تاریخچه سیستم‌های سرمایش
اگر کمپرسور را وسیله‌ای باشد که گاز را فشرده می‌سازد، با این تعبیر انسان از 5 هزار سال قبل از میلاد مسیح از فشرده‌سازها برای کارهای خود استفاده می‌کرده است. درواقع آن‌ها زمانی که شروع به ذوب فلزات کردند، از دمنده‌ها برای فشرده کردن گاز و دمیدن آن به سمت شعله استفاده می‌کرده‌اند.
اما در سال 1758 بنجامین فرانکلین توانست با استفاده از یک دمنده و الکل، دمای یک جسم را کاهش دهد. او هوای فشرده را با استفاده از یک دمنده از روی الکل عبور داد. با این کار او توانست دما را تا دمای یخ زدن کاهش دهد. با انجام این کار، سیستم‌های خنک سازی مکانیکی پایه گذاری شدند.
پس از آن، آمونیاک اولین ماده مبردی بود که برای فرآیند کاهش دما استفاده می شد. در اواسط قرن نوزدهم، چیزی مشابه با سیکل‌های تبرید امروزی ساخته شد که مایع کم فشار با دریافت گرما به گاز تبدیل می‌شد. سپس این گاز با یک کمپرسور فشرده شده و بعد از آن در یک کندانسور، دمای آن کاهش پیدا می‌کرد و دوباره به مایع تبدیل می‌شد. در طی سال‌های، فناوری ساخت کمپرسورها پیشرفت پیدا کرد و دستگاه های پیچیده‌تر و با بازدهی بیش‌تری نسبت به کمپرسورهای پیستونی ساخته شدند.
نحوه کار کمپرسور
زمانی که کمپرسور شروع به کار می‌کند، ماده مبرد که فشار پایینی دارد را از اوپراتور می‌گیرد. ماده مبردی که از اوپراتور مکیده میشود، درواقع حامل گرمای جذب شده از سردخانه است و باید به نحوی این انرژی به محیط بیرون منتقل شود. اما تبادل گرما زمانی اتفاق می‌افتد که دمای گاز از دمای محیط بیش‌تر باشد. کمپرسور با کاهش حجم گاز، باعث افزایش فشار گاز میشود و در نتیجه دمای گاز نیز افزایش پیدا می‌کند. پس از افزایش دمای ماده مبرد، کمپرسور به عنوان یک پمپ عمل کرده و این گاز گرم را به کندانسور می‌فرستد تا در آن‌جا دمای آن کاهش پیدا کند.
کاربرد کمپرسور
کمپرسورها را می‌توان در صنایع و مصارف خانگی برای استفاده‌های مختلف پیدا کرد. از باد کردن تایر خودرو گرفته تا ساخت یخچال‌ها و چیلرهای بزرگ، در تمامی این سیستم‌ها از کمپرسورها استفاده میشود. در خطوط انتقال گاز نیز می‌توان ازآن ها استفاده کرد تا بتوان گاز را در طول لوله به مسافت‌های دور انتقال داد. آن ها در سیستم‌های سرمایش خانگی و یخچال‌های خانگی نیز مهم‌ترین نقش را ایفا می‌کنند.
موتورهای جت نیز برای کار کردن نیاز به نوعی از کمپرسور به نام کمپرسورهای محوری دارند. دامنه استفاده از کمپرسورها به همین موارد ختم نمی‌شود و آن ها را می‌توان در بسیاری از موارد زندگی روزمره نیز مشاهده کرد.
آشنایی با انواع کمپرسور
انوع گوناگونی از کمپرسور وجود دارد که در ابتدا ممکن است افراد را سردرگم کند. بنابراین دسته‌بندی‌های مختلفی برای گروه‌بندی کمپرسورها ارائه شده‌اند که می‌تواند در انتخاب درست به کار آیند. به طور کلی کمپرسورها را با ویژگی‌های زیر دسته‌بندی می‌کنند:
کمپرسور پیستونی (رفت و برگشتی)
کمپرسور اسکرو
کمپرسور اسکرال
کمپرسور گریز از مرکز
کمپرسور روتاری
کمپرسور محوری
- کمپرسورهای هرمتیک
- کمپرسورهای سمی هرمتیک
با این حال موارد بالا برای دسته بندی کامل کمپرسورها کافی نیستند. به طور معمول کاربردی‌ترین دسته بندی برای کمپرسور، به نحوه کار آن‌ها برمی‌گردد. برای افزایش فشار یک سیال می‌توان از دو روش استفاده کرد: کاهش حجم و یا افزایش سرعت. کمپرسورهایی که از روش اول استفاده می‌کنند را کمپرسورهای جابه‌جایی مثبت (Positive displacement) و کمپرسورهایی که سرعت سیال را افزایش می‌دهند را کمپرسورهای دینامیک (Dynamic) می‌نامند.
