giáo trình khí nén

Tại nơi đó khí nén được nung nóng lên tới nhiệt độ từ 500C đến 1500C để tăng công suất truyền động động cơ, các thiết bị búa hơi… Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng điện, vai trò s

PHẦN I: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN- KHÍ NÉN 6

BÀI 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỆN- KHÍ NÉN 6

1 Lịch sử phát triển và những đặc trưng của hệ thống điều khiển khí nén 6

1.1 Vài nét về sự phát triển 6

1.2 Những đặc trưng của khí nén 7

1.3 Ưu, nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén 8

1.3.1 Ưu điểm: 8

1.3.2 Nhược điểm: 8

2 Đơn vị đo trong hệ thống điều khiển 8

2.1 Áp suất 8

2.2 Lực 9

2.3 Công 9

2.4 Công suất 9

2.5 Độ nhớt động 9

3 Một số định luật cơ bản sử dụng trong hệ thống khí nén 10

3.1 Thành phần hóa học của khí nén 10

3.2 Phương trình trạng thái nhiệt động học 10

4 Khả năng ứng dụng của khí nén 12

4.1 Trong lĩnh vực điều khiển 12

4.2 Hệ thống truyền động 13

BÀI 2: MÁY NÉN KHÍ VÀ THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÍ NÉN 15

1 Máy nén khí và hệ thống khí nén 15

1.1 Khái quát chung 15

1.2 Máy nén khí 16

1.2.1 Nguyên lý hoạt động và phân loại máy nén khí 16

1.2.2 Máy nén khí kiểu pittông 17

1.2.3 Máy nén khí kiểu cánh gạt 21

1.2.4 Máy nén khí kiểu trục vít 23

1.2.5 Máy nén khí kiểu Root 25

1.2.6 Máy nén khí kiểu ly tâm 26

1.3 Hệ thống khí nén 33

2 Thiết bị xử lý khí nén 34

2.1 Yêu cầu về khí nén 34

2.2 Các phương pháp xử lý khí nén 35

2.3 Bộ lọc 39

BÀI 3: HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHÂN PHỐI KHÍ NÉN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH 43

1 Hệ thống thiết bị phân phối khí nén 43

1.1 Yêu cầu 43

1.2 Bình trích chứa khí nén 44

1.3 Mạng đường ống dẫn khí nén 44

* Hệ thống đường ống dẫn khí trong một số nhà máy 46

2 Cơ cấu chấp hành 47

2.1 Khái niệm 47

2.2 Xy lanh 47

2.2.1 Xy lanh tác động đơn ( xylanh tác động môt chiều) 47

2.2.2 Xy lanh tác động 2 chiều (xy lanh tác động kép) 48

2.3 Động cơ khí nén 49

2.3.1 Khái niệm chung 49

2.3.2 Động cơ bánh răng 49

2.3.3 Động cơ trục vít 50

2.3.4 Động cơ cánh gạt 50

2.3.5 Động cơ Tuốcbin 52

BÀI 4: CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN 53

1 Khái niệm 53

2 Các phần tử khí nén 54

2.1 Van đảo chiều 54

2.1.1 Nguyên lí hoạt động 54

2.1.2 Ký hiệu van đảo chiều 54

2.1.3 Tín hiệu tác động 56

2.1.4 Van đảo chiều có vị trí “ không” 58

2.1.5 Van đảo chiều không có vị trí “ không” 64

.66

2.2 Van chặn 67

2.2.1 Van một chiều 67

2.2.2 Van logic OR 67

2.2.3 Van lôgic AND 68

2.2.4 Van xả khí nhanh 68

2.3 Van tiết lưu 69

2.3.1 Van tiết lưu có tiết diện không thay đổi được 69

2.3.2 Van tiết lưu có tiết diện điều chỉnh được 69

2.3.3 Van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng tay 69

* Hình ảnh van tiết lưu kèm van một chiều 70

2.4 Van áp suất 71

2.4.1 Van an toàn 71

2.4.2 Van tràn 71

2.4.3 Van điều chỉnh áp suất 71

2.4.4.Rơ le áp suất 73

2.5.Van điều chỉnh thời gian 74

2.5.1 Van điều chỉnh thời gian đóng chậm 74

2.5.2 Rơ le thời gian ngắt chậm 74

2.6 Cảm biến bằng tia 75

2.6.1 Cảm biến bằng tia rẽ nhánh 75

2.6.2 Cảm biến bằng tia phản hồi 76

2.6.3 Cảm biến bằng tia qua khe hở 77

3 Các phần tử điện, điện- khí nén 77

3.1 Các phần tử điện 77

3.1.1 Công tắc 77

3.1.2 Nút ấn 78

3.1.3 Rơle 79

3.1.4.Cảm biến 82

3.2 Van đảo chiều điều khiển bằng nam châm điện 86

BÀI 5: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN BẰNG KHÍ NÉN 87

1 Khái niệm cơ bản 87

2 Phần tử mạch lôgic 89

2.1 Phần tử lôgic NOT (Phủ định) 89

2.2 Phần tử lôgic AND ( và ) 89

2.3 Phần tử NAND (và- không) 89

2.4 Phần tử OR (hoặc) 90

2.5 Phần tử NOR (hoặc - không) 90

3 Biểu diễn phần tử lôgic của khí nén 91

3.1 Phần tử NOT (phủ định) 91

3.2 Phần tử AND (và) 91

3.3 Phần tử NAND 92

3.4 Phần tử OR 92

3.5 Phần tử NOR 93

BÀI 6: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN, THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 94

