Bài giảng điện khí nén nghề điện công nghiệp

Bài 1: Giới thiệu tổng quan về điện khí nén và các định luật về điện khí nénBài 2: Máy nén khí, nguyên lý hoạt động và các thiết bị máy nén khíBài 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển khí nénBài 4 : Cơ cấu chấp hành trong hệ thống khí nénBài 5 : thiết kế mạch, mạch điều khiển máy khoanBài 6 : thiết kế mạch, mạch điều chạy tuần tự theo tầngBài 7 : thiết kế mạch, mạch cho máy khoan doa tự động.

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ QUỐC TẾ VABIS HỒNG LAM

Khoa Điện – Điện Lạnh

MÔ – ĐUN : ĐIỆN KHÍ NÉN

MÃ SỐ : MĐ15 NGHỀ : ĐIỆN CÔNG NGHIỆP Trình độ Cao Đẳng và Trung Cấp nghề

Vũng Tàu 2013 ( Giáo trình lưu hành nội bộ)

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ QUỐC TẾ VABIS HỒNG LAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN LẠNH

MÔ-ĐUN: ĐIỆN KHÍ NÉN

MÃ SỐ: MĐ15 NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP Trình độ Cao Đẳng và Trung Cấp nghề

Giáo viên soạn Khoa Điện – Điện lạnh

Vũng tàu – 2013

Giáo trình lưu hành nội bộ

MỤC LỤC TRANG

1.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển tự động khí nén 17

1.4 Các phương pháp điều khiển tự động trong hệ thống khí nén 181.4.1 Điều khiển bằng khí nén 18

1.4.2 Điều khiển bằng điện 18

1.4.3 Điều khiển bằng PLC 19

1.4.4 Điều khiển bằng IC số 19

1.4.5 Điều khiển bằng Vi điều khiển 20

1.4.6 Điều khiển bằng máy tính 20

1.5 Câu hỏi ôn tập bài 1 21

BÀI 2 :MÁY NÉN KHÍ VÀ THIẾT BỊ XỬ LÝ 24

2.1 Máy nén khí 24

2.1.1 Máy nén khí piston 24

2.1.2 Máy nén khí cánh gạt 26

2.1.3 Máy nén khí trục vít 27

2.1.4 Máy nén khí kiểu root 29

2.1.5 Máy nén khí tuabin dạng ly tâm 29

2.2.3.2 Thiết bị sấy khô bằng chất làm lạnh 33

2.2.3.3 Thiết bị sấy khô bằng chất hấp thụ 34

2.2.3.4 Thiết bị sấy khô bằng chất hấp thụ 34

2.2.3.5 Hệ thống sấy khô nhiệt độ thấp 35

2.2.4 Bộ lọc 36

2.2.4.1 Van lọc 38

2.2.4.2 Van điều chỉnh áp suất 40

2.2.4.3 Van tra dầu 41

2.3 Câu hỏi ôn tập bài 2 43

BÀI 3 :CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN 45

3.1 Khái niệm 45

3.2 Van đảo chiều 46

3.2.1 Nguyên lý hoạt động 46

3.2.3 Ký hiệu van đảo chiều và các loại tín hiệu tác động 47

3.2.4 Các loại van đảo chiều 51

3.2.5 Van chắn 56

3.2.6 Van áp suất 58

3.3 Van điều chỉnh thời gian 61

3.4 Câu hỏi ôn tập bài 3 62

BÀI 4 :CƠ CẤU CHẤP HÀNH 64

4.1 Giới thiệu 64

4.1.1 Phân loại xy lanh khí nén 65

4.1.2 Khái quát về xy lanh khí nén 66

5.2.1 Điều khiển xy lanh tác động một chiều 75

5.2.2 Điều khiển xy lanh tác động hai chiều 78

5.2.3 Các bước thực hiện giải một bài toán điều khiển khí nén cơ bản 81

5.2.4 Phương pháp thiết kế mạch điều khiển theo tầng 84

5.3 Câu hỏi ôn tập bài 5 104

BÀI 6:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN KHÍ NÉN 109

6.1 Các phần tử điện khí nén 109

6.1.1 Các phần tử xuất tín hiệu 109

6.1.2 Các phần tử xử lý tín hiệu 117

6.1.3 Các phần tử điều khiển – chuyển đổi tín hiệu 119

6.2 Các phương pháp điều khiển 125

6.2.1 Điều khiển tự động sử dụng công tắc hành trình 125

6.2.2 Điều khiển xy lanh sử dụng rơle thời gian và rơle áp suất 1276.2.3 Phương pháp thiết kế mạch điều khiển theo tầng 129

6.2.4 Phương pháp thiết kế mạch điều khiển theo nhịp 137 6.3 Bài tập áp dụng các phương pháp điều khiển143

6.4 Câu hỏi ôn tập bài 6 153

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 163

MÔ ĐUN ĐIỆN KHÍ NÉN

Mã mô đun: MĐ 15

I VỊ TRÍ, Ý NGHĨA,VAI TRÒ VÀ TÍNH CHẤT CỦA MÔ ĐUN:

- Vị trí: Mô đun được bố trí học sau các môn học, mô đun kỹ thuật cơ sở và các

mô đun chuyên môn nghề đặc biệt như kỹ thuật số, trang bị điện-điện tử

- Ý nghĩa : Mô dun cho tao có cái nhìn thực tế hơn về lĩnh vực điều khiển dùng khí nén trong công nghiệp và dân dụng

- Vai trò : đóng vai trò quan trọng sản xuất công nghiệp đặt biệt những nước có nền công nghiệp phát triển và đang phát triển.

