TÀI LIỆU máy nén khí li tâm

MÁY NÉN KHÍ
Máy nén khí là dụng cụ dùng để nâng áp suất một chất khí
với một lưu lượng nào đó nên một áp nhât định để phục vụ
cuộc sống sinh hoạt và sản xuất của con người.

Phân loại máy nén khí
Có nhiều cách để phân loại máy nén khí tùy thuộc vào đặc
điểm và tính chất và nguyên lý hoạt động ta có thể phân
ra:
1. Dựa vào cấu tạo
Được phân làm 3 loại:
- Máy nén khí kiểu Piston
- Máy nén khí kiểu Rôto
- Máy nén khí kiểu Ly tâm
2. Dựa vào phương pháp dẫn động
Được phân làm 3 loại:
- Máy nén khí được dẫn động bằng động cơ đốt trong (động
cơ hoạt động bằng khí, động cơ xăng, động cơ diezel…).
- Máy nén khí được dẫn động bằng động cơ điện (động cơ 1
pha hoặc 3 pha, động cơ điện áp thấp, động cơ địên áp
cao..).
- Máy nén khí được dẫn động bằng tuabin (tuabin khí hoặc
tuabin hơi).
3. Dựa theo cấp số nén
Được phân làm 2 loại:
- Máy nén khí một cấp: khí được nạp và nén một lần rồi
đem ra sử dụng.
- Máy nén khí nhiều cấp: khí được nạp và nén nhiều lần rồi
mới đem ra sử dụng. Muốn có áp suất khí nén lớn thì càng
phải có nhiều cấp nén.
4. Dựa theo nguyên tắc nén khí

Được chia ra làm 2 loại:
- Máy nén khí hoạt động theo nguyên tắc giảm thể tích
chứa: với loại máy nén khí này, khí được lấy từ khộng gian
có áp suất nhỏ đưa vào một không gian kín (không gian
công tác) sau đó được nén và tăng áp suất do giảm thể tích
(máy nén khí kiểu piston và kiểu rôto).
- Máy nén khí hoạt động theo nguyên tắc biến đổi động
năng: với loại máy nén khí này, khí được truyền với vận tốc
lớn và được nén nhờ sự biến đổi động năng của dòng khì
chuyển động thành công nén (máy nén khí Ly tâm).

1


PHẦN I: MÁY NÉN KHÍ LY TÂM
I. CẤU TẠO CỦA MÁY NÉN KHÍ LY TÂM
Nguyên lý hoạt động của máy nén ly tâm là nó dựa vào khả năng thay
đổi dạng năng lượng của của vật chất. Cụ thể ở máy nén khí ly tâm là
biến đổi từ động năng sang thế năng (áp suất) của các phần tử khí.

2


1. Vỏ máy
Vỏ máy nén có hai kiểu cấu tạo:
- Vỏ tháo ngang:
3


Figure 1

Đối với vỏ tháo ngang, khi mở nắp máy phía trên ta có thể thấy được
các bộ phận bên trong.
- Vỏ tháo dọc:

Đối với máy nén có vỏ tháo dọc, sau khi mở nắp, các bộ phận bên
trong máy nén phải được kéo ra ngoài thì mới quan sát cẩn thận được.

4


So sánh với loại vỏ dọc thì loaị vỏ tháo ngang được sử dụng phổ biến
hơn do dễ sửa chữa các bộ phận bên trong. Tuy nhiên loại vỏ tháo
ngang có nhực điểm là vùng có khả năng rò rỉ rộng. nó sẽ không phù
hợp để nén các loại khí nhẹ, khí nguy hiểm ở áp cao.
2. Cánh quạt và trục.
Là một bộ phận của máy nén khí ly tâm dùng để tăng vận tốc của khí.
Có ba loại cánh quạt là: cánh hở, cánh nửa hở và cánh kín được minh
hoạ như hình vẽ dưới đây:
- Loại cánh hở thường được sử dụng cho máy nén ly tâm chỉ có
một cấp.
- Loại cánh nửa hở được sử dụng cho dòng lớn, thường sử dụng
cho máy nén đơn cấp hay cấp đầu tiên của máy nén nhiều cấp.
- Loại cánh kín được sử dụng chủ yếu trong máy nén nhiều cấp.
Trong máy nén khí ly tâm dòng khí ít được kiểm soát nhất là trong loại
máy dùng cánh hở. Trong loại cánh kín, khí được hút vào lỗ hút và đi ra
lỗ ngoài của vành cánh quạt. Do vậy dòng khí phần lớn được kiểm soát.
5

Các kiểu cánh quạt

Cánh quạt được liên kết cứng với trục nhờ mối ghép then.

