مزایا و معایب کمپرسور روتاری و کمپرسور اسکرال در صنعت تهویه مطبوع

کمپرسورها یکی از مهمترین اجزای سیستم های تهویه مطبوع هستند. بنابراین مطالعه انواع مختلف کمپرسورها، شناخت نوع عملکردشان و شناسایی مزایا و معایب آن ها در انتخاب کمپرسور مناسب بسیار حائز اهمیت است.
از نگاه طراحی و نوع ساختار مکانیکی می توان کمپرسورها را به پنج دسته مختلف تقسیم بندی کرد. این تقسیم بندی شامل موارد زیر می شود.
۱- کمپرسور روتاری (Rotary Compressor)
۲- کمپرسور اسکرال (Scroll Compressor)
۳- کمپرسور اسکرو (Screw Compressor)
۴- کمپرسور رفت و برگشتی یا سیلندر پیستونی (Reciprocating Compressor)
۵- کمپرسور گریز از مرکز (Centrifugal Compressor)
کمپرسور روتاری و کمپرسور اسکرال از جمله پرکاربردترین کمپرسورهای مورد استفاده در انواع صنایع هستند که در ادامه جزییات آن ها مورد بررسی قرار می گیرد، تفاوت های آن ها بیان می شود و مزایا و معایب هرکدام از آن ها برشمرده می شود.

کمپرسورهای روتاری

کمپرسورهای روتاری از انواع کمپرسورهای دورانی و جابجایی مثبت هستند. همانطور که از نام آن مشخص است، این نوع از کمپرسور عمل متراکم سازی سیال را به کمک حرکت دورانی روتور انجام می دهد. در این نوع از کمپرسورها معمولا جانمایی موتور به عنوان محرک اصلی و دیگر اجزای کمپرسور به صورت فشرده درون یک محفظه سیلندری است. بنابراین کمپرسورهای روتاری نسبتا کوچک و سبک هستند. ظرفیت کاری این نوع از کمپرسورها بین 6000 تا 30000 بی تی یو بر ساعت معادل 5/0 تا 5/2 تن می باشد. کمپرسورهای روتاری در انواع یخچال و فریزرهای صنعتی، انواع سیستم های سرمایشی و تهویه مطبوع خانگی، درایر کمپرسور باد و پمپ گرما استفاده می شود. از لحاظ جغرافیایی مناطق شمالی و شمال غرب کشور ایران و عمدتا مناطقی که دارای فشار هوای بالایی هستند بهترین شرایط را برای استفاده از کمپرسورهای روتاری دارند. این نوع از کمپرسورها با گازهای مبرد R22، ، R134a R32 و R410A سازگارند. معروف ترین و پرکاربردترین کمپرسورهای روتاری موجود در بازار ایران از برندهایی همچون پاناسونیک، GMCC، سامسونگ، تکامسه، میتسوبیشی و کمپرسور روتاری هایلی هستند که در ظرفیت های مختلف بین ۲ تا ۱۰ کیلووات بر ساعت موجود می باشند.

نحوه عملکرد کمپرسورهای روتاری

ساختار اصلی کمپرسورهای روتاری یک محفظه استوانه ای است که بر روی بدنه آن دو درگاه ورودی و خروجی قرار دارد و یک لغزنده درون محفظه نصب می شود. این لغزنده در هنگام دوران بر روی دیواره داخلی محفظه می لغزد. این حرکت خارج از مرکز محور اصلی محفظه است. بنابراین این نوع خاص دوران باعث کاهش تدریجی فضای میان روتور و بدنه داخلی می شود و سبب فشرده سازی سیال به دام افتاده در میان پره های روتور خواهد شد. این فرآیند را می توان در چهار مرحله بیان نمود که به شرح زیر است.

۱-ورود سیال از درگاه ورودی در فضای میان روتور و محفظه
۲-آب بندسازی درگاه مکش و به دام افتادن سیال درون محفظه
۳-فشرده سازی سیال با کاهش حجم محفظه به سبب دوران خارج از مرکز لغزنده
۴-تخلیه سیال از طریق درگاه خروجی

شکل 1 : شماتیک داخلی کمپرسور روتاری

یکی از نکات کلیدی در هنگام ساخت کمپرسورهای روتاری رعایت فاصله انطباقی بین لبه پره ها با جداره داخلی محفظه است. غالبا در کمپرسورهای روتاری این نکته به گونه ای رعایت می شود که تلفات حجمی سیال قابل چشم پوشی بوده و به همین سبب کمپرسورهای روتاری در مقایسه با کمپرسورهای رفت و برگشتی از لحاظ فاکتور ضریب عملکرد و بهره وری برتری دارند. یکی از ویژگی های مهم کمپرسورهای روتاری این است که ساختار مکانیکی آن ها عاری از شیرهای مکش و تخلیه هستند.