- Tính chất: Là mô đun chuyên môn nghề điện tự động hóa

II MỤC TIÊU MÔ ĐUN:

+ Về kiến thức

- Mô tả được cấu tạo của tất cả các vale khí nén, động cơ khí nén, xy lanh khí nén

- Trình bày được các phương pháp điều khiển khí nén

- Đọc được các bản vẽ khí nén trong công nghiệp

- Thiết lập các mạch điện điều khiển điện khí nén trong công nghiệp

+ Về kỹ năng

- Kết nối các thiết vale, xylanh khí nén.

- Viết và kết nối chạy thực tế các phần tử khí nén

- Viết và giám sat chương trình trên phần mềm Festo Fluidsim 3.6

- Xác định và xử lý được một số vấn đề đơn giản

+ Về thái độ:

- Chủ động, sáng tạo và an toàn trong quá trình học tập.

III NỘI DUNG MÔ ĐUN:

1 Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:

Thời gianTổng

số

Lýthuyết

Thựchành

Thựchành

1 Bài 1: Giới thiệu tổng quan về điện khí nén

 Vale khí nén, xy lanh khí nén

 Khí cụ điện ( relay, contractor, timer…)

 Tuốc-nơ-vít các loại (dẹp, bake): từ 2mm đến 6mm

 Các loại máy đo (AC & DC): ampe kế, volt kế, Ohm kế, watt kế, tần số kế…

V PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG ĐÁNH GIÁ:

 Bài kiểm tra 1: 60 phút: bài kiểm tra giấy về nguyên lý cấu tạo của vale và các thiết bị ngoại vi về khí nén

 Bài kiểm tra 2: 140 phút : Thực hành thiết kế mạch khí nén chạy theo nhịp bằng phần mềm Festo fluidsim 3.6

phẩm làm được của học sinh

 Bài kiểm tra 4: 200 phút: Đấu dây cho mạch chạy tuần tự chấm bài sản phẩm làm được của học sinh

VI HƯỚNG DẪN CHƯƠNG TRÌNH :

1 Phạm vi áp dụng chương trình:

Chương trình mô-đun này được sử dụng để giảng dạy cho trình độ Trung cấp

nghề và Cao đẳng nghề

2 Hướng dẫn một số điểm chính về phương pháp giảng dạy mô đun:

Cần tập trung cả lớp để hướng dẫn ban đầu: Phần này giáo viên cần thao tác

mẫu cho học sinh quan sát

Tùy vào thiết bị có của từng đơn vị để phân chia số lượng học sinh thực tập

trong mỗi nhóm (Mỗi nhóm nên tối đa là 3 học sinh): Phần này giáo viên nên quan sát từng nhóm và sửa sai tại chỗ (nếu có)

Tập trung cả lớp để rút kinh nghiệm sau mỗi ca thực tập: Phần này giáo viên

cho học sinh nêu lên những vướng mắc trong ca thực tập và đưa ra phương pháp khắc phục

3 Những trọng tâm chương trình cần chú ý:

Trước khi giảng dạy, giáo viên cần căn cứ vào nội dung của từng bài học để

chuẩn bị đầy đủ các điều kiện cần thiết nhằm đảm bảo chất lượng giảng dạy

Thời gian thực hành bao gồm thời gian thực hành, thời gian giải/làm bài tập và thời gian kiểm tra

4 Tài liệu cần tham khảo:

Giáo trình lý thuyết MĐ15

Phiếu thực hành.

BÀI 1: CƠ SỞ VỀ LÝ THUYẾT VỀ KHÍ NÉN

Thời gian: 10,0 giờ (Thời gian học: 10,0 giờ, kiểm tra: 0 giờ)

A Mục tiêu của bài:

Sau khi học xong bài này người học sẽ có khả năng:

- Áp dụng đúng các vấn đề lý thuyết khí nén một cách chắc chắn trong công nghiệp

- Thiết kế mô hình dựa trên các định luật khí nén

- Đổi các đại lượng và đơn vị đo lường trong hệ thống khí nén

- Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị trong quá trình thực hành

- Thực hiện tốt công tác an toàn lao động và vệ sinh công nghiệp

B Nội dung của bài:

1.1 Tổng quan về khí nén và hệ thống khí nén

Từ khí nén trong tiếng Anh là Pneumatics được xuất phát từ tiếng Hy Lạp làPneuma có nghĩa là khí, gió hoặc hơi thở Khí nén được xem như là một nhánh của khoahọc kỹ thuật đề cập đến áp suất và lưu lượng của khí Khí nén là một phần của lưu chất vớikhông khí hoặc các loại khí khác được nén lại sử dụng để truyền động và điều khiển các cơcấu chấp hành

Điều khiển khí nén được thiết kế với mục đích hướng dòng chảy của khí nén theocác mạch để điều khiển cơ cấu chấp hành Các dòng chảy dưới dạng năng lượng khí nén sẽđiều khiển cơ cấu chấp hành thực hiện chuyển động tịnh tiến hay quay.

Năng lượng khí nén được đề cập ở trên là chỉ các dòng năng lượng khí có áp suất đểtạo nên các chuyển động cơ học như các cơ cấu chấp hành tịnh tiến và quay Không chỉ cókhí nén mà thủy lực được nhóm thành một nhóm gọi là lưu chất Không khí được nén lạigọi là khí nén và dầu được nén lại gọi là thủy lực

Tuy hai lĩnh vực này có những vấn đề cơ bản giống nhau nhưng cũng có một số vấn đềkhác nhau:

- Mức độ áp suất: Áp suất thường sử dụng trong các hệ thống khí nén khoảng từ 5đến 10 bar (75 đến 150 psi), còn các hệ thống thủy lực làm việc với áp suất khá cao lên đến

200 bar (3000 psi) hoặc cao hơn Lý do có sự khác nhau này là không khí có khả năng nénđược Nếu hệ thống khí nén làm việc với áp suất 200 bar, khí nén này có thể tích trữ mộtnăng lượng thế năng khá lớn, lúc này mức độ nguy hiểm và mất an toàn khá cao Dầu đượcxem như là một dòng lưu chất không nén được Vì vậy khi hệ thống thủy lực nổ sẽ giảm ápxuống ngay lập tức, không gây ra nguy hiểm

- Lực tác động: Bởi vì áp suất làm việc thấp, nên cơ cấu chấp hành khí nén tạo ra lựcnhỏ hoặc trung bình Còn hệ thống thủy lực thích hợp cho các hệ thống đòi hỏi lực lớn.Nếu chúng ta cần tải một khối lượng thì chúng ta cần dùng một xy lanh khí nén có đườngkính lớn hơn nhiều đường kính của xy lanh thủy lực

- Giá thành các phần tử: Van và xy lanh thủy lực có giá gấp từ 5 đến 10 lần các phần

tử khí nén có kích thước tương tự Điều này có thể giải thích vì với các thiết bị thủy lựcđòi hỏi gia công và làm tinh tốt hơn Còn hệ thống khí nén có thể có rò rỉ nhỏ, do đó gâynên khí nén bị tiêu hao tuy nhiên hệ thống sẽ tiếp tục thực hiện các chức năng Còn hệthống thủy lực thì khác, đòi hỏi không được rò rỉ vì dầu thủy lực tương đối đắt, vì vậy nếu

có rò rỉ sẽ làm tăng giá thành sản xuất Ngoài ra, rò rỉ dầu gây ra mất an toàn vì hầu hết cácloại dầu sử dụng có thể cháy và làm cho các bề mặt trơn trượt Trong nhiều hệ thống côngnghiệp (thực phẩm, dệt nhuộm) rò rỉ dầu có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Khi

hệ thống thủy lực làm việc với áp suất cao, bề mặt làm việc của các chi tiết của hệ thốngphải được chế tạo với độ chính xác cao và chất lượng bề mặt làm việc phải tốt cũng nhưtránh trường hợp rò rỉ làm cho hệ thống có giá thành cao Các phần tử khí nén thường sửdụng vòng chữ O để làm kín, còn hệ thống thủy lực phải làm kín bằng vòng trượt nên giáthành rẻ hơn và linh hoạt hơn

- Điều khiển tốc độ: Bởi vì khí có thể nén được, rất khó để điều khiển tốc độ xy lanhhay động cơ khí nén một cách chính xác Nếu hệ thống vận hành với tốc độ không đổi khitải thay đổi thì hệ thống thủy lực sẽ được chọn hoặc chúng ta sẽ chọn kết hợp hai hệ thốngnày

- Tốc độ chấp hành: Khí nén giãn ra rất nhanh vì vậy vận tốc khí nén thường rất cao.Trong hệ thống thủy lực vận tốc piston thường thấp, có thể tính toán bằng cách xác địnhlưu lượng của bơm

Hệ thống khí nén thường được sử dụng trong các hệ thống tự động công nghiệp vìgiá thành thấp tuy nhiên tải nhẹ và tốc độ không điều khiển được chính xác Ngược lại hệthống thủy lực thích hợp cho các ứng dụng tải trọng cao (như máy nâng chuyển, máy dập,máy công nghiệp… ) hoặc chúng ta đòi hỏi hệ thống điều khiển tốc độ chính xác hoặc xác