3. Màng ngăn
Đó là một tấm kim loại đặt kề sát với cánh quạt, nó đóng vai trò dẫn
đường cho khí đi từ miệng đẩy của cấp nén này vào miệng hút của cấp
nén tiếp theo. Thông thường màng ngăn được chế tạo bằng gang hoặc
bằng kim loại cứng, nó được gắn với vỏ và không quay theo trục của
máy nén.

6


Thông thường màng ngăn được chế tạo bằng gang hoặc bằng kim loại
cứng, nó được gắn với vỏ và không quay theo trục của máy nén.

Màng ngăn có thể có thể phải được làm nguội. Nó đóng vai trò làm
nguội khí khi
nén.

7


Bên trong của màng có đường ống hút và đẩy thông với nhau, nhờ đó
mà nước làm mát có thể lưu thông qua để làm mát. Khi đó nhiệt độ
của màng sẽ giảm.
4. Cánh dẫn hướng
Cánh dẫn hướng có thể cố định hoặc có khả năng di chuyển, thông
thường được đặt ở phía trước lỗ hút của một cánh quạt khác để có tác

dụng dẫn dòng khí đi vào lỗ hút của cánh quạt.

8


Cánh dẫn hướng trong máy nén ly tâm nhiều cấp được đặt ở cuối
đường hồi của màng ngăn.
Khí sau khi dời khỏi cánh quạt sẽ đi vào vùng khuyếch tán và được dẫn
hồi trở lại nhờ cánh dẫn hướng vào cánh quạt tiếp theo.
Đường vào cánh dẫn hướng có thể thay đổi được.

9


Với cánh có khả năng điều chỉnh, góc của dòng khí vào cánh quạt có
thể được thay đổi hay điều khiển đuợc. Góc đó ảnh hưởng đến đặc
điểm làm việc của cánh quạt. Công suất của máy nén vì vậy cũng có
thể điều chỉnh được bằng sự điều chỉnh cánh dẫn hướng. Ở một số máy
nén khí, cánh dẫn hướng được thiết kế để tự động điều chỉnh công suất
giữ cho máy làm việc trong phạm vi công suất của nó.
5. Vòng đệm trục
Vì màng ngăn không quay theo trục của máy nén nên giữ chúng phải
có một khoảng hở. Khí đi qua cánh quạt được tăng áp suất nên chúng
có khả năng quay trở lại trước miệng hút. Vòng đệm trục nhằm mục
đích hạn chế khả năng đó.
a. Vòng đệm khuất khúc
Minh hoạ hình vẽ dưới đây:

10

Đó là bộ các vòng kim loại có hình răng cưa bao quanh trục. Các răng
này không chạm vào trục. Các vòng này thường là kim loại mềm để
tránh hư hỏng trục trong trường hợp bị cọ sát với trục. Giữa các răng
cưa hình thành các không gian rối như minh hoạ ở hình vẽ.

Khi khí đi vào khoảng không rối này chúng sẽ đổi hướng và chậm lại,
nhờ đó hạn chế khí rò rỉ ra ngoài. Tuy nhiên, vòng đệm này không
ngăng được hoàn toàn rò rỉ vì vậy chúng chỉ có thể sử dụng ở những
nơi áp suất thấp và chấp nhận một phần khí rò rỉ, chẳng hạn như ở
giữa các cấp nén.
Nếu dòng khí có vận tốc cao, một lượng khí không thay đổi trực tiếp
trong vòng làm kín mà đi thẳng qua đường dẫn giưã răng của vòng
đệm khuất khúc và trục.
Một kiểu kết cấu khác của vòng đệm khuất khúc là trên trục có răng.

Khí không thể chảy qua vòng đệm theo một đường thẳng.
Cũng có nhiều trường hợp vòng đệm khuất khúc được sử dụng thêm
giữa vỏ máy và trục máy như minh hoạ ở hình vẽ dưới đây:

11


Một cách khác để khắc phục tình trạng trên là cả trục lẫn vòng đệm
đều được tạo răng ăn khớp nhau. Với kết cấu đó, khí dòng khí đi qua
phải đổi hướng chuyển động nhiều hơn do đó tốc độ sẽ giảm nhiều hơn
và kết quả là hạn chế được rò rỉ nhiều hơn.
Nếu khí nén trong máy nén khí là khí độc hại, nguy hiểm thì cần có
rãnh để hứng khí rò rỉ, từ đó khí được dẫn tới một nơi an toàn.

Cũng với cấu tạo như hình vẽ trên, người ta có thể dẫn tới đó một dòng
khí trơ áp lớn hơn áp suất trong máy nén.

