ضاغط الغاز

ضاغط الغاز Gas compressor أوالضاغط Compressor هوآلة ميكانيكية تستخدم لزيادة ضغط الغاز وذلك بتقليل الحجم. وهوشبيه للمضخة فكليهما يزيد الضغط على الموائع وكليهما ينقل المادة المضغوطة خلال انبوب, والفرق بينهما حتى الغازات مواد قابلة للضغط فالضاغط يقلل من حجمها ولكن السوائل مواد غير قابلة للضغط فالمضخة تستخدم لنقل السوائل.

تعريف

ضاغط الهواء air compressor، هوآلة تعمل على تحريك وحمل طاقة الهواء (الغاز) المار عبرها، ونقله مضغوطاً عبر أنابيب إلى أماكن الاستخدام، أوتخزينه بحالة مضغوطة ونقله بعد ذلك إلى تلك الأماكن. يتم تقديم الطاقة للضاغط من محرك كهربائي أومحرك احتراق داخلي (ديزل)، ويتم نقل الحركة من المحرك إلى الضاغط بوصله مباشرة إلى محور الدوران أوعن طريق جملة نقل حركة. ويُوصف الضاغط بمجموعة البارامترات الآتية التي تميز ضاغطاً من آخر:

التدفق (ويقاس بالمتر المكعب في الثانية m3/s) ويعهد بأنه كمية الهواء المارة عبر الضاغط في واحدة الزمن.

ضغط الغاز عند مبتر الدخول إلى الآلة P1 ويقاس بالباسكال (Pa)، وكذلك الضغط عند مبتر الخروج P2[Pa ] ويقاس بالباسكال (Pa) أيضاً، أي من خلال معامل الانضغاطية الذي يعهد بأنه ضغط الغاز عند مبتر الخروج منسوباً إلى ضغط الغاز عند مبتر الدخول.

سرعة دوران الضاغط n وتقدر بعدد الدورات في الدقيقة (r.p.m).

الاستطاعة على محوره N وتقدر بالواط (watt).

تُصنف الضواغط على أنها إحدى آلات الجريان التي تحوي أيضاً المضخات pumps والمراوح fans والعنفات turbine. وتتميز الضواغط من المضخات بأنها تقدم الطاقة للهواء والغازات، في حين تقدم المضخات الطاقة للمائع (ماء، زيوت، …).

تتشابه الضواغط مع المراوح في عملهما على تحريك طاقة الهواء (الغاز) وحملها، إلا حتى المراوح تعمل بمعامل انضغاطية أصغر بكثير من ذلك الذي تعمل عليه الضواغط.

تمثل الأنواع الثلاثة المذكورة (ضواغط ومراوح ومضخات) أنواع آلات الجريان التي تقدم الطاقة للسائل، في حين تمثل العنفات الآلات التي تستفيد من طاقة السائل لتحولها إلى طاقة ميكانيكية تستخدم لتدوير منوِّبة وتوليد الطاقة الكهربائية. وتتشابه آلات الجريان كلها عموماً من حيث التصميم والشكل والأداء.

تصنيف الضواغط

تُصنف الضواغط حسب مبدأ عملها، في ثلاثة أنواع:

الضواغط الحجمية (أوذات الإزاحة الموجبة positive-displacement compressors)، وتعمل عن طريق الضغط المباشر على السائل من خلال تغير الحجم الذي يحوي هذا السائل (الهواء أوالغاز).

الضواغط الحركية dynamic compressors (أوذات الريش)، وتعمل عن طريق تحريك الغاز قسرياً وتحويل طاقته الحركية إلى طاقة كامنة (طاقة ضغط).

وهناك نوع ثالث، هوالضواغط النفاثة jet - type compressors التي تعتمد على مزج تيارين مختلفي القدرة من سائلين، مما يؤدي إلى حمل طاقة السائل ذي الطاقة الأخفض.

يحتوي جميع صنف من الصنفين الأولين على أشكال وأنواع مختلفة من حيث التصميم والأداء، إلا أنها تعمل وفق المبدأ ذاته.

