Giáo trình Truyền động thủy lực và khí nén: Phần 2 - ĐH Lâm Nghiệp

Phần thứ hai.
TRUYỀN ĐỘNG VÀ
ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN

125


126


Chương 5. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN

Ứng dụng khí nén đã có từ thời trước Cơng Nguyên, tuy nhiên sự phát triển của
khoa học kỹ thuật thời đó khơng đồng bộ cho nên phạm vi ứng dụng của khí nén cịn rất
hạn chế. Mãi đến thế kỷ thứ 19, các máy móc thiết bị 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 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 điện sẽ khơng an tồn. Khí
nén được sử dụng ở những dụng cụ nhỏ nhưng truyền động với vận tốc lớn như: Búa
hơi, dụng cụ dập, tán đinh... nhất là các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt trong các máy. 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.
5.1. Khả năng ứng dụng của khí nén
5.1.1. Trong lĩnh vực điều khiển

Những năm 50 và 60 của thế kỷ 20 là giai đoạn kỹ thuật tự động hóa q trình sản
xuất 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 hoà 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 mơi
trường rất tốt và an tồn cao. Ngồi ra, hệ thống điều khiển bằng khí nén cịn 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 cơng nghiệp hóa chất.
5.1.2. Trong các hệ thống truyền động

- Các dụng cụ, thiết bị, máy làm việc va đập:
Các thiết bị, máy móc trong lĩnh vực khai thác như: Khai thác đá, khai thác than,
trong các cơng trình xây dựng như: Xây dựng hầm mỏ, đường hầm.
- Truyền động quay:
Truyền động động cơ quay với công suất lớn bằng năng lượng khí nén giá thành
rất cao. Nếu so sánh giá thành tiêu thụ điện của một động cơ quay bằng năng lượng
127


khí nén và một động cơ điện có cùng cơng 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 nhỏ hơn 30% so với động cơ điện có cùng
cơng suất. Những dụng cụ vặn vít, máy khoan, công suất khoảng 3,5 kW, máy mài,
công suất khoảng 2,5 kW cũng như những máy mài với công suất nhỏ nhưng với số
vòng quay cao khoảng 100.000 (v/ph) thì khả năng sử dụng động cơ truyền động
bằng năng lượng khí nén là phù hợp.
- Truyền động thẳng:
Sử dụng truyền động 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, trong các
thiết bị làm lạnh cũng như trong hệ thống phanh hãm của ôtô.
- Trong các hệ thống đo và kiểm tra: Dùng trong các thiết bị đo và kiểm tra chất
lượng sản phẩm.

5.2. Ưu, nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén
5.2.1. Ưu điểm

- Do khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của khơng 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.
- 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 dẫn khí nén thải ra khơng 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 dẫn khí nén đã có sẵn.
- Hệ thống phịng ngừa áp suất giới hạn được bảo đảm.
5.2.2. 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 khơng thể thực hiện được những chuyển động thẳng
hoặc quay đều.
- Dịng khí nén thốt ra ở đường dẫn 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 nhược điểm 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.

128


5.3. Một số đặc điểm của hệ thống truyền động khí nén
Ký hiệu: (+), (=), (-) có nghĩa là thích hợp hơn/ bằng/ ít hơn so với truyền động
bằng khí nén.

- Độ an toàn khi quá tải
Khi hệ thống đạt được áp suất làm việc tới hạn, thì truyền động vẫn an tồn, khơng
có sự cố, hư hỏng xảy ra.
Truyền động điện - cơ (-); truyền động thủy lực (=), truyền động bằng cơ (-);
- Sự truyền tải năng lượng
Tổn thất áp suất và giá đầu tư cho mạng truyền động bằng khí nén tương đối thấp.
Truyền động điện (+); truyền động thủy lực (-), truyền động bằng cơ (-);
- Tuổi thọ và bảo dưỡng
Hệ thống truyền động và điều khiển bằng khí nén hoạt động tốt, khi mạng đạt tới áp
suất tới hạn và không gây ảnh hưởng đối với mơi trường. Tuy nhiên hệ thống địi hỏi rất
cao vấn đề lọc chất bẩn của áp suất khơng khí trong hệ thống.
Truyền động điện - cơ (- / =); Truyền động cơ (-),Truyền động thủy lực (=),Truyền động
điện (+).
- Khả năng thay thế những phần tử, thiết bị
Trong hệ thống truyền động bằng khí nén, khả năng thay thế những phần tử dễ
dàng. Truyền động điện (+);Truyền động bằng cơ (-),Truyền động thủy lực (=).
- Vận tốc truyền động
Do trọng lượng của các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khí nén nhỏ, hơn
nữa khả năng giãn nở của áp suất khí lớn, nên truyền động đạt được với vận tốc rất cao.
Truyền động điện - cơ (-),Truyền động cơ (-),Truyền động thủy lực (+).
- Khả năng điều chỉnh lưu lượng dịng và áp suất
Truyền động bằng khí nén có khả năng điều chỉnh lưu lượng và áp suất một cách
đơn giản. Tuy nhiên với sự tải trọng thay đổi thì vận tốc cũng thay đổi.
Truyền động điện - cơ (-),Truyền động cơ (-),Truyền động thủy lực (+)
- Vận tốc truyền tải
Vận tốc truyền tải và xử lý số liệu tương đối chậm: Truyền động điện (+), Truyền
động cơ (-), Truyền động thủy lực (+);
Phạm vi ứng dụng thích hợp của các hệ thống truyền động được liệt kê trong
bảng 5.1:

