คอมเพรสเซอร์แบบสกรูที่ฉีดน้ำมันคืออะไร และทำงานอย่างไร?

หลักการทำงานหลักของ เครื่องอัดอากาศแบบเกลียวที่ฉีดน้ำมัน

พลศาสตร์ของโรเตอร์แบบสกรูคู่และการอัดด้วยฟิล์มน้ำมันแบบซิงโครไนซ์

คอมเพรสเซอร์อากาศแบบสกรูที่ฉีดน้ำมันเข้าไปนั้นอาศัยโรเตอร์แบบเกลียวที่ออกแบบมาอย่างพิถีพิถันในการทำงาน เมื่อโรเตอร์ชายหมุน (โดยปกติขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า) ร่องของมันจะสอดประสานเข้ากับร่องบนโรเตอร์หญิงขณะที่ทั้งสองหมุนในทิศทางตรงข้ามกัน การเคลื่อนที่ที่สอดคล้องกันนี้สร้างช่องว่างสำหรับอากาศซึ่งเคลื่อนที่ตามความยาวของคอมเพรสเซอร์จากช่องรับอากาศไปยังช่องปล่อยอากาศ ขณะที่ช่องว่างเหล่านี้เคลื่อนผ่านระบบ ระยะห่างระหว่างโรเตอร์จะค่อยๆ ลดลงประมาณห้าเท่า ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำให้อากาศถูกบีบอัดจริงๆ น้ำมันที่ฉีดเข้าไปนั้นมีบทบาทสำคัญสามประการพร้อมกัน ได้แก่ การสร้างฟิล์มบางๆ ที่ปิดรอยรั่วเล็กๆ ไม่ให้อากาศรั่วไหล การหล่อลื่นชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวให้ทำงานได้อย่างราบรื่น และการดูดซับความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการบีบอัด เนื่องจากโครงสร้างอันชาญฉลาดนี้ เครื่องจักรเหล่านี้จึงสามารถทำงานต่อเนื่องไม่หยุดนิ่งที่ความเร็วเกิน 3,000 รอบต่อนาที ขณะยังคงรักษาประสิทธิภาพไว้ที่ประมาณ 90 เปอร์เซ็นต์ในแอปพลิเคชันอุตสาหกรรมส่วนใหญ่

เหตุใดการฉีดน้ำมันจึงครองตลาดคอมเพรสเซอร์อากาศแบบสกรูในภาคอุตสาหกรรม

ผู้ผลิตในอุตสาหกรรมการก่อสร้างและยานยนต์ยังคงใช้การออกแบบแบบน้ำมันหล่อลื่น (oil flooded) เนื่องจากโดยรวมแล้วมีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจมากกว่า น้ำมันที่ฉีดเข้าไปนั้นสามารถดูดซับความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างการใช้งานได้ประมาณ 70% ซึ่งหมายความว่าบริษัทต่างๆ ไม่จำเป็นต้องติดตั้งระบบระบายความร้อนขนาดใหญ่เหล่านั้น ส่งผลให้สามารถใช้เครื่องอัดอากาศที่มีขนาดเล็กลง แต่ยังคงสามารถจัดการอัตราการไหลของอากาศได้ในช่วง 50 ถึง 250 ลูกบาศก์ฟุตต่อนาที ภายใต้แรงดันตั้งแต่ 100 ถึง 150 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว อีกข้อได้เปรียบสำคัญหนึ่งคือ ฟิล์มน้ำมันช่วยลดระดับเสียงลงประมาณ 8 ถึง 12 เดซิเบล ทำให้เครื่องจักรเหล่านี้เหมาะสมแม้ในสถานที่ที่มีข้อกำหนดด้านเสียงที่เข้มงวด นอกจากนี้ยังต้องการการบำรุงรักษาที่น้อยลง เนื่องจากไม่มีเฟืองจังหวะ (timing gears) เข้ามาเกี่ยวข้อง และราคาซื้อเริ่มต้นต่ำกว่ารุ่นที่ไม่มีน้ำมัน (oil free) ถึง 30 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ สำหรับความต้องการอากาศในภาคอุตสาหกรรมทั่วไปประจำวัน ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้อากาศที่สมบูรณ์แบบอย่างสิ้นเชิง เครื่องอัดอากาศแบบฉีดน้ำมันจึงยังคงเป็นตัวเลือกอันดับต้นๆ สำหรับโรงงานและสถานประกอบการนับไม่ถ้วนในหลากหลายภาคอุตสาหกรรม

สี่หน้าที่สำคัญของน้ำมันในคอมเพรสเซอร์แบบสกรู

นอกเหนือจากการหล่อลื่นแล้ว น้ำมันยังทำหน้าที่อีกสามประการที่สำคัญยิ่งในคอมเพรสเซอร์แบบสกรู:

• การหล่อลื่นและการปิดผนึก: ขจัดปรากฏการณ์ 'บลอว์-บาย' เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเชิงปริมาตรสูงสุด
  น้ำมันสร้างชั้นปิดผนึกแบบไดนามิกระหว่างโรเตอร์ ลดการรั่วไหลของอากาศ ("บลอว์-บาย") ได้มากถึง 15% และรักษาประสิทธิภาพเชิงปริมาตรไว้เหนือระดับ 90%

