Bài giảng điều khiển khí nén

ch¬ng I. nh÷ng vÊn ®Ò chung vÒ khÝ

nÐn vµ c«ng nghÖ khÝ nÐn

I. vµi nÐt vÒ sù ph¸t triÓn cña kü thuËt khÝ nÐn

øng dông khÝ nÐn b¾t ®Çu tõ tríc c«ng nguyªn. VÝ dô: nhµ triÕt häc Hi L¹p

Ktesibios (n¨m 140 tríc c«ng nguyªn) vµ häc trß cña «ng lµ Heron (n¨m 100 tríc

c«ng nguyªn) ®· chÕ t¹o ra thiÕt bÞ b¾n tªn hay nÐm ®¸ khÝ nÐn (h×nh 1.1). D©y cung

®îc c¨ng b»ng ¸p suet khÝ trong 2 xi lanh th«ng qua hai ®ßn bÈy nèi víi hai Piston cña

hai xi lanh ®ã. Khi bu«ng d©y cung ra, ¸p suÊt cña kh«ng khÝ nÐn lµm t¨ng vËn tèc

bay cña mòi tªn. Sau ®ã mét sè s¸ng chÕ cña Klesibios vµ Heron nh: thiÕt bÞ ®ãng, më

cöa b»ng khÝ nÐn; B¬m song phun löa còng ®îc s¸ng chÕ trong thêi kú nµy. Kh¸i

niÖm Pneumatical còng ®îc dïng trong thËp kû nµy. Tõ Pneumatic xuÊt ph¸t tõ

tiÕng cæ Hy L¹p cã nghÜa lµ “giã”, “h¬i thë”, cßn trong triÕt häc cã nghÜa lµ “linh

hån”. ThuËt ng÷ “Pneuma” ®Ó chØ mét nghµnh khoa häc vÒ khÝ ®éng häc vµ c¸c hiÖn

tîng liªn quan ®· ®îc ®óc kÕt.

Tuy nhiªn sù ph¸t triÓn cña khoa häc kü thuËt thêi kú ®ã kh«ng ®ång bé, nhÊt

lµ sù kÕt hîp c¸c kiÕn thøc vÒ c¬ häc, vËt lý, vËt liÖu cßn thiÕu, cho nªn ph¹m vi øng

dông cña khÝ nÐn cßn rÊt h¹n chÕ. M·i cho ®Õn thÕ kû 17, kü s chÕ t¹o ngêi §øc Otto

von Guerike (1602 – 1686), nhµ to¸n häc vµ triÕt häc ngêi Ph¸p Blaise Pascal

(1623 – 1662 ), còng nh nhµ vËt lý ngêi Ph¸p Denis Papin (1647 – 1712) ®· x©y

dung nªn nÒn t¶ng c¬ b¶n øng dông khÝ nÐn. Trong thÕ kû 19, c¸c m¸y mãc thiÕt bÞ sö

dông n¨ng lîng khÝ nÐn lÇn lît ®îc ph¸t minh, nh: th vËn chuyÓn trong èng b»ng khÝ

nÐn (1835) cña Josef Ritter (Australia), phanh b»ng khÝ nÐn (1880), bóa t¸n ®inh

b»ng khÝ nÐn (1861). Trong lÜnh vùc x©y dùng ®êng hÇm xuyªn d·y nói Anper ë Thuþ

SÜ (1857) lÇn ®Çu tiªn ngêi ta sö dông khÝ nÐn víi c«ng suÊt lín. Vµo nh÷ng n¨m 70

cña thÕ kû 19 xuÊt hiÖn t¹i Pari mét trung t©m sö dông n¨ng lîng khÝ nÐn lín víi c«ng

suet 7350 KW. KhÝ nÐn ®îc vËn chuyÓn tíi n¬i tiªu thô trong ®êng èng víi ®êng kÝnh

500 mm vµ dµi nhiÒu km. T¹i ®ã khÝ nÐn ®îc nung nãng lªn nhiÖt ®é tõ 500C ®Õn

1500C ®Ó t¨ng c«ng suet truyÒn ®éng ®éng c¬, c¸c thiÕt bÞ bóa h¬i.

Víi sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña n¨ng lîng ®iÖn, vai trß sö dông n¨ng lîng b»ng

khÝ nÐn bÞ gi¶m. Tuy nhiªn viÖc sö dông n¨ng lîng b»ng khÝ nÐn vÉn ®ãng mét vai trß

cèt yÕu ë nh÷ng lÜnh vùc , mµ khi sö dông n¨ng lîng ®iÖn sÏ nguy hiÓm, sö dông n¨ng

lîng b»ng khÝ nÐn ë nh÷ng dông cô nhá, nhng truyÒn ®éng víi vËn tèc lín, sö dông

n¨ng lîng b»ng khÝ nÐn ë nh÷ng thiÕt bÞ nh bóa h¬i, dông cô dËp ,t¸n ®inh, vµ nhiÒu

nhÊt lµ c¸c dông cô, ®å g¸ kÑp chÆt trong c¸c m¸y.

Thêi gian sau chiÕn tranh thÕ giíi thø hai, viÖc øng dông n¨ng lîng b¾ng khÝ

nÐn trong kü thuËt ®iÒu khiÓn ph¸t triÓn m¹nh mÏ. Víi nh÷ng dông cô, thiÕt bÞ, phÇn

tö khÝ nÐn míi ®îc s¸ng chÕ vµ ®îc øng dông vµo nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau, sù kÕt

hîp gi÷a khÝ nÐn víi ®iÖn - ®iÖn tö lµ nh©n tè quyÕt ®Þnh cho sù ph¸t triÓn cña kü thuËt

®iÒu khiÓn trong t¬ng lai. H·ng FESTO (§øc) cã nh÷ng ch¬ng tr×nh ph¸t triÓn hÖ

thèng ®iÒu khiÓn b»ng khÝ nÐn rÊt ®a d¹ng, kh«ng nh÷ng phôc vô cho c«ng nghiÖp mµ

cßn phôc vô cho sù ph¸t triÓn cña c¸c ph¬ng tiÖn d¹y häc (Diactic).

