کمپرسور اسکرال چیست؟ مزایا و معایب

سرمایش محیط و تجهیزات گرماده در منازل و صنایع، همواره با دستگاه‌های مکانیکی انجام می‌شده که یک سیال مبرد را طی یک سیکل چرخشی سرد می‌کنند و این سیال از محیط و یا دستگاه گرم‌شده حرارت را می‌گیرد و به حالت اولیه تبدیل می‌شود. هر سیکل تبرید در دو روش متمایز تراکمی/جذبی کار خود را انجام داده و یک سیکل تبرید عموماً شامل چهار وسیله‌ی اساسی است: کندانسور، کمپرسور، شیر انبساط و اواپراتور. در این بین کمپرسور نقشی حیاتی دارد و بخش مهم سیکل محسوب می‌گردد.

کمپرسور وسیله‌ای مکانیکی است که فشار گاز را با کاهش حجم آن افزایش می‌دهد و کمپرسور هوا نوع خاصی از کمپرسور گاز است. کمپرسور مشابه پمپ است: هر دو فشار روی سیال را افزایش داده و هر دو می‌توانند سیال را از طریق لوله انتقال دهند. تمایز اصلی آن‌ها این است که تمرکز یک کمپرسور تغییر چگالی یا حجم سیال است که عمدتاً فقط روی گازها قابل انجام است، زیرا گازها قابل تراکم بوده ولی مایعات بسختی تراکم‌پذیرند، بنابراین کمپرسورها به ندرت برای مایعات استفاده می‌شوند. از طرفی عمل اصلی یک پمپ، فشاردادن و انتقال مایعات است.

بسیاری از کمپرسورها سیال را چندین بار در چند مرحله فشرده می‌کنند تا فشار تخلیه افزایش یابد و غالباً مرحله دوم از نظر فیزیکی با حجم کمتر از مرحله اولیه انجام می‌پذیرد. می‌توان گفت کمپرسور قلب دستگاه تهویه بوده و در بسیاری از سیستم‌های تهویه مطبوع جهت ایجاد چرخه‌ی سرمایشی که خنک کردن محیط است، مورد استفاده می‌باشد. شناخته شده ترین انواع کمپرسور، انواع اسکرال و رفت‌و برگشتی هستند و نوع اسکرال به‌طور گسترده در سیستم دستگاه‌هایی مانند یخچال، کولر گازی، چیلر و مینی چیلر، داکت اسپلیت و … استفاده می‌شود.

کمپرسور اسکرال چیست؟

کمپرسور اسکرال (Scroll compressor) از رایج‌ترین نوع کمپرسور در سیکل تبرید تراکمی است که در سیستم‌های تهویه مطبوع مورد استفاده است.

کمپرسور اسکرال در سال 1905 اختراع شد، اما فناوری ریخته‌گری فلز در آن دوره به اندازه کافی برای ساخت آنها پیشرفت نکرده بود. درست پس از جنگ جهانی دوم شروع به ساخت کردند و از دهه 80 به عنوان کمپرسورهای تبرید به صورت تجاری در حجم زیاد تولید شدند.

آنها هنوز هم در صنعت تبرید بسیار محبوب هستند و در حدود ده سال گذشته، کمپرسورهای اسکرال به آیتم اصلی در صنعت هوای فشرده تبدیل شده است صنعتی که تحت تسلط کمپرسورهای پیستونی و اسکرو قرار داشت.

کمپرسور اسکرال چگونه کار می‌کند؟

چهار نوع کمپرسور با ساختار محوری، سانتریفیوژی، رفت‌وبرگشتی و چرخشی (روتاری) تاکنون ساخته شده که از نظر ساختاری متفاوتند. برخلاف سایر کمپرسورها که از پیستون برای حرکت بالا و پایین استفاده می‌کنند، کمپرسور اسکرال که از یک حرکت دایره‌ای مخصوص برای کار خود بهره می‌برد و به آن کمپرسور مارپیچی نیز می‌گویند، از نوع چرخشی یا روتاری (Rotary) است.

در این نوع کمپرسور، از دو پیچک (اسکرال) به هم پیوسته برای پمپاژ، فشرده‌سازی سیالاتی مانند مایعات و گازها استفاده می‌شود که این پیچک‌ها مارپیچی ارشمیدسی یا هیبرید هستند. غالباً یکی از اسکرال‌ها ثابت بوده و فیکس شده است و دیگری به دور خود می‌گردد، در نتیجه ی این کار حباب‌های سیال بین اسکرال ها به دام می‌افتند و این عمل پمپ می‌کند و یا فشرده می‌سازد.

این امر باعث می‌شود که حجم گاز کاهش یابد زیرا محفظه‌های مبرد بین دو پیچک به تدریج به مرکز دو طومار منتقل شده و پس از آن، از طریق درگاه میانی به کندانسور تخلیه می‌شود.

