ضواغط التبريد

نقدم بعون من الله وتوفيقه ، موضوعاً عن
ضواغط التبريد
(دراسة تفصيلية موسّعة)

تعريف :

الضاغط : هو جهاز يعمل على زيادة ضغط غاز ما .

في دارة التبريد ذات الانضغاط بالبخار ، يقوم الضاغط بتدوير وسيط التبريد ، حيث يسحبه من المبخر ويرفع ضغطه الى ضغط المكثف .

وعند الضغط المرتفع تكون درجة حرارة التشبع او الغليان مرتفعة كما هو الحال في المكثف ، حيث درجة حرارة وسيط التبريد اعلى من الوسط المحيط بالمكثف . بالتالي سيفقد المكثف الحرارة مما يؤدي الى تكثف وسيط التبريد.

اما في الناحية الاخرى من الضاغط هناك المبخر ، حيث الضغط منخفض وكذلك درجة حرارة التشبع منخفضة وهي اقل من درجة حرارة الوسط المحيط بالمبخر . بالتالي سيكتسب وسيط التبريد الحرارة مما يؤدي الى تبريد الوسط المحيط بالمبخر ، منتجاً بذلك ما يسمى بالتأثير التبريدي لدارة التبريد .

تصنيف الضواغط :

تصنف حسب طريقة زيادة الضغط الى :

1. الضواغط موجبة الازاحة positive displacement
2. والضواغط الديناميكية Dynamic compressors

الضواغط موجبة الازاحة: وفيها يتحقق زيادة الضغط نتيجة النقص في حجم الغاز . ومن هذه الضواغط نذكر :

• الضواغط الترددية :reciprocating compressors
• الضواغط الدورانية .rotary compressors ، ومنها :
  
  
  1. الضواغط ذات الريش vane type
  2. والضواغط الحلزونية screw type
  3. والضواغط اللولبية scroll type
  
  

الضواغط الديناميكية : وفيها يتحقق زيادة الضغط بتحويل الطاقة الحركية التي يكتسبها الغاز اثناء دورانه في الضاغط الى طاقة ضغط حسب نظرية برنولي . ومن هذه الضواغط نذكر :

• الضاغط النابذي (الطرد المركزي) centrifugal compressor

كما يمكن تصنيف الضواغط حسب طريقة التدوير الى :

1. ضواغط تدار مباشرة : اي تنقل الحركة من المحرك الى الضاغط مباشرةً . وتكون بنوعين :

• أ. ضواغط مغلقة hermatic sealed حيث المحرك والضاغط في علبة واحدة
• ب. ضواغط شبه مغلقة semihermatic sealed حيث المحرك والضاغط يتواجدان في مكانين منفصلين عن بعضهما .

2. ضواعط تدار بواسطة الاحزمة او السيور : حيث تنتقل الحركة من المحرك الى الضاغط بواسطة السيور ، وتدعى بـ الضواعط المفتوحة.

تعاريف اساسية :

ضغط السحب suction pressure : هو ضغط الغاز عند صمام الدخول الى الضاغط اثناء سحبه من المبخر ، ويمثل الضغط المنخفض في دارة التبريد .

ضغط التصريف discharge pressure : هو ضغط الغاز عند خروجه من صمام التصريف ، ويمثل الضغط المرتفع في دارة التبريد .

نسبة الانضغاط compression ratio : هي النسبة بين ضغط التصريف وضغط السحب .

سعة الضاغط compressor capacity : هي كمية الغاز الحجمية التي تمر في الضاغط خلال واحدة الزمن عند ضغط السحب .

قدرة الفرملة او الكبح brake power : هي القدرة الميكانيكية اللازمة لادارة الضاغط .

الضواغط الترددية
Reciprocating compressors

مبدأ عملها :

تقوم بضغط الغاز بحركة ترددية للمكبس داخل اسطوانة بها صمام لدخول الغاز وآخر لخروجه .

تتم العملية خلال شوطين للمكبس :

الاول شوط الدخول والذي يبدأ من وضع المكبس الاعلى "النقطة الميتة العليا" top dead center وينتهي عند "النقطة الميتة السفلى" bottom dead center .

بعد دخول الغاز يغلق صمام الدخول ويكون صمام الخروج ايضاً في وضع الاغلاق . ويضغط الغاز اثناء حركة المكبس في شوط الانضغاط نتيجة النقص في حجمه .

وعند وصول الضغط الى الحد المعين المطلوب يفتح صمام الخروج ويخرج الغاز من الاسطوانة .

استخدامها :

تستخدم في وسائط التبريد ذات الحجم النوعي الصغير ، ودارات التبريد ذات نسبة انضغاط مرتفعة ، حيث كمية التدفق قليلة نسبياً وضغط التصريف مرتفع .

