Tài liệu Giáo trình Khí nén thực hành

SMCT P1 GIỚI THIỆU KHÍ NÉN THỰC HÀNH 1 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 - GIỚI THIỆU VỀ KHÍ NÉN Khí nén được dùng làm gì? Đặc tính của khí nén 2 - HỆ THỐNG KHÍ NÉN CƠ BẢN Bộ phận sản suấtkhí Bộ phận tiêu thụ khí 3 - LÝ THUYẾT VỀ KHÍ NÉN Đơn vị Các đơn vị thuộc hệ inch Áp xuất Đặc tính của gas Định luật Boyles Định luật Charles Định luật Gay Lussac Dòng chảy Phương Trình Bernoulli Độ ẩm không khí Độ ẩm Tương Đối 4 - KHÍ NÉN VÀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI Máy nén khí Máy nén kiểu piston Máy nén kiểu piston một cấp Máy nén kiểu piston hai cấp Máy nén kiểu màng (diaphragm) Máy nén kiểu xoay Máy nén khí kiểu cánh gạt Máy nén khí kiểu trục vít Các định mức của máy nén khí Hiệu suất thể tích Hiệu suất nhiệt và tổng hiệu suất Các thiết bị phụ của máy nén khí Bồn chứa Tính kích thước bồn Bộ lọc đầu vào Bộ khử nước trong khí nén Bộ làm mát Làm mát bằng không khí Làm mát bằng nước Bộ sấy khô khí Sấy khô kiểu hấp thụ (tách nước) Sấy khô kiểu hấp thụ (hâp thụ nước) Sấy khô kiểu làm lạnh (hâp thụ nước) Bộ lọc thô (cho đường ống chính) Hệ thống phân phối phân phối dạng tia Phân phối dạng mạch vòng Đường phân phối thứ cấp xả tự động Tính toán cho khí nén vật liệu đường ống Chuẩn của đường ống gas Đường ống Inox Đường ống đồng Đường ống cao su Đường ống nhựa Thiết bị đấu nối 5 5 6 7 7 8 9 9 10 10 11 11 12 12 12 12 13 13 15 15 15 15 16 16 17 17 17 17 18 18 18 18 19 19 19 19 19 20 20 20 21 21 22 23 23 23 24 24 25 28 28 28 28 28 29 29 2 MỤC LỤC 5 – XỬ LÝ KHÍ NÉN Bộ lọc Bộ lọc Standard Bộ lọc tinh Bộ lọc siêu tinh Lựa chọn bộ lọc Chất lượng khí Các cấp độ lọc Điều chỉnh áp lực Bộ điều áp chuẩn Bộ điều áp trợ lực bằng khí Bộ lọc + điều áp Tính toán chọn lựa bộ điều áp Bôi trơn cho khí nén Bộ bôi trơn tuyến tính Bộ F.R.L Chọn đúng kích cỡ và lắp đặt 31 31 31 32 32 33 33 33 35 35 37 38 38 39 39 40 40 6 – CƠ CẤU THỰC HIỆN Xi lanh tuyến tính Xi lanh tác động đơn Xi lanh tác động kép Cấu trúc xi lanh Bộ đệm Các loại xi lanh đặc biệt Hai trục Song hành Nhiều vị trí Có khóa hành trình Phương pháp lắp xi lanh Khớp nối mềm Lực của xi lanh Hệ số tải Sức bền uốn Lưu lượng và sự tiêu thụ khí Điều khiển tốc độ Các cơ cấu thực hiện đặc biệt Xi lanh không trục Thiết bị trượt Xi lanh trục rỗng Tay gắp khí Cơ cấu quay Loại thanh răng và bánh răng Loại cánh xoay 7- VAN ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG Chức năng của van Ổn định đơn và ổn định kép Phân loại van Van ti Van trượt Van ống Làm kín bằng chất đàn hồi Làm kín bằng kim loại Van đĩa trượt Van xoay 41 41 41 41 42 42 43 43 44 44 45 46 46 47 48 48 48 49 50 50 51 51 52 52 52 52 54 54 55 55 55 58 58 58 59 59 60 3 Phương thức tác động van Tác động bằng cơ khí Chú ý khi sử dụng cơ cấu con lăn đòn bẩy Tác động bằng tay Tác động bằng khí Gián tiếp và trực tiếp Tác động bằng lực điện từ Phương thức lắp đặt van Lắp ống trực tiếp Bộ đế van Đế phụ Nhóm đế phụ Tính toán chọn van Các loại van phụ Van không hồi Bộ điều tốc Van thoi Van xả nhanh 61 61 61 61 62 64 64 66 66 66 66 67 67 69 69 69 70 70 8- CÁC MẠCH CƠ BẢN Giới thiệu Các chức năng cơ bản Khuyếch đại