129


Bảng 5.1. Phạm vi ứng dụng thích hợp của các hệ thống truyền động
TT

Trường hợp ứng dụng

K

Đ-K

Đ-C

Đ

C

TL

1

Truyền động quay với cơng suất >2kW

+

0

0

0

x

1.1

Truyền động quay với cơng suất <2kW

x

0

0

0

x

1.2

Số vịng quay >10.000 v/ph

0

2

Truyền động thẳng, quãng đường <200 m, tải
trọng <20 KN

2.1

Truyền động thẳng, quãng đường <500 m, tải
trọng <20 KN

2.2

Truyền động thẳng, quãng đường >500 m, tải
trọng <6 KN

3

Điều khiển nhiều hơn 10 tiến trình

3.1

Điều khiển ít hơn 10 tiến trình

3.2

Điều khiển ít hơn 6 tiến trình

0

x

0

0

+

0

x

0

0

+

0

x

0

0

x

0

x

0

0

x

+

x

0

+

0

x

x

0

+

+

x

0

+

0

x

Ghi chú: K - Truyền động bằng khí nén; Đ-K - Truyền động bằng điện khí nén; Đ-C - Truyền động bằng
điện cơ; C - Truyền động bằng cơ; TL - Truyền động bằng thủy lực;  - Có khả năng ứng dụng
thích hợp; X - Có thể ứng dụng; + - Có thể ứng dụng trong những trường hợp đặc biệt;
0 - Khơng thể ứng dụng được.

5.4. Cơ sở lý thuyết tính tốn truyền động khí nén
5.4.1. Thành phần hóa học và các đại lượng vật lý cơ bản của khơng khí

Ngun tắc hoạt động của các thiết bị khí nén là khơng khí trong khí quyển được
hút vào và nén trong máy nén khí. Sau đó khí nén từ máy nén khí đưa vào hệ thống khí
nén. Khơng khí là loại khí hỗn hợp, bao gồm các thành phần hóa học chính được ghi
trong bảng 5.2 và các đại lượng vật lý cơ bản được ghi ở bảng 5.3. Ngoài những thành
phần trên, trong khơng khí cịn có hơi nước, bụi...Những thành phần đó gây ra cho các
thiết bị khí nén sự ăn mịn, sự han gỉ...
Bảng 5.2. Thành phần hóa học của khơng khí

Thể tích %
Khối lượng
%

130

N2

O2

Ar

CO2

H2

Ne.10-3

He.10-3

He.10-3

X.10-6

78,08

20,95

0,93

0,03

0,01

1,8

0,5

0,1

9

75,51

23,01

1,286

0,04

0,001

1,2

0,07

0,3

40


Bảng 5.3. Các đại lượng vật lý cơ bản của khơng khí
TT

Đại lượng vật lý

Ký hiệu

Giá trị

Đơn vị
3

1

Khối lượng riêng

ρn

1,293

kg/m

2

Hằng số khí

R

287

J/kg.K

3

Tốc độ âm thanh

ωs

4

Nhiệt lượng riêng

5

331,2

m/s

344

Ghi chú
Ở trạng thái tiêu chuẩn

Ở nhiệt độ 0oC
Ở nhiệt độ 20oC

cp

1,004

kJ/kg.K

Áp suất hằng số

cv

0,717

kJ/kg.K

Thể tích hằng số

Số mũ đoạn nhiệt

k

1,4

6

Độ nhớt động lực

η

17,17×10-6

Pa.s

Ở trạng thái tiêu chuẩn

7

Độ nhớt động

ν

13,28×10-6

m2/s

Ở trạng thái tiêu chuẩn

5.4.2. Phương trình trạng thái nhiệt động học

Giả thiết khí nén trong hệ thống gần như là khí lý tưởng. Phương trình trạng thái
nhiệt tổng qt của khí nén được viết như sau:
pabs .V  m.R.T

(5.1)

Trong đó: pabs - Áp suất tuyệt đối, (bar).
V - Thể tích của khí nén, (m3).
m - Khối lượng, kg.
R - Hằng số khí, (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 5.1 ta có:
pabs .V  const

(5.2)

