Giáo trình điều khiển điện khí nén

GIÁO TRÌNH
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN - KHÍ NÉN
NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP


Bài 1: Cơ sở lý thuyết điều khiển Điện – Khí nén

LỜI NÓI ĐẦU
Giáo trình “Điều khiển điện - khí nén” được biên soạn trên cơ sở "Chương trình
dạy nghề trình độ Trung cấp nghề điện Công nghiệp Giáo trình là một phần trong nội
dung của chuyên ngành đào tạo vì vậy người dạy và người học cần tham khảo thêm
các tài liệu có liên quan đối với ngành học để việc sử dụng có hiệu quả hơn .
Mục tiêu môn học cung cấp cho học sinh - sinh viên những kiến thức cơ bản
nhất và có hệ thống trong các hệ thống điều khiển khí nén nhằm phục vụ cho việc học
tập, nghiên cứu , thực tập tay nghề và là cơ sở phát triển nâng cao nghề nghiệp sau khi
tốt nghiệp.
Cán bộ kỹ thuật và công nhân nghề Điện công nghiệp được đào tạo phải có kiến
thức cơ bản , đồng thời phải biết vận dụng những kiến thức đó để giải quyết những vấn
đề cụ thể trong thực tế sản xuất như sử dụng , sửa chữa , lắp ráp ... Với mục đích đó,
tài liệu cung cấp những kiến thức và kỹ năng cơ bản nhất trong lĩnh vực điện – khí
nén. Giáo trình được biên soạn với dung lượng 120 tiết, bao gồm:
Bài 1. Cơ sở lý thuyết về điện - khí nén
Bài 2. Máy nén khí và thiết bị xử lý khí nén.
Bài 3. Hệ thống thiết bị phân phối khí nén và cơ cấu chấp hành.
Bài 4. Các phần tử trong hệ thống điều khiển khí nén.
Bài 5. Cơ sở lý thuyết điều khiển điện bằng khí nén.
Bài 6. Các phương pháp điều khiển, thiết kế mạch điều khiển.
Giáo trình được biên soạn cho đối tượng là học sinh - sinh viên, do tính chất
phức tạp của công việc biên soạn chắc chắn không thể tránh khỏi những chỗ chưa thoả
đáng, những khiếm khuyết.
Rất mong người sử dụng góp ý kiến. Xin chân thành cảm ơn .

TÁC GIẢ

2


Bài 1: Cơ sở lý thuyết điều khiển Điện – Khí nén

BÀI 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỆN - KHÍ NÉN
1. Lịch sử phát triển và những đặc trưng của hệ thống điều khiển khí nén.
1.1. Vài nét về sự phát triển.
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 500C đến 1500C 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
pahts 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 (Didactic).
1.2. Những đặc trưng của khí nén
Về số lượng:có sẵn ở khắp mọi 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 cho thoát ra ngoài môi trường sau khi đã thực hiện xong công tác.
Về lưu trữ:máy nén khí không nhất thiết phải sử dụng 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

3


Bài 1: Cơ sở lý thuyết điều khiển Điện – Khí nén
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 phần vệ sinh.Tính
chất này rất quan 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 tự động 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 1-2 m/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.
1.3. Ưu, nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén.
1.3.1. Ưu điểm:
- Do khả năng chịu nén( đàn hồi ) lớn của không khí, nên có thể trích chứa khí
nén một cách thuận lợi
- Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa, vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ
và tổn thất áp suất trên đường dẫn ít.
- Đường dẫn khí nén (thải ra) không cần thiết.
- Chi phí để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén thấp, vì hầu như
trong các nhà máy, xí nghiệp hệ thống đường dẫn khí nén đã có sẵn.
- Hệ thống bảo vệ quá áp suất được đảm bảo.
1.3.2. Nhược điểm:
- Lực truyền tải trọng thấp
- Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi thì vận tốc truyền cũng thay đổi vì khả
năng đàn hồi của khí nén lớn, cho nên không thể thực hiện những chuyển đổng thẳng
hoặc quay đều.
- Dòng khí nén thoát ra ở đường dẫn ra gây tiếng ồn.
2. Đơn vị đo trong hệ thống điều khiển
2.1. Áp suất
Đơn vị cơ bản của áp suất theo hệ đo lường SI là Pascal (Pa)
Pascal là áp suất phân bố đều trên bề mặt có diện tích 1m 2 với lực tác động vuông góc
lên bề mặt đó là 1Newton (N)
1Pa = 1N/m2
1Pa = 1 kgm/s2/m2 = 1 kg/m2
Trong thực tế người ta dùng đơn vị bội số của Pascal là Megapascal (MPa)
1Mpa = 1000000 Pa
Ngoài ra còn sử dụng đơn vị bar:

1 bar = 105 Pa
Và đơn vị Kp/cm2 (theo tiêu chuẩn cộng hòa liên bang Đức)
1 Kp/ cm2 = 0.980665 bar = 0.981 bar
1 bar = 1.02 kp/ cm2

4


Bài 1: Cơ sở lý thuyết điều khiển Điện – Khí nén
Trong thực tế có thể coi: 1bar = 1kp/cm2 = 1at
Ngoài ra một số nước Anh, Mỹ còn sử dụng đơn vị đo áp suất (psi) :
1bar = 15.4 psi
2.2. Lực
Đơn vị của lực là Newton (N)
1 N là lực tác động lên đối tượng có khối lượng 1kg với gia tốc 1m/s2
2.3. Công
Đơn vị của công là Joule (J)
1J là công sinh ra dưới tác dộng của lực 1N để vật có thể dịch chuyển quãng
đường là 1m
1J = 1N.m
2.4. Công suất
Đơn vị của công suất là Watt (W)
1W là công suất trong thời gian 1giây sinh ra năng lượng 1J
1W = 1Nm/s
2.5. Độ nhớt động
Độ nhớt động không có vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển khí nén.
Đơn vị của độ nhớt động là m 2/s. 1m2/s là độ nhớt động của một chất có độ nhớt động
lực 1Pa.s và khối lượng riêng 1kg/m2
v = η/ ρ
Trong đó:

η: Độ nhớt động lực (Pa.s)
ρ : khối lượng riêng (kg/m3)
v : độ nhớt động (m2/s)

5


Bài 1: Cơ sở lý thuyết điều khiển Điện – Khí nén

3. Một số định luật cơ bản sử dụng trong hệ thống khí nén
3.1. Thành phần hóa học của khí nén
Nguyên tắc hoạt động của các thiết bị là không khí trong khí quyển, được hút
vào và nén trong máy nén khí. Sau đó từ máy nén khí được đưa vào hệ thống khí
nén.Không khí là loại khí hỗn hợp, bao gồm những thành phần (bảng 1.1):
N2
N2
Ar
CO2
H2
Ne
He
Kr
X
Thể
tích
78.08 20.95 0.93
0.03
0.01
1.8
0.5

0.1
9
%
Khối
lượng
75.51 23.01 1.286 0.04
0.001 1.2
0.07
0.3
40
%
Bảng 1.1
Ngoài những thành phần trên, trong không khí còn có hơi nước, bụi …. Chính
những thành phần đó gây ra cho các thiết bị khí nén sự ăn mòn, sự gỉ. Phải có những
biện pháp hay thiết bị để loại trừ hoặc giới hạn thấp nhất những thành phần đó trong
hệ thống.( Trình bày chi tiết ở bài tiếp theo).
3.2. Phương trình trạng thái nhiệt động học
Giả thiết là khí nén trong hệ thống gần như là lý tưởng. Phương trình trạng thái
nhiệt tổng quát của khí nén:

6


Bài 1: Cơ sở lý thuyết điều khiển Điện – Khí nén
pabs.V = m.R.T
(1-1)
Trong đó:
pabs : áp suất tuyệt đối (bar)
V : thể tích khí nén (m3)
m : khối lượng (kg)

R : hằng số nhiệt (J/ kg.K)
T : Nhiệt độ Kelvin (K)
a) Định luật Boyle- Mariotte
Khi nhiệt độ không thay đổi (T = hằng số), theo phương trình nhiệt tổng quát
(1-1) ta có:
pabs.V = hằng số
(1-2)
P(bar
Nếu gọi:
)
V1(m3) thể tích khí nén tại thời điểm áp suất p1 8
V2(m3) thể tích khí nén tại thời điểm áp suất p2
p1abs (bar) áp suất tuyệt đối khí nén có thể tích V1
p2abs (bar) áp suất tuyệt đối khí nén có thể tích V2 4
Theo phương trình 1-2 ta có:
2
1

1

2

4

8 V
Hình 2: Sự phụ thuộc áp suất và thể
(m3)

tích khi nhiệt độ không đổi
Hình 2: biểu diễn sự phụ thuộc áp suất và thể tích khi nhiệt độ thay đổi là

