Giống như phần bơm đã học, máy nén được chia ra làm hai loại chính sau đây: - Máy nén thể tích: Là hút và nén cưỡng bức lưu lượng khí qua máy nén, qua đó làm giảm thể tích không gian làm
Trang 1100
CHƯƠNG 8
MÁY NÉN
1 KHÁI NIỆM
Máy nén dùng để vận chuyển chất khí hoặc tạo áp suất cao để phục vụ cho nhu cầu trong công nghiệp Giống như phần bơm đã học, máy nén được chia ra làm hai loại chính sau đây:
- Máy nén thể tích: Là hút và nén cưỡng bức lưu lượng khí qua máy nén, qua đó làm giảm thể tích không gian làm việc của thiết bị Máy nén thể tích gồm có: máy nén piston và máy nén trục vít…
- Máy nén động lực: là tạo áp suất bằng cách cung cấp cho dòng khí một công nhờ lực
ly tâm Máy nén động lực gồm có máy nén ly tâm, máy nén turbin…
Phạm vi ứng dụng của các loại máy nén thông dụng xem bảng 8.1
Bảng 8.1
Loại máy nén Áp suất (at) Năng suất (m 3 /h) Máy nén thể tích
Máy nén piston Đạt hàng nghìn 0 ÷ 30000
Máy nén động lực
Máy nén hướng trục 0 ÷ 10 > 900000
1.1 Các thông số chính
Dù làm việc theo nguyên tắc nào, máy nén phải thoả mãn ba thông số chính là:
• Tỉ số nén, ký hiệu εεεε:
Là tỷ số giữa áp suất khí ra và vào máy nén
vao
ra P
P
=
ε ; không thứ nguyên
Trong sách này thay ký hiệu Pra = P2 và Pvào= P1 ⇒
1
2
P
P
=
• Năng suất, ký hiệu Q:
Là khối lượng khí cung cấp lên thiết bị trong một đơn vị thời gian, thứ nguyên (m3/h) hay quy ra (m3/s)
Trang 2101
• Công suất, ký hiệu N:
Là công suất tiêu hao để nén và vận chuyển khí
Ngoài ba thông số trên, khi chọn máy nén cần quan tâm đến các thông số khác như áp suất và nhiệt độ khí vào, ra, lý tính của khí, chỉ số nén (khác với tỷ số nén ε) hoặc các tính chất khác liên quan đến hoạt động của máy
1.2 Phương trình trạng thái của khí
Theo Claperon phương trình trạng thái của khí là
Trong đó
K kg
J
; M
8310 R
0
v: thể tích riêng của khí; m3/kg P: áp suất; N/m2
T: nhiệt độ; oK M: Khối lượng mol của khí; kg/kmol
Từ công thức (8 – 2) nếu
• Khí lý tưởng k = 1
• Khí thực k ≠ 1
Khí thực có dạng
Với b: hiệu số thể tích của khí thực và khí lý tưởng trong cùng điều kiện làm việc Hoặc trong điều kiện thực, thể tích riêng có thể tính theo công thức hiệu chỉnh sau đây:
kg
m
; R 273 P
T R
+
1.3 Sự trao đổi năng lượng trong quá trình nén
Công tiêu hao cần thiết để đưa 1kg khí từ trạng thái áp suất thấp P1 lên trạng thái áp suất cao P2 thường sử dụng phương trình biến đổi năng lượng của khí như sau:
dS S
h S
P S
Z gdt
dv
∂
Σ +
∂ ρ
∂ +
∂
∂ +
=
Trong đó v: vận tốc dòng khí qua máy; m/s
t: thời gian nén; s Z: vị năng đặt máy; m S: hành trình nén; m
Trang 3102
P: áp suất nén; N/m2 Σh: ma sát; mcl Nếu ta xem ∂ S = dS = vdtđi giải tích phân từng đại lượng, cận xác định từ trạng thái 1 đến 2
•
g 2
v v dt
dv vdt
1 2 22 12
1
−
=
∫
ρ ; vì v1 = v2 nên công biến đổi động năng bỏ qua
1
Z Z dS S
Z
−
=
∫
∂
∂
; máy đặt nằm ngang nên công này bằng không
1
h dS S
h
→ Σ
=
∫
∂
Σ
; công này nhỏ nên bỏ qua
S
P
1 d
2 1
∫
∂
∂ ρ
=
ℓ : là công biểu thị sự thay đổi áp suất giữa hai vùng hút nén Công
này phụ thuộc vào hành trình và thời gian nén, được biểu thị dưới dạng phương trình vi phân
P = f(S,t) = dP = dt
t
P dS S
P
∂
∂ +
∂
∂
Rút ra và nhân thêm hai vế với
ρ
1 :
dt t
P
1 dP
1 dS S
P
1
∂
∂ ρ
− ρ
=
∂
∂
Xét tiếp phương trình (8 – 7) ta có:
∫
∂
∂
ρ
2
1
dt t
P
.
