تصفيه سازي هواي فشرده ( Treatment of compressed air )

 

۲-۴-۱-۱ پس خنک کاری ( Aftercooler )

دستگاه پس خنک کاری یک مبدل حرارتی است که هوای فشرده گرم را خنک میکند تا آب موجود در آن را ته نشین سازد ، در غیر این صورت آب در سیستم لوله کشی تقطیر می نماید . دستگاه می تواند آب خنک یا هوا خنک  و مجهز به جداکننده آب با تخلیه اتوماتیک باشد ، که باید در کنار کمپرسور نصب شود .

% ۹۰-۸۰ آب تقطیر ته نشین شده در جدا کننده آب دستگاه پس خنک کاری ، جمع آوری می شود . درجه حرارت متداول هوای فشرده شده بعد از پس خنک کن ، تقریباً  ˚C 10  بالاتر از دمای مبرد است ، اما با توجه به نوع دستگاه خنک کاری می تواند تغیر کند . یک دستگاه پس خنک کاری حقیقتاً در تمام دستگاه های ثابت مورد استفاده قرار میگیرد . در بیشتر موارد ، دستگاه پس خنک کن در کمپرسور های مدرن تعبیه می شود .

2-4-1-1 خشک کن تبریدی ( Refrigerant dryer )

خشک کردن تبریدی به این معنی است که هوای فشرده شده ، خنک می شود و بدین طریق مقدار آب زیادی تقطیر شده و می تواند جدا شود . بعد از خنک کاری هوا و تقطیر آب ، هوای متراکم به اندازه دمای محیط گرما داده شده ، به طوریکه عمل تقطیر در بیرون سیستم لوله صورت نگیرد . خنک کردن هوای فشرده از طریق سیستم خنک کاری بسته ای صورت می گیرد . با خنک کردن هوای متراکم شده در حال ورود ، توسط هوای خنک شده در مبدل حرارتی ، مصرف انرژی خشک کن تبریدی کاهش می یابد . خشک کن های تبریدی با دمای نقاط شبنم بین ˚C 2+ تا˚C10+ مورد استفاده قرار میگیرند و توسط نقطه انجماد آب تقطیر شده به طرف دمای پایین تر محدود می شوند.

۲-۴-۱-۳ تراکم بیش از حد ( Over-compression )

تراکم بیش از حد شاید ساده ترین روش خشک کردن هوای فشرده باشد .

ابتدا هوا با فشار بالاتری نسبت به فشار کاری مورد نظر متراکم می شود که به این معنی است که تراکم بخار آب افزایش می یابد . بعد از آن هوا خنک می شود و بدین ترتیب آب جدا می شود . سرانجام اجازه داده می شود که فشار هوا تا حد فشار کاری معمولی پایین آورده شود و بدین طریق نقطه شبنم پایین تری ایجاد می شود . با این وجود این روش فقط برای مقادیر جریان هوای خیلی کوچک مناسب است .

۲-۴-۱-۴ خشک کردن جذبی نافذ ( Absorption drying )

خشک کردن جذبی نافذ ، فرایندی شیمیایی است که در این فرایند مواد جاذب ، بخار آب را به خود می گیرند . مواد جذب کننده می توانند جامد یا مایع باشند . غالباً از کلرید سدیم و اسید سولفوریک استفاده می شود ، که به این معنی است که احتمال فرسودگی و خوردگی دستگاه باید مورد توجه قرار گرفته شود .

این روش غیر معمول است و در این روش مصرف مواد جاذب بسیار بالا است . نقطه شبنم هم فقط تا حد معینی پایین آورده می شود.

2-4-1-3 خشک کردن جذبی سطحی ( Adsorption drying )

دو نوع خشک کن جذبی سطحی وجود دارد ، بازیافت سرد و بازیافت گرم . خشک کن های بازیافت سرد برای جریان های هوا بامقادیر پایین تر مناسب ترین هستند . فرایند بازیافت به کمک هوای فشرده صورت میگیرد و تقریباً به %۲۰ – ۱۵ ظرفیت اسمی خشک کن در فشار کاری ۷ بار ، دمای نقطه شبنم ˚C 20+ نیاز دارد.

دمای نقطه شبنم پایین تر به نشت جریان هوای بیشتری نیاز دارد . بازیافت کننده های گرم ماده جاذب رطوبت را توسط گرمای الکتریکی یا گرمای کمپرسور احیاء می کنند ، این بازیافت کننده نسبت به بازیافت کننده سر کم هزینه تر است . با استفاده از این بازیافت کننده می توان نقطه شبنم های خیلی پایین ( ˚C30- یا پایین تر ) را به دست آورد .