• การระบายความร้อน: ดูดซับความร้อนจากกระบวนการอัดประมาณ 70% — องค์ประกอบพื้นฐานของการจัดการความร้อน
  น้ำมันที่ฉีดเข้าไปจะดูดซับพลังงานความร้อนส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการอัด ป้องกันไม่ให้โรเตอร์ร้อนจัด และทำให้สามารถทำงานอย่างเสถียรภายใต้ช่วงแรงดันอุตสาหกรรมมาตรฐาน

• การลดเสียงรบกวน: การลดการแผ่คลื่นเสียงด้วยฟิล์มน้ำมัน 8–12 เดซิเบล(เอ)
  ชั้นน้ำมันระหว่างพื้นผิวที่หมุนทำหน้าที่เป็นตัวลดเสียงรบกวนทางเสียงอย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ระดับเสียงขณะปฏิบัติงานลดลงเหลือ 70–75 เดซิเบล(เอ) — ซึ่งอยู่ภายในขีดจำกัดที่องค์การความปลอดภัยและสุขภาพในการทำงานแห่งสหรัฐอเมริกา (OSHA) กำหนดสำหรับการสัมผัสอย่างต่อเนื่องในสถานที่ทำงาน

การผสานรวมแบบมัลติฟังก์ชันนี้ทำให้คอมเพรสเซอร์แบบสกรูที่ใช้น้ำมันหล่อลื่นซึ่งได้รับการบำรุงรักษาอย่างเหมาะสมสามารถทำงานได้นานกว่า 50,000 ชั่วโมง

ชิ้นส่วนหลักและกระบวนการแยกน้ำมันกับอากาศ

หัวคอมเพรสเซอร์ (Air-end), ถังเก็บน้ำมัน (oil sump) และหม้อเย็นน้ำมัน (oil cooler): การควบคุมอุณหภูมิและอัตราการไหลแบบบูรณาการ

ภายในหัวคอมเพรสเซอร์ (air end) ประกอบด้วยโรเตอร์คู่ที่ทำหน้าที่หลักในการอัดอากาศ ในขณะเดียวกัน ถังเก็บน้ำมัน (oil sump) ทำหน้าที่เป็นที่เก็บน้ำมันหล่อลื่นในระบบที่ปิดสนิท เมื่อน้ำมันไหลจากถังเก็บเข้าสู่หัวคอมเพรสเซอร์ จะช่วยรักษาความแน่นสนิทของระบบและยังคงอุณหภูมิที่เหมาะสมระหว่างการใช้งาน หลังจากผ่านหม้อเย็นน้ำมัน (oil cooler) ซึ่งจะปล่อยความร้อนที่เกิดขึ้นประมาณสองในสามส่วน น้ำมันจะกลับไปยังหัวคอมเพรสเซอร์ด้วยความหนืดที่เหมาะสมพอดี การควบคุมอุณหภูมิอย่างแม่นยำนี้ทำให้น้ำมันสามารถรักษาประสิทธิภาพเชิงปริมาตรได้อย่างเหมาะสม แม้เครื่องจักรจะทำงานต่อเนื่องเป็นเวลานานโดยไม่ร้อนจัดเกินไป

การแยกแบบหลายขั้นตอน: การควบแน่น (coalescing), การดูดซับ (adsorption) และการกรองเชิงกล เพื่อให้ค่าการนำน้ำมันออก (oil carryover) ต่ำกว่า 3 ppm

การแยกน้ำมันกับก๊าซหลังการอัดอากาศเกิดขึ้นผ่านหลายขั้นตอนที่เชื่อมต่อกัน ขั้นตอนแรกใช้แรงเหวี่ยงภายในเครื่องแยก (separator) เพื่อกำจัดหยดน้ำมันขนาดใหญ่ออกได้ประมาณ 95% ส่วนที่เหลือจะถูกส่งต่อไปยังตัวกรองแบบรวมหยด (coalescing filters) ซึ่งทำหน้าที่รวมอนุภาคน้ำมันขนาดเล็กให้กลายเป็นหยดที่ใหญ่ขึ้นจนสามารถระบายน้ำมันออกได้ สำหรับอนุภาคที่เล็กมากเป็นพิเศษ เราอาศัยสื่อดูดซับ (adsorption media) โดยทั่วไปจะผสมถ่านกัมมันต์ (activated carbon) ไว้ด้วย ซึ่งทำหน้าที่จับอนุภาคแอโรซอลที่มีขนาดเล็กกว่าหนึ่งไมครอน นอกจากนี้ยังมีการกรองเชิงกล (mechanical filtration) ทำงานอยู่ตลอดกระบวนการเพื่อดักจับสิ่งสกปรกหรืออนุภาคใดๆ ที่ไหลเข้ามาจากด้านต้นทาง (upstream) เมื่อระบบทำงานได้อย่างเหมาะสม ทั้งระบบจะสามารถควบคุมปริมาณน้ำมันที่ถูกพาไปพร้อมกับอากาศ (oil carryover) ให้ต่ำกว่า 3 ส่วนต่อล้านส่วน (ppm) ได้ส่วนใหญ่ของเวลา ซึ่งหมายความว่าอากาศที่ส่งต่อไปมีความสะอาดยิ่งขึ้น และอุปกรณ์ทั้งหมดที่ติดตั้งอยู่ด้านปลายน้ำ (downstream) จะได้รับการปกป้องอย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

