BÀI TẬP NHÀ KHÍ NÉN khoa cơ khí đại học bách khoa tphcm

Câu 1: Giải bài tập Q.1 đến Q.23 của sách “Power pneumatics”. Bài Q.1: Lưu lượng yêu cầu của hệ thống là 40 dm3 s (không khí tự do) ở áp suất 7 bar. Xác định đường kính tiêu chuẩn gần nhất của ống dẫn khí nếu vận tốc không đổi là 6 ms. Trả lời Tỷ số nén 7 1 8 1 Cr    Lưu lượng dòng khí bị nén 40 5( ) 8 Q l s   Đường kính ống dẫn khí : 3 4 4 5 10 0.03257 32.57 6 Q d m mm   v         Theo tiêu chuẩn ta chọn d = 32mm Bài Q.2: Một động cơ khí nén sử dụng nén không khí với lưu lượng riêng 0,5dm3 vg. Xác định đường kính tiêu chuẩn nhỏ nhất của hệ thống ống dẫn khi đông cơ đang chạy ở 240 revm. Vận tốc tối đa của không khí không vượt quá 8 ms.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ  BÀI TẬP NHÀ KHÍ NÉN GVHD: Thầy TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG SVTH: Nhóm BKTN LỚP: CK11KSTN PHAN ĐỨC XUÂN 21104390 NGUYỄN TẤN ĐẠI 21100704 TRẦN TRUNG HIẾU 21101128 NGUYỄN ĐĂNG MINH ĐẠT 21100733 TRẦN MINH QUỐC 21102801 NGUYỄN XUÂN THÀNH 21103222 ĐÀO DUY QUÍ 21102780 NGUYỄN DUY THỊNH 21103410 NGUYỄN HOÀI BẮC 21100256 TP HCM, ngày 15 tháng 12 năm 2013 GVHD: Thầy TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG NHÓM: BKTN BÀI TẬP NHÀ TỔNG HỢP PHẦN KHÍ NÉN Câu 1: Giải bài tập Q.1 đến Q.23 của sách “Power pneumatics” Bài Q.1: Lưu lượng yêu cầu của hệ thống là 40 dm3/s (không khí tự do) ở áp suất 7 bar Xác định đường kính tiêu chuẩn gần nhất của ống dẫn khí nếu vận tốc không đổi là 6 m/s Trả lời Tỷ số nén Cr  7 1  8 1 Lưu lượng dòng khí bị nén Q  40  5(l / s) 8 Đường kính ống dẫn khí : d  4Q  45103  0.03257m  32.57mm v  6 Theo tiêu chuẩn ta chọn d = 32mm Bài Q.2: Một động cơ khí nén sử dụng nén không khí với lưu lượng riêng 0,5dm3/ vg Xác định đường kính tiêu chuẩn nhỏ nhất của hệ thống ống dẫn khi đông cơ đang chạy ở 240 rev/m Vận tốc tối đa của không khí không vượt quá 8 m/s Trả lời Lưu lượng thực của khí Q  nD  240x0.5 120(l / m)  2(l / s) Đường kính ống dẫn khí : d  4Q  4 2103  0.01784m  17.84mm  8 v Theo tiêu chuẩn ta chọn d=20mm Bài Q.3 Một hệ thống khí nén vận hành với áp suất cung cấp là 6 bar, gồm 3 xylanh tác động kép và mỗi xylanh có đường kính 100mm và hành trình lần lượt là 200mm, 350mm, 450mm tỗng thời gian của 1 chu trình toàn hệ thống là 15s Bỏ qua ảnh hưởng của trục pittông và thể tích các ống làm việc cung cấp khí cho xylanh, xác định yêu cầu 2 GVHD: Thầy TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG NHÓM: BKTN của hệ thống Hãy tính đường kính tiêu chuẩn gần nhất của hệ thống ống dẫn khí nếu vận tốc khí không vượt quá 6 m/s Trả lời: Tổng thể tích khí cần cung cấp cho xylanh để đi hết hành trình: d2  1002 6 3 V  2x x(L1  L2  L3)  2x x(200  350  450)  15.708.10 (mm )  15.71(l) 