đường cong parabol.
b) Định luật 1 Gay – Lussac
P(bar
Khi áp suất không thay đổi (p = hằng số), )
theo phương trình 1-1 ta có:
P

Trong đó:
T1 : nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V1 (K)
V2
V1
V(m3
T2 : nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V2 (K)
Hình 3: Sự thay đổi thể tích khi) áp suất
Hình 3 biểu diễn sự thay đổi thể tích khi áp là hằng số
suất là hằng số. Năng lương nén và năng lượng
giãn nở không khí được tính theo phương trình:
W = p(V2 – V1)
c) Định luật 2 Gay – Lussac
Khi thể tích V thay đổi, theo phương trình (1-1) ta có:

7


P(bar)

Bài 1: Cơ sở lý thuyết điều khiển Điện – Khí nén

P1

P2
V

V(m3)

Hình 4: Sự thay đổi áp suất khi thể tích là
hằng số
Hình 4: biểu diễn sự thay đổi áp suất khi thể tích là hằng số. Vì thể tích V không thay
đổi nên năng lượng nén và năng lượng giãn nở bằng 0
W=0
d) Phương trình trạng thái nhiệt khi cả 3 đại lượng áp suất, nhiệt độ và thể tích thay đổi
Theo phương trình (1-1) ta có:

hay:
4. Khả năng ứng dụng của khí nén.
4.1. Trong lĩnh vực điều khiển.
Sau chiến tranh thế giới thứ 2, nhất là vào nhưng năm 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 phát triển mạnh mẽ và đa dạng trong nhiều lĩnh vực. Chỉ riêng
ở Đức đã có hơn 60 hãng chuyên sản xuất các phần tử điều khiển bàng khí nén như
hãng Festo, hãng Herion, hãng Bosch.
Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng ở những lĩnh vực mà ở đó
nguy hiểm, hay xảy ra cháy nổ, như các thiết bị phun sơn; các loại đồ gá kẹp chi tiết
nhựa, chất dẻo; hoặc là được sử dụng cho lĩnh vực sản xuất các thiết bị điện tử, vì điều
kiện vệ sinh môi trường 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.
4.2. 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: Những dụng cụ vặn vít từ M4 đến M300; máy khoan, công
suất khoảng 3.5KW; máy mài công suất khoảng 2.5KW, cũng như những máy mài với
công suất nhỏ, nhưng với số vòng quay cao 100.000 vòng/ phút thì khả năng sử dụng
động cơ truyền động bằng khí nén là phù hợp.
- Truyền động thẳng: Vận dụng truyền động bằng khí nén cho truyền động
thẳng trong các dụng cụ, đồ gá kẹp chi tiết, trong các thiết bị đóng gói, trong các loại

8


Bài 1: Cơ sở lý thuyết điều khiển Điện – Khí nén
máy gia công gỗ, trong các thiết bị làm lạnh, cũng như trong hệ thống phanh hãm oto.
- Trong các hệ thống đo và kiểm tra: Dùng trong các thiết bị đo và kiểm tra chất
lượng sản phẩm.
* Một số ứng dụng của khí nén:

Hình b: Máy khoan

Hình a: Máy hàn điểm

9


Hình c: Hệ thống lắp ráp ôtô

Hình d: Hệ thống điều khiển tự động

Hình e: Điều khiển rôbốt

Hình f: Dụng cụ cầm tay: khoan tay, dụng cụ vặn vít


Bài 2: Máy nén khí và thiết bị sử lý khí nén

BÀI 2: MÁY NÉN KHÍ VÀ THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÍ NÉN
1. Máy nén khí và hệ thống khí nén
1.1. Khái quát chung
Các nhà máy công nghiệp sử dụng khí nén trong rất nhiều hoạt động sản xuất.
Khí nén được tạo ra từ các máy nén khí có công suất trong khoảng từ 5 mã lực(hp) đến
50.000 mã lực. Theo báo cáo của cơ quan năng lượng mỹ, năm 2003 cho thấy khoảng
70% - 90% khí nén bị tổn thất dưới dạng nhiệt, ma sát, tiếng ồn và do sử dụng không
đúng. Vì vậy máy nén khí và hệ thống khí nén là những khu vực quan trọng để nâng
cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong các nhà máy công nghiệp.