Nếu gọi: V1 - Thể tích khí nén tại áp suất p1, (m3);
V2 - Thể tích khí nén tại áp suất p2, (m3);
p1abs - Áp suất tuyệt đối khí nén có thể tích V1, (bar);
p2abs - Áp suất tuyệt đối khí nén có thể tích V2, (bar);
Theo phương trình (5.2) ta có thể viết:

V1
p
 2 abs
V2
p1abs

(5.3)

Hình 5.1 biểu diễn sự phụ thuộc áp suất và thể tích khi nhiệt độ khơng thay đổi là
đường cong parabol. Năng lượng nén và năng lượng dãn nở tính theo phương trình:
W  p1.V1.ln

p1
p2

(5.4)

131


Hình 5.1. Sự phụ thuộc giữa áp suất và thể tích khi nhiệt độ khơng thay đổi

b) Định luật 1 (Gay - Lussac)
Khi áp suất không thay đổi (p = const), theo phương trình (5.1) ta có:
V1 T1

V2 T2

(5.5)

Trong đó: T1 - Nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V1;
T2 - Nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V2;
Năng lượng nén và năng lượng dãn nở khơng khí được tính theo phương trình:

W  p (V2  V1 )

(5.6)

c) Định luật 2 (Gay - Lussac)
Khi thể tích V khơng thay đổi, phương trình (5.1) được viết như sau:
p1abs T1

p2 abs T2

(5.7)

Do thể tích v = hằng số nên năng lượng nén và năng lượng giãn nở bằng 0, W = 0
d) Phương trình trạng thái nhiệt khi cả ba đại lượng áp suất, nhiệt độ và thể tích
thay đổi
Từ (5.1) suy ra:
Hay

pabs .V
 m.R  const
T

p1abs .V1 p2 abs..V2

T1
T2

Khối lượng khơng khí m được tính theo cơng thức: m  V . (kg)

132

(5.8)
(5.9)


Hay V 

m


(5.10)

Thay phương trình (5.10) vào phương trình (5.3), ta có:
- Khi nhiệt độ T khơng thay đổi, ta có:
m1
p
1
 2 abs
m2
p1abs
2

(5.11)

Như vậy sự phụ thuộc giữa khối lượng riêng  và áp suất p khi nhiệt độ T không
thay đổi được viết như sau:
 2  1.

p2 abs
p1abs

(5.12)

Sự phụ thuộc giữa khối lượng riêng  và nhiệt độ T khi áp suất p khơng thay đổi,
từ phương trình 5.5 ta có:
 2  1.

T1
T2

(5.13)

Sự phụ thuộc giữa khối lượng riêng  vào cả 3 đại lượng thay đổi áp suất p, nhiệt
độ T và thể tích V theo phương trình (5.9) ta viết được như sau
2 

T1. p2 abs .1
T2 . p1abs

(5.14)

e). Phương trình đoạn nhiệt
Thể tích riêng của khơng khí:
V
(m3/kg)
(5.15)
m
Thay phương trình (5.15) vào phương trình (5.8), ta có phương trình trạng thái của
khí nén:
v

p.v
 R hay p.v  R.T
T
Trong đó R là hằng số khí, tra theo bảng 5.3.

(5.16)

Nhiệt lượng riêng c là nhiệt lượng cần thiết để nung nóng khối lượng khơng khí
1 kg lên 10K. Nhiệt lượng riêng khi thể tích khơng thay đổi ký hiệu là cv, khi áp suất
không thay đổi ký hiệu cp. Tỷ số của cv và cp gọi là số mũ đoạn nhiệt k.
k

cp
cv

(5.17)

133


Hiệu số của cp và cv gọi là hằng số khí R:
R  c p  cv  c p .

k 1
 cv (k  1)
k

(5.18)

Trạng thái đoạn nhiệt là trạng thái mà trong quá trình nén hay giãn nở khơng có

nhiệt được đưa vào hay lấy đi, có phương trình sau:
p1.v1k  p2 .v2k  hằng số
k

Hay

T 
p1  v2 
     1 
p2  v1 
 T2 

(5.19a)

k
k 1

(5.19b)

Hình 5.2 biểu diễn biểu đồ đoạn nhiệt:

Hình 5.2. Biểu đồ đoạn nhiệt

Diện tích mặt phẳng giới hạn bởi các điểm 1, 2, 5, 6 trong hình 5.2 tương ứng lượng
nhiệt giãn nở cho khối lượng khí 1 kg và có giá trị:
k 1
p1.v1   v1  
1    
W 
k  1   v2  




(5.20a)

k 1

p1.v1   p2  k
hay W 
1  
k  1   p1 



hay W 

p1.v1   T2 
1   
k  1   T1 












(5.20b)

(5.20c)