Hình 1.1: Ứng dụng của hệ thống điều khiển thủy khí trong máy ép nhựa

Hình 1.2 Hệ thống thuỷ -khí trong máy dập và sản xuất ô tô

1.1.1 Lịch sử

Cuối thế kỷ XVII, Torricelli, Mariotte và sau đó là Bernoulli đã tiến hành nghiêncứu các lý thuyết và ứng dụng liên quan đến áp suất và lực đi ra từ các lỗ trên các thùngchứa nước và các đường dẫn Blaise Pascal đưa ra các định luật nền tảng của khoa học lưuchất

Tuy nhiên để định luật Pascal được áp dụng vào thực tế có hiệu quả cần phải có mộtpiston "lắp chính xác" Thời điểm lúc Pascal đưa ra lý thuyết trên thì chưa chế tạo đượcmãi cho đến 100 năm sau thì điều này mới được thực hiện và được ứng dụng rộng rãi trongcác máy dập thủy lực và được sử dụng khá hiệu quả ở nước Anh

Cuối những năm 1930 và đặc biệt là trong khoảng thời gian chiến tranh thứ II, các

hệ thống điều khiển bằng lưu chất được sử dụng rộng rãi và phát triển khá mạnh, được ứngdụng rộng rãi trong các máy móc sản xuất

Vào năm 1951 các ứng dụng trong công nghiệp tăng rất nhanh, các hội nghị được tổchức như Detrit, Michigan với mục đích hình thành nên một tiêu chuẩn cho các thiết bị khínén và thủy lực Các tiêu chuẩn này được hình thành với sự tham khảo của các nhà sảnxuất thiết bị thủy lực, thiết bị khí nén, các nhà sản xuất máy công cụ, các công ty chuyênchế tạo hệ thống sản xuất tự động, máy dập, các nhà sản xuất ống, đầu nối và các công tytiêu dùng các sản phẩm này

Vào năm 1966, một hệ thống ký hiệu được đưa ra bởi Viện tiêu chuẩn Hoa Kỳ(United States America Standards Institute) Khi chúng ta sử dụng các ký hiệu này, ngườibảo trì dễ dàng thay thế và sửa chữa các thiết bị trong hệ thống, dễ dàng phán đoán các lỗi

hư hỏng của hệ thống bằng cách tham khảo các catalogue của nhà sản xuất Điều này sẽ tiết

kiệm thời gian đặc biệt đối với những hệ thống khá phức tạp Ngày nay, khi bán các hệthống sản xuất tự động, các nhà sản xuất thường đính kèm với các sơ đồ mạch hệ thống khínén hay thủy lực cùng với mạch điều khiển

1.1.2 Ứng dụng

Truyền động và điều khiển bằng khí nén đang trở nên phổ biến và được sử dụngrộng rãi trong công nghiệp Chúng thường được sử dụng trong các hệ thống tự động hoá,

hệ thống kẹp, giữ nâng hạ và di chuyển…

Hệ thống khí nén sử dụng khí áp suất để tạo nên sự chuyển động Do hiệu suất làmviệc của hệ thống không cao và nguy hiểm khi chứa khí nén áp suất cao nên giới hạn ápsuất làm việc hệ thống thường thấy trong công nghiệp chỉ tới 7 bar, một số hệ thống đặcbiệt có thể làm việc với áp suất cao hơn khoảng 10 bar Việc sử dụng khí nén như là nguồnnăng lượng cho các thiết bị công nghiệp khá phát triển trong những thập nei6n gần đây và

nó được sử dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp

Hình 1.3 Máy cắt giấy và hệ thống cấp dung dịch vào chai bằng hệ thống khí nén

1.1.3 Ưu và nhược điểm

- Kết cấu, sử dụng và điều khiển đơn giản

- Độ tin cậy làm việc cao

- Độ an toàn làm việc cao trong môi trường dễ cháy nổ và có thể làm việc trongmôi trường khắc nghiệt như phóng xạ hoặc hoá chất

- Dễ dàng tự động hoá

- Giá thành thiết kế hệ thống rẻ

- Thời gian đáp ứng nhanh, tác động nhanh và có thể làm việc từ xa

 Nhược điểm:

- Kích thước lớn hơn so với hệ thống thủy lực có cùng công suất

- Tính nén được của khí ảnh hưởng tới chất lượng làm việc của hệ thống

- Do vận tốc của các cơ cấu chấp hành khí nén lớn nên dễ xảy ra va đập ở cuốihành trình

- Do khí xả ra qua các cửa tạo nên âm thanh khá ồn

- Việc điều khiển theo quy luật vận tốc cho trước và dừng lại ở vị trí trung giancũng khó thực hiện được chính xác như đối với các hệ thống khác

