BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI VÀ THỦY LỢI GIÁO TRÌNH ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Năm 2020 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. LỜI GIỚI THIỆU Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện công nghiệp ở trình độ Cao Đẳng, giáo trình Điện khí nénlà một trong những giáo trình mô đun đào tạo chuyên ngành được biên soạn theo nội dung chương trình của Nhà trường đã được phê duyệt. Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau, logíc.
Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết và thực hành được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế trong sản xuất đồng thời có tính thực tiễn cao. Trong quá trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu cũng như khoa học và công nghệ phát triển có thể điều chỉnh thời gian và bổ sung những kiên thức mới cho phù hợp. Trong giáo trình, chúng tôi có đề ra nội dung thực tập của từng bài để người học cũng cố và áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ năng. Tuy nhiên, tuy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị, các trường có thề sử dụng cho phù hợp.
Tuy nhiên, tùy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị, các trường có thề sử dụng cho phù hợp. Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết. Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn. BÀI 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỆN- KHÍ NÉN 1.
Khái niệm chung. Vài nét về sự phát triển. Ứng dụng của khí nén đã có từ thời kỳ trước công nguyên, tuy nhiên sự phát triển khoa học kỹ thuật thời đó không đồng bộ, nhất là sự kết hợp các kiến thức về cơ học, vật lý, vật liệu …. Cho nên phạm vi ứng dụng của khí nén còn rất hạn chế.
Mãi đến thế kỷ 17, nhà kỹ sư chế tạo người Đức Guerike, nhà toán học và nhà triết học người Pháp Pascal, cùng nhà vật lý người Pháp Papin đã xây dựng nên nền tảng cơ bản ứng dụng của khí nén. Trong thế kỷ 19, các máy móc thiết bị sử dụng năng lượng khí nén lần lượt ra được phát minh: thư vận chuyển trong ống bằng khí nén (1835), Phanh bằng khí nén(1880), búa tán đinh bằng khí nén (1861). Trong lĩnh vực xây dựng đường hầm xuyên dãy núi Alpes ở Thụy sĩ (1857) lần đầu tiên người ta sử dụng khí nén với công suất lớn. Vào những năm 70 của thế kỷ thứ 19 xuất hiện ở Pari một trung tâm sử dụng năng lượng khí nén với công suất lớn 7350KW.
Khí nén được vận chuyển tới nơi tiêu thụ trong đường ống với đường kính 500mm và chiều dài km. Tại nơi đó khí nén được nung nóng lên tới nhiệt độ từ 500C đến 1500C để tăng công suất truyền động động cơ, các thiết bị búa hơi… Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng điện, vai trò sử dụng năng lượng bằng khí nén bị giảm dần. Tuy nhiên việc sử dụng năng lượng khí nén vẫn đóng một vai trò cốt yếu ở những lĩnh vực mà khi sử dụng năng lương điện sẽ nguy hiểm, sử dụng năng lượng bằng khí nén ở những dụng cụ nhỏ, nhưng truyền động với vận tốc lớn, sử dụng năng lượng khí nén ở những thiết bị như búa hơi, dụng cụ dập, tán đinh…. Và nhiều dụng cụ khác như đò gá kẹp chi tiết.
Sau chiến tranh thế giới thứ 2, việc ứng dụng năng lượng khí nén trong kỹ thuật điều khiển phát triển mạnh mẽ. Với những dụng cụ , thiết bị, phần tử khí nén mới được sáng chế và được ứng dụng trong những lĩnh vực khác nhau, sự kết hợp của nguồn năng lượng khí nén với điện – điện tử là nhân tố quyết định cho sự phát triển của kỹ thuật điều khiển trong tương lai. Những đặc trưng của khí nén Về số lượng:có sẵn ở khắp mọi 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 cho thoát ra ngoài môi trường sau khi đã thực hiện xong công tác. Về lưu trữ:máy nén khí không nhất thiết phải sử dụng 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 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 phần vệ sinh.Tính chất này rất quan 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 tự động 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 1-2 m/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.
Ưu, nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén. Ưu điểm: - Do khả năng chịu nén( đàn hồi ) lớn của không khí, nên có thể trích chứa khí nén một cách thuận lợi - Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa, vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn ít. - Đường dẫn khí nén (thải ra) không cần thiết. - Chi phí để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén thấp, vì hầu như trong các nhà máy, xí nghiệp hệ thống đường dẫn khí nén đã có sẵn.
