Bài giảng môn Máy nén

MÁY NÉN Bài giảng Tổng quan • Máy nén có cấu tạo và nguyên tắc hoạt động hoàn toàn tương tự như các kiểu máy bơm đã đề cập. Điểm khác biệt lớn nhất ở đây là máy bơm làm việc theo 2 cấp là hút đẩy còn máy nén làm việc theo 3 cấp: hút – nén – đẩy, cấu tạo cánh guồng trong máy nén nhiều cấp và áo làm lạnh. • Nhiệm vụ của máy nén là nâng áp suất cho một chất khí nào đó và cấp đủ năng lượng cho quá trình công nghệ khác, tạo ra sự tuần hoàn của lưu thể trong chu trình (máy lạnh) hoặc duy trì áp suất chân không (cô chân không, sấy thăng hoa) cho thiết bị khác, trong các trường hợp này máy nén cò̀n được gọi là bơm chân không. Tổng quan • Khi nén khí hoặc hút chân không thì có sự thay đổi thể tích kèm theo sự thay đổi áp suất và nhiệt độ của khí. Quan hệ giữa thể tích, áp suất và nhiệt độ của khí lý tưởng được thể hiện qua phương trình trạng thái: Trong đó: p - áp suất của khí, N/m2 pV mRT V - thể tích khí, m3 m - khôi lượng của khí, kg; T - nhiệt độ tuyệt đối của khí, kg R - hàng số khí R = 8314/M, J/kg.độ; M - khối lượng phân tử, kg/kmol. Tổng quan Theo lý thuyết của nhiệt động học, quá trình nén hoặc hút khí có thể tiến hành theo: • Quá trình đẳng nhiệt: Nhiệt độ giữ không đổi trong suốt quá trình nén hoặc hút khí, nhờ có sự trao đổi nhiệt với bên ngoài. Công nén đẳng nhiệt được tính: 2 đn 1 1 1 p L p V ln p  Tổng quan • Quá trình đoạn nhiệt: Khi nén không có sự trao đổi nhiệt với bên ngoài. Toàn bộ lượng nhiệt toả ra được giữ lại nên nhiệt độ của khí tăng lên. Công tiêu tốn trong quá trình nén đoạn nhiệt được tính: k 1 k 2 đo 1 1 k p L p V 1 k 1 p           • Nhiệt độ của khí ở cuối quá trình nén đoạn nhiệt được tính theo công thức: 1   k 1 k 2 2 1 1 p T T . p         Tổng quan • Quá trình đa biến: Trong thực tế, quá trình nén không thể tiến hành đẳng nhiệt hay đoạn nhiệt, mà thường xảy ra đồng thời, tức vừa toả nhiệt ra ngoài đồng thời vừa tămg nhiệt độ, nên gọi là đa biến. Do đó, công nén đa biến lớn hơn công nén đẳng nhiệt, nhưng nhỏ hơn công nén đoạn nhiệt. m 1 m 2 đb 1 1 1 m p L p V 1 m 1 p             Tổng quan • Máy nén thể tích: là máy thể tích thực hiện việc nâng cao áp suất khí bằng việc nén ép cưỡng bức hoặc làm giảm thể tích của không gian làm việc. Chu trình nén khí là chu trình tuần hoàn và việc cung cấp khí cũng tuần hoàn theo chu kì nhất định. Máy nén thể tích loại này bao gồm: máy nén pittông, máy nén rôto (trượt, trục vít, răng khía) • Máy nén động học: thực hiện việc nén khí bằng cách cung cấp động năng cưỡng bức cho khí từ các cơ cấu làm việc, lúc này khí chuyển động cưỡng bức và động năng biến thành thế năng. Thực tế chuyển động của khí là chuyển động tuần hoàn không ổn định nhưng do tần số rất lớn và biên độ nhỏ nên có thể coi là ổn định. Loại này gồm máy nén ly tâm và máy nén hướng trục Tổng quan Theo nguyên tắc làm việc có thể chia ra: • Máy nén pittông cấu tạo gần giống như bơm piston, có piston chuyển động trong xylanh và khí được nén nhờ giảm thể tích của buồng làm việc. • Máy nén loại quay tròn: nhờ roto quay tròn mà khí được hút vào nén lại trong máy rồi đẩy ra ở áp suất cao