همیشه قبل از خشک کردن جذبی سطحی باید جداسازی و تخلیه آب تقطیرشده را بطور تضمین شده ای برنامه ریزی کرد . اگر هوای فشرده با استفاده از کمپرسورهای روغن کاری شونده تولید شده باشد ، باید حتماً یک فیلتر جدا کننده روغن پیش از تجهیزات خشک کن قرار داده شود . در بیشتر موارد از یک فیلتر ذره ای بعد از خشک کن جذبی استفاده می شود .

در کمپرسورهای مارپیچی روغنکاری نشونده ( Oil-free screw compressor ) از خشک کنن های جذبی سطحی استفاده می شود که برای بازیافت ماده جاذب رطوبت آن از گرمای کمپرسور استفاده می کنند . بطور کلی این نوع خشک کن ها با یک استوانه گردان که حاوی ماده جاذب رطوبت است ، نصب می شوند که یک قسمت آن ( یک چهارم ) توسط جریان ناچیزی از هوای فشرده گرم ( ˚C 200- 130 ) بازیافت  می گردد . هوای استفاده شده در بازیافت دوباره سرد می شود ، آب تقطیر شده ، تخلیه و هوا از طریق پمپ افشانکی به جریان اصلی هوا فرستاده می شود . بقیه سطح استوانه خشک کن ( سه چهارم ) برای خشک کردن هوای فشرده پس خنک کن کمپرسور مورد استفاده قرار می گیرد .

در این سیستم هیچ هوای فشرده ای تلف نمی شود . توان مورد نیاز برای چنین خشک کنی به اندازه راه اندازی استوانه   است ، به عنوان مثال یک خشک کن با ظرفیت l/s 1000 فقط به ۱۲۰ وات توان نیاز دارد . بعلاوه هیچ هوای فشرده ای تلف نمی شود و همچنین به فیلتر های ذره ای و فیلتر روغن هم نیازی نیست .

2-4-1 صافی ها ( Filters )

ذرات موجودی را که در جریان هوا از صافی عبور می کنند می توان به چندین روش جدا کرد .اگر ذرات بزرگ تر از روزنه های صافی باشند ، بطور مکانیکی جدا می شوند.

این روش معمولاً برای ذراتی به کار برده می شود که بزرگتر از 1 هستند . هر چقدر که صافی فشرده تر ، دارای فیبرهای باریک تر و روزنه هایش کوچک تر باشد ، بازدهی صافی افزایش  می یابد . ذراتی که بین μm 1/ . و μm 1  هستند می توانند بوسیله فیبرهای صافی که جریان هوا از میان آنها حرکت می کند ، جدا شوند ، درحالیکه ذراتی به واسطه لختی شان به حرکت ادامه می دهند . سپس با فیبرهای صافی بر خورد می کنند و به سطح آن می چسبند . بازدهی صافی در این خصوص با افزایش سرعت جریان و به کار گیری صافی های فشرده تر افزایش می یابد .ذرات خیلی کوچک (µm 1/ .) ‌که در جریان هوا بطور تصادفی حرکت میکنند تحت تأثیر برخورد با مولکول های هوای قرار میگیرند . آنها در جریان هوا معلق می مانند و در تمام مدت جهت شان تغییر می کند ، به همین علت است که به آسانی به فیبرهای صافی برخورد می کنند و به آنها می چسبند . در این خصوص با کاهش سرعت جریان هوا و به کار گیری صافی های فشرده تری که از فیبرهای نازک تر تشکیل شده اند ، بازدهی صافی افزایش می یابد .ظرفیت جدا کنندگی یک صافی ناشی از ظرفیت عناصر فرعی آن می باشد که در بالا  به آنها اشاره شد . در واقع از آنجائیکه هیچ صافی نمی تواند در مقابل اندازه های متفاوت ذرات کارائی کامل داشته باشد ، حتی اگر سرعت جریان در ظرفیت جدا کنندگی برای اندازه های مختلف ذره فاکتور قطعی نباشد ، بنابراین هر صافی در یک جایگاه معینی قرار دارد . به این علت جداسازی ذراتی که بین  µm 1/ . و  µm 4/ . هستند خیلی دشوار است.