Hình 2.1: Biểu đồ xương cá của hệ thống khí
nén
Cần lưu ý rằng chi phí để vận hành một hệ thống khí nén đắt hơn nhiều so với chi phí
mua máy nén khí (hình 6).Tiết kiệm năng lượng nhờ cải thiện hệ thống chiếm khoảng
từ 20% đến 50% tiêu thụ điện, có thể mang lại hàng trăm nghìn USD. Quản lý hệ
thống khí nén hợp lý có thể giúp tiết kiệm năng lượng, giảm khối lượng bảo dưỡng, rút
ngắn thời gian dừng vận hành, tăng sản lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Maintenance: bảo trì
Capital: Vốn
Water: nước
Energy: năng lượng

Hình 2.2: Các khoản chi
phí trong hệ thống khí nén

Bài 2: Máy nén khí và thiết bị sử lý khí nén

1.2. Máy nén khí
Áp suất khí được tạo ra từ máy nén khí, ở đó ăng lượng cơ học của động cưo
điện hoặc của động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệt
năng.
1.2.1. Nguyên lý hoạt động và phân loại máy nén khí
a) Nguyên lý hoạt động
- Nguyên lý thay đổi thể tích: không khí được đủa vào buồng chứa, ở đố thể
tích của bường chứa sẽ nhỏ lại. Theo định luật Boyle – Mariotte áp suất trong buồng
chứa sẽ tăng lên.Máy nén khí hoạt động theo nguyên lý thể tích bao gồm: máy nén khí
kiểu pittong, bánh răng, cánh gạt .v.v..
- Nguyên lý động năng ( máy nén dòng): không khí được đưa vào bường chứa,
ở đó áp suất khí nén được tạo ra bằng động năng của bánh dẫn. Nguyên tắc hoạt động
này tạo ra lưu lượng và công suất lớn. Máy nén khí hoạt động theo nguyên lí này bao
gồm: máy nén khí kiểu ly tâm, máy nén khí dòng hỗn hợp.v.v..
b) Phân loại:
- Theo áp suất:
+ Máy nén khí áp suất thấp
p < 15bar
+ Máy nén khí áp suất thấp
p ≥ 15bar
+ Máy nén khí áp suất thấp
p ≥300bar
- Theo nguyên lý hoạt động:
+ Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: máy nén khi kiểu
pittong, máy nén khí kiểu cánh gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít.
+ Máy nén khí theo nguyên lý động năng: máy nén khí ly tâm, máy nén

theo trục.
- Ta có thể phân loại máy nén khí theo hình 7:
MÁY NÉN

Máy nén thể tích

Tịnh tiến

Tác động đơn

Tác động kép

Máy nén động năng

Quay

Trục vít
hình trôn ốc

Ly tâm

Dòng chất
lỏng

Chuyển
động cuộn

Hình 2.3: Các loại máy nén khí

12

Theo trục

Cánh quạt

Vành


Bài 2: Máy nén khí và thiết bị sử lý khí nén

1.2.2. Máy nén khí kiểu pittông
Trong doanh nghiệp, các máy nén pittông được sử dụng rộng rãi cho cả nén khí
và làm lạnh. Các máy nén khí này hoạt động trên nguyên lý của bơm xe đạp và được
đặc trung bởi sự ổn định của lưu lượng khi áp suất đẩy thay đổi. năng suất của máy tỷ
lệ thuận với tốc độ. Tuy nhiên công suất của máy nén lại thay đổi.
a) Cấu tạo
- Máy nén pittông có rất nhiều cấu tạo khác nhau, bốn loại được sử dụng nhiều
nhất là: thẳng đứng, nằm ngang, nối tiếp và nằm ngang cân bằng - đối xứng.
- Máy nén pittông trục đứng được sử dụng trong khoảng công suất từ 50 – 150
cfm (foot khối/ phút)
- Máy nén nằm ngang cân bằng đối xứng sử dụng trong khoảng công suất từ
200– 5000 cfm (foot khối/ phút) được sử dụng với nhiều cấp và lên tới 10.000cfm với
các thiết kế một cấp.
- Máy nén khí pittông là loại máy nén khí tác động đơn nếu quá trình nén chỉ sử
dụng một phía của pittông. Nếu máy nén sử dụng cả 2 phía của pittong là máy nén tác
động kép.
- Máy nén một cấp là máy nén có quá trình thực hiện bằng một xylanh đơn hoặc
một số xylanh song song (hình 8)

Hình 2.4: Mặt cắt của máy nén pittong

- Rất nhiều ứng dụng yêu cầu vượt quá khả năng thực tế của một cấp nén đơn
lẻ. Tỷ số nén quá cao(áp suất đẩy tuyệt đối/ áp suất hút tuyệt đối ) có thể làm nhiệt độ
cửa đẩy cao quá mức hoặc gây ra các vấn đề thiết kế khác. Điều này dẫn đến nhu cầu
sử dụng máy nén hai hay nhiều cấp cho yêu cầu áp suất cao với nhiệt độ khí cấp (cửa
đẩy) thấp hơn (1400C – 1600C) so với máy nén một cấp (2050C – 2400C).

