بازدهی کمپرسور هوای روتاری اسکرو ؛ بررسی از نظر ایزنتروپیک

اطلاعات کمپرسور هوای مؤسسه هوا و گاز فشرده (CAGI) که تاریخ آن پس از ژوئن ۲۰۲۰ است، اصطلاح جدیدی را برای سیستم هوای فشرده فهرست کرده است.
بازدهی ایزنتروپیک (Isentropic Efficiency) استاندارد جدید مرجع برای مقایسه واقعی بازدهی کلی کمپرسورهای هوا در هر فشار تخلیه در هنگام تولید هوای فشرده است.
اکنون کاربران می توانند با یک درصد مرجع آسان ببینند کدام شرکت کارآمدترین محصول را تولید می کند.
صنعت هوای فشرده با کمک CAGI، سال‌هاست که سعی در مقایسه عادلانه بین کمپرسورهای هوا دارد.
همچنین بازدهی کمپرسور هوای روتاری اسکرو در این بین از اهمیت بالایی برخوردار است.
اجازه دهید به تاریخ برگردیم و این پیشرفت تاریخی را قبل از توضیح جزئیات کارایی ایزنتروپیک (IE) مرور کنیم.

پیشینه بررسی بازدهی کمپرسور هوای روتاری اسکرو

در دهه ۱۹۷۰، زمانی که کمپرسورهای هوای روتاری اسکرو به تازگی عرضه شدند، رقیب آنها عمدتاً کمپرسورهای هوای رفت و برگشتی دو کاره بود.
این کمپرسورهای هوا، حداقل در سالهای اولیه کار، بسیار کارآمد بودند.
مشتریان کمپرسورهای هوای روتاری اسکرو را به دقت بررسی کردند:

• ماشین‌های پیستونی که به تعمیر و نگهداری گران زیادی نیاز داشتند.
• مشکلات مربوط به ارتعاش داشتند.
• پر سر و صدا بودند.
• بیشتر به آب خنک کننده نیاز داشتند که با گذشت زمان هزینه بالایی داشت.

استانداردهای جامع برای آزمایش عملکرد و بازدهی کمپرسور هوای روتاری اسکرو تا اوایل دهه ۱۹۹۰ در صنعت وجود نداشت.

تا اینکه ISO 1217 روی کار آمد و اولین روش آزمایش استاندارد رایج بود.
تا آن زمان، سازندگان کمپرسور هوا ماشین‌های خود را به روش‌های کمی متفاوت آزمایش می‌کردند.
به عنوان مثال، هیچ استانداردی برای دما یا رطوبت ورودی وجود نداشت؛
این استاندارد می تواند تأثیر زیادی بر عملکرد داشته باشد.

برخی از سازندگان کمپرسور هوا فقط عملکرد انتهایی هوا را اندازه‌گیری می‌کردند.
بدون هیچ‌کدام از تلفات برای ولو ورودی، خنک‌کننده‌ها، سپراتورها و کولرها.
این امر ممکن است به این معنی باشد که یک تولیدکننده نسبت به تولیدکننده دیگر می‌تواند ۵ درصد یا بیشتر تفاوت عملکردی قدرت داشته باشد.

در این دوره از تاریخ، برخی از سازندگان کمپرسور هوا حتی ظرفیت نامی را در بروشورهای خود منتشر نکردند.
ممیزی های بعدی ماشین های ۱۹۷۰ تا ۱۹۸۰ ثابت کرد که آنها به طور متوسط حدود ۴۲۵ CFM در هر ۱۰۰ اسب بخار داشتند.

ماشین های رفت و برگشتی دو کاره حداقل ۵۰۰ CFM در هر ۱۰۰ اسب بخار تولید می کردند.
با ارائه فناوری بهتر در پروفیل‌های روتور و تحمل کار سخت‌تر، کمپرسورهای روتاری اسکرو امروزی تا ۵۳۰ CFM برای تک مرحله‌ها و ۶۰۰ CFM برای دو مرحله (به ازای هر ۱۰۰ اسب بخار) دریافت می‌کنند.

ادامه تاریخچه و اتفاقات جالب در این مسیر

تا اواسط دهه ۱۹۷۰، مصرف کنندگان نهایی واقعاً به هزینه های انرژی توجه نمی کردند؛
زیرا برق ۳ تا ۵ سنت در هر کیلووات ساعت بود.
اکثر مشتریان نمی‌دانستند هزینه کار یک کمپرسور هوا چقدر است؛
زیرا تنها بخش کوچکی از یک صورت حساب بسیار بزرگ بود.