در شکل زیر می توانید دسته بندی بر اساس تئوری عملکرد انواع کمپرسور پرکاربرد در تهویه مطبوع و تبرید را مشاهده کنید .
کمپرسور پیستونی (رفت و برگشتی)
دامنه استفاده از کمپرسور پیستونی بسیار گسترده است و برای کاربردهای مختلفی از آن‌ها استفاده میشود. در این کمپرسور همانند موتور ماشین از پیستون و سیلندر استفاده میشود. حرکت رفت و برگشتی پیستون که توسط یک عامل متحرک خارجی ایجاد میشود، ماده مبرد را فشرده می‌سازد. این کمپرسورهای می‌توانند یک یا چند سیلندر داشته باشند.
کمپرسورهای پیستونی نیز خود به سه دسته هرمتیک، سمی هرمتیک و باز تقسیم بندی می‌شوند.
کمپرسور اسکرو
این کمپرسور از یک جفت روتور پیچیشی تشکیل میشود که ماده مبرد در بین این دو قرار می‌گیرد و فشرده میشود. کمپرسور اسکرو برای مقادیر کم گاز نیز فشارهای بالایی تولید می کنند. کمپرسورهای پیچشی به طور معمول مصرف انرژی کمتری نسبت به کمپرسور پیستونی دارند و می‌توانند به طور مداوم کار کنند.
کمپرسور اسکرال
کمپرسور اسکرال دارای تکنولوژی جدید‌تری نسبت به دیگر کمپرسورهای این لیست هستند. در داخل این فشرده‌ساز، یک حلزونی ثابت قرار دارد که به آن اسکرال گفته میشود. در کنار این اسکرال، حلزونی دیگری نیز وجود دارد که حول آن می‌چرخد. در حین چرخیدن حلزونی دوم، ماده مبرد به سمت مرکز حرکت می‌کند و فشرده میشود. به دلیل اینکه کمپرسورهای اسکرال قطعات متحرک زیادی ندارند، به سرعت در حال محبوب شدن هستند؛ چراکه با کمتر بودن قطعات متحرک، احتمال خرابی آن ها نیز کمتر میشود.
کمپرسور گریز از مرکز
در کمپرسور گریز از مرکز از دو دمنده یا پروانه استفاده می کند که می‌توانند حجم زیادی از گاز را فشرده کنند. این کمپرسورها جزو دسته کمپرسورهای دینامیکی محسوب می‌شوند چراکه اساس کار آن‌ها، تغییر انرژی جنبشی گاز است. سپس با استفاده از یک دیفیوزر، این انرژی جنبشی به فشار استاتیکی یا انرژی پتانسیل تبدیل میشود.
کمپرسور روتاری
کمپرسور روتاری معمولا کوچک و کم سر و صدا هستند و بنابراین در مکان‌هایی که نیاز به کم بودن سر و صدا باشد، استفاده می‌شوند. انوع گوناگونی از کمپرسور روتاری وجود دارد ولی اساس عملکرد آن‌ها یکسان است. در کمپرسور روتاری از یک شفت در میانه آن‌ها استفاده میشود که بر روی این شفت پره‌های زیادی قرار دارد. با ورود گاز به محفظه کمپرسور و حرکت پره‌ها، ماده مبرد فشرده میشود. در نوع دیگری از کمپرسور روتاری، پره روی شفت قرار ندارد و بر روی محفظه کمپرسور قرار می‌گیرد.
کمپرسور محوری
این دسته از کمپرسور معمولا در سیستم‌های تبرید استفاده نمی‌شوند اما کارکرد گسترده‌ای در موتورهای جت دارند. در بیش‌تر هواپیماهای جنگنده و مسافری جدید، از موتورهای جت (موتورهای توربینی) استفاده میشود. اگرچه این موتورها انواع گوناگونی دارند، اما ساختار کلی آن‌ها یکسان است و در آن‌ها از یک کمپرسور برای افزایش فشار گاز ورودی استفاده میشود. این کمپرسور معمولا یا از نوع کمپرسورهای گریز از مرکز (سانتریفیوژی) است یا از نوع کمپرسورهای محوری.
