Τρίτη, 16 Ιουλίου, 2024
ΑρχικήΜάζα & ΕνέργειαΜοντελοποίηση...

Μοντελοποίηση και σχεδιασμός συμπιεστή θετικής μετατόπισης τύπου scroll

Το Εργαστήριο Στοιχείων Μηχανών και Μηχανολογικού Σχεδιασμού του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, μετά από σχετικό αίτημα του CERN, σχεδίασε ειδικό αθόρυβο αεροσυμπιεστή για νοσοκομειακούς χώρους.

 

Του κ. Ρ. Γκιοβέ*

 

Το HEV (High Energy Ventilator) είναι ένας αναπνευστήρας που αναπτύσσεται από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Πυρηνικών Ερευνών CERN (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire) σε πλήρη συνεργασία με ιατρούς, και έχει σχεδιαστεί για να παρέχει μακροχρόνια υποστήριξη κυψελιδικού αερισμού σε ασθενείς τόσο εντός όσο και εκτός μονάδων εντατικής θεραπείας. Έχει χαμηλό κόστος και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για ασθενείς με κορονοϊό, επιτρέποντας την απελευθέρωση των μηχανημάτων υψηλής ποιότητας για τα πιο βαριά περιστατικά.

 

Η αρχική λύση προέβλεπε τη χρήση θορυβωδών αντλιών αέρα, γεγονός το οποίο καθιστούσε το HEV ακατάλληλο για νοσοκομειακούς χώρους. Στο πλαίσιο αυτό, προτάθηκε στο Εργαστήριο Στοιχείων Μηχανών της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (ΕΜΠ) η εύρεση κάποιας καταλληλότερης λύσης, αποδοτικής αλλά αθόρυβης, προκειμένου να ολοκληρωθεί η συσκευή και να εξαχθεί στην παραγωγή.

 

Δόθηκαν συγκεκριμένες προδιαγραφές διαστάσεων, παροχής και εφαρμογής (ιατρικής) με την απαίτηση για λειτουργία χαμηλού θορύβου, οι οποίες προδιαγραφές ικανοποιήθηκαν πλήρως μετά από εκτενή μελέτη. Προκειμένου να παραμετροποιηθεί το πρόβλημα, όχι μόνο για το συγκεκριμένο αλλά και για μελλοντικά έργα, αναπτύχθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο που δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να εισαγάγει συγκεκριμένες προδιαγραφές (απαιτήσεις) και να εξαγάγει την πλήρη γεωμετρία του συστήματος στάτη – δρομέα.

 

Συμπληρωματικά, πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις σε πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων, προκειμένου να μελετηθούν οι εκατοστιαίες απώλειες ροής του συστήματος στάτη – δρομέα, ώστε να εξάγεται η ακριβής παροχή του συμπιεστή. Επιλέχθηκαν υλικά ιατρικώς επιτρεπτά και υπολογίστηκε η απαιτούμενη ροπή του συστήματος, ώστε να επιλεχθεί κατάλληλος κινητήρας.

 

Η αρχή λειτουργίας των μηχανών τύπου scroll βασίζεται στη σταδιακή οδήγηση του εργαζόμενου μέσου (αέρα) σε μικρότερο όγκο, με αποτέλεσμα την αύξηση της πίεσής του. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της συνεργασίας δύο σπειρών ίδιας γεωμετρίας (βλέπε εικόνα 1), μίας κινητής (δρομέα) και μίας σταθερής (στάτη), οι οποίες περιγράφονται από εξισώσεις της εξειλιγμένης του κύκλου.

 

Ο παραμετρικός σχεδιασμός του ζεύγους στάτη – δρομέα ήταν η πρώτη επιδίωξη της μελέτης, προκειμένου να διευκολυνθεί ο σχεδιασμός, ο οποίος αναμενόταν ότι θα υποβληθεί σε συνεχείς τροποποιήσεις έως ότου καταλήξει στην τελική μορφή του. Επιπροσθέτως, αναπτύχθηκε με την προοπτική να παραμείνει προς χρήση στο Εργαστήριο, απλοποιώντας μελλοντικές μελέτες που θα έχουν ως σκοπό την ανάπτυξη μηχανής ίδιου τύπου.

 

Η παροχή του συμπιεστή είναι αποτέλεσμα δύο επιμέρους παραγόντων: αφενός της ίδιας της γεωμετρίας των σπειρών και αφετέρου των διαφόρων απωλειών αερίου μεταξύ των σπειρών κατά τη συμπίεσή του. Ο πρώτος παράγοντας υπολογίζεται με εφαρμογή των εξισώσεων που περιγράφουν τις σπείρες, ενώ ο δεύτερος υπολογίστηκε μέσω προσομοιώσεων σε κατάλληλο πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων.

