MỞ ĐẦU Câu 1: Nêu định nghĩa khí nén? Câu 2: Điều khiển khí nén là gì? Câu 3: Ứng dụng của hệ thống điều khiển bằng khí nén Câu 4: Những đặc trưng của khí nén Câu 5: Ưu nhược điểm của hệ thống khí nén Câu 6: Trình bày khái niệm, các công thức tính áp suất, lực, công , công suất, lưu lương độ nhớt động Câu 7: Trình bày công thức các định luật khí lí tưởng Câu 8: Trình bày đặc tính của khí lí tưởng Câu 9: Thế nào là áp suất dư, áp suất tuyệt đối Câu 10: Trình bày công thức phương trình dòng chảy liên tục, phương trình Becnully Câu 11: Trình bày về cách tính các tổn thất áp suất trong hệ thống khí nén Câu 12: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển khí nén có bao nhiêu phần tử? Cho ví dụ cụ thể trong từng phần tử? Câu 14: Có bao nhiêu phương pháp điều khiển tự đòng trong hệ thống diều khiển khí nén, hãy kè ra chi tiết từng phương pháp cụ thể? 46 BÀI 2: MÁY NÉN KHÍ VÀ THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÍ NÉN A. Mục tiêu: - Giải thích được nguyên lý hoạt động và ứng dụng của các loại máy nén. - Phân tích được các quá trình xử lý khí nén. - Rèn luyện tính chính xác, chủ động, sáng tạo và khoa học, nghiêm túc trong học tập và trong công việc.
Thiết bị phân phối khí nén Áp suất được tạo ra từ máy nén, ở đó năng lượng cơ học của động cơ điện hoặc của động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệt năng. Nguyên tắc hoạt động và phân loại máy nén khí a/ Nguyên tắc hoạt động - 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 Boy - Mariotte, áp suất trong buồng chứa sẽ tăng lên. Các lọai máy nén khí hoạt động theo nguyên lý này như kiểu pít - tông, 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 động năng bánh dẫn. Nguyên tắc hoạt động này tạo ra lưu lượng và công suất rất lớn. Máy nén khí hoạt động theo nguyên lý này như máy nén khí kiểu ly tâm. b/ Phân loại: - 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. 47 - Theo nguyên lý hoạt động: * Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: Máy nén khí kiểu pít - tông, máy nén khí kiểu cánh gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít. * Máy nén khí tua - bin: Máy nén khí kiểu ly tâm và máy nén khí theo chiều trục.
Hình 2-2: Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu pít - tông 2.Máy nén khí kiểu pít - tông Máy nén khí kiểu pít - tông một cấp có thể hút được lưu lượng đến 10 m3/phút và áp suất nén từ 6 đến 10 bar. Máy nén khí kiểu pít - tông hai cấp có thể nén đến áp suất 15 bar. Loại máy nén khí kiểu pít - tông một cấp và hai cấp thích hợp cho hệ thống điều khiển bằng khí nén trong công nghiệp. Máy nén khí kiểu pít - tông được phân loại theo cấp số nén, loại truyền động và phương thức làm nguội khí nén.
Ngoài ra người ta còn phân loại theo vị trí của pít - tông. * Ưu điểm : Cứng vững, hiệu suất cao, kết cấu, vận hành đơn giản * Khuyết điểm : Tạo ra khí nén theo xung, thường có dầu, ồn. Máy nén khí kiểu cánh gạt Không khí được hút vào buồng hút (trên biểu đồ p - V tương ứng đoạn d - a). Nhờ rôto và stato đặt lệch nhau một khoảng lệch tâm e, nên khi rôto quay theo chiều sang 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). 48 Lưu lượng tính theo công thức sau: Hình 2-3: Nguyên lý hoạt động máy nén khí kiểu cánh gạt *Cấu tạo máy nén khí kiểu cánh gạt một cấp Cấu tạo máy nén khí kiểu cánh gạt một cấp (hình 2.4) bao gồm: thân máy (1), mặt bích thân máy, mặt bích trục, rôto (2) lắp trên trục. Trục và rôto (2) lắp lệch tâm e so với bánh dẫn chuyển động. Khi rôto (2) quay tròn, dưới tác dụng của lực ly tâm các cánh gạt (3) chuyển động tự do trong các rãnh ở trên rôto (2) và đầu các cánh gạt (3) tựa vào bánh dẫn chuyển động.
Thể tích giới hạn giữa các cánh gạt sẽ bị thay đổi. Như vậy quá trình hút và nén được thực hiện. Để làm mát khí nén, trên thân máy có các rãnh để dẫn nước vào làm mát. Bánh dẫn được bôi trơn và quay tròn trên thân máy để giảm bớt sự hao mòn khi đầu các cánh tựa vào.
