راه کارهای متداول بهینه سازی کمپرسورها در صنعت

کمپرسور تجهیزی است که به منظور افزایش فشار سیالات تراکم پذیر (گازها و بخارات) از آن استفاده می شود. افزایش فشار ایجاد شده در کمپرسورها سبب کاهش حجم سیالات می شود. از کمپرسورها معمولا برای فشرده سازی هوا استفاده می کنند. اما از آن برای متراکم سازی گازهای طبیعی، اکسیژن، نیتروژن، و دیگر گازهای صنعتی نیز استفاده می شود. از کمپرسور در حوزه های مختلفی اعم از وسائل خانگی (یخچال، فریزر، کولر گازی،جاروبرقی)، تجهیزات پزشکی (دریل های دندانپزشکی، هوای مورد استفاده در بیمارستان ها) صنایع هواپیمایی (تأمین هوای فشرده برای موتور توربین) و صنایع (تامین هوای فشرده برای سیستم های پنوماتیکی، میعان گازها،ذخیره سازی گاز) و غیره مورد استفاده قرار می گیرد.

   کمپرسورها برای فشرده سازی گازها نیاز به انجام کار دارند که این خود مستلزم مصرف انرژی است. کمپرسورها از جمله پر مصرف ترین تجهیزات به شمار می آیند. بهینه سازی عملکرد کمپرسورها سبب افزایش بهره وری آن ها می شود. در این راستا رعایت برخی از نکات ساده الزامی است. این نکات در زیر بیان شده اند:

1. از موتورهای راه انداز سرعت متغیر برای راه اندازی کمپرسورهای جابجایی مثبت در بارهای مختلف استفاده نمایید.

2. از روان کننده های ترکیبی در کمپرسورها استفاده نمایید. توجه داشته باشید که روان کننده مورد استفاده از سوی شرکت سازنده مجاز شناخته شده باشد.

3. اطمینان یابید دمای روغن روان کار خیلی بالا و یا خیلی پایین نباشد (دمای بالا باعث از هم پاشیدگی و کاهش ویسکوزیته روغن شده و دمای پایین باعث چگالیده شدن ترکیبات داخل روغن می شود).

4. فیلتر روغن را بطور مداوم تعویض نمایید.

5. بصورت دوره ای نحوه عملکرد اینترکولرهای کمپرسور را بازرسی نمایید.

6. از گرمای اتلافی کمپرسورهای بزرگ می توان برای تامین انرژی حرارتی مورد نیاز در چیلرهای جذبی و یا فرآیندهای پیش گرمایش یا گرم کردن ورودی تجهیزات مختلف استفاده نمود.

7. یک برنامه هدفمند و کارآمد برای تعمیر و نگهداری کمپرسورها برقرار نمایید. ابتدا با یک ممیزی ساده شروع کرده و رفته رفته این برنامه را جزیی از برنامه مدیریت انرژی قرار دهید.

محاسبه راندمان کمپرسور از دو روش دما ثابت و آیزنتروپیک

استفاده از تکنولوژی های نوین ذوب در ریخته گری

چندین تکنولوژی جدید برای ذوب در ریخته گری در دست تحقیق بوده که با توجه به اهمیت روزافزون انرژی و کمبود ذخایر انرژی فسیلی، این تکنولوژی ها بسیار مورد توجه هستند. هر یک از این تکنولوژی ها مزایا و معایب خاص خود را دارند. در ادامه به توضیح این تکنولوژی ها و بررسی مزایا و معایب آن ها پرداخته شده است.

   1) ذوب با استفاده از اشعه الکترونی (Electron beam melting)

   این کوره ها از دستگاهی به نام تفنگ الکترونی (که اشعه های الکترونی ساطع می کند) برای ذوب استفاده می کنند. در این فرآیند قطعات فلز متراکم توسط اشعه های پرتوان الکترونی، به صورت لایه به لایه از پودر فلز ساخته می شود. بدین ترتیب که هر لایه به صورت جداگانه و دقیقاً به شکل هندسه مورد نظر ذوب می شود. تکنولوژی ذوب با اشعه های الکترونی با به کاربردن انرژی بالا، ظرفیت بالایی در ذوب و تولید محصولات ایجاد می کند.