نذكر ان وسائط التبريد التي تستخدم هذه الضواغط R-12 و R-22 . وتصنع باستطاعات مختلفة تتراوح من 50 واط في الثلاجات المنزلية الى 100 ك.واط في الثلاجات التجارية .

يمكن ان تكون الضواغط الترددية :

• منفردة التأثير single acting حيث يتم ضغط الغاز في جانب واحد من المكبس
• او تكون مزدوجة التأثير double acting حيث يتم ضغط الغاز في في جانبي المكبس .. (بمعنى في الوقت الذي يكون شوط الادخال في احد الجوانب يكون الجانب الآخر في شوط الانضغاط .. وهكذا .)

الازاحة والمردود :

ازاحة المكبس : تعرف ازاحة المكبس لضاغط ترددي بانها تساوي الحجم المكنوس من قبل المكابس داخل اسطوانات الضاغط في واحدة الزمن . وتحسب من العلاقة التالية :

نعرف المردود الحجمي لضاغط ترددي بالعلاقة التالية :

قد يصل عدد الاسطوانات في الضواغط الكبيرة الى 16 اسطوانة ، وترتب في عدة اشكال : خط واحد او شكل حرف V او W .

تدار الضواغط الترددية بواسطة محرك كهربائي ، وتحول الحركة الدورانية الى حركة ترددية للمكبس عن طريق عمود المرفق (الكرنك crank) ، وذراع التوصيل ، وتكون الاجزاء الميكانيكية داخل وعاء مغلق كتيم عديم التسرب يعرف بعلبة المرفق crankcase .

الضواغط الترددية المغلقة وشبه المغلقة والمفتوحة

الضواغط المغلقة
في الضواغط المغلقة يوضع المحرك الكهربائي والضاغط في علبة مشتركة ومغلقة ، وتوضع هذه الاجزاء مستندة الى نوابض لمنع وتقليل الاهتزازات اثناء التشغيل ، كما تزود بكاتم صوت على خط السحب . ويستفاد من وسيط التبريد في تبريد المحرك التي تمرر اسلاكه الكهربائية عبر علبة الضاغط من خلال وصلات معزولة ومانعة للتسرب .

تستخدم الوحدات (الضواغط) المغلقة hermatic sealed بشكل واسع لانظمة التبريد ذات السعات الصغيرة ، مثل الثلاجات المنزلية .

ومن مميزات هذه الضواغط : قلة الضوضاء وصغر الحجم بسبب دمج الاجزاء ، وبساطة عملية التزييت ، وعدم تسرب وسيط التبريد .

ومن مساوئها : صعوبة الصيانة حيث لايمكن الوصول الى الاجزاء المتحركة بداخلها .

في الضواغط الترددية شبه المغلقة semi hermatic sealed :
يكون المحرك الكهربائي والضاغط بغلاف مشترك ، لكن في حجرتين منفصلتين ، بحيث يمكن الوصول الى رأس الاسطوانات والمرفق لاجراء الصيانة والاصلاح للصمامات والمكابس والاجزاء الداخلية .

الضواغط الترددية المفتوحة :
في هذا النوع من الضواغط لايوضع المحرك الكهربائي والضاغط في نفس الغلاف بل في مكانين منفصلين ، وتنتقل الحركة من المحرك الى عمود المرفق بواسطة احزمة او سلاسل او قوابض .

ويمر عمود المرفق من خلال مانع تسرب لمنع تسرب وسيط التبريد والزيت للخارج ، الا ان هذا يزيد من فرصة تسرب وسيط التبريد عند تلف مانع تسرب او الحشوة gasket .

أجزاء ومكونات الضواغط الترددية

تتكون الضواغط الترددية بشكل عام من الاجزاء التالية :

1. الاسطوانة cylinder
2. المكبس piston
3. الحلقات rings
4. ذراع التوصيل connecting rods
5. عمود المرفق (الكرنك) crankshaft ومانعات التسرب seals
6. صمامات السحب والتصريف suction and discharge valves

 

الاسطوانة

1. الاسطوانة:

في الضواغط الصغيرة المغلقة تسكب الاسطوانة اما من حديد الزهر (حديد الصب) castiron أو من الالمنيوم . وقد تسكب الاسطوانة مع زعانف لزيادة المساحة المعرضة لتبريد الضاغط . وتصب الاسطوانة مع علبة المرفق كقطعة واحدة .

اما اسطوانات الضواغط الكبيرة المفتوحة ذات السعة العالية فتصب الاسطوانة من حديد الزهر واحياناً يضاف اليها النيكل ، لمنع تسرب وسيط التبريد خلال الاسطوانة . وتصب الاسطوانة وحدها وكذلك علبة المرفق على انفراد ، مع عمل شفة لكل منهما لربطهما ببعض ، بالبراغي والصامولات .

