توربو کمپرسور چیست و انواع آن کدام اند؟

توسعه محصولات و سیستم‌های بسیار کارآمد برای کاهش قابل‌ توجه مصرف انرژی و انتشار CO2 یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های قرن حاضر است.

گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها به مقادیر زیادی انرژی نیاز دارد و کارشناسان معتقد هستند که پتانسیل قابل‌ توجهی برای بهبود کارایی در چیلرهای تهویه‌مطبوع و پمپ‌های حرارتی برای سرمایش و گرمایش ساختمان وجود دارد.

یکی از سیستم‌های رایج در این مورد، توربو کمپرسورها هستند.

توربو کمپرسور یک نوع کمپرسور دینامیکی است که از یک پروانه چرخان (چرخ توربو) برای شتاب دادن و افزایش سرعت هوا یا گاز استفاده می‌کند که با کاهش یافتن سرعت هوا به فشار تبدیل می‌شود.

کمپرسورهای توربو یک جزء حیاتی در کاربردهای مختلف صنعتی هستند که راه‌حل‌های هوا و گاز فشرده کارآمد و قابل اعتماد را ارائه می‌دهند.

با پیشرفت تکنولوژی، کمپرسورهای توربو برای پاسخگویی به تقاضاهای روبه‌رشد برای کارایی، پایداری محیطی و عملکرد تکامل یافته‌اند.

در این مقاله به اصول عملکرد کمپرسورهای توربو، مزایا و معایب و کاربردهای مختلف آنها می‌پردازیم و همچنین انواع مختلف کمپرسورهای توربو را مورد بحث قرار می‌دهیم.

1# توربو کمپرسور چیست؟

توربو کمپرسور یک کمپرسور هوای جنبشی است که از یک توربین دوار برای فشرده‌سازی گاز و تبدیل آن به گاز پرفشار استفاده می‌کند.

این کمپرسورها موتورها را قادر می‌سازند تا توان خروجی بالایی را بدون تأثیر قابل‌توجهی بر اندازه و وزن موتور تولید کنند.

توربو کمپرسورها نوعی از ماشین‌آلات توربو هستند که عمدتاً برای تولید نیرو استفاده می‌شوند، مانند توربین‌های گازی که در صنعت تولید برق استفاده می‌شوند یا موتورهای هواپیما که برای تأمین نیروی رانش استفاده می‌شوند و آنهایی که معمولاً برای افزایش فشار یک سیال یا گاز انرژی مصرف می‌کنند.

توربو کمپرسورها معمولاً با انرژی گاز کار می‌کنند و بیشتر بر اساس نوع جریانشان دسته بندی می‌شوند.

هنگامی که جریان موازی با محور چرخش باشد، کمپرسورهای جریان محوری نامیده می‌شوند که ستون فشرده‌ای از گاز را تولید می‌کنند و هنگامی که جریان عمود بر محور باشد، به آنها کمپرسورهای شعاعی (گریز از مرکز) گفته می‌شود که در آن گاز با استفاده از نیروی گریز از مرکز به خارج منتقل می‌شود.

کمپرسورهای جریان مخلوط نیز وجود دارند که اجزای محوری و شعاعی را برای تولید جریان مورب ترکیب می‌کنند.

2# اصل کار توربو کمپرسور

روند کار به این صورت است که توربو کمپرسور گاز را از طریق توربین دوار شتاب می‌دهد و از انرژی جنبشی گاز برای رسیدن به تراکم گاز استفاده می‌کند.

کمپرسور توربو معمولاً از چند سطح روتور و استاتور تشکیل شده است.

گاز از طریق ورودی وارد مجموعه تراکم مرحله اول می‌شود و چرخش پر سرعت روتور گاز را تسریع می‌کند و باعث تسریع جریان هوا و کسب انرژی جنبشی و افزایش فشار می‌شود.

سپس جریان هوا در دیفیوزر کاهش می‌یابد و انرژی جنبشی به انرژی فشار تبدیل می‌شود و فشار را بیشتر می‌کند و آن را به مرحله بعدی منتقل می‌کند.

در هر مرحله گاز بیشتر فشرده می‌شود و در نهایت به فشار مورد نیاز می‌رسد.

3# ویژگی‌های توربو کمپرسور

سه ویژگی اصلی کمپرسورهای توربو عبارت‌اند از:

• فشرده‌سازی هوای ورودی
• طراحی پروانه
• فشار تقویت کننده

همانطور که چرخ کمپرسور می‌چرخد، هوای ورودی را می‌گیرد و چگالی آن را افزایش می‌دهد.

