tìm hiểu cấu tạo máy nén trong kỹ thuật lạnh

tìm hiểu cấu tạo máy nén trong kỹ thuật lạnh

KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

Đề Tài : TÌM HIỂU CẤU TẠO MÁY NÉN

TRONG KỸ THUẬT LẠNH

GVHD : NGUYỄN THẠCH MINH LỚP HỌC PHẦN: 213306702-DHTP7A HỌC KỲ I NĂM HỌC 2012-2013

TPHCM tháng 11 năm 2012TIỂU LUẬN KỸ THUẬT

THỰC PHẨM 1

DANH SÁCH SINH VIÊN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

CHỊU TRÁCH NHIỆM NỘI DUNG

bày, phân loại máy nén khí

MỤC LỤC

đo lường tự động, kỹ thuật sấy nhiệt độ thấp, xây dựng, công nghiệp dầu mỏ, chế tạovật liệu, dụng cụ, thiết kế chế tạo máy, xử lý hạt giống, y học, thể thao, trong đời sốngvv Ngày nay ngành kỹ thuật lạnh đã phát triển rất mạnh mẽ, được sử dụng với nhiềumục đích khác nhau, phạm vi ngày càng mở rộng và trở thành ngành kỹ thuật vô cùngquan trọng, không thể thiếu được trong đời sống và kỹ thuật của tất cả các nước

Nếu so sánh hệ thống lạnh như một cơ thể sống thì máy nén chính là quả tim của cơthể sống ấy

Chính bởi những điều trên, nhóm tiểu luận thực hiền đề tài “Tìm hiểu cấu tạo máy nén trong kỹ thuật lạnh” Bài viết chủ yếu tập trung trình bày nội dung cấu tạo,

nguyên lý hoạt động và ứng dụng máy nén lạnh trong các ngành khác nhau, đặc biệt làngành công nghệ thực phẩm Những người thực hiện mong muốn chuyển tải thông tin một các rõ ràng, đầy đủ, ngắn gọn và dễ hiểu nhất đến bạn đọc

Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện không tránh khỏi thiếu sót Thiếu sót có thể do nguyên nhân khách quan như thời gian thực hiện ngắn,tài liệu tham khảo chưa chuẩn xác Cũng có thể đến từ nguyên nhân chủ quan như thời gian thực hiện không dài cùng với kiến thức hạn hẹp của người thực hiên Rất mong nhận được ý kiến phản hồi

từ phía quý bạn đọc

TÌM HIỂU CẤU TẠO MÁY NÉN TRONG KỸ THUẬT LẠNH

1. KHÁI QUÁT VỀ KĨ THUẬT LẠNH

Từ xa xưa loài người đã biết sử dụng lạnh trong đời sống: để làm nguội một vậtnóng người ta đưa nó tiếp xúc với vật lạnh Ở những nơi mùa đông có tuyết thì vàomùa đông người ta sản xuất nước đá cây ngoài trời, sau đó đưa nước đá cậy vào hầmtích trữ lại, vào mùa hè người ta sử dụng lượng lạnh do nước đá cây nhà ra để bảoquản rau quả, thịt cá thu hoạch được để dành cho mùa đông

Ở thế kỉ 17 nhà vật lí người anh là Bôi và nhà vật lí người Đức là Gerike đã pháthiện: ở áp suất chân không nhiệt độ bay hơi của nước thấp hơn áp suất khí quyển.Trên cơ sở này năm 1810 nhà bác học người anh đã chế tạo ra máy lạnh sản xuất nước

đá Năm 1834 bác sỹ Perkin người anh đã đưa máy lạnh dùng môi chất etylen C2H2vào ứng dụng Khi một nhà bác học ở viện hàn lâm Pháp trình bày phương pháp bảoquản thịt bằng làm lạnh thì công nghệ lạnh mới thực sự phát triển

Các môi chất lạnh ban đầu được sử dụng là không khí, etylen, C2H2, oxit cacbonCO2, oxit sulfuric SO2, peoxit nito NO2… Về sau môi chất lạnh tìm được là ammoniacNH3 Những năm 30-40 của thế kỷ 20 người ta tìm ra các freon, là các dẫn xuất từ dãyhidro cacbon no

Năm 1862 máy lạnh hấp thụ ra đời năm 1874 kỹ sư Linde chế tạo ra máy nén lạnhđầu tiên tương đối hoàn chỉnh

Sang thế kỷ 20 các cơ sở nhiệt động của máy lạnh đã tương đối hoàn thiện Máylạnh hiệu ứng Peltie, hiệu ứng từ trường ra đời Công cuộc chạy đua làm lạnh về 0Kvẫn tiếp diễn