1 Biểu diễn chức năng của quá trình điều khiển 94

1.1 Biểu đồ trạng thái 94

1.2 Sơ đồ chức năng 97

1.3 Lưu đồ tiến trình 101

2 Các phương pháp điều khiển 103

2.1 Điều khiển bằng tay 103

2.2 Điều khiển tùy động theo thời gian 106

2.3 Điều khiển tùy động theo hành trình 109

2.4 Điều khiển theo tầng 116

2.5 Điều khiển theo nhịp 134

3 Thiết kế điều khiển điện- khí nén 140

3.1 Nguyên tắc thiết kế: 140

3.2 Các phương pháp điều khiển 141

3.2.1 Mạch điều khiển theo nhịp 141

3.2.1 Điều khiển theo tầng: 143

PHẦN II: CÁC BÀI TẬP ỨNG DỤNG 150

PHẦN III: CÀI ĐẶT PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN – KHÍ NÉN 175

1 Giới thiệu chung: 175

2 Cài đặt phần mềm festo fluidsim 3.6 175

PHẦN I: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN- KHÍ NÉN

BÀI 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỆN- KHÍ NÉN

1 Lịch sử phát triển và những đặc trưng của hệ thống điều khiển khí nén.

1.1 Vài nét về sự phát triển.

Ứng dụng của khí nén đã có từ thời kỳ trước công nguyên, tuy nhiên sự phát triển khoa học kỹ thuật thời đó không đồng bộ, nhất là sự kết hợp các kiến thức về cơ

học, vật lý, vật liệu … còn thiếu Cho nên phạm vi ứng dụng của khí nén còn rất hạn chế.

Mãi đến thế kỷ 17, nhà kỹ sư chế tạo người Đức Guerike, nhà toán học và nhà triết học người Pháp Pascal, cùng nhà vật lý người Pháp Papin đã xây dựng nên nền tảng cơ bản ứng dụng của khí nén

Trong thế kỷ 19, các máy móc thiết bị sử dụng năng lượng khí nén lần lượt ra được phát minh: thư vận chuyển trong ống bằng khí nén (1835), Phanh bằng khí nén(1880), búa tán đinh bằng khí nén (1861) Trong lĩnh vực xây dựng đường hầm xuyên dãy núi Alpes ở Thụy sĩ (1857) lần đầu tiên người ta sử dụng khí nén với công suất lớn Vào những năm 70 của thế kỷ thứ 19 xuất hiện ở Pari một trung tâm sử dụng năng lượng khí nén với công suất lớn 7350KW Khí nén được vận chuyển tới nơi tiêu thụ trong đường ống với đường kính 500mm và chiều dài km Tại nơi đó khí nén được nung nóng lên tới nhiệt độ từ 500C đến 1500C để tăng công suất truyền động động cơ, các thiết bị búa hơi…

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 năng lương điện sẽ nguy hiểm, sử dụng năng lượng bằng khí nén ở những dụng cụ nhỏ, nhưng truyền động với vận tốc lớn, sử dụng năng lượng khí nén ở những thiết bị như búa hơi, dụng cụ dập, tán đinh… Và nhiều dụng cụ khác như đò gá kẹp chi tiết

Sau chiến tranh thế giới thứ 2, việc ứng dụng năng lượng khí nén trong kỹ thuật điều khiển phát triển mạnh mẽ Với những dụng cụ , thiết bị, phần tử khí nén mới được sáng chế và được ứng dụng trong những lĩnh vực khác nhau, sự kết hợp của nguồn năng lượng khí nén với điện – điện tử là nhân tố quyết định cho sự phát triển của kỹ thuật điều khiển trong tương lai Hãng FESTO (Đức) có những chương trình pahts triển hệ thống điều khiển bằng khí nén rất đa dạng, không những phục vụ cho công nghiệp mà còn phục vụ cho sự phát triển các phương tiện dạy học (Didactic)

1.2 Những đặc trưng của khí nén

Về số lượng:có sẵn ở khắp mọi nơi nên có thể sử dụng với số lượng vô hạn

Về vận chuyển:khí nén có thể vận chuyển dễ dàng trong các đường ống, với một khoảng cách nhất định Các đường ống dẫn về không cần thiết vì khí nén sau khi

sử dụng sẽ được cho thoát ra ngoài môi trường sau khi đã thực hiện xong công tác

Về lưu trữ:máy nén khí không nhất thiết phải sử dụng liên tục.Khí nén có thể được lưu trữ trong các bình chứa để cung cấp khi cần thiết

Về nhiệt độ :khí nén ít thay đổi theo nhiệt độ

Về phòng chống cháy nổ:không một nguy cơ nào gây cháy bởi khí nén,nên không mất chi phí cho việc phòng cháy.Không khí nén thường hoạt động với áp suất khoảng 6 bar nên việc phòng nổ không quá phức tạp.