Mặc dù còn có những hạn chế tuy nhiên các hệ thống khí nén cũng được sử dụngkhá rộng rãi khi mà những nhược điểm trên không phải mang tính quyết định

1.2 Cơ sở lý thuyết

1.2.1 Đơn vị sử dụng

Hiện nay có rất nhiều hệ thống đơn vị sử dụng trên thế giới Nhưng có 3 hệ thốngđơn vị thường được sử dụng là: hệ thống đơn vị Metric với thông số sử dụng như mét,kilôgram và giây; hệ thống Imperial System với các thông số hay sử dụng là foot, pound,giây; hệ thống đơn vị SI sử dụng mét, newton, giây Bảng 1.1 biểu diễn các hệ thống đơn

Áp suất dư (Áp suất tương đối): Bởi vì áp suất khí quyển tồn tại xung quanh chúng

ta mà không thay đổi nhiều do đó chúng ta không cần chú ý Áp suất tương đối còn đượcgọi là áp suất dư (Pg), ở đây áp suất sẽ được đo với mức chuẩn là áp suất khí quyển Ápsuất dư bằng 0 chính là áp suất khí quyển

Áp suất tuyệt đối: Áp suất tuyệt đối = Áp suất dư + Áp suất khí quyển Áp suất khíquyển có thể đo bằng chiều cao của cột dung dịch trong chân không Áp suất khí quyểnthường được lấy 1013 mbar ( Hoặc lấy nhanh là 1000 mbar)

Áp suất khí nén: Áp suất khí nén là lực tác động trên một đơn vị diện tích

F P A

- 760 Torr = 0 bar (áp suất dư).

- 0 Torr = Chân không tuyệt đối

- Để đo lường đơn vị áp suất với đơn vị pound trên inch ta sử dụng đơn vị: 1psi =68,95 mbar

- 1 mm Hg = 1.334 mbar áp suất dư

- 1 mm H2O = 0.0979 mbar áp suất dư

- 1 Torr = 1mmHg tuyệt đối (dành cho chân không)

Bảng 1.2 Chuyển đổi giữa các đơn vị đo áp suất

Hình 1.4 Các khoảng áp suất thường sử dụng

2 4

D P

F =π

(1.3)Với:

F : Lực đẩy ra của piston (N)

- Lưu lượng thường được tính bằng lít khí tự do trên một đơn vị thời gian

Hình 1.5 Mối tương quan giữa áp suất và thể tích khí

1.2.5 Các định luật khí

Định luật khí lý tưởng: Biểu diễn mối liên hệ giữa áp suất, thể tích và nhiệt độ Khi

áp dụng các định luật này chúng ta chỉ sử dụng áp suất và nhiệt độ tuyệt đối

1 1 2 2 2 1

Đẳng áp :

V const

T =

(1.5)

Đẳng tích :

P const

Hình 1.6 Quá trình đẳng nhiệtQuá trình này gọi là quá trình đẳng nhiệt (nhiệt độ không thay đổi) Quá trình nàyphải đủ chậm để quá trình truyền nhiệt được thực hiện và không khí được nén lại hoặc giãn

Hình 1.8 Biểu đồ đẳng tích

 Đẳng áp

Hình 1.9 Biểu đồ đẳng ápĐịnh luật Charles: Với một khối khí ở áp suất không đổi thì thể tích sẽ tỷ lệ vớinhiệt độ tuyệt đối

Hình1.10 Quá trình đẳng ápNhư vậy theo định luật Charles: Thể tích của khí trong bình chứa sẽ thay đổi tỷ lệthuận với nhiệt độ tuyệt đối ( áp suất không thay đổi )

Giả sử không ma sát, thể tích sẽ thay đổi để đảm bảo áp suất không đổi

00C = 2730K

 Định luật khí tổng quát

Định luật khí tổng quát là sự kết hợp giữa các định luật Boyle và Charles với ápsuất, thể tích và nhiệt độ có thể thay đổi giữa các trạng thái khí và chúng có mối liên hệ vớigiá trị hằng số.

- Trong lý thuyết, khi thể tích khí được nén tức thì, quá trình này là quá trình đoạnnhiệt (không có thời gian truyền nhiệt ra vỏ xy lanh)

- Quá trình nén và giãn nở đoạn nhiệt: P V n = c với khí n = 1.4

- Trong xy lanh của khí nén thì quá trình sẽ nhanh nhưng nhiệt sẽ mất xuyên qua

vỏ xy lanh mặc dù giá trị n sẽ nhỏ hơn 1,3 dành cho máy nén tốc độ cao

Hình 1.11 Biểu đồ biểu diễn định luật khí tổng quát

- Trong thực tế như ứng dụng làm bộ phận giảm chấn sẽ có hiện tượng mất mátnhiệt trong quá trính nén

