Các hệ thống khí nén được sử dụng trong công nghiệp thường được cung cấp bởi khí nén hoặc khí trơ nén. Máy nén khí đặt ở vị trí trung tâm và máy phát điện cung cấp cho các xy lanh, động cơ không khí và các thiết bị khí nén khác. Một hệ thống khí nén được điều khiển bằng van điều khiển bằng tay hoặc tự động được lựa chọn khi nó cung cấp chi phí thấp hơn, linh hoạt hơn hoặc an toàn hơn động cơ điện và thiết bị truyền động. Khí nén học cũng có ứng dụng trong nha khoa, xây dựng, khai thác mỏ, và các khu vực khác.
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KHÍ NÉN I NHỮNG ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA KHÍ NÉN II PHẠM VI ỨNG DỤNG III ƯU, KHUYẾT ĐIỂM IV CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ V CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG KHÍ NÉN VI BÀI TẬP CHƯƠNG I ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA KHÍ NÉN a Khí nén phần lưu chất với khơng khí loại khí khác nén lại Pneumatics: xuất phát từ tiếng Hy Lạp Pneuma có nghĩa khí, gió thở b Điều khiển khí nén thiết kế với mục đích hướng dịng chảy khí nén theo mạch để điều khiển cấu chấp hành (chuyển động tịnh tiến hay quay) c Các dòng chảy dạng lượng khí nén điều khiển cấu chấp hành thực chuyển động tịnh tiến hay quay II PHẠM VI ỨNG DỤNG Dây chuyền tự động sản xuất, lắp ráp thiết bị điện tử: ti vi, tủ lạnh, vi mạch Dây chuyền sản xuất, chế biến thực phẩm: chế biến thịt, sữa Dây chuyền tự động: sản xuất dược phẩm, hoá chất, nước giải khát,… Dây chuyền tự động: đóng gói, vận chuyển, … Dây chuyền tự động: cấp phôi, gá đặt… Xem Video minh họa: https://drive.google.com/drive/folders/1XsQ6cI1Zsa Ar5FJ9K1coeKkAWtXSKO1u?usp=sharing III ƯU, KHUYẾT ĐIỂM Ưu điểm: – Có sẳn thiên nhiên, lưu trữ dễ dàng thể tích lớn – Truyền động đơn giản, hiệu suất cao, chi phí thấp – Khơng gây nhiễm mơi trường – Phần tử khí nén có tuổi thọ cao hệ thống làm việc ổn định – Có khả truyền tải lượng xa độ nhớt động học khí nén nhỏ tổn thất đường dẫn thấp Nhược điểm: – Kích thước lớn so với hệ thống thủy lực có cơng suất – Lực truyền tải trọng thấp – Tính nén khí ảnh hưởng tới chất lượng làm việc hệ thống – Do vận tốc cấu chấp hành khí nén lớn nên dễ xảy va đập cuối hành trình – Do khí xả qua cửa tạo nên âm ồn – Việc điều khiển theo quy luật vận tốc cho trước dừng lại vị trí trung gian khó thực xác hệ thống khác 3 So sánh truyền động: Thủy lực (2) - Khí nén (3) - Điện (4)- Cơ (5) TIÊU CHUẨN THỦY LỰC KHÍ NÉN ĐIỆN TỬ CƠ HỌC (1) (2) (3) (4) (5) Khí nén Electron Mang lượng Dầu Dây điện Trục; bánh răng; xích Truyền lượng Ống dẫn, đầu nối Ống dẫn, đầu nối Tạo lượng Bơm, Máy nén khí, Máy phát điện, Trục, chuyển đổi xi lanh truyền lực, xi lanh truyền lực, động điện, bánh răng, thành dạng động thủy lực động khí nén pin, ắc quy đai truyền, lượng khác Trục, bánh xích truyền Các đại lượng Áp suất p (400bar), Áp suất p (6 bar), Hiệu điện U, lưu lượng Q (m3/h) Lưu lượng Q (m3/h) cường độ dịng điện