چکیده: کمپرسور رفت و آمدی (یا رفت و برگشتی)، نوعی کمپرسور جابجایی مثبت است که انرژی مکانیکی را به فشار تبدیل می‌کند. کمپرسور هوا یکی از پرکاربردترین تجهیزات صنعتی است که نقش مهمی در تأمین نیروی محرکه دارد. کمپرسور رفت و آمدی علاوه بر هوا، در فشرده سازی سایر انواع گازها نیز کاربردهای فراوانی دارد. این مقاله با هدف بررسی انواع، اصول عملکرد و ویژگی‌های کمپرسور رفت و آمدی تدوین شده است. همچنین، به منظور مقایسه سریع، مزایا و معایب هر نوع به همراه جدولی از مشخصات فنی انواع کمپرسور رفت و آمدی تهیه و ارائه و در پایان نیز مراجع و منابع مورد استفاده در تهیه مقاله ذکر شده است. به منظور درک بهتر مطلب توسط خواننده، در هر بخش اشکالی مرتبط با موضوع نیز درج شده است.

انواع کمپرسور رفت و آمدی و نحوه کارکرد آن ها:

کمپرسور رفت و آمدی بر اساس مکانیزم فشرده سازی مورد نظر، معمولاً در دو نوع اصلی ذیل طراحی و ساخته می شوند:

•  کمپرسور پیستونی
•  کمپرسور دیافراگمی

در ادامه مقاله به بررسی هریک از انواع کمپرسور های فوق و نحوه عملکرد آن ها پرداخته شده است.

کمپرسور پیستونی

در کمپرسور هوا پیستونی، فشرده سازی هوا توسط یک سیلندر و پیستون که به دو سوپاپ یا دریچه مجهز شده انجام می شود. در شکل 1 اجزای اصلی یک کمپرسور پیستونی نشان داده شده است که عبارتند از:

•  سیلندر و پیستون
•  سوپاپ های مکش و دمش
•  مجراهای وروی و خروجی هوا
•  میل لنگ، شاتون و محفظه میل لنگ

فرآیند فشرده سازی هوا در کمپرسور پیستونی هوا، به این صورت است که یک پیستون داخل سیلندر حرکت می‌کند و با تغییر حجم، فشار گاز را افزایش می‌دهد. این فرآیند همانطور که در شکل 2 نشان داده شده شامل مراحل اصلی ذیل است:

 سیکل مکش: در حرکت پیستون به سمت پایین در حالتی که سوپاپ مکش باز است هوا از طریق مجرای مکش به داخل سیلندر مکیده می شود؛

 سیکل تراکم: در حرکت پیستون به سمت بالا در حالتی که هر دو سوپاپ بسته هستند، فشرده‌سازی هوا انجام می شود؛

 سیکل دمش: در حالتی که پیستون در بالاترین نقطه قرار گرفته سوپاپ دمش باز شده و هوای فشرده از طریق مجرای خروجی تخلیه می شود؛

گردش مداوم میل لنگ منجر به تکرار چرخه مکش- تراکم- دمش در کمپرسور رفت و آمدی شده و باعث ایجاد جریان ثابتی از هوای فشرده می‌شود.

در اینجا لازم است ذکر شود که ظرفیت تولید هوای فشرده در کمپرسور هوا پیستونی به تعداد سیلندرهای آن بستگی دارد. در صورت نیاز به ظرفیت های بالاتر، کمپرسور پیستونی هوا به صورت چند سیلندری ساخته می شوند. شکل 3 یک کمپرسور پیستونی هوا تک سیلندر را نشان میدهد.

