Giáo trình Truyền động thủy lực và khí nén: Phần 2 - ĐH Lâm Nghiệp

Tiếp nội dung phần 1, Giáo trình Truyền động thủy lực và khí nén: Phần 2 cung cấp cho người học những kiến thức như: Cơ sở lý thuyết về truyền động khí nén; sản xuất, phân phối và xử lý khí nén; hệ thống điều khiển khí nén và điện khí nén; ứng dụng và thiết kế hệ thống điều khiển khí nén.

Phần thứ hai TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN

Chương 5 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN

Ứng dụng khí nén đã có từ thời trước Công Nguyên, tuy nhiên sự phát triển củakhoa học kỹ thuật thời đó không đồng bộ cho nên phạm vi ứng dụng của khí nén còn rấthạn chế Mãi đến thế kỷ thứ 19, các máy móc thiết bị sử dụng năng lượng khí nén lầnlượt được phát minh Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng điện, vai trò sử dụngnăng lượng bằng khí nén bị giảm dần Tuy nhiên, việc sử dụng năng lượng khí nén vẫnđóng một vai trò cốt yếu ở những lĩnh vực mà khi sử dụng điện sẽ không an toàn Khínén được sử dụng ở những dụng cụ nhỏ nhưng truyền động với vận tốc lớn như: Búahơi, dụng cụ dập, tán đinh nhất là các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt trong các máy Sauchiến tranh thế giới thứ hai, việc ứng dụng năng lượng bằng khí nén trong kỹ thuật điềukhiển phát triển khá mạnh mẽ Những dụng cụ, thiết bị, phần tử khí nén mới được sángchế và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau Sự kết hợp khí nén với điện - điện tử sẽquyết định cho sự phát triển của kỹ thuật điều khiển trong tương lai

5.1 Khả năng ứng dụng của khí nén

5.1.1 Trong l ĩnh vực điều khiển

Những năm 50 và 60 của thế kỷ 20 là giai đoạn kỹ thuật tự động hóa quá trình sảnxuất phát triển mạnh mẽ Kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và

đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Chỉ riêng ở Cộng hoà Liên bang Đức đã có 60hãng chuyên sản xuất các phần tử điều khiển bằng khí nén

Hệ thống điều khiển bằng khí nén 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 tiếtnhựa, chất dẻo hoặc các lĩnh vực sản xuất thiết bị điện tử, vì điều kiện vệ sinh môitrường rất tốt và an toàn cao Ngoài ra, hệ thống điều khiển bằng khí nén còn được sửdụng trong các dây chuyền rửa tự động, trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra củathiết bị lò hơi, thiết bị mạ điện, đóng gói, bao bì và trong công nghiệp hóa chất

5.1.2 Trong các h ệ thống truyền động

- Các d ụng cụ, thiết bị, máy làm việc va đập:

Các thiết bị, máy móc trong lĩnh vực khai thác như: Khai thác đá, khai thác than,trong các công trình xây dựng như: Xây dựng hầm mỏ, đường hầm

- Truy ền động quay:

Truyền động động cơ quay với công suất lớn bằng năng lượng khí nén giá thànhrất 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 mộtđộng 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 nhỏ hơn 30% so với động cơ điện có cùngcông suất Những dụng cụ vặn vít, máy khoan, công suất khoảng 3,5 kW, máy mài,công suất khoảng 2,5 kW cũng như những máy mài với công suất nhỏ nhưng với sốvòng quay cao khoảng 100.000 (v/ph) thì khả năng sử dụng động cơ truyền độngbằng năng lượng khí nén là phù hợp.

- Truy ền động thẳng:

Sử dụng truyền động 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, trong cácthiết bị làm lạnh cũng như trong hệ thống phanh hãm của ôtô

- Trong các h ệ thống đo và kiểm tra: Dùng trong các thiết bị đo và kiểm tra chất

- Đường dẫn khí nén thải ra không cần thiết

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

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

5.2.2 Nhược điểm

- Lực truyền tải thấp

- Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi thì vận tốc cũng thay đổi Bởi vì khả năngđàn hồi của khí nén lớn, cho nên không thể thực hiện được những chuyển động thẳnghoặc quay đều

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

Hiện nay, trong lĩnh vực điều khiển, người ta thường kết hợp hệ thống điềukhiển bằng khí nén với điện hoặc điện tử Cho nên rất khó xác định một cách chínhxác, rõ ràng ưu nhược điểm của từng hệ thống điều khiển Tuy nhiên, có thể so sánhmột số khía cạnh, đặc tính của truyền động bằng khí nén đối với truyền động bằng

cơ, bằng điện

5.3 Một số đặc điểm của hệ thống truyền động khí nén

Ký hiệu: (+), (=), (-) có ngh ĩa là thích hợp hơn/ bằng/ ít hơn so với truyền động

b ằng khí nén.

- Độ an toàn khi quá tải

Khi hệ thống đạt được áp suất làm việc tới hạn, thì truyền động vẫn an toàn, không

có sự cố, hư hỏng xảy ra

Truy ền động điện - cơ (-); truyền động thủy lực (=), truyền động bằng cơ (-);

- Sự truyền tải năng lượng

Tổn thất áp suất và giá đầu tư cho mạng truyền động bằng khí nén tương đối thấp

Truy ền động điện (+); truyền động thủy lực (-), truyền động bằng cơ (-);

- Tuổi thọ và bảo dưỡng

Hệ thống truyền động và điều khiển bằng khí nén hoạt động tốt, khi mạng đạt tới ápsuất tới hạn và không gây ảnh hưởng đối với môi trường Tuy nhiên hệ thống đòi hỏi rấtcao vấn đề lọc chất bẩn của áp suất không khí trong hệ thống

Truy ền động điện - cơ (- / =); Truyền động cơ (-),Truyền động thủy lực (=),Truyền động điện (+).