تفاوت انواع کمپرسور چیلر، سردخانه و سیستم‌های سرمایش
انواع کمپرسورهای ذکر شدند بسته به کاربرد می‌توانند در چیلر و سردخانه مورد استفاده قرار بگیرند. درچیلرها معمولا برای خنک سازی آب در ابعاد کوچک (ظرفیتی کمتر از 200 تن) از کمپرسورهای اسکرال استفاده میشود. ظرفیت این کمپرسورها معمولا از 20 تن شروع میشود. برای افزایش ظرفیت سیستم‌هایی که از کمپرسورهای اسکرال استفاده می‌کنند، باید تعداد کمپرسور را افزایش داد. ضعف این موضوع در این است که ظرفیت چیلر را تنها می‌توان به صورت پله‌ای افزایش داد و لزوما نمی‌توان به ظرفیت کاملا دلخواه رسید. اما مزیت این شیوه در این است که اگر یکی از کمپرسورها خراب شود، با اینکه ظرفیت سیستم کاهش پیدا می‌کند، اما سیستم به طور کامل قطع نمی‌شود.
به طور معمول حداکثر از 6 کمپرسور 30 تنی اسکرال در کنار هم استفاده میشود و برای ظرفیت‌های بیش‌تر باید از کمپرسورهای اسکرو استفاده کرد. چنین کمپرسورهایی می‌توانند تا 500 تن ظرفیت داشته باشند. برای این کمپرسورها این قابلیت وجود دارد که می‌توان ظرفیت کاری آن‌ها را بین بازه 20 درصد تا 100 درصد تنظیم کرد . بنابراین می‌توان ظرفیت دلخواه را به طور دقیق به دست آورد. کمپرسورهای اسکرو بازده بالایی به نسبت دیگر کمپرسورهای معمول دارند اما صدایی که تولید می‌کنند از کمپرسورهای اسکرال بیش‌تر است.
برای سیستم‌های سرمایش از کمپرسور گریز از مرکز (سانتریفیوژ) نیز استفاده می شود. با استفاده از پره‌های ورودی می‌توان ظرفیت این نوع از کمپرسور را تغییر داد. همچنین می‌توان از یک درایو فرکانس متغییر (VFD) برای تغییر سرعت پروانه کمپرسور استفاده کرد و به این ترتیب می‌توان ظرفیت کمپرسور را افزایش یا کاهش داد.
پرکاربردترین کمپرسور برای یخچال‌ها و فریزهای خانگی، آب سردکن‌ها و... ، کمپرسورهای پیستونی محسوب می‌شوند. برای مصارف خانگی، از کمپرسورهای پیستونی هرمتیک استفاده میشود و برای مصارف صنعتی، کمپرسورهای باز و نیمه هرمتیک استفاده می‌شوند. ظرفیت کمپرسورهای پیستونی از 0.5 تن می‌تواند آغاز شود و تا 150 تن نیز می‌تواند افزایش پیدا کند. در کمپرسورهای چند سیلندره، ظرفیت کمپرسور با استفاده از روشن و خاموش کردن سیلندرها تغییر پیدا می‌کند. مهم‌ترین مزیت کمپرسورهای پیستونی، قیمت پایین است که آن‌ها را برای مصارف خانگی مناسب می‌کند. البته این کمپرسورها سر و صدای زیادی تولید می‌کنند و مسائل روغن ریزی نیز در آن‌ها شایع است. درضمن معمولا کمپرسورهای پیستونی بازده پایین دارند و برای افزایش کارایی سیستم، باید از دیگر کمپرسورها استفاده کرد.
در نمودار زیر می توانید کاربرد هر نوع کمپرسور و بازه ظرفیتی مناسب برای هر نوع کمپرسور را مشاهده کنید.
تفاوت دستگاه های هرمتیک، سمی هرمتیک و باز چیست؟
در کمپرسورهای هرمتیک، موتور و کمپرسور هر دو در یک محفظه استیل قرار گرفته‌اند و درواقع در داخل این محفظه پلمپ شده‌اند. در این صورت کمپرسور از خطر نشتی در امان می‌ماند ولی درصورت خرابی قطعات داخلی، قابل تعمیر نیست.
