمپرسور هوا
کمپرسور هوا چیست؟ اصلا چرا هوای اطراف خود را فشرده میکنیم؟ در طول صد سال گذشته بشر ابزارآلات فراوانی را اختراع کرده است، به طوری که دیگر موضوع و کلمهی اختراع در دهههای گذشته از اهمیت و جذابیت افتاده است. زمانی ادیسون با ثبت اختراعات متعددی از ماشینهایی که با الکتریسیته کار میکنند مشهور شده بود، اما اکنون شرکتهای مختلف و اشخاص با بکارگیری قوهی مهندسی و فیزیک سالیانه ماشینهای فراوانی را اختراع میکنند و این ابزار به کمک انسان برای حل و فصل مشکلات و رفع نیازهایش آمده است. در دورهای که انسان به سرعت نیازهای خود را با خلق ابزارآلات مختلف مرتفع میساخت چندین عنصر طبیعی یار و همراه او بوده اند: الکتریسیته و برق که با کمک آن ابزار الکتریکی خلق شد، آب که با بهرهگیری از نیروی عظیم آن در سدها انرژی تولید کردیم و ماشین آلات هیدرولیک را ساختیم و در نهایت گاز که در مصارف گوناگونی کاربرد دارد و خودروهای گازسوز نیز در ایران رواج محدودی دارد. اما نیروی چهارمی که به کمک ما برای رفع نیازهای صنعتی آمده است هوا بوده است. هوای فشرده در مهندسی بسیار شناخته شده است و ماشینها و ابزارآلات پنوماتیک یا بادی فراوانی مشغول به کارند. از پیچگوشتیهای بادی کوچک در خانه، تا چکشهای پنوماتیک که برای تخریب ساختمان استفاده میشود. همچنین برای مصارف بزرگ و عظیم نیز میتوان به قریب به اتفاق کارخانجات اشاره داشت که از کمپرسور هوا برای تامین هوای کوره، رنگپاشی، همزنی، خنککاری، تمیزکاری، جداسازی، انتقال مواد و در معادن و ساختمانسازی که برای تامین توان دریل واگن پنوماتیک و پرفراتور بادی استفاده میشود.
انواع کمپرسور هوا
کمپرسور هوا انواع متنوعی دارد که با مکانیسمهای مختلف و پیکربندیهای متفاوت کار میکنند. بحث امروز ما متمرکز بر کمپرسوری با نام اسکرو است. کمپرسور روتاری اسکرو که بدون روغن کار میکند و هوای پاک و تمیز برای مصارف حساسی چون پزشکی، داروسازی و ساخت قطعات الکترونیکی فراهم میاورد. اما به اختصار اشاره داشته باشیم که هوای محیط با دو مکانیسم عمومی جابجایی مثبت و دینامیکی فشرده و متراکم میشود. در کمپرسورهای جابجایی مثبت هوا به معنای واقعی کلمه فشرده میشود، چلانده میشود، فضای در اختیارش تنگ میشود تا فشارش افزایش یابد. اما در کمپرسورهای دینامیکی ابتدا سرعت آن در پیچ و خم توربوکمپرسورها افزایش می یابد و بعد انرژی جنبشی ناشی از سرعت بالا از آن گرفته شده به انرژی ذخیرهی فشار تبدیل میشود.
مشهورترین و قدیمیترین کمپرسور جابجایی مثبت کمپرسور پیستونی است. این کمپرسور توان هوادهی پایینتری دارد، یعنی دبی هوای خروجی کمتری نسبت به اکثر مدلهای دیگر دارد و از همین رو مصارف آن محدود به تعمیرگاهها و کارگاههای کوچک است. کمپرسورهای دینامیکی نیز توان فشردهسازی پایینتری دارند، آنها دبی های بسیار عظیمی را ایجاد میکنند که در مخیلهی کمپرسورهای جابجایی مثبت هم نمیگنجد! اما بحث امروز ما که کمپرسور اسکرو است در میانه، نقطهای بهینه برای مصارف صنعتی و معدنی، قرار میگیرد. فشار و ظرفیت هوادهی متوسط، مثلا ۱۰ بار، ۲۰ بار فشار و ۲۰ متر مکعب تا ۴۰ متر مکعب بر دقیقه هوای فشردهی خروجی.
