کمپرسورها
۱- انواع کمپرسورها – هریک از چهار جزء سیستم تراکمی بخار، یعنی کمپرسور، کندانسور، دستگاه انبساط و اواپراتور عملکرد خاص خود را دارند . در همین حال هر یک از این اجزاء تحت تأثیر شرایط اعمال شده از سوی سایر اجزاء قرار می گیرد. به طور مثال تغییر درجه حرارت آب کندانسور ممکن است دبی مبردی که کمپرسور پمپ می کند را تغییر دهد که شیر انبساط باید دوباره تنظیم شود و فشار مبرد داخل اوپراتور تغییر یابد. ابتدا اجزای سیکل تراکمی بخار را به صورت مجزا مطالعه کرده و سپس عملکرد تک تک را در جمع بررسی و آنگاه نحوة تداخل آنها را با یکدیگر به عنوان یک سیستم مشاهده خواهیم کرد.

قلب سیستم تراکمی بخار کمپرسور است. چهار نوع رایج کمپرسورهای تبرید، رفت و برگشتی، پیچی، گریز از مرکز و پره ای می باشند. کمپرسور رفت و برگشتی از پیستونی تشکیل شده که در سیلندر به عقب و جلو می رود و شیرهای رانش و مکش آن به گونه ای طرح شده که عمل پمپاژ انجام گیرد. کمپرسورهای پیچی، گریز از مرکز و پره ای همگی از اجزای دوار استفاده می کنند. کمپرسور پیچی و پره ای ماشینهای جابه جایی مثبت بوده و نوع گریز از مرکز به کمک نیروی گریز از مرکز کار می کند.

قسمت الف : کمپرسورهای رفت و برگشتی
یکی از مهمترین دستگاههای صنعت تبرید کمپرسورهای رفت و برگشتی می باشد که در اندازه های زیر یک کیلووات تا صدها کیلووات ظرفیت تبرید ساخته شده است. کمپرسورهای جدید یک جهته بوده و تک سیلندر یا چند سیلندر می باشند. سیلندرها در کمپرسورهای چند سیلندر به شکل V و W ، شعاعی یا خطی می باشند.

کمپرسورها شکل ۱ دارای ۱۶ سیلندر می باشد که در هریک از سر سیلندرها دو سیلندر قرار دارد. در طول ضربة مکش پیستون، گاز مبرد با فشار پایین از طریق سوپاپ مکش واقع در پیستون یا سر سیلندر وارد می شود. در طول ضربة تخلیه، پیستون مبرد را متراکم کرده و سپس آن را از طریق سوپاپ تخلیة واقع در سر سیلندر به بیرون می راند.
عموماً در ۲۰ سال گذشته در اغلب ماشینهای دوار سرعت کاری کمپرسورها افزایش یافته است. سرعت کمپرسورهای اولیه حدود ۲ تا r/s 3 بوده و این مقدار برای کمپرسورهای امروزی تا r/s 60 رسیده است.
۲- کمپرسورهای بسته : ک

مپرسورهایی که میل لنگ از محفظة کمپرسور بیرون آمده و بتوان یک موتور از بیرون به محور آنها کوپله کرد، کمپرسور نوع باز نامیده می شوند. یک کاسه نمد می توان برای جلوگیری از نشت گاز مبرد یا در صورت کمتر بودن فشار محفظة سیلندر از اتمسفر، از نشت هوا به درون محفظة سیلندر در محل بیرون آمدن محور از محفظة کمپرسور به کار برد. با وجود اینکه طراحان کاسه نمدهای بهتری طراحی کرده اند، اغلب ایجاد ترک در محفظه یکی از عوامل نشت می باشد. برای جلوگیری از نشت کاسه نمد مطابق شکل برش داده شده ۲ اغلب موتور و کمپرسور در یک محفظه قرار داده می شوند.