1

II. ®Æc ®iÓm, tÝnh chÊt cña kh«ng khÝ nÐn.

- Sè lîng: cã thÓ coi lµ v« tËn.

- ViÖc vËn chuyÓn: cã thÓ ®îc lu th«ng dÔ dµng trong c¸c ®êng èng dÉn, víi mét

kho¶ng c¸ch nhÊt ®Þnh. §êng håi vÒ kh«ng cÇn thiÕt v× khÝ nÐn sau khi c«ng t¸c ®îc

tho¸t ra ngoµi m«i trêng.

- Lu tr÷: M¸y nÐn khÝ kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i ho¹t ®éng liªn tôc. Kh«ng khÝ nÐn ®îc lu

tr÷ trong c¸c b×nh chøa, ®îc l¾p nèi trong hÖ thèng èng dÉn ®Ó cung cÊp cho sö dông

khi cÇn thiÕt.

- NhiÖt ®é: Kh«ng khÝ nÐn Ýt bÞ thay ®æi theo nhiÖt ®é

- Chèng ch¸y næ: Kh«ng cã nguy c¬ g©y ch¸y bëi khÝ nÐn nªn kh«ng tæn phÝ vÒ

phßng ch¸y. Ho¹t ®éng víi ¸p suÊt kho¶ng 6 – 7 bar nªn viÖc phßng næ kh«ng qu¸

phøc t¹p.

- Møc ®é s¹ch: Kh«ng khÝ nÐn s¹ch ngay c¶ trong trêng hîp lu th«ng trong c¸c ®êng

èng hay thiÕt bÞ. Kh«ng mét nguy c¬ g©y bÈn nµo ph¶i lo tíi. §iÒu nµy ®Æc biÖt cÇn

thiÕt trong c¸c ngµnh c«ng nghiÖp thùc phÈm, v¶i sîi, l©m s¶n, thuéc da,…

- CÊu t¹o trang thiÕt bÞ: §¬n gi¶n nªn cã gi¸ thµnh thÊp.

- VËn tèc: Kh«ng khÝ cã thÓ lu th«ng víi tèc ®é rÊt cao.VËn tèc c«ng t¸c cña c¸c xi

lanh nÐn thêng trong kho¶ng 1 ®Õn 2 m/s, trong mét sè trêng hîp cã thÓ ®¹t tíi 5 m/s.

- TÝnh dÔ ®iÒu chØnh: VËn tèc vµ ¸p lùc cña nh÷ng thiÕt bÞ c«ng t¸c dïng khÝ nÐn ®îc

®iÒu chØnh mét c¸ch v« cÊp.

- VÊn ®Ò qu¸ t¶i: C¸c c«ng cô vµ thiÕt bÞ khÝ nÐn ®¶m nhËn t¶i träng cho ®Õn khi

chóng dõng h¼n, cho nªn kh«ng x¶y ra qu¸ t¶i.

§Ó ph©n biÖt mét c¸ch cÆn kÏ c¸c lÜnh vùc ¸p dông kü thuËt khÝ nÐn, cÇn ph¶i biÕt

c¸c tÝnh chÊt kh«ng thÓ kh«ng chó träng ®Õn sau ®©y:

- C¸ch xö lý: Kh«ng khÝ nÐn ph¶i ®îc chuÈn bÞ sao cho kh«ng chøa bôi bÈn, t¹p chÊt

vµ níc v× chóng lµm cho c¸c phÇn tö khÝ nÐn chãng mßn.

- TÝnh chÞu nÐn: Kh«ng khÝ cã tÝnh nÐn ®îc, cho phÐp thay ®æi vµ ®iÒu chØnh vËn tèc

cña Piston.

- Lùc t¸c dông: Kh«ng khÝ ®îc nÐn sÏ kh«ng kinh tÕ nÕu cha ®¹t ®îc mét c«ng suÊt

nhÊt ®Þnh, ¸p suÊt lµm viÖc thêng ®îc chÊp nhËn lµ 7 bar. Lùc t¸c dông ®îc giíi h¹n

trong kho¶ng 20.000 ®Õn 30.000 N (2000 ®Õn 3000 kp). §é lín cña lùc t¸c dông cßn

phô thuéc vµo vËn tèc vµ hµnh tr×nh.

- Tho¸t khÝ: Kh«ng khÝ nÐn x¶ ra ngoµi t¹o ©m thanh g©y ån, nhng nhê c¸c bé gi¶m

thanh g¾n ë tong ®êng tho¸t nªn vÊn ®Ò nµy ®· ®îc giöi quyÕt.

- Gi¸ thµnh: Kh«ng khÝ nÐn lµ mét nguån n¨ng lîng dåi dµo, ®¬n gi¶n vµ s½n cã nªn

hÖ thèng sö dông cã gi¸ thµnh thÊp.