روغن نقشهای متعددی در ماشین آلات بر عهده دارد. روغن کمپرسور با ایجاد فیلمی نازک از روغن بر روی قطعات کمپرسور نه تنها روانکاری میکند، بلکه فاصله میان قطعات را کم کرده و اجازه فرار هوا را نمیدهد. از طرف دیگر ذرات و برادههای خطرناک را از روی سطوح پاک میکند و با خاصیت حرارتی خود در خنککاری هم کمک میکند. روغن کمپرسور مناسب دقیقا مهندسی میشود و ویژگیهای زیر در آن بهینه میگردد:
- گرانرویمناسب: روغن باید در دمای پایین روان باشد و در دمای بالا خاصیت خود را حفظ کند
- پایداریحرارتی: مقاومت در برابر اکسیداسیون و تجزیه حرارتی
- خاصیتضدزنگوضدخوردگی: محافظت از قطعات فلزی در برابر عوامل مخرب
- سازگاریباآببندها: عدم تأثیر منفی بر قطعات لاستیکی و سیل رینگهای کربنی
- مقاومتدربرابرتشکیلرسوب: جلوگیری از تجمع ذرات در قطعات حساس
کمپرسور اویل فری
انواع مختلفی از کمپرسور به شکل بدون روغن کار میکند. برای مثال کمپرسور پیستونی بدون روغن یا کمپرسور دیافراگم داریم که روغنی در داخل محفظهی فشردهسازی نداشته و در نتیجه هوای فشرده خروجی آنها هم تمیز تمیز است. اما این کمپرسورها مشخصات هوای مورد نیاز صنعت، فشار و دبی کافی، را ارضا نمیکند. پس باید راهی یافت تا کمپرسور اسکرو بدون روغن کار کند.
مکانیسم کمپرسور روتاری اسکرو
کمپرسور اسکرو از ۲ روتور نر و مادهی در همتنیده بهره میبرد. هوای ورودی در میان این دو روتور گیر میفتد و با آنها میچرخد و هرچه جلوتر میرود جا تنگتر شده و فشار آن افزایش می یابد. در نهایت هوای فشرده از شیر خروجی کمپرسور تخلیه شده و وارد لولهکشی هوای فشردهی کارخانه یا معدن میشود.
روغن در داخل محفظهی کمپرسور اسکرو روغنی، اصطلاحا کمپرسور اویل اینجکت، سه نقش مهم دارد: روانکاری، پاکسازی و خنککنندگی. سه کارکرد گفته شده بر افزایش بهرهوری کمپرسور تاثیرگذار هستند و در کمپرسور اویل فری باید چارهای اندیشید تا افت بهرهوری مذکور جبران شود. راهکار را شرکتهای سازنده کمپرسور هوای صنعتی در دو تغییر دیده اند:
- کاهش کلیرانس روتورها با دیواره محفظه تراکم
کلیرانس یا فاصله روتورها با دیوارهی سیلندر هر چه بیشتر باشد شاهد فرار هوای فشرده بیشتری به صورت جریان برگشتی خواهیم بود. این مسئله در کمپرسور هوای فشرده اسکرو اویل اینجکت نیز رخ میدهد اما به دلیل تزریق روغن و همچنین بهرهوری کافی قابل صرفه نظر کردن است. این قضیه در مورد کمپرسور هوای فشرده اسکرو اویل فری صادق نیست و ضروری است از هر طریق ممکن از کاهش بهرهوری کمپرسورهای باد صنعتی جلوگیری شود.
این نقطه اولین سختی تولید کمپرسور اویل فری است. سازندگان کمپرسور اسکرو در ایران معمولا از واحد کمپرسور وارداتی استفاده میکنند و در حقیقت تکنولوژی ساخت کمپرسور را نداشته و آن را مونتاژ میکنند. اما آنهایی هم که تراشکاری پیشرفته به کار گرفته و روتور اسکرو ایجاد میکنند، در دستیابی به کلیرانس پایینتر شکست خورده اند. در کمپرسور اویل اینجکت فاصلهی میان روتور نر و ماده بسیار اندک است، ولی هنوز این مقدار به دیوانهکنندهای ناچیز نیست. این فاصله یا اصطلاحا کلیرارنس در حدود ۵۰ تا ۱۵۰ میکرون، یعنی ۰/۰۵ تا ۰/۱۵ میلیمتر است و هرچه کمتر باشد کمپرسور بهتری با بهرهوری و راندمان بالاتر ساخته ایم.
