Hệ thống điều khiển bằng khí nén (máy nén khí )

Hệ thống điều khiển bằng khí nén (máy nén khí )

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾT BỊ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

TÊN ĐỀ TÀI:

Giáo viên hướng dẫn: Th.S NGUYỄN ĐỨC VINH

Sinh viên thực hiện:

1 PHÙNG MINH TÂN 11046851

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾT BỊ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Giáo viên hướng dẫn: Th.S NGUYỄN ĐỨC VINH

Sinh viên thực hiện:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

3 Ngày giao đồ án: ngày … tháng … năm 20…

4 Ngày hoàn thành đồ án: ngày … tháng … năm 20………

5 Họ tên giáo viên hướng dẫn: ThS NGUYỄN ĐỨC VINH

Trưởng bộ môn

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20…

Giáo viên hướng dẫn

ThS Nguyễn Đức Vinh

LỜI CẢM ƠN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014

Giáo viên hướng dẫn

MỤC LỤC

MỤC LỤC BẢN BIỂU, SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

PHẦN MỘT: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHÍ NÉN

I.Sự Phát Triển Của Kỹ Thuật Khí Nén

Ứng dụng khí nén có từ thời trước Công nguyên, tuy nhiên sự phát triển của khoa học kỹ thuật thời đó không đồng bộ, nhất là kiến thức về cơ học, vật lý, vật liệu … còn thiếu, cho nên phạm vi ứng dụng của khí nén còn rất hạn chế

Mãi đến thế kỷ thứ 18,các thiết bị máy móc sử dụng năng lượng khí nén lần lượt được phát minh.Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng điện,vai trò sử dụng năng lượng của khí nén giảm dần.Tuy nhiên,việc sử dụng năng lượng bằng khí nén vẫn đóng vai trò cốt yếu ở những lĩnh vực mà sử dụng năng lượng bằng khí nén vẫn đóng vai trò cốt yếu ở những lĩnh vực mà sử dụng điện sẽ không an

toàn.Khí nén được sử dụng ở những dụng cụ nhỏ nhưng truyền động với vận tốc lớnhơn như;búa hơi, dụng cụ đập, tán đinh …nhất là các dụng cụ,đồ gá kẹp chặt trong máy công cụ

Sau chiến tranh thế giới thứ hai,việc ứng dụng năng lượng bằng khí nén(maynen khi) trong kỹ thuật điều khiển phát triển khá mạnh mẽ.Những dụng cụ,thiết bị,phần tử khí nén mới đực sáng chế và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau.Sự kết hợp khí nén với điện-điện tử sẽ quyết định cho sự phát triển của kỹ thuật điều khiển trong tương lai

II Khả Năng Ứng Dụng Của Khí Nén

1.Trong lĩnh vực điều khiển

Những năm 50 và 60 của thế kỷ 20 là giai đoạn kỹ thuật tự động hóa phát triển mạnh mẽ.Kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và đa dạngtrong nhiều lĩnh vực khác nhau.Chỉ riêng ở Cộng Hòa Liên bang Đức đã có 60 hãngchuyên sản xuất phát triển rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.Chỉ riêng ở Cộng Hòa Liên bang Đức đã có 60 hãng chuyên sản xuất các phần tử điều khiển bằng khí nén

Hệ thống điều khiển bằng khí nén (máy nén khí ) được sử dụng ở những lĩnh vực mà ở đó hay xảy ra những vụ nổ nguy hiểm như các thiết bị phun sơn,các loại

đồ gá kẹp,các chi tiết nhựa,chất dẻo hoặc các lĩnh vực sản xuất thiết bị điện tử,vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt và an toàn cao.Ngoài ra,hệ thống điều khiển bằng khí nén còn được sử dụng trong các dây truyền tự động,trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của các thiết bị lò hơi,thiết bị mạ điện,đóng gói,bao bì và trong công nghiệp hóa chất

2.Trong lĩnh vực truyền động

Các dụng cụ,thiết bị máy va đập: Các thiết bị,máy móc trong lĩnh vực như khai thác như: khai thác đá,khai thác than,trong các công trình xây dựng như: xây dựng hầm mỏ,đường hầm

