روغن موتور بجای روغن کمپرسور

با درود و احترام به محضر مبارک تمامی مخاطبان این وبلاگ مهندسی

در این پست، قصد داریم تا به سوال یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ در خصوص استفاده از روغن موتور در کمپرسور های پیستونی پاسخ دهیم.

شرح سوال:

آیا می توان از روغن موتور پراید SAE 20W-50 در کمپرسور های پیستونی (رفت و برگشتی) استفاده کرد. کمپرسور ما از نوع رفت و برگشتی Double Act سنگین بوده و حدود 4000 لیتر گنجایش روغن دارد. از این کمپرسور برای متراکم سازی هوا برای یک واحد فرآیندی در یک پالایشگاه در مرکز ایران (در منطقه ای کوهستانی) استفاده می شود. می خواهیم بررسی کنیم که آیا می توانیم برای کاهش هزینه ها بجای روغن مصرفی در این کمپرسور که Shell Corena S2 P100 است از روغن موتور SAE 20W-50 استفاده کنیم؟

پاسخ به این سوال از چهار بخش تشکیل شده است: آشنایی با ساختار کمپرسور های پیستونی، مقایسه دو روغن موتور و کمپرسور، اثرات استفاده از روغن موتور در کمپرسور، و نتیجه گیری

الف) آشنایی با ساختار کمپرسور های پیستونی

بطور کلی، کمپرسور ها به دو دسته جابجایی مثبت و دینامیک تقسیم بندی می شوند که در نوع اول (که در این نوشتار مد نظر ماست) گاز (در اینجا: هوا) به داخل یک محفظه کاملا بسته و آببندی شده (مانند سیلندر) کشیده شده و بوسیله یک پیستون متراکم شده و از این سیلندر خارج می شود. اساس کار کمپرسور های دینامیک (که در این مقاله بدانها نمی پردازیم) براساس افزایش سرعت گاز بوسیله حرکت تعدادی پره و سپس کاهش شدید آن است که منجر به افزایش فشار خواهد شد. شکل را ببینید.

شکل 1: نمایه ای از تقسیم بندی انواع کمپرسور ها (منبع: Wikipedia)

همانطور که از شکل 1 می توان مشاهده کرد، کمپرسور های جابجایی مثبت به دو دسته رفت و برگشتی و روتاری (دورانی) تقسیم می شوند که در گروه پیستونی ها، با سه دسته تک مرحله ای (Single Acting)، دو مرحله ای (Double Acting)، و دیافراگمی مواجه هستیم. از میان این سه دسته، کمپرسور های پیستونی تک مرحله ای، کمپرسور هایی هستند که با هر بار چرخش (دوران) میل لنگ، یکبار تخلیه گاز (در اینجا: هوا) متراکم را انجام می دهند. این تیپ کمپرسور ها، پیکربندی های متفاوتی دارند که نمونه ای از آنها در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2: نمای هالوگرافیکی از پیکربندی یک کمپرسور پیستونی تک مرحله ای (منبع:Burckhardt Compression)

کمپرسور مد نظر ما در این پست، اما، از نوع دو مرحله ای است که به معنی توانایی تخلیه هوای متراکم از دو خروجی در هر بار چرخش میل لنگ آن است. بیشتر کمپرسور های سنگین و بزرگ پیستونی از این مکانیزم در فشرده سازی هوا (یا انواع دیگر گاز به تشخیص طراح یا سفارش مشتری) استفاده می کنند. این نوع از کمپرسور نیز مانند حالت تک مرحله ای می تواند از پیکر بندی های متفاوتی استفاده کند که نمونه ای از آن در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3: نمای هالوگرافیکی از پیکربندی یک کمپرسور پیستونی دو مرحله ای (منبع:Burckhardt Compression)

هرچند تاکنون انواع مختلفی از کمپرسور های پیستونی طراحی و ساخته شده است، اما، مکانیزم کلی کار در همه آنها کم و بیش یکی است. بدین ترتیب که بمنظور متراکم سازی هوا به حرکت یک (یا چند) پیستون در درون یک (یا چند) سیلندر نیاز است که کنترل دینامیک این پیستون ها توسط اتصال به یک دسته پیستون (یا شاتون) که سوی دیگر آن به میل لنگ متصل شده است قابل انجام است. شکل 4 را ببینید.