یک شفت مرکزی حرکت مداری را فراهم می‌کند، اما باید از چرخش اسکرال جلوگیری شود، که این کار معمولاً با یک کوپلینگ نوع اولدهام صورت می‌پذیرد. روش دیگر برای ایجاد فشرده‌سازی، چرخش همزمان اسکرال‌ها به طور همزمان، ولی با مراکز گردش متمایز است.

با استفاده از شکاف‌های محوری بسته در نوک مارپیچی شکل‌ها، که در شیارهایی سر هر دو مارپیچ قرار می‌گیرند، از نشتی جلوگیری می‌شود. این شکاف‌های محوری بسته که به کاهش اصطکاک نیز کمک می‌کنند، در صورت فرسودگی قابل تعویض هستند.

برخی از کمپرسورها از گاز تخلیه‌ی تحت فشار برای فشاردادن هر دو اسکرال به هم استفاده می‌کنند. جالب است بدانید کمپرسورهای طی چند دهه به صورت تجاری برای تهویه‌ی مطبوع تولید نشدند تا اینکه در سال 1983 هیتاچی اولین تهویه مطبوع را در دنیا توسط کمپرسور اسکرال هرمتیک راه اندازی کرد.

کمپرسورهای هرمتیک (Hermetic)، کمپرسورهای اسکرال کاملاً بسته هستند که تمام تجهیزات آن درون پوسته‌ی سیلندری تعبیه شده و جوش داده و پلمپ می‌باشند و از این‌رو این کمپرسورها قابل تعمیر شدن نبوده و در صورت خرابی باید تعویض شوند. کمپرسورهای کنونی مورد استفاده در سیستم‌های تهویه مطبوع و سیکل‌های تبرید تراکمی، معمولاً کمپرسورهای اسکرال عمودی هستند که قسمت متحرک کمپرسور در بالای کمپرسور و بالای شفت موتور قرار گرفته است. قطعات اصلی این کمپرسورها همان مارپیچ‌های حلزونی ثابت و متحرک، روتور، استاتور و نیز پمپ روغن محسوب می‌باشند. کمپرسور اسکرال بر حسب سرعت روتور به سه دسته تقسیم می‌شوند:

• تک مرحله‌ای (یکنواخت) (Single-Stage Scroll Compressor)،
• دو مرحله‌ای (Dual-Stage Scroll Compressor)،
• کمپرسور اسکرال با سرعت متغیر (Variable-Speed Scroll Compressor).

کمپرسور اسکرال تک مرحله‌ای

مدل‌های تک مرحله‌ای ساده ترین و مقرون به صرفه ترین کمپرسورهای اسکرال هستند زیرا سرعت ثابت و تکنولوژی ساده‌تری دارند. یک کمپرسور تک مرحله‌ای همیشه با تمامی ظرفیت خود و به طور ثابت و یکنواخت کار می‌کند و هنگامی که دمای داخل یخچال یا وسیله سرمایشی به ناحیه‌ی تنظیم شده برسد، کمپرسور خاموش می‌شود. بدین‌ترتیب کمپرسور به طور مکرر طی شبانروز روشن/خاموش می‌شود. این چرخه‌های روشن/خاموش مکرر باعث ایجاد دمای غیر یکنواخت، سایش و پارگی اجزای سیستم و افزایش مصرف انرژی است.

کمپرسور اسکرال دومرحله‌ای

کمپرسور اسکرال دو مرحله ای دارای دو سرعت متفاوت است: سرعت زیاد و سرعت کم. بنابراین می‌توانند سرمایش خروجی بهتری را طبق نیازهای حرارتی فراهم کنند. کمپرسور دومرحله‌ای وقتی در سرعت کم کار می‌کند، توانایی آن در حذف رطوبت افزایش می‌یابد. علاوه بر این در صورت لزوم، توان این نوع کمپرسور می‌تواند به حد کامل رسیده و دمای ثابت بیشتری را حفظ کرده و این خود باعث صرف انرژی کمتر است.

کمپرسور اسکرال با سرعت متغیر

این نوع کمپرسورهای به طور مداوم کار می‌کنند و توسط سطوح سرعت متفاوتشان، قادرند عملکرد خود را تنظیم کرده و با کم و زیاد نمودن این عملکرد، بارهای حرارتی متفاوت را فراهم نمایند. کمپرسورهای جدیدتر با سرعت متغیر می‌توانند سرعت‌ها را در گام‌هایی به کوچکی 1 درصد تا 10 درصد تغییر داده و حدود 750 سرعت متفاوت را در عمل ارائه دهند. یک کمپرسور با سرعت متغیر می‌تواند کارایی کلی سیستم تبرید را بهبود بخشد زیرا به طور مکرر روشن‌وخاموش نمی‌شود. عملکرد مداوم ممکن است مصرف انرژی را در سیستم‌هایی که از کمپرسورهای تک‌مرحله‌ای استفاده می‌کنند به میزان قابل توجهی افزایش دهد.