Truyền động quay: Truyền động động cơ quay với công suất lớn bằng khí nén giá thành rất cao.Nếu so sánh giá thành tiêu thụ điện của một động cơ quay bằng năng lượng khí nén và một động cơ điện có cùng công suất,thì giá thành tiêu thụ điện của một động cơ quay bằng năng lượng khí nén cao hơn 10 đến 15 lần so với động cơ điện.Nhưng ngược lại thể tích và trọng lượng nhở hơn 30% so với động

cơ điện có cùng công suất

Những dụng cụ vặn vít,máy khoan,công suất khoảng 3,5 Kw,máy mài,công suất khoảng 2,5 Kw cũng như máy mài với công suất nhỏ,nhưng số vòng quay khoảng 100.000 vòng/phút thì khả năng sử dụng truyền động bằng khí nén là phù hợp

Truyền động thẳng: Vận dụng truyền động thẳng bằng áp suất khí nén cho truyền động thẳng trong các dụng cụ,đồ gá kẹp chi tiết,trong các thiết bị đóng gói,trong các loại máy gia công gỗ,thiết bị làm lạnh cũng như trong hệ thống phanh hãm của ô tô

III.Những Đặc Trưng Của Khí Nén

 Về vận chuyển: khí nén có thể vận chuyển dễ dàng trong các đường ống,với một khoảng cách nhất định.Các đường ống dẫn về không cần thiết vì khí nén sau khi sử dụng sẽ được thoát ra ngoài môi trường sau khithực hiện xong công tác.

 Về lưu trữ: máy nén khí không nhất thiết phải hoạt động liên tục.Khí nén

có thể được lưu trữ trong các bình chứa để cung cấp khi cần thiết

 Về nhiệt độ: khí nén ít thay đổi theo nhiệt độ

 Về phòng chống cháy nổ: không một nguy cơ nào gây cháy bởi khí nén,nên không mất chi phí cho việc phòng cháy.Không khí nén thường hoạt động với áp suất khoảng 6 Bar nên việc phòng nổ không quá phức tạp

 Về tính vệ sinh: khí nén được sử dụng trong các thiết bị đều được lọc các bụi bẩn,tạp chất hay nước nên thường sạch,không một nguy cơ nào về mặt vệ sinh.Tính chất này rất quang trọng trong các ngành công nghiệp đặc biệt như: thực phẩm,vải sợi,lâm sản và thuộc da

 Về cấu tạo thiết bị: đơn giản nên rẻ hơn các thiết bị khác

 Về vận tốc: khí nén là một dòng chảy có lưu tốc lớn cho phép đạt được tốc độ cao (vận tốc làm việc trong các xy lanh thường từ 1-2m/s)

 Về tính điều chỉnh: vận tốc và áp lực của những thiết bị công tác bằng khínén được điều chỉnh một cách vô cấp

 Về sự quá tải: các công cụ và các thiết bị khí nén đảm nhận tải trọng cho đến khi chúng dừng hoàn toàn cho nên sẽ không xẩy ra quá tải

IV.Ưu Nhược Điểm Của Hệ Thống Truyền Động Bằng Khí Nén

1.Ưu điểm:

 Do khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí,cho nên có thể trích chứa dễ dàng.Như vậy,có khả năng ứng dụng để thành lập một trạm trích chứa khí nén (trạm máy nén khí trung tâm)

 Có khả năng truyền năng lượng xa,bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ,và tổn thất áp suất trên đường ống nhỏ

 Đường ống khí nén thải ra không cần thiết

 Chi phí thấp để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén,bởi vì phần lớn trong các xí nghiệp hệ thống đường ống dẫn khí nén đã có sẵn

 Hệ thống phòng ngừa áp suất giới hạn được đảm bảo

2.Nhược điểm:

 Lực truyền tải thấp

 Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi thì vận tốc cũng thay đổi.Bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn,cho nên không thể thực hiện

được những chuyển động thẳng hoặc quay đều

 Dòng khí nén thoát ra ở đường dẫn khí gây ra tiếng ồn

Hiện nay,trong lĩnh vực điều khiển,người ta thường kết hợp hệ thống điều khiển bằng khí nén với điện hoặc điện tử.Cho nên rất khó xác định một cách chính xác,rõ ràng ưu điển của từng hệ thống điều khiển

Tuy nhiên,có thể so sánh một số khía cạnh,đặc tính của truyền động bằng khí nén đối với truyền động bằng cơ,bằng điện

PHẦN HAI: MÁY NÉN KHÍ

Máy nén khí là dụng cụ dùng để nâng áp suất một chất khí với một lưu lượngnào đó nên một áp suất nhất định để phục vụ cuộc sống sinh hoạt và sản xuất của con người