مزایای کمپرسورهای روتاری :

• این کمپرسورها کم حجم و سبک هستند.
• در حین کار ارتعاش و یا لرزش ندارد. بنابراین در کمپرسورهای روتاری از سازه های سبک تر و ساده تری استفاده می شود.
• به سبب اتلاف حجم ناچیز سیال در حین انجام فرآیند بهره وری عملکرد یا راندمان بالایی دارد.
• در سرعت بالا کار می کند. بنابراین می تواند حجم زیادی از سیال را متراکم سازد.
• اجزای متحرک کمپرسور به خوبی بالانس می شوند. بنابراین سرو صدای کمی تولید می کند.
• نیاز به نگهداری کمی دارد.
• روغنکاری و روان کاری ساده ای دارد. بنابراین سیال خروجی فاقد آلودگی و روغن است.
• برخلاف کمپرسورهای رفت و برگشتی که سیال خروجی را به صورت متناوب و سکته ای خارج می کند، در کمپرسورهای روتاری سیال خروجی مداوم و یکنواختی محیا می شود.
• هزینه اولیه پایینی را به سیستم تحمیل می کند.

معایب کمپرسورهای روتاری :

• فشار سیال خروجی در مقایسه با کمپرسورهای رفت و برگشتی پایین است.
• ظرفیت محدودی دارد، حداکثر ظرفیت توان برودتی این نوع از کمپرسورها 5/2 تن است.

کمپرسورهای اسکرال

کمپرسورهای اسکرال نیز از انواع کمپرسورهای دورانی و جابجایی مثبت هستند که در ظرفیت های مختلف شامل رنج 20000 تا 380000 بی تیو بر ساعت معادل 2 الی 32 تن و در برندهای مختلف در بازار ایران موجود می باشند و در انواع سیستم های تهویه مطبوع نظیر چیلر، پکیج پشت بامی و اسپلیت ایستاده و کانالی مورد استفاده قرار می گیرد. کمپرسور اسکرال بیشتر مناسب مناطق گرمسیری هستند. معروف ترین و پرکاربردترین برندهای کمپرسورهای اسکرال موجود در بازار ایران شامل کمپرسور اسکرال کوپلند، کمپرسور اسکرال دانفوس، کمپرسور اسکرال امرسون، کمپرسور اسکرال بیتزر و کمپرسور اسکرال پاناسونیک هستند. کمپرسورهای اسکرال به دلیل داشتن خصوصیاتی همچون کارایی و قابلیت اطمینان بالا بسیار مورد توجه هستند. ابعاد و اندازه و وزن کمپرسورهای اسکرال به واسطه ساختار مکانیکی خاصی که دارند نسبت به کمپرسورهای نیم بسته و باز تبرید بسیار کوچک تر است که مزیت رقابتی خوبی محسوب می شود.

نحوه عملکرد کمپرسورهای اسکرال

کمپرسور اسکرال از دو قطعه حلزونی شکل به نام پیچک تشکیل شده است. یکی از پیچک ها متحرک و دیگری ثابت (متصل به بدنه محفظه کمپرسور) هستند. پیچک متحرک حرکت دورانی خود را از شافت موتور می گیرد و به گونه ای دوران می کند که بر روی پیچک ثابت منطبق باشد. به واسطه این حرکت، سیال موجود در محفظه ورودی به تدریج جابجا شده و در عین فشرده شدن در محفظه تراکم به سمت مرکز پیچک سوق داده می شود. محفظه خروجی در همین نقطه قرار دارد. بنابراین سیالی که به واسطه حرکت مابین پیچک ها حجم آن کاهش یافته و دچار افزایش فشار و دما شده است در این نقطه از محفظه کمپرسور خارج می شود. محفظه کمپرسورهای اسکرال معمولا از جنس فولاد و استوانه ای شکل است. نحوه قرارگیری اجزای کمپرسور به صورت ایستاده و در حالت عمودی است و مکانیزم های پیچک بالای شافت موتور قرار می گیرند.