I Lực F, mơmen xoắn M, vận tốc v, số vịng quay n Cơng suất Rất tốt, áp suất đến Tốt Tốt, trọng lượng động điện Tốt, khơng có khoảng 400 bar, có cơng suất lớn 10 chuyển đổi bị giới hạn áp kết cấu gọn nhỏ, giá suất làm việc khoảng lần so với động thủy lực phù hợp bar lượng Bị giới hạn Sự đóng mở tiếp điểm lĩnh vực điều thuận lợi van đảo chiều khiển điều chỉnh TIÊU CHUẨN THỦY LỰC KHÍ NÉN ĐIỆN TỬ CƠ HỌC (1) (2) (3) (4) (5) Độ xác Rất tốt ,bởi dầu Ít tốt khí Tốt, khơng có độ đàn hồi nén có độ đàn hồi độ trễ nhỏ vị trí (hành trình) Hiệu suất Vừa phải, tổn thất Tính chất khí nén tích, ma sát ảnh hưởng Rất tốt, khả ăn khớp truyền động Vừa phải Tổn thất lớn Thông qua động Đơn giản thông qua truyền động, chuyển trình truyền tải đổi lượng, tổn thất áp suất van Khả tạo Đơn giản xilanh Đơn giản chuyển động truyền lực trục thẳng Khả ứng Chuyển động thẳng Lắp ráp Truyền động quay dụng máy sản xuất Dây chuyền tự động Tịnh tiến Truyền động khoảng cách ngắn IV CÁC ĐẠI LƯỢNG 4.1 Áp suất khí nén Áp suất khí nén: p lực F [N] tác động diện tích A [m2] bề mặt chịu lực 𝐅 [N/m2] 𝐀 Theo hệ SI: đơn vị áp suất pascal, viết tắt Pa: Pa = 1N/1m2 𝐩= Áp suất khí pe: m = V n m = A h n V=A.h F p= A - Chiều cao cột khí h [m] - Khối lượng riêng khơng khí n = 1,29 kg/m3, - Gia tốc trọng trường: g = 9,81 m/s2 = A h n g A = h n g F=1N A = m2 Trọng lực khí F = m.g h [m] Trái đất pe = 1,013.105 [Pa] = atm Hệ Metric: Độ lớn áp suất khí áp suất cột thuỷ ngân ống Tô-ri-xe-li atm = 760 mmHg Bar = 100 000 Pa thấp so với áp suất khí trung bình Trái đất mặt nước biển atm = bar Hệ thống Imperial System-hệ Anh (pound, inch): Pound (0,45336 kg)-force per square inch (6,4521 cm2) Ký hiệu lbf/in2 (psi) bar = 14.50 psi A = m2 Thang đo áp suất dư Thang đo tương đối Áp suất tuyết đối Thang đo áp suất p Áp suất dư Áp suất khí pe = atm p= Giá trị tương đối p = – Giá trị tuyệt đối Áp suất chân không Áp suất chân không tuyệt đối Thang đo áp suất chân không Các thang đo áp suất thông dụng: Trong kỹ thuật: khối lượng m=1 kg đặt diện tích cm2, gọi áp suất kỹ thuật, viết tắt 1at F = m (1kg) g (9,81 m/s2) at = 0.981 105 pa A = cm2 viết tắt at = KG/cm2 = kgf/cm2 Thông thường : - bar = at = kgf/cm2 = KG/cm2 đọc ki lô gram lực (force) cm2 - bar = atm = 14.50 psi = at - bar = 100 kPa = 0,1 Mpa = 760 mmHg 4.2 Lực Khí nén tác dụng lực F với giá trị áp suất p tác dụng lên bề mặt nhân với diện tích A chịu lực Áp suất P A Lực F F1 Khí nén F = p A [N] A1 Áp suất: p Trong đó: F : Lực đẩy pittơng (N) A : Diện tích pittơng (m2) p : Áp suất khí nén cấp lên xy lanh (Pa) F2 A2 A5 A4 A3 Định luật Pascal: “Áp suất khí nén truyền theo hướng nhau” F3 P F4 F1 F2 F3 F4 F5 A1 A2 A3 A4 A5 F5 4.3 Lưu lượng Q Lưu lượng định nghĩa lượng khơng khí lưu động đơn vị thời gian, lượng khơng khí đo theo thể tích trọng lượng Q=A.v [m3/s] Q= 𝐕 𝐭 [m3/s] A [m2] Q Q V [m/s] A – Tiết diện chảy [m2] v - Vận tốc chảy khí [m/s] t - Thời gian [s] V - Thể tích [m3] Q - Lưu