وتركب القمصان الداخلية liners او الجلبة في جسم الاسطوانة الداخلي لتقليل تآكل المكبس والحلقات ، ويمكن استبدال هذه القمصان فيما بعد عند تلفها .

كما ان هذه الضواغط تبرد من خلال سريان المياه في مجارٍ أو قنوات بداخل جسم الاسطوانة .

المكبس

2. المكبس:

تصنع المكابس في الضواغط الكبيرة والمفتوحة من حديد الصب ، بينما في الضواغط الصغيرة والمغلقة ذات السرعات العالية من الالمنيوم .

المكابس المستعملة في الضواغط الترددية نوعان :

• الاول : مكابس تعرف بمحركات السيارات auto-motive , وفيها يدخل وسيط التبريد من خلال صمام السحب الموجود في رأس اسطوانة الضاغط .
  
  
• الثاني : مكابس تعرف بالجذع المزدوج double trunk , وتستخدم هذه في الضواغط المتوسطة والكبيرة , وفيها يدخل وسيط التبريد من خلال فتحات في حائط الاسطوانة , ومنها الى جسم المكبس عبر صمام السحب المتواجد في رأس المكبس . ويستخدم في هذه المكابس حلقات لمنع تسرب وسيط التبريد الى صندوق المرفق حيث يتواجد الزيت لتزييت عمود الموفق وذراع التوصيل .
  
  

الحلقات

3. الحلقات :

تصنع الحلقات من حديد الزهر .

في الضواغط الصغيرة ، نادراً ما تستعمل حلقات يقل قطرها عن 50 مم ، وعادة تزود المكابس بتجاويف للزيت oil grooves لتسهيل تزييت الجدران ، حيث تكون طبقةالزيت كافية لمنع تسرب الزيت من الاسطوانة .

اما في الضواغط الكبيرة (اكبر من قطر 2") وعالية الضغط فتركب من 2 الى 3 حلقات احكام الضغط compression rings وحلقة واحدة احكام الزيت oil ring .

في الضواغط ذات مكابس الجذع المزدوج تزود من 1 الى 3 حلقات احكام الضغط في الجزء العلوي من المكبس ، وحلقة واحدة او اثنتين من حلقات احكام الزيت في اسفل المكبس .

أذرع التوصيل

4. أذرع التوصيل:

يقوم ذراع التوصيل بنقل حركة عمود المرفق (الكرنك) الدورانية الى حركة ترددية للمكبس .

يربط ذراع التوصيل بالمكبس بمسمار المكبس ، ومن جهة عمود المرفق بمسمار عمود المرفق ، حيث تكون هذه النهاية مشقوقة .

وتكون الكراسي bearing التي يرتكز عليها الذراع ناعمة وصلدة ، وتصنع من البرونز .

كما تصنع الاذرع بأشكال مختلفة مثل : I أو H او مجوفة ، وتصنع من سبائك النحاس او الالمنيوم او الحديد المطاوع .

عمود المرفق

. عمود المرفق:

وظيفة عمود المرفق تحويل الحركة الدورانية للمحرك الى حركة ترددية للمكبس بواسطة ذراع التوصيل . وهناك نوعان من عمود المرفق :

1. عمود المرفق ذو المرمى throw crankw ويستخدم غالباً في الضواغط الكبيرة ، ويصنع من الحديد المطاوع forged steel او الصلب المشكّل cast steel

2. عمود المرفق اللامركزى eccentric يتكون من محور مستقيم من الفولاذ يرتبط مع ذراع التوصيل من خلال اللامتمركز من الحديد المصبوب ، وهذا عبارة عن جزء من المرفق ، وله مركز دوران يختلف عن المحور .

أحكام عمود المرفق crank shaft seal:

في الضواغط من النوع المفتوح والتي يمتد فيها عمود المرفق خارج علبة المرفق ، تحتاج الى مانع تسرب حول المرفق في مكان خروجه من علبة المرفق ، وذلك لمنع تسرب وسيط التبريد والزيت للخارج او الهواء للداخل .

يتكون مانع التسرب من صندوق حشو فيه انف من البرونز مضغوط بنابض محكم الاغلاق حول المرفق وبجلد الكسكيت ، في حين يعمل النابض على تثبيت انف الاغلاق على صفيحة مستوية ، حيث يشكل غشاء الزيت بين هذين السطحين مانعاً ممتازاً لتسرب البخار ، ويكون المائع مغموراً بالزيت باستمرار اثناء التوقف والتشغيل .

صمامات السحب والتصريف

 صمامات السحب والتصريف:

يدخل وسيط التبريد الى الضاغط من خلال صمام السحب ، في حين يخرج الغاز المضغوط من خلال صمام التصريف .

