معرفة نظام الهواء المضغوط

يتألف نظام الهواء المضغوط، بالمعنى الضيق، من معدات مصدر الهواء، ومعدات تنقية مصدر الهواء، والأنابيب المتصلة بها. أما بالمعنى الواسع، فتشمل مكونات الهواء المضغوط المساعدة، والمشغلات الهوائية، ومكونات التحكم الهوائية، ومكونات التفريغ، وغيرها. وعادةً ما تُعتبر معدات محطة ضغط الهواء نظام هواء مضغوط بالمعنى الضيق. يوضح الشكل التالي مخططًا انسيابيًا نموذجيًا لنظام هواء مضغوط:

تقوم معدات مصدر الهواء (ضاغط الهواء) بسحب الهواء الجوي، وضغط الهواء في حالته الطبيعية إلى هواء مضغوط بضغط أعلى، وإزالة الرطوبة والزيوت والشوائب الأخرى الموجودة في الهواء المضغوط من خلال معدات التنقية.

يتكون الهواء في الطبيعة من خليط من غازات مختلفة (الأكسجين، النيتروجين، ثاني أكسيد الكربون، إلخ)، وبخار الماء أحدها. يُسمى الهواء الذي يحتوي على كمية معينة من بخار الماء بالهواء الرطب، بينما يُسمى الهواء الذي لا يحتوي على بخار الماء بالهواء الجاف. الهواء المحيط بنا رطب، لذا فإن وسط عمل ضاغط الهواء هو الهواء الرطب بطبيعته.
على الرغم من أن نسبة بخار الماء في الهواء الرطب منخفضة نسبيًا، إلا أن هذه النسبة تؤثر بشكل كبير على خصائصه الفيزيائية. وفي نظام تنقية الهواء المضغوط، يُعد تجفيف الهواء المضغوط أحد أهم مكوناته.

في ظل ظروف معينة من درجة الحرارة والضغط، يكون محتوى بخار الماء في الهواء الرطب (أي كثافة بخار الماء) محدودًا. عند درجة حرارة معينة، عندما يصل محتوى بخار الماء إلى أقصى حد ممكن، يُطلق على الهواء الرطب في هذه الحالة اسم الهواء المشبع. أما الهواء الرطب الذي لا يصل إلى أقصى محتوى ممكن من بخار الماء فيُطلق عليه اسم الهواء غير المشبع.

عندما يتحول الهواء غير المشبع إلى هواء مشبع، تتكثف قطرات الماء السائلة في الهواء الرطب، وهي ظاهرة تُعرف باسم "التكثيف". التكثيف ظاهرة شائعة. على سبيل المثال، عندما تكون رطوبة الهواء عالية في الصيف، يسهل تكوّن قطرات الماء على سطح أنابيب المياه. وفي صباح الشتاء، تظهر قطرات الماء على النوافذ الزجاجية للمنازل. كل هذه الظواهر تتشكل نتيجة تبريد الهواء الرطب تحت ضغط ثابت.

كما ذُكر سابقاً، تُسمى درجة الحرارة التي يصل عندها الهواء غير المشبع إلى حالة التشبع بنقطة الندى، وذلك عندما يظل الضغط الجزئي لبخار الماء ثابتاً (أي عندما يظل محتوى الماء المطلق ثابتاً). وعندما تنخفض درجة الحرارة إلى درجة حرارة نقطة الندى، يحدث التكثف.

لا ترتبط نقطة الندى في الهواء الرطب بدرجة الحرارة فحسب، بل ترتبط أيضاً بكمية الرطوبة فيه. ترتفع نقطة الندى مع ارتفاع نسبة الرطوبة، وتنخفض مع انخفاضها.

تُستخدم درجة حرارة نقطة الندى استخدامًا هامًا في هندسة الضواغط. فعلى سبيل المثال، عندما تكون درجة حرارة مخرج ضاغط الهواء منخفضة جدًا، يتكثف خليط الزيت والغاز نتيجة انخفاض درجة الحرارة داخل خزان الزيت والغاز، مما يؤدي إلى احتواء زيت التشحيم على الماء ويؤثر سلبًا على كفاءة التشحيم. لذلك، يجب تصميم درجة حرارة مخرج ضاغط الهواء بحيث لا تقل عن درجة حرارة نقطة الندى عند الضغط الجزئي المقابل.

نقطة الندى الجوية هي درجة حرارة نقطة الندى تحت الضغط الجوي. وبالمثل، تشير نقطة الندى تحت الضغط إلى درجة حرارة نقطة الندى للهواء المضغوط.

ترتبط العلاقة بين نقطة الندى عند الضغط ونقطة الندى عند الضغط العادي بنسبة الانضغاط. فكلما زادت نسبة الانضغاط، انخفضت نقطة الندى عند الضغط العادي عند نفس نقطة الندى عند الضغط العادي.

الهواء المضغوط الخارج من ضاغط الهواء يكون ملوثاً. تشمل الملوثات الرئيسية ما يلي: الماء (قطرات الماء السائل، ورذاذ الماء، وبخار الماء الغازي)، ورذاذ زيت التشحيم المتبقي (قطرات زيت الرذاذ وبخار الزيت)، والشوائب الصلبة (طين الصدأ، ومسحوق المعادن، وجزيئات المطاط الدقيقة، وجزيئات القطران، ومواد الترشيح، ومسحوق ناعم من مواد منع التسرب، وما إلى ذلك)، والشوائب الكيميائية الضارة، وغيرها من الشوائب.