12


Rõ ràng với cấu tạo như thế khí trong máy nén không thể đi ra ngoài
được. Nhưng tất nhiên khí trơ sẽ rò rỉ ra ngoài và vào trong máy nén.
b. Vòng đệm kín giới hạn

13


Các vòng này được đặt phía bên trong cuả vòng bít, vòng bít này không
tiếp xúc với trục. Mặt trong của vòng đệm ngăn ngừa rò rỉ dọc theo
trục, còn mặt tiếp xúc theo phương thẳng đứng giữa vòng bít và vòng
đệm ngăn ngừa rò rỉ phía ngoài vòng đệm.

14


Vòng làm kín cũng được sử dụng trong liên kết với loại vòng đệm khuất
khúc để giảm hơn nữa sự rò rỉ.

c. Vòng đệm kín tiếp xúc cơ học

15


Các bộ phận chính của loại vòng đệm này là vòng tĩnh, vòng quay và

vòng carbon. Vòng quay được bắt chặt với trục máy còn vòng tĩnh thì
không. Mặt tiếp xúc giữa vòng carbon với vòng tĩnh và với vòng quay
ngăn không cho khí rò rỉ.
Loại vòng đệm này phải sử dụng dầu bôi trơn. Ngoài tác dụng bôi trơn,
dầu còn đóng vai trò làm mát và tạo đệm kín giữa các khe hở do tiếp
xúc cơ học. Áp suất phải lớn hơn áp suất khí tại vùng đệm kín khoảng
40 psi.
Dầu sẽ hấp thụ phần khí đi qua vòng đệm kín sau đó quay trở lại hệ
thống dầu để làm sạch, làm nguội.
Đệm kín tiếp xúc cơ học phù hợp với các máy nén có áp suất đến 1000
psi.
d. Đệm màng lỏng
Để đệm kín những trường hợp áp suất lớn đến 5.000 psi thì đệm màng
lỏng được sử dụng.

16


Các bộ phận chính gồm: ống lót trong, ống lót ngoài, ống lót trục và
màng dầu. Ống lót trục được gắn vào trục và luôn có một khoảng cách
17


với trục. Khi trục quay dầu sẽ đi vào khoảng hở này và bịt kín đường rò
rỉ của khí. Tuy nhiên áp suất của dầu phải cao (cao hơn áp suất dòng
công nghệ từ 0.3 – 1bar). Hệ thống cung cấp dầu của loại đệm này
cũng tương tự như loại tiếp xúc cơ học. Áp suất trong máy nén khí có
thể thay đổi, vì vậy áp suất dầu làm kín cũng phải thay đổi cho phù
hợp.

Loại đệm kín này hầu như ngăn được rò rỉ tuyệt đối và không tạo ra ma
sát, mài mòn các bộ phận đệm kín. Tuy nhiên nó đòi hỏi phải có một hệ
thống cung cấp dầu cao áp liên tục, dầu phải sạch. Dầu sau khi bị
nhiểm bẩn phải được thu hồi, làm sạch và làm nguội. Nếu lượng dầu
cần phải lưu thông nhiều trong hệ thống thì chứng tỏ các vòng đệm đã
giảm hiệu quả.
Một số khí như oxy rất nguy hiểm khi hoà trộn với dầu, vì vậy trong
những trường hợp như vậy cần thay dầu bằng một chất lỏng phù hợp
khác
6. Ổ bi.
Cũng như máy bơm ly tâm, trục của máy nén ngoài chuyển động quay
còn có cả chuyển động theo phương dọc trục và chuyển động theo bán
kính của trục gọi là lực dọc trục và lực hướng tâm. Hai chuyển động
này cần phải được triệt tiêu. Các ổ bi ngoài các tác dụng giảm ma sát
còn có tác dụng triệt tiêu các chuyển động này.

18


Dưới đây là hình minh hoạ một số kiểu ổ bi thường hay sử dụng.
Ổ bi minh họa dưới đây dùng để chống lại chuyển động theo trục.

.
Hai loại ổ bi dưới đây thường được sử dụng để chống lại chuyển
động theo phương bán kính.

19


Tất cả các ổ bi này đều phải được bôi trơn.

7. Ngăn cân bằng
Trong máy nén ly tâm nhiều cấp, lực do áp suất tác dụng lên hai chiều
không cân bằng nhau. Rõ ràng phía áp suất cao có lực tác dụng lớn
hơn, do đó trục có xu hướng chuyển động về phía miệng hút.