III. Kh¶ n¨ng øng dông cña khÝ nÐn

1. Trong lÜnh vùc ®iÒu khiÓn

Sau chiÕn tranh thÕ giíi thø hai, nhÊt lµ vµo nh÷ng n¨m 50 vµ 60 cña thÕ kû 20,

lµ thêi gian ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña kü thuËt ®iÒu khiÓn b»ng khÝ nÐn, giai ®o¹n tù

®éng ho¸ qu¸ tr×nh s¶n xuÊt ®îc ph¸t triÓn réng r·i vµ ®a d¹ng trong nhiÒu lÜnh vùc

kh¸c nhau. ChØ riªng ë Céng hoµ Liªn bang §øc ®· cã 60 h·ng chuyªn s¶n xuÊt c¸c

phÇn tö ®iÒu khiÓn b»ng khÝ nÐn. HÖ thèng ®iÒu khiÓn b»ng khÝ nÐn ®îc sö dông ë

nh÷ng lÜnh vùc mµ ë ®ã dÔ x¶y ra c¸c vô ch¸y næ, c¸c thiÕt bÞ phun s¬n; c¸c lo¹i ®å g¸

kÑp c¸c chi tiÕt nhùa, chÊt dÎo; hoÆc lµ ®îc sö dông cho lÜnh vùc s¶n xuÊt c¸c thiÕt bÞ

®iÓn tö, v× c¸c thiÕt bÞ khÝ nÐn cã thÓ ®¶m b¶o ®iÒu kiÖn vÖ sinh m«i trêng rÊt tèt vµ an

toµn cao. Ngoµi ra hÖ thèng ®iÒu khiÓn b»ng khÝ nÐn ®îc sö dông trong c¸c d©y

2

chuyÒn röa tù ®éng; trong c¸c thiÕt bÞ vËn chuyÓn vµ kiÓm tra cña thiÕt bÞ lß h¬i, thiÕt

bÞ m¹ ®iÖn, ®ãng gãi bao b× vµ trong c«ng nghiÖp ho¸ chÊt.

2. Trong lÜnh vùc truyÒn ®éng

+ C¸c dông cô, thiÕt bÞ m¸y va ®Ëp

C¸c thiÕt bÞ, m¸y mãc trong lÜnh vùc khai th¸c, nh khai th¸c ®¸, khai th¸c than;

trong c¸c c«ng tr×nh x©y dùng, nh x©y dùng hÇm má, ®êng hÇm,…

+ TruyÒn ®éng quay

TruyÒn ®éng ®éng c¬ quay víi c«ng suÊt lín b»ng n¨ng lîng khÝ nÐn gi¸ thµnh

rÊt cao. NÕu so s¸nh gi¸ thµnh tiªu thô ®iÖn cña mét ®éng c¬ quay b»ng n¨ng lîng khÝ

nÐn vµ mét ®éng c¬ ®iÖn cã cïng c«ng suÊt, th× gi¸ thµnh tiªu thô ®iÖn cña mét ®éng

c¬ quay b»ng n¨ng lîng khÝ nÐn cao h¬n 10 ®Õn 15 lÇn so víi ®éng c¬ ®iÖn. Nhng ng￾îc l¹i thÓ tÝch vµ träng lîng nhá h¬n 30% so víi ®éng c¬ ®iÖn cã cïng c«ng suÊt.

Nh÷ng dông cô vÆn vÝt tõ M4 ®Õn M300; m¸y khoan, c«ng suÊt kho¶ng 3,5 KW; m¸y

mµi, c«ng suÊt kho¶ng 2,5 KW, còng nh nh÷ng m¸y mµi víi c«ng suÊt nhá, nhng víi

sè vßng quay cao 100.000 vßng/phót th× kh¶ n¨ng sö dông ®éng c¬ truyÒn ®éng b»ng

khÝ nÐn lµ phï hîp.

+ TruyÒn ®éng th¼ng

VËn dông truyÒn ®éng b»ng ¸p suÊt khÝ nÐn cho chuyÓn ®éng th¼ng trong c¸c

dông cô, ®å g¸ kÑp chÆt chi tiÕt, trong c¸c thiÕt bÞ ®ãng gãi, trong c¸c lo¹i m¸y gia

c«ng gç, trong c¸c thiÕt bÞ lµm l¹nh, còng nh trong hÖ thèng phanh h·m cña « t«.

+ Trong c¸c hÖ thèng ®o vµ kiÓm tra

Dïng trong c¸c thiÕt bÞ ®o vµ kiÓm tra chÊt lîng s¶n phÈm.

V. C¸c ®¹i lîng vËt lý vµ ®¬n vÞ ®o

Kh«ng khÝ trong bÇu khÝ quyÓn lµ mét hçn hîp c¸c khÝ nh:

- Nit¬ chiÕm kho¶ng 78% thÓ tÝch

- ¤xy chiÕm kho¶ng 21%, cßn l¹i lµ mét sè khÝ nh: Cacbonic, Acg«ng, Hy®r«,

Nª«ng, Hªli, Cript«ng, Xªnon, …

§Ó hiÓu râ thªm c¸c ®Þnh luËt vÒ ®éng lùc häc vµ tr¹ng th¸I cña kh«ng khÝ, díi

®©y liÖt kª c¸c th«ng sè vË lý vµ c¸c hÖ thèng ®o lêng.

Trong thùc tÕ ngêi ta thêng dïng hai hÖ thèng ®o lêng thuËn lîi trong viÖc

nghiªn cøu vµ øng dông lµ hÖ kü thuËt vµ hÖ SI.

1. C¸c th«ng sè c¬ b¶n

Th«ng sè kü thuËt Ký hiÖu HÖ kü thuËt HÖ SI

ChiÒu dµi

Khèi lîng

Thêi gian

NhiÖt ®é

Cêng ®é dßng ®iÖn

Cêng ®é ¸nh s¸ng

L

m

t

T

I

mÐt (m)

kp.s2/m

gi©y (s)

0C

Ampe (A)

mÐt (m)

kg

gi©y (s)

K

A

Candela (Cd)

2. C¸c th«ng sè dÉn xuÊt

Th«ng sè kü thuËt Ký hiÖu HÖ kü thuËt HÖ SI

Lùc

DiÖn tÝch

ThÓ tÝch

Lu lîng

F

A

V

Q

kp = kg.f = 9,8N

m2

m3

m3

/s

1N = 1 kg.m/s2

m2

m3

m3

/s

3

¸p suÊt p at ( kü thuËt )

kp/cm2

Pa ( 1Pa = 1N/m2

)

bar (1bar = 105

Pa )

C«ng thøc Niut¬n: F = m.a ( 1-1 )