- Khả năng thay thế những phần tử, thiết bị

Trong hệ thống truyền động bằng khí nén, khả năng thay thế những phần tử dễ

dàng Truy ền động điện (+);Truyền động bằng cơ (-),Truyền động thủy lực (=).

- Vận tốc truyền động

Do trọng lượng của các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khí nén nhỏ, hơnnữa khả năng giãn nở của áp suất khí lớn, nên truyền động đạt được với vận tốc rất cao

Truy ền động điện - cơ (-),Truyền động cơ (-),Truyền động thủy lực (+).

- Khả năng điều chỉnh lưu lượng dòng và áp suất

Truyền động bằng khí nén có khả năng điều chỉnh lưu lượng và áp suất một cáchđơn giản Tuy nhiên với sự tải trọng thay đổi thì vận tốc cũng thay đổi

Truy ền động điện - cơ (-),Truyền động cơ (-),Truyền động thủy lực (+)

Bảng 5.1 Phạm vi ứng dụng thích hợp của các hệ thống truyền động

Ghi chú: K - Truyền động bằng khí nén; Đ-K - Truyền động bằng điện khí nén; Đ-C - Truyền động bằng

điện cơ; C - Truyền động bằng cơ; TL - Truyền động bằng thủy lực;  - Có khả năng ứng dụng thích hợp; X - Có thể ứng dụng; + - Có thể ứng dụng trong những trường hợp đặc biệt;

0 - Không thể ứng dụng được.

5.4 Cơ sở lý thuyết tính toán truyền động khí nén

5.4.1 Thành ph ần hóa học và các đại lượng vật lý cơ bản của không khí

Nguyên tắc hoạt động của các thiết bị khí nén là không khí trong khí quyển đượchút vào và nén trong máy nén khí Sau đó khí nén từ máy nén khí đưa vào hệ thống khínén Không khí là loại khí hỗn hợp, bao gồm các thành phần hóa học chính được ghitrong bảng 5.2 và các đại lượng vật lý cơ bản được ghi ở bảng 5.3 Ngoài những thànhphần trên, trong không khí còn có hơi nước, bụi Những thành phần đó gây ra cho cácthiết bị khí nén sự ăn mòn, sự han gỉ

Bảng 5.2 Thành phần hóa học của không khí

N 2 O 2 Ar CO 2 H 2 Ne.10 -3 He.10 -3 He.10 -3 X.10 -6

Khối lượng

Bảng 5.3 Các đại lượng vật lý cơ bản của không khí

TT Đại lượng vật lý Ký hiệu Giá trị Đơn vị Ghi chú

1 Khối lượng riêng ρn 1,293 kg/m 3 Ở trạng thái tiêu chuẩn

kJ/kg.K kJ/kg.K

Áp suất hằng số Thể tích hằng số

6 Độ nhớt động lực η 17,17×10 -6 Pa.s Ở trạng thái tiêu chuẩn

7 Độ nhớt động ν 13,28×10 -6 m 2 /s Ở trạng thái tiêu chuẩn

5.4.2 Phương trình trạng thái nhiệt động học

Giả thiết khí nén trong hệ thống gần như là khí lý tưởng Phương trình trạng tháinhiệt tổng quát của khí nén được viết như sau:

T R m V

a) Định luật Boyle - Mariotte

Khi nhiệt độ không thay đổi (T = hằng số), theo phương trình 5.1 ta có:

const V

Nếu gọi: V1- Thể tích khí nén tại áp suất p1, (m3);

V2- Thể tích khí nén tại áp suất p2, (m3);

p1abs- Áp suất tuyệt đối khí nén có thể tích V1, (bar);

p2abs- Áp suất tuyệt đối khí nén có thể tích V2, (bar);

Theo phương trình (5.2) ta có thể viết:

abs

abs

p

p V

V

1 2

Hình 5.1 Sự phụ thuộc giữa áp suất và thể tích khi nhiệt độ không thay đổi

b) Định luật 1 (Gay - Lussac)

Khi áp suất không thay đổi (p = const), theo phương trình (5.1) ta có:

2 1

Trong đó: T1- Nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V1;

T2- Nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V2;Năng lượng nén và năng lượng dãn nở không khí được tính theo phương trình:

)(V2 V1p

c) Định luật 2 (Gay - Lussac)

Khi thể tích V không thay đổi, phương trình (5.1) được viết như sau:

2 1

2

1

T

T p

Từ (5.1) suy ra: m R const



m

Thay phương trình (5.10) vào phương trình (5.3), ta có:

- Khi nhiệt độ T không thay đổi, ta có:

abs

abs

p

p m m

1 2

2 2 1

Sự phụ thuộc giữa khối lượng riêng  vào cả 3 đại lượng thay đổi áp suất p, nhiệt

độ T và thể tích V theo phương trình (5.9) ta viết được như sau

abs

abs

p T

p T

1 2

1 2 1 2

e) Phương trình đoạn nhiệt

Thể tích riêng của không khí:

v p



Trong đó R là hằng số khí, tra theo bảng 5.3

Nhiệt lượng riêng c là nhiệt lượng cần thiết để nung nóng khối lượng không khí

1 kg lên 10K Nhiệt lượng riêng khi thể tích không thay đổi ký hiệu là cv, khi áp suấtkhông thay đổi ký hiệu cp Tỷ số của cv và cp gọi là số mũ đoạn nhiệt k

v

p

c c

Hiệu số của cp và cv gọi là hằng số khí R:

)1(

Hay

1

2 1

1 2

T

T v

v p

p

(5.19b)Hình 5.2 biểu diễn biểu đồ đoạn nhiệt:

Hình 5.2 Biểu đồ đoạn nhiệt

Diện tích mặt phẳng giới hạn bởi các điểm 1, 2, 5, 6 trong hình 5.2 tương ứng lượngnhiệt giãn nở cho khối lượng khí 1 kg và có giá trị:

1

11

v

v k

v p

p

p k

v p W

1

1

2 1

1

11

1

11

T

T k

v p

Công kỹ thuật Wt là công cần thiết để nén lượng không khí (ví dụ trong máy nénkhí) hoặc là công thực hiện khi áp suất khí giãn nở Diện tích mặt phẳng giới hạn bởicác điểm 1, 2, 3, 4 ở trong hình 5.2 là công thực hiện để nén hay công thực hiện khí ápsuất khí giãn nở cho 1 kg không khí, có giá trị:

1 1.1

k t

v

v v

p k

t

p

p v

p k

k W

1

1

2 1

1 1

Trong thực tế không thể thực hiện được quá trình đẳng nhiệt cũng như quá trìnhđoạn nhiệt Quá trình xảy ra thường nằm trong khoảng giữa quá trình đẳng nhiệt và quátrình đoạn nhiệt gọi là quá trình đa biến và có phương trình:

n n

v p v

Hay

1

1 2

1 2

T

T v

v p

Bài gi ải:

Do nhiệt độ T, áp suất p và thể tích V ở trạng thái ban đầu và trạng thái cuối củaquá trình nén là khác nhau Cho nên dựa vào phương trình (5.9) để xác định thể tích củabình chứa khí ở trạng thái ban đầu:

T

V p T

V

n

n nabs. '

Trong đó: pnabs- Áp suất của khí quyển tiêu chuẩn, pn= 1,013 bar;

pabs- Áp suất của không khí trong bình chứa khi nạp đầy:

T V p

V

n

n n

.)

013,1(

Thay số vào phương trình (5.25) ta có:

34,6298.013,1

273.1.013,7

34,6

Lưu lượng khí nén chảy trong đường ống từ vị trí 1 đến vị trí 2 là không đổi (hình

5.3), ta có phương trình dòng chảy như sau:

2

v Q

Q  Hay: w1.A1 = w2.A2 = const (5.26)Trong đó: Qv1, Qv2- Lưu lượng dòng chảy tại vị trí 1 và vị trí 2, (m3/s)

w1- Vận tốc dòng chảy tại vị trí 1, (m/s)

w2- Vận tốc dòng chảy tại vị trí 2, (m/s)

A1- Tiết diện chảy tại vị trí 1, (m2)

A2- Tiết diện chảy tại vị trí 2, (m2)

2 2 1

1

2 1

2

.2.w m g h m p m w m g h m p

Trong đó:

2

2

w

m - Động năng

h g

m - Thế năng;

p V

p

m 

Trong đó: g: Gia tốc trọng trường

ρ: Khối lượng riêng không khí

p: Áp suất tĩnh

Phương trình (5.27) có thể viết lại như sau:

Nếu chiều cao h = 0 thì phương trình (5.28) viết được như sau:

const w

2

2 

(5.29)Trong đó: p - Áp suất tĩnh học;

2

5.4.4 Lưu lượng khí nén qua khe hở hẹp

Để tính toán truyền động khí nén, ta giả thiết sau:

- Quá trình thực hiện trong hệ thống xảy ra chậm, như vậy thời gian trao đổi nhiệtđược thực hiện, quá trình xảy ra là quá trình đẳng nhiệt;

- Quá trình thực hiện trong hệ thống xảy ra nhanh, như vậy thời gian trao đổi nhiệtkhông được thực hiện, quá trình xảy ra là quá trình đoạn nhiệt;

Lưu lượng khối lượng khí qm qua khe hở được tính như sau:

p A

Hay

1

1 2

A1- Diện tích mặt cắt của khe hở, (m2)

Δp = p1- p2- Độ chênh áp suất trước và sau khe hở

ρ1- Khối lượng riêng của không khí

Hệ số lưu lượng α phụ thuộc vào dạng hình học của khe hở (hệ số co rút) và (hệ

nở ε, tỷ số áp suất sau và trước khe hở

m của vòi phun

Theo hình 5.7 hệ số giãn nở  của bướm điều tiết ở trạng thái đoạn nhiệt k = 1,4.

Hình 5.5 Hệ số lưu lượng Hình 5.6 Hệ số giãn nở của vòi phun

Hình 5.7 Sự phụ thuộc hệ số lưu lượng và hệ số ảnh hưởng số Reynold R e

của bướm điều tiết

Từ hình 5.7a ta tra được: 0,6

- Hệ số giãn nở  tra ở hình 5.7b theo các thông số sau:

5,1

- Hiệu áp trước và sau khe hở:  p p1p2 0, 50, 5 10 5 (Pa);

- Khối lượng riêng của khí ở trạng thái tiêu chuẩn (pn = 1,013 bar; T = 2730K):

2939,1

2,1 10

m v n

q kg s q

5.4.5 T ổn thất áp suất trong truyền động khí nén

Tính toán chính xác tổn thất áp suất trong hệ thống truyền động khí nén là vấn đềrất phức tạp Tổn thất áp suất của hệ thống bao gồm:

- Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng  P R

- Tổn thất áp suất trong tiết diện thay đổi  P E

- Tổn thất áp suất trong các loại van P V

a) T ổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng

Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng (ΔPR):

2

.w.2

R

l p

d





Trong đó: l - Chiều dài ống dẫn, (m)

ρ - Khối lượng riêng của không khí, được xác định theo công thức sau:

abs n n

p p

ρn- Khối lượng riêng của không khí ở trạng thái tiêu chuẩn, ρn= 1,293 (kg/m3);

pn- Áp suất ở trạng thái tiêu chuẩn, pn = 1,013 (bar).