بسیاری از تاسیسات از کمپرسورهای پیستونی بزرگ استفاده می کردند.
هنگامی که این کمپرسورها با ماشین های روتاری با کارایی کمتر جایگزین شدند، هیچ تغییر خاصی در قبض برق ظاهر نشد.
همه به سادگی از هزینه نگهداری کمتر خوشحال شدند.

در دهه ۱۹۹۰ همه فروشندگان ظرفیت های خود را در بروشورهای خود درج می کردند.
اما ظرفیت های منتشر شده به طور قابل توجهی متفاوت بود.
مثلا یک شرکت یک کمپرسور ۱۰۰ اسب بخاری با ۵۶۳ CFM در ۱۰۰PSI داشت،
در حالی که بقیه در بازدهی کمپرسور هوای روتاری اسکرو به طور میانگین حدود ۴۹۰ CFM می گرفتند.

در نهایت مشخص شد که این مدل خاص از یک موتور ۱٫۴۰ ضریب سرویس استفاده می کند که با قدرت شفت بیش از ۱۲۵ اسب بخار کار می کند.
این کمپرسور همانطور که منتشر شده بود کار می کرد اما قدرت واقعی استفاده شده برای مشتری مشخص نبود.

عوامل خدمات موتور و رتبه بندی HP یا KW نیز موضوعی در حال تحول بوده است.
اکثر صنعت از موتورهای ۱٫۱۵ ضریب سرویس و حدود ۱۰٪ از ۱۵٪ انرژی موجود استفاده می کرد.
ضریب سرویس حداکثر آمپر موجود در یک ولتاژ معین است که موتور با توجه به سایر شرایط طراحی دما، ارتفاع (ظرفیت خنک کننده هوا) و ضریب قدرت می تواند به طور قابل اعتماد ارائه دهد.
سازندگان موتورها را به هر نحوی که مشتری بخواهد نامگذاری می کنند؛
یعنی یک موتور ۱۰۰ اسب بخاری ۱٫۲۵ SF یا یک موتور ۱۲۵ اسب بخاری ۱٫۰ SF اساساً همان موتور هستند اگر در همان اندازه فریم باشند.

بازدهی کمپرسور هوای روتاری اسکرو در حال بهبود!

سازندگان کمپرسور هوا موتورها را برای کمپرسورهای خود به روش های مختلف انتخاب و اعمال می کنند؛
اما حداکثر آمپر موجود در یک ولتاژ نامی عامل تعیین کننده نهایی است.

در دهه ۱۹۸۰ صنعت در آنچه که منظور از فلو بود دقیق تر شد.
یک شرکت شروع به انتشار «تحویل رایگان هوا» یا FAD کرد،
که هوای ورودی را اندازه‌گیری می‌کند و کل توان مصرفی را منتشر می‌کند.
آنها نسبت به بقیه کارآمدتر به نظر می رسیدند، اما در واقع تقریباً یکسان بودند.

ISO 1217 پیوست ج مقیاس بسیار مناسب تری برای اندازه گیری بازدهی

کتابچه راهنمای CAGI که در ابتدا در سال ۱۹۴۷ منتشر شد، منبعی برای همه چیزهای هوای فشرده بوده است.
اکنون در ویرایش هفتم خود و به صورت الکترونیکی در وب سایت CAGI در دسترس است.
کتاب راهنمای مصور حاوی اطلاعات مهندسی از سازندگان پیشرو و داده های مرجع ارزشمند در مورد سیستم هوای فشرده است.
در اواخر دهه ۱۹۹۰، CAGI و شرکت‌های عضو آن بر روی استانداردی توافق کردند.
طبق این استاندارد ماشین‌های خود را با معیارهای یکسان اندازه‌گیری می‌کردند.
CAGI بر اساس ISO 1217 ضمیمه C پذیرفته شده جهانی است.
این نسخه استاندارد پایه ای است که هنوز هم استفاده می شود.

این آزمایش برای تعیین جریان حجمی از یک کمپرسور هوا است.
CAGI و Pneurop تعریفی را برای هوای استاندارد اتخاذ کرده اند.
طبق این تعریف، هوای استاندارد ۲۰ درجه سانتیگراد، ۱ بار مطلق و ۰٪ RH است.
هنگام تست ۱۲۱۷ در تعیین بازدهی کمپرسور هوای روتاری اسکرو ، برای محاسبه حجمی که از کمپرسور عبور کرده است، شرایط ورودی کمپرسور را اصلاح می کنید.
اگر می خواهید جرمی که از کمپرسور عبور کرده است بدانید، باید دبی حجمی را به شرایط استاندارد تبدیل کنید.
این تبدیل به شما SCFM (جرم) را می دهد که در هر شرایط محیطی از کمپرسور عبور می کند.