الضواغط الحجمية

الشكل (1)

الضاغط المكبسي reciprocating compressor: وهومؤلف من مكبس يتحرك داخل أسطوانة بشوطين؛ شوط سحبقد يكون خلاله صمام السحب مفتوحاً ويدخل الهواء (الغاز) إلى حجرة المكبس، وشوط دفع (ضغط) يتحرك خلاله المكبس بالاتجاه المعاكس، مما يؤدي إلى تقليل حجم الحجرة التي تحوي الهواء ومن ثم انضغاطه عند وصول قيمة ضغط الهواء إلى حد معين، يؤدي إلى حتى يُفتح صمام الدفع ويخرج الهواء المضغوط من الحجرة، كما هومبين في الشكل 1.

ـ الضاغط الدوراني rotary compressor: وهومحور دوران متوضع بشكل لا مركزي داخل الغلاف الخارجي للضاغط، ومزود بصفائح قابلة للحركة قطرياً، بحيث تظل ملامسة للجدار الداخلي لجسم الضاغط. يتغير الحجم الذي يحوي السائل في أثناء دوران المحور، مما يؤدي إلى انضغاطه في أثناء حركته من قسم السحب إلى قسم الدفع، كما هومبين في الشكل 2، ويميز من هذه الضواغط نوعان:

الشكل (2)

أـ ضاغط دوراني ذوريشة ثابتة rotary compressor with stationary.

ب ـ ضاغط دوراني ذوريَش متحركة vane- type rotary compressor.

ـ الضاغط الحلزوني screw compressor: يتكون من محورين مسننين معشقين فيما بينهما، أحدهما قائد والثاني مقاد، يملأ الغاز التجاويف بين المسننات وفي أثناء الدوران يضغط وينتقل من جزء السحب إلى جزء الدفع.

الضواغط الحركية

وهي على نوعين أيضاً:

1ـ الضواغط النابذة المركزية centrifugal compressors: وهي دوارة تحوي مجموعة من الريش، بحيث يدخل الهواء إلى الجزء العامل موازياً محور الدوران، ويخرج منه عمودياً على هذا المحور (أي بشكل قطري).

2ـ الضواغط المحورية axial compressors: وتتألف أيضاً من مجموعة من الريش، يدخل إليها الهواء ويخرج منها موازياً محور الدوران.

أنواع الضاغط

ضاغط الطرد المركزي

مروحة لضاغط الطرد المركزي

ضاغط الطرد المركزيقد يكون مزود بقرص دوار به ريش أومروحة منحرفة الشكل بحيث توجه الغاز الداخل إلى نهاية طرف المروحة حتى تزداد سرعة الغاز. المبتر الناشر أوقناة التباعد تحول السرعة إلى ضغط. وهي تستخدم أساسا بالمصانع بشكل مستمر وثابت كمعامل تكرير النفط ومصانع الكيماويات والبتروكيماويات والغاز الطبيعي. قدرة تلك الضواغط تبدأ من 100 حصان (75كيلوواط) وحتى الآلاف وتكون متعددة المراحل وبإمكانها استخلاص منها كمية ضغط أكثر من 10,000 psi.

عمليات تصنيع الثلج الكبيرة التي تستخدم للتزلج بحاجة لمثل هذا النوع من الآلات الضاغطة, هناك استخدامات أخرى بالمحركات ذات الإحتراق الداخلي كشاحن إضافي supercharger أوشاحن توربيني Turbocharger. أيضا ضاغط الطرد المركزي يستخدم بمحركات التوربين الغازي الصغيرة أوكآخر فترة من مراحل الضغط الغازي للتوربينات الغازية المتوسطة الحجم.

ضاغط مائل أوضاغط الدفق المختلط

أنظر ضاغط الدفق المختلط

الضاغط المائل أوالدفق المختلط مشابه للضاغط الطرد المركزي ولكن له أدوات السرعة القطرية والمحورية عند مخرج العضوالدوار. الناشر يستخدم عادة لإدارة دفق المائل للإتجاه المحوري, ناشر الضاغط المائل له قطر أصغر قليلا من قرينه بالضاغط المحوري.

ضاغط دفع محوري

ضاغط محوري Axial compressor

ضاغط الدفق المحوري يستخدم سلسلة من شفرات شبه مراوح تحرك الدوار لتضغط على تدفق الغاز. وهناك الريش الثابتة موضوعة بنهاية جميع دوار لإعادة توجيه الدفق إلى شفرات الدوار التالي. مساحة المرور للغازات تقل خلال الضاغط للمحافظة على السرعة المحورية المطلوبة. هذا النوع من الضاغط يستخدم في التطبيقات العالية الدفق, مثل محركات التوربين الغازي المتوسطة والكبيرة الحجم, وتكون متعددة المراحل. تصميم معدل الضغط يتعدى 4:1, لها أشكال هندسية متعددة لتحسين التشغيل.