کمپرسور اسکرو و تفاوت آن‌ با کمپرسور اسکرال

به طور کلی کاری که یک کمپرسور انجام می‌دهد فشرده‌سازی یا متراکم کردن هوا یا گاز است و از این نظر همه کمپرسورها و همچنین این دو نوع شبیه هم هستند. اما تفاوت ظرفیت و توان کمپرسورهای اسکرو با کمپرسورهای اسکرال متفاوت بوده و کمپرسورهای اسکرو صنعتی‌تر از کمپرسورهای اسکرو هستند، بنابراین کمپرسور اسکرو در چیلرهای گازی و کولرگازی بسیار استفاده می‌شود.

در کمپرسورهای اسکرو دو استوانه‌ی مارپیچی در داخل یکدیگر فیت شده و هر دو دارای حرکت چرخشی در جهات مخالف یکدیگر هستند. این کمپرسورها از نوع چرخشی هستند ولی در ساختار چرخشی متفاوت با کمپرسورهای اسکرال هستند. بهتر است بعضی از ویژگی‌های این دو نوع کمپرسور را با هم‌دیگر مقایسه کنیم:

1. از لحاظ اندازه و وزن، کمپرسورهای اسکرو بزرگتر و سنگین‌تر بوده و کمپرسورهای اسکرال کوچکتر و سبک‌تر هستند.
2. کمپرسورهای اسکرو قدرت بیشتری نسبت به نوع اسکرال دارند.
3. از نظر تعمیرات و نگهداری، کمپرسورهای اسکرو قابل تعمیرند، مگر در مواردی که می‌بایست تعویض شوند.
4. از نظر هزینه، کمپرسورهای اسکرو گران‌تر از کمپرسورهای اسکرال هستند.
5. از لحاظ کارایی و راندمان، نوع اسکرو راندمان بالاتری از کمپرسور اسکرال دارد.
6. کمپرسورهای اسکرو نویز زیادی دارند ولی کمپرسورهای اسکرال صدای بسیار کمی ایجاد می‌کنند.
7. کمپرسورهای اسکرال بسیار تمیزند و روغنی برای نشت وجود ندارد.

مزایا و معایب کمپرسورهای اسکرال

کمپرسورهای رفت‌وبرگشتی دارای دو صفحه هستند که یکی ثابت و دیگری متحرک است. هنگامی که گاز از طریق شیر ورودی وارد محفظه می‌شود، صفحه‌ی دوار با چرخشی کامل گاز را فشرده می‌کند. این ساختار متفاوت کمپرسورها باعث می‌شود که در بخش‌های صنعتی و غیرصنعتی، کارکردهای متفاوت و عملکردهای کختلفی داشته و هر کدام مزایا و معایبی بر حسب نوع کار دارا باشند. در یک نگاه اجمالی کمپرسورهای اسکرال دارای ویژگی‌های مناسب زیر هستند:

• طراحی ساده با قطعات کمتر،
• استحکام و قدرت بالا،
• اندازه‌ی کوچک،
• صدا و لرزش بسیار کم،
• مصرف انرژی پائین،
• تعمیر و نگهداری آسان،
• عمر بیشتر.

از معایب کمپرسورهای اسکرال می‌توان به قیمت بالاتر آنها نسبت به کمپرسورهای دوار و رفت و برگشتی اشاره کرد. اگر کمپرسوری را می‌خواهید که کمترین صدا و لرزش را تولید کند، مصرف بهینه‌ی انرژی داشته باشد و کمتر مستعد خرابی مکانیکی باشد، باید به سراغ یک کمپرسور از نوع اسکرال بروید.

کمپرسورهای اسکرال عملکرد و کارایی بهتری نسبت به کمپرسورهای پیستونی دارند. کمپرسورهای اسکرال دارای شیر مکش نیستند، اما بسته به کاربردشان ممکن است دارای شیر تخلیه باشند یا نباشند اما در کاربردهای نسبتاً فشار بالا، استفاده از شیر تخلیه دینامیکی منجمله در تبرید عملکرد دینامیکی و راندمان کمپرسور اسکرال را بهبود می‌بخشد.

فرآیند فشرده‌سازی اسکرال در سیال به دام افتاده، تقریباً 100٪ از نظر بازده‌ی حجمی در نسبت پمپاژ کارآمد می‌باشد و این در مقایسه با انواع دیگر کمپرسور راندمان قابل قبولی به حساب می‌آید و منجر به کاهش هزینه انرژی می‌شود. فرآیند مکش در کمپرسورهای رفت و برگشتی، جدا از فرآیندهای فشرده‌سازی و تخلیه، حجم خود را بیشتر در داخل ایجاد می‌کند.