شکل 2: شماتیک نحوه عملکرد کمپرسور اسکرال

شکل 3 : تصویر شماتیک کمپرسور اسکرال

به صورت نرمال از شیرهای مکش و تخلیه در کمپرسورهای اسکرال استفاده نمی شود. در عین حال در شرایطی که اختلاف فشار بالایی در درگاه خروجی مورد نیاز باشد از شیر تخلیه دینامیکی استفاده می شود، که معمولا در کاربردهای سیستم های تبرید مورد استفاده قرار می گیرند و استفاده از آن ها در سیستم های تهویه مطبوع رایج نیست. به این خاطر که استفاده از شیر تخلیه دینامیکی روی کمپرسورهای اسکرال باعث افت فشار خواهد شد که این افت فشار باعث کاهش بهره وری سیستم می شود.

مزایای کمپرسورهای اسکرال

• وجود حرکت دورانی برای فشرده سازی سیال در مقایسه با کمپرسورهای پیستونی و رفت و برگشتی ضریب عملکرد سیستم را بالا می برد.
• سادگی مکانیزم های حرکتی در این نوع از کمپرسورها باعث می شود تا فرآیند افزایش فشار سیال به صورت نرم تر و با سر و صدای کمتری انجام شود. فرکانس صوت تولید شده از کمپرسورهای اسکرال به صورت معمول بین 10 تا 25 دسیبل کمتر از سایر کمپرسورهای موجود در بازار است.
• عدم نیاز به استفاده ازسیستم تعلیق فنری در سازه کمپرسور به دلیل ناچیز بودن نوسانات و لرزش ها
• وزن پایین در مقایسه با سایر کمپرسورها از جمله کمپرسورهای رفت و برگشتی

معایب کمپرسورهای اسکرال

• شاید بتوان بزرگترین عیب کمپرسورهای اسکرال را همان ساختار مکانیکی مکانیزم حرکتی آن دانست. به دلیل اینکه به راحتی قابل تعمیر نیست. اصولا پیچک های کمپرسور اسکرال به راحتی قابل دمونتاژ نیستند تا بتوان آن ها را تعمیر یا تعویض کرد.
• بسیاری از انواع کمپرسورهای دورانی قابلیت چرخش در هر دو جهت ساعتگرد یا پادساعتگرد را دارند ولی کمپرسور اسکرال تنها می تواند در یک جهت دوران کند.
• به کارگیری تجمیعی چند کمپرسور اسکرال برای کنترل ظرفیت سیستم تبرید یا تهویه مطبوع غالبا با پیچیدگی و دردسر همراه بوده است.

مقایسه کمپرسور روتاری و کمپرسور اسکرال

همان‌طور که پیش از این اشاره شد کمپرسورهای روتاری و اسکرال از انواع کمپرسورهای جابجایی مثبت و دورانی هستند و به دلیل داشتن بهره وری بالا کاربردهای صنعتی و تجاری فراوانی دارند. این دو کمپرسور درعین حال که از نظر کاربردها، خصوصیات، نوع حرکت، بهره وری و … شباهت هایی دارند اما می‌توانند تفاوت‌های زیادی نیز داشته باشند که در ادامه به کلیدی ترین آن ها اشاره می شود.

• ظرفیت کاری

یکی از مهم‌ترین معیارهای مقایسه این دو نوع کمپرسور معیار ظرفیت آن ها است. کمپرسورهای اسکرال قابلیت فشرده سازی حجم سیال بیشتری را دارند و دارای ظرفیت بیشتری هستند. انواع کمپرسورهای روتاری جزو کمپرسورهای ظرفیت پایین محسوب می شوند و در محدوده 5/0 تا 5/2 تن کار می کنند. در حالی که ظرفیت کاری انواع کمپرسورهای اسکرال در محدوده 2 تا 32 تن می باشد.

• رده انرژی

پارامتر ضریب عملکرد کمپرسورها را می توان وابسته به کیفیت ساخت شرکت های سازنده دانست. در عین حال، ضریب عملکرد انواع کمپرسور روتاری در محدوده 7/2 تا 2/3 تغییر می کند، درحالی که ضریب عملکرد کمپرسورهای اسکرال در محدوده 9/2 تا 5/3 متغیر است. کمپرسورهای با ضریب عملکرد بالاتر از 3 را می توان در رده انرژی A و کمپرسورهای با ضریب عملکرد بالاتر از 8/2 تا 3 را در رده انرژی B دسته بندی کرد. بنابراین بعضی از مدل های کمپرسورهای روتاری و اسکرال در رده انرژی A و بعضی از مدل های آن ها در رده انرژی B قرار دارند. با این حال، از نظر بهره وری انرژی کمپرسورهای اسکرال نسبت به کمپرسورهای روتاری در وضعیت بهتری قرار دارند. زیرا که با مقایسه محدوده تغییرات ضرایب عملکرد می توان نتیجه گرفت که قابلیت ساخت کمپرسورهای اسکرال با ضریب عملکرد بالاتر وجود دارد.

