CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ NÉN 1. Cơ sở lý thuyết về khí nén 1. Sự phát triển của kỹ thuật khí nén 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 còn thiếu. 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 50 oC đến 150oC 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. Hãng FESTO (Đức) có những chương trình phát triển hệ thống điều khiển bằng khí nén rất đa dạng, không những phục vụ cho công nghiệp mà còn phục vụ cho sự phát triển các phương tiện dạy học. Khả năng ứng dụng của khí nén - Trong lĩnh vực điều khiển, hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng ở những lĩnh vực mà ở đó cần độ an toàn cao như ở 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 của điều khiển dùng khí nén rất tốt và độ an toàn cao.
Ngoài ra, hệ thống điều khiển bằng khí nén còn được sử dụng trong các dây chuyền rửa tự động, trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của thiết bị lò hơi, thiết bị mạ điện, đóng gói, bao bì và trong công nghiệp hóa chất. - Trong các hệ thống 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 năng lƣợng 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 nhỏ 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 những máy mài với công suất nhỏ, nhưng với số vòng quay cao khoảng 100.000 v/ph thì khả năng sử dụng động cơ truyền động bằng khí nén là phù hợp. + Truyền động thẳng: Vận 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 các thiết bị làm lạnh cũng như trong hệ thống phanh hãm của ôtô. Đơn vị đo trong hệ thống điều khiển khí nén 1.
Áp suất - Đơn vị cơ bản của áp suất trong hệ đo lường 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 1 Newton (N). - Trong thực tế người ta dùng đơn vị bội số của Pascal là Megapascal (MPa). - Ngoài ra còn dùng đơn vị bar.
Lực - Đơn vị của lực trong hệ đo lường SI là Newton (N). 1 Newton (N) là lực tác động lên đối trọng có khối lượng 1 kg với gia tốc 1m/s2.Công - Đơn vị của công trong hệ đo lường SI là Joule (J). 1 Joule (J) là công sinh ra dưới tác động của lực 1 N để vật thể dịch chuyển quảng đường 1 m.Công suất - Đơn vị của công suất trong hệ đo lường SI là Watt (W). 1Watt (W) là công suất, trong thời gian 1 giây sinh ra năng lượng 1 Joule.Độ nhớt động - Độ nhớt động không có vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển bằng khí nén.
Đơn vị của độ nhớt động là m2/s. 1m2/s là độ nhớt động của một chất lỏng có độ nhớt động lực 1 Pa.s và khối lượng riêng 1 kg/m3. 𝒏 𝒗= 𝝆 Trong đó: n: độ nhớt động lực [Pa. 𝝆 : khối lượng riêng [kg/m3].
Ngoài ra, người ta còn sử dụng đơn vị đo độ nhớt động là stokes (St) hoặc là centistokes (cSt). Hình MĐ17-01-1 - Mối quan hệ của áp suất, nhiệt độ và độ nhớt động của không khí. Đặc điểm của hệ truyền động bằng khí nén - 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.
- 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 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 lớn trong các xí nghiệp hệ thống đường dẫn khí nén đã có sẵn. - Hệ thống phòng ngừa áp suất giới hạn được bảo đảm.
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 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 nhược điểm 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. Máy nén khí và thiết bị xử lý khí nén 2.
Máy nén khí 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 - Theo 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 áp suất trong bình chứa sẽ tăng lên. Các loại máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích gồm: kiểu Piston, bánh răng và cánh gạt.
- Theo 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 này tạo ra lưu lượng và công suất khí lớn. Máy nén khí theo nguyên lý này như: máy nén khí kiểu ly tâm. Phân loại máy nén khí - 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 theo nguyên lý động năng 2. Máy nén khí kiểu piston 3 4 2 1 Hình 1.
Máy nén khí kiểu piston một cấp - Cấu tạo cơ bản: 1- Trục quay 2- Pit tong 3- Van xả 4- Van hút - Nguyên lý hoạt động: Khi trục quay hoạt động làm Piston đi lên và đi xuống, khi Piston đi xuống van xả đóng lại van hút mở ra sẽ hút không khí vào buồng xy lanh (chu kỳ hút), khi Piston đi lên van hút đóng lại và van xả mở ra sẽ đẩy không khí vào bình chứa (chu kỳ nén và đẩy) và kết thúc một chu trình, chu trình hoạt động sẽ được lặp lại. * Loại máy nén khí kiểu Piston một cấp có thể hút được lưu lượng khí đến 10m3/phút với áp suất nén tới 6bar. Có thể trong một số trường hợp áp suất lên tới 10bar. Máy nén khí kiểu piston 2.
Máy nén khí kiểu Root Hình 2. Hình ảnh máy nén khí kiểu Piston một cấp Hình 1. Máy nén khí kiểu Root 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 khí phía sau. Nghĩa là khi rotor quay được 1 vòng thì vẫn chưa tạo ra áp suất trong buồng đẩy, cho đến khi rôto quay vòng thứ hai thì dòng lưu lượng đó đẩy vào dòng lưu lượng ban đầu và cuối cùng mới vào buồng đẩy.Với nguyên tắc này thì tiếng ồn khi chạy máy sẽ tăng lên.
Máy nén dạng này thường được sử dụng làm máy nén khí hoặc máy hút chân không. Các loại máy nén khí khác a. Máy nén khí kiểu cánh gạt Hình 1. Nguyên lý hoạt động máy nén khí kiểu cánh gạt Nhờ có độ lệch tâm e giữa rô to và stato, cánh gạt có thể chuyển động tịnh tiến xa và gần so với tâm của rô to nên khi rô to 2 quay như hình 2.