کمپرسور پیستونی دو اثره (Double-Acting)

کمپرسور هوا پیستونی دو اثره نوعی کمپرسور هوا است که در آن فرآیند تراکم در هر دو طرف پیستون انجام می شود. این نوع کمپرسور در نیمه اول دهه 1900، کاربرد زیادی داشته ولی با اختراع و رایج شدن کمپرسور اسکرو، کمپرسور پیستونی هوا دو اثره به آرامی از بازار خارج شده و جای خود را به کمپرسورهای هوا اسکرو دادند به طوری که امروزه یافتن کمپرسور پیستونی هوا دو اثره به طوری که در حال کار باشد، کمی مشکل است. با این حال، تعداد کمی از این نوع کمپرسور هوا هنوز در حال کار هستند.

شکل 4 بطور شماتیک نحوه عملکرد یک کمپرسور پیستونی هوا دو اثره را نشان می دهد. پیستون درون یک سیلندر قرار دارد که دارای سرسیلندرهای بالایی و پایینی می باشد. در هر دو سرسیلندر سوپاپ های ورودی و خروجی وجود دارد. هنگامی که پیستون به سمت بالا حرکت می کند، هوای موجود در سمت بالا فشرده می شود و با باز شدن سوپاپ خروجی، از طریق مجرای خروجی به بیرون رانده می شود. در همان زمان، هوا به داخل محفظه در پایین سیلندر مکیده می شود. با معکوس شدن حرکت پیستون، این چرخه برعکس می شود. مجموعه پیستون / سیلندر / سرسیلندر معمولاً بر روی یک قسمت میانی قرارمی گیرد. در این قسمت با استفاده از قطعات درزگیر، آب بندی درزهای بین دسته پیستون و سرسیلندر پایینی و همچنین محفظه میل لنگ انجام می شود تا از نشت هوای فشرده شده و کاهش راندمان کمپرسور جلوگیری بعمل آید.

در طراحی های قدیمی تر که در نیمه اول دهه 1900 مرسوم بوده، معمولاً کمپرسورهای دو اثره با پاشیدن ذرات روغن به داخل مجرای ورودی هوا، روغن کاری می شدند ولی امروزه با چیدمانی که در بالا شرح داده شده، امکان ساخت کمپرسورهای دو اثره بصورت «بدون روغن» فراهم شده و تولید هوای فشرده عاری از روغن با این نوع کمپرسور نیز امکان پذیر است. شایان ذکر است که در این نوع کمپرسور مجموعه میل لنگ شامل میل لنگ، شاتون و کلگی هم معمولاً با ارسال روغن پرفشار بداخل یاطاقان های مربوطه روغن کاری می شوند. شکل 5 یک کمپرسور تجاری دو مرحله ای تک سیلندر با موتور الکتریکی را نشان می دهد که بر روی یک پایه استاندارد نصب شده است. در صورت نیاز به تولید هوای فشرده بیشتر، کمپرسورهای دواثره به صورت چند سیلندری ساخته می شوند.

کمپرسور هوا پیستونی دو مرحله ای

در صورتی که نیاز به فشارهای بالاتر وجود داشته باشد، از این نوع کمپرسور پیستونی استفاده می شود. کمپرسور پیستونی دو مرحله ای هوا را در دو مرحله مجزا فشرده می کند و بدین ترتیب استفاده کارآمدتری از توان ورودی را فراهم می کند و معمولاً هوای فشرده با هزینه کمتری تولید می کند. این کمپرسورها معمولاً در محدوده 2 تا 30 اسب بخار یافت می شوند و تقریباً در اکثر کارخانه صنعتی و تأسیسات خدماتی در جهان می توان آن ها را یافت. شکل 6 نمایش شماتیک یک چرخه فشرده سازی دو مرحله ای را نشان می دهد.