در کمپرسورهای سمی هرمتیک نیز مانند مدل‌های هرمتیک موتور و کمپرسور در داخل یک محفظه قرار می‌گیرند. اما این کار به نحوی صورت می‌گیرد که درصورت خرابی قطعات داخلی، امکان دسترسی به آن‌ها و تعمیر کردن‌شان وجود دارد.
طول عمر کمپرسورهای هرمتیک معمولا 2 تا 3 سال است (البته در مواردی می‌تواند تا بیش از 3 سال هم عمر کند) و پس از خراب شدن آن‌ها، باید با کمپرسور جدیدی جایگزین شوند. درحالی که نمونه‌های سمی هرمتیک طول عمری بین 3 تا 10 سال دارند که بسته به نوع استفاده، این مقدار می‌تواند به بیش از ده سال نیز ادامه پیدا کند.
کمپرسورهای هرمتیک با اینکه معایب زیادی دارند، اما قیمت تمام شده سیستم را پایین می‌آورند. همچنین در مواردی که هزینه تعمیر به نسبت ارزش کمپرسور بیش‌تر میشود، استفاده از نمونه‌های هرمتیک به صرفه‌تر خواهد بود و جایگزینی یک نمونه جدید دردسر کمتری نسبت به تعمیر کمپرسور دارد.
تفاوت دستگاه های تک مرحله‌ای، دو مرحله‌ای و چند مرحله‌ای
اکثر کمپرسورهایی که پیش از این به آن‌ها اشاره شد، در در دو نوع تک مرحله و چند مرحله‌ای ساخته می‌شوند. زمانی که گاز فشرده میشود، دمای آن افزایش پیدا می‌کند. مزیت استفاده از کمپرسورهای چند مرحله‌ای این است که به گاز اجازه می‌دهد در بین هر مرحله خنک شود و درنتیجه این موضوع، بازده کلی سیستم افزایش پیدا می‌کند.
البته کمپرسورهای چندمرحله‌ای تنها برای افزایش بازده سیستم استفاده نمی شوند؛ در برخی از سیستم‌ها، برای افزایش زیاد فشار، دما به مقداری افزایش پیدا می‌کند که از محدوده تحمل قطعات داخلی کمپرسور خارج میشود و در این صورت، با چند مرحله‌ای شدن فرآیند فشرده‌سازی، می‌توان در بین مراحل، دمای گاز را کاهش داد.
همانطور که مشخص است، کمپرسورهای چند مرحله‌ای پیچیدگی بیش‌تری در طراحی دارند و درنتیجه قیمت کلی آن‌ها به نسبت کمپرسورهای تک مرحله‌ای بسیار بیش‌تر است. به همین دلیل کمپرسورهای تک مرحله‌ای برای مقیاس‌های کوچک و تغییر فشارهای کوچک، گزینه مقرون به صرفه‌تری محسوب می‌شوند.
کاربرد روغن کمپرسور
روغن کمپرسور چندین نقش مختلف را به طور همزمان انجام می‌دهد که مهم‌ترین وظیفه آن، روان‌کاری قطعات است. اما در عین حال در برخی سیستم‌ها از روغن به عنوان خنک‌کننده نیز استفاده میشود. در کمپرسورهای باز، روغن وظیفه جلوگیری از وقوع نشتی را ایفا می‌کند. با این حساب، باید در انتخاب روغن برای کمپرسور دقت زیادی داشت و پیشنهادات تولید کننده را باید در این امر در نظر گرفت.
روغن‌های کمپرسور معمولا از ترکیبی خاص از روغن‌های معمول و چند افزودنی تشکیل میشود که در عین حال که قطعات را روان‌کاری می‌کند، سازگار با ماده مبرد نیز باشد. اگر روغن و ماده مبرد کوچک‌ترین ناسازگاری داشته باشند، ممکن است صدمات زیادی به قطعات مختلف سیستم تبرید وارد شود.
بخش بزرگی از روغن‌های کمپرسورها را مواد غیرطبیعی تشکیل داده‌اند. این ویژگی به این روغن‌ها این قابلیت را می‌دهد که طول عمر بیش‌تری داشته باشند و مقاومت بیش‌تری به نسبت روغن‌های معدنی در برابر شرایط سخت داشته باشند. در بیش‌تر سیستم‌های سرمایش خانگی از گاز R-410a به عنوان ماده مبرد استفاده میشود و در کنار این ماده، از روغن‌های پلی‌استری برای روان‌کاری قطعات استفاده میشود که در عین حال در ماده مبرد نیز حل نمی‌شود.