- Các đặc tính nén sẽ diễn ra vài nơi giữa đoạn nhiệt và đẳng nhiệt

- Giá trị của n sẽ ít hơn 1,4 phụ thuộc vào tốc độ nén Thường P.V 1.2= c có thể

1.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển tự động khí nén

Một hệ thống điều khiển bao gồm ít nhất là một mạch điều khiển hở (open loopcontrol system) Một mạch điều khiển khí nén gồm các phần tử như sau:

Hình 1.13 Sơ đồ cấu tạo chức năng của hệ thống điều khiển khí nén- điện

Phần tử nhận tín hiệu: nhận những giá trị của đại lượng vật lý như là đại lượng đưavào, là phần tử đầu tiên của mạch điều khiển Ví dụ: công tắc, nút nhấn, công tắc hànhtrình, cảm biến …

Phần tử xử lý tín hiệu: xử lý tín hiệu nhận vào theo một quy tắc logic xác định, làmthay đổi trạng thái của phần tử điều khiển Ví dụ: van một chiều, van tiết lưu, van logic ORhoặc AND, bộ định thời …

Phần tử điều khiển: điều khiển dòng năng lượng (lưu lượng) theo yêu cầu, thay đổitrạng thái của cơ cấu chấp hành Ví dụ: van đảo chiều, ly hợp…

Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển, là đại lựơng ra củamạch điều khiển Ví dụ: xy lanh, động cơ khí nén…

Những hệ thống điều khiển phức tạp bao gồm nhiều phần tử, nhiều mạch điều khiểnkhác nhau

1.4 Các phương pháp điều khiển tự động trong hệ thống khí nén

Có các phương pháp điều khiển hệ thống tự động khí nén thường được sử dụng là:khí nén, điện - khí nén, PLC ngoài ra còn có phương pháp điều khiển bằng các mạch số, viđiều khiển và bằng máy tính Tuỳ từng trường hợp cụ thể mà sẽ lựa chọn phương pháp điềukhiển cho phù hợp

1.4.1 Điều khiển bằng khí nén

Hệ thống điều khiển bằng khí nén là điều khiển hoàn toàn bằng các thiết bị sử dụngtín hiệu khí nén và cơ khí để điều khiển các thiết bị khí nén Ở hệ thống điều khiển nàyngoài cơ cấu chấp hành thực hiện chuyển động bằng khí nén thì các thông tin điều khiển

cũng hoàn toàn bằng khí nén Các thiết bị xử lý, điều khiển cũng dựa trên thông tin củadòng khí nén để thực hiện các chuyển động thích hợp theo yêu cầu.

Hình 1.14 Ví dụ minh hoạ hệ thống điều khiển bằng khí nénCác loại mạch điều khiển hành trình:

 Mạch điều khiển tuần tự

 Mạch điều khiển theo tầng

 Mạch điều khiển theo nhịp

1.4.2 Điều khiển bằng điện

Hệ thống điều khiển tự động khí nén điều khiển bằng điện sử dụng các van điện từ(solenoid) để điều khiển chuyển động của các cơ cấu chấp hành bằng khí nén Các vansolenoid này được thiết kế tuỳ theo các nhà sản xuất với các chức năng khác nhau Cơ sởthiết kế mạch điều khiển hành trình là vị trí các phần tử đưa tín hiệu vào (công tắc, cảmbiến )

Hình 1.9 Ví dụ minh hoạ hệ thống điều khiển bằng điện - khí nén

1.4.3 Điều khiển bằng PLC

Các phuơng pháp trên có nhược điểm là thay đổi không được linh hoạt Để có thểthay đổi được linh hoạt các dây chuyền sản xuất, một phương thức điều khiển mới đã rađời ở thập kỷ 70 Đó là hệ điều khiển theo chương trình có nhớ (PLC)

Hình 1.10 Ví dụ minh hoạ hệ thống điều khiển bằng PLC

1.4.4 Điều khiển bằng IC số

Hình 1.11 Hệ thống điều khiển khí nén bằng IC số

Hệ thống bằng rơle được thay thế bằng các IC số với kích thước nhỏ hơn và giáthành rẻ Các IC số là những mạch tích hợp với các cổng logic để thực hiện các chức năngcủa hệ thống điều khiển

1.4.5 Điều khiển bằng Vi điều khiển

Tính linh hoạt trong các hệ thống điều khiển ngày càng đòi hỏi cao hơn, đồng thờiphải giảm giá thành vì vậy hiện nay vi điều khiển được sử dụng khá nhiều trong các quátrình tự động Vi điều khiển có thể sử dụng để thực hiện hầu hết các chức năng Các vi điềukhiển có giá thành tương đối rẻ, nhỏ, dễ dàng sử dụng và điều quan trọng hơn là vi điềukhiển có khả năng thay thế các hệ thống tương tự để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp, các

bộ điều khiển có kích thước lớn và đòi hỏi việc bảo trì

1.4.6 Điều khiển bằng máy tính

Việc ứng dụng máy tính vào kỹ thuật điều khiển được ứng dụng từ khá lâu và đạtđược nhiều kết quả rất khả quan Với hệ thống máy tính ghép nối với các hệ thống điềukhiển có độ chính xác cao, thời gian điều khiển và đáp ứng ngắn và dễ dàng trong việc thuthập và xử lý dữ liệu Ngoài việc chúng ta sử dụng các IC số hay vi điều khiển ghép nối vớimáy tính, chúng ta còn phải cần soạn thảo một chương trình để điều khiển với một ngônngữ lập trình nào đó với các dữ liệu và dữ kiện đề ra

