TỔNG QUAN
VAI TRÒ VÀ CHỨC NĂNG CỦA MÁY NÉN KHÍ
Truyền động và điều khiển bằng khí nén đang trở nên phổ biến trong ngành công nghiệp, với ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa, hệ thống kẹp, cũng như trong các quy trình nâng hạ và di chuyển.
Không khí nén là một nguồn năng lượng thiết yếu, được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân, bao gồm luyện kim, hóa chất, cơ khí xây dựng, giao thông vận tải và nông nghiệp.
1.1.1 Vai trò của hệ thống khí nén
Trong ngành công nghiệp khí nén, hệ thống khí nén là thiết yếu cho nhiều lĩnh vực như may mặc, dệt, hóa chất, cơ khí và nhựa Sự phức tạp trong quy trình công nghệ yêu cầu tự động hóa cao, dẫn đến việc phần lớn các quy trình được điều khiển tự động Trong hoạt động nhà máy, việc điều khiển các van, đặc biệt là van khí nén, đóng vai trò quan trọng; một số van ngừng khẩn cấp thậm chí bắt buộc phải sử dụng khí nén để đảm bảo an toàn Chất lượng khí nén và độ tin cậy của hệ thống này là yếu tố then chốt để duy trì hoạt động bình thường và an toàn của nhà máy Ngoài việc cung cấp khí nén cho tự động hóa, khí nén còn hỗ trợ cho nhiều quy trình công nghệ, dụng cụ sửa chữa và máy móc.
1.1.2 Giới thiệu máy nén khí và hệ thống khí nén
Máy nén khí là hệ thống cơ học có chức năng tăng áp suất của khí, cung cấp khí áp suất cao cho các hệ thống máy công nghiệp Chúng được sử dụng để vận hành thiết bị, khởi động động cơ công suất lớn và chạy các máy móc trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Hệ thống khí nén hoạt động dựa trên khí áp suất để tạo ra chuyển động Tuy nhiên, hiệu suất làm việc của hệ thống này không cao và tiềm ẩn nhiều nguy hiểm khi chứa khí nén áp suất cao Do đó, áp suất làm việc tối đa trong các hệ thống khí nén công nghiệp thường chỉ đạt khoảng 7 bar, mặc dù một số hệ thống đặc biệt có thể hoạt động với áp suất lên tới 10 bar.
1.1.2.1 Phân loại máy nén khí
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
Phân loại theo nguyên lý hoạt động
Máy nén khí chuyển động tròn
Máy nén khí chuyển động tịnh tiến
Phân loại theo số cấp nén
Phân loại theo cách làm mát
Làm lạnh theo quá trình nén
1.1.2.2 Một số dạng máy nén khí thường được sử dụng
Máy nén khí Piston, hay còn gọi là máy nén khí chuyển động tịnh tiến, sử dụng piston điều khiển bằng tay quay và có thể được đặt cố định hoặc di động Thiết bị này có thể hoạt động độc lập hoặc kết hợp, với nguồn năng lượng từ động cơ điện hoặc động cơ Diesel Máy nén khí Piston được chia thành hai loại chính: máy nén khí có dầu (Oil flood piston air compressor) và máy nén khí không dầu (Oil free piston air compressor) Ngoài ra, chúng còn được phân loại theo áp suất làm việc, bao gồm máy nén khí piston thấp áp và máy nén khí piston cao áp.
Máy nén khí piston thấp áp 8 - 15 bar
Máy nén khí piston cao áp không dầu 15 – 35 bar
Máy nén khí piston cao áp có dầu 15 – 35 bar
- Máy nén khí piston một chiều một cấp
Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý và hoạt động của máy nén khí piston một chiều, một cấp a) không có con trượt, b) có con trượt
1: xilanh, 2: piston, 3: con đẩy, 4: con trượt, 5: thanh truyền, 6: tay quay, 7: van nạp,
Máy nén khí piston một cấp hoạt động bằng cách tạo ra chân không phía trên piston trong kì nạp, cho phép không khí được hút vào buồng nén qua van nạp tự động mở nhờ chênh lệch áp suất Khi piston di chuyển xuống đến "điểm chết dưới" và bắt đầu đi lên, van nạp đóng lại do áp suất không còn cân bằng, khởi đầu quá trình nén khí Khi áp suất trong buồng nén đạt mức nhất định, van thoát sẽ mở, cho phép khí nén thoát ra và đi vào hệ thống khí nén.
Cả hai van nạp và thoát thường có lò xo và các van đóng mở tự động do sự chênh lệch áp suất ở phía của mỗi van.