ë ®©y: m – Khèi lîng .

a – Gia tèc

g – Gia tèc träng trêng ( g = 9,81 m/s2

)

Quan hÖ gi÷a c¸c th«ng sè trªn nh sau:

Khèi lîng 1 kg = 1 kp.s2

/9,81.m

Lùc 1 kp = 9,81 N

§Ó ®¬n gi¶n tÝnh to¸n ta lÊy 1 kp = 10 N

NhiÖt ®é ë thêi ®iÓm 0: 0

0C = 2730K nghÜa lµ T = 273,15 + t

ë nhiÖt ®é kh¸c: 1

0C = 10K

3. §¬n vÞ ®o ¸p suÊt

§¬n vÞ c¬ b¶n cña ¸p suÊt theo hÖ ®o lêng SI lµ Pascal

¸p suÊt lµ lùc t¸c dông cña c¸c phÇn tö theo ph¬ng ph¸p tuyÕn lªn mét ®¬n vÞ

diÖn tÝch thµnh b×nh chøa khÝ hoÆc chÊt láng ®ã. ¸p suÊt ®îc ký hiÖu lµ p.

p =

A

F

( N/m2

)

Trong ®ã: F – Lùc t¸c dông cña c¸c phÇn tö khÝ hoÆc chÊt láng ( N )

A – DiÖn tÝch thµnh b×nh ( m2

)

(Mét Pascal lµ ¸p suÊt ph©n bè ®Òu trªn bÒ mÆt cã diÖn tÝch 1m2

víi lùc t¸c ®éng

vu«ng gãc lªn bÒ mÆt ®ã lµ 1Niut¬n (N))

- §¬n vÞ ®o ¸p suÊt lµ N/m2

hoÆc Pa ( Pascal ) vµ bar, ta cã:

1 Pascal ( Pa ) = 1 N/m2

1 Pa = 1 kg/s2

/m2

= 1 kg/ms2

Trong thùc tÕ, ngêi ta dïng ®¬n vÞ béi sè cña Pascal lµ Megapascal ( MPa ).

1 MPa = 1.000.000 Pa = 106

Pa

Ngoµi ra cßn dïng ®¬n vÞ bar:

1 bar = 105

Pa = 100.000 Pa

Vµ ®¬n vÞ kp/cm2

( theo DIN – Tiªu chuÈn cña Céng hoµ Liªn bang §øc )

1 kp/cm2

= 0,980665 bar = 0,981 bar

1 bar = 1,01972 Kp/cm2

= 1,02 kp/cm2

Trong thùc tÕ, ngêi ta coi:

1 bar = 1 kg/cm2

= 1 at

( 1 at = 0,98 bar = 735,5 mmHg = 10 mm H2O )

- C¸c quy ®æi trªn ®óng trong trêng hîp chiÒu cao cét chÊt láng ë 00C

Ngoµi ra mét sè níc (Anh, Mü) cßn sö dông ®¬n vÞ ®o ¸p suÊt:

Pound (0,45336kg) per Square Inch (6,4521 cm2

)

Ký hiÖu lbf/in2

( psi )

1 bar = 14,5 psi 1 psi = 0,06895 bar

ë ViÖt Nam quen dïng ®¬n vÞ kg/cm2

t¬ng ®¬ng víi kp/cm2

- ¸p suÊt thËt cña chÊt khÝ ®îc gäi lµ ¸p suÊt tuyÖt ®èi, ký hiÖu lµ p vµ nã lµ mét th«ng

sè tr¹ng th¸i, ¸p suÊt tuyÖt ®èi cña khÝ quyÓn ký hiÖu lµ p. PhÇn ¸p suÊt cña chÊt khÝ

lín h¬n ¸p suÊt khÝ quyÓn gäi lµ ¸p suÊt d, ký hiÖu lµ pd vµ ¸p suÊt khÝ quyÓn lµ p0 ta

cã:

pd = p – p0 ( 1-3 )

- PhÇn ¸p suÊt nhá h¬n ¸p suÊt khÝ quyÓn gäi lµ ¸p suÊt ch©n kh«ng , ký hiÖu lµ pck

4

p = pd + pck ( 1-4 )

H×nh 1.1 ¸p suÊt t¬ng ®èi vµ tuyÖt ®èi

- Th«ng thêng trong khÝ nÐn c¸c ®¹i lîng (nhiÖt ®é, ¸p suÊt) ®îc quy chuÈn theo DIN

1343 nh sau:

+ Tr¹ng th¸i chuÈn kü thuËt:

- NhiÖt ®é: T = 293,15 K; t = 200 C

- ¸p suÊt: p = 98066,5 Pa = 98066,5 N/m2

= 0,980665 bar.

+ Tr¹ng th¸i chuÈn vËt lý:

- NhiÖt ®é: T = 273,15 K; t = 00

C

- ¸p suÊt: p = 101.325 Pa = 101325 N/m2

= 1,01325 bar

- Dông cô ®o ¸p suÊt gäi chung lµ ¸p kÕ. Cã nhiÒu lo¹i ¸p kÕ: ¸p kÕ chÊt láng, ¸p kÕ lß

xo, ¸p kÕ dïng ®Ó ®o ¸p suÊt tuyÖt ®èi cña khÝ quyÓn gäi lµ baromet, ¸p kÕ dïng ®o

®é ch©n kh«ng gäi lµ ch©n kh«ng kÕ.

- ¸p suÊt sö dông trªn tÊt c¶ c¸c thiÕt bÞ lµ ¸p suÊt d

VI. C¸c tÝnh chÊt vµ ®Þnh luËt c¬ b¶n cña chÊt khÝ

1. Kh«ng khÝ cã tÝnh chÞu nÐn.

Kh«ng khÝ lµ mét hçn hîp khÝ x¸c ®Þnh gåm nhiÒu thµnh phÇn nh «xy, hy®r«,

nit¬, h¬i níc, nªn cã thÓ nÐn vµ gi·n në ®îc.