Kỹ thuật lạnh được ứng dụng trong nhiều ngành:

1 Trong công nghiệp thực phẩm: bảo quản thịt cá, rau quả; trong sản xuất bia,nươc ngọt, đồ hộp…nước đá dùng rộng rãi trong ăn uống, bảo quản sơ bộ cá đánh bắt

ở biển

2 Trong công nghiệp: ngành luyện kim hóa lỏng không khí thu oxi cấp cho các lòluyện gang(36-38%), lò luyện thép và hàn cắt kim loại(tới 96-99% oxi) ; hóa lỏng rồichưng cất không khí thu các đơn chất-khí trơ He, Kr, Ne, Xe- để nạp vào bóng đènđiện Sử dụng lạnh cryo trong siêu dẫn

3 Trong nông nghiệp: hóa lỏng không khí thu nitơ làm phân đạm.

4 Trong y tế: dùng lạnh bảo quản thuốc men, máu, dùng nitơ lỏng bảo quản cácphôi, dùng lạnh trong mổ xẻ để giảm bớt chảy máu

5 Trong quốc phòng: dùng oxy lỏng cho tên lửa, tàu vũ trụ Trước khi tên lửa khaihỏa người ta cho oxy lỏng có nhiệt độ dạng khí-1800 C ra khỏi bình chứa nên ta thấyphần ống phóng ở đuôi có băng và hơi nước ngưng tụ mù mịt, sau ít giây mới lửa phụt

ra, khi tên lửa bay phần đuôi vẫn đóng băng

6 Điều hòa không khí cho nhà ở, nhà công cộng , các xí nghiệp công nghiệp, cácphương tiện giao thông

Ngày nay người ta đã chế rạo ra nhiều loại máy nén khác nhau có công suất lạnh chomột máy nén tới 1000MCal/h với môtơ điện tới 400kW

2. VAI TRÒ CỦA MÁY NÉN TRONG KĨ THUẬT LẠNH

Máy nén khí là các máy móc (hệ thống cơ học) có chức năng làm tăng áp suất của chất khí Các máy nén khí dùng để cung cấp khí có áp suất cao cho các hệ thống máy công nghiệp để vận hành chúng, để khởi động động cơ có công xuất lớn, để chạy động cơ khí nén hoặc các máy móc, thiết bị của nhiều chuyên ngành khác

Nếu so sánh hệ thống lạnh như một cơ thể sống thì máy nén chính là quả tim của cơthể sống ấy Trong hệ thống lạnh, máy nén giữ vai trò quan trọng với:

• Năng suất lạnh

• Suất tiêu hao năng lượng

• Độ tin cậy và an toàn của hệ thống

Vì vậy, tự động hóa máy nén lạnh đóng vai trò quan trọng nhất đối với tự động hóa hệthống lạnh nói chung Tự động hóa máy nén lạnh chính là trang bị cho máy nén cácdụng cụ mà nhờ các dụng cụ đó máy nén có thể vận hành một cách tự động chắc chắn,

an toàn với độ tin cậy cao mà không cần sự tham gia trực tiếp của công nhân vậnhành

3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY NÉN KHÍ, CHỦNG LOẠI MÁY NÉN KHÍ

3.1 Nguyên lý làm việc của máy nén khí

Khí nén được tạo ra từ máy nén khí, ở đó năng lượng cơ học của động cơ điện hoặccủa động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệt năng Máynén khí được hoạt động theo hai nguyên lý sau:

− Nguyên lý thay đổi thể tích : Không khí được dẫn vào buồng chứa, ở đó thể tích của

buồng chứa sẽ nhỏ lại Như vậy theo định luật Boyle-Matiotte Áp suất trong buồngchứa sẽ tăng lên Máy nén khí hoạt động theo nguyên lý này như kiểu máy nén khípiston, bánh răng, cánh gạt

− Nguyên lý động năng : không khí được dẫn trong buồng chứa và đượ gia tốc bởi một

bộ phận quay với tốc độ cao, ở đó Áp suất khí nén dược tạo ra nhờ sự chênh lệch vậntốc, nguyên tắc này tạo ra lưu lượng và công suất rất lớn Máy nén khí hoạt động theonguyên lý này như máy nén khí ly tâm

3.2 Phân loại máy nén khí

3.2.1. Theo áp suất máy nén

Có nhiều loại máy nén khí khác nhau đang được sử dụng trong công nghiệp, từ đơn giản dùng trong viêc bơm xe và dùng vào một số việc khác, đến các nhà máy trung bình và lớn dùng trong cong nghiệp hầm mỏ và các xưởng sản xuất Do đó tùy theo cách phân loại máy nén khí:

- Máy nén khí áp suất thấp P <15bar

- Máy nén khí áp suất cao P > 15bar

- Máy nén khí áp suất cao P > 300bar

- Máy nén khí trục vít áp suất 8bar

- Máy nén khí trục vít không dầu áp suất 8bar

- Máy nén khí trục vít hồi dầu 8bar

- Máy nén khí piston thấp áp 8-15bar

- Máy nén khí piston cao áp không dầu 15-35bar

- Máy nén khí piston cao áp có dầu 15- 35bar

3.2.2. Theo cấu tạo máy nén

- Máy nén khí kiểu piston

- Máy nén khí kiểu trục vít

- Máy nén khí li tâm

- Máy nén khí xoắn ốc

- Máy nén khí trục vít

4 CÁC LOẠI MÁY NÉN KHÍ THƯỜNG GẶP TRONG KỸ THUẬT LẠNH 4.1 Máy nén piston

4.1.1 Cấu tạo máy nén piston

Máy nén khí piston được phân loại theo số cấp nén, loại truyền động và phương thức làm nguội khí nén

Hình1 :Kết cấu bên trong máy nén piston

1 Ống giải nhiệt 2 Van hút 3 Nắp xilanh 4 Piston 5 Trục khuỷu

6 Xecmăng 7 Tay biên 8 Bạc đạn 9 Lọc khí 10 Bộ ngắt

11 Puly đầu máy 12 Hộp trục khuỷu

4.1.2 Nguyên lí hoạt động

• Sơ đồ nguyên lý máy nén khí một chiều, một cấp

Hình 2 trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của máy nén khí piston đơn giản nhất Nó gồm 1 piston, một đầu xilanh hở, đầu kia được đậy nắp Trong nắp có đặt các van nạp và xả Piston chuyển động tịnh tiến qua lại nhờ được nối với cơ cấu thanh truyền – tay quay.

Khi piston đi sang phải V tăng dần P giảm, van nạp mở ra, không khí ở bên ngoài

đi vào trong xi lanh, thực hiện quá trình nạp khí Khi piston đi sang trái, không khítrong xi lanh được nén lại, P tăng dần, van nạp đóng, đến khi P tăng lớn hơn sức căng

lò xo (van xả) van xả tự động mở, khí nén sẽ qua van xả theo đường ống đến bìnhchứa khí nén kết thúc một chu kỳ làm việc Sau đó các quá trình được lặp lại, cứ nhưvậy máy nén khí hoạt động để cung cấp khí nén

Ở kì nạp, chân không được tạo lập phía trên piston, do đó không khí được đẩy vào buồng nén không qua van nạp Van này mở tự động do sự chênh lệch áp suất gây ra bởi chân không ở trên bề mặt piston Khi piston đi xuống tới “ điểm chếch dưới” và bắc đầu đi lên., không khí đi vào buồng nén do sự mất cân bằng áp suất phía trên và dưới nên van nạp đóng lại và quá trình nén khí bắt đầu xảy ra Khi áp suất trong buồng nén tăng tới một mức nào đó sẽ làm cho van thoát mở ra, khí nén sẽ thoát qua van thoát để đi vào hệ thống khí nén

Cả hai van nạp và thoát thường có lò xo và các van đóng mở tự động do sự thông khí

sự chênh lệch áp suất ở phía của mỗi van

Sao khi piston lên đến “điểm chết trên” và bắt đầu đi xuống trở lại, van thoát đóng và một chu trình nén khí mới bắt đầu

• Máy nén khí kiểu piston 2 chiều, một cấp

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy nén khí piston 2 chiều, 1 cấp

1 Xilanh; 2 Piston; 3 Cần đẩy; 4 Con trượt; 5 Thanh truyền;

6 Tay quay; 7 Van nạp; 8 Van xả; 9 phớt

Hình 2 trình bày sơ đồ máy nén khí piston 2 chiều một cấp, trong đó cả 2 đầuxilanh đều được làm kín và có lắp van nạp, van xả Chuyển động của piston đồng thờithực hiện 2 quá trình nạp khí ở phần xilanh này và xả khí ở phần xi lanh kia

Khi piston đi xuống, thể tích phần không gian phía trên piston lớn dần, áp suất P giảmxuống van nạp số 7 mở ra không khí được nạp vào phía trên piston Đồng thời khipiston đi xuống, thể tích dưới piston giảm, P tăng van xả số 8 mở ra, khí theo đườngống qua bình chứa

