Nguồn cung cấp khí nén

1. Nguyên lý chung

Khí nén được tạo ra từ máy nén khí. Hình 1 mô tả một hệ thống máy nén khí điển hình. Một động cơ điện lai máy nén nén khí vào bình chứa. Việc điều khiển máy nén khí được thực hiện bằng rơ-le áp lực max và min. Khi áp suất khí trong bình chứa giảm xuống giá trị min thì rơ-le này tác động đóng mạch cho động cơ điện lai máy nén, ngược lại khi áp suất khí trong bình đạt giá trị max thì rơ-le này tác động dừng động cơ điện lai máy nén. Với P là áp suất khí trong bình chứa, ta có thuật toán điều khiển máy nén như sau:

Nếu P = P_min thì chạy máy nén, P tăng dần P_max > P > P_min vẫn chạy máy nén.

Nếu P = P_maxdừng máy nén, do tiêu thụ P giảm dần P_max > P > P_minvẫn dừng máy nén.

P = P_minchạy máy nén.

Hình 1. Sơ đồ một máy nén khí điển hình
1. Bình chứa; 2. Van xả; 3. Van; 4. Bộ lọc; 5. Bộ điều chỉnh áp suất và đồng hồ đo;
6. Ống góp; 7. Van an toàn; 8. Đồng hồ đo; 9. Rơ-le điều khiển;
10. Động cơ điện; 11. Máy nén khí; 12. Phin lọc.

Áp suất khí trong bình được chỉ thị bởi đồng hồ, thường đơn vị là bar 1bar = 0,1 N/mm² = 100Kpa ≈ áp suất khí quyển.

Nguồn khí từ bình chứa đi qua một bộ lọc để đảm bảo khí sạch và khô, sau đó qua bộ điều chỉnh lưu lượng để tạo lưu lượng khí ổn định có áp suất thấp hơn trong bình chứa.

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý một hệ thống máy nén khí đơn giản
1. Bộ lọc khí; 2. Phin lọc; 3. Bộ điều chỉnh áp suất
4. Bộ bôi trơn; 5. Họng khí; 6. Van xả.

Khí nén sau khi qua van điều chỉnh thì qua một bộ bôi trơn bằng dầu và khí mang lượng dầu này đi bôi trơn cho các phần tử khí giúp chúng hoạt động trơn tru và hiệu quả hơn.

2. Máy nén khí

Máy nén là một thiết bị có nhiệm vụ hút không khí từ ngoài khí quyển và nén vào một không gian kín, áp suất khí tăng dần làm cho nhiệt độ khí tăng. Khí được hút vào máy nén càng lạnh càng tốt để cho một lượng khí lớn nhất có thể được hút trong mỗi chu kỳ có độ ẩm càng thấp càng tốt. Có 3 loại máy nén được dùng làm máy nén khí:

Máy nén tịnh tiến. (reciprocating compressor).
Máy nén cánh quay. (rotating vane compressor).
Máy nén trục vít. (rotary screw compressor).

2.1. Máy nén tịnh tiến (reciprocating compressor)

Nguyên lý hoạt động tương tự như hệ thống trong xe gắn máy bao gồm: trục khuỷu, thanh truyền, xu-pap (có thể được thay bằng lá van), … Áp dụng cho những trường hợp cần lưu lượng nhỏ từ khoảng vài lít/phút đến khoảng 1,6 m³/phút tùy từng hãng sản xuất. Công suất trong khoảng từ 1 HP – 20 HP.

Hình 3. Cấu trúc của máy nén tịnh tiến.

Nhược điểm:

Hiệu suất thấp (cùng một công suất động cơ của máy nén khí thì máy nén khí trục vít bao giờ cũng cho lượng khí nén lớn hơn máy nén khí piston).
Độ ồn lớn (lớn hơn khoảng 40 – 50%) và rung do chuyển động tịnh tiến qua lại của piston.
Khí nén cung cấp không được liên tục do đó phải có bình chứa khí nén đi kèm, tuổi thọ kém.

Ưu điểm của nó là giá thành thấp, tính cơ động cao.

Hình 4. Hình dạng máy nén tịnh tiến.