از این‌ رو، توربو کمپرسور فشار بوست را ایجاد می‌کند که بر حسب پوند بر اینچ مربع یا PSI اندازه‌گیری می‌شود.

در این کمپرسور، ورودی هوای فشرده به طور قابل‌توجهی توان خروجی موتور را افزایش می‌دهد.

همچنین، طراحی پروانه بسیار مهم است.

این شامل طراحی و محفظه چرخ کمپرسور است که باید برای فشرده‌سازی مؤثر هوا، مهندسی شود.

به‌ علاوه، طراحی باید جریان هوا را بهینه کند و از ایجاد گرمای بیش از حد جلوگیری کند.

هنگام مقایسه انواع مختلف توربو کمپرسورها، توجه به چندین فاکتور از جمله موارد زیر ضروری است:

• اصول کار
• عملکرد
• قابلیت‌های فشار
• کیفیت هوای فشرده
• راندمان
• هزینه
• نیازهای تعمیر و نگهداری
• سطوح نویز و کاربردها

4# انواع توربو کمپرسور

توربو کمپرسورها با توجه به ساختار و روند انجام کار، انواع مختلفی دارند که این انواع به شرح زیر هستند:

1-4# توربو کمپرسور گریز از مرکز

این نوع کمپرسور از یک پروانه چرخان برای افزایش سرعت هوا استفاده می‌کند که در مرحله دوم در دیفیوزر به فشار تبدیل می‌شود و به‌دلیل عملکرد بالا، برای کاربردهای متوسط تا بزرگ مناسب است.

با توجه به این‌که می‌تواند به فشار بالا دست یابد، برای کاربردهای فشار متوسط تا بالا مناسب می‌باشد.

به طور گسترده در HVAC، تبرید و فرایندهای صنعتی استفاده می‌شود.

نتیجه هوا یا گاز فشرده در این نوع به‌ویژه در طرح‌های بدون روغن با کیفیت بالا تولید می‌شود.

توربو کمپرسور گریز از مرکز در عملیات مداوم بسیار کارآمد است و بسته به اندازه و کاربرد، هزینه اولیه متوسط تا زیاد و تعمیر و نگهداری کم تا متوسط (به‌ویژه در مدل‌های بدون روغن) را ارائه می‌دهد.

سطوح نویز متوسط این کمپرسور را می‌توان با طراحی مناسب کاهش داد.

2-4# کمپرسور توربو محوری

این نوع کمپرسور، هوا را در یک خط مستقیم از طریق یک سری پره‌های جریان محوری فشرده می‌کند و به خاطر عملکرد بالا برای کاربردهای در مقیاس بزرگ، به‌ویژه در صنعت تولید برق مناسب می‌باشد.

کمپرسور محوری قادر به دستیابی به فشارهای بسیار بالا است که این برای مصارف صنعتی بزرگ، ایده‌آل است.

به‌ دلیل هوا یا گاز با کیفیت بالا، اغلب در کاربردهای حیاتی که نیاز به خلوص دارند، استفاده می‌شود.

در کاربردهای مقیاس بزرگ بسیار کارآمد است؛ اما ممکن است به قدرت بیشتری نیاز داشته باشد.

به دلیل طراحی پیچیده و مقیاس بزرگ، هزینه اولیه بالا دارد و دستگاه به تعمیر و نگهداری منظم نیازمند است.

این کمپرسورها، به‌خصوص در سرعت‌های بالا می‌توانند نویز داشته باشند و نیاز به عایق صدا دارند.

این نوع توربو کمپرسور، در نیروگاه‌های بزرگ، موتورهای هواپیما و تنظیمات صنعتی در مقیاس بزرگ رایج است.

3-4# کمپرسور توربو رادیال

کمپرسور رادیال از یک پروانه چرخان برای هدایت شعاعی هوا به بیرون استفاده می‌کند و سرعت را به فشار تبدیل می‌نماید.

عملکرد متوسط تا بالا دارد که برای برنامه‌های فشرده، ایده‌آل است؛ ولی به طور معمول فشار کمتری تولید می‌کند که برای نیازهای فشار کم تا متوسط مناسب‌تر است.

کیفیت هوا یا گاز خوبی را فراهم می‌کند؛ اما ممکن است نیاز به فیلتر اضافی داشته باشد.

در کاربردهای خاص کارآمد است، اگرچه ممکن است در شرایط غیربهینه راندمان کاهش یابد.

با توجه به هزینه کمتر تعمیر و نگهداری کم، برای کاربردهای کوچک‌تر با طرح ساده از جمله توربوشارژرهای خودرو و فرایندهای صنعتی در مقیاس کوچک ایده‌آل می‌باشد.

