أساسيات ضغط الهواء: الضغط بالإزاحة والضغط الديناميكي

ثمة مبدآن عامان لضغط الهواء (أو الغاز): الضغط موجب الإزاحة والضغط الديناميكي. يتضمن الأول -على سبيل المثال- الضواغط الترددية (المكبسية) والضواغط (اللولبية) المدارية، وأنواعًا مختلفة من الضواغط الدوارة (الحلزونية والمسننة وذات الريش).

في الضغط موجب الإزاحة، يتم سحب الهواء إلى حجرة ضغط واحدة أو أكثر، ثم تُغلَق بعد ذلك من المدخل. يتناقص حجم كل حجرة تدريجيًا ويتم ضغط الهواء داخليًا. عند وصول الضغط إلى نسبة الضغط المصممة المدمجة، يتم فتح منفذ أو صمام. ويتم تفريغ الهواء في نظام المخرج بسبب الانخفاض المستمر في حجم حجرة الضغط.

في حالة الضغط الديناميكي، يُسحب الهواء بين الشفرات على دفَّاعة ضغط سريعة الدوران ويتسارع إلى سرعة عالية. ثم يتم تفريغ الغاز عبر رذاذة، حيث تتحول الطاقة الحركية إلى ضغط ثابت. معظم الضواغط الديناميكية هي ضواغط توربينية ذات نمط تدفق محوري أو قطري.

في الرسمين البيانيين أدناه، ستجد العلاقة بين الضغط والحجم لضاغط نظري ومخططًا واقعيًا لضاغط مكبسي كما هو موضح (على التوالي).

إن حجم الشوط هو حجم الأسطوانة الذي يقطعه المكبس في أثناء مرحلة الشفط. وحجم الخلوص هو الحجم الموجود أسفل صمامي المدخل والمخرج وفوق المكبس، والذي يجب أن يظل في أعلى نقطة دوران في المكبس لأسباب ميكانيكية.

يعود الفرق بين حجم الشوط وحجم الشفط إلى تمدد الهواء المتبقي في حجم الخلوص قبل بدء الشفط. ويعود الفرق بين مخطط الضغط والحجم النظري والمخطط الفعلي إلى التصميم العملي للضاغط، مثل الضاغط المكبسي.

لا يتم إغلاق الصمامات بالكامل مطلقًا، ويوجد دائمًا قدر من التسرب بين قميص المكبس وجدار الأسطوانة. وبالإضافة إلى ذلك، لا يمكن فتح الصمامات وإغلاقها تمامًا من دون وجود أدنى قدر من التأخير، ما ينتج عنه انخفاض في الضغط عند تدفق الغاز عبر القنوات. يتم تسخين الغاز أيضًا عندما يتدفق إلى الأسطوانة نتيجة لهذا التصميم.

في الضاغط الديناميكي، يزيد الضغط عندما يتدفق الغاز. ويتسارع الغاز المتدفق ليبلغ سرعة عالية عن طريق الشفرات الدوارة على الدفّاعة. وتتحول سرعة الغاز بعد ذلك إلى ضغط ساكن عندما تُدفع إلى التباطؤ بفعل التمدد داخل الرذاذة.

ووفق الاتجاه الرئيسي لتدفق الغاز المستخدم، تسمى هذه الضواغط ضواغط محورية أو قطرية. وبالمقارنة بضواغط الإزاحة، فإن التغيير الطفيف في ضغط التشغيل في الضواغط الديناميكية يؤدي إلى تغيير كبير في معدل التدفق.

لكل سرعة دفَّاعة حد أعلى وأدنى لمعدل التدفق. يعني الحد الأعلى أن سرعة تدفق الغاز تبلغ سرعة الصوت. ويعني الحد الأدنى أن الضغط المضاد يصبح أكبر من تزايد ضغط الضاغط، ما يعني عودة التدفق داخل الضاغط. ويؤدي هذا بدوره إلى حدوث نبض وضوضاء وخطر التلف الميكانيكي.

يمكن ضغط الهواء أو الغاز -نظريًا- بشكل ثابت الإنتروبيا (عند إنتروبيا ثابتة) أو ثابت الحرارة (عند درجة حرارة ثابتة). قد تكون إحدى العمليتين جزءًا من دورة يمكن عكسها نظريًا. إذا كان من الممكن استخدام الغاز المضغوط مباشرةً عند درجة حرارته النهائية بعد الضغط، فستكون لعملية الضغط ثابت الإنتروبيا بعض المزايا.

في الواقع، نادرًا ما يُستخدم الهواء أو الغاز بعد الضغط مباشرة، وعادة ما يتم تبريده إلى درجة الحرارة المحيطة قبل الاستخدام. ومن ثَم، فإن عملية الضغط ثابت الحرارة هي الخيار المفضل؛ إذ إنها تتطلب عملاً أقل. يتضمن النهج العملي الشائع لتنفيذ عملية الضغط ثابت الحرارة هذه تبريد الغاز في أثناء الضغط. وعند ضغط التشغيل الفعال البالغ 7 بار، يتطلب الضغط ثابت الإنتروبيا نظريًا طاقة أعلى بنسبة 37% من الضغط ثابت الحرارة.

تتمثل الطريقة العملية لتقليل سخونة الغاز في تقسيم الضغط إلى عدة مراحل. يتم تبريد الغاز بعد كل مرحلة قبل تعرضه لمزيد من الضغط ليصل إلى الضغط النهائي. ويزيد هذا أيضًا من كفاءة الطاقة، مع الحصول على أفضل نتيجة عندما تكون نسبة الضغط نفسها في كل مرحلة ضغط. تقترب العملية بأكملها من الضغط ثابت الحرارة من خلال زيادة عدد مراحل الضغط. ومع ذلك، يوجد حد اقتصادي لعدد المراحل التي يمكن لتصميم التركيب الفعلي استخدامها.

عند سرعة دوران ثابتة، يختلف منحنى الضغط/التدفق للضاغط التوربيني بشكل كبير عن المنحنى المكافئ للضاغط موجب الإزاحة. الضاغط التوربيني هو ماكينة ذات معدل تدفق متغير وخصائص ضغط متغيرة. وعلى الجانب الآخر، ضاغط الإزاحة هو ماكينة ذات معدل تدفق ثابت وضغط متغير. يوفر ضاغط الإزاحة نسبة ضغط أعلى حتى عند السرعة المنخفضة. صُممت الضواغط التوربينية لتوفير معدلات تدفق هواء كبيرة.

العودة إلى الأعلى