کمپرسور های سیلندر پیستونی

مقدمه

        یکی از انواع کمپرسور های رایج به کار رفته در سیکل های تبرید تراکمی، کمپرسور سیلندر پیستونی است. می‌توان گفت کمپرسور های سیلندر پیستونی متداول ترین نوع کمپرسور های مورد استفاده در صنعت تبرید می‌باشند. کمپرسور سیلندر پیستونی یا کمپرسور رفت و برگشتی به طور خاص برای مبرد هایی که حجم جا به جایی کمی دارند مناسب هستند. در این مقاله به معرفی کمپرسور سیلندر پیستونی چیلر، طرز کار کمپرسور سیلندر پیستونی، انواع کمپرسور سیلندر پیستونی، تفاوت کمپرسور باز و بسته، بی باری سیلندر کمپرسور برودتی می پردازیم.

کمپرسور سیلندر پیستونی

        کمپرسور های سیلندر پیستونی برودتی، به دلیل سادگی عملکرد و تعمیرات، راندمان های مناسب، بهره برداری نسبتا آسان و شناخته شده در صنعت تبرید، به کار می‌روند. کمپرسور های سیلندر پیستونی در انواع مختلف یک طرفه و دو طرفه موجودند. هرمتیک، سمی هرمتیک و باز از انواع دسته بندی کمپرسور سیلندر پیستونی هستند.

این کمپرسور ها شامل اجزایی مانند شاتون، سیلندر، پیستون، رینگ، سوپاپ های مکش و دیسشارژ، میل لنگ، و ... می‌باشند. چون سطح سوپاپ این نوع کمپرسور ها محدود است، در مبرد های فشار پایین به دلیل زیاد بودن حجم جابه جایی پیستون به ازای ظرفیت تبرید، معمولا از کمپرسور های سیلندر پیستونی استفاده نمی‌شود. از این تجهیزات در سیستم های تبرید آمونیاکی نیز استفاده می‌شود.

        در دهه های اخیر با توجه به رشد و توسعه روز افزون انواع کمپرسور های دیگر، استفاده از این نوع کمپرسور محدود تر شده است.

طرز کار کمپرسور سیلندر پیستونی

        همانطور که به قطعات به کار رفته در کمپرسور های سیلندر پیستونی اشاره شد، این کمپرسور های شامل چند قطعه ای اصلی هستند. پیستون، سیلندر، شاتون، میل لنگ و سوپاپ های مکش و رانش از قطعات اصلی این کمپرسور ها می‌باشند.

       درون هر سیلندر از کمپرسور، یک پیستون، به سمت بالا و پایین حرکت می‌کند. وقتی پیستون در پایین ترین نقطه سیلندر قرار می‌گیرد، گاز مبرد از طریق سوپاپ مکش وارد سیلندر می‌شود. بعد از آن پیستون رو به بالا حرکت می‌کند. با حرکت پیستون رو به بالا حجم سیلندر کاهش پیدا می‌کند. در نتیجه این کاهش حجم، فشار گاز افزایش پیدا می‌کند. گاز با فشار بالا از طریق سوپاپ خروجی کمپرسور خارج می‌شود. پیستون در این کمپرسور ها توسط قطعه ای به نام شاتون به میل لنگ متصل شده است. میل لنگ توسط الکتروموتور به گردش در می‌آید.

در کمپرسور های سیلندر و پیستونی فاصله میان سیلندر و پیستون(در حدود 0.002میلیمتر) باید آب بندی باشد. این کار توسط رینگ انجام می‌شود. رینگ ها در حقیقت حلقه هایی هستند که دور پیستون قرار می‌گیرند. این حلقه ها راه فرار گاز را از میان سیلندر و پیستون می‌بندند. در ادامه فیلم طریقه کارکرد کمپرسور سیلندر پیستونی را مشاهده می‌کنید.