Sau khi piston lên đến “điểm chết trên” và bắt đầu đi xuống trở lại, van thoát đóng và một chu trình nén khí mơi bắt đầu.
Máy nén khí piston một cấp có khả năng hút lượng khí lên đến 10 m³/phút và đạt áp suất nén tối đa 6 bar, với khả năng nén lên đến 10 bar trong một số trường hợp đặc biệt.
Hình 1.2: Máy nén khí nhiều cấp
Máy nén khí piston hai chiều một cấp hoạt động với cả hai đầu xilanh được làm kín và trang bị van nạp, van xả Khi piston di chuyển xuống, không gian phía trên piston tăng lên, áp suất giảm và van nạp mở ra để không khí được nạp vào Đồng thời, thể tích dưới piston giảm, áp suất tăng và van xả mở ra, cho phép khí được đẩy qua bình chứa Khi piston di chuyển lên, không gian dưới piston lại tăng, áp suất giảm và van nạp mở ra để nạp thêm không khí, trong khi không gian phía trên piston giảm, áp suất tăng và van xả mở ra để khí nén được đẩy vào bình chứa.
Máy nén khí kiểu piston 2 cấp có thể nén đến áp suất 15 bar Loại máy nén khí kiểu piston 3, 4 cấp có thể nén áp suất đến 250 bar.
Nén trong công nghiệp Máy nén khí piston được phân loại theo số cấp nén, loại truyền động và phương thức làm nguội khí nén.
- Máy nén khí piston hai chiều một cấp
Máy nén khí ly tâm
Hình 1.3: Máy nén khí ly tâm
Máy nén khí ly tâm hoạt động bằng cách sử dụng đĩa xoay hình cánh quạt hoặc bánh đẩy để ép khí, làm tăng tốc độ và chuyển đổi năng lượng thành áp suất qua bộ phận khuếch tán Thường được lắp cố định và sử dụng trong ngành công nghiệp nặng, máy nén này có công suất từ hàng trăm đến hàng ngàn mã lực, với khả năng tăng áp lực đầu ra vượt quá 10000 lbf/in² (69 MPa) khi kết hợp nhiều máy Chúng cũng được ứng dụng trong các hệ thống làm tuyết nhân tạo và có thể sử dụng động cơ đốt trong, bộ nạp hoặc động cơ tua-bin, đặc biệt là trong các động cơ tua-bin gas cỡ trung bình.
Máy nén khi trục vít
Máy nén khí trục vít, ra đời vào khoảng năm 1950, đã nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường khí nén Thiết kế của máy gồm một vỏ đặc biệt bao quanh hai trục vít quay, trong đó một trục vít lồi và một trục vít lõm Các răng của hai trục vít ăn khớp với nhau, với số răng của trục vít lồi ít hơn trục vít lõm từ 1 đến 2 răng Để hoạt động hiệu quả, hai trục vít cần quay đồng bộ và giữa các trục vít và vỏ bọc phải có khe hở rất nhỏ.
Khi các trục vít quay nhanh, không khí được hút vào máy qua cửa nạp, sau đó đi vào buồng khí giữa các trục vít Tại đây, không khí được nén giữa các răng khi buồng khí thu hẹp, và khí nén sẽ được đẩy tới cửa thoát Cả cửa nạp và cửa thoát được điều khiển tự động khi các trục vít quay.
KHÍ NÒNG ĐƯỜNG KHÍ VÀO GIÃI NHIẼT DÂU QUẠT GIẢI NHIỆT
GIẢI NHIẼT SAU GIÁ1 NHIÊT TRƯỚC VAN CỬA HÚT CẮP NÉN THỨ 2 LOC DAU ĐƯỜNG KHÍ VÁO
BƠM DÂU ĐỘNG Cơ CHÍNH ĐƯỜNG KHÍ VÀO Ểv
CẮP NÉN THỮ NHẮT CHÂN ĐÉ ĐỠ ĐÀU NÉN THƯỚC ĐO DÂU
BÀNG THAO TÁC VẢN HÃNH VAN AN TOÀN ĐAU RA KHI NEN
TU ĐIÊN KHÔI ĐÔNG ĐIỂU KHIỂN HỒP BÁNH RĂNG CỮA ĐỎ DẰU
Dây đai truyền động đỏ là một thành phần quan trọng trong hệ thống chân đế máy nén khí, nơi có lắp đặt van một chiều Van này giúp ngăn chặn khí không trở lại khi các trục vít ngừng hoạt động, đảm bảo hiệu suất và độ bền của máy.