Về tính vệ sinh:khí nén được sử dụng trong các thiết bị đều được lọc các bụi bẩn, tạp chất hay nước nên thường sạch , không một nguy cơ nào về phần vệ sinh.Tính chất này rất quan trọng trong các ngành công nghiệp đặc biệt như: thực phẩm ,vải sợi, lâm sản và thuộc da

Về cấu tạo thiết bị :đơn giản nên rẻ hơn các thiết bị tự động khác

Về vận tốc: khí nén là một dòng chảy có lưu tốc lớn cho phép đạt được tốc độ cao (vận tốc làm việc trong các xy-lanh thường 1-2 m/s)

Về tính điều chỉnh: vận tốc và áp lực của những thiết bị công tác bằng khí nén được điều chỉnh một cách vô cấp

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

1.3.1 Ưu điểm:

- Do khả năng chịu nén( đàn hồi ) lớn của không khí, nên có thể trích chứa khí nén một cách thuận lợi

- Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa, vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ

và tổn thất áp suất trên đường dẫn ít

- Đường dẫn khí nén (thải ra) không cần thiết

- Chi phí để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén thấp, vì hầu như trong các nhà máy, xí nghiệp hệ thống đường dẫn khí nén đã có sẵn

- Hệ thống bảo vệ quá áp suất được đảm bảo

1.3.2 Nhược điểm:

- Lực truyền tải trọng thấp

- Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi thì vận tốc truyền cũng thay đổi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn, cho nên không thể thực hiện những chuyển đổng thẳng hoặc quay đều

- Dòng khí nén thoát ra ở đường dẫn ra gây tiếng ồn

2 Đơn vị đo trong hệ thống điều khiển

2.1 Áp suất

Đơn vị cơ bản của áp suất theo hệ đo lường SI là Pascal (Pa)

Pascal là áp suất phân bố đều trên bề mặt có diện tích 1m2 với lực tác động vuông góc lên bề mặt đó là 1Newton (N)

1Pa = 1N/m21Pa = 1 kgm/s2/m2 = 1 kg/m2Trong thực tế người ta dùng đơn vị bội số của Pascal là Megapascal (MPa)

1Mpa = 1000000 PaNgoài ra còn sử dụng đơn vị bar:

1 bar = 105 Pa

Và đơn vị Kp/cm2 (theo tiêu chuẩn cộng hòa liên bang Đức)

1 Kp/ cm2 = 0.980665 bar = 0.981 bar

1 bar = 1.02 kp/ cm2Trong thực tế có thể coi: 1bar = 1kp/cm2 = 1at

Ngoài ra một số nước Anh, Mỹ còn sử dụng đơn vị đo áp suất (psi) :

1bar = 15.4 psi

2.2 Lực

Đơn vị của lực là Newton (N)

1 N là lực tác động lên đối tượng có khối lượng 1kg với gia tốc 1m/s2

2.3 Công

Đơn vị của công là Joule (J)

1J là công sinh ra dưới tác dộng của lực 1N để vật có thể dịch chuyển quãng đường là 1m

1J = 1N.m

2.4 Công suất

Đơn vị của công suất là Watt (W)

1W là công suất trong thời gian 1giây sinh ra năng lượng 1J

1W = 1Nm/s

2.5 Độ nhớt động

Độ nhớt động không có vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển khí nén Đơn vị của độ nhớt động là m2/s 1m2/s là độ nhớt động của một chất có độ nhớt động lực 1Pa.s và khối lượng riêng 1kg/m2

hệ thống.( Trình bày chi tiết ở bài tiếp theo).

3.2 Phương trình trạng thái nhiệt động học

Giả thiết là khí nén trong hệ thống gần như là lý tưởng Phương trình trạng thái nhiệt tổng quát của khí nén:

Khi nhiệt độ không thay đổi (T = hằng số), theo phương trình nhiệt tổng quát (1-1) ta có:

Nếu gọi:

V1(m3) thể tích khí nén tại thời điểm áp suất p1

V2(m3) thể tích khí nén tại thời điểm áp suất p2

p1abs (bar) áp suất tuyệt đối khí nén có thể tích V1

p2abs (bar) áp suất tuyệt đối khí nén có thể tích V2

Theo phương trình 1-2 ta có:

Hình 2: biểu diễn sự phụ thuộc áp suất và thể tích khi nhiệt độ thay đổi là đường cong parabol

b) Định luật 1 Gay – Lussac

Khi áp suất không thay đổi (p = hằng số),

theo phương trình 1-1 ta có:

Trong đó:

T1 : nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V1 (K)

T2 : nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V2 (K)

8 4

1 2Hình 2: Sự phụ thuộc áp suất và thể tích khi nhiệt độ không đổi

Hình 3 biểu diễn sự thay đổi thể tích khi áp suất là hằng số Năng lương nén và năng lượng giãn nở không khí được tính theo phương trình:

W = p(V2 – V1)

c) Định luật 2 Gay – Lussac

Khi thể tích V thay đổi, theo phương trình

(1-1) ta có:

Hình 4: biểu diễn sự thay đổi áp suất khi

thể tích là hằng số Vì thể tích V không thay đổi

nên năng lượng nén và năng lượng giãn nở bằng

4.1 Trong lĩnh vực điều khiển.

Sau chiến tranh thế giới thứ 2, nhất là vào nhưng năm 50 và 60 của thế kỷ 20, là thời gian phát triển mạnh mẽ của giai đoạn tự động hóa quá trình sản xuất; kỹ thuật điều khiển bằng khí nén phát triển mạnh mẽ và đa dạng trong nhiều lĩnh vực Chỉ riêng

ở Đức đã có hơn 60 hãng chuyên sản xuất các phần tử điều khiển bàng khí nén như hãng Festo, hãng Herion, hãng Bosch

Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng ở những lĩnh vực mà ở đó nguy hiểm, hay xảy ra cháy nổ, như các thiết bị phun sơn; các loại đồ gá kẹp chi tiết nhựa, chất dẻo; hoặc là được sử dụng cho lĩnh vực sản xuất các thiết bị điện tử, vì điều kiện vệ sinh môi trường tốt và an toàn cao Ngoài ra hệ thống điều khiển bằng khí nén 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 công nghiệp hóa chất

4.2 Hệ thống truyền động

- Các dụng cụ, thiết bị máy va đập: Các thiết bị, máy móc trong lĩnh vực khai thác, như khai thác đá, khai thác than; trong các công trình xây dựng, như xây dựng hầm mỏ, đường hầm…

- Truyền động quay: Những dụng cụ vặn vít từ M4 đến M300; máy khoan, công suất khoảng 3.5KW; máy mài công suất khoảng 2.5KW, cũng như những máy mài với công suất nhỏ, nhưng với số vòng quay cao 100.000 vòng/ phút thì khả năng sử dụng động cơ truyền động bằng khí nén là phù hợp

- Truyền động thẳng: Vận dụng truyền động bằng 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 oto

- Trong các hệ thống đo và kiểm tra: Dùng trong các thiết bị đo và kiểm tra chất lượng sản phẩm

* Một số ứng dụng của khí nén:

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 14

Hình e: Điều khiển rôbốtHình c: Hệ thống lắp ráp ôtô Hình d: Hệ thống điều khiển tự động

Hình f: Dụng cụ cầm tay: khoan tay, dụng cụ vặn vít

BÀI 2: MÁY NÉN KHÍ VÀ THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÍ NÉN

1 Máy nén khí và hệ thống khí nén

1.1 Khái quát chung

Các nhà máy công nghiệp sử dụng khí nén trong rất nhiều hoạt động sản xuất Khí nén được tạo ra từ các máy nén khí có công suất trong khoảng từ 5 mã lực(hp) đến 50.000 mã lực Theo báo cáo của cơ quan năng lượng mỹ, năm 2003 cho thấy khoảng 70% - 90% khí nén bị tổn thất dưới dạng nhiệt, ma sát, tiếng ồn và do sử dụng không đúng Vì vậy máy nén khí và hệ thống khí nén là những khu vực quan trọng để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong các nhà máy công nghiệp

Cần lưu ý rằng chi phí để vận hành một hệ thống khí nén đắt hơn nhiều so với chi phí mua máy nén khí (hình 6).Tiết kiệm năng lượng nhờ cải thiện hệ thống chiếm khoảng

từ 20% đến 50% tiêu thụ điện, có thể mang lại hàng trăm nghìn USD Quản lý hệ thống khí nén hợp lý có thể giúp tiết kiệm năng lượng, giảm khối lượng bảo dưỡng, rút ngắn thời gian dừng vận hành, tăng sản lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm

Hình 2.1: Biểu đồ xương cá của hệ thống khí nén

1.2 Máy nén khí

Áp suất khí được tạo ra từ máy nén khí, ở đó ăng lượng cơ học của động cưo điện hoặc của động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệt năng

1.2.1 Nguyên lý hoạt động và phân loại máy nén khí

a) Nguyên lý hoạt động

- Nguyên lý thay đổi thể tích: không khí được đủa vào buồng chứa, ở đố thể tích của bường chứa sẽ nhỏ lại Theo định luật Boyle – Mariotte áp suất trong buồng chứa sẽ tăng lên.Máy nén khí hoạt động theo nguyên lý thể tích bao gồm: máy nén khí kiểu pittong, bánh răng, cánh gạt v.v

- Nguyên lý động năng ( máy nén dòng): không khí được đưa vào bường chứa,

ở đó áp suất khí nén được tạo ra bằng động năng của bánh dẫn Nguyên tắc hoạt động này tạo ra lưu lượng và công suất lớn Máy nén khí hoạt động theo nguyên lí này bao gồm: máy nén khí kiểu ly tâm, máy nén khí dòng hỗn hợp.v.v

b) Phân loại:

- Theo áp suất:

+ Máy nén khí áp suất thấp p < 15bar+ Máy nén khí áp suất thấp p ≥ 15bar+ Máy nén khí áp suất thấp p ≥300bar

- Theo nguyên lý hoạt động:

+ Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: máy nén khi kiểu pittong, máy nén khí kiểu cánh gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít

+ Máy nén khí theo nguyên lý động năng: máy nén khí ly tâm, máy nén theo trục

- Ta có thể phân loại máy nén khí theo hình 7:

1.2.2 Máy nén khí kiểu pittông

Trong doanh nghiệp, các máy nén pittông được sử dụng rộng rãi cho cả nén khí

và làm lạnh Các máy nén khí này hoạt động trên nguyên lý của bơm xe đạp và được đặc trung bởi sự ổn định của lưu lượng khi áp suất đẩy thay đổi năng suất của máy tỷ

lệ thuận với tốc độ Tuy nhiên công suất của máy nén lại thay đổi

- Máy nén khí pittông là loại máy nén khí tác động đơn nếu quá trình nén chỉ sử dụng một phía của pittông Nếu máy nén sử dụng cả 2 phía của pittong là máy nén tác động kép

- Máy nén một cấp là máy nén có quá trình thực hiện bằng một xylanh đơn hoặc một số xylanh song song (hình 8)

MÁY NÉN

Tác động đơn

Tác động kép

Trục vít hình trôn ốc

Dòng chất

lỏng

Chuyển động cuộn

Cánh quạt Vành

- Rất nhiều ứng dụng yêu cầu vượt quá khả năng thực tế của một cấp nén đơn

lẻ Tỷ số nén quá cao(áp suất đẩy tuyệt đối/ áp suất hút tuyệt đối ) có thể làm nhiệt độ cửa đẩy cao quá mức hoặc gây ra các vấn đề thiết kế khác Điều này dẫn đến nhu cầu

sử dụng máy nén hai hay nhiều cấp cho yêu cầu áp suất cao với nhiệt độ khí cấp (cửa đẩy) thấp hơn (1400C – 1600C) so với máy nén một cấp (2050C – 2400C)

Trong sử dụng thực tế, các nhà máy, xí nghiệp đều dùng máy nén pittong trên 100 mã lực nhiều cấp, trong đó hai hoặc nhiều bước nén được ghép nối tiếp nhau Không khí thường được làm mát giữa các cấp đẻ giảm nhiệt đọ và thể tích khi đưa vào cấp tiếp theo

Máy nén khí pittông có sẵn ở cả dạng làm mát không khí và làm mát nước, có bôi trơn hoặc không bôi trơn, có thể bán dưới dạng tổng thành trọn gói với dải áp suất

và công suất rộng

Hình 2.4: Mặt cắt của máy nén pittong

+ Ở điểm chết dưới của pittông, van nạp đóng, buồng khí đóng kín

+ Pittông đi lên, áp suất tăng, van xả mở, đây gọi là pha nén

+ Ở điểm chết trên của pittông, van xả đóng lại, van nạp mở ra chuẩn bị cho một chu trình mới.

- Máy nén khí kiểu pittông một ấp có thể hút lưu lượng đến 10m3/phút bà

áp suất nén được 6bar, một số trường hợp áp suất nén đến 10bar.

c) Ưu, nhược điểm của máy nén khí kiểu pittông:

- Ưu điểm: Cứng, vững, hiếu suất cao, kết cấu vận hành đơn giản

- Nhược điểm: Tạo ra khí nén theo xung, thường có dầu, ồn

* Một số máy nén khí kiểu pittôngđược sử dụng trong thực tế:

Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu

pittong một cấp

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 20

Hình a: Máy nén pittông côngHình b: Máy nén pittông áp suất thấpnghiệp

Hình c: Máy nén pittông bơm dầuHình c: Máy nén khí xylanh đơn

1.2.3 Máy nén khí kiểu cánh gạt.

a) Cấu tạo máy nén khí kiểu cánh gạt

Máy nén khí kiểu cánh gạt bao gồm: Thân máy, mặt bích thân máy, mặt biwchs trục, rôto lắp trên trục Trục và rôto lắp lệch têm so với bánh dẫn truyền động Khi rôto quay tròn, dưới tác dụng của lực ly tâm các bánh gạt chuyển động tự do trong các rãnh

ở trên rôto và các đầu cánh gạt tựa vào bánh dẫn chuyển động Thể tích giới hạn giữa các bánh 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 bôi trơn và quay tròn trên thân máy để giảm bớt sự hao mòn khi các cánh tựa vào nhau

Hình 2.6: Mặt cắt của máy nén khí kiểu cánh gạt

b) Nguyên lý làm việc của máy nén khí kiểu cánh gạt

- Không khí được hút vào buồng hút Nhờ rôto và stato đặt lệch nhau một khoảng lệch tâm, nên khi rô to quay sang phải thì không khí sẽ được đua vào buồng nén Sau đó khí nén sẽ được đưa vào buồng đẩy

c) Ưu, nhược điểm của máy nén khí kiểu cánh gạt

- Ưu điểm: Kết cấu gọn, máy chạy êm, khí nén không bị xung

- Nhược điểm: Hiệu suất thấp, khí nén bị nhiễm dầu

* Một số máy nén khí kiểu cánh gạt được sử dụng trong thực tế:

Hình a : Máy nén khí kiểu cánh gạt Hình 2.7 : Nguyên lý làm việc của máy nén khí kiểu cánh

gạt

1.2.4 Máy nén

khí kiểu trục vít.