- Hệ thống bảo vệ quá áp suất được đảm bảo. Nhược điểm: - Lực truyền tải trọng thấp - Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi thì vận tốc truyền cũng thay đổi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn, cho nên không thể thực hiện những chuyển đổng thẳng hoặc quay đều. - Dòng khí nén thoát ra ở đường dẫn ra gây tiếng ồn. Đơn vị đo trong hệ thống điều khiển 3.1) Áp suất Đơn vị cơ bản của áp suất theo hệ SI là pascal (Pa) 1 Pascal là áp suất phân bố đều lên bề mặt có diện tích 1m2 với lực tác động vuông góc lên bề mặt đó là Newton ( N ) 1 Pascal ( Pa ) = 1N/m2 Trong thực tế người ta dùng đơn vị bội của Pascal là Megapascal ( MPa ) 1 MPa = 106 Pa Ngoài ra người ta cìn dùng đơn vị bar, 1 bar = 105 Pa 3.2) Lực Đơn vị của lực là Newton ( N ) 1 Newton ( N ) là lực tác động lên đối trọng có khối lượng 1 Kg với gia tốc 1m/s2 3.3) Công Đơn vị của công là Juole ( J ) 1 Joule (J) là công sinh ra dưới tác dụng của lực 1 N để vật dịch chuyển một quảng đường 1m.4) Công suất Đơn vị của công suất là Watt 1 Watt ( W ) là công suất, trong thời gian 1 giây sinh ra năng lượng 1 Joule.5) Độ nhớt động Đơn vị độ nhớt động m2/s.
1 m2/s là độ nhớt động của một chất lỏng có độ nhớt động lực 1 Pa.s và khối lượng riêng 1Kg/m3. η 𝑣= 𝜌 Trong đó: η : Độ nhớt động ( Pa.s) ρ : Khối lượng riêng ( Kg/m3 ) v : độ nhớt động ( m/s2 ) Ngoài ra người ta còn sử dụng đơn vị đo độ nhớt động là stoke (St) hoặc là centistoke (cSt) Hình 1: Sự phụ thuộc áp suất, nhiệt độ, và độ nhớt động của không khí 4. Cơ sở tính toán khí nén 4.1) Thành phần hóa học của khí nén Nguyên tắc hoạt động của thiết bị là không khí trong khí quyển, được hút vào và nén trong máy nén khí. Sau đó từ máy nén đưa vào hệ thống khí nén.
Không khí là loại khí hổn hợp, bao gồm những thành phần (bảng 1. Ngoài những thành phần trên, không khí còn có bụi, hơi nước, …, chính những thành phần đó gây ra cho các thiết bị khí nén sự ăn mòn, sự gỉ. Phải có những biện pháp hay thiết bị để loại trừ hoặc giới hạn thấp nhất những thành phần đó trong hệ thống.2) Phương trình trạng thái nhiệt động học Giả thiết là khí nén trong hệ thống gần như là lý tưởng. Phương trình trạng thái nhiệt tổng quát của khí nén: pabs = m.T (1-1) Trong đó: pabs : Áp suất tuyệt đối (bar) V: Thể tích khí nén (m3) m: Khối lượng (kg) R: Hằng số nhiệt (j/kg.
Đinh luật boyle-mariotte Khi nhiệt độ thay đổi (T= hằng số), theo phương trình nhiệt tổng quát (1-1), ta có: pabs.V = hằng số Nếu gọi: V1(m3) thể tích khí nén tại thời điểm áp suất p1 V2(m3) thể tích khí nén tại thời điểm áp suất p2 p1abs (bar) áp suất tuyệt đối khí nén có thể tích V1 p2abs (bar) áp suất tuyệt đối khí nén có thể tích V2 Theo phương trình (1-2) ta có: Hình 2 biểu diễn sự phụ thuộc áp suất và thể tích khi nhiệt độ thay đôi đường cong parabol b. Định luật 1 Gay-Lussac Áp suất không thay đổi (p = hằng số), phương trình (1-1) ta có: Trong đó: T1: Nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V1 (K) T2: Nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V2 (K) Năng lượng nén và năng lượng giản nở không khí tính theo phương trình: W = p. Định luật 2 Gay - Lusac Thể tích V thay đổi, theo phương trình (1-1) ta có: Vì thể tích V không thay đổi, nên năng lượng nén và năng lượng giản nỡ bằng 0 W=0 d.