هنگامی که پیستون مرحله اول به سمت پایین حرکت می کند، هوا را مکش می کند و هنگامی که پیستون بالا می رود، هوای مکیده شده را فشرده می کند. با نزدیک شدن پیستون به انتهای حرکت خود، سوپاپ خروجی مرحله اول عمل نموده و هوای فشرده از طریق مجرای خروجی مرحله اول خارج شده و به داخل خنک کننده میانی مرحله اول وارد می شود. سپس هوای فشرده شده به داخل پیستون مرحله دوم مکش می شود و برای بار دوم تا فشار خروجی نهایی فشرده می شود. خنک کننده میانی برای حذف بخش عمده ای از گرما استفاده می شود که در طول چرخه فشرده سازی مرحله اول تولید شده است. با حذف گرمای حاصل از تراکم، هوای بیشتری به مرحله دوم رسیده و هر چه خنک کننده گرمای بیشتری را حذف کند، کمپرسور کارآمدتر خواهد بود. لذا راندمان این نوع کمپرسور تا حدودی به عملکرد خنک کننده بستگی دارد.

از ویژگی های کمپرسورهای دو مرحله ای این است که معمولاً فشار بیشتری نسبت به واحدهای تک مرحله ای تولید می کنند. به طور معمول، یک کمپرسور دو مرحله ای تا 175 psi به عنوان حداکثر فشار خود تولید می کند. این فشار زیادی است و اکثر سیستم‌های هوای فشرده عمومی امکان تحمل آن را ندارند. لذا برای پایین آوردن فشار به سطح قابل استفاده تا حدود 90 psi، معمولاً از یک رگولاتور استفاده می شود. مزیت بزرگ این چیدمان این است که کمپرسور نیازی به کارکرد دائم نداشته و چرخه کاری آن به نصف تقلیل می یابد.

دلیل کارکرد کمتر کمپرسور این است که هوای فشرده در یک مخزن با فشار 175 psi ذخیره می شود که چگالی بیشتری از هوای با فشار 90 psi داشته و تقریباً به اندازه دو برابر ظرفیت کار دارد. کارکرد کمتر کمپرسور مساوی با استهلاک کمتر قطعات و هزینه برق مصرفی کمتر و افزایش راندمان بهره برداری خواهد بود.

شکل 7 یک مجموعه کمپرسور پیستونی هوا دو مرحله ای تجاری را نشان می دهد. این سیستم ها معمولاً در محدوده توان 5 تا 30 اسب بخار ارائه می شوند و معمولاً در 175 psi خاموش می شوند. این کمپرسورها برای مشاغل کوچک و کاربردهایی که نیاز به کمپرسور باد دارند، مانند تعمیرگاه های خودرو، راه حل ایده آلی هستند. توجه داشته باشید که قطر سیلندر مرحله اول بیشتر از قطر سیلندر مرحله دوم است.

کمپرسور دیافراگمی

آخرین نوع کمپرسور رفت و آمدی که در این مطلب به آن پرداخت شده، کمپرسور دیافراگمی است. در این نوع از کمپرسور برای فشرده سازی هوا از یک قطعه انعطاف پذیر بنام دیافراگم استفاده می‌ شود که با استفاده از یک میله به یک میل لنگ متصل شده و با گردش میل لنگ توسط یک موتور، عمل رفت و برگشت دیافراگم به نحو مناسب انجام می شود.

کمپرسور دیافراگمی برای کاربرد های سبک مانند تجهیزات آزمایشگاهی، تجهیزات پزشکی، مصارف خانگی، اسباب بازی و وسایل سرگرمی به کار برده می شود و علاوه بر آن در صنایعی که بمنظور فشرده سازی گازهای سمی و یا مشتعل شونده با خطر انفجار مواجه هستند مانند صنایع شیمیایی و صنایع نفت، گاز و پتروشیمی نیز کاربرد دارد.

عملکرد کمپرسور نسبتاً ساده است. در شکل 8 فرآیند فشرده سازی هوا در کمپرسور دیافراگی به طور شماتیک نشان داده شده است. در کمپرسور دیافراگمی، همان طور که میل لنگ می چرخد، دیافراگم را مانند پیستون بالا و پایین می برد. هنگامی که دیافراگم به سمت پایین کشیده می شود، هوا از طریق مجرای ورودی با عبور از شیر یکطرفه ورودی، به داخل محفظه فشرده سازی مکیده می شود. با برگشت دیافراگم به سمت بالا، شیر یکطرفه ورودی بسته شده و هوا درون محفظه محبوس شده و فشرده سازی آغاز می شود. همان طور مجرای خروجی به بیرون رانده می شود. فشار خروجی کمپرسور دیافراگمی معمولاً از 60 psi تجاوز نمی کند. علت آن این است که دیافراگم معمولاً نمی تواند فشارها و دماهای بالا را تحمل کند و اصولاً کمپرسور دیافراگمی برای تولید هوای فشرده با فشار بالا طراحی و ساخته نمی شود.