به‌طورکلی ساکت‌تر از بقیه مدل‌ها می‌باشد که برای محیط‌های حساس به نویز کاربری فراوانی دارد.

4-4# توربو کمپرسور جریان مخلوط

این نوع کمپرسور جریان محوری و شعاعی را با هم ترکیب می‌کند و هوا را با زاویه‌ای هدایت می‌کند تا فشرده شود.

با توجه به عملکرد همه کاره برای فشار و نیازهای جریان متفاوت، مناسب است و بسته به طراحی می‌تواند فشارهای متوسط تا زیاد ایجاد کند.

کیفیت هوا یا گاز خروجی به‌ویژه در طرح‌های هیبریدی که از فناوری بدون روغن استفاده می‌کنند، خوب است.

این سیستم‌ها کارایی را با تطبیق پذیری متعادل می‌کند.

بسته به کاربرد و طراحی، هزینه اجرا و نگهداری متوسط دارند.

کمپرسور جریان مخلوط در کاربردهایی که نیاز به تعادل بین ویژگی‌های کمپرسور محوری و شعاعی دارند، مانند سیستم‌های تخصصی HVAC استفاده می‌شود.

5# مزایای توربو کمپرسور

توربو کمپرسورها دارای مزایای متعددی نسبت به انواع دیگر کمپرسورها هستند که آنها را در بسیاری از کاربردهای صنعتی به انتخابی ارجح تبدیل می‌کند:

• راندمان بالا: کمپرسورهای توربو به دلیل راندمان بالا به‌ویژه در کاربردهای صنعتی در مقیاس بزرگ شناخته می‌شوند.
  فرایند تراکم پویا امکان تولید هوا یا گاز پرفشار با انرژی ورودی نسبتاً کم را فراهم می‌کند.
• طراحی فشرده: طراحی فشرده و مستحکم توربو کمپرسورها، آنها را برای محیط‌هایی با محدودیت فضا مناسب می‌کند که باوجود ردپای کوچکشان، عملکرد قدرتمندی ارائه می‌دهند.
• عملکرد بدون روغن: بسیاری از کمپرسورهای توربو مدرن بدون نیاز به روغن کار می‌کنند.
  این امر خطر آلودگی نفت را در هوای فشرده یا گاز که در صنایعی مانند تولید مواد غذایی و نوشیدنی، داروسازی و تولید لوازم الکترونیکی حیاتی است، حذف می‌کند.
  همچنین در سیستم‌های HVAC بسیار کاربرد دارد.
• تعمیر و نگهداری کم: طراحی ساده، به‌ویژه در مدل‌های بدون روغن، نیاز به تعمیر و نگهداری منظم را کاهش می‌دهد.
  با قطعات متحرک کمتر، احتمال سایش و پارگی به حداقل می‌رسد و منجر به فواصل سرویس طولانی‌تر و هزینه‌های نگهداری کمتر می‌شود.
• عملکرد بی صدا: عموماً توربو کمپرسورها بی‌صداتر از سایر انواع کمپرسور هستند و برای استفاده در محیط‌های حساس به نویز مناسب هستند.
• مزایای زیست‌محیطی: استفاده از مبردهای طبیعی مانند پروپان در برخی از کمپرسورهای توربو، اثرات زیست‌محیطی را کاهش می‌دهد؛ زیرا این مواد مشمول مقررات گازهای F-F نمی‌شوند و به انتشار مضر کمک نمی‌کنند.

6# معایب کمپرسورهای توربو

درحالی‌که توربو کمپرسورها مزایای زیادی دارند، معایبی نیز دارند که باید در نظر گرفته شوند:

• هزینه اولیه بالا: کمپرسورهای توربو در مقایسه با انواع دیگر کمپرسورها می‌توانند گران‌تر باشند.
  تکنولوژی پیشرفته و مواد به‌کاررفته در ساخت آنها به هزینه بالاتر منجر می‌شود.
• پیچیدگی: دقت و مهندسی موردنیاز برای ساخت و نگهداری کمپرسورهای توربو می‌تواند کارکرد و تعمیر آن‌ها را پیچیده‌تر کند.
  این پیچیدگی ممکن است به آموزش تخصصی برای اپراتورها و تکنسین‌ها نیاز داشته باشد.
• پتانسیل برای نوسان کمپرسور: کمپرسورهای توربو می‌توانند مستعد نوسانات باشند، شرایطی که کمپرسور نمی‌تواند جریان هوا را کنترل کند و منجر به نوسانات فشار و آسیب احتمالی می‌شود.
  با این‌ حال، سازندگانی وجود دارند که با استفاده از یک شیر بای‌پس کنترل‌شده توسط کنترل‌کننده، برای جلوگیری از افزایش سرعت، به این مشکل پرداخته‌اند.
• محدوده کاری تعریف شده: توربو کمپرسورها معمولاً برای محدوده فشار و جریان خاص طراحی می‌شوند که ممکن است تطبیق‌پذیری آنها را در کاربردهای خاص محدود کند.

