Khí Nén: Khái Niệm và Ứng Dụng Trong Kỹ Thuật

Tài liệu nghiên cứu 13 coto kntl 8125, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về ., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Tác giả: Lê Ngọc Cường
• Trường học: Khoa Cơ khí Động lực
• Đề tài: Khí Nén: Khái Niệm, Ứng Dụng và Các Quy Luật Cơ Bản

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VÀ CÁC QUY LUẬT VỀ TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN
• 1.1. Bài 1: Khái niệm, yêu cầu và các thông số của khí nén
• 1.1.1. Lịch sử phát triển
• 1.1.2. Khả năng ứng dụng của khí nén
• 1.1.2.1. Trong lĩnh vực điều khiển
• 1.1.2.2. Hệ thống truyền động
• 1.1.3. Những ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén
• 1.1.3.1. Ưu điểm
• 1.1.3.2. Nhược điểm
• 1.1.4. Các thông số của khí nén
• 1.1.4.1. Nguyên lý truyền động
• 1.1.4.2. Đơn vị đo các đại lượng cơ bản
• 1.1.4.2.1. Áp suất
• 1.1.4.2.2. Lưu lượng
• 1.1.4.2.3. Lực
• 1.1.4.2.4. Công
• 1.1.4.2.5. Công suất
• 1.1.4.2.6. Độ nhớt động
• 1.2. Bài 2: Các qui luật truyền dẫn khí nén
• 1.2.1. Các phương trình tính toán dòng chảy khí nén
• 1.2.1.1. Các đại lượng vật lý cơ bản của không khí
• 1.2.1.2. Các phương trình tính toán
• 1.2.1.2.1. Phương trình trạng thái nhiệt động học
• 1.2.1.2.2. Phương trình dòng chảy
• 1.2.2. Các định luật cơ bản của dòng chất khí
• 1.2.2.1. Định luật pascal
• 1.2.2.2. Lưu lượng lưu chất
• 1.2.2.3. Định luật chất khí
• 1.3. Bài 3: Các thiết bị sử dụng khí nén
• 1.3.1. Cơ cấu chấp hành
• 1.3.2. Van đảo chiều
• 1.3.2.1. Nguyên lý hoạt động của van đảo chiều
• 1.3.2.2. Ký hiệu van đảo chiều
• 1.3.2.3. Một số van đảo chiều thường gặp
• 1.3.2.3.1. Các tín hiệu tác động
• 1.3.2.3.1.1. Tín hiệu tác động bằng tay
• 1.3.2.3.1.2. Tín hiệu tác động bằng cơ
• 1.3.2.3.1.3. Tín hiệu tác động bằng khí nén
• 1.3.2.3.1.4. Tín hiệu tác động bằng nam châm điện
• 1.3.2.3.2. Van đảo chiều có vị trí "0"
• 1.3.2.3.3. Van đảo chiều không có vị trí "0"
• 1.3.2.3.4. Van đảo chiều 2/2
• 1.3.2.3.5. Van đảo chiều 3/2
• 1.3.2.3.6. Van đảo chiều 4/2
• 1.3.2.3.7. Van đảo chiều 5/2
• 1.3.2.3.8. Van xoay đảo chiều 4/3
• 1.3.2.3.9. Van đảo chiều xung 4/2
• 1.3.3. Van chặn
• 1.3.3.1. Van một chiều
• 1.3.3.2. Van logic OR

Tóm tắt

I. Khí Nén Khái Niệm và Lịch Sử Phát Triển Đầy Đủ

Khí nén là một dạng năng lượng được tạo ra từ không khí, được nén lại để sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Lịch sử phát triển của khí nén có thể được truy ngược từ thời kỳ trước Công Nguyên, nhưng sự phát triển thực sự chỉ bắt đầu vào thế kỷ 19. Các thiết bị sử dụng khí nén đã được phát minh và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến y tế. Khí nén không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn mang lại hiệu quả cao trong sản xuất.

1.1. Khái Niệm Khí Nén và Các Thông Số Cơ Bản

Khí nén được định nghĩa là không khí được nén lại dưới áp suất cao. Các thông số cơ bản của khí nén bao gồm áp suất (P) và lưu lượng (Q). Áp suất là lực tác động lên một đơn vị diện tích, trong khi lưu lượng là thể tích khí đi qua một tiết diện trong một đơn vị thời gian.

1.2. Lịch Sử Phát Triển Khí Nén Trong Công Nghiệp

Sự phát triển của khí nén trong công nghiệp bắt đầu từ thế kỷ 19 với các máy móc sử dụng năng lượng khí nén. Sau chiến tranh thế giới thứ hai, khí nén trở thành một phần quan trọng trong kỹ thuật điều khiển, với nhiều thiết bị mới được phát minh.