A PHÂN LOẠI MÁY NÉN KHÍ

Có nhiều cách để phân loại máy nén khí tùy thuộc vào đặc điểm và tính chất

và nguyên lý hoạt động ta có thể phân ra:

I Dựa vào cấu tạo

 Được phân làm 3 loại:

 Máy nén khí kiểu Piston

 Máy nén khí kiểu Rôto

 Máy nén khí kiểu Ly tâm

II Dựa vào phương pháp dẫn động

 Được phân làm 3 loại:

 Máy nén khí được dẫn động bằng động cơ đốt trong (động cơ hoạt động bằng khí, động cơ xăng, động cơ diezel…)

 Máy nén khí được dẫn động bằng động cơ điện (động cơ 1 pha hoặc 3 pha, động cơ điện áp thấp, động cơ địên áp cao )

 Máy nén khí được dẫn động bằng tuabin (tuabin khí hoặc tuabin hơi)

III Dựa theo cấp số nén

 Được phân làm 2 loại:

 Máy nén khí một cấp: khí được nạp và nén một lần rồi đem ra sử dụng

 Máy nén khí nhiều cấp: khí được nạp và nén nhiều lần rồi mới đem ra sửdụng Muốn có áp suất khí nén lớn thì càng phải có nhiều cấp nén

IV Dựa theo nguyên tắc nén khí

 Được chia ra làm 2 loại:

 Máy nén khí hoạt động theo nguyên tắc giảm thể tích chứa: với loại máy nén khí này, khí được lấy từ khộng gian có áp suất nhỏ đưa vào một không gian kín (không gian công tác) sau đó được nén và tăng áp suất do giảm thể tích (máy nén khí kiểu piston và kiểu rôto)

 Máy nén khí hoạt động theo nguyên tắc biến đổi động năng: với loại máy nén khí này, khí được truyền với vận tốc lớn và được nén nhờ sự biến đổiđộng năng của dòng khì chuyển động thành công nén (máy nén khí Ly tâm)

B MÁY NÉN KHÍ LY TÂM

I Cấu Tạo Của Máy Nén Khí Ly Tâm

Nguyên lý hoạt động của máy nén ly tâm là nó dựa vào khả năng thay đổi dạng năng lượng của của vật chất Cụ thể ở máy nén khí ly tâm là biến đổi từ động năng sang thế năng (áp suất) của các phần tử khí

1 Vỏ máy

Vỏ máy nén có hai kiểu cấu tạo:

 Vỏ tháo ngang:

 Đối với vỏ tháo ngang, khi mở máy phía trên ta có thể thấy được các bộ phận bên trong

 Vỏ tháo dọc:

Hình B.I.1.2: Cấu tạo của vỏ tháo dọc

 Đối với máy nén có vỏ tháo dọc, sau khi mở nắp, các bộ phận bên trong máy nén phải được kéo ra ngoài thì mới quan sát cẩn thận được

So sánh với loại vỏ dọc thì loai vỏ tháo ngang được sử dụng phổ biến hơn

do dễ sửa chữa các bộ phận bên trong Tuy nhiên loại vỏ tháo ngang có nhực điểm

là vùng có khả năng rò rỉ rộng nó sẽ không phù hợp để nén các loại khí nhẹ, khí nguy hiểm ở áp cao

2 Cánh quạt và trục.

Là một bộ phận của máy nén khí ly tâm dùng để tăng vận tốc của khí Có ba loại cánh quạt là: cánh hở, cánh nửa hở và cánh kín được minh hoạ như hình vẽ dưới đây:

Hình B.I.2.1: Các loại cánh quạt

 Loại cánh hở thường được sử dụng cho máy nén ly tâm chỉ có một cấp.