 - Độ nhớt động học ở trạng thái tiêu chuẩn, n= 13,28×10-6 (m2/s)

b) T ổn thất áp suất trong tiết diện thay đổi

Trong hệ thống ống dẫn, ngoài ống dẫn thẳng còn có ống dẫn có tiết diện thay đổi,dòng khí phân nhánh hoặc hợp thành, hướng dòng thay đổi Tổn thất áp suất trongnhững tiết diện đó được tính như sau:

2

.2

P E  

Trong đó: ζ: Hệ số cản, phụ thuộc vào loại tiết diện ống dẫn và số Re

- Khi ti ết diện thay đổi đột ngột:

Trong đó: Hệ số  tra theo bảng 5.4

Hình 5.9 Tiết diện gẫy khúc

Bảng 5.4 Hệ số ζ phụ thuộc vào độ nhẵn và độ nhám của thành ống

ζRe: Hệ số cản do ảnh hưởng của số Reynold (ma sát ống)

Hệ số cản ζu phụ thuộc vào góc uốn cong , tỉ số R/d và chất lượng bên trong ống,

Hệ số cản ζRedo ảnh hưởng của số Reynold (ma sát ống) phụ thuộc vào số Reynold,

tra theo hình 5.11.

Hình 5.11 Hệ số cản do ảnh hưởng số Reynold

- T ổn thất áp suất trong ống dẫn khi phân dòng (hình 5.12):

Tổn thất áp suất trong ống phân nhánh:

2 z

Trong đó: wz: vận tốc trung bình trong ống dẫn chính

Hệ số cản ζa và ζd của ống dẫn khi phân dòng thuộc vào tỷ lệ dia/dizvà tỷ lệ lưulượng qma/qmz cho trong bảng 5.5

Hình 5.12 Ống phân nhánh

Bảng 5.5 Hệ số cản ζ a và ζ d của ống dẫn khi phân dòng

Tổn thất áp suất trong ống dẫn khi hợp dòng qmd

2 z

Trong đó: wz- Vận tốc trung bình trong ống dẫn chính

Hệ số cản ζa và ζd của ống dẫn khi hợp dòng thuộc vào tỷ lệ dia/diz và tỷ lệ lưu lượng

- T ổn thất áp suất trong ống phân nhánh (hình 5.14):

Trong đó: w - Vận tốc trung bình trong ống dẫn chính

Hệ số cản của các loại ống phân nhánh  được minh họa ở hình 5.14

d

Hình 5.14 Hệ số cản  (Re >10 3 )

c) T ổn thất áp suất trong các loại van (Δp v ):

Tổn thất áp suất trong các loại van Δpv (trong các van đảo chiều, van áp suất, vantiết lưu.v.v ) được tính theo:

31, 6

v v

q k

Trong đó: qv- Lưu lượng khí nén, (m3/h)

ρ - Khối lượng riêng không khí, (kg/m3)

Δp - Tổn thất áp suất qua van, (bar)

Hệ số cản ζv tính theo công thức:

2

2

2 .10,18w

v

v v

k

q g

   

Vận tốc dòng chảy: q v

w A



Thay w vào phương trình (5.48) tính ζv, ta có:

2 2

q 3600

v v

d) T ổn thất áp suất tính theo chiều dài ống dẫn tương đương

Vì tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng hay là tổn thất áp suất của ống dẫn có tiếtdiện thay đổi hoặc là tổn thất áp suất trong các loại van đều phụ thuộc vào hệ số w2

2



,cho nên có thể tính tổn thất áp suất thành chiều dài ống dẫn tương đương

Chương 6 SẢN XUẤT, PHÂN PHỐI VÀ XỬ LÝ KHÍ NÉN

- Nguyên lý thay đổi thể tích

Không khí được dẫn vào buồng chứa, ở đó thể tích của buồng chứa sẽ nhỏ lại Nhưvậy theo định luật Boy - Mariotte, áp suất trong buồng chứa sẽ tăng lên Các loại máynén khí hoạt động theo nguyên lý này như kiểu píttông, bánh răng, cánh gạt

- Nguyên lý động năng

Không khí được dẫn vào buồng chứa, ở đó áp suất khí nén được tạo ra bằng độngnăng bánh dẫn Nguyên tắc hoạt động này tạo ra lưu lượng và công suất rất lớn Máynén khí hoạt động theo nguyên lý này như máy nén khí kiểu ly tâm

b) Phân lo ại

- Theo áp suất

* Máy nén khí áp suất thấp p ≤ 15 bar

* Máy nén khí áp suất cao p ≥ 15 bar

* Máy nén khí áp suất rất cao p ≥ 300 bar

- Theo nguyên lý hoạt động

* Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: Máy nén khí kiểu píttông, máy nénkhí kiểu bánh răng, máy nén khí kiểu cánh gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểutrục vít

* Máy nén khí tua - bin: Máy nén khí kiểu ly tâm và máy nén khí theo chiều trục

6.1.2 Máy nén khí ki ểu píttông

Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu píttông một cấp được biểu diễn ởhình 6.1

Hình 6.1 Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu píttông 1 cấp

a) Chu kỳ hút; b) Chu kỳ nén và đẩyMáy nén khí kiểu píttông một cấp có thể hút được lưu lượng đến 10 (m3/phút) và ápsuất nén từ 6 đến 10 (bar) Máy nén khí kiểu píttông hai cấp có thể nén đến áp suất 15(bar) Loại máy nén khí kiểu píttông một cấp và hai cấp thích hợp cho hệ thống điềukhiển bằng khí nén trong công nghiệp Máy nén khí kiểu píttông được phân loại theocấp số nén, loại truyền động và phương thức làm nguội khí nén Ngoài ra người ta cònphân loại theo vị trí của píttông

* Ưu điểm: Vững chắc, hiệu suất cao, kết cấu, vận hành đơn giản

* Khuyết điểm: Tạo ra khí nén theo xung, thường có dầu, ồn

6.1.3 Máy nén khí ki ểu cánh gạt

Cấu tạo máy nén khí kiểu cánh gạt một cấp (hình 6.2) bao gồm: Thân máy (1), mặtbích thân máy, mặt bích trục, rôto (2) lắp trên trục Trục và rôto (2) lắp lệch tâm e so vớibánh dẫn chuyển động Khi rôto (2) quay tròn, dưới tác dụng của lực ly tâm các cánhgạt (3) chuyển động tự do trong các rãnh ở trên rôto (2) và đầu các cánh gạt (3) tựa vàobánh dẫn chuyển động Thể tích giới hạn giữa các cánh gạt sẽ bị thay đổi Như vậy quátrình hút và nén được thực hiện