13


Bài 2: Máy nén khí và thiết bị sử lý khí nén

Trong sử dụng thực tế, các nhà máy, xí nghiệp đều dùng máy nén pittong trên 100 mã
lực nhiều cấp, trong đó hai hoặc nhiều bước nén được ghép nối tiếp nhau. Không khí
thường được làm mát giữa các cấp đẻ giảm nhiệt đọ và thể tích khi đưa vào cấp tiếp
theo.
Máy nén khí pittông có sẵn ở cả dạng làm mát không khí và làm mát nước, có
bôi trơn hoặc không bôi trơn, có thể bán dưới dạng tổng thành trọn gói với dải áp suất
và công suất rộng.
b) Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của máy nén kiêu pittông một cấp ( hình 10)

Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu
pittong một cấp
+
Không
khí được hút vào khi pittong đi xuống, van nạp mở ra, van xả đóng lại do áp suất giảm
xuống. Đây gọi là pha hút.
+ Ở điểm chết dưới của pittông, van nạp đóng, buồng khí đóng kín
+ Pittông đi lên, áp suất tăng, van xả mở, đây gọi là pha nén
+ Ở điểm chết trên của pittông, van xả đóng lại, van nạp mở ra. chuẩn bị cho

một chu trình mới.

14


Bài 2: Máy nén khí và thiết bị sử lý khí nén
- Máy nén khí kiểu pittông một ấp có thể hút lưu lượng đến 10m 3/phút bà áp
suất nén được 6bar, một số trường hợp áp suất nén đến 10bar.
c) Ưu, nhược điểm của máy nén khí kiểu pittông:
- Ưu điểm: Cứng, vững, hiếu suất cao, kết cấu vận hành đơn giản
- Nhược điểm: Tạo ra khí nén theo xung, thường có dầu, ồn.
* Một số máy nén khí kiểu pittôngđược sử dụng trong thực tế:

Hình b:công
Máynghiệp
nén pittông áp suất thấp
Hình a: Máy nén pittông

15


Bài 2: Máy nén khí và thiết bị sử lý khí nén

Hình c: Máy nén pittông
Hình
bơmc:dầu
Máy nén khí xylanh đơn
1.2.3. Máy nén khí kiểu cánh gạt.
a) Cấu tạo máy nén khí kiểu cánh gạt.
Máy nén khí kiểu cánh gạt bao gồm: Thân máy, mặt bích thân máy, mặt biwchs

trục, rôto lắp trên trục. Trục và rôto lắp lệch têm so với bánh dẫn truyền động. Khi rôto
quay tròn, dưới tác dụng của lực ly tâm các bánh gạt chuyển động tự do trong các rãnh
ở trên rôto và các đầu cánh gạt tựa vào bánh dẫn chuyển động. Thể tích giới hạn giữa
các bánh gạt sẽ bị thay đổi. Như vậy quá trình hút và nén được thực hiện.
Để làm mát khí nén, trên thân máy có các rãnh để dẫn nước vào làm mát. Bánh
dẫn được bôi trơn và quay tròn trên thân máy để giảm bớt sự hao mòn khi các cánh tựa
vào nhau.

Hình 2.6: Mặt cắt của máy nén khí kiểu cánh gạt
b)
Nguyên lý làm việc của máy nén khí kiểu cánh gạt

16


Bài 2: Máy nén khí và thiết bị sử lý khí nén

Hình 2.7 : Nguyên lý làm việc của máy nén khí kiểu cánh gạt
- Không khí được hút vào buồng hút. Nhờ rôto và stato đặt lệch nhau một
khoảng lệch tâm, nên khi rô to quay sang phải thì không khí sẽ được đua vào buồng
nén. Sau đó khí nén sẽ được đưa vào buồng đẩy.
c) Ưu, nhược điểm của máy nén khí kiểu cánh gạt
- Ưu điểm: Kết cấu gọn, máy chạy êm, khí nén không bị xung
- Nhược điểm: Hiệu suất thấp, khí nén bị nhiễm dầu

* Một số máy nén khí kiểu cánh gạt được sử dụng trong thực tế:

Hình a : Máy nén khí kiểu cánh gạt

17

Hình b : Máy nén khí kiểu cánh gạt


Bài 2: Máy nén khí và thiết bị sử lý khí nén

1.2.4. Máy nén khí kiểu trục vít.
a) Cấu tạo máy nén kiểu trục vít
Máy nén khí trục vít có khoảng năm 1950 và đã chiếm một thị trường lớn trong
lĩnh vực nén khí, loại máy nén khí này có vỏ đặc biệt bao bọc quanh hai trục vít, một
lồi, môt lõm.
Máy nén khí kiểu trục vít hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích. Máy nén
khí trục vít gồm hai trục: Trục chính và trục phụ. Các răng của hai trục vít ăn khớp với
nhau và số răng trục vít lồi ít hơn số răng trục vít lõm từ 1 đến 2 răng, hai trục vít phải
quay đồng bộ với nhau.

Hình 2.8 : Máy nén khí kiểu trục vít
b) Nguyên lý làm việc
Khi các trục vít quay nhanh, không khí được hút vào bên trong vỏ thông qua cử
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

18
Hình 2.9 : Nguyên lý làm việc của máy nén khí kiểu trục vít


Bài 2: Máy nén khí và thiết bị sử lý khí nén
nén đi tới cửa thoát. cả cửa nạp và cửa thoát sẽ được đóng hoặc 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 dừng.

c) Ưu, nhược điểm của máy nén khí kiểu trục vít
- Ưu điểm: Khí nén không bị xung, sạch, tuổi thọ vít cao ( 15.000 đến 40.000
giờ), nhỏ gọn, chạy êm.
- Nhược điểm: Giá thành cao, tỷ số nén bị hạn chế.

Hình 2.10 : Sơ đồ hệ thống máy nén khí kiểu trục vít có hệ thống dầu bôi trơn
*
Một số máy nén khí kiểu trục vít được sử dụng trong thực tế:

19


Bài 2: Máy nén khí và thiết bị sử lý khí nén

Hình a : Máy nén khí kiểu trục vít lưu động

Hình b: Máy nén khí kiểu trục vít
1.2.5. Máy nén khí kiểu Root.

Máy nén khí kiểu root gồm có 2 hoặc 3 cánh quạt (Pittông có dạng hình số 8).
Các pittong đó được quay đồng bộbằng bộ truyền động ở ngoài thân máy và trong quá
trình quay không tiếp xúc với nhau. Như vậy khả năng hút của máy phụ thuộc vào khe
hở giữa 2 pittông, khe hở giữa phần quay và thân máy.

20


Bài 2: Máy nén khí và thiết bị sử lý khí nén
Máy nén kiểu root tạo ra áp suất không phải theo nguyên lý thể tích mà có thể
gọi là sự nén từ dòng phía sau. Điều đó có nghĩa là, khi rôto quay được 1 vòng, thì vẫn
chưa tạo áp suất trong buồng đẩy, cho đến khi rô to quay tiếp đến vòng thứ 2 thì dòng
lưu lượng đó đẩy vào dòng lưu lượng ban đầu và cuối cùng mới vào buồng đẩy. Với
nguyên tắc hoạt động này sẽ làm cho tiếng ồn tăng lên.

Hình 2.11 : Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu root
1.2.6. Máy nén khí kiểu ly tâm.
a) Cấu tạo của máy nén khí kiểu ly tâm
Máy nén khí ly tâm sử dụng đĩa xoay hình cánh quạt hoặc bánh đẩy để ép khí
vào phầm rìa của bánh đẩy làm tăng tốc độ của khí. Bộ phận khuếch tán của máy sẽ
chuyển đổi năng lượng của tốc độ thành áp suất. Máy nén khí ly tâm thường sử dụng
trong ngành công nghiệp nặng và trong môi trường làm việc liên tục. Chúng thường
được lắp cố định. Công suất của chúng có thể từ hàng trăm đến hàng ngàn mã lực. Với
hệ thống làm việc gồm nhiều máy nén khí ly tâm, chúng có thể tăng áp lực đầu ra hơn
10000 lbf/in² (69 MPa).
Nhiều hệ thống làm tuyết nhân tạo sử dụng loại máy nén này. Chúng có thể sử dụng
động cơ đốt trong, bộ nạp hoặc động cơ tua-bin. Máy nén khí ly tâm được sử dụng
trong một động cơ tua-bin bằng gas nhỏ hoặc giống như là tầng nén khí cuối cùng của
động cơ tua-bin gas cỡ trung bình.