شکل 4: نمایی از نحوه اتصال پیستون به میل لنگ و حرکت آن در سیلندر کمپرسور های پیستونی (منبع: Noria)

میل لنگ نیز می تواند از یک موتور درونسوز یا یک موتور الکتریکی نیرو گرفته و حرکت آن نیز می تواند با ابزار های مکانیکی مختلف اعم از چرخ طیار (فلایویل) و گیربکس (جعبه دنده) کنترل شود. بمنظور روانکاری حرکت و مقید سازی دینامیک پیستون و متعلقات آن، از یک سیستم روغنرسانی استفاده می شود که نمونه ای از جزییات آن در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل 5: نمایی از قطعات مختلف بمنظور روغنرسانی و مقیدسازی حرکت پیستون در کمپرسور های پیستونی (منبع: Noria)

بدین ترتیب، با بالا رفتن پیستون، هوای درون سیلندر متراکم شده (نمودار شکل 6 را ببینید) و با حرکت از طریق دریچه خروجی، به داخل مدار پنوماتیک رانده می شود. با پایین آمدن پیستون، حجم استانانداردی از هوای تازه به داخل سیلندر کشیده می شود. هر مرحله از این فرآیند توسط شیر های داخلی و خارجی کنترل می شود.

شکل 6: نمودار ترمودینامیک عملکرد کمپرسور پیستونی (منبع: Noria)

خنک کاری چنین کمپرسوری به دو طریق قابل انجام است: یا از طریق گردش هوا در اطراف دسته پیستون (شاتون) و یا از طریق ژاکت آب اطراف سیلندر. البته در این خصوص، طراحی های مختلف و بسیار متنوعی وجود دارد، ولی هدف از همه آنها یکی است.

همانطور که تاکنون دیدیم، شباهت بسیاری مابین کمپرسور های پیستونی و موتور های درونسوز وجود دارد. در هر دو این سیستم های ترمودینامیک، سیلندر و پیستون وجود داشته و در هر دوی آنها از میل لنگ (و متعلقات کنترلی آن) بمنظور مقید سازی دینامیک پیستون استفاده می شود. اما، کمپرسور های پیستونی دارای چند تفاوت در ساختار خود با موتور های درونسوز هستند:

اول) در کمپرسور های پیستونی، سوپاپ های سر سیلندر (که ممکن است در بخش دیگری هم نصب شده باشند، بنا به پیکربندی مورد نظر طراح یا مشتری) بصورت اتوماتیک عمل می کنند. این در حالی است که در موتورهای درونسوز، عملکرد این سوپاپ ها توسط یک واحد مکانیکی (میل بادامک یا...) یا الکترونیکی (ECU، تسمه یا زنجیر تایمینگ، و...) کنترل می شود؛

دوم) در کمپرسور های پیستونی (معمولا دو مرحله ای که محفظه روغن تحت فشار باشد) دسته پیستون مستقیما به میل لنگ وصل نیست و در این میان از قطعه ای واسط بنام کراس هد استفاده می شود (شکل های 3 و 4 را ببینید) که مزایای مختص به خودش را دارد. از جمله اینکه می توان با توسل به این وسیله، در روغنرسانی به بخش سیلندر از یک روغن دیگر استفاده کرد یا اصلا آن را روانکار نکرد!

سوم) از دیدگاه روانکار و روغنرسانی، پیستون یک کمپرسور اصلا قرار نیست با دمای چند هزار درجه ای احتراق مخلوط سوخت و هوا درون سیلندر مواجه شود. از این رو، جنس تاج پیستون و رینگ های آن می تواند کاملا متفاوت با همتایان خود در موتور های درونسوز باشد. این تفاوت، بنا به تجربه شخصی نویسنده می تواند شامل گرید متریال، نوع پوشش آن، یا حتی ساختار متالورژیک و روش تولید آن باشد. با همین دیدگاه، سیستم روغن های موتوری برای تحمل دمای تا 120 درجه سلسیوس طراحی شده و از این رو، ادتیو های مصرفی در ساختار شیمیایی آنها می تواند کاملا متفاوت از روغن های مصرفی در کمپرسور های پیستونی باشند. این در حالی است که روغن های کمپرسوری اصلا قرار نیست حتی به دمای 100 درجه سلسیوس هم برسند و بیشتر در دما های صفر تا 60 درجه سلسیوس است که باید عملکرد خود را نشان دهند.