2.2. Máy nén cánh quay (rotating vane compressor)

Nguyên lý cấu tạo và hoạt động như hình vẽ 5. Không khí từ ngoài môi trường được hút vào buồng nén của máy nén thông qua một bộ lọc. Buồng nén bao gồm một stator trong đó bố trí một rotor được đặt lệch tâm. Rotor có rãnh dọc trục và trong đó bố trí các cánh gạt. Cánh gạt dịch chuyển trong rãnh và được bôi trơn bởi một lớp dầu mỏng. Khi hoạt động, các cánh gạt được giữ ở vị trí tựa vào thành trong của stator bởi tác dụng của lực ly tâm. Do rotor bố trí lệch trục với trục stator cho nên khi quay thì thể tích buồng nén sẽ giảm và làm cho áp suất khí trong buồng nén tăng lên. Khi quay đến vị trí buồng nén nối thông với cửa ra thì khí nén được cấp cho hệ thống sử dụng. Việc làm kín, làm mát và bôi trơn được đảm bảo nhờ vào dầu bôi trơn được đưa vào buồng nén trong quá trình máy hoạt động.

Hình 5. Nguyên lý cấu tạo máy nén cánh gạt.

Hình 6. Cấu tạo cánh gạt và máy nén cánh gạt.

2.3. Máy nén trục vít (rotary screw compressor)

Máy nén khí trục vít hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích. Máy nén khí trục vít gồm có hai trục. Trục chính và trục phụ.

Máy nén khí trục vít ra đời vào khoảng năm 1950 và đã chiếm lĩnh một thị trường lớn trong lĩnh vực khí nén. Loại máy nén khí này có một vỏ đặt biệt bao bọc quanh hai trục vít quay, một lồi một lõm. Các răng của hai trục vít ăn khớp với nhau và số răng trục vít lồi ít hơn trục vít lõm 1 đến 2 răng. Hai trục vít phải quay đồng bộ với nhau, giữa các trục vít và vỏ bọc có khe hở rất nhỏ.

Hình 7. Cấu trúc máy nén trục vít
1 – Rotor chủ động; 2 – Rotor bị động; 3 – Rolling contact bearings; 4 – Van 1 chiều
5 – Cảm biến điều khiển start/không tải; 6 – Cửa ra; 7 – Van tràn; 8 – Oil injecttion; 9 – Cảm biến nhiệt độ khí nén; 10 – Built-in motor; 11 – Hộp đấu dây;
12 – Thiết bị bảo vệ máy nén; SL – Cửa hút; DL – Cửa khí nén ra.

Khi các trục vít quay nhanh, không khí được hút vào bên trong vỏ thông qua cửa nạp và đi vào buồng khí ở giữa các trục vít và ở đó không khí được nén giữa các răng khi buồng khí nhỏ lại, sau đó khí nén đi tới cửa thoát. Cả cửa nạp và cửa thoát sẽ được đóng hoặc được mở tự động khi các trục vít quay hoặc không che các cửa. Ở cửa thoát của máy nén khí có lắp một van một chiều để ngăn các trục vít tự quay khi quá trình nén đã ngừng.

Máy nén khí trục vít có nhiều tính chất giống với máy nén khí cánh gạt, chẳng hạn như sự ổn định và không dao động trong khí thoát, ít rung động và tiếng ồn nhỏ. Đạt hiệu suất cao nhất khi hoạt động gần đầy tải.

Lưu lượng từ 1,0m³/phút và có thể lên tới 60m³/phút.

Hình 8. Hình dạng máy nén trục vít.

3. Xử lý khí nén

Việc xử lý khí nén bao gồm 3 khâu cơ bản: lọc, điều áp và bôi trơn.

3.1. Bộ lọc khí

Nước, chất rắn và dầu cặn cần phải được tách hoàn toàn hoặc một phần ra khỏi khí nén trước khi đưa vào sử dụng. Tuy nhiên, đây là một quá trình phức tạp và tốn kém do đó chỉ cần thực hiện ở mức có thể chấp nhận được tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng.

Chất rắn như cặn bẩn, cát, sản phẩm carbon, và nói chung những hạt có đường kính >25μm cần phải được lọc ra khỏi khí nén. Bộ lọc thường được làm từ sợi thủy tinh, gốm, nylon, nỉ, …

Hình 9. Cấu trúc của bộ lọc khí
(a) – Nguyên lý; (b) – Cấu trúc của bộ lọc thực tế.

Hoạt động:

Khí nén đi qua bộ lọc từ trái sang phải và nó đi qua một màng cản trong cốc bộ lọc. Ảnh hưởng của màng cản là làm cho dòng khí trong cốc quay và các hạt bụi bẩn cùng các giọt nước bị tác dụng của lực ly tâm ngược với hướng mặt trong thành cốc lọc. Sau đó chúng đi xuống đáy của vỏ bộ lọc rồi tích tụ trong cốc lọc.
Khí nén đã được làm sạch trước theo cách này sau đó đi qua màng lọc, nơi có thể lọc các chất bụi bẩn với kích thước nhỏ hơn. Màng lọc trong trường hợp này bao gồm một vật liệu thiêu kết được với độ xốp cao. Độ lọc phụ thuộc vào cỡ lọc của màng lọc được sử dụng.