lưu lượng Đảo tín hiệu Mạch lựa chọn Chức năng nhớ Chức năng thời gian Trễ trước khi bật Trễ sau khi tắt Xung kích mở Xung kích xả Điều khiển xi lanh Điều khiển bằng tay Xi lanh tác động đơn Điều khiển hướng và tốc độ Điều khiển từ 2 điểm: chức năng OR Khóa lẫn : chức năng AND Hoạt động nghịch đảo: chức năng NOT Xi lanh tác động kép Điều khiển hướng Giữ vị trí cuối Dò tìm vị trí xi lanh Tự động hồi Hành trình lập lại Điều khiển chuỗi Cách mô tả 1 chuỗi Chuỗi của 2 xi lanh Chu kỳ đơn / Chu kỳ lặp lại Xung đột lệnh Giải quyết bằng xung Tay gắp: Điều khiển áp lực Hệ thống bậc thang PHU LỤC 71 71 71 71 72 72 73 73 74 74 74 75 77 77 77 77 77 78 78 79 79 79 80 80 81 81 81 81 84 84 84 84 85 88 Ký hiệu Thiết bị xử lý khí Cơ cấu thực hiện Van 88 88 89 89 4 1 GiỚI THIỆU KHÍ NÉN TRONG THỰC TẾ Hệ thống năng lượng lưu chất là hệ mà năng lượng truyền và điều khiển bởi áp lực của khí hay chất lỏng. Đối với khí nén thì năng lượng là nguồn khí lấy từ mô trường, nó bị nén bởi máy nén nhằm giảm thể tích và tăng áp lực. Khí nén chủ yếu dùng để tác động lên van hay piston. Để điều khiển khí nén chính xác, cần có đầy đủ kiến thức về thiết bị khí nén và chức năng của chúng nhằm đảm bảo cho hệ thống hoạt động hiệu quả. Dù hiện nay các hệ thống điều khiển chuỗi lập trình được hay điều khiển logic được sử dụng nhiều nhưng vẫn cần nắm các chức năng của thiết bị khí trong hệ thống. KHÍ NÉN ĐƯỢC DÙNG LÀM GÌ? ứng dụng của khí nén hầu như không giới hạn, từ ứng dụng trong nhãn khoa dùng áp suất thấp để thử áp trong nhãn cầu và vô số chuyển động thẳng và quay trong máy robot đến những thiết bị cần áp lực cao như việc khoan bêtông chẳng hạn. Sau đây là danh sách ứng dụng của khí nén về tính đa dạng điều khiển khí nén trong công nghiệp, ngày càng được mở rộng liên tục. Hoạt động hệ thống van bằng khí, nước hay hóa chất. Hoạt động của các cửa nặng hoặc nóng. Mở cửa máng xả trong tòa nhà, nhà máy thép, hầm mỏ và công nghiệp hóa chất Búa đóng cọc và nghiền bê tông và rải đá dăm Nâng và di chuyển trong máy dập khuôn Crop spray và vận hành thiết bị máy kéo Phun sơn Giữ và di chuyển trong sản suất đồ gỗ và trang trí nội thất Giữ đồ gá và cố định thiết bị lắp ráp của máy móc và công cụ Giữ để dán keo, dán nhiệt hay hàn nối plastics Giữ để hàn hay brazing Giữ và định hình trong uốn ống, vẽ hay dát mỏng Spot trong máy hàn Trát vữa Vận hành lưỡi dao máy xén Máy rót và đóng chai Máy chế biến gỗ drive và feed Bộ thiết bị thử nghiệm Máy công cụ, vận hành hay nạp liệu Robot khí nén Đồng hồ tự động Bộ tác khí và nâng chân không các tấm mỏng Khoan trong nha khoa Và nhiều ứng dụng khác nữa… 5 ĐẶC TÍNH CỦA KHÍ NÉN Một số đặc điểm quan trọng tại sao khí nén được dùng rộng rãi: Có sẵn Hầu hết các xưởng và nhà máy cộng nghiệp có cung cấp khí nén trong những khu vực làm việc và máy nén lưu động có thể phục vụ cho trường hơp ở xa. Tích trữ được Dễ dàng dự trữ được khối năng lượng lớn khi cần Thiết kế và điều khiển đơn giản Thiết bị khí nén thì Thiết kế và điều khiển đơn giản và dễ dàng mở rộng trong hệ thống tự động và điều khiển tương đối đơn giản. Chuyển động dễ lựa chọn Có thể tác động thẳng hay góc xoay với sự thay đổi