Để giảm bớt sự mất cân bằng về lực này. Trên máy nén người ta phải
thiết kế một đường cân bằng và một ngăn cân bằng. Ngăn cân bằng
được minh hoạ ở hình vẽ dưới đây:
20


Đó là một bộ phận gắn liền với trục ở cuối miệng hút của máy nén khí,
được chia thành hai phần, phần phía miệng hút của trục thì chịu tác
dụng của áp suất khí ở cửa xả, còn phần phía bên cửa xả của trục thì
chịu tác dụng của áp suất khí tại miệng hút. Còn cánh quạt thì chịu tác
dụng theo chiều ngược lại. Theo phân tích lực như vậy cho thấy lực tác
dụng lên trục sẽ cân bằng hơn.

21


Với cách bố trí này, các ổ bi vòng đệm ở cả hai phía của trục chỉ chịu
tác dụng của áp suất bằng áp suất tại miệng hút.
8. Hệ thống bôi trơn
hệ thống bôi trơn được minh hoạ như hình vẽ dưới đây:
Trong hệ thống này dầu được cung cấp cho các ổ bi ở áp suất cao. Nếu
trong trường hợp hệ thống bội trơn có sự cố thì các ổ bi không thể hoạt
động được.
thông thường một bơm dầu được gắn trực tiếp vào động cơ chính, nó
hoạt động liên tục trong quá trình máy nén hoạt động. Tuy nhiên một

số máy nén cần phải được bôi trơn trước khi khởi động, vì vậy cần phải
có một bơm dầu phụ hoạt động độc lập.
Khi dầu đi ra khỏi máy nén, nó đã nóng và có chứa các chất bẩn. Vì vậy
trong hệ thống dầu phải có thiết bị trao đổi nhiệt để làm nguội dầu và
có thiết bị lọc để lọc các chất bẩn ra khỏi dầu. Cả hai thiết bị này đều
phải có dự phòng để hệ thống có thể hoạt động liên tục.

22


Do nhiệt độ và áp của dầu là cực kỳ quan trọng đối với sự hoạt động
của máy nén nên thường có chuông báo động khi nhiệt độ của dầu quá
cao hoặc áp suất dầu quá thấp. Ngoài ra còn có thể có thêm bộ phận
ngừng hoạt động của máy nén nếu các thông số này trở nên quá nguy
hiểm.
9. Hệ thống làm mát
Vì khi nén, nhiệt độ của khí tăng, tỷ số nén cao thì nhiệt độ càng lớn. Vì
vậy cần thiết phải làm mát khí. Một số hình thức làm mát được minh
hoạ ở các hình vẽ dưới đây.

23


10. Động cơ dẫn động
Máy nén ly tâm chuyển động quay từ 3000-50.000 v/ph (RPM). Thông
thường thì máy hoạt động trong khoảng từ 3000- 12.000 RPM. Với máy
nén ly tâm, tốc độ 3000RPM được coi là tốc độ thấp và 10.000 RPM
được coi là tốc độ cao.

Động cơ chính có thể là động cơ điện (motor), động cơ đốt trong,

turbine khí, turbine hơi nước. Với động cơ điện thì tốc độ chỉ đạt 3000
24


RPM, muốn đạt tốc độ lớn hơn thì phải sử dụng hệ thống bánh răng để
tăng tốc. Với turbine hơi nước thì tốc độ có thể đạt tới rất cao. Tốc độ
của turbine hơi nước có thể điều khiển bằng cách điều khiển lượng hơi
nước tới turbine. Motor điện là hai loại động cơ chính thường hay sử
dụng ở các nhà máy hoá lọc dầu, chế biến khí.
11. Thiết bị an toàn
Motor điện phải được bảo vệ để tránh quá tải. Quá tải làm cho nhịêt độ
motor lên cao làm hư hỏng motor.
Để tránh quá nhiệt cho động cơ người ta sử dụng rơle nhiệt gắn vào
cuộn dây của motor. Khi cuộn dây quá nóng rơle nhiệt sẽ tự động cắt
dòng điện đến motor.
Nếu động cơ dẫn động là turbine thì cần phải có bộ phận điều chỉnh tốc
độ để giữ cho tốc độ không thay đổi.

Bộ phận điều chỉnh này có thể là một động cơ phát điện được
gắn vào trục turbine. Khi turbine quay càng nhanh dòng điện phát sẽ
càng lớn, ngựoc lại khi turbine quay càng chậm thì dòng điện sinh ra
càng nhỏ, dòng điện này chính là tín hiệu để điều khiển van cung cấp
hơi nước tới turbine (như hình vẽ trên).
Ngoài ra một hình thức điều chỉnh tốc độ bằng bộ điều tốc ly tâm
được minh hoạ như hình vẽ dưới đây:

25