• گازهای مبرد

انواع مختلف کمپرسورهای روتاری با گازهای مبرد نظیر R22، R32، R134a و R410A سازگارند. در حالی که گازهای سازگار با کمپرسورهای اسکرال شامل R22، R410A، R404A و R407C می شوند.

• روغن روان کاری

روانکاری مکانیزم های دوار کمپرسورها نقش بسزایی در بهبود عملکرد، افزایش دوره سرویس و افزایش طول عمر آن ها دارد. فرآیند روانکاری کمپرسورها به کمک روغن انجام می شود. بنابراین چک کردن حجم روغن و همچنین کیفیت روغن مورد استفاده از جمله مهم ترین موارد نگهداری کمپرسورها هستند. از مهمترین مواردی که در انتخاب روغن میبایست مورد توجه قرار گیرد می توان به چگالی روغن و سازگاری آن با مبرد مورد استفاده در کمپرسور اشاره کرد. انواع روغن های مورد استفاده در روانکاری کمپرسورها به انواع زیر تقسیم بندی می شوند.

• روغن های معدنی یا مینرال با نشانه اختصاری MO شناخته می‌شوند.
• روغن های از جنس پلی استر با علائم اختصاری POE
• روغن های مصنوعی با نشان اختصاری AB
• روغن های پلی آلکیل بنزن که نشانه اختصاری آن PAG است.
• روغن های پلی آلفا اٌلفین که با نشانه اختصاری PAO شناخته می‌شوند.
• روغن های پلی وینتال اتر با علائم اختصاری PVE است.

در این میان، استفاده از روغن های نوع MO، POE و PVE برای انواع کمپرسور روتاری و کمپرسور اسکرال رواج بیشتری دارد. به طور مثال سری SM کمپرسرورهای اسکرال برند دانفوس با گاز مبرد R22 و روغن معدنی MO سازگار هستند. همچنین کمپرسورهای روتاری که با گاز R134a کار می کنند با روغن های مصنوعی مدل POE یا PVE سازگارند.

• محدوده دمایی

دمای کاری کمپرسورهای اسکرال در محدوده 20  تا 15 درجه سانتیگراد است. (این دما در واقع دمای گاز مبرد در خروجی اواپراتور و ورودی کمپرسور در سیکل تبرید است.) در حالی که دمای کاری انوع کمپرسورهای روتاری در محدوده 20  تا 48 درجه سانتیگراد است.

• قیمت

یقینا قیمت تمام شده کمپرسورها را می توان تحت تأثیر عوامل مختلفی همچون ظرفیت، بهره وری، توان الکتریکی، برند سازنده و … دانست، اما در شرایط یکسان هزینه اولیه تامین کمپرسورهای اسکرال بیشتر از کمپرسورهای روتاری است.

• تعمیرات و نگهداری

این دو کمپرسور از نظر هزینه‌های تعمیر و نگهداری باهم متفاوت هستند. علیرغم اینکه کمپرسورهای اسکرال در مقایسه با کمپرسورهای روتاری هزینه اولیه کمتری دارند، اما از نظر تعمیرات کمپرسورهای روتاری رقابتی تر هستند و هزینه تعمیر کمتری دارند. معمولا تعمیر کمپرسورهای روتاری آسان‌تر است و کمپرسورهای اسکرال فرآیند تعمیر ساده‌ای ندارند و به راحتی دمونتاژ نمی شوند.

• آلودگی صوتی

علیرغم اینکه هر دو کمپرسور روتاری و کمپرسور اسکرال از کم صداترین انواع کمپرسورها هستند اما کمپرسورهای اسکرال در مقایسه با کمپرسورهای روتاری آلودگی‌ صوتی بسیار کمتری تولید می‌کنند. نمودار فرکانس تولید صوت انواع کمپرسورهای روتاری و اسکرال در نمودار زیر با یکدیگر مقایسه شده است.

شکل 4 : محدوده تغییرات فرکانس تولید صوت در کمپرسورهای اسکرال و روتاری