روشهای بهتری برای عایقکاری الکتریکی موتور اجازة کار موتور را در تماس با مبرد می دهند. در بسیاری از طرحها گاز سرد ورودی برای خنک کردن موتور از روی آن عبور می کند. همیشه در یخچالها، فریزرها و واحدهای تهویة مطبوع خانگی کمپرسور بسته به کار می رود. تنها اتصالات محفظه کمپرسور اتصالات ورودی و خروجی و ترمینالهای الکتریکی می باشند.
رطوبت در سیستم ممکن است باعث آسیب رسیدن به موتور شود و بنابراین رطوبت گیری واحدهای بسته قبل از پر کردن گاز (شارژ) ضروری می باشد. در واحدهای بستة بزرگتر اغلب سرسیلندرها بازشدنی هستند تا تعمیر و نگهداری پیستونها و سوپاپ ها امکان پذیر شود. این واحدها نیمه بسته نامیده می شوند.

۳- واحدهای تقطیر: کمپرسور و کندانسور سیستم برای سهولت در یک واحد تقطیر (شکل ۳) قرار داده شده اند. موتور، کمپرسور و کندانسور را می توان به صورت یکپارچه روی یک بدنه و دور از شیر انبساط و اوپراتور نصب کرد.

۴- عملکرد : دو مشخصة مهم عملکرد کمپرسور ظرفیت تبرید و توان مصرفی می باشد. این دو مشخصة کمپرسوری که با سرعت ثابت کار می کند، اغلب با فشارهای خروجی و ورودی کنترل می شود. در ابتدا می توان تجزیه و تحلیلی از یک کمپرسور رفت و برگشتی به عمل آورد، چون درک آثار این دو فشار به مراتب ساده تر است. مطالعات راجع به یک کمپرسور مطلوب برای کمپرسور واقعی نیز صادق است، گرچه باید تغییراتی در مورد مقادیر اعداد به عمل آورد. این تغییرات باید در بحث کمپرسور واقعی مورد بررسی قرار گیرندو

۵- راندمان حجمی : راندمان حجمی پایة پیشگویی عملکرد کمپرسورهای رفت و برگشتی می باشد. دو نوع راندمان حجمی واقعی و جاروب در این فصل مورد بررسی قرار می گیرند. راندمان حجمی واقعی به صورت زیر تعریف می شود.

که شدت جابه جایی حجم جاروب شده به کمک پیستون ها در طول ضربات مکش در واحد زمان می باشد.
راندمان حجمی جاروب بستگی به انبساط دوبارة گاز حبس شده در حجم جاروب دارد و مطابق شکل ۴ آن را به کمک نمودار فشار – حجم کمپرسور می توان به صورت بهتری تشریح کرد. حجم حداکثر سیلندر یعنی v3 هنگامی ایجاد می شود که پیستون در انتهای ضربة پیستون به وجود می آید. حجم حداقل یا حجم جاروب VC است که در انتهای دیگر ضربة پیستون به وجود می آید. فشار خروجی (تخلیه) Pd می باشد.

در این لحظه فرض کنید که فشار ورودی P1 است . گاز حبس شده در حجم جاروب ابتدا باید قبل از کاهش فشار سیلندر آن قدر که سوپاپ های مکش باز شده و گاز بیشتری را به داخل بکشند، تا حجم V1 انبساط یابد. حجم گاز کشیده شده به داخل سیلندر V3-V1 خواهد بود و راندمان حجمی جاروب در این حالت می باشد. هنگامی که فشار ورودی P2 است، حجم قسمت داخل ضربه به V3-V2 کاهش می یابد. در حالت خاص وقتی که فشار ورودی تا P3 افت کند، پیستون تمام ضربه را برای انبساط دوبارة گاز حجم جاروب به کار می برد و راندمان حجمی جاروب به صفر درصد می رسد.