Để làm mát khí nén, trên thân máy có các rãnh để dẫn nước vào làm mát Bánh dẫnđược bôi trơn và quay tròn trên thân máy để giảm bớt sự hao mòn khi đầu các cánh tựa vào

Hình 6.2 Cấu tạo máy nén khí kiểu cánh gạt

1 Thân; 2 Rô to; 3 Cánh gạt

* Ưu điểm: Kết cấu gọn, máy chạy êm, khí nén không bị xung;

* Khuyết điểm: Hiệu suất thấp, khí nén bị nhiễm dầu

Nguyên lý hoạt động

Không khí được hút vào buồng hút (trên biểu đồ hình 6.3, p V tương ứng đoạn d a) Nhờ rôto và stato đặt lệch nhau một khoảng lệch tâm e, nên khi rôto quay theo chiềusang phải, thì không khí sẽ vào buồng nén (trên biểu đồ p - V tương ứng đoạn a - b).Sau đó khí nén sẽ vào buồng đẩy (trên biểu đồ p - V tương ứng đoạn b - c)

-Hình 6.3 Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu cánh gạt

Lưu lượng khí nén được tính theo công thức sau:

60

0

n q

Số răng (số đầu mối ren) của trục xác định thể tích làm việc (hút, nén) Số răng cànglớn, thể tích hút nén của một vòng quay sẽ giảm Số răng (số đầu mối ren) của trụcchính và trục phụ không bằng nhau sẽ cho hiệu suất tốt hơn

Hình 6.4 Nguyên lý hoạt động máy nén khí kiểu trục vít

Lưu lượng tính theo (6.1), ta có:

60

0

n q

Trong đó: q0: Lưu lượng riêng, (m3 /vòng)

λ: Hiệu suất

n: Số vòng quay trục chính (vòng/phút)Hiệu suất λ phụ thuộc vào số vòng quay n, tra theo bảng 6.1

Bảng 6.1 Hiệu suất λ phụ thuộc vào số vòng quay n

4500 5000 6000

0,8 0,82 0,86Lưu lượng riêng q0được xác định như sau:

V - Tỉ số giữa thể tích của khe hở thực tế và thể tích khe hở theo lý thuyết Tỉ số

này phụ thuộc vào góc xoắn  của trục vít (tra theo đồ thị)

* Ưu điểm: Khí nén không bị xung, sạch; tuổi thọ vít cao (15.000 đến 40.000 giờ);nhỏ gọn, chạy êm

* Khuyết điểm: Giá thành cao, tỷ số nén bị hạn chế

6.1.5 Máy nén khí ki ểu Root

Máy nén khí kiểu root gồm có hai hoặc ba cánh quạt (píttông có dạng hình số 8).Các píttông đó được quay đồng bộ bằng bộ truyền động ở ngoài thân máy và trong quátrình quay không tiếp xúc với nhau Như vậy khả năng hút của máy phụ thuộc vào khe

hở giữa hai píttông, khe hở giữa phần quay và thân máy

Máy nén khí kiểu Root tạo ra áp suất không phải theo nguyên lý thay đổi thể tích,

mà có thể gọi là sự nén từ dòng phía sau Điều đó có nghĩa là: Khi rôto quay được 1vòng thì vẫn chưa tạo được áp suất trong buồng đẩy, cho đến khi rôto quay tiếp đếnvòng thứ 2, thì dòng lưu lượng đó đẩy vào dòng lưu lượng ban đầu và cuối cùng vàobuồng đẩy Với nguyên tắc hoạt động này dẫn đến tiếng ồn sẽ tăng lên

Hình 6.5 Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu root

Lưu lượng được tính theo công thức sau:

602

0

n q

Truyền tải không khí nén được thực hiện bằng hệ thống ống dẫn khí nén; Cần phânbiệt ở đây mạng đường ống được lắp ráp cố định (như trong nhà máy, xí nghiệp) và

mạng đường ống lắp ráp từng thiết bị, từng máy (hình 6.6).

Hình 6.6 Hệ thống thiết bị phân phối khí nén

Yêu cầu đối với hệ thống phân phối khí nén là đảm bảo áp suất p, lưu lượng Q vàchất lượng của khí nén cho nơi tiêu thụ, cụ thể là cho các thiết bị máy móc Ngoài yêucầu về chọn hợp lý máy nén khí, ống dẫn, cách lắp đặt, bảo hành hệ thống, yêu cầu vềtổn thất áp suất đối với hệ thống thiết bị phân phối khí nén (từ bình trích chứa chính chođến nơi tiêu thụ), cụ thể như sau:

- Tổn thất áp suất trong ống dẫn chính: 0,1 (bar);

- Tổn thất áp suất trong ống nối: 0,1 (bar);

- Tổn thất áp suất trong thiết bị xử lý khí nén (trong bình ngưng tụ, tách nước):0,2 (bar);

- Tổn thất áp suất trong thiết bị lọc tinh: 0,6 (bar);

6.2.2 Bình trích ch ứa khí nén

Hình 6.7 Các loại bình trích chứa khí nén

a) Bình trích chứa thẳng đứng; b) Loại bình trích chứa nằm ngang;

c) Loại bình trích chứa nhỏ gắn trực tiếp vào ống dẫn khí

Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ là cân bằng áp suất khí nén từ máy nén khíchuyển đến, trích chứa và ngưng tụ, tách nước.