تؤثر مواصفات هذه الصمامات وتركيبها بشكل كبير على فعالية واداء الضاغط . فتركب الصمامات بحيث لا تعمل على زيادة حجم الخلوص ( وهو الحجم في الاسطوانة عندما يكون المكبس في النقطة الميتة العليا ) . ويكون تدفق الغاز فيها سلساً ولا تسبب فقداناً كبيراً في الضغط خلالها .

ويمكن تقسيم الصمامات الى ثلاث انواع رئيسية :

• أ. الصمامات القفازة poppet valves :

تشبه هذه الصمامات الموجودة في محرك السيارات ، وتستخدم مع الضواغط ذات السرعات المنخفضة . من مزاياها قلة حجم الخلوص الناتج في الاسطوانة وبالتالي زيادة الكفاءة الحجمية .

• ب. صمامات الصفيحة الحلقية ring plate valves :

يوجد عدة اشكال من هذه الصمامات ، احدها مبين في الشكل ادناه . تستعمل هذه الصمامات في الضواغط الكبيرة ذات السرعات العالية او المنخفضة .

وتتكون هذه الصمامات من كرسي الصمام ونابض مبسط او اكثر وصفيحة حلقية ، وتستند هذه جيداً الى صفيحة كرسي الصمام بسبب النابض المبسط ، والذي يثبت في مكانه بحلقة الاحتجاز .

تحتوي مجموعة الصفيحة الحلقية على صمام السحب وعادة يكون في الحلقة الخارجية ، بينما صمام التصريف في الحلقة الداخلية كما في الشكل ادناه :

• ج. الصمامات المرنة flexible valves :

توجد عدة انواع من الصمامات المرنة من اهمها صمام الريشة والصمام القلاب وتناسب هذه الضواغط الصغيره

تزييت الضواغططرق التزييت :

في الضواغط الصغيرة تستعمل طريقة الطرطشة الناتجة عن حركة عمود المرفق ، حيث يقوم عمود المرفق اثناء دورانه بطرطشة الزيت الموجود ونثره في علبة المرفق . تستعمل هذه الطريقة في الضواغط الصغيرة كما ذكرنا حتى الاستطاعة الـ 15 حصان .

اما في الضواغط الكبيرة فتستعمل طريقة التزييت بالتغذية القسرية ، حيث تقوم مضخة الزيت من نوع المسننات "التروس " بتدوير الزيت ، وهذه الطريقة تعطي تزييتاً افضل ، حيث يستطيع الزيت بفعل المضخة المرور عبر المجاري والثقوب في عمود المرفق وذراع التوصيل .

مواصفات الزيوت :

تستعمل الزيوت في ضواغط دارات التبريد من اجل تقليل الاحتكاك بين الاجزاء المتحركة ، ولازالة الحرارة الناتجة عن الاحتكاك ، وكذلك لاحكام الاغلاق ومنع تسرب الغاز .

يجب توفر المواصفات التالية في الزيوت المستخدمة :

• التوافق مع وسيط التبريد بحيث لا تتفاعل معه .
• توفير التزييت اللازم بوجود الاختلاط مع وسيط التبريد .
• عدم التجمد او تكون مواد صلبة في ظروف التشغيل .
• عدم وجود شوائب او رطوبة تؤثر على اداء دارة التبريد .
• عدم تكون محاليل رغوية .
• ان تكون مفاومة للتأكسد .
• ان يكون ضغطها البخاري منخفضاً .
• ان تكون لزوجته منخفضة .
• ان تكون نقطة الانسكاب "الصبيب" pour point (هي اقل درجة حرارة تسمح بسريان الزيت) اقل من درجة حرارة المبخر .
• ان تكون نقطة التغبش "الضبابية" cloud point ( هي درجة حرارة التي يبدأ عندها ترسب الشمع المتواجد في الزيت ) اقل من درجة حرارة تبخير وسيط التبريد .

فصل الزيت عن وسيط التبريد :

يمكن لوسيط التبريد ان يتسرب لعلبة المرافق ، وهناك يختلط مع الزيت ، ويكون محلولاً رغوياً حسب الضغط ودرجة الحرارة .

تستعمل طرق مختلفة لفصل الزيت عن وسيط التبريد ، من بينها وضع صمام زيت بين خط السحب وعلبة المرفق حيث يتواجد الزيت .

كما يمكن استخدام سخان كهربائي في قاع علبة المرفق ، حيث يعمل هذا على تبخير وسيط التبريد من الزيت خاصة اثناء توقف الضاغط عن العمل .

وفي الضواغط الكبيرة فوق الـ 10 طن تبريد ، يشغل السخان الكهربائي قبل 6 ساعات من عمل الضاغط لتسخين الزيوت والحصول على اللزوجة المناسبة .