1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHÍ NÉN

1.1.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 lớn hơn 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 trong kỹ thuật điều khiển phát triển khá mạnh mẽ.Những dụng cụ,thiết bị,phần tử khí nén mới được 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.

1.2. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA KHÍ NÉN

1.2.1.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 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.

1.2.2.Trong lĩnh vực truyền động

 - Các dụng cụ,thiết bị máy 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.

- 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.

1.3.NHỮNG ĐẶC TRƯNG CỦA KHÍ NÉN

- Về số lượng: có sẵn ở khắp nơi nên có thể sử dụng với số lượng vô hạn.

- 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 khi thực 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 – 8 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 khí nén 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.

1.4.ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN

1.4.1.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.

1.4.2.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.

1. CÁC THIẾT BỊ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN TRUNG TÂM

Đối với một hệ thống khí nén trung tâm thông thường bao gồm các thiết bị cơ bản sau:

1. MÁY NÉN KHÍ:

Đây là thiết bị quan trọng nhất đối với hệ thống khí nén(nó được coi như trái tim của hệ thống),bởi vì máy nén khí trực tiếp sản sinh ra khí nén để cung cấp tới các thiết bị và các vị trí có nhu cầu sử dụng khí nén.

Ứng dụng của máy nén khí được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như:ngành khai thác khoáng sản,các ngành công nghiệp nặng, ngành y tế...Cho đến ngày nay máy nén khí được phổ biến khá rộng rãi không những trong sản xuất mà còn được sử dụng trong sinh hoạt hàng ngày bởi tiện ích thiết thực mà nó mang lại trong hoạt động hàng ngày của chúng ta.

Tùy vào mục đích sử dụng và công suất,tính năng, cấu tạo của từng loại máy nén khí,mà nó được chia ra thành một số tên gọi với thiết kế,cho từng mục đích sử dụng khác nhau.Tuy nhiên,máy nén khí hiện có mặt trên thị trường gồm có một số chủng loại như sau:

• Máy nén khí trục vít(Screw air compressor):

Máy nén khí sử dụng chuyển động tròn của trục vít,sử dụng Puli được nối vào 02 trục vít ép khí vào trong thể tích nhỏ hơn.Chúng được sử dụng trong các ngành sản xuất công nghiệp, có thể là loại cố định hoặc di động.

Công suất của máy nén khí loại này dao động từ 5HP đến 500HP,từ áp suất thấp cho đến áp suất cao(12Mpa).

Máy nén khí trục vít được sử dụng để cấp khí nén cho nhiều loại máy công cụ.Chúng cũng có thể sử dụng cho những động cơ có bơm tăng áp suất khí nạp như: ô tô hoặc máy bay…

Máy nén khí trục vít được chia thành hai loại:

-Máy nén khí trục vít loại có dầu(Oil flood):máy nén khí làm việc và nén đến áp suất nhất định được cài đặt sẵn, qua các thiết bị sử lý khí nén như tách dầu sau đó cung cấp cho các thiết bị và các vị trí sử dụng khí nén không yêu cầu khí sạch(trong khí nén vẫn còn hàm lượng dầu dù là rất nhỏ).Vì vậy máy nén khí trục vít loại có dầu thường được sử dụng cung cấp khí nén cho máy công cụ hoặc một số ngành sản xuất không yêu cầu khí sạch.

- Máy nén khí trục vít loại không dầu(Oil free):ngược lại với loại máy nén khí trục vít có dầu,khí nén của máy nén khí trục vít không dầu được cung cấp bởi máy nén khí là loại khí sạch(khí nén cung cấp hoàn toàn không có dầu).Loại máy nén khí này thường được sử dụng trong một số ngành như:y tế,chế biến thực phẩm,dược phẩm,chế tạo linh kiện điện tử và một số ngành khác.