vận tốc đơn giản và liên tục Kinh tế Chi phí lắp đặt thấp do thiết bị đơn giản, và chi phí bảo trì cũng thấp do tuổi thọ cao mà không cần bảo dưỡng. Tin cậy Các thiết bị khí nén đều có tuổi thọ cao nên có tác động tốt đến độ tin cậy của hệ thống Chịu đựng được điều kiện môi trường Chịu được môi trường nhiệt độ cao, bụi và gỉ sét trong khi đó các loại khác có thể hư hỏng rồi. Môi trường trong sạch Nếu được trang bị thiết bị xả khí thích hợp có thể được lắp đặt ở phòng sạch An toàn Không gây cháy trong môi trường có nguy cơ cháy cao, hệ thống không bị ảnh hưởng về việc quá tải vì bộ tác động chỉ có ngừng hay là chạy nó không sinh ra nhiệt 6 2 HỆ THỐNG KHÍ NÉN CƠ BẢN Xilanh khí nén, bộ tác động quay, và mô tơ khí nén tạo ra lực và chuyển động hầu hết trong các hệ thống khí nén. Để dịch chuyển, giữ, định hình và xử lý vật liệu. Để vận hành và điểu khiển bộ tác động này, cần những thiết bị khí nén khác, như là: bộ xử lý khí để chuẩn bị không khí nén và van điều khiển áp xuất, lưu lượng và hướng chuyển động của bộ tác động. Hệ thống khí nén cơ bản, hình 2.1, gồm 2 phần chính • Phần tạo khí nén và phân phối • Phần tiêu thụ khí nén Hình 2.1 Hệ thống khí nén cơ bản HỆ THỐNG NÉN KHÍ Các thành phần và chức năng chính là. 1- máy nén khí khí được lấy từ áp suất khí quyển được nén và cho ra ở áp suất cao hơn cho hệ thống khí nén. Thực vậy, nó chuyển từ năng lượng cơ học sang năng lượng khí nén. 2- mô tơ điện Cung cấp năng lượng cơ cho máy nén. Nó chuyển từ điện an8ng sang cơ năng 3- công tắc áp suất Điều khiển mô tơ điện bằng sensor áp suất ở trong bồn. nó được cài đặt ở áp suất lớn nhất khi đó sẽ ngắt mô tơ và khi rớt xuống áp suất thấp nhất nó sẽ khởi động mô tơ. 4- Van 1 chiều Cho phép không khí đi từ máy nén khí đi vào bồn và ngăn không khí chạy ngược lại khi máy nén khí tắt. 7 5- bồn chứa Tích trữ không khí được nén. Kích thước tùy thuộc vào dung lượng của máy nén khí thể tích càng lớn khoảng thời gian máy nén khí chạy càng dài 6- đồng hồ Hiển thị áp suất của bồn 7- van xả tự động Xả nước động trong bồn mà không cần giám sát. 8- Van an toàn Xả không khí nếu áp xuất của bồn tăng trên áp suất cho phép 9- bộ làm nguội không khí khô Làm mát không khí xuống vài độ trên điểm động nước của hầu hết không khí ẩm, điều này tránh có nước trong hệ thống ống 10- bộ lọc Trong đường ống chính, bộ lọc này phải có độ sụt áp thấp nhất và khả năng loại bỏ hơi sương. Nó giữ đường ống khỏi bụi, nước và dầu. HỆ THỐNG TIÊU THỤ KHÍ 1. Lấy khí: Đối với thiết bị tiêu thụ, khí được lấy phía trên đường ống chính để các chất lắng đọng (chủ yếu là hơi nước) nằm lại ống chính , chất này sẽ chảy về phía đường ống thấp phía dưới rồi vào bộ xả tự động. 2. Tự động xả nước: mỗi đường ống nghiêng dốc nên có 1 bộ xả ở phía cuối. Phương pháp hiệu quả nhất là Tự động xả, nó ngăn được nước ứ động trong ống mà làm khô bằng tay có thể bỏ sót. 3. Các thiết bị phục vụ khí: tạo ra khí sạch với áp lực tối ưu nhất và đôi khi cấp dầu bôi trơn vào để kéo dài tuổi thọ cho các thiết bị cần bôi trơn. 4. Van điều khiển hướng: Thay đổi ngõ vào và ra của xi lanh nhằm điều khiển hướng chuyển động. 5. Cơ cấu thực hiện: chuyển đội năng lượng khí nén thành năng lượng động năng. Nó có thể là xi lanh chuyển động thẳng, xi lanh chuyển động quay hay các thiết bị khí khác. Bộ điều khiển tốc độ: Cho phép điều khiển tốc độ đơn giản và dễ dàng nhất. Ta sẽ đề cập kỹ hơn các thiết bị này ở các phần 4 7. 