انواع کمپرسور های سیلندر پیستونی

        کمپرسور های سیلندر پیستونی یا رفت و برگشتی بر اساس ویژگی ها و موارد مختلف طبقه بندی می‌شوند. تعداد سیلندر، نوع پوسته کمپرسور و ارتباط کمپرسور با موتور، آرایش سیلندر و نوع محرک کمپرسور از انواع طبقه بندی این کمپرسور ها هستند. البته باید در نظر داشت که کمپرسور رفت و برگشتی، از نظر نوع و آرایش سوپاپ ها، روش روغن کاری، کورس پیستون، نوع میل لنگ و قطر سیلندر، سرعت میل لنگ و پیستون، نوع پیستون و ... نیز با هم تفاوت دارند. در ادامه به بررسی مختصر انواع مهم آن و تفاوت کمپرسور باز و بسته می‌پردازیم.

باز، بسته و نیمه بسته: یکی از انواع طبقه بندی کمپرسور سیلندر پیستونی، طبقه بندی بر اساس نوع پوسته و بدنه کمپرسور و ارتباط کمپرسور و موتور است.

• کمپرسور هرمتیک یا بسته: به طور کلی کمپرسور بسته یا هرمتیک، به مجموع کمپرسور و الکتروموتوری می‌گویند که در یک پوسته و بدنه کاملا بسته و جوش خورده وجود دارد. این کمپرسور ها معمولا در سیستم های کوچک به کار می‌روند. برای استفاده در سیستم های با ظرفیت بیشتر به صورت موازی به کار برده می‌شوند. کمپرسور های هرمتیک با گاز مبرد ورودی خنک می‌شوند.

• کمپرسور سمی هرمتیک یا نیمه بسته: در کمپرسور های نیمه بسته یا سمی هرمتیک الکتروموتور و کمپرسور در یک محفظه قرار دارند. این کمپرسور ها قابلیت دمونتاژ و تعمیرات کامل را دارند. در سیستم های با ظرفیت بیشتر استفاده شده و در چیلر های تراکمی معمول اند. کمپرسور های سمی هرمتیک توسط مبرد ورودی به کمپرسور خنک می‌شوند.

• کمپرسور باز: در این نوع از کمپرسور های سیلندر پیستونی، الکتروموتور و کمپرسور از یکدیگر جدا بوده و توسط تسمه و پولی و یا شفت و کوپلینگ به یکدیگر متصل می‌شوند. کمپرسور های باز به دلیل مشکلات هم محوری شفت ها، عمر کوتاه تسمه ها و مشکلات نشت مبرد کمتر در سیستم تبرید مورد استفاده قرار می‌گیرند. الکتورموتور در این کمپرسور ها توسط مبرد خنک نمی‌شود. این عمل باعث تحمیل نشدن بار گرمایی موتور به سیستم تبرید می‌شود. از کمپرسور های باز در سیکل های تبرید آمونیاکی استفاده می‌شود.

تعداد سیلندر: در کمپرسور های پیستونی از 1 سیلندر تا تعداد سیلندر های بالاتر مثلا 16سیلندر استفاده می‌شود. با توجه به ظرفیت کمپرسور، تعداد سیلندر های هر کمپرسور متفاوت هستند.

نوع آرایش سیلندر: کمپرسور های سیلندر پیستونی ممکن است به صورت عمودی، خورجینی یا V شکل و همچنین W شکل تولید و استفاده شوند. کمپرسور های عمودی معمولا در سیستم های کوچک به کار می‌روند. در این کمپرسور ها با یک بار چرخش میل لنگ، تنها یک بار عمل تراکم صورت می‌گیرد. این تعداد در کمپرسور های خروجینی یا دابلیو شکل بیشتر است.

نوع محرک کمپرسور: کمپرسور های سیلندر پیستونی ممکن است با الکتروموتورو یا موتور احتراقی راه اندازی شوند.

اجزای کمپرسور سیلندر پیستونی

اجزای کمپرسور سیلندر پیستونی به دو بخش اساسی اجزای مکانیکی و الکتریکی تقسیم می‌شوند. در ادامه به بررسی مختصر این بخش ها می‌پردازیم.