راندمان حجمی جاروب را م توان به طریقی دیگر مطابق شکل ۴ و یا به کار بردن فشار P1 به عنوان فشار ورودی تعریف کرد. درصد جاروب m که برای یک کمپرسور معین ثابت می باشد، عبارت است از :
با اضافه کردن Vc-Vc به صورت تعریف خواهیم داشت :

بنابراین

اگر یک انبساط آیزونتروپیک بین Vc ، V1 فرض شود ،

که حجم مخصوص بخار ورودی کمپرسور = Vsuc
حجم مخصوص بخار بعد از تراکم آیزنتروپیک تا Pd = Vdis
مقادیر حجم مخصوص در نمودار فشار – آنتالپی یا جداول خواص بخار مافوق داغ مبرد وجود دارد.
با جایگزینی معادلة (۵) در معادلة (۴) خواهیم داشت :

۶- عملکرد کمپرسور ایده آل : در کمپرسور ایده آل تراکم گاز و انبساط دوبارة گاز محبوس در حجم جاروب هر دو آیزنترپیک می باشد. در کمپرسور ایده آل تنها عامل مؤثر روی راندمان جاروب انبساط دوبارة گاز محبوس می باشد.

در صفحات بعد اثر فشار مکش روی عملکرد یک کمپرسور ایده آل مورد بررسی قرار خواهد گرفت. شکل ۵ اثر درجه حرارت تبخیر را روی راندمان حجمی جاروب نشان می دهد. راندمان های حجمی از معادلة ۶ محاسبه شده و در مورد کمپرسور با مبرد ۲۲ و درصد جاروب ۵/۴ و درجه حرارت تقطیر C 35 کندانسور اعمال شده اند.
هنگامی که درجه حرارت تبخیر c 61- است، راندمان حجمی جاروب صفر خواهد شد که درجه حرارت اشباع مربوطه به p3 در شکل ۴ می باشد. در صورت برابری فشار ورودی و خروجی (فشار برابر در تبخیر و تقطیر) راندمان حجمی ۱۰۰ درصد خواهد بود.

دبی جرمی، ظرفیت و توان مصرفی را به مراتب بهتر از دبی حجمی کنترل می کند. دبی جرمی wkg/s در کمپرسور با شدت جابه جایی فرضی L/s 50 دبی جرمی را می توان محاسبه و مانند شکل ۵ رسم کرد. با کاهش ورودی ، حجم مخصوص ورودی کمپرسور همراه با راندمان حجمی افزایش می یابد و دبی جرمی را در درجه حرارت های پایین تبخیر کاهش می دهد.
۷- توان مصرفی : توان مصرفی کمپرسور ایده آل حاصل ضرب دبی جرمی و افزایش آنتالپی در طول تراکم آیزنتروپیک می باشد.
(۸) P=Whi
Kw، توان = P
Kg/s، دبی جرمی = W
Kj/kg = کار آیزونتروپیک تراکم = hi
شکل ۶ تغییرات hi را با تغییر درجه حرارت تبخیر نشان می دهد.
مقدار hi در درجه حرارت های پایین تبخیر زیاد بوده و پس از برابری فشار خروجی و ورودی (هنگام برابر شدن فشار تبخیر و تقطیر) به صفر می رسد. منحنی توان مصرفی (شکل ۶) مقدار صفر را در دو نقطه نشان می دهد که درجه حرارت های تبخیر برابر درجه حرارت تقطیر شده و دبی جرمی صفر می باشد. بین این دو نقطه توان مصرفی به حداکثر می رسد

.
منحنی توان به علت کاربردهای مهم، از مقبولیت خاصی برخوردار است. اغلب سیستم های تبرید رد طرف چپ نقطة حداکثر منحنی توان کار می کنند. در طول دورة افت درجه حرارت حاصل از شروع کار سیستم با اواپراتور گرم، توان مصرفی به حداکثر می رسد و موتور توان بیشتری را نسبت به شرایط طراحی که بر اساس آن انتخاب شده لازم دارد. برخی مواقع موتورها را باید برای پایین تر بردن سیستم از نقطة حداکثر روی منحنی توان، بزرگتر انتخاب کرد. برای جلوگیری از بزرگتر انتخاب کردن موتور، فشار ورودی به صورت عمدی به کمک خفگی گاز ورودی تا افت فشار اواپراتور زیر نقطة حداکثر منحنی توان کاهش داده می شود.