6. 8 3. LÝ THUYẾT VỀ KHÍ NÉN ĐƠN VỊ Hệ thống đo lường quốc tế đã được thon6ng qua năm 1960, riêng Mỹ, Anh, Nhật vẫn còn sử dụng hệ đo lường theo theo Anh. Đại lượng Ký hiệu Đơn vị SI Tên Ghi chú 1. ĐƠN VỊ CƠ BẢN Trọng lượng Chiều dài Thời gian Nhiệt độ (kelvin) Nhiệt độ (oC) m s t T t, θ kg m s K o C Kilogram Mét Giây Kelvin Độ C 0oC = 273,16 K 2. ĐƠN VỊ TÍNH TOÁN Bán kính Góc Diện tích Thể tích Tốc độ Tốc độ góc Gia tốc Quán tính Lực Trọng lực Công Thế năng Động năng Momen Công suất r α,β,Ɣ,Ɛ,φ,δ A, S V v ω a J F G W E, W E, W M P m 1 m2 m3 m s -1 s -1 m s -2 m2 kg N N J J J J W Mét Radian Mét vuông Mét khối Mét / giây Radian / giây Mét / giây b.phương Newton Gia tốc trọng lực Jun=newton.mét Jun Jun Jun watt = kg.m.s-2 9.80665 m. s-2 0.5. m.v2 = J.s-1 3. ĐƠN VỊ LIÊN QUAN TỚI KHÍ NÉN Áp lực Thể tích chuẩn p Vn Pa m3n Pascal Mét khối chuẩn Lưu lượng khí Năng lượng, Công Công suất Q E, W P m3n.s-1 N.M W Mét khối chuẩn/ giây Jun Watt =N.m-2 ở q=0oC , p=760mm Hg Pa.m3=N.m p.Q=N.m.s-1=W Bảng 3.1 Đơn vị SI dùng trong khí nén 9 Bảng 3.2 Các đơn vị số lượng theo hệ Mười Số Tên Ký hiệu Số Tên Ký hiệu 10-1 10-2 10-3 10-6 Deci Centi Mili Micro d c m µ 101 102 103 106 Deka Hecto Kilo Mega da h k M ĐƠN VỊ KHÔNG THEO HỆ MÉT Bảng 3.3 Đại lượng Đơn vị mét(m) Đơn vị Anh(e) m Khối lượng kg g Pound ounce 2.205 0.03527 0.4535 28.3527 Chiều dài m m mm foot yard inch 3.3281 1.094 0.03637 0.3048 0.914 25.4 F 1.8oC + 32 (oF-32)/1.8 Nhiệt độ o C o e e m Diện tích m2 cm2 sq.ft sq.inch 10.76 0.155 0.0929 6.4516 Thể tích m3 cm3 dm3 cu.yard cu.inch cu.ft 1.308 0.06102 0.03531 0.7645 16.388 28.32 Lưu lượng m 3n/phút dm3n/p,( l/p) scfm scfm 35.31 0.03531 0.02832 28.32 Lực N pound force(lbf.) 0.2248 4.4484 Áp lực bar Lbf./sq.inch(psi) 14.5 0.06895 ÁP LỰC Đơn vị tính áp lực trong hệ SI là Pascal (Pa) 1Pa = 1 N/m2 Đơn vị này rất nhỏ so với giá trị sử dụng thực tế, vì vậy để tranh con số quá lớn người ta dùng 1 đơn vị khác – Bar. 1bar = 100 000 Pa = 100 kPa 10 Hình 3.4 Các hệ chỉ thị áp lực khác nhau: Áp lực khí được cho là quá áp khi nó lớn hơn áp lực môi trường và được gọi là áp lực khí nén (gauge pressure – GA) Áp lực khí cũng biểu diễn ở dạng áp lực tuyệt đối, tham chiếu với môi trường chân không. Áp lực dưới áp lực môi trường gọi là thấp áp. Có nhiều cách để biểu diễn áp lực như ở hình 3.4, tham chiếu áp lực môi trường chuẩn p=1013mbar. ĐẶC TÍNH CỦA CÁC LOẠI KHÍ Định luật Boyles: “ Ở nhiệt độ không đổi, áp suất của 1 lượng khí cho trước tỉ lệ nghịch với thể tích của nó.” Hình 3.5 minh họa định luật Boyles 11 Nếu thể tích V1 =1 m3 ở áp lực tuyệt đối 100kPa ( 1 bar ABS) được nén với nhiệt độ không đổi xuống thể tích V2 = 0.5 m3 thì : p1 . V1 = p2 . V2 p2 = (p1.V1) / V2 nên p2 = (100kPa. 1m3) / (0.5m3) = 200kPa (2 bar ABS) Tiếp tục, nếu V1 ở 100kPa được nén tới V3 = 0.2 m3 thì áp lực sẽ là : p3 = (p1.V1) / V3 = 100kPa.1m3 / 0.2m3 = 500kPa (5 bar ABS) Định luật Charles: “Ở áp suất không đổi, thể tích của 1 lượng khí cho trước sẽ tăng lên 1/273 khi nhiệt độ tăng lên 1 oC.” Định luật Gay Lussac: “ Ở áp suất không đổi, thể tích khí tăng tỉ lệ theo nhiệt độ.” Do đó V1 / V2 = T1 / T2 và V2 = V1.T2 / V. Hay có thể đổi lại : “ Với thể tích không đổi, áp suất tỉ lệ với nhiệt độ” Nên p2.p2 / T1.T2 và p2= p1 ( T1/T2) Trong các công thức trên phải dùng nhiệt độ Kelvin K= oC = 273. Từ các mối quan hệ trên ta có: (p1. V1) / T1 = (p2.V2) / T2 = hằng số. Định luật này đưa ra lý thuyết cơ bản để tính toán thiết kế hay lựa chọn thiết bị khí nén khi quan tâm đến sự thay đổi nhiệt độ. Đôi khí cần tham chiếu các dữ liệu của thể tích khí với thể tích khí chuẩn (m3n), khối lượng 1.293 kg ở 0oC. LƯU LƯỢNG Đại lượng cơ bản của lưu lượng là Q, mét khối/ giây (m3n/s). Thực tế người ta dùng lít/phút hay dm3/phút. Đối với hệ Anh, dùng đơn vị scfm ( cubic foot / phút). Biểu thức Bernolli “Chất lỏng có trọng lượng riêng nhất định chảy ngang trong ống có đường kính ống thay đổi thì tổng năng lượng ở điểm 1 và điểm 2 là như nhau.” hay : p1 + 1/2p.v12 = p2+1/2p.v22 Biểu thức này cũng đúng đối với chất khí khi tốc độ dòng chảy không vượt quá 330m/s. 12 ĐỘ ẨM CỦA KHÍ Không khí luôn chứa một lượng hơi nước . Lượng hơi nước tồn tại phụ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ. Khi không khí bị làm lạnh nó sẽ đạt đến một điểm nào đó được gọi là điểm bảo hòa hơi nước, còn gọi là điểm sương. Khi bị làm lạnh hơn nữa, tất cả lượng hơi nước sẽ không thể duy trì tiếp được, 1 lượng hơi dư thừa sẽ hình thành những giọt nhỏ gọi là chất ngưng tụ. Lượng nước thực tế có thể lưu trữ trong khí phụ thuộc hoàn toàn vào nhiệt độ; 1 m3 khí nén cũng chỉ có thể chứa cùng lượng hơi nước có trong 1 m3 khí quyển. Bảng dưới đây sẽ chỉ ra lượng nước chứa trong 1 mét khối khí ở 1 dảy nhiệt độ từ -30 tới +80oC. Nhiệt độ oC 0 5 10 15 20 25 30 35 40 g/m3n (standard) 4.98 6.99 9.86 13.76 18.99 25.94 35.12 47.19 63.03 g/m3 ( môi trường) 4.98 6.86 9.51 13.04 17.69 23.76 31.64 41.83 54.108 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 Nhiệt độ oC 0 -5 g/m3n (standard) 4.98 3.36 2.28 1.52 1 0.64 0.45 0.25 0.15 g/m3 ( môi trường) 4.98 3.42 2.37 1.61 1.08 0.7 0.4 0.29 0.18 Bảng 3.6 Bảo hòa hơi nước trong khí( điểm sương) Tỉ lệ độ ẩm: Tỉ lệ giữa lượng nước chứa thực tế với điểm sương gọi là tỉ lệ độ ẩm, no tính theo phần trăm. r.h = (lượng nước thực tế / điểm sương) x 100%. Ví dụ 1: nhiệt độ 25 oC, r.h = 65%. Hỏi lượng nước trong 1m3 là bao nhiêu? Điểm sương ở 25oC = 24g/m3.0.65= 15.6 g/m3. Khi khí được nén, dung tích chúa hơi nước bị giảm xuống, vì vậy nước sẽ bị gnu7ng tụ trừ phi nhiệt độ tăng. Ví dụ 2: 10m3 khí quyển ở 15oC với r.h=65% được nén lên 6 bar. Nhiệt độ tăng cho phép là 25oC. Boa nhiêu nước sẽ ngưng tụ? Từ bảng 3.5 , ở 15oC, 10 m3 khí có thể chứa tối đa 13.04g/m3 * 10m3 = 130.4g. Do r.h=65%, lượng nước chứa trong khí là 130.4g * 0.65 = 84.9g (a) Thể tích khí nén giảm có thể tính như sau: p1. V1 = p2.V2 (p1/p2).V1 = V2 V2 = (1.013bar / (6+1.013)) * 10m3 = 1.44 m3 Từ bảng 3.5 : 1.44 m3 khí ở 25 oC có thể chứa tối đa 23.76g * 1.44 = 34.2g. (b) 13 Lượng nước ngưng tụ bằng tổng lượng nước trong khí trừ đi thể tích mà khí nén có thể hấp thu; vậy từ (a) và (b) ta có 84.9 – 34.2 = 50.6g là lượng nước ngưng tụ Lượng nước ngưng tụ này nên được tách khỏi khí nén trước khi cấp vào hệ thống để tránh gây hỏng hóc cho thiết bị. Hình 3.7 Điểm sương trong dãy nhiệt độ từ -30 tới +80oC. Đường đậm chỉ ra tập các điểm sương của thể tích khí phụ thuộc nhiệt độ, đường nhạt ứng với thể tích khí chuẩn. 