hơn. • Máy nén tuabin (thuộc loại ly tâm): nhờ chuyển động quay của cánh guồng và tác dụng của lực quán tính ly tâm mà khí được nén lại. • Máy nén loại phun tia: nguyên tắc làm việc và cấu tạo giống như bơm tia, khí được nén do thay đổi vận tốc khi chuyển động mà ống loa hình nón cụt. Tổng quan Theo tỷ lệ giữa áp suất đầu và cuối (còn gọi là độ nén) chia ra: • Máy nén khí: p2/p1= 3 - 100 (hay lớn hơn); • Máy thổi khí: p2/p1 = 1,1 - 3 (với áp suất cuối p2 = 1,1 - 3 at); • Quạt khí: p2/p1= 1 -1,1 (với áp suất cuối p2 = 1,12 at). Muốn tạo chân không người ta dùng quạt hay máy thổi khí bằng cách lắp ống hút vào nơi cần tạo chân không, còn ống đẩy xả ra ngoài. Nếu muốn tạo độ chân không lớn hơn thì dùng các loại bơm chân không, như bơm piston, roto, bơm vòng nước, bơm tia, v.v... nguyên tắc làm việc không khác máy nén, các loại bơm này cá thể tạo ra được độ chân không từ 95% đến 99,96%, tức ở áp suất thấp từ 0,05 đến 0,0004 at. Máy nén Piston • Cấu tạo máy nén Piston tác dụng đơn Máy nén Piston • Nguyên tắc hoạt động của máy nén Piston tác dụng đơn. Khi piston chuyển động sang trái thì ở khoảng xilanh bên phải có độ chân không, van 4 và 7 mở, van 6 và 9 đóng, khí qua ống hút 5 vào bên phải, cùng lúc đó khi ở khoảng không gian bên trái được đẩy ra ống đẩy 8. Khi piston chuyển động ngược là từ trái sang phải thì van 7 và 4 đóng lại, còn và 6 và 9 mở ra, phần xilanh bên trái hút và phần xi lanh bên phải đẩy. Máy nén Piston • Như vậy sau một vòng quay của trục, piston chuyển dịch sang trái một lần và sang phải một lần, khí được hút vào và đẩy ra hai lần. Vị trí biên ở hai đầu xilanh gọi là vị trí chết và khoảng không gian giữa piston ở vị trí chết và đầu xilanh gọi là khoảng hại. Trị số khoảng hại phụ thuộc vào cấu tạo của van và có ảnh hưởng xấu trong quá trình làm việc của máy nén. Máy nén Piston • Quá trình nén lý thuyết và thực tế Máy nén Piston Máy nén Piston Trong thực tế quá trình nén khí xảy ra phức tạp hơn do những nguyên nhân sau đây: - Tồn tại khoảng hại: Khi piston đã đến vị trí chết, hai đầu xi lanh vẫn còn tồn tại một lượng khí có thể tích bằng thể tích khoảng hại và áp suất đẩy p2. Do đó khi tiến hành quá trình hút lượng khí này được giãn ra cho đến khi đạt đến áp suất p1, đường DA' thì van hút mới mở ra được và quá trình hút khí mới bắt đầu. Do đồ lượng khí hút được thực tế nhỏ hơn thể tích lý thuyết của xilanh. - Ảnh hưởng của lực ỳ ở các van hút và đẩy: Do lực ỳ của các van mà thực tế các van hút và đẩy mở ra khi áp suất thấp hơn pl và cao hơn p2 một chút, điểm A' và C'. - Ảnh hưởng của sức cản thuỷ lực trên đường ống và ở các van: nhiệt độ, độ ẩm của khí tăng khi nén; van, xilanh, piston không thật kín, nên đồ thị của quá trình nén thực tế khác với nén lý thuyết. Máy nén Piston –Hệ số khoảng hại –Hiệu suất thể tích của máy nén –V0 thể tích toàn bộ xi lanh 0 1 1 V V V    0 1 V V   –V1 Phần thể tích piston đi qua – Giá trị (p2/p1) khi λ0= 0 được gọi là giới hạn nén. 1 m m 2 2 0 0 1 1 p p 1 1 1 0 1 p p                                  Máy nén Piston Ta thấy, hiệu suất thể tích phụ thuộc vào ε và tỷ số p2/p1 , vì ε là