در کمپرسور اسکرو روغنی، روغن فیلم نازکی را بر روی روتورها تشکیل میدهد که گویی به صورت اتوماتیک فاصله را کم کرده است. فاصلهی کمتر یعنی آب بندی بهتر، غایب بزرگ کمپرسور اویل فری است که بایستی با تراشکاری و ماشینکاری پیشرفته تر جبران شود. در کمپرسورهای اسکروی بدون روغن فاصلههای دقیقتری در حد ۲۰ تا ۴۰ میکرون یعنی ۰/۰۲ تا ۰/۰۴ میلیمتر تراشکاری و مهندسی میشود. کران پایین محدودهی کلیرانس روتور برای کمپرسور اسکرو روغنی در ایران همچنان دور از دسترس است، چه برسد به محدودهی مناسب کمپرسور بدون روغن … این مسئله زمانی سختتر خواهد شد که بدانیم برندهای معتبری چون اطلس کوپکو و کمپرسور کایزر کلیرانسی به مراتب کمتر از این محدوده را نیز پیاده میکنند. دقت این فاصله از آن رو اهمیت بسزایی دارد که حتی ذرهای برخورد روتورها با یکدیگر منشا خرابکاری و نابودی کمپرسور، دستگاهی چند میلیارد تومانی، است.
دومین راهکار جبران ضعفهای ناشی از غیبت روغن که سازندگان کمپرسور هوا در پیش گرفته اند از اولی هم پیچیده تر است.
- روکش روتور
در کمپرسور اویل فری عموما از روکشهای تفلون یا مولیبدنوم دی سولفید برای روتورها استفاده می شود. تفلون ترکیبی پلیمری با نام علمی پلی تترا فلوئورو اتیلن یا PTFE است که نخستین بار توسط شرکت دوپونت و با نام تجاری تفلون به بازار عرضه شد. کاربری این دو روکش متفاوت نیز بسته به دمای کار کمپرسور هواست. مولیبدنوم دی سولفید درجه حرارت ذوب بسیار بالاتری داشته و برای کار در دمای بالاتر مناسب است. حال تصور کنید که نیازمند تکنولوژی روکشی هستیم که روکش یکنواخت از موادی حساس، بر روی روتورهای به شدت ظریف و دقیق پیاده سازد.
شرکتهای سازندهی معتبری چون اطلس کوپکو و کمپرسور کایزر انواع دیگری از روکشها را با روشهایی دقیق بر روی روتورهای اسکرو می نشانند. این روشها عبارتند از
۱. اسپری حرارتی که برای روکشهای سرامیکی و کامپوزیتی کاربرد دارد. اسپری حرارتی خود به دو شکل اسپری سرعت بالای سوخت اکسیژنه و اسپری پلاسما انجام میشود و چسبندگی و مقاومت سایشی بالا از مزایای آن است.
۲. اسپری یا کوتینگ پلیمری که برای پلیمرهای مختلفی چون تفلون و دیگر پلیمرهای اصلاحشده با فرمول خاص در اختیار شرکتهای بزرگی چون اطلس کوپکو و اینگرسولرند یا کوبلکوی ژاپن استفاده میشود. مزایای این روش یکنواختی بالا و دقت در ضخامت است.
۳. برای پلیمرها از آبکاری نیکل و فسفر نیز استفاده میشود و سطح یکدست و چسبندگی بهتر برای لایههای بعدی دارد.
۴. پوششدهی خلا که اصطکاک حداقلی، ضخامت بسیار نازک و دقت بالا دارد و فقط برای کمپرسورهای رده بالا استفاده میشود.