14 4. NÉN VÀ PHÂN PHỐI KHÍ. MÁY NÉN KHÍ Máy nén khí chuyển năng lượng cơ từ động cơ điện hay động cơ đốt trong thành tếh năng của khí nén. Máy nén chia thành 2 loại chính: loại chuyển động thẳng và loại quay. Hình 4.1 Các loại máy nén sử dụng cho khí nén. MÁY NÉN CHUYỂN ĐỘNG TỊNH TIẾN Máy nén piston một cấp: Khí lấy từ môi trường và nén đến áp lực yêu cầu trong 1 hành trình đơn. Piston di chuyển xuống làm tăng thể tích và giảm áp suất xuống thấp hơn áp suất khí quyển làm cho khí ở môi trường ngoài lọt vào xi lanh qua cửa vào. Sau khi xuống hết, piston di chuyển lên, lỗ vào đóng bị khi khí bị nén lại, lỗ ra mở ra đưa khí vào bình chứa. Loại máy nén này được sử dụng rộng rã trong hệ thống khí có áp lực từ 3-5 bar. Hình 4.2 Máy nén piston đơn 15 Máy nén piston 2 cấp Ở máy nén piston đơn, khi khí nén hơn 6 bar, nhiệt độ tỏa ra rất lớn làm giảm hiệu suất làm việc. Vì vậy mà máy nén khí dùng trong công nghiệp thường là loại kép. Khí lấy từ áp suất khí quyển được nén qua 2 cấp để tạo ra áp lực cuối cùng. Hình 4.3 Máy nén piston kép Nếu áp lực cuối cùng là 7 bar, thì cấp đầu tiên thường nén lên khoảng 3 bar, sau đó nó được làm lạnh và đưa vào cấp nén thứ 2 để nâng lên. Khí nén đưa vào cấp xilanh nén thứ 2 đã được giảm nhiệt nhiều do đã qua bộ làm mát bên trong nên hiệu suất tăng hơn so với máy nén đơn. Nhiệt độ cuối cùng của khí ra cỡ 120oC. Máy nén khí loại màn chắn. Máy nén khí loại màn chắn cấp khí nén cỡ 5 bar, hoàn toàn không có lẫn dầu nên được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm. Màn chắn tạo ra sự thay đổi thể tích trong buồng nén. Điều này giúp khí vào khi hành trình xuống và nén khi hành trình lên. Hình 4.4 Máy nén màn chắn 16 MÁY NÉN KHÍ LOẠI QUAY: Máy nén quay loại cánh trượt: Loại này có rotor gắn lệch tâm và các cánh của nó có thể trượt trong những khe quanh trục rotor. Khi rotor quay, lực ly tâm giữ các cánh tiếp xúc với vách stator và không gian giữa 2 cánh liền kề sẽ giảm dần làm tăng áp lực từ cửa vào và tao ra khí nén. Hình 4.5 Việc bôi trơn và làm kín thực hiện bằng cách thêm dầu vào luồng khí gần cửa vào. Dầu cũng có tác dụng làm mát han chế nhiệt ra cỡ 190oC. Máy nén khi loại trục vít: Gồm 2 trục rotor ăn khớp và quay ngược chiều nhau. Khoảng không giữa 2 trục rotor giảm dần doc theo trục điều này làm khi kẹt giữa 2 trục bị nén lại. Nó được bôi trơn và làm kín bằng dầu nên phải tách dầu ở đầu ra. Loại này có thể đạt được tốc độ lưu lượng liên tục cao vượt mức 400m3/phút ở áp lực 10 bar. Loại này có ưu điểm hơn loại máy nén van quay vì nó tạo ra nguồn khí cấp liên tục, không có xung. Hình 4.6 ĐÁNH GIÁ MÁY NÉN: Dung lượng máy nén xác định bởi Lưu lượng khí chuẩn, m3n/s hay dm3n/s hay l/m. Đối với