a) Cấu tạo máy nén kiểu trục vít

Máy nén khí trục vít có khoảng năm 1950 và đã chiếm một thị trường lớn trong lĩnh vực nén khí, loại máy nén khí này có vỏ đặc biệt bao bọc quanh hai trục vít, một lồi, môt lõm

Máy nén khí kiểu trục vít hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích Máy nén khí trục vít gồm hai trục: Trục chính và trục phụ Các răng của hai trục vít ăn khớp với nhau và số răng trục vít lồi ít hơn số răng trục vít lõm từ 1 đến 2 răng, hai trục vít phải quay đồng bộ với nhau

Hình b : Máy nén khí kiểu cánh gạt

Hình 2.8 : Máy nén khí kiểu trục vít

Khi các trục vít quay nhanh, không khí được hút vào bên trong vỏ thông qua cử nạp và đi vào buồng khí ở giữa các trục vít và ở đó không khí được nén giữa các răng khi buồng khí nhỏ lại, sau đó khí nén đi tới cửa thoát cả cửa nạp và cửa thoát sẽ được đóng hoặc mở tự động khi các trục vít quay hoặc không che các cửa Ở cửa thoát của máy nén khí có lắp một van một chiều để ngăn các trục vít tự quay khi quá trình nén

đã dừng

c) Ưu, nhược điểm của máy nén khí kiểu trục vít

- Ưu điểm: Khí nén không bị xung, sạch, tuổi thọ vít cao ( 15.000 đến 40.000 giờ), nhỏ gọn, chạy êm

- Nhược điểm: Giá thành cao, tỷ số nén bị hạn chế

Hình 2.9 : Nguyên lý làm việc của máy nén khí kiểu trục vít

Hình 2.10 : Sơ đồ hệ thống máy nén khí kiểu trục vít có hệ thống dầu bôi trơn

* Một số máy nén khí kiểu trục vít được sử dụng trong thực tế:

1.2.5 Máy nén khí kiểu Root.

Máy nén khí kiểu root gồm có 2 hoặc 3 cánh quạt (Pittông có dạng hình số 8) Các pittong đó được quay đồng bộbằng bộ truyền động ở ngoài thân máy và trong quá

Hình a : Máy nén khí kiểu trục vít lưu độngHình a: Máy nén khí kiểu trục vít

trình quay không tiếp xúc với nhau Như vậy khả năng hút của máy phụ thuộc vào khe

hở giữa 2 pittông, khe hở giữa phần quay và thân máy

Máy nén kiểu root tạo ra áp suất không phải theo nguyên lý thể tích mà có thể gọi là sự nén từ dòng phía sau Điều đó có nghĩa là, khi rôto quay được 1 vòng, thì vẫn chưa tạo áp suất trong buồng đẩy, cho đến khi rô to quay tiếp đến vòng thứ 2 thì dòng lưu lượng đó đẩy vào dòng lưu lượng ban đầu và cuối cùng mới vào buồng đẩy Với nguyên tắc hoạt động này sẽ làm cho tiếng ồn tăng lên

1.2.6 Máy nén khí kiểu ly tâm.

a) Cấu tạo của máy nén khí kiểu ly tâm

Máy nén khí ly tâm sử dụng đĩa xoay hình cánh quạt hoặc bánh đẩy để ép khí vào phầm rìa của bánh đẩy làm tăng tốc độ của khí Bộ phận khuếch tán của máy sẽ chuyển đổi năng lượng của tốc độ thành áp suất Máy nén khí ly tâm thường sử dụng trong ngành công nghiệp nặng và trong môi trường làm việc liên tục Chúng thường được lắp cố định Công suất của chúng có thể từ hàng trăm đến hàng ngàn mã lực Với

hệ thống làm việc gồm nhiều máy nén khí ly tâm, chúng có thể tăng áp lực đầu ra hơn

10000 lbf/in² (69 MPa)

Nhiều hệ thống làm tuyết nhân tạo sử dụng loại máy nén này Chúng có thể sử dụng động cơ đốt trong, bộ nạp hoặc động cơ tua-bin Máy nén khí ly tâm được sử dụng trong một động cơ tua-bin bằng gas nhỏ hoặc giống như là tầng nén khí cuối cùng của động cơ tua-bin gas cỡ trung bình

Hình 2.11 : Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu root

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 28

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 30

Hình 2.12 : Cấu tạo máy nén khí kiểu ly tâm

1.3 Hệ thống khí nén

Hệ thống khí nén bao gồm các phần: bộ lọc khí vào, thiết bị làm mát giữa các

cấp(làm mát trung gian), thiết bị làm mát sau( làm mát sau nén), thiết bị làm khô khí,

bẫy lọc ẩm, bình chứa, hệ thống đường ống, bộ lọc, thiết bị điều tiết và bôi trơn

- Bộ lọc khí vào: ngăn không cho bụi vào máy nén: bụi vào gây tắc ghẽn van, làm mòn xy lanh và các bộ phận khác

- Thiết bị làm mát giữa các cấp: Giảm nhiệt độ khí trước khi vào cấp kế tiếp để giảm tải nén và tăng hiệu suất Khí thường được làm mát bằng nước

- Thiết bị làm mát sau: Để loại bỏ hơi nước trong không khí bằng cách giảm nhiệt độ trong bộ trao đổi nhiệt dùng nước làm mát