§Þnh luËt Boyle Mariotte.

§Þnh luËt Boyle – Mariotte ®· ph¸t biÓu: Mét lîng khÝ nhÊt ®Þnh ë nhiÖt ®é

kh«ng thay ®æi th× ¸p suÊt tuyÖt ®èi tû lÖ nghÞch víi thÓ tÝch ( V ) hoÆc thÓ tÝch riªng

(v).

t(T) = Const ( 1-5 )

ta cã: p.V = Const hoÆc p.v = Const ( 1-6 )

§iÒu ®ã cã nghÜa lµ thÓ tÝch gi÷a ¸p suÊt vµ thÓ tÝch lµ h»ng sè ®èi víi mét lîng khÝ

x¸c ®Þnh ( p t¨ng th× V gi¶m ).

p1.V1 = p2.V2 = p3.V3 = Const ( 1-7 )

2. ThÓ tÝch kh«ng khÝ thay ®æi theo nhiÖt ®é.

Víi mét lîng ¸p suÊt d kh«ng ®æi vµ nhiÖt ®é t¨ng 10

K th× thÓ tÝch kh«ng khÝ

tng thªm 1/273 thÓ tÝch cña chÝnh nã.

§Þnh luËt Gay - Lussac 1:

5

§Þnh luËt: Mét lîng khÝ nhÊt ®Þnh ë ®iÒu kiÖn ¸p suÊt kh«ng ®æi th× thÓ

tÝch (V) hay thÓ tÝch riªng (v) vµ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi (T) tû lÖ thuËn víi nhau.

p = Const ( 1-8 )

Ta cã: Const

T

V

= hay

2

1

2

1

T

T

V

V

= ( 1-9 )

Sù thay ®æi vÇ thÓ tÝch ∆ V lµ:

∆

V = V2 – V1 = V1

1

2 1

( )

T

T − T

Ta cã: V2 = V1 + ∆ V = V1 + ( )

2 1

1

1 T T

T

V

− ( 1-10 )

§Þnh luËt Gay - Lussac 2:

§Þnh luËt: Mét lîng khÝ nhÊt ®Þnh ë ®iÒu kiÖn thÓ tÝch (V) kh«ng ®æi th× ¸p

suÊt (p) vµ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi (T) tû lÖ thuËn víi nhau ( p t¨ng th× T t¨ng )

V = Const ( 1-11 )

Ta cã: Const

T

p

= hay

2

1

2

1

T

T

p

p

= ( 1-12 )

3. Ph¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cña chÊt khÝ

- Ph¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cña chÊt khÝ thÓ hiÖn mèi quan hÖ gi÷a c¸c th«ng sè tr¹ng

th¸i ( p,v, T ).

- Gi¶ thiÕt lµ khÝ nÐn trong hÖ thèng gÇn nh lµ khÝ lý tëng th× ph¬ng tr×nh tr¹ng th¸i

tæng qu¸t lµ:

p.v = R.T ( 1-13 )

Trong ®ã:

p ( N/m2

) - ¸p suÊt tuyÖt ®èi.

v ( m3

/kg ) – ThÓ tÝch riªng ρ =

v

l

( kg/m3

)

ρ ( kg/m3

) – Khèi lîng riªng cña chÊt khÝ.

R ( J/kgK ) – H»ng sè khÝ ( cña kh«ng khÝ lµ 29,27 )

T ( K ) – NhiÖt ®é tuyÖt ®èi ( ®é Kelvin ).

§èi víi khèi khÝ cã khèi lîng lµ G kg, sau khi nh©n hai vÕ cña ph¬ng tr×nh (1-12) víi

G, ta cã:

p.v.G = G.R.T hay p.V = G.R.T

Trong ®ã:

G ( kg ) – Khèi lîng ( v.G = V )

V ( m3

) – ThÓ tÝch cña khèi khÝ

VËy ph¬ng tr×nh tr¹ng th¸i ®èi víi chÊt khÝ cã khèi lîng khÝ G bÊt kú, cã d¹ng:

p.V = G.R.T ( 1-14 )

4. C¸c tæn thÊt trong hÖ thèng khÝ nÐn.

+ Tæn thÊt c¬ khÝ η C : Lµ tæn thÊt do ma s¸t gi÷a c¸c chi tiÕt c¬ khÝ trong khi chuyÓn

®éng t¬ng ®èi víi nhau.

+ Tæn thÊt thÓ tÝch ηV : Lµ tæn thÊt rß rØ kh«ng khÝ di chuyÓn qua c¸c chç (chi tiÕt)

ghÐp nèi.

+ Tæn thÊt ¸p suÊt η P

:

2

2

10. . v

g

p

ρ

∆ = ξ ( N/m2

) (1-15 )

Trong ®ã:

ρ – Khèi lîng riªng cña chÊt khÝ ( kg/m3

)

6

v – VËn tèc trung b×nh ( m/s )

ξ - HÖ sè tæn thÊt côc bé, phô thuéc vµo thùc nghiÖm, sè

ReynoldRe, nhiÖt ®é, híng ch¶y, h×nh d¹ng, tiÕt diÖn.

g – Gia tèc träng trêng.

7

ch¬ng II.

m¸y nÐn vµ thiÕt bÞ xö lý khÝ nÐn

I. M¸y nÐn khÝ

1. Nguyªn t¾c ho¹t ®éng vµ ph©n lo¹i m¸y nÐn

a) C¸c m¸y nÐn khÝ hiÖn nay thêng ®îc chÕ t¹o dùa trªn 2 nguyªn lý lµm viÖc: nguyªn

lý thay dæi thÓ tÝch vµ nguyªn lý ®éng n¨ng

- Nguyªn lý thay ®æi thÓ tÝch: Kh«ng khÝ ®îc dÉn vµo buång chøa, ë ®ã thÓ tÝch buång

chøa nhá dÇn l¹i lµm ¸p suÊt khÝ t¨ng lªn, vµ ¸p suÊt cao ë cöa ra ®îc ®a tíi c¸c thiÕt

bÞ øng dông.