اجزای مکانیکی کمپرسور سیلندر پیستونی

سیلندر (Cylinder)

        همانطور که گفته شد، تعداد سیلندر در کمپرسور های سیلندر پیستونی از 1 تا 16 متفاوت است. در کمپرسور های چند سیلندر ممکن است سیلندر ها به صورت خطی، شعاعی، V شکل و یا W شکل تحت زوایایی نسبت به هم قرار بگیرند. این آرایش در کمپرسور های چهار سیلندر و بیشتر معمولا به صورت V یا W طراحی می‌شوند. در این نوع آرایش سیلندر ها، طول کلی کمپرسور کمتر بوده، بالانس بهتری صورت گرفته و البته به چند سر سیلندر نیاز است.

جنس سیلندر: جنس سیلندر کمپرسور ها معمولا از چدن دانه ریز با قابلیت ماشین کاری است. چدن مصرفی در سیلندر کمپرسور ها باید تا حد ممکن فشرده و عاری از خلل و فرج باشد. برای این منظور مقداری نیکل به چدن اضافه می‌شود.

در کمپرسور های کوچک تر معمولا سیلندر با محفظه میل لنگ با هم قالب ریزی می‌شوند.

پیستون (Piston)

        این قطعه در سیلندر جا به جا شده و با آب بندی بدنه پیستون و سیلندر، گاز متراکم شده به سمت سوپاپ دهش می‌رود. پیستون در کمپرسور سیلندر پیستونی معمولا از جنس چدن ریخته گری شده تولید می‌شود. البته در کمپرسور سیلندر پیستونی پیستون ها با جنس آلومینیوم و برنز نیز موجودند. در قطر های زیر 50 میلیمتر پیستون ها دارای شیار روغن بوده و فیلم روغن بین پیستون و سیلندر، و همچنین لقی کم بین این دو قطعه موجب آب بندی می‌شود. در قطر های بالاتر معمولا از دو رینگ جهت آب بندی استفاده می‌شود.

       همانطور که گفته شد در پیستون های قطر بالا، معمولا از دو رینگ استفاده می‌شود. یک رینگ کمپرس و یکی از رینگ ها، رینگ روغن نام دارد. معمولا در پیستون های آلومینیومی در هر سایزی حداقل از یک رینگ کمپرس استفاده می‌شود.

شاتون (connecting rod)

        شاتون رابطی است که پیستون را به میل لنگ متصل می‌کند. شاتون ها از فولاد سخت، برنز، آلومینیوم یا چدن ساخته می‌شوند. شاتون توسط گژن پین به پیستون متصل می‌شود. در انتهای شاتون، دستک هایی دو تکه این قطعه را به یاتاقان موجود روی میل لنگ وصل می‌کنند.

میل لنگ (Crankshaft)

        در کمپرسور سیلندر پیستونی میل لنگ وظیفه انقال حرکت موتور به پیستون را دارد. میل لنگ ها به واسطه شاتون، به پیستون متصل شده و موجب تبدیل حرکت دورانی موتور به حرکت رفت و برگشتی در پیستون می‌شوند.

        میل لنگ در کمپرسور های رفت و برگشتی معمولا از فولاد سخت یا آلیاژ های آهن ساخته می‌شود. یاتاقان های میل لنگ معمولا عبارتند از یاتاقان های ثابت و یاتاقان های متحرک. یاتاقان های متحرک محل قرار گیری شاتون، و یاتاقان های ثابت محل قرار گیری دو سر میل لنگ هستند. سطوح تمام یاتاقان های متحرک روی میل لنگ کاملا صیقلی بوده و اگر از جنس آلومنیوم یا برنز باشند، آبکاری می‌شوند. یاتاقان های متحرک میل لنگ معمولا از نوع لغزشی است. معمولا در یاتاقان های اصلی ثابت از بلبرینگ یا رولبرینگ نیز استفاده می‌شود.

سوپاپ (Valve)

       در طراحی کمپرسور های رفت و برگشتی، طراحی سوپاپ های مکش و رانش تا حد زیادی تعیین کننده طرح کلی کمپرسور است. نوع و نحوه عملکرد سوپاپ ها و جزئیات طراحی سوپاپ های مکش و دیسشارژ در راندمان کلی کمپرسور بسیار موثر است.