شکل 9 یک کمپرسور دیافراگمی معمولی تجاری را نشان می دهد. موتور الکتریکی و میل لنگ معمولاً یک مجموعه یکپارچه هستند. دیافراگم و صفحه سوپاپ اغلب به صورت عمودی و یا افقی به میل لنگ متصل می شوند. جنس دیافراگم با توجه به نوع گاز مورد نظر برای فشرده سازی می تواند از نوع مواد فلزی و یا از مواد غیرفلزی تقویت شده انتخاب شود. در برخی از انواع کمپرسور دیافراگمی، جهت گردش موتور را می توان معکوس کرد تا از آن به عنوان پمپ خلاء هم استفاده شود.

دیافراگمی نیز مانند سایر انواع کمپرسور دارای مزایا و معایبی است که برخی از آن ها در زیر آورده شده اند:

مزایا:

 سادگی کارکرد، قطعات کم و تعمیر و نگهداری آسان

 عدم تماس بین هوا یا گاز و بخش‌های مختلف کمپرسور و کاهش احتمال آلودگی و یا انفجار در محیط های خطرناک

 وجود نشتی به میزان بسیار کم و نیاز نداشتن به آب بندی قوی

 عمر بالای کمپرسور به دلیل مقاومت بالای دیافراگم‌ها در شرایط کاری مختلف

معایب:

 جریان هوای فشرده قابل تولید کم و متوسط

 محدودت در تولید هوای فشرده با فشارهای بالا

مقایسه انواع کمپرسور هوا پیستونی

به منظور مقایسه سریع کاربرد های انواع کمپرسور پیستونی هوا، جدول ذیل می تواند مورد استفاده قرار گیرد:

کمپرسور بوستر

سیستم های هوای فشرده معمولاً بر اساس نوع فشارعملیاتی به سه دسته تقسیم می‌شوند:

- فشار پایین

- فشار متوسط

- فشار بالا

بیشتر ابزارها و تجهیزات پنوماتیکی با فشاری تا 13 بار کار می‌کنند که توسط یک کمپرسور هوای استاندارد قابل تأمین می‌باشد. اکثر مصرف کنندگان هوای فشرده ، از ابزارهای کارگاهی گرفته تا تجهیزات بسته‌بندی صنعتی در این دسته قرار می‌گیرند. با این حال، برخی کاربردها مانند سیستم های برش لیزری، خط تولید بطری‌هایPET ، تجهیزات تست فشار، فرآیندهای متالورژیکی و غیره به فشار بیشتری نیاز دارند و بایستی از کمپرسور هوا فشارقوی استفاده کنند. به جای استفاده از کمپرسور هوا فشار قوی، روش رایج در این حالت استفاده از یک کمپرسور بوستر می باشد.کمپرسور بوستر، معمولاً یک کمپرسور پیستونی است که همراه با کمپرسور استاندارد (معمولاً اسکرو) استفاده می‌شود. کمپرسور هوا استاندارد، هوا را حداکثر فشار 13 بار فشرده می‌کند و کمپرسور پیستونی بوستر آن را به فشارهای متوسط تا بالا می‌رساند. انتخاب کمپرسور هوا بوستر به نیازهای فرآیندی و میزان بودجه شما بستگی دارد. با مشاوره با متخصصین شرکت کمپرسورسازی رول ایر می‌توانید بهترین نوع کمپرسور بوستر را انتخاب کنید.