- Nguyªn lý ®éng n¨ng: Kh«ng khÝ n¹p ®îc gia tèc bëi mét bé phËn quay víi tèc ®é

cao, ¸p suÊt h×nh thµnh do sù chªnh lÖch vËn tèc.

b) Ph©n lo¹i m¸y nÐn khÝ

Cã nhiÒu tiªu chÝ ®Ó ph©n lo¹i MNK

- Theo ¸p suÊt MNK ®îc chia thµnh 3 lo¹i:

+ MNK ¸p suÊt thÊp : cã ¸p suÊt p < =15 (bar)

+ MNK ¸p suÊt cao: cã ¸p suÊt 15 < p < =300 (bar)

+ MNK ¸p suÊt rÊt cao: cã ¸p suÊt p > 300 (bar)

- Theo nguyªn lý ho¹t ®éng MNK ®îc chia thµnh 2 lo¹i:

+ Lo¹i lµm viÖc theo nguyªn lý thay ®æi thÓ tÝch

+ Lo¹i lµm viÖc theo nguyªn lý ®éng n¨ng

2. C¸c th«ng sè c¬ b¶n cña MNK

§Ó chän lùa mét m¸y nÐn khÝ thÝch hîp ta cÇn ph¶i quan t©m ®Õn rÊt nhiÒu yÕu

tè: ¸p suÊt, lu lîng, c«ng suÊt, chÊt lîng khÝ nÐn, gi¸ thµnh, kÝch thíc, ®é rung-ån,

hiÖu suÊt,....§Æc trng vµ b¶n chÊt nhÊt ta cÇn quan t©m ®Õn 3 th«ng sè c¬ b¶n sau:

- Tû sè nÐn ε: Lµ tû sè gi÷a ¸p suÊt khÝ ë cöa ra vµ ¸p suÊt kh«ng khÝ ®a vµo m¸y

nÐn.

- Lu lîng Q: Lu lîng hay cßn gäi lµ N¨ng suÊt chÝnh lµ khèi lîng hay thÓ tÝch mµ m¸y

nÐn cung cÊp trong mét ®¬n vÞ thêi gian.

- C«ng suÊt N : Lµ c«ng tiªu hao ®Ó nÐn vµ truyÒn khÝ trong mét ®¬n vÞ thêi gian.

3) Mét sè M¸y nÐn khÝ th«ng dông

a) M¸y nÐn khÝ kiÓu Pitton

+ CÊu tróc :

CÊu tróc m¸y nÐn khÝ piston cã thÓ m« t¶ nh h×nh vÏ díi:

+ Nguyªn lý lµm viÖc:

MNK kiÓu pitton lµm viÖc theo nguyªn lý thay ®æi thÓ tÝch. Chu kú lµm viÖc ®-

îc chia lµm 3 giai ®o¹n: Hót, nÐn, vµ ®Èy khÝ

-Kú hót: Khi trôc khuûu ®îc dÉn ®éng, pitton tõ §CT chuyÓn ®éng ®i xuèng, thÓ tÝch

buång hót trong xy lanh t¨ng lµm ¸p suÊt khÝ trong buång gi¶m thÊp h¬n so víi ¸p

suÊt kh«ng khÝ bªn ngoµi cöa hót. Khi ®ã van cöa hót tù ®éng më ra, kh«ng khÝ bªn

ngoµi cã ¸p suÊt cao tù ®éng ®îc dÉn vµo buång hót trong xy lanh. Qu¸ tr×nh kÕt thóc

khi pitton chuyÓn ®éng ®Õn §CD

- Kú nÐn: Pitton chuyÓn ®éng tõ §CD lªn trªn, thÓ tÝch buång chøa khÝ hÑp dÇn lµm

¸p suÊt khÝ trong buång t¨ng dÇn, ®Õn khi lín h¬n ¸p suÊt kh«ng khÝ th× lµm van cöa

n¹p ®ãng l¹i. Qu¸ tr×nh diÔn ra lµm ¸p suÊt trong buång nÐn t¨ng cao.

8

- §Èy khÝ : Khi ¸p suÊt khÝ trong buång nÐn ®¹t ®Õn 1 gi¸ trÞ x¸c ®Þnh, van cöa x¶ ®îc

më ra, khÝ nÐn cã ¸p suÊt cao tho¸t ra ngoµi tíi b×nh chøa hoÆc c¸c øng dông kh¸c.

Qu¸ tr×nh lÆp l¹i nh trªn ë ®Çu kú míi.

+ Mét sè th«ng sè vµ ®Æc ®iÓm cña m¸y nÐn Pitton:

- Cã kh¶ n¨ng nÐn khÝ lªn tíi 12 bar ®èi víi lo¹i 1 cÊp vµ tíi 140 bar ®èi víi lo¹i

nhiÒu cÊp.

- Chóng cã thÓ cung cÊp lu lîng khÝ tõ 0,02 m3

/phót tíi 600 m3

/phót, c«ng suÊt tõ vµi

KW tíi 2000 KW.

- Tû sè nÐn quan hÖ víi sè cÊp theo b¶ng:

sè cÊp z 1 2 3 4 5 6 7

tû sè nÐn ε 7 5-30 13-150 35-400 150-1000 200-1100 450-1100

-Trong qu¸ tr×nh ho¹t ®éng kh«ng khÝ ®îc nÐn theo tõng kú nªn m¸y nÐn lµm viÖc th￾êng g©y ra tiÕng ån hoÆc rung ®éng lín. HiÖn nay c¸c thiÕt kÕ míi ®· lu ý gi¶m thiÓu

tiÕng ån vµ rung ®éng cho m¸y nÐn b»ng c¸ch l¾p 1 b×nh gi¶m xung ®Æc biÖt trùc tiÕp

sau cöa tho¸t thÝch øng víi ®Æc tÝnh xung ®éng cña m¸y nÐn. B×nh chøa nµy khi ®ã

cßn cã thªm t¸c dông ®Ó lu tr÷ vµ lµm m¸t khÝ nÐn. Víi c«ng dông nh vËy nã còng

lµm cho m¸y nÐn trë nªn cång kÒnh h¬n.