Công kỹ thuật Wt là công cần thiết để nén lượng khơng khí (ví dụ trong máy nén
khí) hoặc là cơng thực hiện khi áp suất khí giãn nở. Diện tích mặt phẳng giới hạn bởi
các điểm 1, 2, 3, 4 ở trong hình 5.2 là cơng thực hiện để nén hay cơng thực hiện khí áp
suất khí giãn nở cho 1 kg khơng khí, có giá trị:
134


  v  k 1 
k
Wt 
. p1.v1 1   1  
k 1
  v2  

(5.21a)

k 1


k


k
p


2
Wt 
. p1.v1 1    


k 1
p
  1  

(5.21b)

Trong thực tế không thể thực hiện được quá trình đẳng nhiệt cũng như quá trình
đoạn nhiệt. Quá trình xảy ra thường nằm trong khoảng giữa quá trình đẳng nhiệt và quá
trình đoạn nhiệt gọi là quá trình đa biến và có phương trình:
p1.v1n  p2 .v2n = const
n

(5.22)

n

 T  n 1
p v 
Hay 1   2    2 
p2  v1 
 T1 

(5.23)

- Quá trình đẳng nhiệt: n = 1

- Quá trình đẳng áp: n = 0.
- Quá trình đoạn nhiệt: n = k.
- Q trình đẳng tích: n = ∞.
f) Ví dụ ứng dụng
Lưu lượng hút của một máy nén khí là Vn = 2,5 (m3/phút) trong điều kiện tiêu chuẩn
(Tn = 2730K, Pn = 1,013 bar). Phải cần thời gian bao lâu để làm đầy bình chứa với thể
tích V = 1m3, có áp suất 6 bar và nhiệt độ khơng khí trong bình là T = 2980K?
Bài giải:
Do nhiệt độ T, áp suất p và thể tích V ở trạng thái ban đầu và trạng thái cuối của
quá trình nén là khác nhau. Cho nên dựa vào phương trình (5.9) để xác định thể tích của
bình chứa khí ở trạng thái ban đầu:
p nabs .Vn' p abs .V

Tn
T

(5.24)

Trong đó: pnabs - Áp suất của khí quyển tiêu chuẩn, pn = 1,013 bar;
pabs - Áp suất của khơng khí trong bình chứa khi nạp đầy:
pabs = (1,013 +p) = (1,013 +6) = 7,013 (bar);
Tn - Nhiệt độ của khí quyển tiêu chuẩn, Tn = 2730 K;
Vn' - Thể tích khí cần thiết phải hút (m3);
V - Thể tích bình chứa, (m3);
T - Nhiệt độ trong bình chứa, T = 2980K.
Từ phương trình 5.24 ta có:

Vn' 

( p  1,013).V .Tn

p n .T

(5.25)
135


Thay số vào phương trình (5.25) ta có:
Vn' 

7,013.1.273
 6,34 (m3)
1,013.298

Thời gian cần thiết để làm đầy bình chứa:
Vn' 6,34
t

 2,54 (phút)
Vn
2,5
5.4.3. Phương trình dịng chảy

a) Phương trình dịng chảy liên tục

Hình 5.3. Dịng chảy liên tục

Lưu lượng khí nén chảy trong đường ống từ vị trí 1 đến vị trí 2 là khơng đổi (hình
5.3), ta có phương trình dòng chảy như sau:
Qv1  Qv 2 Hay: w1.A1 = w2.A2 = const

(5.26)

Trong đó: Qv1, Qv2 - Lưu lượng dịng chảy tại vị trí 1 và vị trí 2, (m3/s).
w1 - Vận tốc dịng chảy tại vị trí 1, (m/s).
w2 - Vận tốc dịng chảy tại vị trí 2, (m/s).
A1 - Tiết diện chảy tại vị trí 1, (m2).
A2 - Tiết diện chảy tại vị trí 2, (m2).
b) Phương trình Becnully:
Phương trình Becnully được viết như sau:

m.
Trong đó: m.

w12
p
w2
p
 m.g .h1  m 1  m. 2  m.g .h2  m 2
2
2


w2

- Động năng
2
m.g .h - Thế năng;
p
m.  V . p - Áp năng


Trong đó: g: Gia tốc trọng trường.
ρ: Khối lượng riêng khơng khí.
p: Áp suất tĩnh.
Phương trình (5.27) có thể viết lại như sau:
136

(5.27)



= const
2
Nếu chiều cao h = 0 thì phương trình (5.28) viết được như sau:
 .g .h  p  w2


 const
2
Trong đó: p - Áp suất tĩnh học;

w 2 . - Áp suất động học;
2
Như vậy, áp suất toàn phần là tổng áp suất thành phần:

(5.28)

p  w2 .