 Loại cánh nửa hở được sử dụng cho dòng lớn, thường sử dụng cho máy nén đơn cấp hay cấp đầu tiên của máy nén nhiều cấp

 Loại cánh kín được sử dụng chủ yếu trong máy nén nhiều cấp

 Trong máy nén khí ly tâm dòng khí ít được kiểm soát nhất là trong loại máy dùng cánh hở Trong loại cánh kín, khí được hút vào lỗ hút và đi ra

lỗ ngoài của vành cánh quạt Do vậy dòng khí phần lớn được kiểm soát

 Cánh quạt được liên kết cứng với trục nhờ mối ghép then

Hình B.I.2.2: Liên kết cánh quạt nhờ mối ghép then

3 Màng ngăn

Đó là một tấm kim loại đặt kề sát với cánh quạt, nó đóng vai trò dẫn đường cho khí đi từ miệng đẩy của cấp nén này vào miệng hút của cấp nén tiếp theo Thông thường màng ngăn được chế tạo bằng gang hoặc bằng kim loại cứng, nó được gắn với vỏ và không quay theo trục của máy nén

Hình B.I.3.1: Màng ngănThông thường màng ngăn được chế tạo bằng gang hoặc bằng kim loại cứng, được gắn với vỏ và không quay theo trục của máy nén.

Hình B.I.3.2: Chi tiết của màng ngănMàng ngăn có thể có thể phải được làm nguội Nó đóng vai trò làm nguội khíkhi nén

Hình B.I.3.3: Làm mát màng ngănBên trong của màng có đường ống hút và đẩy thông với nhau, nhờ đó mà nước làm mát có thể lưu thông qua để làm mát Khi đó nhiệt độ của màng sẽ giảm.

4 Cánh dẫn hướng

Cánh dẫn hướng có thể cố định hoặc có khả năng di chuyển, thông thường được đặt ở phía trước lỗ hút của một cánh quạt khác để có tác dụng dẫn dòng khí đi vào lỗ hút của cánh quạt

Hình B.I.4.1: Cánh dẫn hướng trong máy nén khí ly tâm

Cánh dẫn hướng trong máy nén ly tâm nhiều cấp được đặt ở cuối đường hồi của màng ngăn

Khí sau khi dời khỏi cánh quạt sẽ đi vào vùng khuyếch tán và được dẫn hồi trở lại nhờ cánh dẫn hướng vào cánh quạt tiếp theo

Đường vào cánh dẫn hướng có thể thay đổi được

Hình B.I.4.2: Đường dẫn khí vào cánh quạt

Hình B.I.4.3: Góc của các dòng khí chuyển động trong cánh quạt

Với cánh có khả năng điều chỉnh, góc của dòng khí vào cánh quạt có thể được thay đổi hay điều khiển được Góc đó ảnh hưởng đến đặc điểm làm việc của cánh quạt Công suất của máy nén vì vậy cũng có thể điều chỉnh được bằng sự điều chỉnh cánh dẫn hướng Ở một số máy nén khí, cánh dẫn hướng được thiết kế để tự động điều chỉnh công suất giữ cho máy làm việc trong phạm vi công suất của nó

Vì màng ngăn không quay theo trục của máy nén nên giữ chúng phải có một khoảng hở Khí đi qua cánh quạt được tăng áp suất nên chúng có khả năng quay trở lại trước miệng hút Vòng đệm trục nhằm mục đích hạn chế khả năng đó.

Hình B.I.5.2: Dòng chảy của khí giữa các răng cưaKhi khí đi vào khoảng không rối này chúng sẽ đổi hướng và chậm lại, nhờ đóhạn chế khí rò rỉ ra ngoài Tuy nhiên, vòng đệm này không ngăng được hoàn toàn rò

rỉ vì vậy chúng chỉ có thể sử dụng ở những nơi áp suất thấp và chấp nhận một phần khí rò rỉ, chẳng hạn như ở giữa các cấp nén

Nếu dòng khí có vận tốc cao, một lượng khí không thay đổi trực tiếp trong vòng làm kín mà đi thẳng qua đường dẫn giưã răng của vòng đệm khuất khúc và trục

Một kiểu kết cấu khác của vòng đệm khuất khúc là trên trục có răng

Khí không thể chảy qua vòng đệm theo một đường thẳng Cũng có nhiều trường hợp vòng đệm khuất khúc được sử dụng thêm giữa vỏ máy và trục máy như minh hoạ ở hình vẽ dưới đây:

Hình B.I.5.4:Vòng đệm khuất khúc sử dụng thêm giữ vỏ và trục máyMột cách khác để khắc phục tình trạng trên là cả trục lẫn vòng đệm đều đượctạo răng ăn khớp nhau Với kết cấu đó, khí dòng khí đi qua phải đổi hướng chuyển động nhiều hơn do đó tốc độ sẽ giảm nhiều hơn và kết quả là hạn chế được rò rỉ nhiều hơn Nếu khí nén trong máy nén khí là khí độc hại, nguy hiểm thì cần có rãnh

để hứng khí rò rỉ, từ đó khí được dẫn tới một nơi an toàn

Hình B.I.5.5: Rãnh hướng khí rò rỉ

Các vòng này được đặt phía bên trong cuả vòng bít, vòng bít này không tiếp xúc với trục Mặt trong của vòng đệm ngăn ngừa rò rỉ dọc theo trục, còn mặt tiếp xúc theo phương thẳng đứng giữa vòng bít và vòng đệm ngăn ngừa rò rỉ phía ngoài vòng đệm.

