نظرات مختلفی در مورد محل مخزن ذخیره هوای فشرده کنترلی در قسمت عرضه سیستم وجود دارد که در شکل زیر نشان داده شده است. انباری که قبل از درایر قرار می گیرد، مخزن ذخیره مرطوب (wet storage) نامیده می شود؛
زیرا این مخزن، هوای فشرده مرطوب و خشک نشده را ذخیره می کند.
ذخیره‌سازی مرطوب مقدار بیشتری از خنک‌سازی رادیانت هوای فشرده را هنگام خروج از کمپرسور فراهم می‌کند.
بسته به مدت زمانی که هوا در مخزن ذخیره هوای فشرده مرطوب باقی می ماند، این اثر خنک کننده اضافی، آب و بخارات روغن جریان هوا را متراکم می کند.
مخازن مرطوب به عنوان سپراتور رطوبت طراحی نشده اند و میعانات قابل توجهی را مجدداً به جریان هوای متلاطم درون مخزن وارد می کنند.
این کار، کندانس مایع را در پایین مخزن نگه می دارند.
در نتیجه الزام وجود یک ولو تخلیه قابل اطمینان در مخزن را ایجاد می کند.
اگر هرکدام از کمپرسورها از نوع رفت و برگشتی باشند، مخزن مرطوب به عنوان یک تضعیف کننده ضربان برای ضربان های ایجاد شده توسط کمپرسور رفت و برگشتی عمل می کند.
مخزن ذخیره هوای فشرده مرطوب هیچ افت فشاری ایجاد نمی کند و هوا را با همان فشاری که کمپرسور تولید می کند، ذخیره می کند.
اگر کمپرسور تخلیه شود، فشار P2 که کمپرسور به آن پاسخ می‌دهد، کاهش می یابد؛
به جای اینکه deadband با افت فشار در منبع تغذیه تغییر کند.
این امر دقیقا همانگونه است که مخزن ذخیره هوای فشرده کنترلی پس از تجهیزات تمیزکننده و بعنوان یک مخزن خشک قرار بگیرد.
مخزن مرطوب اگر از نوع با یا بدون بار باشد، چرخه کمپرسور را کاهش می دهد.
نکات مهم مخزن ذخیره هوای فشرده مرطوب
یکی از احتیاط‌هایی که در مورد مخزن ذخیره سازی هوای فشرده مرطوب وجود دارد،
این است که یک رویداد تقاضای بزرگ در سیستم می‌تواند نرخ تغییر منفی ایجاد کند.
این امر باعث می شود تا همه کمپرسورها به طور کامل بارگیری شوند.
همچنین تقاضا از عرضه فراتر رفته و فشار کاهش یابد.
در این حالت،
علاوه بر ظرفیت کامل کمپرسورهای در حال کار، هوا از مخزن ذخیره هوای فشرده مرطوب خارج می شود.
ممکن است این مقدار هوا (کل عرضه) برای درایر بسیار زیاد باشد.
اگر اینطور بود،
درایر بیش از حد دارای بار می شد و نمی توانست نقطه شبنم طراحی خود را حفظ کند.
بسته به اندازه مخزن ذخیره هوای فشرده مرطوب و مدت زمان سیکل فرآیند، نقطه شبنم هوای خروجی از درایر می تواند به میزان قابل توجهی افزایش یافته و هوای مرطوب سیستم را آلوده کند.
مخزن ذخیره هوای فشرده خشک
در طراحی سیستم هوای فشرده، مخزنی که بعد از درایر قرار می گیرد، مخزن ذخیره خشک نامیده می شود؛
زیرا این مخزن، هوای خشک و فشرده را ذخیره می کند.
مخزن ذخیره سازی هوای فشرده خشک یک منبع آماده از هوای خشک ایجاد می کند تا فوراً در سیستم برای رسیدگی به رویدادها آزاد شود.
با این مخازن، نیازی به خشک کردن بیشتر نیست؛
بنابراین در شرایط نرخ تغییر منفی، درایر نمی تواند به طور تصادفی سرریز شود.
این امر در مخزن ذخیره هوای فشرده مرطوب هم وجود دارد.
اگر یک سیستم فقط مخزن ذخیره خشک داشته باشد، به دلیل وجود فیلترها، افتر کولرها و درایر ها، افت فشار بین P2 و مخزن خشک وجود خواهد داشت.
هنگامی که کمپرسور تخلیه می شود، دیفرانسیل مفیدی که کمپرسور به آن پاسخ می دهد توسط مخزن هوای خشک کنترل می شود.
همچنین با افت فشار، کل عرضه کاهش می یابد.
این کاهش، در دیفرانسیل مفید باعث چرخش بیشتر کمپرسور می شود.