(5.29)

ptp  pt  p đ

(5.30)

Trong đó: ptp - Áp suất toàn phần;
pt - Áp suất tĩnh học;
pđ - Áp suất động học

d1

h1
d2

h2

Hình 5.4. Phương trình Bernulli

5.4.4. Lưu lượng khí nén qua khe hở hẹp

Để tính tốn truyền động khí nén, ta giả thiết sau:
- Quá trình thực hiện trong hệ thống xảy ra chậm, như vậy thời gian trao đổi nhiệt
được thực hiện, quá trình xảy ra là quá trình đẳng nhiệt;
- Quá trình thực hiện trong hệ thống xảy ra nhanh, như vậy thời gian trao đổi nhiệt
không được thực hiện, quá trình xảy ra là quá trình đoạn nhiệt;
Lưu lượng khối lượng khí qm qua khe hở được tính như sau:
137


qm   . . A1. 2 1.p (kg/s)

Hay qm   . . A1. 2

(5.31)

p
(m3/s)
1

(5.32)

Trong đó: α - Hệ số lưu lượng.
ε - Hệ số giãn nở.
A1 - Diện tích mặt cắt của khe hở, (m2).
Δp = p1 - p2 - Độ chênh áp suất trước và sau khe hở.
ρ1 - Khối lượng riêng của khơng khí.
Hệ số lưu lượng α phụ thuộc vào dạng hình học của khe hở (hệ số co rút  ) và (hệ
số vận tốc  ).
   .

(5.33)

d2
của vòi
D2
phun theo tiêu chuẩn DIN 1953. Trong hình 5.6 biểu diễn mối quan hệ của hệ số giãn
d2
p
nở ε, tỷ số áp suất sau và trước khe hở 2 và tỷ số m  2 của vịi phun.
D
p1

Hình 5.5 biểu diễn mối quan hệ của hệ số lưu lượng α và tỷ số m 

Theo hình 5.7 hệ số giãn nở  của bướm điều tiết ở trạng thái đoạn nhiệt k = 1,4.

Hình 5.5. Hệ số lưu lượng

138

Hình 5.6. Hệ số giãn nở của vòi phun


Hình 5.7. Sự phụ thuộc hệ số lưu lượng  và hệ số ảnh hưởng số Reynold Re
của bướm điều tiết

Ví dụ ứng dụng:
Khi có áp suất p1 = 2 (bar) và nhiệt độ t1 = 20 oC chảy qua bướm điều tiết có đường
kính d  1 (mm), áp suất sau bướm điều tiết p2 = 1,5 (bar), đường kính của ống dẫn khí
D =4 (mm). Tính lưu lượng theo khối lượng qm (kg/s) và lưu lượng theo thể tích khí ở
trạng thái tiêu chuẩn qv (m3/h)?
Bài giải:
Theo phương trình (5.31) ta có:

qm   . . A1. 2 1.p (kg/s)
Do tổn thất áp suất nhỏ p  p1  p 2  0,5 (bar), số Re  10 4 , cho nên dòng
chảy tầng.
Tỷ số: m 

d2
1


 0,06
2
16
D

Từ hình 5.7a ta tra được:   0,6
- Hệ số giãn nở  tra ở hình 5.7b theo các thơng số sau:

139


m

p
1,5
d2
1
 0,75 , ta được:   0,925 .

 0,06 , ta chọn m = 0; 1 
2
16
p 2 2,0
D

- Diện tích của khe hở:
A1  0, 25  (1 103 ) 2 .  7,85 10 7 (m2);

- Hiệu áp trước và sau khe hở: p  p1  p2  0,5  0,5  105 (Pa);

- Khối lượng riêng của khí ở trạng thái tiêu chuẩn (pn = 1,013 bar; T = 273 0K):
 n  1,2939 (kg/m3)

Theo phương trình (5.14) ta có:
1 

T .( p1  1, 013). n 273  3, 013  1, 293

 3,58 (kg/m3)
293 1, 013
293 1, 013

Như vậy lưu lượng theo khối lượng sẽ là:
qm  0, 6  0,925  7,85  107  2  3,58  0,5  105  2, 7  10 4 (kg/s)

- Lưu lượng tính theo thể tích ở trạng thái tiêu chuẩn được tính như sau:
qv 

qm (kg / s )
2, 7  104

 2,1 104 (m3/s)
 n (kg / m3 )
1, 293

5.4.5. Tổn thất áp suất trong truyền động khí nén

Tính tốn chính xác tổn thất áp suất trong hệ thống truyền động khí nén là vấn đề
rất phức tạp. Tổn thất áp suất của hệ thống bao gồm:
- Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng PR .

