Tin tức
Cơ sở lý thuyết về khí nén
Nội dung chính của bài viết
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 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.
2. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA KHÍ NÉN
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 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.
2.2.Trong lĩnh vực truyền động
– Các dụng cụ, thiết bị máy va đập:
Các thiết bị, máy móc trong lĩnh vực như 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.
– Trong các thiết bị đo và kiểm tra:
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 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.
4.ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN
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.
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.
5. MÁY NÉN KHÍ VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY NÉN KHÍ
Nguyên lý hoạt động của máy nén khí: áp xuất 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.
Phân loại máy nén khí theo nguyên lý hoạt động:
a.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 xuất trong buồng chứa sẽ tăng lên. Các loại máy nén khí píttong, cánh gạt, bánh răng…
b.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 dòng hỗn hợp…
Máy nén khí phân lọai theo áp suất làm việc cụ thể như sau:
Máy nén khí áp suất thấp : p≤15bar
Máy nén khí áp suất cao : ≥ 15bar
Máy nén khí áp suất rất cao : p ≥300 bar
6. MÁY SẤY KHÍ KIỂU LÀM LẠNH, MÁY SẤY KHÍ HẤP THỤ VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
Như đã trình bày ở các phần trước: 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. Vì vậy, khí nén được sử dụng trong hệ thống khí nén phải được xử lý.
Nguyên lý làm việc của máy sấy khí (kiểu làm lạnh) là: khí nén đi qua bộ phận trao đổi nhiệt khí-khí (máy sấy khí). Quá trình làm lạnh sẽ được thực hiện bằng cách cho dòng khí nén chuyển động đảo chiều trong những ống dẫn. Nhiệt độ đọng sương tại đây nằm trong khoảng 2-6 độ C. Như vậy lượng hơi nước trong dòng khí nén vào sẽ được ngưng tụ.
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).
Dòng khí nén được làm sạch và còn lạnh sẽ được đưa đến bộ phận trao đổi nhiệt để nâng nhiệt độ lên khoảng từ 6-8 độ C, trước khi đưa vào sử dụng.
Chu kỳ hoạt động của chất làm lạnh được thực hiện bằng máy nén để phát chất làm lạnh. Sau khi chất làm lạnh được nén qua máy nén, nhiệt độ sẽ tăng lên, bình ngưng tụ sẽ có tác dụng giải nhiệt chất làm lạnh bằng quạt gió. Van điều chỉnh lưu lượng và rơ le điều chỉnh nhiệt độ có nhiệm vụ điều chỉnh dòng lưu lượng chất làm lạnh hoạt động trong khi có tải, không tải và hơi quá nhiệt.
Với loại máy sấy khí kiểu làm lạnh thường được sử dụng trong các trường hợp yêu cầu nhiệt độ điểm sương trên 0 độ C.
Phương pháp sấy khô bằng máy sấy khí làm việc khá ổn định.
Nguyên lý làm việc của máy sấy khí (kiểu hấp thụ) là: 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 -50 độ C, tái tạo từ 120 độ C đến 180 độ C.
Khí nén được cấp bởi máy nén khí được cung cấp vào bình, đi qua chất hấp thụ. Lượng hơi nước trong khí nén kết hợp với chất hấp thụ tạo thành giọt nước lắng xuống đáy bình, phần nước ngưng tụ được dẫn ra ngoài bằng van xả đáy (thường là các bộ tự động xả nước). Phần khí nén khô sẽ theo cửa ra của bình để cấp cho hệ thống.
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.