Hình 1.12 Hệ thống điều khiển khí nén bằng máy tính

1.5 Câu hỏi ôn tập bài 1

Câu 1 : Khí nén là gì? Điều khiển khí nén được thiết kế với mục đích gì? Hãy nêu một số ứng dụng của hệ thống điều khiển khí nén?

Câu 2 : Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển khí nén bao gồm bao nhiêu phần tử? Cho

ví dụ cụ thể trong từng phần tử?

Câu 3 : Một vật có khối lượng 500kg, sử dụng áp suất p = 10 bar Hỏi cần sử dụng xylanh

có đường kính bao nhiêu để nâng được vật đó?

Câu 4 : Xylanh có đường kính 5 cm, sử dụng áp suất P=8bar, Hỏi xylanh đó có thể nâng

Câu 5: Có bao nhiêu phương pháp điều khiển tự động trong hệ thống điều khiển khí nén, hãy kể ra chi tiết từng phương pháp cụ thể?

Câu 6: Lưu lượng hút của một máy nén khí là Vn=3.5m3/phút (không khí hút và là tiêu chuẩn : Tn = 273K, Pn = 1.013 bar) Phải cần thời gian bao lâu để làm đầy bình chứa với thể tích V = 2m3, có áp suất p = 8 bar và nhiệt độ khí nén trong bình chứa T = 298K?

Câu 7: Hãy nêu ưu và nhược điểm của hệ thống điều khiển bằng khí nén?

Câu 8: Với điều kiện công nghiệp hiện đại hóa hiện nay, các hệ thống điều khiển tự động hóa ngày càng hiện đại thì hệ thống điều khiển tự động khí nén có trở nên lạc hậu hay không? Tại sao?

BÀI 2: MÁY NÉN KHÍ – THIẾT BỊ XỬ LÝ

Thời gian: 10,0 tiết (Thời gian học: 10,0 tiết, kiểm tra: 0 tiết)

A Mục tiêu của bài:

Sau khi học xong bài này người học sẽ có khả năng:

- Giải thích được nguyên lý hoạt động và ứng dụng của các loại máy nén

- Phân tích được các quá trình xử lý khí nén

- Nhận biết và vận hành được thiết bị phân phối khí nén

- Phân loại được các loại máy nén khí thường dùng trong công nghiệp

- Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị trong quá trình thực hành

- Thực hiện tốt công tác an toàn lao động và vệ sinh công nghiệp

B Nội dung của bài:

2.1 Máy nén khí

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

b. Phân loại

Phân loại theo áp suấtMáy nén khí áp suất thấp p < 15 barMáy nén khí áp suất cao p > 15 barMáy nén khí áp suất rất cao p ≥ 300 barPhân loại theo nguyên lý hoạt động

Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: máy nén khí kiểu piston, máy nén khíkiểu cánh gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít

Hình 2.1 Các loại máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích

2.1.1 Máy nén khí piston

Đây là dạng cơ bản nhất của các loại máy nén khí Việc nén khí thực hiện bằng cáchhút khí vào và nén thể tích khí nằm giữa piston và vỏ xy lanh Khi piston di chuyển sẽ tạonên quá trình hút và nén khí Các van chặn ở cửa vào và cửa ra sẽ đóng hay mở tự độngkhi piston di chuyển trong buồng xy lanh Máy nén khí một cấp quá trình nén chỉ hoànthành trong một xy lanh hoặc một nhóm xy lanh nhưng các xy lanh này nối song song Nếucần sử dụng nhiều mục đích khác nhau với công suất lớn thì hệ thống cung cấp khí phảidựa trên máy nén khí nhiều cấp Khí sẽ được làm lạnh giữa các cấp để giảm nhiệt độ và thểtích trước khi bước vào cấp tiếp theo Máy nén khí piston có thể làm lạnh bằng nước haykhông khí

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của pistonMáy nén khí piston một cấp có thể hút được lưu lượng đến 10 m3/phút và áp suấtnén là 6 bar, có thể trong một số trường hợp thì áp suất có thể lên 10 bar Máy nén khípiston hai cấp có thể nén đến áp suất 15 bar, loại máy nén khí piston ba, bốn cấp có thể nénđến áp suất 250 bar

Máy nén khí piston một cấp và hai cấp thích hợp cho hệ thống điều khiển khí néntrong công nghiệp Máy nén khí piston được phân loại theo số cấp nén, loại truyền động vàtheo phương thức làm nguội áp suất khí nén Ngoài ra còn được phân loại theo vị trí củapiston