- Tổn thất áp suất trong tiết diện thay đổi PE .
- Tổn thất áp suất trong các loại van. PV
a) Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng
Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng (ΔPR):
pR   .

l. .w 2
(N/m2)
2d

(5.34)

Trong đó: l - Chiều dài ống dẫn, (m).
ρ - Khối lượng riêng của khơng khí, được xác định theo cơng thức sau:
  n .

pabs
pn

(5.35)

ρn - Khối lượng riêng của khơng khí ở trạng thái tiêu chuẩn, ρn= 1,293 (kg/m3);

140


pn - Áp suất ở trạng thái tiêu chuẩn, pn = 1,013 (bar).
w - Vận tốc của dòng chảy, (m/s).
d - Đường kính ống dẫn, (m).
 - Hệ số ma sát ống, có giá trị cho ống trơn và dịng chảy tầng (Re < 2230).



64
Re

(5.36)

Re - Hệ số Reynold, Re 

w.d
n

 n - Độ nhớt động học ở trạng thái tiêu chuẩn,  n = 13,28×10-6 (m2/s)

b) Tổn thất áp suất trong tiết diện thay đổi
Trong hệ thống ống dẫn, ngồi ống dẫn thẳng cịn có ống dẫn có tiết diện thay đổi,
dịng khí phân nhánh hoặc hợp thành, hướng dịng thay đổi...Tổn thất áp suất trong
những tiết diện đó được tính như sau:

PE   . .w 2 , (N/m2)
2

(5.37)

Trong đó: ζ: Hệ số cản, phụ thuộc vào loại tiết diện ống dẫn và số Re.
- Khi tiết diện thay đổi đột ngột:
Tổn thất áp suất:
2


A1   .w12
pE  1   .
, (N/m2)
2
 A2 

(5.38)
Hình 5.8. Tiết diện thay đổi

2

 A2   .w 22
Hoặc: pE  1   .
2
A1 


Trong đó:
w1 và w2 là vận tốc chảy trung bình ở tiết diện A1 và A2.
- Khi ống dẫn gãy khúc:
Tổn thất áp suất:
PE 2  0,5. . .w 2 , (N/m2)

(5.39)

Trong đó: Hệ số  tra theo bảng 5.4
Hình 5.9. Tiết diện gẫy khúc

141

Bảng 5.4. Hệ số ζ phụ thuộc vào độ nhẵn và độ nhám của thành ống



150

22,50

300

450

600

900

 nhă n

0,042

0,07

0,13

0,24

0,47

1,13

 nhám

0,062

0,15

0,17

0,32

0,66

1,27

a/D

0,71

0,943

0,150

3,72

6,28



 nhă n

0,51

0,35

0,28

0,36

0,40

0,48

 nhám

0,51

0,415

0,38

0,46

0,44

0,64

- Trong hệ thống có các đường ống bị uốn cong:
Tổn thất áp suất:


pE 3   ges . .w 2 (N/m2)
2

(5.40)

Trong đó: Hệ số ζges bao gồm:  ges  u   Re
ζu: Hệ số cản do độ cong.
ζRe: Hệ số cản do ảnh hưởng của số Reynold (ma sát ống).
Hệ số cản ζu phụ thuộc vào góc uốn cong  , tỉ số R/d và chất lượng bên trong ống,
tra theo hình 5.10.
0,5

l
0,4

d

0,3

0,2
0,1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10

Hình 5.10. Hệ số cản u

142


Hệ số cản ζRe do ảnh hưởng của số Reynold (ma sát ống) phụ thuộc vào số Reynold,
tra theo hình 5.11.

Hình 5.11. Hệ số cản do ảnh hưởng số Reynold

- Tổn thất áp suất trong ống dẫn khi phân dòng (hình 5.12):
Tổn thất áp suất trong ống phân nhánh:

pEa   a . .w 2z (N/m2)
2

(5.41)

Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng:

pEd   d . .w 2z (N/m2)
2

(5.42)

Trong đó: wz: vận tốc trung bình trong ống dẫn chính.
Hệ số cản ζa và ζd của ống dẫn khi phân dòng thuộc vào tỷ lệ dia/diz và tỷ lệ lưu
lượng qma/qmz cho trong bảng 5.5.