คอมเพรสเซอร์ลมแบบสกรูแบบความเร็วคงที่ เทียบกับแบบความเร็วแปรผัน (VSD): ผลกระทบต่อการจัดการน้ำมันและประสิทธิภาพ

คอมเพรสเซอร์สกรูแบบความเร็วคงที่มาตรฐานจะทำให้มอเตอร์หมุนด้วยรอบต่อนาที (RPM) เท่าเดิมเสมอ ไม่ว่าความต้องการอากาศจะมากหรือน้อยเพียงใด โดยจะปรับปริมาณการจ่ายอากาศผ่านวาล์วเข้าเมื่อจำเป็น ความเรียบง่ายของระบบแบบนี้ใช้งานได้ดีสำหรับการใช้งานพื้นฐาน แต่ก็มีข้อเสียในช่วงเวลาที่ต้องการโหลดเพียงบางส่วนเท่านั้น เนื่องจากพลังงานจะถูกสูญเปล่าไป เพราะมอเตอร์ยังคงหมุนอยู่แม้ขณะที่ไม่มีภาระงานมากนัก นี่คือจุดที่คอมเพรสเซอร์รุ่นไดรฟ์ความเร็วแปรผัน (VSD) แสดงจุดเด่นออกมา ซึ่งเครื่องจักรเหล่านี้สามารถปรับเปลี่ยนความเร็วของมอเตอร์ได้ตามปริมาณอากาศที่ต้องการจ่ายในขณะนั้นจริง ๆ จึงช่วยลดการใช้พลังงานลงได้ประมาณ 30 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ในสถานที่ที่มีความต้องการอากาศเปลี่ยนแปลงตลอดทั้งวัน ผลกระทบต่อระบบหล่อลื่นก็มีความสำคัญเช่นกัน คอมเพรสเซอร์แบบความเร็วคงที่ทำงานภายใต้สภาวะอุณหภูมิที่ค่อนข้างคงที่ ทำให้น้ำมันหล่อลื่นเย็นอยู่เสมอ และตัวกรองทำงานได้สม่ำเสมอในส่วนใหญ่ของเวลา แต่คอมเพรสเซอร์ VSD ต้องเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอย่างหลากหลาย รวมทั้งอัตราการไหลของน้ำมันที่แปรผันไปตามการเร่งและชะลอความเร็วของเครื่อง ดังนั้น ผู้ผลิตจึงจำเป็นต้องออกแบบระบบระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพกว่าเดิม และระบบกรองที่แม่นยำยิ่งขึ้น เพื่อรักษาระดับความหนืดของน้ำมันให้เหมาะสมกับทุกระดับความเร็ว หากไม่ดำเนินการเช่นนี้ จะเกิดปัญหาต่าง ๆ ขึ้น เช่น การหล่อลื่นไม่เพียงพอ ความสมบูรณ์ของซีลลดลง และน้ำมันหล่อลื่นถูกพาออกไปพร้อมกับกระแสอากาศที่ถูกอัดในปริมาณมากเกินไประหว่างการเปลี่ยนความเร็วบ่อยครั้ง

คำถามที่พบบ่อย

น้ำมันในคอมเพรสเซอร์แบบสกรูมีหน้าที่หลักสามประการคืออะไร

น้ำมันในคอมเพรสเซอร์แบบสกรูทำหน้าที่เป็นสารหล่อลื่นสำหรับชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว สร้างผนึกเพื่อป้องกันการรั่วของอากาศ และดูดซับความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการอัด

เหตุใดจึงนิยมใช้คอมเพรสเซอร์แบบสกรูที่ฉีดน้ำมันในงานอุตสาหกรรม

นิยมใช้เนื่องจากมีต้นทุนต่ำ ดูดซับความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยน้ำมัน ลดระดับเสียงรบกวน บำรุงรักษาน้อยลง และมีต้นทุนเริ่มต้นถูกกว่าเมื่อเทียบกับรุ่นที่ไม่ใช้น้ำมัน

คอมเพรสเซอร์แบบไดรฟ์ปรับความเร็วแปรผัน (VSD) ประหยัดพลังงานได้อย่างไร

คอมเพรสเซอร์แบบ VSD ปรับความเร็วของมอเตอร์ตามความต้องการ โดยลดการใช้พลังงานลง 30 ถึง 50% ด้วยการหลีกเลี่ยงการทำงานของมอเตอร์ที่ไม่จำเป็นในช่วงที่ความต้องการต่ำ