پس بر قابلیت اطمینان و بازدهی کمپرسور هوای فشرده تأثیر منفی می گذارد.
این وضعیت ناخواسته را می توان با اندازه گیری مناسب مخزن ذخیره هوای فشرده خشک برای محدود کردن تعداد چرخه های کمپرسور به ۱۰ چرخه در ساعت و با حفظ افت فشار به حداقل میزان خود، برطرف کرد.
سیستم هوای فشرده ایده آل شامل مخزن ذخیره هوای فشرده مرطوب و خشک است.
این آرایش ایده آل مزایای هر دو روش ذخیره سازی مرطوب و خشک را در بر می گیرد.
پتانسیل بارگذاری بیش از حد درایر هنوز هم وجود دارد؛
اما با تقسیم مخزن کنترلی با مقادیر یک سوم مرطوب و دو سوم خشک، خطرات احتمالی کاهش می یابد.
یادآوری: ذخیره سازی تنها متغیر در سیستم تولید هوای فشرده است که هرگز نمی توان آن را بیش از اندازه محسوب کرد.
ذخیره سازی بیشتر هوا، همیشه بهتر است!
ذخیره سازی عمومی هوای فشرده
همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است، ذخیره سازی عمومی هوای فشرده اصطلاحی مهم است.
این اصطلاح به حجم ذخیره سازی در لوله های سربار و گیرنده های کنترل نشده در سیستم، از محل تخلیه کمپرسور خانه تا نقطه مصرف، اتلاق می شود.
در این مثال،
فضای ذخیره سازی عمومی شامل هدرهای توزیع و مخزن از راه دور ۴۰۰ گالنی است.
این فضا شامل مخزن ۱۲۰ گالن اختصاصی چک شده یا مخزن ذخیره سازی کنترلی خشک ۱۰۶۰ گالنی نیست.
هدف ذخیره سازی عمومی، پشتیبانی فوری رویدادهای نقطه مصرف است تا زمانی که ظرفیت ذخیره سازی کنترلی یا کمپرسور بتواند رویداد را سرویس دهد.
از آنجایی که هوا بر اساس اختلاف فشار در لوله‌کشی دارای سرعت زیاد یا محدودی است،
ذخیره سازی هوای فشرده عمومی کاربر را در طول ثانیه‌هایی که برای رسیدن کمپرسور یا کنترل منبع ذخیره‌سازی به محل رویداد، تامین حجم مورد نیاز و توقف پوسیدگی طول می‌کشد، پشتیبانی می‌کند.
در فشار سیستم مقدار کل ذخیره سازی عمومی، زمان انتقال هوا و اندازه رویداد تعیین می کند که فشار به چه میزان کاهش می یابد.
حجم ذخیره سازی عمومی ناکافی معمولاً برای افزایش ظرفیت ذخیره سازی عمومی و افزایش سرعت انتقال به دلیل فشار تفالی بالاتر، منجر به اجرای سیستم در فشار بالاتر می شود.
این امر ناکارآمد است؛
زیرا کمپرسورها باید به فشاری بالاتر از حد نیاز فشرده شوند تا حجم ذخیره سازی ناکافی عمومی را جبران کنند.
لازم به ذکر است که اکثر اپراتورهای سیستم تولید هوای فشرده، مقدار ذخیره واقعی موجود در لوله های توزیع را بیش از حد برآورد می کنند.
ذخیره سازی اختصاصی
در بسیاری از کارخانه های صنعتی، یک یا چند کاربرد با تقاضای متناوب با حجم نسبتاً زیاد، می تواند وجود داشته باشد.
این خود می‌تواند باعث نوسانات شدید فشار دینامیکی در کل سیستم تولید هوای فشرده شود.
علاوه بر این، باعث می شود کاربران نهایی نزدیک به رویداد، نیاز خود از هوا را مرتفع نسازند که منجر به مشکلات کیفیتی در برنامه‌های کاربردی می‌شود.
این رویداد متناوب با فشار کم را می توان با افزودن مقدار صحیح فضای ذخیره سازی اختصاصی برای رسیدگی به رویداد، حل کرد.
همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است، ذخیره سازی هوای فشرده بصورت اختصاصی، نوعی ذخیره سازی است.
این خود توسط برخی از دستگاه های محدود کننده فلو هوای فشرده از ذخیره سازی عمومی جدا شده است؛
مثل یک چک ولو، یک نیدل ولو اندازه گیری یا یک دهانه محدود کننده (restricting orifice).
دستگاه محدود کننده فلو از تقاضای چشمگیر هوا توسط ذخیره‌سازی عمومی جلوگیری می‌کند.
این محدودیت، با حجم ذخیره‌شده در مخزن ذخیره هوای فشرده اختصاصی جبران می‌شود.