1
: là công dao động áp suất trong thời gian nén, công này nhỏ có thể bỏ qua
∫
ρ
=
=
∫
ρ
2 1
2
1
G V
; VdP dP
1
cho G = 1kg khí là công nén (8 - 8)
Mặt khác ta có thể viết
1
2 1
2 1
) P V ( d PdV
Suy ra: =2∫ = ∫ −∫
1
2 1
2 1
PdV )
P V ( d VdP
ℓ
Vậy công tiêu hao cho quá trình là:
∫
−
−
1 1 1 2
V
Ởđây V1P1: công tiêu hao để hút khí vào máy
V2P2: công tiêu hao đểđNy khí ra khỏi máy
Trang 4103
∫ 2 1
PdV: công tiêu hao để nén khí từ trạng thái (1) lên trạng thái (2) Các công này biểu thị trên giản đồ hình (H8.1)
V1P1: biểu thị diện tích (1 – 4 – 4’ – 1’ –1)
V2P2: biểu thị diện tích (2 – 3 – 4’ – 2’ – 2)
∫
2
1
PdV: công nén diện tích (1 -2 – 2’ – 1’ – 1) Trong quá trình hút và đNy khí, không phải là quá trình nhiệt động, nghĩa là bản chất
của khí không thay đổi, nó chỉ thay đổi theo số lượng mà thôi Do đó máy làm việc theo chu trình nào thì tính công theo chu trình đó, cụ thể là
• Công tính theo chu trình đa biến (PV)n = hằng số
kg J
; 1 P
P RT 1 n n
1 P
P P V 1 n n
n
1 n
1
2 1
n
1 n
1
2 1 1
−
−
=
−
−
=
−
− ℓ
• Công tính theo đẳng nhiệt, khi n = 1 thì PV = hằng số
kg J
; P
P ln RT
P
P ln P V
1
2 1 1
2 1 1
=
= ℓ
• Công tính theo chu trình đoạn nhiệt k = n; (PV)k = hằng số
Trang 5104
kg J
; 1 P
P RT 1 k k
1 P
P P V 1 k k
k
1 k
1
2 1
k
1 k
1
2 1 1
−
−
=
−
−
=
−
− ℓ
(8 – 13)
n và k là chỉ số nén, thông thường n ≠ (1,2 ÷ 1,62) và:
∗ Với khí 1 nguyên tử k = (1,66 ÷ 1,67)
∗ Với khí 2 nguyên tử k = (1,4 ÷ 1,41)
∗ Với khí 3 nguyên tử k = (1,1 ÷ 1,33)
2 MÁY NÉN PISTON – MỘT CẤP
2.1 Phân loại máy nén
Có nhiều cách phân loại khác nhau
- Phân loại theo số lần tác động: một, hai, ba tác động
- Phân loại theo số cấp nén: một cấp, hai cấp…
- Phân loại theo phương pháp làm mát trung gian
- Phân loại theo áp suất
- Phân loại theo năng suất
2.2 Cấu tạo, nguyên lý máy nén một cấp
Nguyên lý hoạt động của máy nén piston một cấp giống như máy bơm piston một cấp, chỉ khác là lưu chất qua máy nén là khí, mà khí thì bị thay đổi thể tích khi bị nén do vậy có một số công thức tính toán sẽ thay đổi và chu trình nén thực cũng thay đổi
Trang 6105
Sau đây là sự khác nhau giữa chu trình nén lý thuyết và chu trình thực tế, có bốn điểm khác nhau sau đây:
a) Không thể đNy hết khí ra khỏi xilanh sau mỗi lần nén, chính phần khí này sẽ giãn nở ra và chiếm một phần thể tích của xilanh nên gọi là “thể tích khoảng chết” biểu diễn bằng đoạn c dtrên hình (H8.3)
b) Trọng lượng của clape hút và clape đNy nặng đáng kể, vật muốn clape hút 8
mở ra thì áp suất phải thấp so với áp suất hút một đại lượng ∆P1 – điểm (d) và bên đNy tương tự cao hơn một đại lượng ∆P2 – điểm (b)
c) Sau đó các clape này sẽ đóng lại nhưng chậm trễ hơn, được biểu thị bằng đường “ngắt đoạn” (đoạn d avà b c); điều đó nói rằng áp suất làm việc là không ổn định d) Do sự hao hụt khí khi đi qua clape hoặc séc măng (bạc), biểu diễn bằng đường
“gạch chấm chấm gạch”
Qua đây ta thấy rằng chu trình thực luôn luôn khác với chu trình nén lý thuyết