* Ưu điểm : kết cấu gọn, máy chạy êm, khí nén không bị xung * Khuyết điểm : hiệu suất thấp, khí nén bị nhiễm dầu. Hình 2-4:Máy nén khí kiểu cánh gạt 1 cấp 49 4. Máy nén khí kiểu trục vis Máy nén khí kiểu trục vis hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích. Thể tích khoảng trống giữa các răng sẽ thay đổi khi trục vis quay.
Như vậy sẽ tạo ra quá trình hút (thể tích khoảng trống tăng lên), quá trình nén (thể tích khoảng trống nhỏ lại) và cuối cùng là quá trình đẩy. Hình 2-5: Nguyên lý hoạt động máy nén khí kiểu trục vis Máy nén khí kiểu trục vis gồm có hai trục: trục chính và trục phụ. Số răng càng lớn, thể tích hút nén của một vòng quay sẽ giảm. Số răng (số đầu mối) của trục chính và trục phụ không bằng nhau sẽ cho hiệu suất tốt hơn.
* Ưu điểm : khí nén không bị xung, sạch; tuổi thọ vít cao (15.000 giờ); nhỏ gọn, chạy êm. * Khuyết điểm : Giá thành cao, tỷ số nén bị hạn chế. Hình 2-6: Sơ đồ hệ thống máy nén khí kiểu trục vis có hệ thống dầu bôi trơn. Máy nén khí kiểu Root Máy nén khí kiểu root gồm có hai hoặc ba cánh quạt (pít - tông có dạng hình số 8).
Các pít-tông đó được quay đồng bộ bằng bộ truyền động ở ngoài thân máy và trong quá trình quay không tiếp xúc với nhau. Như vậy khả năng hút của máy phụ thuộc vào khe hở giữa hai pít - tông, khe hở giữa phần quay và thân máy. Hình 2-7: Nguyên lý hoạt động máy nén khí kiểu Root 50 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 1 vòng thì vẫn chưa tạo được áp suất trong buồng đẩy, cho đến khi rôto quay tiếp đến vòng thứ 2, thì dòng lưu lượng đó đẩy vào dòng lưu lượng thứ 2, với nguyên tắc này tiếng ồn sẽ tăng lên.
* Ưu điểm : khí nén không bị xung, sạch, khí nén tạo ra ít bị xung và không bị nhiễm dầu, chạy êm. * Khuyết điểm : Giá thành cao, có độ mòn giữa các răng và rãnh, tỷ số nén bị hạn chế. Máy nén khí kiểu tua bin Là những máy nén khí dòng liên tục, đặc biệt có lưu lượng lớn, gồm hai loại dọc trục và hướng tâm. Tốc độ của dòng chảy của khí rất lớn, có thể tăng tốc bằng cách tăng số lượng cánh turbin.
* Ưu điểm : khí nén có chất lượng tốt, các răng trên stato di động cho phép chỉnh được lưu lượng, tuổi tho cao và ít đòi hỏi bảo trì, hiệu suất cao * Khuyết điểm : Kết cấu phức tạp, khó điều chỉnh, làm việc ở vận tốc cao do đó rất nhạy với mòn, khó điều chỉnh. Cơ cấu chấp hành 1.Yêu cầu về khí nén Khí nén được tạo ra từ những 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 phần tử nhỏ, cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí. Khí nén khi 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.
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. Các lọai bụi bẩn như hạt bụi, chất cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí được xử lý trong thiết bị gọi là thiết bị làm lạnh tạm thời, sau đó khí nén được dẫn đến bình ngưng tụ hơi nước. Giai đoạn này gọi là giai đoạn xử lý thô.
Nếu thiết bị xử lý giai đoạn này 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 số thiết bị đặc biệt thì yêu cầu chất lượng khí nén cao hơn. 51 Hệ thống xử lý khí nén được phân thành 3 giai đoạn : - Lọc thô: dùng bộ phận lọc bụi thô kết hợp với bình ngưng tụ để tách hơi nước. - Phương pháp sấy khô: dùng thiết bị sấy khô khí nén để lọai bỏ hầu hết lượng nước lẫn bên trong.
Giai đoạn này xử lý tùy theo yêu cầu sử dụng của khí nén. - Lọc tinh : lọai bỏ tất cả các lọai tạp chất, kể cả kích thước rất nhỏ. Hình 2-9: Các giai đoạn xử lý khí nén 2. Các phương pháp xử lý khí nén Trong những lãnh vực đòi hỏi chất lượng khí nén cao, hệ thống xử lý khí nén được phân ra làm 3 giai đoạn: a/ Lọc thô: Khí nén được làm mát tạm thời khi từ trong máy nén khí ra để tách chất bẩn.
Sau đó khí nén được đưa vào bình ngưng tụ để tách hơi nước. Giai đoạn lọc thô là giai đoạn cần thiết nhất cho vấn đề xử lý khí nén b/ Phương pháp sấy khô: - Bình ngưng tụ làm lạnh bằng không khí: Khí nén được dẫn vào bình ngưng tụ. Tại đây khí nén 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 trong 0 0 0 khoảng từ 30 C đến 35 C.