Chất lỏng có trong khí nén thường là hơi nước, sau khi hấp thụ khói tạo thành axit yếu, cặn dầu thì tạo thành chất lỏng sền sệt. Trong quá trình nén và làm lạnh sau đó, một phần hơi nước ngưng tụ thành dạng lỏng nên rất dễ tách bởi một bộ lọc cơ. Các bộ lọc này ép khí vào hướng riêng biệt để tạo những lực ly tâm tách nước và những giọt dầu ra khỏi dòng khí.

Lượng chất lỏng ngưng tụ từ hơi có trong một thể tích khí nén tăng tỷ lệ thuận với áp suất và tỷ lệ nghịch với nhiệt độ. Vì vậy, tăng áp suất và giảm nhiệt độ là phương pháp hữu hiệu nhất để tách nước ra khỏi khí nén. Trong các hệ thống công nghiệp, khí nén được đưa qua thiết bị làm lạnh để lấy bớt nhiệt, giảm nhiệt độ và tăng độ ngưng tụ. Trong quá trình phân phố khí, áp suất rơi trên đường ống dẫn có thể làm giảm nhiệt độ và tăng độ ngưng tụ do đó van xả là một bộ phận không kém phần quan trọng trong hệ thống ống phân phối khí. Cuối cùng những bộ lọc nhỏ phải được đặt trên đường ống gần với điểm trích nước trước khi sử dụng khí để bảo vệ cho từng thiết bị. Ngày nay, người ta thường sử dụng các bộ lọc có chức năng tự động làm sạch khi đường ống nghỉ để giảm thiểu công việc bảo dưỡng và tránh trường hợp chất cặn bẩn quay trở lại hệ thống.

Sau khi tất cả các chất lỏng và chất rắn đã được tách khỏi thì khí nén cần được đưa qua thiết bị làm khô khí để tách hơi nước. Có 3 nguyên tắc làm khô khí:

Thiết bị hấp thụ nước bằng một tác nhân. (hydroscopic absorption by an agent)
Bộ làm khô đông lạnh. (refrigeration dryer)
Bộ làm khô tan rửa dùng hóa chất. (chemical deliquescent dryer)

Những bộ lọc này làm việc rất hiệu quả nhưng việc tách hơi nước là một khâu phức tạp và tốn kém nên chỉ sử dụng khi cần thiết.

3.2. Bộ điều chỉnh áp suất khí

Sau khi khí đã được làm sạch, nó cần phải được điều chỉnh để hoạt động với áp suất tối ưu của hệ thống. Tất cả các phần tử khí cần phải hoạt động đúng áp suất định mức để tăng hiệu suất làm việc của hệ thống cũng như độ bền của từng phần tử riêng biệt.

Hình 10. Cấu trúc của bộ điều chỉnh có giảm áp.

Những bộ điều chỉnh áp suất, được lắp đặt ở các điểm khác nhau trong mạch khí có chức năng duy trì một áp suất không đổi trong đường ống và cũng để điều khiển lực tạo ra bởi các xy-lanh, bù cho sự thay đổi áp suất đường ống tạo ra bởi các bộ phận chuyển động.

Hoạt động:

Áp suất vào (áp suất ban đầu) của bộ điều áp phải luôn luôn cao hơn áp suất đầu ra (áp suất thứ cấp). Áp suất được điều chỉnh bởi một màng. Áp suất ra tác động trên một mặt của màng và lò xo tác động trên mặt kia của màng. Lực lò xo có thể điều chỉnh thông qua một vít chỉnh.
Khi áp suất ra tăng, ví dụ: trong quá trình tải của xy-lanh thay đổi, màng di chuyển chống lại lực lò xo làm cho diện tích mặt cắt ngang đầu ra tại van đặt giảm hoặc đóng hoàn toàn. Tấm ở giữa màng sau đó mở ra và khí được nén có thể thông tới khí quyển qua lỗ thông trong vỏ.
Khi áp suất đầu ra giảm, lực lò xo mở van. Điều chỉnh áp suất đầu ra định trước là vì một sự đóng mở liên tục của van gây ra bởi dòng khí, áp suất hoạt động được chỉ thị trên đồng hồ.