1.2 Máy nén khí Pittong(Piston air compressor):

Máy nén khí Piston hay còn gọi là máy nén khí chuyển động tịnh tiến sử dụng piston điều khiển bằng tay quay. Có thể đặt cố định hoặc di chuyển được,có thể sử dụng riêng biệt hoặc tổ hợp. Chúng có thể được điều khiển bằng động cơ điện hoặc động cơ Diesel.

Máy nén khí sử dụng piston tịnh tiến loại nhỏ công suất từ 5HP-30HP thường được sử dụng trong lắp ráp tự động và trong cả những việc không chuyển động liên tục.

Những máy nén khí loại lớn có thể công suất lên đến 1000HP được sử dụng trong những ngành lắp ráp công nghiệp lớn,nhưng chúng thường không được sử dụng nhiều vì có thể thay thế bằng các máy nén khí chuyển động tròn của bánh răng và trục vít với giá thành rẻ hơn.

Áp suất đầu ra có tầm dao động từ thấp đến rất cao(>5000PSI hoặc 35Mpa).Giống như máy nén khí trục vít,máy nén khí Piston cũng được chia làm hai loại:máy nén khí piston có dầu(Oil flood piston air compressor) và máy nén khí piston không dầu(Oil free piston air compressor).Ngoài ra máy nén khí piston còn được phân loại theo áp suất làm việc:máy nén khí piston thấp áp và máy nén khí piston cao áp.

1.3 Máy nén khí ly tâm:

Máy nén khí ly tâm sử dụng đĩa xoay hình cánh quạt hoặc bánh đẩy để ép khí vào phần rìa của bánh đẩy làm tăng tốc độ của khí.Bộ phận khuếch tán của máy sẽ chuyển đổi năng lượng của tốc độ thành áp suất.Máy nén khí ly tâm thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp nặng và trong môi trường làm việc liên tục.Chúng thường được lắp cố định.Công suất của chúng có thể từ hàng trăm đến hàng nghìn mã lực,với hệ thống làm việc gồm nhiều máy nén khí ly tâm,chúng có thể tăng áp đầu ra hơn 1000lbf/in²(69Mpa).

Nhiều hệ thống làm tuyết nhân tạo sử dụng loại máy nén khí này.Chúng có thể sử dụng động cơ đốt trong,bộ nạp hoặc động cơ turbin.Máy nén khí ly tâm được sử dụng trong một động cơ tuabin bằng gas nhỏ hoặc gần giống như tầng khí nén cuối cùng của động cơ turbin cỡ trung bình.

1.4 Máy nén khí dạng xoắn ốc(Scroll air compressor):

Máy nén khí dạng xoắn ốc gồm 02 phần xoắn ốc acsimet,một đĩa xoắn ở trạng thái tĩnh,đĩa còn lại quay quanh đĩa xoắn cố định.Hai đĩa xoắn này được đặt ăn khớp vào nhau tạo thành các túi dạng hình lưỡi liềm,trong quá trình nén,phần xoắn ốc tĩnh được giữ cố định và phần xoắn ốc di động di chuyển trên trục chuyển động lệch tâm.Khí được dẫn vào khoảng trống do hai lưỡi xoắn tạo ra,hai đĩa khép dần từng nấc và tiến dần vào tâm của hình xoắn ốc,thể tích nhỏ dần tạo ra áp xuất lớn,khi đến tâm thì khí đạt được áp suất đẩy và được nén qua cổng đẩy ở tâm của scroll cố định.Các túi khí được nén đồng thời và liên tiếp tạo ra sự liên tục,ổn định,hiệu quả và yên tĩnh trong quá trình hoạt động.

Cũng như máy nén khí trục vít và máy nén khí piston,máy nén khí dạng cuộn(scroll) cũng được chia thành hai loại:máy nén khí scroll có dầu và máy nén khí scroll không dầu.

Đặc điểm nổi bật của máy nén khí scroll là:làm việc êm ái hơn so với máy nén khí piston và trục vít,nhưng do giá thành cao hơn so với các loại máy nén khí piston và trục vít vào khoảng 45% nên ít được phổ biến hơn.