lượng [m3/s] Lít dm3 giây: l/s dm3/s, Mét khối phút : m3/ph 4.4 Thành phần đại lượng khơng khí – dầu Thể tích% N2 78,08 O2 20,95 Ar 0,93 CO2 0,03 H2 0,01 Ne.10-3 1,8 He.10-3 0,5 Kr.10-3 0,1 X.10-6 Khối lượng% 75,51 23,01 1,286 0,04 0,001 1,2 0,07 0,3 40 Nr Tên đại lượng Khối lượng riêng khí Dầu thủy lực Nước Hằng số khí Nhiệt lượng riêng Độ nhớt động Độ nhớt động học ký hiệu n t t R cp cv giá trị 1,293 đơn vị kg/m3 ghi Trạng thái tiêu chuẩn: T = 273 K pa = 1,013 bar 900 1000 287 1,004 0,717 17,17.10-6 13,28.10-6 kg/m3 kg/m3 T=297 K J/kg.K kJ/kg.K kJ/kg.K Pa.s m2/s áp suất số thể tích số trạng thái tiêu chuẩn trạng thái tiêu chuẩn 4.5 Độ ẩm khơng khí Khí khí hỗn hợp nước khơng khí Theo định luật Dalton, áp suất tồn phần khí hỗn hợp tổng áp suất riêng phần Lượng nước chứa nhiều kg khơng khí gọi lượng ẩm bảo hòa x1 [g/kg] Lượng nước thực tế chứa kg khơng khí (cùng nhiệt độ) gọi lượng ẩm tuyệt đối x [g/kg] Độ ẩm tương đối khơng khí biểu thị dạng % lượng ẩm tuyệt đối x lượng ẩm bảo hòa x1: lượng ẩm tuyệt đối x [g/kg] Độ ẩm tương đối = 100 % lượng ẩm bảo hòa x1 [g/kg] Q trình nung nóng, sấy khơ làm lạnh khơng khí thiết bị làm lạnh làm thay đổi giá trị đại lượng nước chứa khơng khí, độ ẩm Được thể biểu đồ Mollier Nhiệt độ khơng khí Vùng khơng khí ẩm const Đường nước bão hòa Vùng nước Lượng nước 4.6 Các định luật chất khí Định luật khí lý tưởng: Xác định quan hệ áp suất, thể tích nhiệt độ Khi áp dụng định luật này, sử dụng áp suất nhiệt độ tuyệt đối: pabs = 1,013 bar, Tn = 273 K p1 V1 T2 = p2 V2.T1 Phương trình tổng quát: p1∗V1 T1 = a Đẳng nhiệt Định luật Boyle: “Tích áp suất tuyệt đối thể tích khối khí ln số nhiệt độ khí khơng thay đổi” T = const p1 V1 = p2 V2 p2∗V2 = T2 Hằng số b Đẳng tích c Đẳng áp Định luật Gay-Lussac: “Áp suất tuyệt đối khí tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối nó” (thể tích khí khơng đổi, V = const) C Định luật Charles: “Nếu áp suất khối khí khơng đổi thể tích tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối” p = const 100 C 100 p1 p Konst T1 T2 80 60 40 60 40 20 20 -20 -40 -60 -20 P1 T1 V1 V2 Konst T1 T2 80 = P2 T2 10 15 = Const (T : K) 20 Áp suất tuyệt đối -40 -60 V1 T1 0.5 = V2 T2 = const 1.5 (T : K) Thể tích d Tỉ số nén Ví dụ minh họa: Nén 4m3 áp suất khí vào bình chứa tích 0,5m3 máy nén khí (giả thiết q trình nén, nhiệt độ khí khơng đổi) Hãy cho biết kim đồng hồ áp kế giá trị trước ( p1) sau nén (p2) bao nhiêu? p1 = p2 = bar p1 = atm = bar - áp suất khí V1 = m3 - Thể tích trước nén Phương trình đẳng nhiệt: p2 = ?? bar - áp suất sau nén ? V2 = 0,5 m3 - Thể tích sau nén p1 V1 = p2 V2 Tỉ số nén i = p2 V1 = p = V2 m3 0.5 m3 = Áp suất nén p2= p1 i Áp suất nén p2= bar x = bar (Áp suất giá trị tuyệt đối) Thang đo áp suất dư: Áp kế p1 giá trị áp kế p2 giá trị (8 bar – atm = bar) bar 4.7 Phương trình dịng chảy Lưu lượng Q chảy đường ống từ vị trí đến vị trí không đổi Lưu lượng Q chất lỏng qua mặt cắt S ống toàn ống (điều kiện liên tục) Q = A1.v1 = A2 v2 = Hằng số 4.8 Lưu lượng tổn thất áp suất khí nén qua khe hở (trong loại van) a Lưu lượng khí nén qua khe hở (trong loại van): qV α.