        افت فشار اصطکاکی ناشی از جریان بخار از سوپاپ ها معمولا تابعی از سرعت مبرد است. با افزایش سرعت مبرد، افت فشار افزایش می‌یابد. برای به حداقل رساندن این افت فشار، باید سوپاپ حتی المقدور بزرگ ساخته شده و به راحتی باز شود. سوپاپ ها باید طوری طراحی شوند که مبرد در عبور از‌ آنها مسیر مستقیمی را طی کند. عدم رعایت این موارد، باعث افزایش سرعت مبرد بیش از سرعت ماکزیموم می‌شود. در این صورت راندمان حجمی کمپرسور کاهش زیادی می‌یابد. این کاهش راندمان موجب افزایش توان الکتریکی کمپرسور و در حقیقت انرژی مصرفی می‌شود.

       در کارکرد بی نقص و برای دستیابی به بیشترین راندمان، سوپاپ ها باید سریعا بسته شوند. برای رسیدن به حداکثر سرعت بسته شدن سوپاپ ها اشکال مختلفی از آن ساخته شده اند. همچنین از مواد سبک و مقاوم برای رسیدن به این هدف استفاده می‌شود. نوع طراحی و ساخت سوپاپ در کمپرسور باید طوری باشد که فضای مرده سیلندر افزایش نیابد. معمولا در کمپرسور های رفت و برگشتی، در طول کارکرد کمپرسور، سوپاپ دیسشارژ معیوب می‌شود. پر واضح است که سوپاپ دیسشارژ نسبت به سوپاپ مکش، از تنش حرارتی و فشار بیشتری برخوردارند. به واسطه ای این تنش ها، سوپاپس دیسشارژ در معرض آسیب بیشتری قرار دارد. یک منفذ 0.025 میلیمتری بین سوپا و صفحه ی سوپاپ (ولو شیت) کافی است تا عملکرد سوپاپ مختل شود.

انواع سوپاپ در کمپرسور سیلندر پیستونی

       به طور کلی سوپاپ های به کار رفته در کمپرسور رفت و برگشتی چیلر را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد:

• سوپاپ پاپت (Poppet)
• سوپاپ حلقوی
• سوپاپ ارتجاعی

سوپاپ پاپت: این نوع از سوپاپ ها مشابه سوپاپ های اتومبیل بوده و از اولین سوپاپ های به کار رفته در سیکل های تبرید است. سوپاپ های پاپت با شکل قارچی خود به صورت عمود بر نشیمنگاه(سیت) حرکت می‌کنند. این سوپاپ ها به دلیل سرعت پایین، تنها در بعضی از کمپرسور های کم سرعت به کار می‌روند. از مزیت های این سوپاپ می‌توان به عدم افزایش حجم مرده کمپرسور اشاره کرد.

سوپاپ حلقه ای: از یک نشیمن گاه سوپاپ(سیت) یک یا چند حلقه و یک نگه دارنده تشکیل شده است. حلقه ها به وسیله فنر های سوپاپ روی نشیمن گاه خود نگه داشته می‌شوند. این فنر ها به بسته شدن سریعتر سوپاپ ها کمک می‌کنند. وظیفه نگه دارنده، نگه داشتن فنر سوپاپ در محل خود و محدود کردن حرکت سوپاپ است. نوعی از سوپاپ های حلقه ای اصلاح شده، سوپاپ های دیسکی هستند.

سوپاپ های ارتجاعی: سوپاپ های ارتجاعی تا حد زیادی با دو نوع دیگر متفاوت هستند. این سوپاپ ها از تیغه های بسیار سبک استفاده می‌کنند. به این واسطه عبور سایشی مبرد کاهش پیدا کرده و راندمان افزایش می‌یابد. در تمام کمپرسور هایی که از این نوع سوپاپ استفاده می‌کنند حجم مرده افزایش پیدا می‌کند. یکی از انواع این سوپاپ که در کمپرسور های کوچکتر به طور گسترده استفاده می‌شود، سوپاپ flapper نام دارد. این سوپاپ یک تیغه نازک است که معمولا یک طرف آن به طور ثابت بسته شده است. طرف دیگر سوپاپ آزادانه روی نشیمن گاه حرکت می‌کند.