Hình B.I.5.7: Ngăn rò rỉ khí ở vòng đệmVòng làm kín cũng được sử dụng trong liên kết với vòng đệm khuất khúc để giảm hơn nữa sự rò rỉ

Hình B.I.5.8: Vòng đệm kín

Các bộ phận chính của loại vòng đệm này là vòng tĩnh, vòng quay và vòng carbon Vòng quay được bắt chặt với trục máy còn vòng tĩnh thì không Mặt tiếp xúc giữa vòng carbon với vòng tĩnh và với vòng quay ngăn không cho khí rò rỉ.

Loại vòng đệm này phải sử dụng dầu bôi trơn Ngoài tác dụng bôi trơn, dầu còn đóng vai trò làm mát và tạo đệm kín giữa các khe hở do tiếp xúc cơ học Áp suất phải lớn hơn áp suất khí tại vùng đệm kín khoảng 40 psi

Dầu sẽ hấp thụ phần khí đi qua vòng đệm kín sau đó quay trở lại hệ thống dầu để làm sạch, làm nguội Đệm kín tiếp xúc cơ học phù hợp với các máy nén có

áp suất đến 1000 psi

Để đệm kín những trường hợp áp suất lớn đến 5.000 psi thì đệm màng lỏng được sử dụng

Hình B.I.5.10: Đệm màng lỏngCác bộ phận chính gồm: ống lót trong, ống lót ngoài, ống lót trục và màng dầu.

Ống lót trục được gắn vào trục và luôn có một khoảng cách với trục Khi trụcquay dầu sẽ đi vào khoang hở này và bịt kín đường rò rỉ của khí Tuy nhiên áp suất của dầu phải cao (cao hơn áp suất dòng công nghệ từ 0.3 – 1bar) Hệ thống cung cấp dầu của loại đệm này cũng tương tự như loại tiếp xúc cơ học

Áp suất trong máy nén khí có thể thay đổi, vì vậy áp suất dầu làm kín cũng phải thay đổi cho phù hợp

Hình B.I.5.11: Tác động của áp suất khí nén

Loại đệm kín này hầu như ngăn được rò rỉ tuyệt đối và không tạo ra ma sát, mài mòn các bộ phận đệm kín Tuy nhiên nó đòi hỏi phải có một hệ thống cung cấp dầu cao áp liên tục, dầu phải sạch Dầu sau khi bị nhiểm bẩn phải được thu hồi, làm sạch và làm nguội Nếu lượng dầu cần phải lưu thông nhiều trong hệ thống thì chứng tỏ các vòng đệm đã giảm hiệu quả

Một số khí như oxy rất nguy hiểm khi hoà trộn với dầu, vì vậy trong những trường hợp như vậy cần thay dầu bằng một chất lỏng phù hợp khác

6 Ổ bi.

Cũng như máy bơm ly tâm, trục của máy nén ngoài chuyển động quay còn

có cả chuyển động theo phương dọc trục và chuyển động theo bán kính của trục gọi

là lực dọc trục và lực hướng tâm Hai chuyển động này cần phải được triệt tiêu Các

ổ bi ngoài các tác dụng giảm ma sát còn có tác dụng triệt tiêu các chuyển động này

Hình B.I.6.1: Ổ biHình minh họa dưới đây kiểu ổ bi thường sử dụng

Ổ bi minh họa dưới đây dùng để chống lại chuyển động theo trục

Hình B.I.6.2: Ổ bi chống chuyển động theo trụcHai loại ổ bi dưới đây thường được sử dụng để chống lại chuyển động theo phương bán kính.

Hình B.I.6.3: Ổ bi chống tác động theo phương bán kính

Tất cả các ổ bi này đều phải được bôi trơn

7 Ngăn cân bằng