Máy nén khí trục vít sở hữu nhiều đặc điểm tương đồng với máy nén khí cánh quạt, bao gồm sự ổn định và không dao động trong khí thoát, ít rung động và tiếng ồn thấp Thiết bị này đạt hiệu suất tối ưu khi hoạt động gần mức tải tối đa, với lưu lượng khí dao động từ 1.4 m³/phút đến 60 m³/phút.
Hình 1.4: Cấu tạo máy nén trục vít
Máy nén khí trục vít hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi thể tích, khi không khí được dẫn vào buồng chứa và thể tích của buồng này giảm, dẫn đến tăng áp suất theo định luật Boyle-Mariotte Ngoài máy nén khí trục vít, còn có các loại máy nén khác như piston, bánh răng và cánh gạt Máy nén khí được ứng dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất công nghiệp, với các loại cố định hoặc di động, và công suất dao động từ 5 HP đến 500 HP, phù hợp với áp suất từ thấp đến cao (8.5 Mpa).
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DẦU MÁY NÉN
Máy nén khí được sử dụng phổ biến trong công nghiệp để lưu trữ và vận chuyển khí dưới dạng khí nén hoặc khí hóa lỏng Yêu cầu bôi trơn cho máy nén rất đa dạng, phụ thuộc vào kiểu máy, loại khí nén, và điều kiện vận hành Dầu máy nén cần phù hợp với tính chất hóa học của khí nén, có khả năng bền ở nhiệt độ cao, chịu nhiệt độ thấp, và có độ tạo cặn, bay hơi thấp Hiện nay, phần lớn dầu máy nén thương phẩm là nhập khẩu với giá thành cao, do đó, việc nghiên cứu pha chế dầu máy nén đáp ứng yêu cầu kỹ thuật là cần thiết để giảm giá thành và nâng cao hiệu quả sản xuất Dầu máy nén khí đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp khí nén, nên việc nghiên cứu quy trình pha chế để tạo ra các loại dầu bôi trơn phù hợp với từng loại máy nén là rất cần thiết, đảm bảo tính năng chịu nhiệt độ và áp suất lớn, chống ma sát, gỉ sét và ăn mòn.
1.2.1 Định nghĩa về dầu máy nén
Hình 1.5: Sơ đồ hoạt động máy nén khí
Dầu máy nén khí là loại dầu chuyên dụng, đóng vai trò quan trọng trong việc bôi trơn và giảm ma sát cho vòng bi của máy nén khí Để hiểu rõ hơn về chức năng của nó, cần nắm vững nguyên lý hoạt động của máy nén khí, từ đó thấy được tầm quan trọng của dầu trong việc duy trì hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị.
Trong các máy nén, việc bôi trơn cho các phần làm việc không gặp khó khăn, nhưng bôi trơn trong không gian bị nén lại rất phức tạp do liên quan đến an toàn, nhất là khi có khí dễ oxy hóa Yêu cầu và tiêu chuẩn bôi trơn phụ thuộc vào thiết kế máy nén, loại khí, tỉ lệ nén và nhiệt độ cuối cùng Máy nén khứ hồi có hệ số nén lớn nhất thường yêu cầu bôi trơn tiêu chuẩn, trong khi tuabin nén khí dễ bôi trơn hơn nhưng có hệ số nén vừa phải Các máy nén kiểu rôto xoắn có áp suất cuối nhỏ hơn 10 bar và nhiệt độ thấp nằm ở vị trí trung gian Dầu bôi trơn không chỉ giảm ma sát và mài mòn mà còn có vai trò làm kín không gian nén và làm mát, đặc biệt là trong các máy nén pittông, nơi dầu cũng cần làm mát pittông trong vùng áp suất thấp.
Các polyankylen glycol và các chất lỏng có khả năng trộn lẫn với hydrocarbon, như nhũ tương nước, thường được sử dụng để bôi trơn cho máy nén khí hydrocarbon, chẳng hạn như khí lọc dầu và khí tự nhiên Việc sử dụng các chất này giúp ngăn ngừa sự giảm độ nhớt trong không gian nén và tránh hiện tượng rửa trôi chất bôi trơn, điều này có thể dẫn đến hoạt động khô của hệ thống Đối với các máy nén khí halogen, không gian nén được bôi trơn bằng các hydrocarbon đã được halogen hóa.