máy nén piston, nó được tính bởi: Q (l/m)= diện tích dm2 x chiều dài hành trình dm x số xi lanh tầng đầu x rpm Trong trường hợp máy nén 2 tầng, chỉ tính tầng xilanh đầu tiên. Hiệu suất khí cấp thường thấp hơn do tổn hao nhiệt và thể tích. Khí nén trong xi lanh không thể xả hết khi hết hành trình nén, có vài khoảng trống không dùng được ta gọi là vùng thể tích chết. Tổn thất nhiệt xảy ra do trong quá trình nén, nhiệt độ khí tăng lên cao do đó thể tích khí tăng và giảm đi khi ra nhiệt độ môi trường. 17 Hiệu suất thể tích: Hệ số (Lượng khí cấp / lượng khí chiếm chỗ) chính là hiệu suất thể tích, tính theo phần trăm. Nó thay đổi tùy theo kích cỡ, loại và kết cấu máy, số tầng nén và áp lực cuối cùng. Hiệu suất máy nén 2 tầng thấp hơn máy nén 1 tầng vì ở mỗi xi lanh đều có vùng thể tích chết. Hiệu suất nhiệt và hiệu suất tổng hợp: Bên cạnh các tổn hao nói trên còn có tổn hao do nhiệt làm giảm hiệu suất nén khí. Các tổn hao này hơn nữa còn làm giảm hiệu suất tổng quát, phụ thuộc vào hệ số nén và tải. Máy nén làm việc gần hết dung tích sẽ làm gia tăng nhiệt và giảm hiệu suất. Ở máy nén 2 cấp, hệ số nén mỗi cấp thấp, khí được nén riêng biệt ở cấp 1 rồi qua bộ làm mát sau đó vào cấp nén cuối cùng. Ví dụ: Nếu khí quyển được lấy vào cấp nén 1 và nén xuống còn 1/3 thể tích đầu, áp lực cửa ra cỡ 3 bar. Nhiệt sinh ra thấp tương ứng khi nén mức thấp. Sau đó khí qua bộ làm mát rồi vào cấp nén thứ 2 và tiếp tục giảm 1/3 thể tích. Áp lực tuyệt đối cuối cùng sẽ là 9 bar. Khi nén trực tiếp cùng lượng khí đó từ áp lực môi trường lên áp lực tuyệt đối 9 bar, nhiệt độ sinh ra sẽ rất cao và hiệu suất tổng quát sẽ giảm mạnh. Sơ đồ hình 4.7 so sánh hiệu suất tổng quát tiêu biểu của máy nén 1 cấp và 2 cấp với áp lực cuối cùng khác nhau. Hình 4.7 Sơ đồ hiệu suất tổng quát Đối với áp suất cuối cùng thấp, loại 1 cấp tốt hơn do hiệu suất thể tích cao hơn. Khi cần áp lực cuối lớn thì loại 2 cấp có ưu điểm hơn. Năng lượng tiêu thụ đặc biệt dùng để tính hiệu suất tổng quát và có thể dùng để ước lượng giá thành sản xuất khí nén. Trung bình, 1 kW điện sẽ tạo được 120-150l/phút ở áp lực làm 7 bar. ( =0.12…0.15m3n/min/kW). Thông số chính xác cần thiết lập dựa theo kích cỡ và loại máy nén. CÁC PHỤ KIỆN CHO MÁY NÉN BÌNH TÍCH KHÍ: Bình tích khí là một bình chịu được áp suất cao, làm từ thép tấm, đặt theo hướng thẳng đứng hay nằm ngang ngay sau bộ làm mát, dùng để tích trữ khí nén; do đó hạn chế được dao động lưu lượng. 18 Chức năng chính của bình tích khí là trữ khí để tránh quá tải cho máy nén và giảm thiểu dao động của máy nén khi phải nhận và không nhận tải, nó cũng làm mát và làm ngưng tụ 1 phần hơi dầu và nước lẫn trong khí. Ta nên đặt bình chứa ở nơi thoáng mát. Nên gắn vào bình van an toàn, đồng hồ áp lực, bộ xả và nắp đậy kiểm tra-vệ sinh. Tính toán lựa chọn bình chứa: Bình chứa được chịn dựa vào lượng khí đến từ máy nén, kích thước hệ thống, yêu cầu nguồn khí không đổi hay thay đổi. Máy nén điều khiển bằng điện trong các nhà máy công nghiệp thường được đóng ngắt giữa 2 mức áp lực min và max, gọi là điều khiển tự động. Để tránh dao động quá mức thì nó cần 1 bình chứa có lượng thể tích nhỏ nhất định. Máy