چهارم) از دیدگاه آنالیز روغن، در تست های آنالیز عناصر روغن های کمپرسوری، معمولا حد بیشینه و کمینه عناصری مانند آهن (Fe)، کروم (Cr)، آلومینیوم (Al)، مس (Cu)، و مخصوصا سیلیسیم (Si) کاملا با روغن های موتوری متفاوت است که این تفاوت شدید در نوع ادتیو های بکار رفته در ساختار شیمیایی این تیپ از روغن ها در قیاس با روغن های موتوری است. در این مورد، در بخش بعدی بیشتر صحبت خواهیم کرد.

ب) مقایسه دو روغن موتور و کمپرسور

قبل از شروع این بخش، لازم است کمی در رابطه با وظایف روغن در یک کمپرسور پیستونی بدانیم. براساس صفحه 108، کتاب Reciprocating Compressors; Operation & Maintanaince_1996، نوشته Heinz P. Bloch & John J. Hoefner، در نبود شوک های حرارتی، مهمترین وظیفه روغن های کمپرسوری به شرح زیرخلاصه می شود:

1) جداسازی قطعات ساینده از یکدیگر؛

2) تقلیل حرارت ناشی از اصطکاک از طریق خنک کاری و انتقال حرارت؛

3) زدودن گرد غبار و سایر آلاینده های جامد ورودی به سیستم؛

4) کاهش فرسایش؛

5) کاهش افت ناشی از اصطکاک؛

6) کاهش نشت گاز (در اینجا: هوا)؛

7) محافظت از قطعات در برابر خوردگی؛ و

8) کاهش رسوب آلاینده ها در جریان روغن

بدین ترتیب، ابتدا رفتار مکانیکی دو روغن موتوری SAW 20W-50 و Shell Corena S2 P100 را در برابر حرارت بصورت عددی و ریاضی تحلیل خواهیم کرد. نمودار شکل 7 را ببینید.

این نمودار بیانگر رفتار غیرخطی ویسکوزیته سینماتیک روغن کمپرسوری Shell Corena S2 P100 در برابر حرارت است.

شکل 7: نمودار غیرخطی ویسکوزیته سینماتیک  روغن Shell Corena S2 P100 در برابر حرارت (خطا: 2.68%)

همانطور که انتظار می رفت، رفتار غیرخطی ویسکوزیته سینماتیک روغن Shell Corena S2 P100 در برابر حرارت از یک روند توانی پیروی می کند. نمودار شکل 8 رفتار همین روغن را بصورت خطی و با نقاط کنترلی 40 و 100 درجه سلسیوس نشان می دهد.

شکل 8: نمودار خطی ویسکوزیته سینماتیک  روغن Shell Corena S2 P100 در برابر حرارت (خطا: صفر)

اکنون به بررسی روغن موتوری SAE 20W50 می پردازیم. نمودار های مندرج در شکل های 9 و 10، به ترتیب، رفتار غیرخطی و خطی این روغن را در برابر افزایش دما نشان می دهند.

شکل 9: نمودار غیرخطی ویسکوزیته سینماتیک  روغن SAE 20W50 در برابر حرارت (خطا: 2.00%)

شکل 10: نمودار خطی ویسکوزیته سینماتیک  روغن SAE 20W50 در برابر حرارت (خطا: صفر)

از نمودار های مندرج در شکل های 7 و 9 می توان به این نکته اولیه دست پیدا کرد که روغن کمپرسوری Shell Corena S2 P100 در بازه دمایی 20 تا 60 درجه سلسیوس، باندازه تقریبا 16 درصد با شتاب بیشتری ویسکوزیته خود را از دست می دهد که این به معنای سرعت بیشتر این روغن نسبت به روغن موتوری SAE 20W-50 برای جریان یافتن در مدار روغنرسانی در بازه دمایی فوق است. با نگاهی به نمودار های مندرج در شکل های 8 و 10 می توان به این نتیجه رسید که روغن موتوری SAE 20W50 گرچه ویسکوزیته اولیه بیشتری نسبت به روغن کمپرسوری دارد، اما به اندازه تقریبا 73 درصد آن را زودتر با افزایش حرارت از دست می دهد. این تفاوت در شکل 12 بیشتر مشهود است.