một số không đổi đối với mỗi loại máy nén (ε = 0,03 – 0,8), nên thực tế λ0 phụ thuộc vào p2/p1. Có nghĩa, p2 càng lớn thì lượng khí chứa trong khoảng hại càng lớn, nên khi hút nó giãn ra chiếm một thể tích càng lớn làm cho lượng khí thực được hút càng giảm, kết quả là λ0 giảm. Do đó p2 chỉ có giới hạn, vì nếu nó lớn quá mức giới hạn, lượng khí trong khoảng hại sẽ chiếm toàn bộ thể tích xilanh khi hút, nên quá trình không thực hiện được. Máy nén Piston • Máy nén nhiều cấp Do hiệu suất thể tích giảm nhiều và nhiệt độ tăng cao vượt quá mức cho phép, nếu tăng áp suất p2 lên cao trong quá trình nén, nên đối với máy nén một cấp P2 chỉ được giới hạn trong khoảng 6 đến 8 at. Vì vậy, để có thể tăng cao áp suất cuối (lớn hơn 8 at) người ta dùng máy nén nhiều cấp. Máy nén Piston • Nguyên tắc làm việc của máy nén piston nhiều cấp: Khi piston chuyển động về bên trái khí được hút vào qua van 3. Khi piston chuyển động về bên phải, khí được nén lại và đẩy ra khỏi xilanh có áp suất thấp 1 qua van 4, đi qua bộ phận làm nguội trung gian 5 để được hút vào xilanh áp suất cao 2 qua van 6. Sang chu trình sau, khi piston chuyển động về bên trái, xilanh 1 hút lượng khí mới, xilanh 2 nén khí đến áp suất cao và đẩy vào ống đẩy qua van 7. Máy nén Piston Quá trình hút ở bậc một thể hiện bằng đoạn ab, quá trình nén từ pl đến p2- là đoạn bc làm nguội khí sau bậc một ở đoạn cũ ứng với áp suất p1. Tương tự, các bậc hai và ba tương ứng đoạn có p2, P3 và p4. Cuối cùng ta được đường gãy khúc abcdcfghi biểu diễn quá trình làm việc của máy nén ba cấp. Qua đồ thị chỉ thị ta thấy, ở máy nén nhiều cấp công tiêu tốn nhỏ hơn ở máy nén một cấp. Diện tích tiết kiện được trong máy nén nhiều cấp bằng phần gạch chéo trên đồ thị. Nhờ có làm nguội trung gian giữa các cấp mà quá trình gần với quá trình đẳng nhiệt (đường cong bh). Do đó, càng nhiều cấp càng tiết kiệm nhiều công, nhưng số cấp nhiều sẽ làm phức tạp thêm thiết bị và chi phí làm lạnh, nên trong thực tế số cấp không vượt quá sáu. Máy nén Piston • Tỷ số nén trong một cấp của máy nén nhiều cấp: Đối với máy nén nhiều cấp, số cấp phụ thuộc vào tỷ số nén ép. Nếu chấp nhận tổn thất áp suất giữa các bậc bằng nhau thì tỷ số nén được tính theo công thức: n n 1 n 1 p lg p lg p x . n p lg x lg        Thường ψ = 1,1 – 1,15 (hệ số tổn thất áp suất giữa các bậc); x= 2 – 2,5 (tỷ lệ toàn bộ xilanh trừ đi thể tích khí được hút thực λ0V1và thể tích piston đi qua) tính được n Tỷ số nén p2/p1 5 10 80 120 > 120 Số cấp n 1 2 3 4 5 - 6 Máy nén Piston • Cấu tạo máy nén Piston tác dụng kép Máy nén Piston • Cấu tạo máy nén Piston tác dụng kép Máy nén Piston • Cấu tạo máy nén Piston tác dụng kép Máy nén Piston • Cấu tạo máy nén Piston tác dụng kép Máy nén Piston • Cấu tạo máy nén Piston tác dụng kép Máy nén Piston • Theo hình dạng vị trí đặt máy nén còn có các dạng máy nén tác dụng đôi, ba hình chữ V, Y, lệch góc 900, 1800... Máy nén Piston • Cấu tạo máy nén Piston nhiều cấp Van hút và van đẩy Van hút và van đẩy Piston Piston rings Máy nén và thổi khí kiểu rôto Ta biết rằng, máy nén piston làm việc theo nguyên lý tịnh tiến qua lại của piston, có