21
Hình 2.12 : Cấu tạo máy nén khí kiểu ly tâm


Bài 2: Máy nén khí và thiết bị sử lý khí nén

b) Nguyên lý làm việc
Trong máy nén khí ly tâm, mỗi cấp gồm một ngăn, một cánh quạt, một bộ
khuêch tán và một ống khuêch tán.
Khi cánh quạt quay có nhiều cánh với tốc độ cao, không khí được hút vào giữa
cánh quạt với vận tốc lớn và áp suất cao sau đó không khí đi vào vòng khuêch tán tĩnh.
Ở đó không khí giãn nở vì vậy vận tốc của nó sẽ giảm xuống nhưng áp suất tăng một
cách đáng kể.Từ bộ khuêch tán tổ hợp, ở đó không khí giãn nở và áp suất tăng rồi đi
đến cấp kế tiếp hoặc trực tiếp đến ngõ ra
1.3. Hệ thống khí nén
Hệ thống khí nén bao gồm các phần: bộ lọc khí vào, thiết bị làm mát giữa các
cấp(làm mát trung gian), thiết bị làm mát sau( làm mát sau nén), thiết bị làm khô khí,
bẫy lọc ẩm, bình chứa, hệ thống đường ống, bộ lọc, thiết bị điều tiết và bôi trơn.
- Bộ lọc khí vào: ngăn không cho bụi vào máy nén: bụi vào gây tắc ghẽn van,
làm mòn xy lanh và các bộ phận khác.
- Thiết bị làm mát giữa các cấp: Giảm nhiệt độ khí trước khi vào cấp kế tiếp để
giảm tải nén và tăng hiệu suất. Khí thường được làm mát bằng nước.
- Thiết bị làm mát sau: Để loại bỏ hơi nước trong không khí bằng cách giảm
nhiệt độ trong bộ trao đổi nhiệt dùng nước làm mát.
- Bộ làm khô khí: Lượng hơi ẩm còn sót lại sau khi qua thiết bị làm mát sau
được loại bỏ nhờ bộ làm khô khí, vì khí sử dụng cho các thiết bị khí nén phải gần như
khô hoàn toàn. Hơi ẩm bị loại bỏ nhờ sửu dụng các chất hấp thụ như sillic oxit, than
hoạt tính hoặc giàn làm khô được làm lạnh hay nhiệt độ từ các bộ sấy của máy nén
khí.
- Bẫy lọc ẩm: các bẫy lọc ẩm được sử dụng để loại bỏ độ ẩm trong khí nén.

Những bẫy này tương tự như bẫy hơi. Các loại bẫy được sử dụng gồm: van xả bằng
tay, các van xả tự động hoặc van xả theo thời gian ..v.v.
- Bình tích chứa:Các bình tích dùng để tích chứa khí nén và giảm các xung khi
nén- giảm sự thay đổi áp suât từ máy nén.

22


Bài 2: Máy nén khí và thiết bị sử lý khí nén

Hình 2.13: Hệ thống khí nén
2. Thiết bị xử lý khí nén
2.1. Yêu cầu về khí nén
Khí nén được tạo ra từ những máy nén khí chứa đựng nhiều chất bẩn, độ bẩn
có thể ở những mức độ khác nhau. Chất bẩn bao gồm bụi, độ ẩm của không khí được
hút vào, những phần tử nhỏ chất cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí. Hơn
nữa, trong quá trình nén, nhiệt độ của khí tăng lên, có thể gây nen quá trình ôxi hóa
một số phần tử ttrên.Như vậy, khí nén bao gồm những chất bẩn đó được tải đi trong
những ống dẫn khí, sẽ gây nên sự ăn mòn, gỉ trong ống đãn và các phần tử của hệ
thống điều khiển. Vì vậy, khí nén được sử dụng trong hệ thống điều khiển phải được
xử lý. Tùy thuộc váo phạm vi sử dụng mà xá định yêu cầu chất lượng của khí nén
tương ứng cho từng trường hợp cụ thể.
Khí nén được tải từ từ máy nén khí gồm những chất bẩn thô: những hạt bụi,
chất cặn bã trong dầu bôi trơn và truyền động cơ khí, phần lớn những chất bẩn này
được xử lý trong thiết bị gọi là thiết bị làm lạnh tạm thời. Sau đó khí nén được dẫn vào
bình nhưng tụ hơi nước, ở đó độ ẩm của khí nén ( lượng hơi nước) phần lớn sẽ được
ngưng tụ tại đây – giai đoạn náy gọi là giai đoạn xử lý thô. Nếu thiết bị xử lý ở giai
đoạn này tốt thì khí nén có thể được xử dụng cho những dụng cụ dùng khí nén bằng
tay, những thiết bị đồ gá chi tiết đơn giản … Tuy nhiên có những yêu cầu trong hệ
thống điều khiển và một số thiết bị đặc biệt thì chất lượng của khí nén phải cao hơn.