nén di động dùng động cơ nổ không dừng lại khi đạt tới áp lực max, lúc này van hút của máy nén sẽ mở và khí sẽ tự do ra vào xi lanh mà không bị nén. Độ chênh áp giữa lúc có tải và không tải là rất nhỏ. Trong trường hợp này chỉ cần dùng bình chứa nhỏ. Trong công nghiệp, quy tắc chon bình chứa như sau: Dung tích bình chứa = khí nén ra từ máy nén / phút Ví dụ: Máy nén có lưu lượng ra là 18m3n/min, áp lực đường ống trung bình là 7 bar. Do đó khí nén ra trên mỗi phút là: 18000 / 7 – tương đương 2500 lít Vậy cần chọn bình có dung tích 2750 lít. BỘ LỌC ĐẦU VÀO: Không khí bình thường chứa tới 40 triệu phần tử rắn/m3 như bụi, phấn… Nếu khí này được nén lên 7 bar thì lượng tạp chất này sẽ lên 320 triệu/m3 . Vì vậy để máy nén hoạt động tin cậy, bền thì bộ lọc phải có hiệu suất cao nhằm ngăn sự bào mòn ở piston và xi lanh. Bộ lọc cũng không nên quá mịn, những phần tử nhỏ (2-5µm) bị giữ lại làm trở kháng bộ lọc tăng cao nên giảm lượng khí hữu ích. Khí lấy vào máy nén càng sạch và khô càng tốt, đường kính ống nên lớn. Khi dùng bộ giảm âm thì nên đặt nó phía sau bộ lọc. KHỬ NƯỚC TRONG KHÍ NÉN BỘ LÀM MÁT: Sau khi nén, khí sẽ có nhiệt độ cao và khi giảm xuống nhiệt độ môi trường, lượng nước trong khí sẽ tích tụ trong đường ống. Cách tốt nhất để ngăn hiện tượng này là làm mát khí ngay sau khi nén. Bộ làm mát có thể dùng nước hay khí để trao đổi nhiệt. Làm mát bằng khí Khí nén chạy qua một mạng lưới các ống tản nhiệt được làm mát nhờ quạt gió. Loại tiêu biểu được vẽ trên hình 4.8. Nhiệt độ khí nén ra chỉ nên cao hơn 15oC so với môi trường xung quanh. 19 Làm mát bằng nước Cơ bản là một vỏ thép có chứa các đường ống, nước nằm một phía và khí nằm một phía của ống, cả nước và khí đều chạy tuần hoàn và có hướng ngược chiều nhau. Nguyên lý vẽ ra ở hình 4.9 Hình 4.9. Bộ làm lạnh cần đảm bảo khí ra chỉ hơn 10oC so với nước làm mát. Nên gắn thêm bộ tự động xả để xả chất ngưng tụ. Bộ làm mát cũng nên trang bị van an toàn, đồng hồ áp lực và nhiệt kế cho khí và nước. BỘ LÀM KHÔ: Các bộ làm mát thường làm lạnh khí xuống 10-15oC, điều kiện nhiệt làm việc của khí là nhiệt môi trường ( khoảng 20 oC), điều này có nghĩa sẽ không còn nước ngưng tụ khi làm việc nữa. Tuy nhiên nhiệt độ khí ra cũng có thể cao hơn nhiệt môi trường nơi mà các ống dẫn đi qua, chẳng hạn vào buổi tối. Khi đó khí bị làm lạnh hơn nữa và nước sẽ bị ngưng tụ. Phương pháp làm khô khí được dùng là giảm điểm sương, điểm mà nhiệt độ tại đó làm khí bảo hòa hơi nước hoàn toàn. Điểm sương càng thấp thì lượng hơi ẩm trong khí càng ít. Có 3 loại làm khô khí: 2 loại dạng hấp thụ và 1 loại dạng làm lạnh. Loại làm khô dạng hấp thụ ( chất hấp thu bị rã ra): Khí nén bị đẩy qua chất hấp thu như phấn dehydrat, megie-clorua, lithium-clorua, canxi-clorua ở dạng rắn, húng sẽ hấp thu nước rồi ngưng tụ ở đáy bình chờ xả ra. Các chất hấp thu cần bộ sung thêm thường xuyên khi mà điểm sương tăng. Điểm sương ở 5oC, 7 bar là đạt yêu cầu. Ưu điểm của phương pháp này là chi phí ban đầu và vận hành thấp, nhưng nhiệt độ vào không được quá 30oC., các chất này có tính ăn mòn rất cao nên đòi hỏi phải được lọc cẩn thận tránh để lọt vào hệ thống khí nén. Hình 4.10 20