lực quán tính nên hạn chế vận tốc chuyển động của piston và số vòng quay, không cho phép lắp trực tiếp với động cơ điện. Ngoài ra máy nén piston cồng kềnh, đòi hỏi nền móng chắc chắn, sự cung cấp không đều. Do đó người ta đã dùng một số loại máy nén kiểu rôto, như loại cánh trượt, ly tâm, ... để thay thế máy nén piston, vì nó khắc phục được những nhược điểm của máy nén piston. Nguyên tắc chung cho loại này là có những rôto quay tạo thành những khoảng không gian kín, trong đó có khu vực hút và nén khí. Loại này làm việc với năng suất đến 100 m3/h, áp suất 4 at. Muốn tăng áp suất phải tăng cấp nén và có bộ phận làm lạnh trung gian, có thể đạt đến 8 at. Máy nén và thổi khí kiểu cánh trượt Loại này có cấu tạo và nguyên tắc làm việc giống bơm cánh trượt chỉ khác có vỏ nước làm lạnh. Gồm rôto hình trụ 1 lắp lệch tâm trong vỏ 2, ngoài vỏ 2 có bộ phần lâm nguội. Trên rôto có nhiều rãnh để các tấm 3 chuyển động trượt tự do theo phương bán kính. Khi rôto quay các tấm này trượt trên rãnh và quét trên mặt trong của vỏ tạo thành những buồng kín có thể tích thay đổi: từ nhỏ đến lớn là giai đoạn hút và từ lớn đến nhỏ là giai đoạn nén. Máy nén và thổi khí kiểu rôto Loại này có năng suất đến 160 - 4000 m3/h, với áp suất 5 đến 15 at. Có ưu điểm là cấu tạo gọn, làm việc đều đặn, nhưng yêu cầu chế tạo phải chính xác, khó thao tác, tổn thất áp suất lớn do các bộ phận không khít. Máy nén và thổi khí kiểu hai guồng quay Nguyên tắc làm việc giống như bơm răng khía. Gồm vỏ gang 1, bên trong có hai bánh guồng bằng gang hình củ lạc 2 quay trên trục đặt song song. Khi quay hai bánh guồng tiếp xúc trượt vào nhau và vào vỏ, tạo thành những khoảng không gian kín, qua đó khí được hút và nén. Máy nén và thổi khí kiểu hai guồng quay • Loại này có ưu điểm, cấu tạo đơn giản, năng suất có thể thay đổi trong giới hạn rộng từ 2 đến 80 m3/ph, áp suất thấp đạt 0,8 at. • Nói chung các loại máy nén và thổi khí kiểu rôto cũng thuộc loại máy nén thể tích, có ưu điểm là cung cấp đều, không phụ thuộc vào sự thay đổi trở lực trong mạng ống. Năng suất dễ dàng thay đổi bằng cách thay đổi số vòng quay. Không có van, cấu tạo đơn giản, gọn. Giá thành chế tạo và chi phí vận hành thấp. Nhược điểm đòi hỏi lắp ráp thật chính xác, vận hành cẩn thận. Máy nén Ly tâm • Cấu tạo của máy nén ly tâm cũng giống như bơm ly tâm nhiều cấp, điểm khác cơ bản là cấu tạo của guồng động. Các guồng động của máy nén nhiều cấp là như nhau về đường kính và chiều rộng. Các guồng động trong máy nén ly tâm có kích thước nhỏ dần theo chiều tăng của áp suất khí nén và khi bị nén thể tích khí giảm. Về mặt lý thuyết thì nén ly tâm cũng giống bơm ly tâm nhưng qúa trình nén cần chú ý tới sự giảm thể tích và tăng nhiệt độ của khí hay hơi, cùng với quá trình trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh. a. Guồng động b. Bộ khuếch tán c. Rãnh dẫn khí nén vào guồng tiếp theo d. Trục 1,2. Cửa vào ra của guồng 3,4. Cửa vào ra của bộ khuếch tán Máy nén Ly tâm Máy nén Ly tâm Máy nén Ly tâm Máy nén Ly tâm Máy nén Ly tâm Máy nén Ly tâm Chia sẻ bởi: https://sites.google.com/site/nhietlanhcn/ dung@gmx.us