- Lu lîng( n¨ng suÊt) cÊp tõ m¸y nÐn:

Q = . . . .

60

n

zS

4

d

2 Π

ηQ

Trong ®ã:

d (dm) - ®êng kÝnh pitton.

z – sè pitton.

S (dm) – Qu·ng ch¹y cña pitton.

n (vßng/phót) –Sè vßng quay cña trôc dÉn ®éng.

ηQ – HiÖu suÊt cña m¸y nÐn.

+ M¸y nÐn piston nhiÒu cÊp:

9

H×nh 2.1 S¬ ®å cÊu tróc m¸y nÐn Piston 1 cÊp

§Ó cã thÓ t¹o ra ®îc nguån cÊp khÝ nÐn ¸p suÊt cao h¬n ngêi ta thiÕt kÕ m¸y nÐn khÝ

nhiÒu cÊp. Tríc hÕt kh«ng khÝ ®îc hót vµ nÐn bëi mét m¸y nÐn piston, sau khi ®îc

lµm nguéi sÏ ®îc ®a sang nÐn tiÕp ë m¸y nÐn thø hai sau ®ã khÝ nÐn sÏ ®îc ®a sang

b×nh chøa qua thiÕt bÞ xö lý qua hÖ thèng ®êng èng cung cÊp khÝ nÐn cho c¸c thiÕt bÞ

sö dông.

b) M¸y nÐn khÝ kiÓu c¸nh g¹t

+ CÊu tróc:

M¸y nÐn khÝ kiÓu c¸nh g¹t cã

mét rotor víi trôc ®Æt lÖch t©m so víi

vá bäc stator bªn ngoµi. Trªn rotor cã

c¸c c¸nh g¹t vµ c¸c c¸nh nµy cã thÓ trît

híng t©m trong c¸c r·nh trªn rotor. C¸c

c¸nh nµy hîp víi stator vµ rotor t¹o

thµnh c¸c buång khÝ. Cô thÓ cÊu t¹o nh

minh ho¹ ë h×nh vÏ bªn

+ Nguyªn lý lµm viÖc:

M¸y nÐn khÝ kiÓu c¸nh g¹t lµm

viÖc theo nguyªn lý thay ®æi thÓ tÝch.

Khi rotor quay( ®îc dÉn ®éng), c¸c

c¸nh g¹t chÞu t¸c dông cña lùc ly t©m

trît theo r·nh trªn rotor vµ t× s¸t vµo

thµnh trong stator t¹o nªn c¸c khoang trèng( gi÷a stator, rotor vµ 2 c¸nh g¹t.

Theo bè trÝ nh cÊu t¹o th× khi rotor quay c¸c khoang khÝ nµy cã thÓ tÝch t¨ng dÇn lµm

cho ¸p suÊt khÝ trong nã gi¶m nhá h¬n ¸p suÊt kh«ng khÝ t¹i cöa buång hót, khi ®ã

kh«ng khÝ bªn ngoµi cöa hót tù ®éng ®îc dÉn vµo c¸c khoang nµy. Qu¸ tr×nh dÉn ®éng

tiÕp tôc vµ thÓ tÝch c¸c khoang nµy sÏ hÑp dÇn khi chuyÓn sang khoang ®Èy lµm t¨ng

¸p suÊt khÝ nÐn trong ®ã, vµ khi ®Õn cöa ®Èy khÝ nÐn cã ¸p suÊt cao trong c¸c khoang

nµy sÏ ®îc ®Èy ra ngoµi tíi b×nh trÝch chøa.

+ Mét sè th«ng sè vµ ®Æc ®iÓm cña m¸y nÐn khÝ kiÓu c¸nh g¹t

- M¸y nÐn khÝ kiÓu c¸nh g¹t hÇu hÕt lµ c¸c m¸y nÐn cã dÇu, dÇu ®îc phun vµo buång

nÐn, ë ®ã nã cã thÓ b«i tr¬n tÊt c¶ c¸c chi tiÕt chuyÓn ®éng, gióp lµm kÝn c¸c khe hë

gi÷a c¸nh g¹t víi vá vµ gi÷a c¸nh g¹t víi rotor, nã cßn cã t¸c dông chuyÓn ®æi nhiÖt

( nhiÖt cña khÝ nÐn truyÒn qua dÇu vµ ®îc t¸ch ra th«ng qua bé lµm m¸t dÇu).

- MNK kiÓu c¸nh g¹t cã kÝch thíc rÊt nhá gän. Dßng khÝ kh«ng xung ®éng vµ sù

chªnh lÖch ¸p suÊt ®iÒu khiÓn thÊp nªn kh«ng g©y ån, kh«ng g©y rung ®éng nhiÒu.

10

H×nh 2.2 S¬ ®å cÊu tróc m¸y nÐn Piston 2 cÊp

H×nh 2.3 S¬ ®å cÊu tróc m¸y nÐn c¸nh g¹t

- Lu lîng cña m¸y nÐn ®îc tÝnh:

Q = (π.D – z.δ).2.e.b.λ.

60

n

(m3

/s)

Trong ®ã :

δ (m) : chiÒu dµy c¸nh g¹t

z : sè c¸nh g¹t . §Ó m¸y nÐn lµm viÖc

®¹t hiÖu suÊt cao nhÊt th× sè c¸nh g¹t

thêng tÝnh b»ng:

ztu = π.