کارائی جدا کنندگی صافی ها نسبت به اندازه ذرات بخصوصی تعیین می شود . معمولاً کارائی جداکنندگی  %۹۵-۹۰   بیان می شود که به این معنی است که  % ۱۰- ۵ تمام ذرات موجود در هوا از میان صافی عبور میکنند . بعلاوه ، صافی که برای ذراتی به اندازه µm10 دارای کارائی جداسازی     %۹۵ باشد میتواند ذراتی که به اندازه µm 100 -  ۳۰ هستند را جدا سازد . آب و روغن معلق در هوا نیز همانند ذرات دیگر رفتار می کنند و همچنین می توانند با استفاده از یک صافی جدا شوند .

قطراتی که بر روی فیبرهای صافی تشکیل می شوند به علت نیروهای جاذبه ای به طرف پایین صافی فرو می روند . صافی فقط می تواند روغن هائی را که به شکل هوا ریز هستند ، جدا کند . اگر بخواهیم روغن هایی را که به شکل بخار هستند جدا   کنیم ، صافی باید دارای ماده جاذب مناسبی باشد ، مثل کربن فعال .

تمام فرایندهای جدا سازی منجر به افت فشار می شوند که به معنی افت انرژی در سیستم هوای فشرده است . فیلترهای    ریز تر با ساختار های فشرده تر باعث افزایش افت فشار می شوند و همچنین سریع تر مسدود می شوند ، بنابر این باید پیوسته تعویض شوند زیراکه باعث افزایش هزینه می شوند .

بدین ترتیب ، ابعاد صافی ها باید بطوری در نظر گرفته شود که هم قادر باشند جریان های اسمی را از حود عبور داده و هم اینکه آستانه ظرفیت آنها آنقدر باشد که بتواند افت فشار را بنابر درجه انسداد تحمل کنند .

2-4 سیستم های کنترل و تنظیم ( Control and Regulation systems )

2-5-1   بررسی کلی تنظیم ) Regulation, general (

غالباً در سیستم هوای فشرده به فشار ثابتی نیاز است ، که این امرتوانائی نظارت بر جریان هوای فشرده را از مرکز کمپرسور ایجاب می نماید . برای این منظور چندین روش وجود دارد ،برای مثال به نوع کمپرسور ، نوسانات فشار مجاز ، تغیرات در مصرف و اتلاف های قابل قبول ، بستگی دارد .

مصرف انرژی تقریباً %۸۰  هزینه کل را در هوای فشرده شامل می شود ، یعنی شما باید در  انتخاب سیستم نظارتی دستگاه دقت زیادی به خرج دهید . که عمدتاً ناشی از اختلاف کارائی گسترده بین انواع کمپرسور و سازندگان کمپرسور میباشد . این ایده آل است وقتی که ظرفیت کامل کمپرسور به تواند دقیقاً با مصرف معادل انطباق داشته باشد به عنوان مثال ، با انتخاب دقیق نسبت انتقال جعبه دنده . تعدادی از مصرف کننده ها خود تنظیم هستند ،یعنی افزایش فشار در سیستم ،افزایش جریان را به همراه می آورد ، که سیستم های ثابتی را تشکیل می دهند . مثال هایی از چنین سیستم ها شامل سیستم های انتقال بادی ، سیستم های ضد یخ ، سیستم های تبرید و غیره می باشند . بنابراین بطور معمول میزان جریان را باید کنترل کرد و این کار غالباً با استفاده از نصب تجهیزات در داخل کمپرسور ها صورت می گیرد . چنین سیتسم های کنترلی به دو دسته تقسیم می شوند :

1-  کنترل ظرفیت پیوسته ، شامل کنترل پیوسته موتور محرک و سوپاپ با توجه به تغیرات فشار است . که نتیجه معمولاً نوسانات جزئی فشار است ( ۱ / . تا ۵ / . بار ) ،  که به تقویت و سرعت سیستم کنترل بستگی دارد.

2-  سیستم کنترل  بار دهی / بی بار سازی رایج ترین سیستم کنترل است و به این امر بستگی دارد که تغیرات موجود فشار بین دو سوپاپ را قبول کنیم . این امر زمانی اتفاق می افتد که جریان را در بالاترین فشار متوقف کنیم (بی بار سازی)  و وقتیکه فشار به پایین ترین حد خودش رسید جریان را ادامه دهیم (بار دهی) . تغیرات فشار به تعداد مجاز چرخه های بار دهی / بی بار سازی در هر واحد زمانی بستگی دارد ، اما معمولاً بین ۳ / . تا ۱ بار  است .

2-5-2       قواعد کلی در تنظیم کمپرسور های جابجایی

) ( Regulation principles for displacement compressors

-5-2-1    فشار شکن ( Pressure relief )

روش اصلی برای تنظیم یک کمپرسور ، استفاده از یک شیر فشار شکن است ، این شیر فشار مازاد را از کمپرسور به محیط آزاد می کند . ساده ترین طرح این شیر می تواند فنری باشد ، که در آن نیروی کشش فنر فشار نهایی را تعیین می کند .