ε.A 2.Δ p ρ1 [m3/s] qV[m3/s Trong đó: α ε 𝒅𝟐 A1 = 𝝅 𝟒 Δ p p1 - p2 n A1[m2] Hệ số lưu lượng Hệ số giản nỡ Diện tích mặt cắt khe hở [m2] Áp suất trước sau khe hở [N/m2] Khối lượng riêng khơng khí [kg/m3] b Tổn thất áp suất khí nén qua khe hở (trong loại van) Tổn thất áp suất loại van pV (trong loại van đảo chiều, van áp suất, van tiết lưu ) tính theo: ∆𝐩𝐕 = 𝛝𝐯 𝛒𝟏 𝟐 𝐰 𝟐 W - vận tốc qua khe hở [m/s] 𝜗𝑣 - hệ số cản, đại lượng đặc trưng cho van 4.9 Các đại lượng bản: Hệ SI V CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG KHÍ NÉN Hệ thống điều khiển tự động khí nén- khí nén Cấu trúc hệ thống điều khiển tự động điện - khí nén Chuyển động quay Hút chân không Chuyển động tịnh tiến ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN (Cơ cấu chấp hành - Actuator) THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN NGUỒN KHÍ NÉN PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN (Cơ cấu tác động (OUPUT) NGUỒN ĐIỆN PHẦN TỬ XỬ LÝ TÍN HIỆU (PROCESSING) PHẦN TỬ NHẬN TÍN HIỆU (INPUT) VI BÀI TẬP VẬN DỤNG CHƯƠNG 1 Ví dụ tính tốn: 1.1 Nén V0 = 6[m3 ] áp suất khí vào bình chứa tích V1 = 0.5 [m3 ]bằng máy nén khí (giả thiết trình nén, nhiệt độ khí khơng đổi) Hãy tính áp suất khí nén bình (áp suất dư)? atm = 105 [Pa] Một máy nén khí có lưu lượng hút Q = 3m3/min, nén vào bình chứa tích 0,5m3 Hãy tính thời gian cần thiết để bình nạp đầy khí nén có áp suất P = bar nhiệt độ T = 293 K Biết rằng, khí điều kiện tiêu chuẩn (Pn = 1,013 bar T = 273K) 1.3 Trong ống kín V1 = 60 dm3, áp suất p1abs = 700 kPa (7 bar/101.5 psi), nhiệt độ T1 = 280 K (70C) Khi nhiệt độ tăng lên T2 = 300 K (270C) áp suất ống bao nhiêu? Giải thích ứng dụng thực tế: 2.1 Trình bày, giải thích ngun lý dụng cụ sau: Nhiệt kế thủy ngân, Kinh khí cầu Nồi áp suất dựa vào định luật khí ? Câu hỏi tham khảo thêm: 3.1 Trong trình đẳng nhiệt khối khí lý tưởng, thể tích khối khí giảm lít áp suất tăng lên lần Thể tích ban đầu khối khí lít? 3.2 Một bóng cao su tích V= lít có áp suất bóng p= atm Mỗi lần bơm đưa 100 cm3 khơng khí áp suất khí vào bóng Bơm châm để nhiệt độ khơng đổi ban đầu bóng có khơng khí áp suất khí quyển, (biết áp suất khí atm) số lần cần bơm bóng bao nhiêu? ... CO2 0,03 H2 0, 01 Ne .10 -3 1, 8 He .10 -3 0,5 Kr .10 -3 0 ,1 X .10 -6 Khối lượng% 75, 51 23, 01 1,286 0,04 0,0 01 1,2 0,07 0,3 40 Nr Tên đại lượng Khối lượng riêng khí Dầu thủy lực Nước Hằng số khí Nhiệt lượng... học ký hiệu n t t R cp cv giá trị 1, 293 đơn vị kg/m3 ghi Trạng thái tiêu chuẩn: T = 273 K pa = 1, 013 bar 900 10 00 287 1, 004 0, 717 17 ,17 .10 -6 13 ,28 .10 -6 kg/m3 kg/m3 T=297 K J/kg.K kJ/kg.K... 10 0 C 10 0 p1 p Konst T1 T2 80 60 40 60 40 20 20 -20 -40 -60 -20 P1 T1 V1 V2 Konst T1 T2 80 = P2 T2 10 15 = Const (T : K) 20 AÙp suất tuyệt đối -40 -60 V1 T1 0.5 = V2 T2 = const 1. 5 (T :