7# کاربردهای کمپرسورهای توربو

توربو کمپرسور به دلیل توانایی در ارائه تراکم با راندمان بالا برای کاربردهای مختلف، جزء لاینفک مجموعه‌ای از صنایع هستند.

در اینجا برخی از زمینه‌های کلیدی که در آنها معمولاً از این کمپرسورها استفاده می‌شود، آورده شده است:

1-7# تولید صنعتی

کمپرسورهای توربو، هوا یا گاز پرفشار موردنیاز برای تأمین انرژی ابزارهای پنوماتیک، هدایت نوار نقاله‌ها و کارکرد سایر ماشین‌آلات صنعتی را فراهم می‌کنند.

این سیستم‌ها فرایندهای تولید روان و کارآمد را تضمین می‌نمایند.

2-7# سیستم‌های تهویه‌ مطبوع

در چیلرهای هوا خنک و آب خنک، کمپرسورهای توربو با فشرده‌سازی مبردهایی مانند پروپان نقش مهمی ایفا می‌کنند.

این فرایند فشرده‌سازی برای تسهیل خنک سازی، خواه خنک کننده هوا در ساختمان‌های تجاری بزرگ باشد یا آب در سیستم‌های خنک‌کننده صنعتی ضروری است.

کارایی آنها در این کاربردها به حفظ کنترل دمای مطلوب و بهره‌وری انرژی کمک می‌کند.

3-7# بخش انرژی

توربو کمپرسورها در صنعت انرژی، به‌ویژه در پردازش و انتقال گاز، حیاتی هستند.

آنها برای فشرده‌سازی گاز طبیعی استفاده می‌شوند و امکان انتقال آن را از طریق خطوط لوله در فواصل طولانی فراهم می‌کنند.

به طور معمول، قابلیت اطمینان و کارایی آنها را در این بخش ضروری می‌کند.

4-7# صنعت خودرو

توربوشارژرها که دارای کمپرسورهای توربو هستند، در وسایل نقلیه برای افزایش کارایی موتور استفاده می‌شوند.

توربوشارژرها با فشرده کردن هوا در محفظه احتراق موتور، توان خروجی و راندمان سوخت را افزایش می‌دهند و آنها را به انتخابی محبوب در مهندسی خودروی مدرن تبدیل می‌کنند.

5-7# فراوری شیمیایی

در کارخانه‌های شیمیایی، کمپرسورهای توربو برای کنترل و فشرده‌سازی گازهای مختلف از جمله هوا، هیدروژن و سایر گازهای واکنش‌پذیر یا بی‌اثر استفاده می‌شوند.

کنترل دقیق و توانایی آنها در مدیریت فشارهای بالا آنها را برای کاربردهای حیاتی در صنایع شیمیایی مناسب می‌کند.

در هر یک از این کاربردها، توربو کمپرسورها راه‌حل‌های مناسبی را ارائه می‌کنند که نیازهای خاص را برآورده می‌کنند، خواه کنترل دقیق دما در سیستم‌های HVAC یا اطمینان از استفاده کارآمد انرژی در کاربردهای صنعتی و خودرویی باشد.

8# معیارهای انتخاب توربو کمپرسور

هنگام انتخاب یک توربو کمپرسور، چندین معیار باید در نظر گرفته شود تا اطمینان حاصل شود که نیازهای خاص برنامه را برآورده می‌کند:

• الزامات فشار: سطوح فشار موردنیاز را برای کاربرد خود تعیین کنید و کمپرسوری را انتخاب کنید که بتواند این نیازها را برآورده کند.
• کیفیت هوا یا گاز: اهمیت کیفیت هوا را در فرایند خود در نظر بگیرید.
  برای کاربردهایی که باید از آلودگی اجتناب شود، یک توربو کمپرسور بدون روغن ایده‌آل است.
• کارایی: کارایی انرژی کمپرسور را ارزیابی کنید.
  مدل‌های با راندمان بالا، مانند کمپرسور توربو پروپان، می‌توانند هزینه‌های عملیاتی و مصرف انرژی را کاهش دهند.
• تعمیر و نگهداری: الزامات تعمیر و نگهداری را در نظر بگیرید و در صورت نگرانی کمپرسوری با حداقل نیاز به تعمیر و نگهداری انتخاب کنید.
• هزینه: هنگام انتخاب کمپرسور، هم هزینه اولیه و هم هزینه‌های عملیاتی بلند مدت را در نظر بگیرید.
• تأثیر محیطی: اثرات زیست‌محیطی کمپرسور از جمله مبرد و مصرف انرژی آن را ارزیابی کنید.