Hiện tại trong công nghiệp sử dụng chủ yếu hai loại máy nén khí là : Máy nén khí trục vít và máy nén khí pittong.

2. BÌNH CHỨA KHÍ(BÌNH TÍCH ÁP)

Chức năng chính của bình chứa khí(bình tích áp) trong hệ thống khí nén trung tâm là tích trữ lượng khí nén mà máy nén khí nén lên áp suất đặt sẵn.Và cung cấp trở lại cho hệ thống khí nén khi có nhu cầu sử dụng đột xuất,nhằm duy trì áp xuất làm việc trong hệ thống không giảm xuống một cách đột ngột ảnh hưởng quá trình làm việc của thiết bị và máy móc sử dụng khí nén.
Ngoài ra,bình chứa khí(air tank) còn có chức năng như thiết bị ngưng một phần nước,bụi bẩn mà máy nén khí cung cấp cho hệ thống và làm giảm nhiệt độ(làm mát đầu vào cho các thiết bị khác như: máy sấy khí, lọc khí và các thiết bị khí nén khác…)
Bình chứa khí(air tank) được chia thành nhiều loại: bình chứa khí áp suất thấp,bình chứa khí áp suất cao.Bình chứa khí sử dụng vật liệu thép thông thường,bình chứa khí sử dụng thép không gỉ(thường được dùng trong ngành chế biến dược phẩm,y tế,dược phẩm).

3.THIẾT BỊ SỬ LÝ KHÍ NÉN:

Khí nén được tạo ra từ máy nén khí chứa đựng rất nhiều chất bẩn theo từng mức độ khác nhau. Chất bẩn bao gồm bụi,hơi nước trong không khí,những phân tử nhỏ,cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí. Khí nén mang chất bẩn tải đi trong những ống dẫn khí sẽ gây nên sự ăn mòn, rỉ sét trong ống và trong các phần tử của hệ thống điều khiển như van điện từ, xylanh khí…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 tương ứng cho từng trường hợp cụ thể.

Hình ảnh ăn mòn đường ống khi khí nén không được xử lý

Hệ thống xử lý khí nén được chia thành 3 giai đoạn:
-Lọc khí thô:dùng bộ phận lọc bụi thô kết hợp với van xả nước ngưng để tách hơi nước và các hạt tạp chất kích thước đến 5 µm.

-Sấy khô khí:dùng thiết bị sấy(máy sấy khí) khô khí nén để loại bỏ hầu hết lượng nước lẫn bên trong. Giai đoạn này xử lý tùy theo yêu cầu sử dụng của hệ thống khí nén.

+Sấy khô khí nén bằng máy sấy khí dùng tác nhân lạnh:

Nguyên lý của phương pháp sấy khô bằng tác nhân lạnh là: khí nén đi qua bộ phận trao đổi nhiệt tức bầu lạnh của hệ thống máy lạnh. Nhiệt độ đọng sương tại đây nằm trong khoảng 2oC đến 8oC. Như vậy lượng hơi nước trong dòng khí nén vào sẽ được ngưng tụ và thải ra ngoài hệ thống. Dầu, nước,chất bẩn sau khi được tách ra khỏi dòng khí nén sẽ được tách ra ngoài qua van thoát nước ngưng tụ(bộ tự động xả nước). Khả năng tách nước ra khỏi khí nén của loại máy sấy này đạt tới mức 90%

Hình ảnh và cấu tạo của máy sấy khô khí nén sử dụng tác nhân lạnh

+Sấy khô khí nén bằng phương pháp hấp thụ:

Chất sấy khô hay còn được 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 sấy khô thường được sử dụng:Silicagen SiO¬2,nhiệt độ điểm sương -50oC,tái tạo từ 120oC đến 180oC. Máy sấy khí hấp thụ được dùng trong trường hợp hệ thống yêu cầu sử lý khí nén cung cấp cho hệ thống đạt tiêu chuẩn cao,khả năng tách nước ra khỏi khí nén đạt tới mức 99,99%, thường nhiệt độ dưới 0 độ C.
Nhược điểm của máy sấy khí hấp thụ:chi phí đầu tư cao,tổn thất khí nén nhiều và chỉ được sử dụng trong một số ngành như : chế biến dược phẩm,thực phẩm.