Các hãng sản xuất khi cho xuất xưởng sản phNm ra thị trường thì có kèm theo “đồ thị chỉ thị” theo catalogue, tức là nhờ dụng cụ đo ghi lại biểu đồ hoạt động thực của sản phNm
đó – xem hình (H8.4)
Nếu chu trình chỉ thị ít sai số so với thì hiệu quả của máy đó cao, vì gần với chu trình lý thuyết
Trang 7106
2.3 Tính năng suất
Năng suất của máy nén khí có thể tính theo (6 – 6) Ngoài ra còn tính theo:
s
m
; V T P
T P Q
3 2 1 1
2 2
Trong đó P1, P2: áp suất hút và đNy; N/m2
T1, T2: nhiệt độ hút và đNy; 0K V2: thể tích khí ra khỏi máy; m3
2.4 Tính hiệu suất
Khác với bơm piston, hiệu suất máy nén piston là một đại lượng phụ thuộc vào quá nhiều yếu tố
kc
đn
hd
ap η η η η
=
Trong đó
• ηap = 1 − β; hiệu suất áp suất, là sự sai biệt áp suất khi làm việc
=
β
1
2
P
P
f = (5 ÷ 10)%
•
D n
1 P
P A 1
2
1 2
hd
−
−
=
η ; hiệu suất hình dạng với A: hệ số cấu tạo máy
n: số vòng quay; v/phút D: đường kính piston; m
•
−
−
=
P
P 10 1
1
2 2
đn ; hiệu suất đốt nóng, là do ma sát cơ học giữa piston và xilanh
•
−
ε
−
=
P
P '
1
1
2
kc ; hiệu suất do khoảng chết gây ra ε’ = (3 ÷ 8)%,
m: chỉ số polytrop được tìm bằng thực nghiệm
Nhận xét:
Hiệu suất chung phụ thuộc vào tỉ số nén
= η
1
2
P
P
Khi tỷ số
1 P 2
P càng tăng thì hiệu suất càng giảm
Trang 8107
2.5 Tính công suất
Công suất lý thuyết tính theo:
η
=
3600 1000
G
G: suất lượng khí qua máy; kg/h
ℓ: công nén; J/kg
η: hiệu suất; %
Công suất thực, ví dụ xét công thực tế theo chu trình đoạn nhiệt
∆ +
−
− ρ η
=
−
1 k
1 k
1
2 1
T
B 273 1
P
P ) 1 k (
k 3600 1000
Z G P
Trong đó P1: áp suất hút; N/m2
Z: cấp số nén, Z = 1, 2, 3…
G: suất lượng khí qua máy; kg/h
ρ: khối lượng riêng khí; kg/m3
η: hiệu suất; % K: chỉ số nén đoạn nhiệt T1: Nhiệt độ khí hút; 0K
∆B: chỉ số dư trong chu trình đoạn nhiệt
[P1T1+2 P1+P2 +P2T2] (P2 -P1)
6
1
= B
Chú ý: Công thức (8 -17) dùng cho cả chu trình đa biến, (chỉ thay k = n)
Ngoài ra, công suất nén có thể tính gọn hơn:
( h2 h1)
3600
G
G: suất lượng khí qua máy: kg/h h1, h2: enthalpy của khí vào và ra khỏi máy; kJ/kg 3600: quy ra giây; s
3 MÁY NÉN PISTON HAI CẤP - NHIỀU CẤP
Như trên đã trình bày, khi tỷ số
1
2
P
P
càng lớn thì hiệu suất càng giảm, đến một giới hạn
1
2
P
P
nào đó thì hiệu suất bằng không Để khắc phục sự giảm hiệu suất này, người ta phải chọn
máy nén từ cấp 2 trở lên Xem bảng 8.2
Trang 9108
Bảng 8.2
Tỉ số nén
1
2
P
P
≤ 7 8 ÷ 30 30 ÷ 150 150 ÷ 400 > 400
So sánh hai cấp so với một cấp trên cùng một chế độ
1
2
P
P
Xem hình (H8.5)
Tên gọi các điểm trạng thái (làm việc)
- Diện tích (1 – 2’ – 2IV – 4 – 1: cấp thấp (hay cấp 1)
- Diện tích ( 2” – 2’’’ – 3 – 2IV – 2’’): cấp cao (cấp 2)
- Đoạn 4 − 1: quá trình hút khí
- Đoạn 1 − 2 ': quá trình nén cấp 1
- Đoạn 2 ' − 2 ': quá trình làm mát khí trong thiết bị làm mát trung gian
- Đoạn 2'' − 2 '': quá trình nén cấp 2
- Đoạn 2 '' − 3 : quá trình đNy khí
- t2: Nhiệt độ cuối tầm nén một cấp
- t2’’’: nhiệt độ cuối tầm nén hai cấp
'
tg k P P
P = : áp suất trung gian; k = (1 ÷ 1,1) Tính nhiệt độ cuối tầm nén:
k 1 k
1
2 1
2
P
P T
T
−
k
1 k
1
2 1
' 2 P
P T
T
−
Trang 10109
Nhìn hình (H 8 5) ta thấy: Nhiệt độ cuối tầm nén hai cấp thấp hơn nhiệt độ cuối tâm nén một cấpt2’’’ < t2; 0C
∗ Do đó chu trình nén hai cấp ưu điểm hơn so với một cấp là:
• Vì nhiệt độ thấp nên chế độ bôi trơn tốt, luôn bảo đảm dầu không bị cháy
• Tuổi thọ của máy nén hai cấp tốt hơn một cấp, lâu hư hỏng hơn một cấp
• Đặc biệt là tiết kiệm năng lượng hơn, nếu một cấp thì chi phí công nén bằng diện tích (2’ – 2 – 2’’’ – 2’’ – 2’) còn máy nén hai cấp thì không tốn công này
∗ Tuy nhiên tồn tại các nhược điểm sau:
• Giá thành cao hơn so với một cấp
• Máy cấu tạo phức tạp hơn và có thiết bị làm mát trung gian
• Thợ vận hành phải được đào tạo bài bản hơn
Hình (H8.6) là sơ đồ chu trình nén hai cấp, tương ứng với các điểm trạng thái trên hình (H8.5)
Từ nhiệt độ t2’ giảm xuống t2’’ cần một lượng nước giải nhiệt qua thiết bị làm mát trung gian, nhiệt lượng toả ra Q Cân bằng nhiệt dòng vào và ra, ta sẽ tính được diện tích truyền nhiệt cần thiết của thiết bị này
4 CÁC SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA MÁY NÉN PISTON
Mỗi một máy nén được biểu diễn bằng một số sơ đồ nguyên lý, trong phạm vi giáo trình này chỉ giới thiệu các máy nén thông dụng
Hình (H8.7) là sơ đồ nguyên lý máy nén piston đứng một cấp và hai cấp
Hình (H8.8) là sơ đồ nguyên lý của máy nén 2n xilanh (n = 1,2,3,4…) bố trí chữ V, ví dụ: nếu có 8 xilanh thì có thể phân bố như sau: 6 xilanh làm việc cấp thấp, 2 xilanh cấp cao, hay 12 xilanh thì chia làm 8 xilanh cấp thấp, 4 xilanh cấp cao v.v…, bố trí đối xứng nhau để khi hoạt động máy dễ cân bằng
Trang 11110
Hình (H8.9) là sơ đồ nguyên lý của máy nén 2n xilanh bố trí theo chữ W, sự phân chia
số lượng xilanh theo cấp nén giống như hình (H8.8) ở trên đã dẫn Ngoài ra, ngày nay máy nén do có năng suất rất lớn nên người ta bố trí rất nhiều xilanh trên máy, bố trí hình sao
hoặc hai chữ W
5 CÁC CHI TIẾT CHÍNH CỦA MÁY NÉN PISTON
Về mặt chi tiết cấu tạo cơ bản máy nén khí piston này cũng giống như máy bơm piston, chỉ khác một vài chi tiết phụ mà thôi Sau đây là các chi tiết chính của máy nén
Thân máy hay các – te: Là phần bao bọc toàn bộ các chi tiết khác của máy, vì chịu tải trọng lớn nên thân được chế tạo từ kim loại gang, thép, nhôm hoặc các hợp kim của nó Hình (H8.10) mô tả thân của máy nén 8 xilanh bố trí chữ V do hãng MYCOM – Nhật Bản sản xuất Trong đó 6 xilanh cấp thấp còn 2 xilanh cấp cao, chế tạo bằng gang
Trang 12111
Để giải nhiệt cho thân tại phần tiếp xúc với piston khi máy hoạt động, có thể sử dụng nước trong sơmi nước hoặc không khí bằng lá tản nhiệt
Hình (H8.11) mô tả xilanh, nhìn trên hình (H8.10) ta thấy xilanh gắn vào vị trí (b) nó được gắn trực tiếp vào thân máy, xilanh là một chi tiết dễ bị mài mòn do sécmăng, được thay thế khi vượt quá độ mòn cho phép