Khi piston đi lên không gian phía dưới piston lớn dần, P giảm van nạp số 7 mở ra,không khí được nạp vào xi lanh, đồng thời V phía trên piston nhỏ dần P tăng, van xả

số 8 mở ra, khí nén phía trên piston được nén đẩy vào bình chứa Cứ như vậy máy nénkhí piston hoạt động để cung cấp khí nén Phớt số 9 có tác dụng làm kín để không chokhí lọt ra ngoài

4.1.3 Công suất

Máy nén khí kiểu piston một cấp có thể hút được lượng đến 10m3/phút và áp suất nénđược 6 bar, có thể trong một số trường hợp áp suất nén đến 10 bar Máy nén khí kiểupiston 2 cấp có thể nén đến áp suất 15 bar Loại máy nén khí kiểu piston 3,4 cấp cóthể nén áp suất đến 250 bar

4.1.4 Ưu và nhược điểm

Khí nén cung cấp không được liên tục, do đó phải có bình chứa khí nén đi kèm

=>Máy nén khí Piston có nhược điểm là hiệu suất thấp ( cùng một công suất động

cơ của máy nén khí thì máy nén khí trục vít bao giờ cũng cho lượng khí nén lớn hơnmáy nén khí Piston ), độ ồn lớn ( lớn hơn khoảng 40 – 50% ) và rung do chuyển độngtịnh tiến qua lại của Piston, khí nén cung cấp không được liên tục do đó phải có bìnhchứa khí nén đi kèm, tuổi thọ kém Ưu điểm của nó là giá thành thấp, tính cơ độngcao

4.1.5 Ứng dụngmáy nén piston

Loại máy nén khí một cấp và hai cấp thích hợp hệ thống điều khiển bằng khí nén trong công nghiệp

và số răng trục vít lồi íthơn trục vít lõm 1 đến

2 răng Hai trục vítphải quay đồng bộ vớinhau, giữa các trụcvít và vỏ bọc có khe

Ngày nay trong kỹ thuật lạnh loại máy nén trục vít có dầu bôi trơn được sử dụngrất rộng rãi Dầu bôi trơn với số lượng lớn được phun vào các khoang làm việc đểchèn kín các khe hở giữa các bộ phận làm việc của máy nén, để giải nhiệt hơi nén vàcác chi tiết bị nóng, để bôi trơn và giảm tiếng ồn của máy nén.Máy nén trục vít có thể

có cấu tạo một, hai hoặc nhiều roto Trong đó máy nén loại hai roto là được sử dụngnhiều nhất

Máy nén có cấu tạo : than 2 có thể tháo lắp thành hai phần theo chiều thẳng đứng,nắp trước 1 có chứa buồng hút và nắp sau 3 Trong thân hình trụ có chứa roto dẫnđộng 5 và roto có các răng của vít dẫn động và vít bị động ăn khớp vào nhau như cặpbánhrăng Lực dọc trục tác dụng lên roto được hấp thụ bởi ổ đỡ chặn 7 Một phầnlựcdọc trục được khử bởi các piston tháo tải 8 Trong phần dưới của than máy ở vùng néncủa hơi có lắp một ngăn kéo 9 để điều chỉnh công suất máy nén Ngăn kéo có một cáichốt định vị giữ cho nó không quay xung quanh trục của nó, nhưng có thể chuyển dời

tự do dọc theo trục của ngăn kéo Đâylà một phương pháp điều chỉnh công suất tốt

nhất.Trong các máy nén trục vít nén khô và nén ướt đều không cho phép các vít tiếpxúc với nhau, cho nên sự đồng bộ trong khi quay giữa hai trục vítđược thực hiện nhờ

sự liên kết của các cặp bánh răng lắp trên hai trục vít.Từ cuối những năm 50 và đầunhững năm 60 bắt đầu xuất hiện máy nén trục vít có dầu bôi trơn So với máy nén khô

và máy nén ướt chúng có cấu tạo đơn giản hơn Nhờ có dầu bôi trơn cho nên các vít

có thể tiếp xúc với nhau, do đó không cần các bánh răng truyền động nữa Các bộ

phận chèn và các ổ đỡ cũng đơn giản hơn

4.1.2 Nguyên lí hoạt động

• Nguyên lý hoạt động của máy nén khí trục vít được mô tả như hình dưới

• Mô hình đường đi của khí nén trong máy nén khí trục vít

Khi các trục vít quay nhanh, không khí được hút vào bên trong vỏ thông qua cửanạp và đi vào buồng khí ở giữa các trục vít và ở đó không khí được nén giữa các răngkhi buồn khí nhỏ lại, sao đó khí nén đi tới cửa thoát Cả cửa nạp và cửa thoát sẽ đượcđống hoặt được mở tự động khi các trục vít quay hoặc không che các cửa, Ở cửathoát của máy nen khí có lắp một van một chiều để ngăn các trục vít tự quay khi quátrình nén dã ngừng