9# راه اندازی توربو کمپرسور

در حین راه اندازی، یک توربو کمپرسور زمانی راه‌اندازی می‌شود که تمام لوازم جانبی و تجهیزات برقی متصل و آماده باشند.

با حرکت دما به سمت سطح عملیاتی، تراز باید نظارت شود.

هرگونه تغییر تراز باید به‌درستی مستند و در صورت لزوم تصحیح شود.

این گام به‌عنوان تراز گرم شناخته می‌شود، اگرچه تراز در دمای عملیاتی نام بهتری برای آن است.

در هفته‌های اول عملیات، تمام تجهیزات نظارتی و حسگرها باید برای تعیین امضای پارامترهایی مانند دما و لرزش مشاهده شوند.

این به‌ عنوان پایه‌ای برای نظارت بر وضعیت استفاده می‌شود و نقش عمده‌ای در راندمان و عملکرد کلی واحد دارد.

گاهی اوقات، تیم مهندسی و سازندگان تجهیزات به‌اندازه کافی محدودیت‌های پاکت عملیاتی را به تیم عملیات ابلاغ نمی‌کنند.

در بسیاری از موارد، منحنی عملکرد ارائه شده نادرست است.

در صورت بروز چنین نادرستی ممکن است علت اصلی مشکل زمانی باشد که نقطه عملیاتی خیلی نزدیک به خط موج یا خیلی نزدیک به انتهای منحنی باشد.

گاهی اوقات، منحنی عملکرد توربو کمپرسور ارائه شده می‌تواند به شدت نادرست باشد؛ به‌ عنوان‌ مثال، عملکرد طولانی مدت در انتهای منحنی در ناحیه چوک یا دیوار سنگی به طور منطقی امکان پذیر نیست.

کارکرد کمپرسور در خارج از محدوده عملیاتی تعریف شده خطر دیگری است.

به‌ عنوان‌ مثال، این می‌تواند به دلیل فشارهای تولیدی و عملیاتی اتفاق بیفتد. اجتناب از چنین حالتی از عملکرد مهم است.

در بسیاری از موارد، عملیات خارج از پوشش مجاز عاملی است که می‌تواند به‌طورجدی بر قابلیت اطمینان و عمر تجهیزات تأثیر بگذارد.

بنابراین، نقطه عملیاتی باید تاحدامکان به بهترین نقطه بازده (BEP) نزدیک باشد تا بالاترین راندمان ممکن را دریافت کند و تأثیر بر قابلیت اطمینان را به حداقل برساند.

همه کمپرسورها در هنگام کار کردن با طراحی غیرمعمول (خارج از درجه‌بندی)، به‌دوراز BEP، افزایش دمای کاری را تجربه خواهند کرد. در بیشتر موارد، دمای عملیاتی دارای حد بالایی است.

سخن آخر

توربو کمپرسورها موتورها را قادر می‌سازند تا توان خروجی بالایی تولید کنند بدون اینکه بر اندازه و وزن موتور تأثیر بگذارند.

انواع مختلفی از کمپرسورها نیز وجود دارند که هر کدام مزایا و معایبی دارند.

بسته به ساختار و خروجی، توربو کمپرسورها می‌تواند کاربردهای مختلفی در صنایع داشته باشند.

صنایع شیمیایی، سیستم‌های تهویه مطبوع و خودرو رایج‌ترین کاربردها هستند.

روند توسعه در کمپرسورهای توربو بر بهبود راندمان، کاهش اثرات زیست‌محیطی و افزایش قابلیت اطمینان متمرکز است.

تولیدکنندگان به طور فزاینده‌ای شروع به استفاده از مبردهای طبیعی مانند پروپان برای رعایت مقررات زیست‌محیطی و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای می‌کنند.

پیشرفت در مواد و طراحی، مانند یاتاقان‌های دینامیک گاز، همچنین منجر به کمپرسورهای کارآمدتر و قابل‌اعتمادتر می‌شود.

علاوه بر این، تأکید فزاینده‌ای بر توسعه کمپرسورهای فشرده و کم تعمیر که می‌توانند در کاربردهای صنعتی مختلف بدون به خطر انداختن عملکرد کار کنند، وجود دارد.