پس در مقایسه با نوع اسکرال، کمپرسورهای رفت و برگشتی مقدار کمی گاز فشرده در سیلندر باقی می‌گذارند، زیرا عملی نیست که پیستون با سر یا صفحه‌ی سوپاپ تماس داشته باشد، بنابراین مقداری گاز باقیمانده از آخرین چرخه، فضای در نظر گرفته شده جهت مکش گاز را اشغال می‌نماید.

در چیلرهای با ظرفیت بالا از کمپرسور اسکرو بجای کمپرسورهای اسکرال استفاده می‌شود چرا که کمپرسورهای اسکرو مقاومت بیشتری نسبت به کمپرسورهای اسکرال دارند. اما اگر از این کمپرسور برای فشرده‌سازی گاز سرد استفاده کنیم عملاً بسیار گران تمام می‌شود، در این صورت باید از نوع اسکرال در کار خود استفاده کنید.

کمپرسورهای اسکرال به دلیل وجود قطعات متحرک کمتر، اندازه و ابعاد کوچکتری داشته و این باعث لرزش و صدای کمتری نیز می‌شود. این نوع از نظر میزان صدای تولیدی، بسیار کم‌صداتر و آرام‌تر از انواع بوده و حدوداً بین 5 تا 15 دسی‌بل کم‌صداتر از کمپرسورهای پیستونی‌اند. به علاوه اصطکاک کمتری ایجاد کرده و بنابراین نسبت به سایر کمپرسورها دوام و طول عمر بیشتری خواهند داشت. کولرهایی که در ساختار خود از اسکرال استفاده می‌کنند در بین تمامی کولرها کم‌صداتر و کم‌لرزش هستند.

این نوع کمپرسورها دارای تلفات انرژی بسیار کمی بوده و سایش قطعاتشان اندک بوده، نویز و لرزش کمی دارند و می‌توان گفت در مقایسه با انواع دیگر از قابلیت اطمینان بالاتر و راندمان بالایی برخوردارند و به همین دلایل در صنایع مختلف کاربردهای فراوانی دارند. نسبت به کمپرسورهای پیستونی و در مدل‌های رفت‌وبرگشتی، در این‌جا تلفات انبساط مجدد حذف شده و از آنجایی که هیچ دریچه‌ی مکش یا تخلیه وجود ندارد، تلفات شیر نیز حذف می‌شود.

اگر کمپرسوری می‌خواهید که گاز پرفشار تولید کند و کارایی بالایی داشته باشد، باید به سراغ نوع رفت‌و برگشتی بروید و نوع اسکرال در این جا کارایی کمتری دارد. بدین‌ترتیب نوع رفت‌و برگشتی غالباً در کارخانه‌های مواد شیمیایی، خطوط لوله‌ی گاز و تاسیسات گاز طبیعی و نیز پالایشگاه‌های نفت استفاده می‌شوند.

کمپرسورهای اسکرال قابل تعمیر نیستند و در صورت آسیب دیدن و خرابی باید تعویض شوند. قدرت این کمپرسورها خیلی زیاد نیست و برای تولید کولرهای باکیفیت، نیاز به استفاده از چند تا از این کمپرسورها در یک دستگاه است. آنها برای تقاضاهای در حجم زیاد نامناسبند و تا همین اواخر، فقط در نمونه‌های 3 اسب بخار، 5 اسب بخار و 7.5 اسب بخار عرضه می‌شدند. اگر به حدود 40 اسب بخار مکش نیاز دارید باید کمپرسوری تهیه کنید که دارای هشت پمپ اسکرال و هشت موتور باشد و این قیمت را بالا می‌برد؛ سیستمی با یک ایرند پیچ‌دوار 40 اسب بخار و یک موتور با 40 اسب بخار ساده‌تر و ارزان‌تر از آن خواهد بود.

قیمت وخرید چیلر تراکمی اسکرال

قیمت چیلر تراکمی اسکرال به عوامل مختلفی مانند ظرفیت، برند، نوع کندانسور (هوا خنک یا آب خنک) و آپشن‌های اضافی بستگی دارد. به طور کلی، چیلر تراکمی اسکرال قیمت مناسب‌تری نسبت به چیلر تراکمی اسکرو با ظرفیت مشابه دارد.

چیلرهای اسکرال از قطعات متحرک کمتری نسبت به چیلرهای اسکرو برخوردارند که این امر باعث کاهش هزینه تولید و در نتیجه قیمت پایین‌تر آنها می‌شود. چیلرهای اسکرال همچنین به دلیل تقاضای بیشتر، در تیراژ بالاتری تولید می‌شوند که این امر نیز به نوبه خود به کاهش قیمت آنها کمک می‌کند.