Để đánh giá chất lượng của khí nén Hội đồng các xí nghiệp châu Âu phân ra làm 5

23


Bài 2: Máy nén khí và thiết bị sử lý khí nén
loại, trong đó tiêu chuẩn về độ lớn của chất bẩn, áp suất hóa sương, lượng dầu trong
khí nén. cách phân loại này nhằm định hướng cho các nhà máy, xí nghiệp chọn đúng
chất lượng khí nén tương ứng với thiết bị sử dụng.
Giai đoạn xử lý khí nén

Lọc thô

Làm lạnh

Sấy khô

Tách nước

Lọc chất bẩn
Lọc bụi

Ngưng tụ

Lọc tinh

Hấp thụ

Sấy khô
bằng

chất làm
lạnh

Bộ lọc

Hấp thụ
bằng
chất làm
lạnh

Hình 2.14: Các phương pháp xử lý khí nén

Cụm bảo
dưỡng

Bộ lọc
Điều chỉnh áp
suất
Bộ tra dầu

Hệ thống xử lý khí nén được phân thành 3 giai đoạn:
- Lọc thô: Làm mát tạm thời khí nén từ máy nén khí ra, để tách chất bẩn bụi.
Sau đó được đưa vào bình ngưng tụ để tách hơi nước. Giai đoạn lọc thô là giai đoạn
cần thiết nhất cho vấn đề xử lý khí nén.
- Phương pháp sấy khô: Giai đoạn này xử lý tùy theo chất lượng của khí nén.
- Lọc tinh: Xứ lý khí nén trong giai đoạn này, trước khi đưa vào sử dụng. Giai
đoạn này rất cần thiết cho hệ thống điều khiển.
2.2. Các phương pháp xử lý khí nén
a) Bình ngưng tụ- làm lạnh bằng không khí (bằng nước)
Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí sẽ được dẫn vào bình ngưng tụ. Tại đây áp

suất khí nén sẽ được làm lạnh và phần lớn lượng hơi nước chứa trong không khó sẽ
được ngưng tụ và tác ra
Làm lạnh bằng không khí, nhiệt độ khí nén trong bình ngưng tụ sẽ đạt được
trong khoảng từ 300C đến 350C. Làm lạnh bằng nước (nước làm lạnh có nhiệt độ 10 0C)
thì nhiệt độ trong bình ngưng tụ sẽ đạt được là 200C

24


Bài 2: Máy nén khí và thiết bị sử lý khí nén

b)

Hình 2.15: Nguyên lý hoạt động của bình ngưng tụ bằng nước
Thiết bị sấy khô bằng chất làm lạnh
Nguyên lý của phương pháp sấy khô bằng chất làm lạnh là: khí nén đi qua bộ
phận trao đổi nhiệt khí- khí. Tại đây, dòng khí nén vào sẽ được làm lạnh sơ bộ bằng
dòng khí nén đã được sấy khô và xử lý từ bộ ngưng tụ đi lên
Sau khi được làm lạnh sơ bộ, dòng khí nén vào bộ phận trao đổi nhiệt khí- chất
làm lạnh. Quá trình làm lạnh sẽ được thực hiện bằng cách cho dòng khí nén chuyển
động đảo chiều trong những ống đẫ. Nhiệt độ hóa sương ở đây là 20C. 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 đưa ra
ngoài qua van thoát nước ngưng tụ tự động(4). Dòng khí nén được làm sạch và còn
lạnh sẽ được đưa đén bộ phận trao đổi nhiệt (1) để nâng nhiệt độ lên khoảng từ 6 0C
đến 80C 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 (5). Sua khi chất làm lạnh được nén qua máy nén, nhiệt độ sẽ tăng lên, bình
ngưng tụ(6) sẽ có tác dụng làm nguội chất làm lạnh đó bằng quạt gió. Van điều chỉnh
lưu lượng (8) và rơle nhiệt độ(7) có nhiệm vụ điều chỉnh dòng lưu lượng chất làm lạnh

hoạt động trong khi có tải, không tải và hơi quá nhiệt.

25