از آنجایی که زمان بین رویدادها اغلب طولانی‌تر از خود رویداد است، این سیستم محدودکننده فلو اجازه می‌دهد مخزن ذخیره هوای فشرده اختصاصی به آرامی پر شود؛
بدون اینکه تأثیر منفی بر فشار در ذخیره سازی عمومی بگذارد.
این احیاء اندازه‌گیری شده، تقاضا را در یک دوره زمانی طولانی افزایش می‌دهد تا تأثیر افزایش بر سیستم را کاهش دهد.
مخزن ذخیره هوای فشرده اختصاصی باید اندازه مناسبی داشته باشد تا به تنهایی حجم کافی برای رسیدگی به رویداد را داشته باشد.
هنگامی که این مخزن اندازه مناسبی داشته باشد، ذخیره سازی اختصاصی نیاز به کارکردن ذخیره سازی عمومی در فشاری بالاتر از حد مورد نیاز را از بین می برد.
این امر باعث صرفه جویی در مصرف انرژی می شود.
تعیین اندازه مخزن ذخیره هوای فشرده
قوانین کلی مختلفی برای انتخاب حداقل اندازه مخزن ذخیره هوای فشرده کنترلی وجود دارند.
یکی از این قوانین سرانگشتی بیان می کند که در هر ۱ cfm از ظرفیت بزرگترین کمپرسور تریم، مخزن ذخیره سازی کنترلی باید برابر با ۱ گالن باشد.
یکی دیگر از قوانین واقعی تر، بیان می کند که در هر ۱ cfm از ظرفیت بزرگترین کمپرسور تریم، مخزن ذخیره سازی کنترلی باید برابر با ۱۰ گالن باشد.
اجرای قوانین ساده ممکن است راحت باشد؛
اما اغلب آنها نتیجه ای فراتر از حدس زدن ندارند!
در عوض، حجم ذخیره سازی باید بر اساس داده های سیستم محاسبه شود تا هیچ کمپرسوری بیش از ۱۰ بار در ساعت چرخه نداشته باشد.
در سیستم‌هایی با کمپرسورهای متعدد و کنترل‌های توالی، کارایی سیستم تولید هوای فشرده با کارکرد کامل کمپرسورها بر روی بار پایه با تنها یک کمپرسور در “تریم” یا بار جزئی به دست می‌آید.
این کمپرسور تریم است که فشار سیستم را کنترل می کند.
همچنین تنها ظرفیت کمپرسور تریم باید در اندازه گیری انبار کنترل مناسب در نظر گرفته شود.
در نتیجه کمپرسور تریم به ۱۰ سیکل در ساعت محدود شود.
ممکن است برای محافظت از فشار سیستم در صورت خرابی کمپرسور که به راه‌اندازی کمپرسور هوای فشرده دیگری نیاز دارد، مخزن ذخیره‌سازی کنترلی اضافی لازم باشد.
ذخیره سازی کنترلی اضافی، اجازه شروع کمپرسور اضافه شده را پوشش می دهد.
فرمول تعیین اندازه مخزن ذخیره هوای فشرده
فرمول نشان‌داده‌شده در شکل بالا، یکی از مهم‌ترین فرمول‌هایی است که برای تحلیل صحیح رویدادهای درون یک سیستم و ارائه راه‌حل‌هایی برای مشکلات هوای فشرده شامل فلو و فشار، باید درک شود.
این فرمول را می توان برای حل هر یک از چهار متغیر درون فرمول تعمیم داد:
cfm، فشار، حجم و زمان.
هنگامی که سه متغیر از چهار متغیر در این فرمول شناخته شود،
چهارمین متغیر ناشناخته هم قابل حل خواهد بود.
در فرم فعلی، حجم ذخیره‌سازی مورد نیاز برای محدود کردن کاهش فشار در مخزن را به مقدار مشخصی حل می‌کند.
این امر زمانی اتفاق می افتد که تقاضا یک cfm خاص است که برای مدت زمان مشخصی دوام می‌آورد.
توجه به این نکته ضروری است که حجم همیشه بر حسب فوت مکعب و زمان همیشه بر حسب دقیقه بیان می شود.
شکل بالا وضعیتی را برای تعیین اندازه مناسب یک مخزن ذخیره هوای فشرده اختصاصی با استفاده از فرمول تعیین اندازه مخزن هوا نشان می دهد.
هدف اصلی، اندازه گیری یک مخزن اختصاصی است؛
به طوری که وقتی یک رویداد تکراری ۶۲ cfm که ۱۵ ثانیه طول می کشد اتفاق بیافتد، فشار در گیرنده به زیر۸۵ psig نمی رسد.