Hình (H8.12) mô tả cấu tạo của piston, piston chuyển động tịnh tiến lên xuống trong lòng xilanh, nó được nối với trục máy bằng cái ắc (b) trên piston gắn các sécmăng hơi (c) mục đích là không cho hơi thoát ra ngoài và séc măng dầu (d) với mục đích là ngăn dầu lọt lên vùng hơi làm việc, số lượng séc măng tham khảo theo bảng 8.3
Trang 13112
Bảng 8.3
Áp suất làm việc (at) Số lượng vòng (cái)
≤≤≤≤ 5 2 ÷ 3
30 ÷ 120 6 ÷ 12
120 ÷ 350 12 ÷ 24
Hình (H8.13) mô tả hình dạng thanh truyền (a) Nhiệm vụ của nó là biến từ chuyển động quay của trục máy sang chuyển động tịnh tiến lên xuống của piston trong lòng xilanh
Để liên kết giữa thanh truyền và piston thì cần cái ắc (b) và để giảm ma sát giữa thanh truyền
và trục máy thì phải gắn bạc thau (c) Bạc thau (c) thị trường gọi là “bạc dên” là một chi tiết
bị bào mòn nhiều nhất sau séc măng, do vậy nó thường xuyên được thay thế
Sau trục máy, thanh truyền chịu tải trọng khá lớn, nên nó được chế tạo bằng các thép hợp kim cao
Trục máy: còn gọi là trục khuỷu, là chi tiết chịu tải trọng động lớn nhất, là chi tiết có giá trị nhất của máy nén, được chế tạo bằng kim loại cứng, bền, dai ,không bị uốn
Hình (H8.14) mô tả trục của máy nén hiệu YORK – 4 xilanh do USA sản xuất Trên trục máy có các lỗ thông nhau để dẫn dầu nhớt đi bôi trơn toàn bộ các chi tiết cần thiết phải bôi trơn của máy như séc măng dầu, phốt đệm kín,… nhờ cơ cấu đối trọng 3 mà làm cho máy khi hoạt động sẽ vượt qua hai điểm chết dễ gây hư máy
Trang 14113
Hình (H8.15) mô tả cấu tạo của phốt đệm kín, giả thiết khi áp suất (P1) lớn hơn áp suất khí quyển (Pkq) thì dầu và hơi trong thân máy sẽ bắn ra ngoài theo đường trục máy và ngược lại, không khí sẽ lọt vào trong máy khi (P1) nhỏ hơn (Pkq) Như vậy, phốt đệm kín sẽ giải quyết ngăn cách hai vùng áp suất đó Phốt đệm này có cấu tạo rất phức tạp và cần bôi trơn tốt nhất
Hình (8.16) mô tả bơm bánh răng đã học ở (H6.6) chương 6 Trục của bơm bánh răng
là một trục phụ, còn trục chính là trục của máy nén Khi máy nén hoạt động thì trục phụ quay, vị trí bánh răng thay đổi theo chiều mũi tên như hình vẽ đồng thời quá trình bơm xảy
ra, dầu đưa lên ống đNy vào hệ thống ống đi bơi trơn khắp máy nén
Trang 15114
Hình (H8.17) mô tả cấu tạo của một loại clape Clape là một chi tiết quan trọng của máy nén, hiệu suất cao hay thấp một phần do clape quyết định Cấu tạo của clape gồm: đế 1 trên đó gắn các tấm thép đàn hồi 2 khi các tấm thép 2 và đế hở thì khí làm việc chui qua lỗ 3
để lên vùng nén, các tấm thép và đế liên kết nhau bằng bulong 4, clape thường gắn trên đầu của xilanh
6 MÁY THỔI
Ứng dụng máy thổi để vận chuyển các loại hạt như thực phNm hoặc các chế phNm sinh học dạng khô sau khi được sấy kỹ Về yêu cầu kỹ thuật khi sử dụng máy thổi là năng lượng tiêu hao vừa đủ, đạt năng suất, ngoài lĩnh vực trên máy thổi còn ứng dụng trong công nghệ lên men, trong cơ khí và nhiều lĩnh vực khác
Máy thổi có nhiều loại, người ta có thể lấy máy nén một cấp làm máy thổi Thông dụng nhất là sử dụng máy thổi hai guồng quay số tám, xem hình (H8.18)