 

 

Πρόγραμμα προσομοίωσης πεπερασμένων στοιχείων για την μελέτη απωλειών του αέρα

 

Στις μηχανές τύπου scroll, γενικότερα, χρησιμοποιείται στεγανωτικό μέσο (sealing) στο πρόσωπο της κάθε σπείρας, προκειμένου να αποτραπούν κατά το δυνατόν οι απώλειες ροής μεταξύ των θαλάμων διαφορετικής πίεσης. Η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται ευρέως, αλλά έχει το μειονέκτημα της αποβολής υλικού από το στεγανωτικό μέσο, λόγω των τριβών, το οποίο υλικό οδηγείται στην έξοδο της ροής.

 

Το γεγονός αυτό, όταν πρόκειται για κάποια ιατρική εφαρμογή, απαιτεί τη χρήση κάποιου σύνθετου φίλτρου στην κατάθλιψη του συμπιεστή, το οποίο όμως οδηγεί σε μεγάλη πτώση της πίεσης και σε μείωση της απόδοσης του συστήματος.

 

Μετά από προσομοιώσεις σε πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων, όπου μελετήθηκε η δυνατότητα ανέπαφης λειτουργίας στο συγκεκριμένο σημείο για διάφορα (ιδιαιτέρως μικρά) διάκενα, εξάχθηκε το συμπέρασμα ότι αυτό είναι εφικτό. Η συγκεκριμένη καινοτομία αυξάνει σημαντικά την απόδοση του συστήματος και εγγυάται μία σταθερή παροχή, καθώς αυτή δε θα είναι εξάρτηση κάποιου στοιχείου το οποίο φθείρεται με το πέρασμα του χρόνου και χρήζει αντικατάστασης.

 

Με τη χρήση ειδικών προγραμμάτων εργαλείων (βλέπε εικόνα 2 και 3) υπολογίστηκε η παροχή αέρα σαν συνάρτηση των στροφών, με σκοπό να ικανοποιεί τις προδιαγραφές που τέθηκαν. Στο στάδιο αυτό ξεκίνησε η διαδικασία του λεπτομερούς σχεδιασμού και σχεδιάστηκαν δύο διαφορετικές λύσεις για την κατασκευή, η καθεμιά με τα πλεονεκτήματά της, οι οποίες παρουσιάστηκαν σε εκπροσώπους της ομάδας του CERN προκειμένου να επιλεχθεί η καταλληλότερη.

Μετά την επιλογή της μιας από τις δύο λύσεις, ξεκίνησε το στάδιο του τελικού λεπτομερούς σχεδιασμού της, όπου:

  • Βελτιστοποιήθηκε το σύστημα μετάδοσης κίνησης και η ζυγοστάθμιση του συστήματος.
  • Εξασφαλίστηκε η ιατρική συμβατότητα του συστήματος με τη χρήση συμβατών υλικών. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκε ανοξείδωτος χάλυβας χωρίς στεγανωτικά μέσα μεταξύ των σπειρών.
  • Επιλέχθηκαν κατάλληλα ρουλεμάν, τα οποία τοποθετήθηκαν εκτός του χώρου συμπίεσης, ώστε να μη μολύνεται ο αέρας από διάφορες αναθυμιάσεις των λιπαντικών μέσων.
  • Επιλέχθηκε κατάλληλος ηλεκτροκινητήρας με τάση λειτουργίας τα 24 V, ώστε να μπορεί να λειτουργεί και σε συνθήκες διακοπής της ηλεκτρικής ισχύος του δικτύου.
  • Επιλέχθηκε σύστημα ψύξης (αερόψυξη), ώστε να αποτρέπεται η υπερθέρμανση του συστήματος.

 

Στο άμεσο μέλλον θα κατασκευαστεί η μηχανή στο χώρο του Εργαστηρίου, το οποίο διαθέτει τα μέσα αλλά και το κατάλληλο προσωπικό. Έπειτα θα δοκιμαστεί, θα ελεγχθεί ο θόρυβος, οι τυχόν δονήσεις, αλλά και η ποιότητα του εξαγόμενου αέρα, και αν απαιτηθεί, θα γίνουν βελτιώσεις του σχεδιασμού.

 

*Ο κ. Ραφαήλ Γκιοβές είναι διπλωματούχος μηχανολόγος μηχανικός, απόφοιτος της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.

 

 

 

 

ΣΧΕΤΙΚΑ ΑΡΘΡΑ