4 4 Lưu lượng cung cấp cho toàn hệ thống: Q  V  15.71  1.05(l / s) t 15 Đường kính tiêu chuẩn của ống: d  4Q  41.05103  0.0149m  14.9mm v  6 Theo tiêu chuẩn ta chọn d=15mm Bài Q.4 Một đường ống vận chuyển khí nén có đường kính 100 mm và dài 150 m Xác định lưu lượng dòng chảy qua ống nếu rớt áp là 1 bar và áp suất vào là 7 bar flQ2 Sử dụng công thức P  5 , cho f = 500 d Pave Xác định vận tốc trung bình trong đường ống Trả lời Lưu lượng qua ống: Q  Pd 5Ptb  71005 1  966.0910  1000(l / s) fl 500 150 Q 1000103 Vận tốc trung bình : v  2  2  10.61(m / s)  d   0.1 4 4 Bài Q.5 Khí thải từ một nhà máy hoạt động bằng khí nén trong một nhà máy sản xuất thực phẩm có đường ống để xả không khí ra bên ngoài nhà máy Lưu lượng khí thải ra là 100 dm3/s (không khí tự do); ống xả có đường kính 50 mm và dài 100 m Tính áp suất vào tại đường ống Trả lời: flQ2 Ta có Pm  5 d P Với f=500; l=100m ; Q=100 dm3/s, d=50mm, Pdrop=1.08 bar  P 1.4815bar Bài Q.6 3 GVHD: Thầy TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG NHÓM: BKTN Một thiết bị cần cấp khí từ một hệ thống khí nén 200 dm3/s f.a.d, ở áp suất 4 bar Được đánh giá là trong 5 năm tiếp theo, hệ thống cần lưu lượng gấp đôi 400 dm3/s f.a.d Một máy nén khí có lưu lượng 500 dm3/min f.a.d Áp suất được cài đặt lớn nhất là 7 bar Xác định ( làm tròn đến m3) kích thước bình chứa khí để số lần bật thiết bị không quá 20 Biết áp suất tổn thất trên đường ống là 0.5 bar Số lần khởi động trong một giờ là bao nhiêu nếu hệ thống chỉ yêu cầu một nửa khả năng nén Trả lời Với số lần mở của máy nén khí là 20 lần/giờ , thời gian nhỏ nhất giữa hai lần mở là 3 phút, giả thuyết làm việc ổn định Trong 3 phút thì hệ thống yêu cầu một lượng không khí là: 3x60x200 = 36000 dm3/s f.a.d = 36m3 Để cung cấp khí cho hệ thống thì máy nén khí cần chạy một khoảng thời gian: 360 200  72(s) 500 Suy ra khoảng thời gian mà hệ thống sử dụng khí trong bình khí nén ( bộ phận nén khí đã ngưng hoạt động)  3.60  72 108(s) Thể tích khí trong thời gian 108s mà hệ thống nhận từ bình chứa là 200x108  21600(dm3)  21.6m3 Tính thể tích không khí tự do có trong bình chứa: Ở áp suất dư 7 bar P1V1  P2V2 với P1=1 bar , P2=(7+1)bar , V2=V (là thể tích bình chứa), V1 là không khí T1 T 2 tự do trước khi nén.T1=T2 V1=8V Ở áp suất 4,5bar tương tự ta tính được V3=5.5V Do đó thể tích khí tự do chênh lệch được nén trong bình chứa là 2,5V đây cũng chính là thể tích khí mà hệ thống nhận trong thời gian bộ phận nén đã ngưng chạy Từ đây ta tính được thể tích bình chứa khí cần thiết: 2.5V  21.5 V  8.64(m3) Ta chọn bình chứa có thể tích 9m3 Ta tính toán lại các thong số ban đầu Thể tích khí tự do bình nạp vào cho đến khi bộ phận nén ngưng chạy: 2.59  22.5(m3) Thời gian để máy nén khí tích đủ không