- Bộ làm khô khí: Lượng hơi ẩm còn sót lại sau khi qua thiết bị làm mát sau được loại bỏ nhờ bộ làm khô khí, vì khí sử dụng cho các thiết bị khí nén phải gần như khô hoàn toàn Hơi ẩm bị loại bỏ nhờ sửu dụng các chất hấp thụ như sillic oxit, than hoạt tính hoặc giàn làm khô được làm lạnh hay nhiệt độ từ các bộ sấy của máy nén khí

- Bẫy lọc ẩm: các bẫy lọc ẩm được sử dụng để loại bỏ độ ẩm trong khí nén Những bẫy này tương tự như bẫy hơi Các loại bẫy được sử dụng gồm: van xả bằng tay, các van xả tự động hoặc van xả theo thời gian v.v

- Bình tích chứa:Các bình tích dùng để tích chứa khí nén và giảm các xung khi nén- giảm sự thay đổi áp suât từ máy nén

2 Thiết bị xử lý khí nén

2.1 Yêu cầu về khí nén

Khí nén được tạo ra từ những máy nén khí chứa đựng nhiều chất bẩn, độ bẩn

có thể ở những mức độ khác nhau Chất bẩn bao gồm bụi, độ ẩm của không khí được hút vào, những phần tử nhỏ chất cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí Hơn nữa, trong quá trình nén, nhiệt độ của khí tăng lên, có thể gây nen quá trình ôxi hóa một số phần tử ttrên.Như vậy, khí nén bao gồm những chất bẩn đó được tải đi trong những ống dẫn khí, sẽ gây nên sự ăn mòn, gỉ trong ống đãn và các phần tử của hệ thống điều khiển Vì vậy, khí nén được sử dụng trong hệ thống điều khiển phải được

xử lý Tùy thuộc váo phạm vi sử dụng mà xá định yêu cầu chất lượng của khí nén tương ứng cho từng trường hợp cụ thể

Khí nén được tải từ từ máy nén khí gồm những chất bẩn thô: những hạt bụi, chất cặn bã trong dầu bôi trơn và truyền động cơ khí, phần lớn những chất bẩn này được xử lý trong thiết bị gọi là thiết bị làm lạnh tạm thời Sau đó khí nén được dẫn vào bình nhưng tụ hơi nước, ở đó độ ẩm của khí nén ( lượng hơi nước) phần lớn sẽ được ngưng tụ tại đây – giai đoạn náy gọi là giai đoạn xử lý thô Nếu thiết bị xử lý ở giai

Hình 2.13: Hệ thống khí nén

đoạn này tốt thì khí nén có thể được xử dụng cho những dụng cụ dùng khí nén bằng tay, những thiết bị đồ gá chi tiết đơn giản … Tuy nhiên có những yêu cầu trong hệ thống điều khiển và một số thiết bị đặc biệt thì chất lượng của khí nén phải cao hơn

Để đánh giá chất lượng của khí nén Hội đồng các xí nghiệp châu Âu phân ra làm 5 loại, trong đó tiêu chuẩn về độ lớn của chất bẩn, áp suất hóa sương, lượng dầu trong khí nén cách phân loại này nhằm định hướng cho các nhà máy, xí nghiệp chọn đúng chất lượng khí nén tương ứng với thiết bị sử dụng

Hệ thống xử lý khí nén được phân thành 3 giai đoạn:

- Lọc thô: Làm mát tạm thời khí nén từ máy nén khí ra, để tách chất bẩn bụi Sau đó được đưa vào bình ngưng tụ để tách hơi nước Giai đoạn lọc thô là giai đoạn cần thiết nhất cho vấn đề xử lý khí nén

- Phương pháp sấy khô: Giai đoạn này xử lý tùy theo chất lượng của khí nén

- Lọc tinh: Xứ lý khí nén trong giai đoạn này, trước khi đưa vào sử dụng Giai đoạn này rất cần thiết cho hệ thống điều khiển

2.2 Các phương pháp xử lý khí nén

a) Bình ngưng tụ- làm lạnh bằng không khí (bằng nước)

Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí sẽ được dẫn vào bình ngưng tụ Tại đây áp suất khí nén sẽ được làm lạnh và phần lớn lượng hơi nước chứa trong không khó sẽ được ngưng tụ và tác ra

Giai đoạn xử lý khí nén

Làm lạnh Tách nước

Lọc chất bẩnLọc bụi

Ngưng tụ Hấp thụ

Sấy khô bằng chất làm lạnh

Hấp thụ bằng chất làm lạnh

Bộ lọc Cụm bảo

dưỡng

Bộ lọc

Điều chỉnh áp suất

Bộ tra dầuHình 2.14: Các phương pháp xử lý khí nén

Làm lạnh bằng không khí, nhiệt độ khí nén trong bình ngưng tụ sẽ đạt được trong khoảng từ 300C đến 350C Làm lạnh bằng nước (nước làm lạnh có nhiệt độ 100C) thì nhiệt độ trong bình ngưng tụ sẽ đạt được là 200C

b)