II. Các Quy Luật Cơ Bản Của Khí Nén Định Luật và Nguyên Lý

Các quy luật cơ bản của khí nén bao gồm định luật Pascal và các định luật chất khí. Định luật Pascal cho biết áp suất trong một chất lỏng kín là đồng nhất, trong khi các định luật chất khí mô tả mối quan hệ giữa áp suất, thể tích và nhiệt độ của khí. Những quy luật này là nền tảng cho việc thiết kế và vận hành các hệ thống khí nén.

2.1. Định Luật Pascal và Ứng Dụng Trong Khí Nén

Định luật Pascal khẳng định rằng áp suất tác động lên một chất lỏng trong một bình kín sẽ được truyền đều đến mọi điểm trong chất lỏng. Điều này có thể áp dụng cho khí nén, giúp khuếch đại lực trong các hệ thống điều khiển.

2.2. Các Định Luật Chất Khí Boyle và Charles

Định luật Boyle mô tả mối quan hệ giữa áp suất và thể tích của khí ở nhiệt độ không đổi, trong khi định luật Charles mô tả mối quan hệ giữa thể tích và nhiệt độ. Những định luật này giúp hiểu rõ hơn về hành vi của khí nén trong các ứng dụng thực tế.

III. Ứng Dụng Khí Nén Trong Công Nghiệp Từ Sản Xuất Đến Điều Khiển

Khí nén được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ sản xuất đến điều khiển tự động. Các thiết bị như búa hơi, máy nén khí, và hệ thống điều khiển bằng khí nén đã trở thành những công cụ không thể thiếu trong sản xuất hiện đại. Khí nén không chỉ giúp tăng hiệu suất mà còn đảm bảo an toàn trong quá trình sản xuất.

3.1. Ứng Dụng Khí Nén Trong Thiết Bị Sản Xuất

Khí nén được sử dụng trong nhiều thiết bị sản xuất như máy phun sơn, máy dập, và các thiết bị gia công. Những ứng dụng này giúp tăng tốc độ sản xuất và cải thiện chất lượng sản phẩm.

3.2. Hệ Thống Điều Khiển Tự Động Bằng Khí Nén

Hệ thống điều khiển tự động bằng khí nén được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như sản xuất điện tử và công nghiệp hóa chất. Khí nén cung cấp một giải pháp an toàn và hiệu quả cho các quy trình tự động hóa.

IV. Ưu Điểm và Nhược Điểm Của Hệ Thống Khí Nén Phân Tích Chi Tiết

Hệ thống khí nén có nhiều ưu điểm như khả năng truyền năng lượng đi xa, chi phí thấp và tính an toàn cao. Tuy nhiên, cũng tồn tại một số nhược điểm như lực truyền tải thấp và tiếng ồn phát ra từ dòng khí. Việc hiểu rõ những ưu điểm và nhược điểm này là cần thiết để tối ưu hóa việc sử dụng khí nén trong công nghiệp.

4.1. Ưu Điểm Nổi Bật Của Hệ Thống Khí Nén

Hệ thống khí nén có khả năng truyền năng lượng đi xa với tổn thất áp suất thấp. Ngoài ra, khí nén là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường.

4.2. Nhược Điểm Cần Lưu Ý Khi Sử Dụng Khí Nén

Một số nhược điểm của hệ thống khí nén bao gồm lực truyền tải thấp và sự thay đổi vận tốc khi tải trọng thay đổi. Điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.

V. Tương Lai Của Khí Nén Xu Hướng Phát Triển Mới

Tương lai của khí nén hứa hẹn sẽ có nhiều phát triển mới, đặc biệt là trong lĩnh vực tự động hóa và công nghệ thông minh. Sự kết hợp giữa khí nén và công nghệ điện tử sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng trong công nghiệp. Việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị khí nén hiện đại sẽ giúp nâng cao hiệu quả và an toàn trong sản xuất.

5.1. Xu Hướng Tích Hợp Công Nghệ Mới Vào Hệ Thống Khí Nén

Sự tích hợp giữa khí nén và công nghệ IoT sẽ giúp cải thiện khả năng giám sát và điều khiển trong các hệ thống sản xuất. Điều này sẽ tạo ra những giải pháp thông minh hơn cho ngành công nghiệp.