برگه اطلاعات کمپرسور هوا CAGI در بررسی بازدهی کمپرسور هوای روتاری اسکرو

پس از پذیرش ISO 1217 ضمیمه C، CAGI و اعضای آن توافق کردند که یک دیتاشیت استاندارد ساده برای کمپرسورهای سرعت ثابت را منتشر کنند که به شکل زیر است.
به عنوان بخشی از برنامه تأیید عملکرد CAGI، شرکت‌های عضو ملزم به ارسال این برگه‌های داده در وب‌سایت خود با دسترسی آسان برای مشتریان هستند.
یک آزمایشگاه تست مستقل به هر سازنده کمپرسور هوا می رود و به طور تصادفی سه کمپرسور را برای ارسال به آزمایشگاه انتخاب می کند.
سپس آزمایشگاه آن کمپرسورها را آزمایش می کند.
در آخر آزمایشگاه تأیید می کند که عملکرد آنها با برگه های داده منتشر شده مطابقت دارد.

بیایید برگه داده بازدهی کمپرسور هوای روتاری اسکرو لوبریکنت شده با سرعت ثابت را بررسی کنیم. کمپرسورهای هوا با سرعت متغیر دارای برگه‌های اطلاعاتی با فرمت یکسان هستند،
اما بازده ایزنتروپیک آنها از میانگین وزنی بار کامل، ۴۰ درصد و ۷۰ درصد بار کامل استفاده می‌کند.

نتایج بدست آمده از بررسی کمپرسور هوای روتاری اسکرو

موارد ۱ و ۲: نام و مدل سازنده، نوع خنک کننده (آبی یا هوا خنک) و اینکه کمپرسور تک مرحله ای یا دو مرحله ای است.

مورد ۳: ظرفیت جریان در بار کامل.
این عدد مقدار فوت مکعب اندازه گیری شده در تخلیه است که با شرایط ورودی در زمان آزمایش مطابق ISO 1217 پیوست C تنظیم شده است.

مورد ۴: فشار کاری با بار کامل.
این مورد فشاری است که ظرفیت و توان کل بسته اندازه گیری می شود.

مورد ۵: حداکثر فشار جریان کامل.
در ماشین‌هایی با سیستم عامل بار/تخلیه، این بالاترین فشاری است که ماشین قبل از تخلیه بار در آن کار می‌کند.
برای این نوع ماشین، این فشار می تواند ۳ تا ۱۵ PSI بیشتر از فشار کاری بار کامل باشد.
در این فشار، توان کل پکیج دستگاه بیشتر خواهد بود.

موارد ۶ و ۷: اسب بخار پلاک (HP) موتور محرک اصلی و کارایی موتور.
هرچه عدد ۷ بیشتر باشد، موتور کارآمدتر است.
برخی از سازندگان گزینه ای برای موتورهای با راندمان بالاتر دارند.

مقیاس های عملیاتی در بررسی کمپرسورهای اسکرو

موارد ۸ و ۹: پلاک موتور فن HP و کارایی.
فن ها معمولاً برای کار در دمای ۴۰ درجه سانتیگراد (۱۰۴ درجه فارنهایت) طراحی شده اند.
اگر کمپرسور هوا در مکان گرم تری قرار دارد، ممکن است به یک فن بزرگتر نیاز باشد.

مورد ۱۰: کل توان عملیاتی پکیج زمانی که نیازی به کمپرسور وجود ندارد.
این برای محاسبه بازده کمپرسور بار/تخلیه در شرایط بار جزئی بسیار مهم است.

مورد ۱۱: توان عملیاتی بار کامل بر حسب کیلووات، اندازه گیری شده در فشار کاری بار کامل.
شامل فن، کنترل و هر وسیله دیگری در بسته بندی با مصرف انرژی است.

مورد ۱۲: توان ویژه بسته مقدار کیلووات مورد نیاز برای ساخت یکصد (۱۰۰) CFM است.
هرچه این عدد کمتر باشد، ماشین کارآمدتر است.

مورد ۱۳: بازده ایزنتروپیک – که بعدا توضیح داده خواهد شد.
هرچه این عدد بیشتر باشد، کمپرسور هوا کارآمدتر است.
شکل A فرمت برگه داده سرعت ثابت فعلی است.
برگه های داده اصلی که در سال ۲۰۰۲ شروع شد، اطلاعات کمتری داشت.