Bình trích chứa khí nén nên lắp trong không gian thoáng, để thực hiện được nhiệm

vụ như vừa nêu ở trên là ngưng tụ và tách nước trong khí nén

Kích thước của bình trích chứa phụ thuộc vào công suất của máy nén khí và côngsuất tiêu thụ của thiết bị, máy móc sử dụng, ngoài ra còn phụ thuộc vào phương pháp sửdụng khí nén, ví dụ như sử dụng khí nén liên tục hay gián đoạn

6.2.3 M ạng đường ống dẫn khí nén

Mạng đường ống dẫn khí nén có thể chia làm hai loại:

- Mạng đường ống lắp ráp cố định (ví dụ mạng đường ống trong nhà máy);

- Mạng đường ống lắp ráp di động (ví dụ mạng đường ống trong dây chuyền hoặctrong máy móc, thiết bị)

a) M ạng đường ống lắp ráp cố định

Thông số cơ bản của mạng đường ống lắp ráp cố định là ngoài lưu lượng khí nén,còn có vận tốc dòng chảy, tổn thất áp suất trong ống dẫn khí nén, áp suất yêu cầu, chiềudài ống dẫn và các phụ tùng nối ống

- Lưu lượng phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy Vận tốc dòng chảy càng lớn, tổn thất

áp suất trong ống dẫn càng lớn

- Vận tốc dòng chảy được chọn theo nằm trong khoảng 6 - 10 (m/s) Vận tốc dòngchảy khi đi qua các phụ tùng nối ống sẽ tăng lên, hay vận tốc dòng chảy sẽ tăng lên nhấtthời khi dây chuyền, máy móc đang vận hành

- Tổn thất áp suất như trình bày ở trên, yêu cầu tổn thất áp suất là 0,1 (bar) trongống dẫn chính Tuy nhiên, trong thực tế sai số cho phép tính đến bằng 5% áp suất yêucầu Ví dụ áp suất yêu cầu của hệ thống là 7 (bar), tổn thất áp suất được tính là 0,35(bar) là có thể chấp nhận được Nếu trong các ống dẫn chính có lắp thêm các phụ tùngống nối, các van thì tổn thất áp suất của hệ thống ống dẫn tăng lên tùy theo phụ tùng lắptrong đường ống

Trong thực tế, để xác định các thông số cơ bản cho mạng đường ống lắp ráp cốđịnh, người ta thường sử dụng biểu đồ ở hình 6.8

Theo biểu đồ (hình 6.8) các thông số yêu cầu như áp suất p, lưu lượng Qv, tổn thất

áp suất pvà các thông số sẽ chọn là chiều dài ống dẫn L, đường kính trong của ốngdẫn phụ thuộc lẫn nhau

Ví dụ: - Áp suất yêu cầu: p = 8 (bar);

- Chiều dài ống dẫn: L = 200 (m);

- Lưu lượng: Qv = 170 (lít/s);

- Tổn thất áp suất cho phép: p 0,1 (bar)

Từ biểu đồ (hình 6.8) sẽ tra ra đường kính trong của ống dẫn là 70 (mm).

Lắp ráp đường ống dẫn khí nén thường nghiêng góc từ 10 - 20 so mặt phẳng nằmngang (hình 6.6) Vị trí thấp nhất của hệ thống ống dẫn so với mặt phẳng nằm ngang,lắp ráp bình ngưng tụ nước, để nước trong ống dẫn sẽ được chứa ở đó

Hình 6.8 Biểu đồ sự phụ thuộc của các thông số

- Cách lắp ráp mạng đường ống: Mạng đường ống lắp ráp cố định ở trong nhà máythường được lắp ráp theo kiểu dẫn vòng tròn (hình 6.9)

Hình 6.9 Hệ thống lắp ráp mạng đường ống theo kiểu vòng tròn

Ví dụ lắp ráp mạng đường ống trực tiếp từ máy nén khí, (xem hình 6.10)

2 1

Hình 6.10 Lắp ráp mạng đường ống trực tiếp từ máy nén khí

 Bộ phận xả nước ở bình trích chứa;  Bình trích chứa nước ngưng tụ;

 Van giảm áp và bình chứa nước ngưng tụ;  Bộ phận lọc: bộ lọc, van điều chỉnh áp suất, van tra dầu;

 Bình chứa nước ngưng tụ và van xả nước cuối mạng ống dẫn.

Ví dụ: Lắp ráp mạng đường ống trong nhà máy (hình 6.11)

5 8

5

3

Hình 6.11 Sơ đồ lắp ráp mạng đường ống dẫn khí nén trong nhà máy

1 Máy nén khí; 2 Bình ngưng tụ hơi nước - làm lạnh bằng không khí hoặc bằng nước; 3 Bộ phận cân bằng (giảm dao động) áp suất khí nén; 4 Bình trích chứa khí nén; 5 Van xả hơi nước ngưng tụ; 6 Đường ống lắp nghiêng 10- 20 so với mặt nằm ngang; 7 Các phụ tùng nối ống; 8 Van xả hơi nước ngưng tụ.

b) M ạng đường ống lắp ráp di động

Mạng đường ống lắp ráp di động đa dạng hơn mạng đường ống lắp ráp cố định.Ngoài những ống bằng kim loại có thành ống mỏng, như ống dẫn bằng đồng, người tacòn các loại ống dẫn khác bằng nhựa, vật liệu tổng hợp, các ống dẫn bằng cao su mềm

Ngoài những mối lắp ghép bằng ren, mạng đường ống lắp ráp di động dùng các mốinối cắm với các đầu kẹp (hình 6.12).

a Mối nối chữ L b Mối nối chữ T

Hình 6.12 Mối ống nối bằng đầu kẹp

Hình 6.13 trình bày mối nối ống dẫn bằng đầu kẹp và bằng ren dạng chữ L ở hình6.13a và hình 6.13b trình bày mối ống nối bằng đầu kẹp và bằng ren dạng chữ T

hệ thống điều khiển Vì vậy, khí nén được sử dụng trong hệ thống khí nén phải được xử

lý Tùy thuộc vào phạm vi sử dụng mà xác định yêu cầu chất lượng của khí nén tươngứng cho từng trường hợp cụ thể