5.2. Nghiên Cứu và Phát Triển Thiết Bị Khí Nén Hiện Đại

Nghiên cứu và phát triển các thiết bị khí nén mới sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu nhược điểm của hệ thống hiện tại. Các thiết bị này sẽ được thiết kế để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: khái niệm và các quy luật về Truyền động bằng khí nén Bài 1: Khái niệm, yêu cầu và các thông số của khí nén 1. Lịch sử phát triển Ứng dụng khí nén đã có từ thời trước Công Nguyên, tuy nhiên sự phát triển của 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 thứ 19, các máy móc thiết bị 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 bằng khí nén bị giảm dần. Tuy nhiên, việc sử dụng năng lượng bằng khí nén vẫn đóng một vai trò cốt yếu ở những lĩnh vực mà khi sử dụng điện sẽ không an toàn. Khí nén được sử dụng ở những dụng cụ nhỏ nhưng truyền động với vận tốc lớn như: búa hơi, dụng cụ dập, tán đinh… nhất là các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt trong các máy. 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. Khả năng ứng dụng của khí nén a. Trong lĩnh vực điều khiển + Vào những thập niên 50 và 60 của thế kỷ 20, là thời gian phát triển mạnh mẽ của giai đoạn tự động hóa quá trình sản xuất, kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

+ Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong các lĩnh vực như: các thiết bị phun sơn, các loại đồ gá kẹp chi tiết hoặc là sử dụng trong lĩnh vực sản xuất các 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 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. Lê ngọc Cường 5 Khoa Cơ khí Động lực b. Hệ thống truyền động + Các dụng cụ, thiết bị máy va đập: các thiết bị, máy móc trong lĩnh vự khai thác đá, khai thác than, trong các công trình xây dựng (xây dựng hầm mỏ, đường hầm,.

+ Truyền động thẳng: vận dụng truyền động bằng áp suất khí nén cho chuyển động thẳng trong các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt 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. + Truyền động quay: truyền động xilanh, động cơ quay với công suất lớn bằng năng lượng khí nén. + Trong các hệ thống đo và kiểm tra: được dùng trong các thiết bị đo và kiểm tra chất lượng sản phẩm. Những ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén a.

Ưu điểm + Có khả năng truyền năng lượng đi xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn nhỏ. + Do khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí, nên có thể trích chứa khí nén rất thuận lợi. Vì vậy có khả năng ứng dụng để thành lập một trạm trích chứa khí nén. + Không khí dùng để nén, hầu như có số lượng không giới hạn và có thể thải ra ngược trở lại bầu khí quyển.

+ Hệ thống khí nén sạch sẽ, dù cho có sự rò rỉ không khí nén ở hệ thống ống dẫn, do đó không tồn tại mối đe dọa bị nhiễm bẩn. + Chi phí nhỏ để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén, bởi vì phần lớn trong các xí nghiệp, nhà máy đã có sẳn đường dẫn khí nén. + Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo, nên tính nguy hiểm của quá trình sử dụng hệ thống truyền động bằng khí nén thấp. + Các thành phần vận hành trong hệ thống (cơ cấu dẫn động, van, .) có cấu tạo đơn giản và giá thành không đắt.

+ Các van khí nén phù hợp một cách lý tưởng đối với các chức năng vận hành logic, và do đó được sử dụng để điều khiển trình tự phức tạp và các móc phức hợp. Nhược điểm + Lực để truyền tải trọng đến cơ cấu chấp hành thấp. + Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi, thì vận tốc truyền cũng thay đổi theo, bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn. Lê ngọc Cường 6 Khoa Cơ khí Động lực + Dòng khí thoát ra ở đường dẫn ra gây nên tiếng ồn.

Các thông số của khí nén 1. Nguyên lý truyền động Năng lượng của khí nén được tích lũy dưới dạng thế năng, bao gồm hai thông số cơ bản là: - Áp suất (P) - Lưu lượng (Q) Thế năng của dòng khí nén, được đưa đến các bộ phận công tác để biến thành cơ năng dưới dạng chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay. Đơn vị đo các đại lượng cơ bản a. Áp suất Đơn vị đo cơ bản của áp suất theo hệ đo lường SI là pascal.

1 pascal là áp suất phân bố đều lên bề mặt có diện tích 1m2 với lực tác dụng vuông góc lên bề mặt đó là 1 N. 1 Pa = 1 N/m2 1 Pa = 1 kgm/s2/m2 = 1 kg/ms2 1 Pa = 106- Mpa Ngoài ra ta còn dùng đơn vị là bar. Lưu lượng Lưu lượng, là vận tốc dòng chảy của lưu chất đi qua một tiết diện đường ống trong một đơn vị thời gian.1) Trong đó: Q- lưu lượng của dòng chảy V- vận tốc trung bình của dòng chảy(m/s) A- tiết diện đường ống (m) B- c. Lực Đơn vị của lực là Newton (N).