درجه بندی ظرفیت تا ۷ درصد برای ظرفیت و ۸ درصد برای توان ویژه تحمل دارد.
تحمل برای کمپرسورهای هوای بزرگتر کمتر می شود.
در این هنگام تلرانس مورد نیاز است؛
زیرا ساخت کمپرسوری که جریان یکسانی را با توان یکسان به طور مداوم تولید کند غیرممکن است.

کمپرسور هوا بازده ایزنتروپیک

آیتم توان ویژه، در برگه داده، محاسبه ای است که برای نشان دادن کارآمدترین کمپرسورها در نظر گرفته شده است.
محاسبه (کل بسته KW * 100) / CFM مدنظر ما است.
هرچه توان ویژه کمتر باشد، بسته کارآمدتر است.
استفاده از توان ویژه برای مقایسه در صورتی که کمپرسورها دارای رتبه فشار بار کامل یکسان باشند، کاملاً درست است.
مشکل این است که بسیاری از سازندگان کمپرسور، کمپرسورهای خود را در فشارهای متفاوتی که در شکل زیر نشان داده شده است، طبقه بندی می کنند.

قانون سیاست و حفاظت انرژی (EPCA) تجهیزات تجاری و صنعتی خاصی از جمله کمپرسورها را پوشش می دهد.
وزارت انرژی (DOE) مجاز به ایجاد استانداردهای صرفه جویی در انرژی است.
DOE تشخیص داده ای است که EPCA کمپرسورهای هوای تجاری و صنعتی را پوشش می دهد و استانداردهای صرفه جویی در انرژی و روش های آزمایش را برای چنین تجهیزاتی در نظر گرفته است.
در ژانویه ۲۰۲۰، DOE یک اعلامیه ثبت فدرال در مورد قانون نهایی مربوط به استانداردهای بهره وری انرژی برای کمپرسورها با عنوان ۸۵FR1504 منتشر کرد.
CAGI و اعضای آن به طور کامل از استفاده از راندمان ایزنتروپیک به عنوان استاندارد مقایسه بازده کمپرسور پشتیبانی می کنند.
ساده ترین راه برای تعریف بازده ایزنتروپیک در شکل زیر نشان داده شده است.

مقایسه بازده ایزنتروپیک بصورت خلاصه

این محاسبه ایزنتروپیک و بررسی بازدهی کمپرسور روتاری اسکرو بر اساس عملیات بار کامل فقط برای کمپرسورهای سرعت ثابت است.
بالاترین بازده ایزنتروپیک که در حال حاضر منتشر شده، حدود ۹۲% و کمترین آن حدود ۵۰% است.
به طور کلی، ماشین های بالاتر از ۱۰۰ اسب بخار دارای IE متوسط بالاتری نسبت به ماشین های با HP پایین تر هستند.
این به این دلیل است که کمپرسورهای دو مرحله ای معمولاً از ۱۰۰ اسب بخار شروع می شوند و بازده ایزنتروپیک بالاتری دارند.
با IE، کاربر می تواند یک کمپرسور ۱۰۰PSI را با یک ماشین ۱۵۰ PSI مقایسه کند تا ببیند کدام یک کارآمدتر است.

از ژوئیه ۲۰۲۰، همه اعضای CAGI که در برنامه تأیید عملکرد شرکت می کنند، کارایی ایزنتروپیک را در برگه های داده CAGI خود دارند.
بالاتر از ۲۵۰ اسب بخار، بازده isentropic در دیتاشیت ها مورد نیاز نیست؛
بنابراین ما از IE محاسبه شده برای این مقایسه استفاده کردیم.
شکل بالا مقایسه کمپرسورهای ۱۰۰ اسب بخاری در تمام فشارهای مختلف را نشان می دهد.
این داده ها بر اساس بازده ایزنتروپیک طبقه بندی می شوند.
همانطور که می بینید، توان ویژه کمتر لزوماً نشان دهنده بازده ایزنتروپیک کمتر نیست.
شکل زیر مقایسه مشابه کمپرسورهای دو مرحله ای را نشان می دهد و به طور کلی بازده ایزنتروپیک بالاتری دارند.

مقایسه بازده ایزنتروپیک صنعت هوای فشرده را برای بهبود کارایی کار می کند که به نوبه خود باعث صرفه جویی زیادی در انرژی در آینده خواهد شد.
ممکن است روزی شاهد باشید که DOE یا دولت های ایالتی برای فروش کمپرسور به حداقل سطح راندمان ایزنتروپیک نیاز دارند.