ضاغط متردد

أنظر ضاغط متردد

هوضاغط يستخدم المكبس (البستون)ويحرك بواسطة العمود المرفقي (crankshaft) بالإمكان انقد يكون ثابتا أومتحرك وأيضا متعدد المراحل أوبفترة واحدة وبالإمكان تشغيله بواسطة الكهرباء أوبواسطة محركات إحتراق داخلي. الضاغط المتردد ذوالأحجام الصغيرة تبدأ منخمسة إلى 30 وحدة حصان HorsePower تكون مستعملة على نطاق واسع بالسيارات وتكون ذات استخدام متبتر. أما الضاغط المتردد والذي قدرته إلى 1000 وحدة حصان HorsePower فتستخدم بالتطبيقات الصناعية ولكن أعدادها بدأت تتناقص بسبب استبدالها بأنواع أخرى من الضاغط. معدل التفريغ للضغط يبدأ من ضغط سهل وحتى درجات عالية من الضغط > 5000 PSI أو35 ميغا باسكال. بالتطبيقات المعينة كضغط الهواء, فالمناسب لها هوضاغط متعدد المراحل ومزدوج الحركة, وهوعموما أكبر وأكثر إزعاجا وكلفة من نظيره الوحدة الدوارة.

تطبيقات ضاغط الهواء

يستخدم ضاغط الهواء في الكثير من المنشآت الصناعية وفي الكثير من الاستخدامات اليومية التي تصادف. فمثلاً يستخدم الضاغط في ورشات صيانة السيارات، حيث يوفر الهواء المضغوط من أجل ملء الإطارات المطاطية، ومن أجل تنظيف هذه السيارات بالهواء، كما يُشاهد استخدام آخر له في ورشات الدهان، حيث يستخدم الهواء المضغوط في بخ السطوح المراد دهانها؛ وذلك عبر تمرير الهواء المضغوط إلى حجرة مزج يمتزج فيها مع الدهان ويخرجان معاً عند الاستخدام. كما يستخدم في عيادات أطباء الأسنان لإدارة العنفة (التوربين) في المقبض الحامل لريش الحفر، ويستخدم في المشافي لضغط الأكسجين وتخزينه في عبوات للاستخدام عند الحاجة.

الشكل (3)

يُعدّ ضاغط الهواء عنصراً أساسياً لا يمكن الاستغناء عنه في دارات التبريد بجميع أنواعها (المكيفات وأنظمة التكييف المركزي، البرادات، …) وكذلك في محطات توليد الطاقة الغازية والبخارية. ومن الجدير بالذكر حتى اختيار الضاغط العامل في هذه الحالات يعتمد إضافة إلى ما ذكر أعلاه من مواصفات على الدورة الحرارية التي يخضع لها الغاز أثناء في عملية الانضغاط ضمن الضاغط، ومن ثم على المواصفات الحرارية للغاز الخارج من الضاغط وملحقاته (المكثف في حالة دارات التبريد).

تلاقي الضواغط الهدروليكية استخداماً واسع الانتشار في الآلات الهندسية الإنشائية، ويستخدم ضاغط الهواء بفاعلية في الكثير من أنواع هذه الآلات، عملى سبيل المثال لا الحصر، فهويمثل العنصر الرئيسي في:

مطارق التكسير اليدوية jackhammers: إذ يوفر ضاغط الهواء، الهواء المضغوط اللازم لتحريك إزميل الحفر، والذي يتحرك حركةً ترددية بوساطة حجز الهواء المضغوط وتحريره عبر آلية محددة صممت لهذا الغرض (الشكل 3).

مكنات التثقيب الهوائيةpneumatic drilling machines : يعمل ضاغط الهواء فيها على توفير الهواء المضغوط اللازم لتحريك مكنة الحفر، أما في مكنات التثقيب الهدروليكية hydraulic drilling machines فيستخدم ضاغط الهواء من أجل تنظيف الثقوب المحفورة من نواتج الحفر (الشكل 4).

وتستخدم الضواغط أيضاً في تطبيقات كثيرة أخرى للحفر في أعمال التنقيب واستكشاف النفط، وحفر القنوات والأنفاق وغيرها.