عدد ۸۵ حداقل فشاری است که برنامه در آن به طور قابل اعتماد کار می کند (فشار بحرانی). هنگامی که رویداد اتفاق می افتد، فشار مخزن در ۱۵ ثانیه به ۸۵ psig کاهش می یابد.
سپس مخزن به آرامی با فشار هوای ذخیره شده ۱۰۰ psig دوباره پر می شود.
فضا همیشه در کارخانه تولید هوای فشرده محدود است؛
بنابراین مشتری کوچکترین مخزنی را می خواهد که شرایط را برآورده کند.
تعیین اندازه مخزن هوای فشرده
شرایط تعیین اندازه مخزن ذخیره سازی هوای فشرده:
- فشار راه اندازی مخزن: ۱۰۰ psig
- فلو ریت رویداد: ۶۲ cfm
- مدت زمان رویداد: ۱۵ ثانیه
- فرکانس رویداد: هر ۳ دقیقه
- فشار بحرانی: ۸۵ psig
با فرض همسطح موقعیت مخزن با سطح دریا، این اطلاعات نوشته شده است.
فرمول مخزن ذخیره سازی هوای فشرده برای رسیدن به حجم مخزن مورد نیاز استفاده خواهد شد.
اطلاعات زیر برای جایگذاری در فرمول ارائه شده است:
- فلو مورد نیاز رویداد ۶۲ cfm است.
- رویداد ۶۲ cfm، ۱۵ ثانیه طول می کشد که یک ربع دقیقه است.
- مخزن قبل از شروع رویداد در ۱۰۰ psig است و در هیچ زمانی در طول رویداد، فشار مخزن نمی تواند به زیر ۸۵ psig (فشار بحرانی) کاهش یابد.
- P1، ۱۰۰ psig بوده و P2، ۸۵ psig است.
- از آنجایی که کارخانه حدود ۳۰۰ فوت (تقریبا ۱۰۰ متر) از سطح دریا بالاتر است، فشار اتمسفر۵ psia است.
- رویداد هر سه دقیقه یکبار تکرار می شود؛ بنابراین زمان کافی برای پر کردن مخزن از طریق یک ولو با اندازه مناسب قبل از وقوع مجدد رویداد وجود دارد.
جایگذاری اعداد در فرمول و رسیدن به اندازه مخزن ذخیره هوای فشرده
حل معادله به سادگی و با جایگذاری مقادیر در موقعیت های مناسب و انجام محاسبات ریاضی انجام می شود.
شکل بالا معادله اصلی را نشان می دهد که همه مقادیر در موقعیت مناسب خود قرار گرفته اند.
واحدها برای سادگی کار و البته ساده شدن با یکدیگر کنار گذاشته شده‌اند.
همچنین مقدار نهایی حجم بیان شده بر حسب فوت مکعب باقی می‌ماند.
در آمریکای شمالی، مخازن هوای فشرده به گالن فروخته می شوند، نه به فوت مکعب؛
پس نیاز داریم فوت مکعب به گالن تبدیل شود.
این کار با استفاده از ضریب تبدیل خاص خود انجام می شود:
“هر ۱ فوت مکعب برابر است با ۷٫۴۸ گالن
پس ۱۴٫۹۸ فوت مکعب هوا تقریبا برابر با ۱۱۲ گالن خواهد شد.”
جمع بندی
یک مخزن ۱۱۲ گالنی اندازه استانداردی ندارد؛
ساخت آن ممکن است اما بسیار پرهزینه است.
همانطور که در جدول زیر نشان داده شده است، ۱۲۰ گالن اندازه استاندارد بعدی موجود است؛
بنابراین این اندازه مخزن قابل استفاده است.
از آنجایی که مخزن ۱۲۰ گالنی بزرگتر از حداقل نیاز ۱۱۲ گالن است، فشار گیرنده هرگز به فشار بحرانی ۸۵ psig در طول رویداد نمی رسد.
این امر یک خیال راحت نسبت به خطای سیستم یا تغییرات احتمالی به شما می دهد!
انواع مخزن ذخیره هوای فشرده باید کد مخازن تحت فشار ضد حریق منتشر شده توسط انجمن مهندسین مکانیک آمریکا (ASME) را داشته باشند.
مخازن دارای کد ASME همچنین دارای یک ولو ایمنی، گیج فشار، پورت تخلیه و سوراخ‌های دستی برای پوشش درز ها خواهند بود.
معمولا وجود این شرایط، از الزامات شرکت های بیمه هم هست.
علاوه بر این، همه مخازن هوای فشرده باید همه کدها یا قوانین کشوری، استانی و شهری را که ممکن است در مورد برنامه یا مکان خاص مخزن اعمال شود، رعایت کنند.