   قطعه فلزی تحت دمای بسیار بالا و در خلأ ساخته می شود که در نتیجه آن تنش هایی که معمولاً در هنگام ساخت قطعات ایجاد می شود، در قطعات ساخته شده بدین روش ایجاد نخواهد شد. قطعات ساخته شده بدین روش نسبت به سایر قطعات ریخته گری از ویژگی های بهتری برخوردار بوده و مشابه قطعات شکل پذیر، قابلیت چکش خواری دارند. شمایی از ذوب با اشعه الکترونی در شکل(1) آورده شده است.

 

شکل(1). شمایی از فرآیند ذوب با اشعه الکترونی

   2) هیترهای شناور (Immersion heater)

در حال حاضر هیترهای شناور را می توان برای ذوب روی به کار گرفت، اما این هیترها هنوز قابلیت ذوب فلزات با دمای ذوب بالاتر از روی را دارا نیستند. پوشش سرامیکی محافظ این هیترها باعث کاهش راندمان ذوب می شود. تحقیقات زیادی برای استفاده از این هیترها در صنایع ریخته گری در حال انجام است. برای این کارسعی شده که فلاکس حرارتی این هیترها را افزایش دهند تا قابلیت ذوب فلزات با دمای ذوب بالا را نیز دارا شوند.

1. گرمایش مادون قرمز (Infrared heating)

   گرمایش مادون قرمز، یک روش سریع برای گرمایش بیلت هاست. در این تکنولوژی از لامپ های هالوژن تنگستن استفاده می شود که می توانند در دمای معمولی روشن شده و در عرض کمتر از یک ثانیه به ماکزیمم توان خود برسند. این گرمکن ها می توانند فلاکس حرارتی به بزرگی 20 تا 40 W/cm2 را برآورده کنند. لامپ های مادون قرمز می توانند در کمتر از یک ثانیه خاموش شده و همچنین می توانند انرژی الکتریکی را با راندمان بزرگتر از 90% به انرژی تابشی تبدیل کنند. استفاده از گرمایش مادون قرمز منجر به صرفه جویی قابل ملاحظه ای در زمان و هزینه انرژی مصرفی می شود. همچنین مقدار ضایعات در این روش به علت توزیع دمای یکنواخت توسط گرمایش مادون قرمز، کاهش می یابد. شمایی از ذوب با تابش مادون قرمز در شکل (2) آورده شده است.

 

شکل(2). شمایی از فرآیند ذوب با استفاده از تابش مادون قرمز

در ادامه ...

   3) ذوب توسط امواج ماکروویو(Infrared heating)

   4) گرمایش پلاسما (Plasma heating)

   5) کوره های خورشیدی(Solar furnace)

پدیده موج دار شدن (Surging)

موج Surge چیست؟

   در شکل، منحنی مشخصه یک کمپرسور گریز از مرکز به همراه یک سیستم کنترلی نشان داده شده است. همانطوری که از شکل پیداست منحنی در سمت چپ تا مقدار Q=0 رسم نشده و بلکه دارای بریدگی می باشد. حداقل دبی رسم شده در این شکل دارای عنوان Surge Limit می باشد یا به عبارت دیگر اگر مقدار دبی از حد فوق کمتر باشد، سیستم با پدیده ای مواجه خواهد شد که آن را اصطلاحاً موج دارشدن می نامند. اولین علامت مشخصه این پدیده بروز یک حالت رفت و برگشت در جریان گاز در کمپرسور می باشد که با سر و صدای زیادی توأم می باشد.