در بسیاری از اوقات به جای آن از شیر برقی استفاده می شود ، این شیر توسط یک رگلاتور کنترل می شود . سپس فشار می تواند به راحتی کنترل شود و هنگامی که فشار کمپرسور پایین تر از حد معمول می آید ، این شیر می تواند به عنوان شیر برگشت فشار عمل کند . فشار شکن ها به انرژی زیادی نیاز دارند ، به این علت که کمپرسور باید بطور پیوسته در مقابل فشار کاملاً متضاد کار کند .

جایگزین دیگری که در کمپرسور های کوچک تر مورد استفاده قرار می گیرد ، باز کردن کامل شیر است که فشار کمپرسور را خارج
می کند بطوریکه کمپرسور در برابر فشار اتمسفر کار می کند . مصرف انرژی بطور چشمگیری با استفاده از این متد رضایت
بخش تر است.

2-5-2-2 
مسیر جنبی ( Bypass )

عملکرد مسیر جنبی  در اصل مشابه عملکرد فشار شکن است . تنها تفاوت این است که مقدار هوای تخلیه شده در فشار شکن ،‌ دوباره سرد می شود به مجرای ورودی کمپرسور بر گردانده می شود. این روش غالباً در کمپرسور های مرحله ای استفاده می شود که در این کمپرسور ها گازهای مورد نظر یا گرانقیمت هستند و یا اینکه برای اتمسفر مضر می باشند و بنابراین نمی توان آن
را به اتمسفر فرستاد .

2-5-2-2 تنظیم مجرای ورودی ( Throttling the intake )

تنظیم مجرای ورودی ، روش ساده ای برای کاهش جریان است که با افزایش نسبت فشار در کمپرسور به طریق ایجاد کاهش فشار در ورودی انجام می پذیرد . این روش به هر حال دارای دامنه تنظیم محدودی است .
کمپرسور های تزریق مایع( Liquid injected ) که دارای نسبت فشار مجاز زیادی هستند را می توان تا زیر %۱۰ حداکثر ظرفیت کاهش داد . این روش با توجه به  نسبت فشار بالا ، به انرژی زیادی نیاز دارد .

2-5-2-3 فشار شکن به همراه تنظیم مجرای ورودی ( Pressure relief with throttled intake )

رایج ترین روشی است که مورد استفاده قرار میگیرد ، این روش ادغام حداکثر دامنه تنظیم ( % ۱۰۰- ۰ ) و مصرف پایین انرژی ،                   فقط % ۲۰- ۱۵ از تمام توان بار کمپرسور را به هنگام فشار تخلیه شده ( جریان صفر ) در خود دارد . همزمان با باز شدن شیر تخلیه و خارج شدن هوا از کمپرسور ، شیر ورودی بسته می شود اما روزنه کوچکی باقی می ماند .

سپس دستگاه کمپرسور با ایجاد خلاء در مجرای ورودی و فشار متضاد پایینی به  کار می افتد . مهم است که فشار شکن به سرعت وارد عمل شود و اینکه میزان حجم هوای خارج شده کم باشد تا از اتلاف های  غیر ضروری هوا در طول انتقال از مرحله بارگیری به بی بار سازی ممانعت شود. سیستم به یک مخزن ذخیره هوا نیاز دارد ، که اندازه آن به وسیله اختلاف قابل قبول بین فشار بارگیری و بی بار سازی کمپرسور و تعداد مجاز توالی بی بار سازی کمپرسور در هر ساعت تعیین می شود .

۲-۵-۲-۴ روشن کردن / خاموش کردن ( start / stop )

کمپرسور های کمتر از  kW 10 – 5  غالباً بدین طریق کنترل میشوند که وقتیکه فشار به حد بالایی می رسد موتور کاملاً خاموش می شود و وقتیکه فشار از حد معمول پایین تر می رود ، دوباره روشن می شود .

این روش در سیستم هایی کاربرد دارد که حجم ذخیره هوای بسیار زیادی دارند و یا اختلاف فشار زیادی بین زمان روشن بودن و خاموش بودن موتور وجود دارد تا از بار وارده بر روی موتور اجتناب شود . این روش مؤثری برای تنظیم سیستم است و باید شرایط به گونه ای باشد که تعداد روشن و خاموش شدن موتور در هر واحد زمانی پایین نگه داشته شود .