Khí nén được tải từ máy nén khí gồm những chất bẩn thô: Các loại bụi bẩn như hạtbụi, chất cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí, phần lớn những chất bẩn này

được xử lý trong thiết bị gọi là thiết bị làm lạnh tạm thời, sau đó khí nén được dẫn đếnbình ngưng tụ hơi nước, ở đó độ ẩm của khí nén (lượng hơi nước) phần lớn sẽ đượcngưng tụ ở đây Giai đoạn này gọi là giai đoạn xử lý thô Nếu thiết bị xử lý giai đoạnnày tốt thì khí nén có thể được sử dụng cho những dụng cụ dùng khí nén cầm tay,những thiết bị đồ gá đơn giản Khi sử dụng khí nén trong hệ thống điều khiển và một sốthiết bị đặc biệt thì yêu cầu chất lượng khí nén cao hơn Hệ thống xử lý khí nén được phânthành 3 giai đoạn được mô tả ở hình 6.14:

Hình 6.14 Hệ thống xử lý khí nén

- Lọc thô: Làm mát tạm thời khí nén từ máy nén khí ra, để tách chất bẩn, bụi sau đókhí nén được đưa vào bình ngưng tụ để tách hơi nước Đây là giai đoạn cần thiết nhấtcho vấn đề xử lý khí nén

- Phương pháp sấy khô: Dùng thiết bị sấy khô khí nén để loại bỏ hầu hết lượngnước lẫn bên trong Giai đoạn này xử lý tùy theo yêu cầu sử dụng của khí nén

- Lọc tinh: Loại bỏ tất cả các loại tạp chất, kể cả kích thước rất nhỏ

6.3.2 Các phương pháp xử lý khí nén

Như chúng ta đã biết, không khí chứa nhiều thành phần, trong đó có lượng hơi nướcđáng kể Sau khi qua giai đoạn lọc thô, lượng hơi nước vẫn còn Do những yêu cầu đòihỏi chất lượng khí nén khác nhau trong việc sử dụng khí nén, đòi hỏi khí nén phải được

xử lý tiếp

6.3.2.1 L ọc thô

Khí nén được làm mát tạm thời khi từ trong máy nén khí ra để tách chất bẩn Sau đókhí nén được đưa vào bình ngưng tụ để tách hơi nước Giai đoạn lọc thô là giai đoạn cầnthiết nhất cho vấn đề xử lý khí nén

Xử lý khí nén

Bộ lọc Cụm bảo dưỡng

Hấp thụ Ngưng tụ

Làm lạnh Tách nước

6.3.2.2 S ấy khô khí nén

a) Thi ết bị sấy khô bằng bình ngưng tụ - làm lạnh bằng không khí (bằng nước)

Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí sẽ được dẫn vào bình ngưng tụ Tại đây áp suấtkhí sẽ được làm lạnh và phần lớn lượng hơi nước chứa trong không khí sẽ được ngưng

tụ và tách ra

Làm lạnh bằng không khí, nhiệt độ khí nén trong bình ngưng tụ sẽ đạt được trongkhoảng từ +300 đến +35oC Làm lạnh bằng nước (ví dụ nước làm lạnh có nhiệt độ là+10oC) thì nhiệt độ khí nén trong bình ngưng tụ sẽ đạt được là +20oC Nguyên lý hoạtđộng của bình ngưng tụ bằng nước được thể hiện trên hình 6.15

Hình 6.15 Nguyên lý hoạt động của bình ngưng tụ làm lạnh bằng nước

b) Thi ết bị sấy khô bằng chất làm lạnh

Nguyên lý của phương pháp sấy khô bằng chất làm lạnh (hình 6.16): Khí nén đi qua

bộ phận trao đổi nhiệt khí - khí (1) Tại đây, dòng khí nén vào sẽ được làm lạnh sơ bộbằng dòng khí nén đã được sấy khô và xử lý từ bộ ngưng tụ đi lên Sau khi được làmlạnh sơ bộ, dòng khí nén vào bộ phận trao đổi nhiệt khí - chất làm lạnh (2) Quá trìnhlàm lạnh sẽ được thực hiện bằng cách cho dòng khí nén chuyển động đảo chiều trongnhững ống dẫn Nhiệt độ hóa sương tại đây là +2oC Như vậy lượng hơi nước trongdòng khí nén vào sẽ tạo thành từng giọt nhỏ một Lượng hơi nước sẽ được ngưng tụtrong bộ phận kết tủa (3) Ngoài lượng hơi nước được kết tủa, tại đây còn có các chấtbẩn, dầu, nước, chất bẩn sau khi được tách ra khỏi dòng khí nén sẽ được đưa ra ngoàiqua van thoát nước ngưng tụ tự động (4) Dòng khí nén được làm sạch và còn lạnh sẽđược đưa đến bộ phận trao đổi nhiệt (1), để nâng nhiệt độ lên khoảng từ 6oC đến 8oC,trước khi đưa vào sử dụng