1 N là lực tác dụng lên đối trọng có khối lượng 1 kg với gia tốc 1 m/s2.m/s2 Lê ngọc Cường 7 Khoa Cơ khí Động lực d. Công Đơn vị của công 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 là Watt.

1 Watt 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. 1 m2/s là độ nhớt động của một chất lỏng có độ nhớt động lực 1 Pa.s và khối lượng riêng 1 kg/m3 .3)  Trong đó: : độ nhớt động [Pa.

: 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). Nhieät ñoä t ( C) 0 1 bar 0,25 0,20 Ñoä nhôùt ñoäng  (cm /s) 2 0,15 2 bar 0,10 3 bar 4 bar 0,05 5 bar 6 bar 7 bar 1 0 20 40 60 80 100 120 140 Hình 1. Sự phụ thuộc ápNhieä suất,t ñoänhiệt t ( C) độ và độ nhớt động của không khí.

0 Lê ngọc Cường 8 Khoa Cơ khí Động lực Bài 2: Các qui luật truyền dẫn khí nén 2. Các phương trình tính toán dòng chảy khí nén 2.Các đại lượng vật lý cơ bản của không khí Bảng 1. Các đại lượng vật lý cơ bản của không khí stt Đại lượng vật lý K.hiệu Giá trị Đơn vị Ghi chú 1 Khối lượng riêng n 1,293 kg/m 3 T=273K, Pa=760 2 Hằng số khí R 287 J/kg.K 3 Tốc độ âm thanh s 331,2 m/s Ở nhiệt độ 00C 344 Ở nhiệt độ 200C 4 Nhiệt lượng riêng cp 1,004 kJ/kg.K Aùp suất hằng số cv 0,717 kJ/kg.K Thể tích hằng số 5 Số mũ đoạn nhiệt K 1,4 6 Độ nhớt động lực  17,17.s Ở trạng thái tiêu chuẩn 7 Độ nhớt động  13,28.10 -6 2 m /s Ở trạng thái tiêu chuẩn 2. Các phương trình tính toán a.

Phương trình trạng thái nhiệt động học Giả thiết khí nén trong hệ thống gần như là khí lý tưởng. Phương trình trạng thái nhiệt tổng quát của khí nén: pabs .1) Trong đó: pabs: Aùp suất tuyệt đối [bar]. V: Thể tích của khí nén [m3]. R: hằng số khí.3) T1 T2 Khối lượng không khí m được tính theo công thức: - Khi nhiệt độ T không thay đổi, ta có: m 1  p 2 abs (2.4) m p1abs 2 Lê ngọc Cường 9 Khoa Cơ khí Động lực Hay: p 2 abs  2  1 .5) p1abs - Khi áp suất p không thay đổi, ta có: T  2  1 .6) T2 - Khi cả ba đại lượng trên đều thay đổi, ta có: T1.

p1abs Thể tích riêng của không khí: V v= .8) m Suy ra, ta có phương trình trạng thái của khí nén: p.9) T Trong đó; R là hằng số khí. 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 suất không thay đổi ký hiệu cp. tỷ số của cv và cp gọi là số mũ đoạn nhiệt k: c k= p (2.10) cv Hiệu số của cp và cv gọi là hằng số khí R: k 1 R = cp – cv = cp = cv(k -1) (2.11) k Trạng thái đoạn nhiệt là trạng thái mà trong quá trình nén hay giãn nở không có nhiệt được đưa vào hay lấy đi, có phương trình sau: p1.12) p2 v1 T2 Diện tích mặt phẳng 1, 2, 5, 6 trong hình 1.2 tương ứng lượng nhiệt giãn nở cho khối lượng khí 1 kg và có giá trị: p1 .v  T  W  1 1 1  2  k  1  T1  Lê ngọc Cường 10 Khoa Cơ khí Động lực Công kỹ thuật Wt là công cần thiết để nén lượng không khí (Ví dụ trong máy nén khí) hoặc là công thực hiện khi áp suất khí giãn nở.

Diện tích mặt phẳng 1, 2, 3, 4 ở trong hình 1.2 là công thực hiện để nén hay công thực hiện khí áp suất khí giãn nở cho 1 kg không khí, có giá trị: k   v  k 1  Wt  p1 .v1 1      k p k W 2 k 1   p1     Trong thực tế không thể thực hiệân được quá trình đẳng nhiệt hay đoạn nhiệt. Qúa trình xảy ra thường nằm trong khoảng giữa quá trình đẳng nhiệt và quá trình đoạn nhiệt gọi là quá trình đa biến và có phương trình: n n p1  v 2  T  n 1 p1.