منحنی مشخصه یک کمپرسور گریز از مرکزبه همراه سیستم کنترل سرج

    فشار دهش دارای نوسانات شدیدی بوده و دمای گاز افزایش می یابد. بدیهی است به لحاظ نوسان فشار، روتور دائماً تحت معرض فشار در جهت های روبه جلو و عقب بوده وهمین امر موجب وارد شدن بار اضافی بر روی یاطاقان بار محوری (Thrust Bearing) می گردد. بر حسب سرعت دورانی کمپرسور و کیفیت یاطاقان، پدیده موج دار شدن می تواند بعد از 2000-100 مرتبه تکرار باعث خرابی یاطاقان بار محوری شود. کمپرسورهایی که در سرعت کم کار می کنند نسبت به پدیده موج کمتر حساس می باشند. به عنوان مثال کمپرسورهایی که در سرعت دورانی کمتر از 3000 دور در دقیقه کار می کنند در مقابل این پدیده کاملاً ایمن بوده و این در حالی است که کمپرسورهای با سرعت دورانی 10000 دور در دقیقه شدیداً نسبت به این پدیده حساس بوده و در صورت مساعد بودن شرایط در معرض پدیده موج قرار می گیرند. قبل از ورود به بحث پدیده موج (Surge) ذکر این نکته ضروری است که کمپرسورهای گریز از مرکز ماشین هایی هستند که قادرند ارتفاع پولی تروپیک ثابتی را که تابعی از مشخصه های مکانیکی کمپرسور، دبی گاز و سرعت آن باشند ایجاد نمایند و این مقدار مستقل از خواص فیزیکی گاز مورد تراکم است. از نظر مهندسین فرایند آنچه که مهم به نظر می رسد، دانستن این امر است که کمپرسور می تواند به ازاء فشار مکش معین، فشار دهش مشخصی را در قسمت خروجی کمپرسور ایجاد کند در این صورت ارتفاع پولی تروپیک در یک کمپرسور برابراست با:

 

ادامه مطلب ...

بررسی فنی NOX- تولید و کاهش

بررسی فنی – اقتصادی سیستم های متعارف کاهش NOX در نیروگاه های گازی و سیکل ترکیبی

   اکسیدهای نیتروژن یکی از آلاینده های اصلی توربین های گازی هستند از این رو با رشد نیروگاه های گازی و سیکل ترکیبی در کشور و با توجه به استانداردهای جدید جهانی، نگرانی های زیست محیطی درباره تولید و انتشار این آلاینده رو به افزایش است. از آنجاکه درجه حرارت گاز ورودی به توربین، فاکتور اصلی اثرگذار بر بازده سیستم است و بالا بودن آن باعث تولید NOx بیشتری می شود، تکنیک کاهش و کنترل انتشار باید بگونه ای اتخاذ شود که بر عملکرد توربین تاثیر نامطلوب نداشته باشد.

   انتشار NOx علاوه بر تشکیل باران های اسیدی و تخریب لایه ازن، سبب تشکیل ازن در لایه های پایینی جو شده که خود عامل اولیه و اصلی آلودگی هوای شهرها است. با توجه به اثرات مخرب انتشار NOx بر سلامت انسان و سایر موجودات و همچنین کارکرد مناسب و با راندمان بالای توربین های گاز، بررسی روش های مختلف کاهش NOx مورد توجه متخصصان قرار گرفته است. از جمله روش های مرسوم می توان به استفاده از مشعل های احتراق با NOx پایین، پاشش آب یا بخار، بازگشت گاز دودکش (FGR)، کاهش با کاتالیست انتخابی (SCR)، احتراق مجدد سوخت، بهینه سازی احتراق و احتراق کاتالیستی اشاره کرد که به بررسی طرح های بهینه پرداخته می شود.

تشکیل اکسیدهای نیتروژن در توربین های گازی

   تشکیل اکسیدهای نیتروژن در پروسه احتراق توربین گاز، در نتیجه تجزیه مولکول های N2 و O2به اتم های نیتروژن و اکسیژن است که واکنش بعد از این تجزیه، سبب به وجود آمدن اکسیدهای نیتروژن( N2O5, N2O4, N2O3, N2O, NO3, NO2, NO) خواهد شد که اکسید نیتروژن و دی اکسید نیتروژن با بالاترین درصد تشکیل، سهم عمده ای در انتشار آلودگی دارند. دو مکانیزم اساسی تشکیل NOX در مشعل توربین های گازی رخ می دهد که عبارتند از:

1- اکسیداسیون نیتروژن موجود در هوای احتراق(NOx حرارتی و سریع)

2-  تبدیلات شیمیایی باندهای نیتروژنی سوخت (NOx سوختی)

 1.مکانیزم تشکیل اکسیدهای نیتروژن حرارتی و سریع

واکنش های شیمیایی که در آن اکسیژن و نیتروژن موجود در هوای احتراق، تشکیل NOx حرارتی می دهند به عنوان مکانیزم Zeldovich شناخته شده اند که در درجه حرارت بالای مشعل توربین گاز، رخ می دهند. با افزایش درجه حرارت و زمان اقامت، تولید NOx به ترتیب به شکل توانی و خطی افزایش پیدا می کند. NOx حرارتی در دمای بالای 1500 درجه سانتی گراد شکل می گیرد و در حدود 95 درصد محصولات واکنش NO و باقیمانده به صورت N2O و NO2 است.