Bộ điều chỉnh áp suất thường được dùng nhất là bộ “điều chỉnh không hạ áp” (nonrelieving regulator) đặt trên đường ống.

Khí nén được đưa vào một mặt và bằng cách quay vít chỉnh ta điều khiển được áp suất ra, ngoài ra còn một lỗ cho khí dư thoát ra khi áp suất đặt thấp. Áp suất khí ra thường được chỉ thị trên một đồng hồ lắp ngay trên bộ điều chỉnh.

Hoạt động:

Nếu khí không được rút trên mặt thứ cấp, áp suất tăng và ấn màng chống lại sự nén của lò xo. Diện tích mặt cắt ngang đầu ra tại van đặt bị giảm và đóng và dòng khí bị giảm hoặc bị cắt hoàn toàn. Khí nén có thể tiếp tục lưu thông chỉ khi khí được rút lên mặt thứ hai.

Hình 11. Cấu trúc của bộ điều chỉnh không có giảm áp
1 – Thân bộ điều chỉnh; 2 – Núm xoay chỉnh giá trị đặt ;
3 – Màng; 4 – Nắp đáy; 5 – Lò xo.

3.3. Bộ bôi trơn khí

Để bôi trơn các bộ phận chuyển động của mạch khí, người ta thường phun một lượng dầu dưới dạng sương vào khí nén.

Hình 12. Cấu trúc của bộ bôi trơn.

Hoạt động:

Khí nén đi qua bộ bôi trơn làm cho áp suất sụt giảm giữa bình đựng dầu và phần trên của bộ bôi trơn. Áp suất khác nhau là đủ để lực làm dầu đi lên qua một ống dẫn sau đó chảy vào trong một vòi có thể quan sát thông qua một kính quan sát. Tại đây, dầu được phân nhỏ và được đưa vào bởi dòng khí tới một phạm vi lớn hơn hoặc nhỏ hơn.

Bộ bôi trơn này ít khi được sử dụng cho đường ống dài hơn . Không nên dùng bộ bôi trơn này cho các hệ thống logic thủy hoặc các hệ thống khí thấp áp không có bộ phận chuyển động.

3.4. Bộ xử lý khí

Các chức năng trên có thể kết hợp trong một thiết bị gọi chung là bộ xử lý khí (FRL – Filter Regulator Lubricator). Bộ xử lý khí thường được kết nối phía cao áp của tất cả các hệ thống khí.

Hình 13. Nguyên lý cấu tạo của bộ xử lý khí FRL điển hình.

Hình 14. Cấu trúc và hình dạng thực của bộ xử lý khí FRL điển hình
1 – Thân chính; 2 – Núm chỉnh định giá trị đặt; 3 – Bowl guard.

Hình 15. Ký hiệu bộ xử lý khí có bộ bôi trơn.

Hình 16. Ký hiệu bộ xử lý khí không có bộ bôi trơn.

4. Hệ thống phân phối khí nén

4.1. Yêu cầu chung

Hệ thống thiết bị phân phối khí nén có nhiệm vụ chuyển không khí từ máy nén khí đến khâu cuối cùng để sử dụng, ví dụ như động cơ khí nén, máy ép dùng không khí nén, máy nâng dùng không khí nén, máy rung dùng không khí nén, dụng cụ cầm tay dùng không khí nén và hệ thống điều khiển dùng không khí nén (cơ cấu chấp hành, các phần tử điều khiển).

Hình 17. Hệ thống thiết bị phân phối khí nén.

Truyền tải không khí nén được thực hiện bằng ống dẫn khí nén, cần phân biệt ở đây mạng đường ống được lắp ráp cố định (như trong nhà máy) và mạng đường ống lắp ráp trong từng thiết bị, trong từng máy.

Yêu cầu đối với thiết bị phân phối khí nén là đảm bảo áp suất p, lưu lượng Q và chất lượng của khí nén cho nơi tiêu thụ, cụ thể là các thiết bị máy móc. Ngoài tiêu chuẩn chọn hợp lý máy nén khí, tiêu chuẩn chọn đúng thông số của hệ thống ống dẫn, bảo hành hệ thống thiết bị phân phối khí nén cũng đóng vai trò quan trọng về phương diện kinh tế cũng như yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống điều khiển bằng khí nén. Yêu cầu về tổn thất áp suất đối với thiết bị phân phối khí nén (từ bình tích chứa chính cho đến nơi tiêu thụ, cụ thể là các thiế bị máy móc) không vượt quá 1,0 bar, theo tiêu chuẩn cụ thể như sau:

Tổn thất áp suất trong ống dẫn chính……………………………………………………… 1 bar.
Tồn thất áp suất trong ống nối ……………………………………………………………….. 1 bar.
Tổn thất áp suất trong thiết bị sử lý khí nén
(trong bình ngưng tụ, tích nước)……………………………………………………………… 2 bar.
Tổn thất áp suất trong thiết bị lọc tinh……………………………………………………. 6 bar.