اجزای الکتریکی کمپرسور رفت و برگشتی

در کمپرسور سیلندر پیستونی، اجزای الکتریکی مختلفی وجود دارد. مهم ترین بخش این اجزا، الکتروموتور، که شامل روتور و استاتور است است. کمپرسور های سیلندر پیستونی همچنین ممکن است شامل تجهیزات حفاظتی الکتروموتور مانند اورلد و ... نیز باشند.

دیگر اجزای کمپرسور سیلندر پیستونی

کاسه نمد میل لنگ :

واشر ها: هنگام مونتاژ و دمونتاژ اجزای کمپرسور، محل های اتصالی که به بیرون راه دارند باید کاملا آب بندی شوند. باید توجه که هیچ گونه نشت مبردی صورت نگیرد. جهت آب بندی این محل ها از واشر استفاده می‌شود. واشر ها باید خواص ویژه ای داشته باشند. واشر مناسب نباید با مبرد واکنش شیمیایی نشان دهد. عدم واکنش واشر با روغن نیز از دیگر ویژگی های واشر مناسب است. واشر کمپرسرو سیلندر پیستونی باید از جنسی ساخته شود که بدون تغییر حالت دائمی، قابل فشرده شدن باشد. ابعاد و اندازه واشر ها در مقابل افزایش درجه حرارت نباید زیاد شود. بهتر است ضریب انبساط واشر ها تقریبا معادل ضریب انبساط اجزای کمپرسور انتخاب شود.

        جنس واشر ها ممکن است از چوب پنبه، کاغذ نسوز، تفلون، پی تی اف، سرب، لاستیک و یا آلومینیوم باشد. مهمترین واشر به کار رفته در کمپرسور سیلندر پیستونی، در سر سیلندر این تجهیزات نصب می‌شود. اگر قطر واشر ها بیش از مقدار معین باشد، راندمان حجمی کمپرسور کاهش می‌یابد.

مافلر یا صداخفه کن: مافلر یا صدا خفه کن در کمپرسور های سیلندر پیستونی کوچک معمولا درون پوسته کمپرسور قرار می‌گیرد. همانطور که از نام آن پیداست، وظیفه ای این تجهیز، کاهش نویز و پالس های تپشی ناشی از کار کمپرسور است. این وسیله یک استوانه تو خالی بوده که درون آن یک تیغه ( یا بفل) دارای سوراخ، وجود دارد. اساس کار مافلر بر اساس اصل برنولی است و با افزایش ناگهانی حجم، صدا را کاهش می‌دهد. مافلرها همچنین به صورت جداگانه نیز در دسترس بوده و بنا به نیاز در سیکل تبرید نصب می‌شوند.

مزایا و معایب کمپرسور سینلدر پیستونی

مزایای کمپرسور سیلندر پیستونی:

• طراحی ساده
• نصب تقریبا آسان
• هزینه های نگهداری و تعمیرات پایین
• عمر طولانی
• توانایی متراکم کردن رنج عظیمی از گازهای مبرد
• قیمت به نسبت ارزان

معایب کمپرسور سیلندر پیستونی:

• بزرگ بودن ابعاد نسبت به ظرفیت
• حساس بودن در مقابل ورود ناخالصی و مایع مبرد
• کارکرد با لرزش و نویز بالا
• راندمان های پایین
• قطعات متحرک زیاد

خنک کردن کمپرسور سیلندر پیستونی

        کمپرسور های سیلندر پیستونی به علت اصطکاک بین قطعات داخلی و افزایش دمای ناشی از تراکم گاز مبرد، گرم می‌شوند. حرارت زیاد موجب از دست دادن کیفیت روغن می‌شود. همچنین برای پیشگیری از کاهش راندمان کمپرسور رفت و برگشتی و آسیب ندیدن قطعات کمپرسور، باید حرارت کمپرسور را کاهش داد. روغن کمپرسور، وظیفه خنک کاری قطعات و انتقال حرارت قطعات را بر عهده دارد. در گذشته کمپرسور های قدیمی در سایز کوچک، دارای یک بدنه پرده دار جهت خنک کاری روغن بودند. اکنون عمده کمپرسور های سیلندر پیستونی به وسیله ی گاز مبرد برگشتی به کمپرسور خنک می‌شوند.