   تشکیل NOx سریع (Prompt) در اثر اکسیداسیون محصولات جانبی احتراق از قبیل NH, HCN و N است، که سهم نسبتا کمی در مشعل های استوکیومتری دارند اما با کاهش نسبت اکی والانی (اگر میزان سوخت کمتر از اکسیژن موجود باشد) سهم NOx های سریع، افزایش می یابد.

2.مکانیزم تشکیل NOx سوختی

در صورت حضور نیتروژن و یا باندهای نیتروژنی در سوخت مصرفی، مکانیزم تشکیل NOx سوخت شکل می گیرد. بالعکس تشکیل NOx حرارتی، در این مکانیزم، درجه حرارت، تاثیر زیادی بر پیشرفت واکنش نداشته و در دمای پایین، اکسیدهای نیتروژن تشکیل می شوند. طی این واکنش، نیتروژن موجود در سوخت سریعا به سیانید هیدروژن و آمونیاک تبدیل می شود و سپس در صورت حضور اکسیژن، این ترکیبات اکسید می شود. NOx حاصل از این مکانیزم به وضعیت استوکیومتری احتراق بسیار حساس بوده و در واقع نسبت میان سوخت و هوا عامل اصلی تاثیر گذار است. اگر مرحله ای که طی آن ترکیبات سیانید هیدروژن و آمونیاک تشکیل شده اند زیر حد استوکیومتری نگه داشته شود یعنی میزان هوای احتراق کاهش یابد، ترکیبات مذکور اساسا به مولکول نیتروژن تبدیل می شوند. بنابراین با اتخاذ تدابیر صحیح در تزریق هوای احتراق به داخل مشعل و در واقع کاهش اکسیژن دریکی از مراحل احتراق، می توان از تشکیل این نوع اکسیدهای نیتروژن جلوگیری کرد

استانداردهای جدید انتشار NOx

ریخته گری با قالب های سرامیکی

ریخته گری با قالب های سرامیکی شبیه به قالب های گچی می باشند با این تفاوت که مواد مورد استفاده از این نوع قالب ها تحمل حرارتهای بالا را دارند و برای کارکرد در دماهای بالا مناسب هستند. دوغاب شامل ترکیبی از ریزدانة زیرکون (ZrSiO₂) اکسید سیلسیوم به همراه رزین می باشد. بعد از گرفتن دوغاب قالب ها)  صفحات سرامیکی  (خشک شده و سوزانده می شود تا مواد تبخیر شدنی آن خارج و قالب نیز پخته شود. مدل می تواند از چوب یا فلز باشد. قالب ها محکم بسته می شود و به عنوان قالب تمام سرامیکی مورد استفاده قرار می گیرد. در فرآیند شاو (Shaw process) وجوه سرامیک برای حصول به استحکام توسط خاک نسوز پخته می شود. سپس این وجوه سرامیکی روی هم سوار و آماده ریخته گری می شود (شکل 1).

 

شکل(1). قالب سرامیکی برای ریخته گری قالب های فولادی فورج

   مقاومت این قالب در دماهای بالا سبب شده است این نوع قالب برای ریخته گری فلزات آهنی و آلیاژهای دما بالا، فولاد زنگ نزن و فولادهای ابزار استفاده شوند. قطعة ریخته گری شده دارای دقت ابعادی بالا و کیفیت سطح خوب می باشد. قطعات ریخته گری شده با این روش می توانند دارای اشکال پیچیده با ابعاد مختلف باشند. این فرآیند یک روش تولید گران قیمت می باشد. قطعاتی که معمولا با این روش تولید می شوند، پره های توربین، ابزار برش ماشینکاری، قالب های مورد استفاده در شکل دهی فلزات و قالب های مورد استفاده برای قطعات پلاستیکی و یا لاستیکی می باشد. با این روش می توان قطعاتی با وزن بیش از 700 kg را نیز تولید کرد.