Hình 5.12. Ống phân nhánh

143


Bảng 5.5. Hệ số cản ζa và ζd của ống dẫn khi phân dịng
Góc rẽ nhánh δ
0

1200

90

Tỷ lệ lưu lượng

1350

Ống rẽ nhánh, hệ số cản ζa

qma/qmz

Tỷ số dia/din
1.0

0.8

0.6

1.0

0.8

0.6

1.0

0.8

0.6

0.2

0,79

0,84

1,00

0,71

0,75

0,88

0,68

0,72

0,83

0.4

0,74

0,88

1,31

0,57

0,69

1,07

0,51

0,61

0,98

0.6

0,81

1,05

1,89

0,53

0,75

1,53

0,43

0,64

1,40

0.8

1,00

1,37

2,72

0,97

0,96

2,26

0,44

0,78

2,09

1.0

1,30

1,82

3,81

1,75

1,27

3,26

0,54

1,06

3,05

Ống rẽ thẳng, hệ số cản ζd

Tỷ lệ lưu lượng
qma/qmz

Tỷ số dia/din
1.0

0.8

0.6

1.0

0.8

0.6

1.0

0.8

0.6

0.2

0,00

0,00

0,00

0,00

0,00

0,00

0,00

0,00

0,00

0.4

0,02

0,02

0,02

0,02

0,02

0,02

0,02

0,02

0,02

0.6

0,08

0,08

0,08

0,08

0,08

0,08

0,08

0,08

0,08

0.8

0,19

0,19

0,19

0,19

0,19

0,19

0,19

0,19

0,19

1.0

0,35

0,35

0,35

0,35

0,35

0,35

0,35

0,35

0,35

- Tổn thất áp suất trong ống dẫn khi hợp dịng (hình 5.13)

Hình 5.13. Ống hợp dịng

Tổn thất áp suất trong ống dẫn khi hợp dòng qma

pEa   a . .w 2z (N/m2)
2

144

(5.43)


Tổn thất áp suất trong ống dẫn khi hợp dòng qmd

pEd   d . .w 2z (N/m2)
2

(5.44)

Trong đó: wz - Vận tốc trung bình trong ống dẫn chính.
Hệ số cản ζa và ζd của ống dẫn khi hợp dòng thuộc vào tỷ lệ dia/diz và tỷ lệ lưu lượng
qma/qmz (bảng 5.6)

Bảng 5.6. Hệ số cản a và d của ống dẫn khi hợp dịng
Góc rẽ nhánh δ
450

Tỷ lệ lưu lượng

600

900

Ống rẽ nhánh, hệ số cản a

qma/qmz

Tỷ số dia/din
1,0

0,8

0,6

1,0

0,8

0,6

1,0

0,8

0,6

0.2

-0,41

-0,31

-0,11

-0,40

-0,30

-0,09

-0,38

-0,28

-0,66

0.4

-0,03

0,22

0,94

0,00

0,27

0,99

0,10

0,37

1,11

0.6

0,22

0,69

2,22

0,31

0,79

2,33

0,52

1,03

2,61

0.8

0,35

1,09

3,73

0,51

1,27

3,93

0,89

1,69

4,43

1.0

0,35

1,43

5,47

0,60

1,70

5,80

1,20

2,35

6,57

Tỷ lệ lưu lượng

Ống dẫn thẳng, hệ số cản ζd

qma/qmz

Tỷ số dia/din
1,0

0,8

0,6

1,0

0,8

0,6

1,0

0,8

0,6

0.2

0,16

0,20

0,19

0,17

0,22

0,23

0,20

0,27

0,32

0.4

0,17

0,17

0,03

0,22

0,26

0,18

0,35

0,46

0,54

0.6

0,06

-0,04

-0,44

0,18

0,15

-0,10

0,47

0,60

0,71

0.8

-0,18

-0,44

-1,22

0,04

-0,11

-0,62

0,56

0,70

0,82

1.0

-0,53

-1,03

-2,32

-0,19

-0,51

-1,39

0,62

0,76

0,86

- Tổn thất áp suất trong ống phân nhánh (hình 5.14):
pES  

 2
.w (N/m2)
2

(5.45)

Trong đó: w - Vận tốc trung bình trong ống dẫn chính.
Hệ số cản của các loại ống phân nhánh  được minh họa ở hình 5.14.
145

d

d

Hình 5.14. Hệ số cản  (Re >103)

c) Tổn thất áp suất trong các loại van (Δpv):
Tổn thất áp suất trong các loại van Δpv (trong các van đảo chiều, van áp suất, van
tiết lưu.v.v...) được tính theo:

pv   v . .w 2 , (N/m2)
2

(5.46)

Trong công nghiệp sản xuấn điện tử khí nén, hệ số cản ζv là đại lượng đặc trưng cho
các van. Thay vì hệ số cản ζv, một số nhà sản xuất khác sử dụng một đại lượng gọi là hệ
số lưu lượng kv là đại lượng được xác định bằng thực nghiệm. Hệ số lưu lượng kv là lưu
lượng chảy (m3/h) qua van ở nhiệt độ T = 278 - 303 (0K), với áp suất ban đầu là: p1 = 6
(bar), tổn thất áp suất Δp0 = 0,981 (bar) và có giá trị, tính theo cơng thức:
kv 

qv

(m3/h)
.
31, 6 p

(5.47)

Trong đó: qv - Lưu lượng khí nén, (m3/h).
ρ - Khối lượng riêng khơng khí, (kg/m3).
Δp - Tổn thất áp suất qua van, (bar).
Hệ số cản ζv tính theo cơng thức:

2.g .10,18  qv
v 

k
w2
 v
146






2

(5.48)


Vận tốc dịng chảy: w 

qv
A

Thay w vào phương trình (5.48) tính ζv, ta có:

 A 
2.g .10,18.qv2 .  6 
 10 
v 
2
2  kv 
q v .