4.2. Bình trích chứa khí nén

Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ là cân bằng áp suất khí từ máy nén khí chuyển đến, tích chứa và ngưng tụ, tách nước.

Kích thước bình trích chứa phụ thuộc vào công suất của máy nén khí và công suất tiêu thụ của các thiết bị máy móc sử dụng, ngoài ra còn phụ thuộc vào phương pháp sử dụng khí nén: ví dụ sử dụng khí nén liên tục hay gián đoạn.

Bình trích chứa khí nén nên lắp ráp trong không gian thoáng, để thực hiện được nhiệm vụ như vừa nêu trên là ngưng tụ và tách nước trong khí nén.

Hình 18. Các loại bình trích chứa khí nén
(a) Loại bình trích thẳng đứng
(b) Loại bình trích nằm ngang
(c) Loại bình trích nhỏ gắn trực tiếp vào ống dẫn khí.

Bình trích chứa có thể lắp ráp theo những vị trí khác nhau. Đường ống nối khí nén ra thường nằm ở những vị trí cao nhất của bình trích chứa.

Hình 19. Bình trích chứa khí nén.

4.3. Mạng đường ống dẫn khí nén

Mạng đường ống dẫn khí nén có thể phân chia thành hai loại:

Mạng đường ống được lắp ráp cố định (mạng đường ống dưới tàu, mạng đường ống phân phối trong hệ thống khí nén nhà máy, xưởng, …).
Mạng đường ống được lắp ráp di động (mạng đường ống trong dây chuyền hoặc trong máy móc, thiết bị, …).

4.3.1. Mạng đường ống lắp ráp cố định

Thông số cơ bản cho mạng đường ống lắp ráp cố định gồm: lưu lượng khí nén, vận tốc, dòng chảy, tổn thất áp suất trong ống dẫn khí nén, áp suất yêu cầu, chiều dài ống dẫn và phụ tùng nối ống.

Lưu lượng: phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy. Vận tốc dòng chảy càng lớn, tổn thất áp suất trong ống dẫn càng lớn. Tổn thất áp suất còn phụ thuộc vào các yếu tố khác.

Vận tốc dòng chảy: vận tốc dòng chảy thường nằm trong khoảng từ . vận tốc dòng chảy khi qua các phụ tùng nối ống sẽ tăng lên, hay vận tốc dòng chảy sẽ tăng lên nhất thời khi dây chuyền, máy móc đang vận hành.

Tổn thất áp suất: như trình bày ở phần trên. Yêu cầu tổn thất áp suất là 0.1 bar trong ống dẫn chính. Tuy nhiên, trong thực tế sai số cho phép tính đến bằng áp suất yêu cầu của hệ thống. Ví dụ áp suất yêu cầu của hệ thống là 7 bar, tổn thất áp suất tính được là 0.35 bar là có thể chấp nhận được. Nếu trong ống dẫn chính có lắp thêm các phụ tùng ống nối, các van thì tổn thất áp suất của hệ thống ống dẫn tăng lên.

Trong thực tế để tính toán tổn thất áp suất trong các phụ tùng nối, có nhiều phương pháp khác nhau.

4.3.2. Mạng đường ống lắp ráp di động

Mạng đường ống lắp ráp di động (mạng đường ống trong dây chuyền, trong thiết bị, trong các máy móc) đa dạng hơn mạng đường ống lắp ráp cố định. Ngoài ra, những đường ống bằng kim loại có thành ống mỏng, như ống dẫn bằng đồng, người ta còn sử dụng các loại ống khác bằng nhựa, vật liệu tổng hợp, các ống dẫn bằng cao su, các ống dẫn mềm bằng vật liệu tổng hợp. Đường kính các ống dẫn được chọn phải tương ứng với đường kính các mối nối của các phần tử điều khiển.

Ngoài ra những mối lắp ghép bằng ren, mạng đường ồng lắp ráp di động còn sử dụng các mối nối cắm với các đầu kẹp.

Tùy theo áp suất yêu cầu của khí nén cho từng loại máy, mà chọn những loại ống dẫn có những tiêu chuẩn kỹ thuật khác nhau.