1 Van an toàn

2 Hệ thống ống dẫn nước làm lạnh

3 Đường nước làm lạnh vào

4 Khí nén sau khi được làm lạnh

5 Tách nước chứa trong khí nén

6 Nước làm lạnh đi ra

7 Khí nén được dẫn vào

Hình 6.16 Nguyên lý hoạt động của thiết bị sấy khô bằng chất làm lạnh

1 Bộ phận trao đổi nhiệt khí - khí; 2 Bộ phận trao đổi nhiệt khí - Chất làm lạnh; 3 Bộ phận kết tủa;

4 Van thoát nước ngưng tụ tự động; 5 Máy nén của bộ phận làm lạnh; 6 Bình ngưng tụ;

7 Rơ le điều chỉnh nhiệt độ; 8 Van điều chỉnh lưu lượng chất làm lạnhChu kỳ hoạt động của chất làm lạnh được thực hiện bằng máy nén để phát chất làmlạnh (5) Sau khi chất làm lạnh được nén qua máy nén, nhiệt độ sẽ tăng lên, bình ngưng

tụ (6) sẽ có tác dụng làm nguội chất làm lạnh đó bằng quạt gió Van điều chỉnh lưulượng (8) và rơle điều chỉnh nhiệt độ (7) có nhiệm vụ điều chỉnh dòng lưu lượng chấtlàm lạnh hoạt động trong khi có tải, không tải và hơi quá nhiệt Nguyên lý hoạt độngcủa rơ le nhiệt như hình 6.17:

c) Thi ết bị sấy khô bằng hấp thụ

Sấy khô bằng hấp thụ có thể là quá trình vật lý hay quá trình hóa học

- Quá trình vật lý

Chất sấy khô hay gọi là chất háo nước sẽ hấp thụ lượng hơi nước ở trong không khí

ẩm Thiết bị gồm hai bình: Bình thứ nhất chứa chất sấy khô và thực hiện quá trình hút

ẩm Bình thứ hai tái tạo lại khả năng hấp thụ của chất sấy khô (chất háo nước) mà đãdùng lần trước đó (hình 6.18) Chất sấy khô thường được sử dụng như: Silicagen SiO2,nhiệt độ điểm sương -50oC; nhiệt độ tái tạo từ 120oC đến 180oC

Hình 6.18 Nguyên lý làm việc của thiết bị sấy khô bằng hấp thụ

Hình 6.19 giới thiệu chu kỳ hoạt động của hệ thống Khi bình sấy khô thứ nhất IIhoạt động, van (6) mở, khí nén từ máy nén khí qua bình sấy II, qua van (4) vào hệ thốngđiều khiển Quá trình tái tạo được thực hiện bằng khí nóng sau khi không khí qua máynén khí (1) và được nung nóng trong bộ phận nung nóng (2), qua van (7) vào bình chứa

I, qua van (8), lúc đó không khí nóng bão hòa sẽ được đưa ra ngoài

Hình 6.19 Quá trình vận hành của thiết bị sấy khô bằng hấp thụ

- Quá trình hóa học:

Thiết bị gồm một bình chứa chất hấp thụ (hình 6.20), chất hấp thụ thường dùng làNaCl Không khí ẩm được đưa vào từ cửa (1), sau khi đi qua chất hấp thụ (2) Lượnghơi nước trong không khí kết hợp với chất hấp thụ tạo thành giọt nước lắng xuống đáybình Phần nước ngưng tụ sẽ được dẫn ra ngoài bằng van (5) Phần không khí khô sẽtheo cửa (4) vào hệ thống điều khiển

Hình 6.20 Nguyên lý hấp thụ bằng phản ứng hóa học

6.3.2.3 B ộ lọc

Trong một số lĩnh vực, ví dụ ở những dụng cụ cầm tay sử dụng truyền động khínén, những thiết bị, đồ gá đơn giản hoặc một số hệ thống điều khiển đơn giản dùng khínén thì chỉ cần sử dụng một bộ lọc Bộ lọc không khí là một tổ hợp gồm 3 phần tử:Van lọc, van điều chỉnh áp suất và van tra dầu

a) Van l ọc:

Van lọc có nhiệm vụ tách các thành phần chất bẩn và hơi nước ra khỏi khí nén Cóhai nguyên lý thực hiện:

- Chuyển động xoáy của dòng áp suất khí nén trong van lọc

- Phần tử lọc xốp làm bằng các chất như vải, dây kim loại, giấy thấm ướt, kim loạithêu kết hay là vật liệu tổng hợp

Khí nén sẽ tạo chuyển động xoáy khi qua lá chắn kim loại (hình 6.21), sau đó quaphần tử lọc (hình 6.22), tùy theo yêu cầu chất lượng của khí nén mà chọn loại phần tửlọc, đường kính các lỗ của phần tử lọc có những loại từ 5 (μm) đến 70 (μm) Trongtrường hợp yêu cầu chất lượng khí nén rất cao, vật liệu phần tử lọc được chọn là sợithủy tinh, có khả năng tách nước trong khí nén đến 99% Những phần tử lọc như vậy thìdòng khí nén sẽ chuyển động từ trong ra ngoài

Hình 6.21 Nguyên lý làm việc của van lọc và ký hiệu.

Hình 6.22 Phần tử lọc

b) V an điều chỉnh áp suất

Van điều chỉnh áp suất có công dụng giữ cho áp suất không đổi ngay cả khi có sựthay đổi bất thường của tải trọng làm việc ở phía đường ra hoặc sự dao động của áp suấtđường vào

Nguyên tắc hoạt động của van điều chỉnh áp suất (hình 6.23) như sau: Khi điềuchỉnh trục vít (điều chỉnh lực lò xo), tức là điều chỉnh vị trí của đĩa van, trong trườnghợp áp suất của đường ra tăng lên so với áp suất được điều chỉnh, khí nén sẽ qua lỗthông tác dụng lên màng, vị trí kim van thay đổi, khí nén qua lỗ xả khí ra ngoài Đến khi

áp suất ở đường ra giảm xuống bằng với áp suất được điều chỉnh, kim van trở về vị tríban đầu.

Hình 6.23 Nguyên lý hoạt động của van điều chỉnh áp suất và ký hiệu

d) Van tra d ầu:

Để giảm lực ma sát, sự ăn mòn và sự rỉ sét của các phần tử trong hệ thống điềukhiển bằng khí nén, trong thiết bị lọc có thêm van tra dầu Nguyên tắc tra dầu được thựchiện theo nguyên lý Ventury (hình 2.24)

Hình 6.24 Nguyên lý tra dầu Ventury

1 Vòi phun Venturi; 2 Bình chứa dầu; 3 Ống Ventury; 4 Vít điều chỉnh; 5 Lỗ quan sát