khí cho bình chứa: 22.51000  75(s) 500  200 Thời gian hệ thống nhận khí cho đến khi bộ phận nén bật lại: 4 GVHD: Thầy TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG NHÓM: BKTN 22.51000  112.5(s) 200 Thời gian giữa 2 lần mở máy là : 75+112.5=187.5 (s) Số lần bật máy trong 1 giờ là: 3600  19.2 187.5 Bài Q.7 Một thiết bị khí nén cần 200 dm3/s f.a.d trong mỗi chu trình của nó, nếu không sản phẩm sẽ bị phá hủy Thời gian 1 chu trình là 25s, áp suất khí cần cung cấp là 6 bar, áp suất nhỏ nhất của thiết bị là 4.5 bar Một bình chứa được đặt trước thiết bị để cung cấp khí cho nó trong trường hợp dòng cung cấp khí chính không hoạt động Tính kích thước nhỏ nhất của bình chứa Trả lời Tính thể tích của không khí tự do tương đương với thể tích khí được nén trong bình: Ở áp suất 6 bar, thể tích không khí tự do là 7V (m3) Ở áp suất 4.5 bar, thể tích khí tự do là 5.5V (m3) Thể tích khí cung cấp cho hệ thống là 1.5V (m3) Mà thể tích cần cung cấp trong 25 s là : 200 25  5(m3) 1000 Từ đây ta tính được thể tich bính chứa nhỏ nhất là : 1.5V  5  V  5  3,33(m3) 1.5 Bài Q.8 Một xy lanh khí nén có đường kính D = 80 mm, đường kính cần là d = 28 mm, chiều dài xy lanh là 400 mm Nếu xy lanh thực hiện 3 hành trình/phút, được cung cấp áp suất khí 6,5 bar Xác định lượng khí tiêu thụ Nếu áp suất cấp lúc về giảm còn 2,5 bar, xác định lượng khí tiết kiệm được trong 1 phút Trả lời Diện tích hình tròn : S   D2    0.82  0.5(dm2) 4 4 Diện tích hình xuyến : S1   (D2  d 2 )  (0.82  0.282 ) 2   0.441(dm ) 4 4 Tổng thể tích khi đi tiến ra trong 1 phút ( 6,5bar): V1  3SL  3 7.5 0.5 4  45(dm3) f a.d Tổng thể tích khi đi về trong 1 phút (6,5bar): V2  7.5 S1  L3  75 0.441 43  37(dm3) f a.d 5 GVHD: Thầy TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG NHÓM: BKTN Tổng lượng khí tiêu thụ cả đi và về trong 1 phút (6,5 bar) V  V1 V2  45  37  82(dm3) Lượng khí tiết kiệm khi giảm áp suất còn 2,5bar V3  3.5 S1  L3  3.5 0.441 43  18.522(dm3) Bài Q.9 Không khí được nén đoạn nhiệt từ áp suất 1 bar đến áp suất tuyệt đối 8 bar Nếu ban đầu không khí có nhiệt độ 20 C, xác định nhiệt độ sau khi nén, lấy chỉ số đoạn nhiệt là 1.4 Trả lời Do là quá trình đoạn nhiệt nên k 1 1.41 T2  P1  k T2  8  1.4 o o        T2  530.75 K  257.75 C T1  P2  273  20  1  Bài Q.10 Một máy nén được yêu cầu cung cấp 12 m3/phút f.a.d tại áp suất 8 bar Xác định công suất tiêu thụ của máy nén một tầng Nếu một máy nén hai tầng được sử dụng, xác định công suất tiết kiệm lớn nhất, nếu giả sử nhiệt độ khí vào cho cả 2 loại máy nén là 20oC và phương trình nén P.V1,3 = C trong mọi trường hợp Trả lời Lưu lượng khí ở ngõ ra máy nén: 1.3 1.3 (P1V1)  (P2V2 ) 1  P 1.3 V2  V1  1   P2  1  1 1,3 3 V2  12.   