4.1.3 Công suất

Lưu lượng từ 1,4 m3/phút và có thể lên tới 60 m3/phút

Trong kỹ thuật lạnh máy nén trục vít có dầu bôi trơn được sử dụng với năng suất lạnh

từ 50 đến 3500 KW và làm việc với các tác nhân lạnh NH3,R12 và R22 Tốc độ quaycủa máy nén tùy thuộc vào đường kính của trụcvít có thể dao động trong khoảng từ

1500 đến 12000 vòng/phút.Các chỉ tiêu năng lượng của máy nén trục vít tốt nhất ở cácđiều kiện làm việc tối ưu cũng tương đương với máy nén piston, nhưng với năng suấtlạnh không lớn nó có phần kém hiệu quả hơn Ngược lại kích thước máy nén trục vít

thì nhỏ gọn hơn nhiều so với máy nén piston Chênh lệch áp suấtgiữa đầu hút và đầuđẩy của máy nén trục vít có thể đạt tới 17÷21 bar.

4.1.4 Ưu và nhược điểm

Máy nén khí trục vít có nhiều tính chất giống với máy nén khí cánh gạt, chẳng hạnnhư sự ổn định và không dao động trong khí thoát, ít rung động và tiếng ồn nhỏ Đạthiệu suất cao nhất khi hoạt động gần đầy tải

So sánh với máy nén piston máy nén trục vít có các điểm ưu việt như sau : có độ tincậy cao và lâu bền ; quay rất nhanh cho nên kích thước máynhỏ gọn, không có các chitiết chuyển động tịnh tiến và các lực quán đính kèm theo ; bộ phận quay rất cân bằng

về mặt động học cho nên không cần nền móng kiên cố ; không có các xupap, xecmăng

và các chi tiết chịu lực nặng nề dễ hư hỏng ; các chỉ tiêu năng lượng và thể tích đều ổnđịnh trong thời gian vận hành lâu dài ; các tổn thất áp suất trong cửa hút và cửa đẩyđều nhỏ vì không có các xupap ; hầu như không có hiện tượng va đập thủy lực ;có khảnăng làm việc với môi chất hai pha ; có thể vận hành máy mà không cần có ngườitrông coi thường xuyên.Tất cả những ưu điểm nói trên đã cho phép máy nén trục vít

có vốn đầu tư và chi phí vận hành trên một đơn vị năng suất đều nhỏ hơn so với máynén piston

Nếu so sánh với máy nén ly tâm thì máy nén trục vít có các ưu điểm như sau :không có vùng mất ổn định về thủy lực ; có thể làm việc với tất cảcác tác nhân lạnhkhác nhau mà không cần thay đổi nhiều về cấu tạo ; tốc độ quay của máy nén khôngảnh hưởng đến tỷ lệ số nén của máy ; điều chỉnh công suất về kinh tế nhờ sự thay đổitốc độ quay của máy (nhưng vẫn không ảnh hưởng đến tỷ số nén) và điều chỉnh bằngngăn kéo

Một ưu điểm nổi bật của máy nén trục vít đó là trong cùng một máy nén có thể thựchiện hai hoặc nhiều cấp nén bằng cách trộn một lượng hơi lạnh cần thiết đi qua từ thiết

bị trao đổi nhiệt trung gian tới Nguyên lý này được thực hiện có kết quả trong chutrình máy lạnh tương tự như chu trình máy lạnh hai cấp với sự làm lạnh trung giankhông hoàn toàn.Dầu bôi trơn máy nén trục vít xuất phát từ các đặc điểm làm việc củamáy phải có các yêu cầu đặc biệt như sau : dầu bôi trơn phải có tính chất ít hòa tan vớitác nhân lạnh ; độ nhớt của dầu không thay đổi quá nhiều theo nhiệt độ ; nếu tác nhânlạnh tan được trong dầu thì độ nhớt của dầu cũng không được thay đổi quá lớn.Dầuđược phun vào máy nén trục vít là để giảm các khe hở giữa cácvít đồng thời để làmmát các vít và thân máy, từ đó làm giảm các tổn thất thể tích và giảm tiêu hao côngnén cho máy Tuy nhiên để phun dầu vào máy cũng tiêu tốn một công suất nhất định,cho nên việc xác định lượng tiêu hao dầu tối ưu cho máy nén trục vít có dầu bôi trơn

là một việc làm rất cần thiết và rất có lợi