روغن کاری کمپرسور سیلندر پیستونی

        همانطور که گفته شد جهت کارکرد بدون نقص کمپرسور های سیلندر پیستونی و خنک شدن قطعات از روغن کمپرسور استفاده می‌شود. به طور کلی دو روش روغن کاری در کمپرسور های برودتی مشاهده می‌شود.

1. روش پرتابی(Splash)
2. روش فشاری( Force feed)

در سیستم های کم ظرفیت با حرکت چرخشی میل لنگ، روغن موجود در محفظه کارتر به اطراف می‌پاشد. وظیفه این عمل را قطعه ای به نام قاشقک در انتهای میل لنگ انجام می‌دهد.

        در کمپرسور های بزرگ تر به کار رفته در چیلر های تراکمی از یک پمپ مخصوص روغن استفاده می‌شود. در این سیستم ها راه ها و منافذ مخصوصی جهت خنک کاری و روغن کاری قطعات مختلف وجود دارند.

        همیشه در طول کارکرد کمپرسور سیلندر پیستونی مقداری روغن از آن خارج شده و در سیکل تبرید به گردش در می‌آید. در طول کارکرد سیستم تبرید باید توجه داشت که روغن با همان نرخ خارج شده از کمپرسور، به کمپرسور باز گردد. طراحی لوله کشی اصولی موجب بازگشت بی نقص روغن به کمپرسور می‌شود. در برخی موارد ممکن است نیاز به نصب جدا کننده روغن (اویل سپراتور) در خروجی کمپرسور باشد. در صورت تمایل به آشنایی بیشتر با این قطعه مطلب چیلر تراکمی و اجزای آن را مطالعه نمایید.

سایت گلاس

        در عمده کمپرسور های سیکل تبرید، یک سایت گلاس یا شیشه رویت برای اطلاع از سطح روغن کمپرسور وجود دارد. علاوه بر بازدید و بررسی چشمی سطح روغن، کنترل کننده های دیگری نیز سطح روغن کمپرسور و کارکرد صحیح پمپ روغن را مورد بررسی قرار می‌دهند. در کمپرسور های سیلندر پیستونی فشار روغن نباید کمتر از 10 psi باشد. بسته به سازنده کمپرسور، سطح روغن مناسب درون سایت گلاس، متفاوت است. عمدتا سطح روغن بین 1/2 تا 3/4 سایت گلاس، مناسب شمرده می‌شود.

هیتر کارتر کمپرسور

        در هنگام خاموش شدن کمپرسور، ویسکوزیته روغن درون کارتر ممکن است افزایش یابد. در این صورت فرایند روغن کاری در ابتدای استارت دستگاه به درستی انجام نمی‌شود. هیتر کارتر در کمپرسور های سیلندر پیستونی، به منظور افزایش دمای روغن کمپرسور تعبیه می‌شود. اهمیت این هیتر همچنین در فلاش نشدن گاز مبرد از روغن و فوم نشدن روغن در کمپرسور است. این مورد در مقاله روغن برودتی به تفصیل بیان شده است. در مقاله کمپرسور منیروپ دانفوس نیز اشاره ای به هیتر کارتر در کمپرسور شده است. مطالعه این مقالات خالی از لطف نیست.

جمع بندی

        پرداختن به کمپرسور های سیلندر پیستونی، فراتر از حجم مطالب آورده شده در این مقاله است. کمپرسور های سیلندر پیستونی به طور گسترده در صنعت تبرید استفاده می‌شوند. در مجله ایران فریون دو مطلب دیگر مرتب با این کمپرسور ها وجود دارد. آنلودر کمپرسور و فرایند های بی بار کردن کمپرسور، و همچین روغن کمپرسور، از مطالب مرتب با این مقاله هستند. لطفا نظرات خود را به اشتراک بگذارید.