2, 214m / ph 9 Công suất  1.3 (9 2.214 112105 1  57243(W) 0.3 60 Máy nén 2 cấp: áp suất tại bộ làm mát trung gian: Pi  P1P2  9  3bar 1  1 1.3 3 Lưu lượng ngõ ra cấp I: Vi  12   5.154m / ph 3 1  1 1.3 3 Lưu lượng ngõ ra cấp II: V2  5.154   2.214m / ph 3 6 GVHD: Thầy TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG NHÓM: BKTN Công suất tiêu thụ ở cấp II  1.3 (9 2.214  35.154)105 1 19344(W ) 0.3 60 Công suất tiêu thụ ở cấp I  1.3 (35.154 112)105 1  15002(W ) 0.3 60 Tổng công suất tiêu thụ máy nén 2 cấp 19344 15002  34346(W) Công suất tiết kiệm được  57243 34346  22897(W ) Bài Q.11 Đường khí vào của máy nén có nhiệt độ là 20oC với độ ẩm là 70% Máy nén, cái mà có lưu lượng cung cấp là 80 dm3/s f.a.d với áp suất dư đo được là 7 bar, hệ thống làm mát làm giảm nhiệt độ xuống còn 30oC Hãy ước tính lượng nước mà được chiết suất từ máy nén khí mỗi giờ? Trả lời 80dm3/s=288 m3/h Ở 20oC và 0bar (dư), 100m3 không khí bão hòa nặng chứa 1.73kg hơi nước, khi độ ẩm 70% thì khối lượng hơi nước là 1.211kg trên 100m3.Không khí ra khỏi máy nén là hơi bão hòa Hơi nước ở 30oC và 7bar là : 6bar 7bar 8bar 20 0,247 0,2195 0,192 30 0,3435 40 0,728 0,6475 0,567 Lượng hơi nước nhận vào trong 1 giờ: 2.88x1.211 3.488 kg Lượng hơi nước cung cấp ra trong 1 giờ: 2.88x0.3435 0.9893 kg Lượng nước thu được do ngưng tụ trong 1 giờ : 3.448 0.9893 2.4587 kg Bài Q.12 Một xylanh khí nén tác động đơn với hành trình là 50 mm được yêu cầu để kẹp một chi tiết với một lực là 18 kN Hãy xác định tiêu chuẩn xylanh nhỏ nhất để sinh ra lực đó khi được cung cấp với áp suất khí lớn nhất là 7 bar.Cần những yêu cầu gì với áp suất không khí được cung cấp để tạo lực chính xác 18 kN và lượng khí được sử dụng mỗi hành trình của pittông là bao nhiêu? Trả lời Diện tích của mặt tròn pittông: A  F  5 18000  0.0257m2 P 7x10 7 GVHD: Thầy TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG NHÓM: BKTN Đường kính pittông : D  4A  4x0.0257  0.18089m  181mm   Theo tiêu chuẩn ta chọn Xylanh có Đường kính pittông: D=200mm Tính toán lại các thông số của xylanh: Diện tích mặt tròn pittông: A   D2   22  3.14(dm2) 44 Áp suất không khí cần cung cấp: P  F  18000  573248.4(Pa)  5.73bar A 0.0314 Thể tích lúc đi: V  L.A  0,5.3,14 1,57dm3 Tỉ số nén: 5.73 1  6.73 1 Thể tích khí cho 1 chu trình: V '  V 6.73 1.576.73 10.57(dm3) f a.d Bài Q.13 Một xy lanh khí nén tác động kép với hành trình piston là 500 mm để tạo ra một lực đẩy là 1 kN khi tiến ra và 0.3 kN khi lùi về Hãy tính kích thước nhỏ nhất cho xylanh khí nén nếu áp suất khí cung cấp là 6 bar.Giả sử rằng lực đẩy động là 0,6 x lực đẩy tĩnh Hãy vẽ mạch để biểu diễn cho xylanh được điều khiển và lực hiệu chỉnh Nếu xylanh có chu kỳ thời gian là 10s hãy ước tính lưu lượng khí nén khi xylanh đẩy như đã nêu Trả lời Lực đẩy tĩnh lúc đi ra: FS1  FD1  1000  1666.67(N) 0.6 0.6 Diện tích pittông mặt cắt tròn: A1  FS1  5 1666.67  2.78x103(m2) P 6x10 Đường kính pittông : D  4A1  4 2.78103  0.0595m  59.5mm   Theo tiêu chuẩn bảng 4.2 trang 115 ta chọn D=63mm, đường kính cần d=20mm 24 14 12 8 3 15 1,78bar 5,35bar GVHD: Thầy TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG NHÓM: BKTN  D2  0.63 2 2 Diện tích mặt cắt tròn: A1    0.312(dm ) 4 4 Diện tích mặt cắt hình xuyến : A2   (D2  d 2 )  (0.632  0.22 ) 2   0.28(dm ) 4 4 Tổng thể tích cung cấp trong 1 chu trình: V  L(A1  A2)  5(0.312  0.28)  2.96(dm3) V  P  P0  2.96  6 1 3 Lưu lượng cung cấp cho xylanh: Q        1.48(dm / s) t  P0  10  1  Bài Q.14 Một xylanh khí nén được dùng đẻ nâng tải có khối lượng là 0,7 tấn lên thẳng đứng với chiều cao là 4,0 m Xylanh được định vi mặt đầu và cuối đầu ti pittông được lắp khớp để có thể quay và tải được dẫn hướng (hình 4.23) Áp suất khí nén cung cấp lớn nhất cho xylanh là 6,5 bar Sử dụng công thức: K = π2EJ/L2 Trong đó: K là tải trọng ổn định (kg) của cần pittông có đường kính là d (cm), E là môđun đàn hồi có giá trị là 2,1.106 kg/cm2 Hệ số an toàn của cần pittông là S = 4 khi đó tải để cần pittông là việc an toàn là F = K/S Chọn đường kính pittông theo tiêu chuẩn với giả thuyết là tải động bằng 0,6 lần tải tĩnh Trả lời  2EJ d4 Ta có: K  2 và K  FS , J  L 64  d FSL42 2  64 700 4 4002  64   2 d  4 FSL 4 6  4.58cm  45.8mm 64  E E 3 3 2.110 Tải trọng động = 0,6 × Tải trọng tĩnh = 0.6 × Áp suất x tiết diện xylanh  A  5 700x9.81  0.0176(m2 ) 0.6x6.5x10 Đường kính xylanh: D  4A  0,1497m  149,7mm  Theo tiêu chuẩn, ta chọn xylanh có: 9 GVHD: Thầy TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG NHÓM: BKTN Đường kính xylanh D=160mm Đường kính cần xylanh d=40mm Bài Q.15 Bàn nâng xe được vận hành bằng pittông thủy-khí Tổng khối lượng tải mà pittông nâng là 1,2 tấn và chiều dài quảng đường nâng là 2 m Bàn nâng có khả năng khóa ở bất kì vị trí nào Thiết kế hệ thống thích hợp sử dụng xylanh tiêu chuẩn để nâng tải Ảnh hưởng của áp suất thủy lực ở xylanh bằng 0,4 lần áp suất khí ở mặt phân cách của khí và dầu Vẽ chu trình vận hành bằng tay thích hợp và tính toán đường kính xylanh khí nén tiêu chuẩn Biết áp suất khí cung cấp tối đa là 7 bar Nếu máy nén cung cấp 25 l/s f.a.d để vận hành hệ thống tính toán khoảng thời gian nâng tải lên (hết cả hành trình) dưới điều kiện tải trọng tối đa Trả lời Diện tích xylanh: A  5 12009.81  0.042043m2  420.43cm2 7 0.410 Đường kính xylanh: D  4A  4 420.43  23.136cm  231.36mm   Theo bảng tiêu chuẩn, ta chọn Xylanh đường kính 250mm và đường kính cần 50mm Diện tích xylanh lúc này: A   D2  0.04909m2 4 Áp suất khí vận hành trong mạch lúc này: P  F  1200x9.81  599511.1Pa  6bar A.0, 4 0.04909x0.4 10