يؤدي تلف زيت التشحيم إلى تآكل المطاط والبلاستيك ومواد منع التسرب، مما يتسبب في تعطل الصمامات وتلوث المنتجات. كما تتسبب الرطوبة والغبار في صدأ وتآكل الأجزاء المعدنية والأنابيب، مما يؤدي إلى تعطل الأجزاء المتحركة أو تلفها، وتعطل المكونات الهوائية أو تسرب الهواء منها. بالإضافة إلى ذلك، تتسبب الرطوبة والغبار في انسداد فتحات الخنق أو شبكات الترشيح. بعد ذلك، يتسبب الجليد في تجمد خط الأنابيب أو تشققه.

بسبب سوء جودة الهواء، تنخفض موثوقية وعمر خدمة النظام الهوائي بشكل كبير، وغالبًا ما تتجاوز الخسائر الناتجة تكلفة وتكاليف صيانة جهاز معالجة مصدر الهواء، لذلك من الضروري للغاية اختيار نظام معالجة مصدر الهواء بشكل صحيح.
ما هي المصادر الرئيسية للرطوبة في الهواء المضغوط؟

يُعدّ بخار الماء الذي يسحبه ضاغط الهواء مع الهواء المصدر الرئيسي للرطوبة في الهواء المضغوط. بعد دخول الهواء الرطب إلى ضاغط الهواء، يتم ضغط كمية كبيرة من بخار الماء وتحويلها إلى ماء سائل أثناء عملية الضغط، مما يُقلل بشكل كبير من الرطوبة النسبية للهواء المضغوط عند مخرج ضاغط الهواء.

على سبيل المثال، عندما يكون ضغط النظام 0.7 ميجا باسكال والرطوبة النسبية للهواء المستنشق 80%، فعلى الرغم من أن الهواء المضغوط الخارج من الضاغط يكون مشبعًا تحت الضغط، إلا أنه إذا تم تحويله إلى حالة الضغط الجوي قبل الضغط، فإن رطوبته النسبية ستكون 6-10% فقط. أي أن محتوى الرطوبة في الهواء المضغوط قد انخفض بشكل كبير. ومع ذلك، مع انخفاض درجة الحرارة تدريجيًا في خط أنابيب الغاز ومعدات الغاز، ستستمر كمية كبيرة من الماء السائل في التكثف داخل الهواء المضغوط.
كيف يحدث تلوث الهواء المضغوط بالزيت؟

يُعد زيت التشحيم الخاص بضاغط الهواء، وبخار الزيت وقطرات الزيت العالقة في الهواء المحيط، وزيت التشحيم الخاص بالمكونات الهوائية في النظام، المصادر الرئيسية لتلوث الهواء المضغوط بالزيت.

باستثناء ضواغط الهواء الطاردة المركزية وضواغط الهواء ذات الغشاء، فإن جميع ضواغط الهواء المستخدمة حاليًا تقريبًا (بما في ذلك ضواغط الهواء المختلفة الخالية من الزيت) ستحتوي على زيت متسخ بدرجة أو بأخرى (قطرات زيت، رذاذ زيت، بخار زيت وانشطار كربوني) في خط أنابيب الغاز.

ستؤدي درجة الحرارة العالية لغرفة ضغط ضاغط الهواء إلى تبخر حوالي 5% إلى 6% من الزيت، وتشققه، وتأكسده، وترسبه في الجدار الداخلي لأنبوب ضاغط الهواء على شكل طبقة من الكربون والورنيش، وسيبقى الجزء الأخف معلقًا على شكل بخار وجزيئات دقيقة تدخل إلى النظام بواسطة الهواء المضغوط.

باختصار، بالنسبة للأنظمة التي لا تتطلب مواد تشحيم أثناء التشغيل، تُعتبر جميع الزيوت ومواد التشحيم المختلطة بالهواء المضغوط المستخدم مواد ملوثة بالزيت. أما بالنسبة للأنظمة التي تتطلب إضافة مواد تشحيم أثناء التشغيل، فتُعتبر جميع أنواع الطلاء المقاوم للصدأ وزيت الضاغط الموجودة في الهواء المضغوط شوائب ملوثة بالزيت.

كيف تدخل الشوائب الصلبة إلى الهواء المضغوط؟

المصادر الرئيسية للشوائب الصلبة في الهواء المضغوط هي:

① يختلط الغلاف الجوي المحيط بشوائب متنوعة ذات أحجام جسيمات مختلفة. حتى لو كان منفذ سحب ضاغط الهواء مزودًا بفلتر هواء، فعادةً ما تدخل شوائب "الهباء الجوي" التي يقل حجمها عن 5 ميكرومتر إلى ضاغط الهواء مع الهواء المستنشق، وتختلط بالزيت والماء في أنبوب العادم أثناء عملية الضغط.

② عندما يعمل ضاغط الهواء، فإن الاحتكاك والتصادم بين الأجزاء المختلفة، وتآكل وسقوط الأختام، وتفحم وانشطار زيت التشحيم في درجات الحرارة العالية، ستؤدي إلى دخول جزيئات صلبة مثل جزيئات المعادن وغبار المطاط وانشطار الكربون إلى خط أنابيب الغاز.