Các máy nén khô được thiết kế đặc biệt để nén O2, với pittông được làm kín bằng chất dẻo Trong một số trường hợp, chúng có thể được bôi trơn bằng dầu cloflohydrocacbon, nước hoặc nhũ tương Việc sử dụng dầu khoáng hay dầu tổng hợp có thể gây ra nguy cơ nổ và cháy, đặc biệt ở áp suất cao Đối với máy nén CO2 trong ngành công nghiệp đồ uống, không gian nén cần được bôi trơn bằng dầu trắng y tế có độ nhớt phù hợp để đảm bảo vệ sinh và sức khỏe.
Máy nén không khí thường sử dụng dầu bôi trơn khoáng để kiểm soát nguy cơ cháy nổ Khi nhiệt độ không khí ở đầu ra của không gian nén tăng cao, yêu cầu về độ bền oxy hóa và khả năng chống tạo cặn của dầu cũng tăng lên Những tiêu chuẩn này được quy định trong DIN 51506 (bảng 1.1).
Khi mức độ nguy hiểm của dầu tăng, yêu cầu chất lượng cũng trở nên khắt khe hơn do độ bền oxy hóa và xu hướng tạo cốc của dầu ảnh hưởng lớn đến nguy cơ cháy nổ trong hệ thống khí nén, đặc biệt là trong các đường ống phân phối khí Sự hiện diện của các sắt oxit phân tán trong dầu thúc đẩy quá trình lão hóa và làm giảm nhiệt độ bắt cháy của dầu ở áp suất cao, dẫn đến việc gần đạt tới nhiệt độ tự cháy của hệ thống, nhất là khi khí nén không khí được làm mát nhằm tiết kiệm chi phí hoặc năng lượng.
Bảng 1.1: Tiêu chuẩn để lựa chọn dầu máy nén không khí
Sản phẩm này được thiết kế cho các máy nén khí lưu động và máy nén dầu bôi trơn, phục vụ cho việc điều khiển phanh, các thiết bị vận chuyển và tín hiệu trong các phương tiện.
Nhiệt độ nén cuối cùng khí để tích chứa hay cho các hệ thống đường ống Nhiệt độ nén cuối cùng
Hình 1.6: Sự phụ thuộc nhiệt tự cháy vào áp suất.
1: este của axit phosphoric, 2: este của axit phosphoric và gỉ kim loại, 3: dầu khoáng, 4, 5: dầu khoáng và gỉ kim loại
Dầu VD-L được sản xuất từ dầu khoáng tinh chế sâu, đáp ứng các yêu cầu cao nhất với khả năng tạo cốc thấp nhờ vào các chất ức chế ăn mòn và oxy hóa Trong khi đó, các loại dầu khác được điều chế từ dầu khoáng tinh chế kèm theo các phụ gia bổ sung Dầu HD với độ nhớt tương ứng thường được sử dụng để bôi trơn máy nén trên các phương tiện và trong các xưởng.
Dầu tổng hợp được thử nghiệm với các tiêu chuẩn chất lượng cao và mang lại nhiều lợi ích Hiện tại, các yêu cầu về dầu máy nén tổng hợp vẫn chưa được công nhận hoặc tiêu chuẩn hóa, do đó cần thực hiện các phép kiểm tra thực tế một cách cẩn thận Kinh nghiệm cho thấy quy trình và điều kiện kiểm tra dầu máy nén gốc khoáng cũng có thể áp dụng cho dầu tổng hợp, tuy nhiên, đôi khi cần điều chỉnh một số yêu cầu và quy trình kiểm tra cho phù hợp.
Kết quả thực tế từ máy nén khứ hồi cho thấy nhiệt độ nén cuối cùng đạt tới 220°C và áp suất từ 8 - 10 bar, với các ankylbenzen tinh chế dùng làm bôi trơn không tạo cặn cacbon Tương tự, dầu olyolefin chống lão hóa có nhiệt độ giới hạn lên tới 270°C cũng đạt được kết quả tương tự Polyalkylen glycol rất phù hợp với nhiệt độ giới hạn 200°C, không tạo sơn, cặn hay cốc, đồng thời lượng tiêu thụ chỉ bằng một nửa so với dầu khoáng thương phẩm và có tuổi thọ dài hơn.
Dầu dieste có độ bền oxy hóa tốt, thích hợp cho dầu máy nén do tính ít bay hơi, nhưng cần lưu ý rằng một số loại dieste rất nhạy cảm với oxy hóa bởi oxit sắt Este triarylphosphat, với các tác nhân chống ăn mòn, cũng được sử dụng làm dầu máy nén không cháy trong ngành mỏ nhờ khả năng đáp ứng các yêu cầu đặc biệt Tuy nhiên, việc kéo dài thời gian thay dầu trong máy nén thường gặp khó khăn, đòi hỏi cải thiện hệ thống lọc dầu lưu thông để giảm thiểu sự mài mòn các thành phần trượt do tích tụ hạt mài mòn, đặc biệt là trong các thiết bị lưu động nhỏ.