۵. اسپری الکترواستاتیک
در کمپرسور اسکرو هوای خشک یا اویل فری گاز به تنهایی و بدون روغن وارد محفظه کمپرسور شده و به هیچ عنوان آغشته به روغن نخواهد شد. چرخدندههای تنظیم کننده (Timing Gear) که عمل همزمانی حرکت (Synchronization)، عدم سایش و برخورد روتورها با یکدیگر و انتقال دور از روتور محرک (نرینه) به روتور متحرک (مادینه) را باعث می شود. به دلیل عدم نشت روغن به محفظه فشار، یاتاقانها و سیستم آببندی در خارج از محفظهی فشار طراحی و نصب شده اند.
معایب کمپرسور هوای فشرده اسکرو اویل فری
در کمپرسور باد صنعتی فوق به دلیل فقدان روغن و عدم خنک کاری دمای سیال قابل تراکم در حین عملیات فشار بالا رفته و بالطبع با توجه به نوع گاز نسبت فشار تقریبا حدود ۳:۱ خواهد شد که این افزایش دمای گاز، احتمال پیچیدگی پوسته و همچنین تماس روتورها با یکدیگر و پوسته را می تواند در پی داشته باشد. لذا مقادیر لقی بین قطعات بایستی به نحو متناسب پیش بینی شود. این کمپرسورها معمولا توانایی تولید فشار بالا را نداشته و برای تامین فشار زیاد (بالاتر از ۱۰ بار و ۶۰ مترمکعب) از نوع چندمرحله ای آن استفاده می شود. از دیگر معایب این تجهیزات راندمان کمتر آنها نسبت به نوع روغنی بوده و به آببندی مناسبی به منظور جلوگیری از نشتی در آنها مورد نیاز است. هزینهی تهیهی یک کمپرسور بدون روغن (به دلیل عملکرد در سرعت بالا) تقریبا دو برابر هم اندازهی خود از نوع روغنی خواهد بود ولی نیازی به جداکنندهی روغن از گاز پروسس ندارند. ورودی سیال باید به گونهای در نظر گرفته شود که احتمال وارد شدن ذرات و گرد و خاک به داخل دستگاه به حداقل برسد. بنابراین وجود یک سیستم ذراتگیری از سیال ورودی بسیار الزامی می باشد. از محدودیت این کمپرسورها، فشار خروجی کمتر نسبت به اویل اینجکت (روغنی) است.
مزایای کمپرسور هوای فشرده اسکرو اویل فری
به خاطر عدم وجود روغن در سیال خروجی، این دستگاهها جذابیت بیشتری برای صنایع دارد و می توان با استفاده از پکیجهای چندمرحلهای (Multi-stage) تولید فشار را در این نوع کمپرسورها افزایش داد. از جمله صنایعی که بسیار به این کمپرسورهای بدون روغن یا اویل فری نیازمندند بایستی به شرکتهای نساجی، غذایی و دارویی اشاره کرد.
کارخانجات نساجی از کمپرسور اسکرو با مکانیسم اویل فری توام با فیلتراسیون پیشرفته بهره میبرند تا جریان هوای فشردهی پایدار و تمیز برقرار باشد. همچنین کمپرسورهای هوای فشردهی برقی در فرآیندهای دیگر تولیدیها و نیز برای کارهای جانبی همچون نظافت تجهیزات، کنترل سیستمهای اتوماتیک و بستهبندی محصولات کاربرد دارد. گفته شد کمپرسور برقی و این بدان معناست که واحدهای تولیدی نساجی نیازمند جریان پایدار برق صنعتی است.
کمپرسور هوا در صنایع دارویی و غذایی نقش حساسی داشته و کیفیت هوای فشردهی مورد استفاده از مسائل حائز اهمیت است. در این کارخانجات هوای فشرده نه فقط برای راه اندازی تجهیزات بادی یا پنوماتیک، همچون بسته بندی و پر کردن بسته ها، که در تماس مستقیم یا غیرمستقیم با مواد خام، ظروف کاربردی و حتی دارو یا مادهی غذایی قرار دارد. از این روست که کیفیت هوای فشرده تاثیری مستقیم بر کیفیت محصول نهایی دارد.