پس، اولین نتیجه ای که می توانیم از تحلیل عددی نمودار های 7 تا 10 بگیریم آن است که روغن Shell Corena S2 P100 در بازه دمایی معمول عملکردی کمپرسور مورد مطالعه ما در مدار روغنرسانی سریعتر حرکت کرده و فشار کمتری به پمپ روغن وارد می آورد. این به معنی لایه نازکتری از فیلم روغن در این بازه دمایی برای قطعات کمپرسور (بویژه در بخش سیلندر) است، اما با سرعت بیشتر جریان یافتن روغن در مدار جبران می شود.

نمودار های نشان داده شده در شکل های 11 و 12، به ترتیب، حاصل بر هم نشانی نمودار های 7 تا 10 هستند.

شکل 11: نمودار تجمعی رفتار غیرخطی ویسکوزیته سینماتیک  دو روغن SAE 20W-50 و Shell Corena S2 P100 در برابر حرارت

شکل 12: نمودار تجمعی رفتار خطی ویسکوزیته سینماتیک  روغن های SAE 20W-50 و Shell Corena S2 P100 در برابر حرارت

ج) اثرات استفاده از روغن موتور در کمپرسور

قبل از شروع بحث در این مورد، دو منبع را در خصوص استفاده از روغن موتور در کمپرسور ها بررسی می کنیم:

- مطابق صفحه 415، بند 2، پاراگراف a، از کتاب Lubrication Fundamentals، نوشته Don M. Pirro، Martin Webster، و Ekkehard Daschner، ویرایش سوم، انتشارات CRC، سال 2016، می توان در کمپرسور های پرتابل و کوچک پیستونی هوا از روغن های موتوری حاوی ادتیو های Detergent-Dispersant استفاده کرد. حتی در انواع ثابت کمپرسور های پیستونی هوا نیز که میزان رطوبت هوای تحت فشار تولیدی آنها بالا باشد نیز استفاده از روغن های موتوری بجای روغن های توربینی و ... توصیه شده است.

تا اینجا را داشته باشید! بعنوان منبع دوم،

- مطابق صفحه 112، پاراگراف آخر، از کتاب Lubrication in Practice، ویرایش دوم، ویرایش شده توسط W. S. Robertson، انتشارات MacMillan، سال 1983، برای روغنرسانی به کمپرسور های هوای پیستونی کوچک، استفاده از روغن های موتوری Detergent-Dispersant توصیه شده است. چراکه این تیپ از روغن ها مقاومت به اکسیداسیون خیلی خوبی دارند.

اگر بخواهیم این دو منبع معتبر را مورد استناد قرار دهیم، پس شما به راحتی می توانید از روغن موتور SAE 20W-50 استفاده کنید و در هزینه های خریدتان صرفه جویی بزرگی کنید! اما، به دو نکته باید دقت کرد: کمپرسور شما کوچک نیست! و از آن مهمتر، رطوبت هوای منطقه ای که در آن قرار دارید نیز بالا محسوب نمی شود! پس استناد به دو منبع فوق کاملا و مطلقا غلط است!

اما، ادتیو های Detergent-Dispersant چیستند؟ بطور خلاصه، Detergent-Dispersant ها یا ادتیو های DD گونه ای از ادتیوهای چندمنظوره هستند که بیشتر در ساختار روغن های موتوری و برخی انواع روغن های گیربکسی استفاده می شوند. ساختار شیمیایی، مکانیزم کار، و انواع این تیپ از ادتیو ها به روشنی و درستی در بند 6.4، صص 99-104، کتاب Lubricants & Lubrication، ویرایش دوم، ویرایش شده توسط Theo Mang و  Wilfried Dresel، انتشارات Wiley، سال 2007، تعریف شده است.

ساختار فیزیکی این ادتیوها میسل تایپ (Micelle Type) است که بعلت قطبی بودن آنها است. ساختار شیمیایی آنها نیز متشکل از کامپاندهای نمک فلزات یا شبه فلزاتی مانند کلسیم، منیزیم، سدیم، و باریم است. ترتیب ذکر شده براساس میزان مصرف و رواج این فلزات یا شبه فلزات در کامپاندینگ شیمیایی است. شکل 13 را ببینید.