1.2.2 Mô hình hoạt động của máy nén khí
Phần trục vít chuyển động hình quả dứa cần dầu bôi trơn để giảm mài mòn và đảm bảo chuyển động êm ái Vòng bi trục nén nằm trong đầu nén cũng được bôi trơn bằng dầu máy nén khí, giúp lấp các khoảng chống khe hở trục vít và hỗ trợ quá trình nén khí Dầu không chỉ giảm ma sát mà còn là dung môi làm mát cho trục vít, do nhiệt phát sinh từ hoạt động nén của cặp trục vít Áp suất không khí thay đổi dẫn đến áp suất làm việc của máy (thường từ 7 kg/cm trở lên), cũng tạo ra nhiệt độ.
1.2.3 Vòng tuần hoàn của dầu máy nén Đầu tiên dầu được chứa trong bình dầu được đẩy đi nhờ áp suất chênh lệch giữa thùng dầu và đầu nén (áp suất sau nén cao hơn áp suất đầu vào), qua két tản nhiệt một đường không qua két tản nhiệt Cả hai đường dầu đều qua một van nhiệt,lọc dầu, đầu nén làm mát cho đầu nén, bôi trơn chuyển động, dầu mang theo khí và hơi nước ở áp suất cao quay về thùng dầu khí được tách ra khí cùng hơi nước qua lọc tách ra ngoài, phần dầu nặng hơn nằm ở phần đáy thùng được dẫn ra két tản nhiệt hoặc đi thẳng vào lọc dầu tùy thuộc vào nhiệt độ của nó Van nhiệt có chức năng điều phối dòng dầu từ thùng chứa dầu qua két tản nhiệt, lọc đầu hoặc đi thẳng từ thùng dầu đến lọc dầu Van nhiệt này nhằm mục đích cho dầu nóng từ máy nén khí dc làm mát nhưng khi nhiệt độ của dầu quá thấp dưới 4 o C hoặc khác tùy máy thì dầu sẽ không làm mát nữa vì nếu dầu máy nén khí có nhiệt độ thấp sẽ không đảm bảo việc bay hơi nước trong dầu do quá trình ngưng tụ khi nén không khí Dầu đi qua lọc sẽ lọc những cặn bẩn Áp suất chênh lệch thường là 0.3 đến 0.5 kg nếu áp suất chênh lệch cao chứng tỏ lọc dầu đang bị bẩn hoặc nghẹt.
Ngoài đường dầu chính, còn tồn tại một đường dầu phụ với vòng tuần hoàn riêng, chiếm tỷ trọng nhỏ hơn nhiều so với vòng tuần hoàn chính Đường dầu phụ này xuất phát từ đáy tách dầu nước, nơi chứa phần dầu còn lại sau quá trình tách Dầu phụ được dẫn thẳng đến đầu nén, hòa quyện với dòng dầu chính trước khi trở về thùng dầu.
1.2.4.1 Phân loại theo nguồn gốc
PHỤ GIA CHO DẦU MÁY NÉN
có nhiều loại phụ gia đa chức Đối với dầu máy khí nén những chức năng quan trọng của phụ gia là:
Làm tăng độ bền oxy hóa (phụ gia ức chế oxy hóa).
Chống tạo bọt hay còn gọi phụ gia chống tạo bọt.
Phụ gia chống gỉ với hàm lượng nhỏ
Ngoài ra còn sử dụng chất chống sự kẹt xước các bề mặt kim loại hay còn gọi là phụ gia cực áp.
1.3.1 Phụ gia ức chế oxy hóa
Quá trình oxy hóa là một yếu tố hóa học quan trọng trong bôi trơn, khi oxy không khí tương tác với các thành phần của dầu bôi trơn trong các điều kiện vận hành khác nhau Hầu hết các thành phần dầu bôi trơn đều phản ứng với oxy, nhưng tốc độ phản ứng khác nhau Những phản ứng này không mong muốn vì chúng dẫn đến sự biến chất của dầu, tạo ra các sản phẩm không tan và cặn Một số hợp chất oxy hóa, như axit, có tính phân cực và làm tăng nhanh quá trình gỉ và ăn mòn Khả năng bền oxy hóa của các hợp chất này tăng dần theo một thứ tự nhất định.
Hợp chất không no < hợp chất dị nguyên tố < hợp chất thơm < Napthen