Hình ảnh máy sấy khô khí nén sử dụng chất hút ẩm

- Lọc khí tinh:loại bỏ tất cả các loại tạp chất,kể cả kích thước rất nhỏ đến 0,001µm

Hình ảnh thiết bị lọc khí

III. CÁCH CHỌN CÁC THIẾT BỊ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN TRUNG TÂM

1.MÁY NÉN KHÍ:

Để chọn được máy nén khí cho một nhà máy ta cần biết được 2 thông số sau:

-Lưu lượng khí nén: thông số này sẽ do nhu cầu sử dụng khí tại mỗi nhà máy có thể chỉ từ vài m3/phút đến cả ngàn m3/phút.

-Áp suất khí nén: thông số này phụ thuộc vào mục đích và quá trình công nghệ của từng nhà máy có thể dao động từ 4 kg/cm2 đến 35 kg/cm2. Với các nhà máy thông thường áp lực khí nén yêu cầu sẽ từ 6-8 kg/cm2

Từ hai thông số này tra catalog của các hãng sản xuất máy nén khí ta sẽ chọn được máy nén khí phù hợp. Thông số công suất là thông số phụ thuộc vào lưu lượng và áp suất

Khi biết được 2 thông số này tùy theo lưu lượng khí, áp lực khí cũng như tình hình tài chính của mỗi công ty mà ta chọn loại máy nén phù hợp.

Trong công nghiệp hiện nay thường sử dụng chủ yếu là máy nén khí pittong và máy nén khí trục vít: Thường máy nén khí pittong được sử dụng với hệ thống nhỏ dưới 20hp và máy nén khí trục vít được sử dụng với hệ thống công suất lớn hơn 20Hp

2. BÌNH CHỨA KHÍ:

Bình chứa khí với chức năng tích trữ lượng khí nén mà máy nén khí nén lên áp suất đặt sẵn.Và cung cấp trở lại cho hệ thống khí nén khi có nhu cầu sử dụng đột xuất,nhằm duy trì áp xuất làm việc trong hệ thống không giảm xuống một cách đột ngột ảnh hưởng quá trình làm việc của thiết bị và máy móc sử dụng khí nén. Vì vậy việc chọn bình tích khí được căn cứ vào số điểm sử dụng khí trong hệ thống, chiều dài đường ống, đường kính đường ống cũng như độ zích zắc của đường ống kết nối. Một hệ thống có thể có một bình tích trung tâm và một số bình tích phụ ở các điểm cục bộ có nhiều thiết bị sử dụng khí. Với các nhà máy thông thường, bình tích thường được chọn theo kinh nghiệm bình 0.7 m3 đến 1m3 cho công suất máy nén 30hp.

3.THIẾT BỊ SỬ LÝ KHÍ NÉN:

3.1 Máy sấy khí

Máy sấy khí trong hệ thống được chọn dựa theo máy nén trong hệ thống khí nén với nguyên tắc

LƯU LƯỢNG MÁY SẤY KHÍ >=LƯU LƯỢNG MÁY NÉN KHÍ

Từ lưu lượng tìm được ta tra catalog máy sấy của nhà sản xuất sẽ tìm được máy sấy khí phù hợp cho hệ thống.

3.2 Thiết bị lọc

Tùy theo độ tinh khiết yêu cầu của khí nén cần sử dụng mà ta có thể chọn số lượng lọc và các cấp độ lọc khác nhau. Lưu lượng của lọc cũng được chọn theo lưu lượng máy nén khí, đảm bảo:

LƯU LƯỢNG THIẾT BỊ LỌC >=LƯU LƯỢNG MÁY NÉN KHÍ