Thiết bị sấy khô bằng chất làm lạnh

Nguyên lý của phương pháp sấy khô bằng chất làm lạnh là: khí nén đi qua bộ phận trao đổi nhiệt khí- khí Tại đây, dòng khí nén vào sẽ được làm lạnh sơ bộ bằng dòng khí nén đã được sấy khô và xử lý từ bộ ngưng tụ đi lên

Sau khi được làm lạnh sơ bộ, dòng khí nén vào bộ phận trao đổi nhiệt khí- chất làm lạnh Quá trình làm lạnh sẽ được thực hiện bằng cách cho dòng khí nén chuyển động đảo chiều trong những ống đẫ Nhiệt độ hóa sương ở đây là 20C Như vậy lượng hơi nước trong dòng khí nén vào sẽ được ngưng tụ

Dầu, nước, chất bẩn sau khi được tách ra khỏi dòng khí nén sẽ được đưa ra ngoài qua van thoát nước ngưng tụ tự động(4) Dòng khí nén được làm sạch và còn lạnh sẽ được đưa đén bộ phận trao đổi nhiệt (1) để nâng nhiệt độ lên khoảng từ 60C đến 80C trước khi đưa vào sử dụng

Chu kỳ hoạt động của chất làm lạnh được thực hiện bằng máy nén để phát chất làm lạnh (5) Sua khi chất làm lạnh được nén qua máy nén, nhiệt độ sẽ tăng lên, bình ngưng tụ(6) sẽ có tác dụng làm nguội chất làm lạnh đó bằng quạt gió Van điều chỉnh lưu lượng (8) và rơle nhiệt độ(7) có nhiệm vụ điều chỉnh dòng lưu lượng chất làm lạnh hoạt động trong khi có tải, không tải và hơi quá nhiệt

Hình 2.15: Nguyên lý hoạt động của bình ngưng tụ bằng nước

c) Thiết bị sấy khô bằng chất hấp thụ

Sấy khô bằng chất hấp thụ có thể là quá trình vật lý hay quá trình hóa học

- Quá trình vật lý: Chất sấy khô hay gọi là chất háo nước sẽ hấp thụ lượng hơi nước ở trong không khí ẩm Thiết bị gồm 2 bình Bình thứ nhất chứa chất sấy khô và thực hiện quá trình hút ẩm Bình thứ hai tái tạo lại khả năng hấp thụ của chất sấy khô Chất sấy khô thường được sử dụng: silicagen SiO2, nhiệt độ điểm sương -500C, tái tạo

Quá trình hóa học: Thiết bị gồm 1 bình chứa chất hấp thụ (thường dùng là NaCl) Không khí ẩm được đưa vào cửa (1) đi qua chất hấp thụ (2) Lượng hơi nước trong không khí kết hợp với chất hấp thụ tạo thành giọt nưosc lắng xuống đáy bình Phần nước ngưng tụ được dẫn ra ngoài bằng van (5) Phần không khí khô sẽ theo cửa (4) vào hệ thống.

2.3 Bộ lọc

Trong một số lĩnh vực, ví dụ như: những dụng cụ cầm tay sử dụng truyền động khí nén, những thiết bị, đồ gá đơn giản hoặc hệ thống điều khiển đơn giản dùng khí nén … thì chỉ cần sử dụng một bộ lọc không khí Bộ lọc không khí là một tổ hợp gồm

3 phần tử: van lọc, van điều chỉnh áp suất, van tra dầu

a) Van lọc:

Van lọc có nhiệm vụ tách các thành phần chất bẩn và hơi nước ra khỏi khí nén.Có hai nguyên lý thực hiện:

- Chuyển động xoáy của dòng áp suất khí nén trong van lọc

- Phần tử lọc xốp làm bằng các chất như: vải dây kim loại, giấy thấm ướt, kim loại thêu kết hay là vật liệu tổng hợp

Hình 2.18: Nguyên lý hấp thụ bằng phản ứng hóa học

Khí nén sẽ tạo chuyển động xoáy khi qua lá xoắn kim loại, sau đó phần tử lọc, tùy theo yêu cầu chất lượng của khí nén mà chọn loại phần tử lọc có những loại từ

5µm đến 7µm trong trường hợp yêu cầu chất lượng của khí nén rất cao, vật liệu phần

tử lọc được chọn là sợi thủy tinh có khả năng tách nước đến 99% Những phần tử lọc như vậy thì dòng khí nén sẽ chuyển động từ trong ra ngoài

b) Van điều chỉnh áp suất

Van điều chỉnh áp suất có công dụng giữ cho áp suất không đổi ngay cả khi có

sự thay đổi bất thường của tải trọng làm việc phía đầu ra hoặc sự dao động của áp suất đường vào Nguyên tắc hoạt động của van điều chỉnh áp suất: khi điều chỉnh trục vít, tức là điều chỉnh vị trí của đĩa van, trong trường hợp áp suất của đường ra tăng lên so với áp suất được điều chỉnh, khí nén sẽ qua lỗ thông tác dụng lên màng , vị trí của kim van thay đổi, khí nén qua lỗ xả khí ra ngoài Đến khi áp suất ở đường ra giảm xuống bằng với áp suất được điều chỉnh, kim van trở về vị trí ban đầu

Hình 2.19: Nguyên lý làm việc của van lọc và ký hiệu

Hình 2.20: Phần tử lọc