3

2

3 d

R 1

.

.( − ε)

n (vßng/phót) : tèc ®é quay cña rotor

e (m) : ®é lÖch t©m

D (m) : ®êng kÝnh stato

b (m) : chiÒu réng c¸nh g¹t

λ : hiÖu suÊt m¸y nÐn ®¹t ®îc (λ = 0,7 – 0,8)

- Lu lîng m¸y nÐn lo¹i nµy thêng trong kho¶ng 3 ÷ 30 (m3

/phót)

- M¸y thêng ®îc chÕ t¹o víi ¸p suÊt danh ®Þnh lµ 8 bar ®èi víi lo¹i 1 cÊp vµ 10 bar

®èi víi lo¹i 2 cÊp.

- C«ng suÊt m¸y nÐn :

N =

dan m

1

2

1

1000

P

P

P Q

.η .η

. .ln( )

( KW)

trong ®ã:

Q : N¨ng suÊt m¸y nÐn ( m3

/s)

P1 ,P2 : ¸p suÊt khÝ ë ®Çu vµo , ®Çu ra cña m¸y nÐn

ηdan : hÖ sè hiÖu dông ®¼ng nhiÖt

ηm : hÖ sè hiÖu dông tÝnh ®Õn tæn thÊt ma s¸t

th«ng thêng ηdan. ηm = 0,5 ÷ 0,6

khi P2/P1 >1,5 th× ph¶i lµm m¸t m¸y nÐn b»ng níc

* L u ý:

. Khi vËn hµnh m¸y nÐn cÇn lu ý b¶o dìng ®Þnh kú bé t¸ch dÇu còng nh thêng

xuyªn theo dâi sù ho¹t ®éng cña nã.

. ë cöa ra cña m¸y nÐn ph¶i l¾p van 1 chiÒu ®Ó ng¨n kh«ng cho m¸y nÐn tù

quay theo chiÒu ngîc l¹i do khÝ nÐn ë cöa ra t¸c ®éng ngîc trë l¹i khi ®· chÊm døt

qu¸ tr×nh nÐn khÝ.

11

e

D

δ

π.D-z.δ

b

H×nh 2.4 S¬ ®å kÝch th­íc c¸c bé phËn cña m¸y nÐn c¸nh g¹t

c) M¸y nÐn khÝ kiÓu trôc vÝt

+ CÊu tróc:

M¸y nÐn khÝ kiÓu trôc vÝt cã 1 vá ®Æc biÖt bao bäc quanh 2 trôc vÝt quay, mét

trôc låi vµ 1 trôc lâm.C¸c r¨ng cña 2 trôc vÝt ¨n khíp víi nhau vµ sè r¨ng trôc vÝt låi Ýt

h¬n sè r¨ng trôc vÝt lâm tõ 1 ®Õn 2 r¨ng. Hai trôc vÝt nµy quay ®ång bé víi nhau. CÊu

tróc ®îc m« t¶ nh h×nh vÏ bªn.

+ Nguyªn lý ho¹t ®éng:

M¸y nÐn khÝ kiÓu trôc vÝt lµm viÖc theo nguyªn lý thay ®æi thÓ tÝch. Khi c¸c

trôc vÝt quay nhanh, kh«ng khÝ ®îc hót vµo bªn trong vá th«ng qua cöa n¹p vµ ®i vµo

buång khÝ ë gi÷a c¸c trôc vÝt, vµ ë ®ã khÝ nÐn bÞ nÐn gi÷a c¸c r¨ng khi buång khÝ nhá

l¹i lµm ¸p suÊt khÝ t¨ng cao khi tho¸t ra ë cöa ra. C¶ cöa n¹p vµ cöa tho¸t sÏ ®îc ®ãng

hoÆc më mét c¸ch tù ®éng khi c¸c trôc vÝt quay lµm che hoÆc kh«ng che c¸c cöa.

+ Mét sè th«ng sè vµ ®Æc ®iÓm

- KhÝ tho¸t æn ®Þnh vµ Ýt dao ®éng, v× vËy m¸y nÐn trôc vÝt lµm viÖc Ýt g©y rung ®éng

vµ kh«ng g©y ån lín. Th«ng thêng ph¶i l¾p van 1 chiÒu ë cöa x¶ ®Ó ch¸nh viÖc trôc vÝt

tù quay khi qu¸ tr×nh nÐn ®· ngõng.

- Khe hë gi÷a 2 trôc vÝt vµ gi÷a ®Ønh r¨ng vµ xi lanh kho¶ng 0,1 ÷ 0,4 mm, v× vËy khi

lµm viÖc kh«ng cã ma s¸t nªn tuæi thä cña m¸y nÐn khÝ trôc vÝt cao, lµm viÖc ªm.

- Do c¸c trôc vÝt cã ®é chÝnh x¸c cao nªn khã chÕ t¹o, khã söa ch÷a

- Sè vßng quay cña trôc vÝt tõ 3000 vßng/phót ®Õn 15000 vßng/phót v× vËy nã thêng ®-

îc dÉn ®éng b»ng tuabin h¬i.

- Lu lîng cña m¸y nÐn ®îc x¸c ®Þnh:

Q = q0.λ. 60

n

(m3

/s)

trong ®ã:

q0 : lu lîng khÝ thu ®îc khi trôc vÝt quay ®îc 1 vßng, q0 ®îc tÝnh:

q0 = (A1+A2).L.z.

loth

lo

V

V

(m3

/vßng)

L : chiÒu dµi trôc vÝt (m)

A1 : diÖn tÝch mÆt c¾t r·nh trôc chÝnh (m2

)

A2 : diÖn tÝch mÆt c¾t r·nh trôc phô (m2

)

z : sè r¨ng trôc chÝnh.

12

H×nh 2.5 S¬ ®å cÊu tróc m¸y nÐn trôc vÝt