شکل 13:ساختار میسل ادتیو های Detergent (منبع: صفحه 134، کتاب Lubricant Additives, Chemistry, & Applications، سال 2009)

وظیفه اصلی این ادتیو ها به دو دسته دیترجنتی و دیسپرسانتی تقسیم می شود. در حالت دیترجنت، این کامپاندها به ذرات آلاینده اسیدی چسبیده و آنها را از سطح فلزی قطعات جدا می کنند. از اینجا به بعد، حالت دیسپرسانتی فعال شده و از توزیع و پخش شدن ذرات جدا شده از سطح قطعات در جریان روغن جلوگیری می کند.

یکی از معروفترین این کامپاند های شیمیایی، سولفونات ها هستند که بشکل کلسیم سولفونات، سدیم سولفونات، یا باریم سولفونات به وفور در روغن های موتوری یافت می شوند. این ادتیو ها از نظر ساختار شیمیایی بازی (قلیایی) محسوب شده و هدف از آنها بالا بردن عدد بازیسیته کل (TBN) سیستم روغن بمنظور مقابله با تشکیل کامپاند های اسیدی ناشی از حضور گوگرد (سولفور) در سوخت های احتراقی (بنزین، گازوییل، یا گاز طبیعی یا LPG) است. در کمپرسور های پیستونی، اما، از حرارت های بالا (اصولا، شوک حرارتی!)، سایش های شدید، گوگرد سوخت، و... خبری نیست! به همین دلیل، عدد TBN سیستم روغن (در صورت استفاده از روغن موتور بجای روغن کمپرسور) بدون دلیل بالا می رود که این بالا بودن TBN اثرات زیر را بدنبال خواهد داشت:

- تشکیل لایه خاکستر غنی از نمک های کلسیم؛

- افت پایداری شیمیایی روغن؛ و

- افزایش مصرف روغن

تشکیل (یا به بیان بهتر: رسوب) لایه ای غنی از نمک های کلسیم (که البته می تواند نمک های باریم یا سدیم یا منیزیم را نیز در خود داشته باشد) موجب تبلور تدریجی این نمک ها شده و با توجه به سختی نسبتا بالای این بلور ها، موجبات سایش در بخش هایی مانند سیت رینگ ها، و سیت ولو ها (سوپاپ ها) را فراهم می آورند. این خوردگی و ساییدگی سطوح به مرور می تواند باعث نشتی و از دست رفتن روغن (بویژه در سیستم های روغنرسانی قطره ای) شده و بدین ترتیب، مصرف روغن را بی دلیل بالا می برد. از سوی دیگر، با افزایش بی دلیل TBN، محیط سیستم روغن فراقلیایی (Over-Base) شده و به مرور موجب کاهش مقاومت به اکسیداسیون سیستم روغن (بویژه در در محیط های کوهستانی که رطوبت هوا پایین باشد یا دمای پایینی بر محیط کاری کمپرسور حکمفرما باشد) خواهد شد. این اکسیداسیون، به همراه حضور ترکیبات شدید قلیایی، می تواند به مرور موجب تشکیل کامپاند هایی مانند NaOH ونظایر آن بویژه در بخش سیلندر و پیستون شده و موجبات خوردگی سوزنی (حفرات ریز) که با عنوان Pitting Corrosion شناخته می شود را در سطح پیشانی پیستون و پیراهن سیلندر فراهم آورد.

از این رو، اغلب سازندگان کمپرسور های هوای پیستونی سنگین، توصیه می کنند که بمنظور روغنرسانی به چنین کمپرسور هایی از روغن های Detergent-free استفاده شود. این بدان معنی است که براساس دو منبعی که در بالا بدانها اشاره شد، می توان با رعایت اصولی مانند ویسکوزیته سینماتیک و دانسیته، از روغن های موتوری معادل که حاوی ادتیو های Detergent-Dispersant نباشند، استفاده کرد.

د) نتیجه گیری

با توجه به مواردی که در بخش های «الف»، «ب» و «ج» این نوشتار بیان شد، استفاده از روغن SAE 20W-50 برای مصرف در کمپرسور شما بهیچوجه و تحت هیچ شرایطی توصیه نمی شود.

با تشکر از آقای مهندس داوود بیرانوند، کارشناس محترم مکانیک شاغل در مجتمع فولاد بوتیای کرمان و از مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی که بنده را در رفع اشکال این مقاله (جابجایی شکل های 8 تا 12) یاری نمودند.