 3600 
Trong đó: A 

2

(5.49)

 .d 2
- Tiết diện dịng chảy, (mm2)
4

Thay tiết diện dịng chảy A vào phương trình (5.49), ta có hệ số cản của van:
v 

1  d2 
 
626,3  kv 

(5.50)

Như vậy, nếu van có thơng số đặc trưng kv, đường kính ống nối d, thì ta xác định
được hệ số cản qua van ζv.
d) Tổn thất áp suất tính theo chiều dài ống dẫn tương đương
Vì tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng hay là tổn thất áp suất của ống dẫn có tiết

diện thay đổi hoặc là tổn thất áp suất trong các loại van đều phụ thuộc vào hệ số .w 2 ,
2
cho nên có thể tính tổn thất áp suất thành chiều dài ống dẫn tương đương.

l' 
 . .w 2   . . .w 2
2
d 2

(5.51)

Từ đó, chiều dài ống dẫn tương đương:
l' 


.d


(5.52)

Như vậy tổn thất áp suất của hệ thống ống dẫn là:

 l   l .  .w
'

pges   .

d

2

2

(5.53)

147


Chương 6. SẢN XUẤT, PHÂN PHỐI VÀ XỬ LÝ KHÍ NÉN

6.1. Sản xuất khí nén
Áp suất được tạo ra từ máy nén khí, 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.
6.1.1. Nguyên tắc hoạt động và phân loại máy nén khí

a) Nguyên tắc hoạt động
- Ngun lý thay đổi thể tích
Khơng khí được dẫn vào buồng chứa, ở đó thể tích của buồng chứa sẽ nhỏ lại. Như
vậy theo định luật Boy - Mariotte, áp suất trong buồng chứa sẽ tăng lên. Các loại máy
nén khí hoạt động theo nguyên lý này như kiểu píttơng, bánh răng, cánh gạt...
- Ngun lý động năng
Khơng 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 cơng suất rất lớn. Máy
nén khí hoạt động theo ngun lý này như máy nén khí kiểu ly tâm.
b) Phân loại

- Theo áp suất
* Máy nén khí áp suất thấp p ≤ 15 bar.
* Máy nén khí áp suất cao p ≥ 15 bar.
* Máy nén khí áp suất rất cao p ≥ 300 bar.
- Theo nguyên lý hoạt động
* Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: Máy nén khí kiểu píttơng, máy nén
khí kiểu bánh răng, máy nén khí kiểu cánh gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu
trục vít.
* Máy nén khí tua - bin: Máy nén khí kiểu ly tâm và máy nén khí theo chiều trục.
6.1.2. Máy nén khí kiểu píttơng

Ngun lý hoạt động của máy nén khí kiểu píttơng một cấp được biểu diễn ở
hình 6.1.

148


Hình 6.1. Ngun lý hoạt động của máy nén khí kiểu píttơng 1 cấp
a) Chu kỳ hút; b) Chu kỳ nén và đẩy

Máy nén khí kiểu píttơng một cấp có thể hút được lưu lượng đến 10 (m3/phút) và áp
suất nén từ 6 đến 10 (bar). Máy nén khí kiểu píttơng hai cấp có thể nén đến áp suất 15
(bar). Loại máy nén khí kiểu píttơng một cấp và hai cấp thích hợp cho hệ thống điều
khiển bằng khí nén trong cơng nghiệp. Máy nén khí kiểu píttơng được phân loại theo
cấp số nén, loại truyền động và phương thức làm nguội khí nén. Ngồi ra người ta cịn
phân loại theo vị trí của píttơng.
* Ưu điểm: Vững chắc, hiệu suất cao, kết cấu, vận hành đơn giản.
* Khuyết điểm: Tạo ra khí nén theo xung, thường có dầu, ồn.
6.1.3. Máy nén khí kiểu cánh gạt

Cấu tạo máy nén khí kiểu cánh gạt một cấp (hình 6.2) bao gồm: Thân máy (1), mặt
bích thân máy, mặt bích trục, rơto (2) lắp trên trục. Trục và rôto (2) lắp lệch tâm e so với
bánh dẫn chuyển động. Khi rôto (2) quay tròn, dưới tác dụng của lực ly tâm các cánh
gạt (3) chuyển động tự do trong các rãnh ở trên rôto (2) và đầu các cánh gạt (3) tựa vào
bánh dẫn chuyển động. Thể tích giới hạn giữa các cánh 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 bơi trơn và quay trịn trên thân máy để giảm bớt sự hao mòn khi đầu các cánh tựa vào.

Hình 6.2. Cấu tạo máy nén khí kiểu cánh gạt
1. Thân; 2. Rô to; 3. Cánh gạt

149