Hình 2.3 Máy nén khí piston đơn một cấpMáy nén khí piston là máy nén khí hoạt động trên nguyên lý thay đổi thể tích Mộtthể tích khí chứa trong không gian kín và sau đó sẽ thay đổi thể tích theo hướng giảm đểđạt được áp suất cao hơn Máy nén khí piston sử dụng kết hợp piston, xy lanh và các phần

tử chuyển động khác

Hình 2.4 Máy nén khí piston kiểu chữ V một cấpThường máy nén khí dạng piston có từ 1 đến 4 piston và trên hình vẽ biểu diễn 1piston Ngoài ra để tạo áp suất lớn người ta còn sử dụng máy nén khí nhiều cấp Với cácmáy nén khí này, khí nén đi ra của nén cấp 1 sẽ là khí đưa vào của máy nén cấp 2.

Máy nén khí piston được coi như máy nén tác động đơn khi sự nén chỉ được hoàn thành

ở một phía của piston Máy nén khí sử dụng 2 bên của piston được xem như máy nén khítác động kép

2.1.2 Máy nén khí cánh gạt

Hình 2.5 Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu cánh gạtMáy nén khí cánh gạt sử dụng rotor lệch tâm với các cánh gạt có thể trượt theohướng hướng tâm để nén khí Không khí đi vào buồng tạo bởi cánh gạt, rotor và vỏ máynén khí, thể tích buồng này được nới rộng ra và hình thành thể tích buồng là lớn nhất Khicác cánh gạt quay tiến đến cửa ra, khí sẽ được nén lại vì thể tích buồng chứa ngày càngnhỏ Khi thể tích giảm thì áp suất tăng cho đến khi áp suất khí đạt được lớn nhất Sau đókhí sẽ được dẫn ra khỏi máy nén khí vào bình chứa

Hình 2.6: Cấu tạo máy nén khí cánh gạt một cấp

2.1.3 Máy nén khí trục vít

Máy nén khí kiểu trục vít hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích Thể tíchkhoảng trống giữa các răng sẽ thay đổi khi trục vít quay được một vịng Như vậy sẽ tạo raquá trình hút (thể tích khoảng trống tăng lên), quá trình nén (thể tích khoảng trống nhỏ lại)

và cuối cùng là quá trình đẩy

Hình 2.7 Máy nén khí trục vít và quá trình ăn khớp của trục vítMáy nén khí trục vít vận hành với 2 rotor xoắn ốc ăn khớp với nhau Khi rotor bêntrái quay theo chiều kim đồng hồ, thì rotor bên phải sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ Khicác rotor này quay thì sẽ cưỡng bức khí bên trong các buồng được nén lại với nhau theohướng dọc trục Như vậy khí vào một cổng và ra cổng đối diện theo hướng dọc trục

Máy nén khí trục vít thường được sử dụng trong các hệ thống cơng nghiệp, ví dụcơng nghiệp chế biến thực phẩm, cơng nghiệp hĩa chất Đối với các ngành cơng nghiệpnặng, nhất là trong lĩnh vực điều khiển, thì người ta thường sử dụng máy nén khí cĩ dầubơi trơn để chống lại sự ăn mịn của hệ thống ống dẫn và các phần tử điều khiển

Bầu lọc khí Buồng hút

3 Trục vít

4 Van một chiều

5 Bình lọc khí

6 Van một chiều

7 Hệ thống làm mát bằng gió

8 Van lọc

9 Van dầu

10 Hệ thống làm mát dầu

11 Van một chiều

12 Lọc dầu

13 Bộ phận cấp dầu cho trục vít

Hình 2.8 Sơ đồ máy nén khí trục vít một cấpNguyên lý hoạt động của máy nén khí trục vít một cấp có hệ thống dầu bôi trơn:không khí được hút vào máy nén khí thông qua bầu lọc 1 Sau khi nén, khí nén cùng vớidầu bôi trơn tạo thành một hỗn hợp trong bình lọc khí 5 Trong bình lọc khí nén thoát ratheo đường ống dẫn phía trên và dầu bôi trơn mang nhiệt (tạo ra trong quá trình nén) sẽtheo đường dẫn phía dưới bình lọc 5 Khí nén sẽ được chuyển đến hệ thống điều khiển, saukhi qua bộ phận làm mát bằng gió 7 Dầu bôi trơn mang nhiệt sẽ được làm nguội bằng ốngdẫn qua quạt gió hoặc đã đạt được nhiệt độ làm mát theo yêu cầu qua rơ le nhiệt quay vềbình chứa dầu bôi trơn.

Máy nén khí trục vít 2 cấp sử dụng các cặp rotor kết hợp lại với nhau Quá trình nén

sẽ được chia làm 2 cấp: cấp đầu và cấp thứ hai nối tiếp Điều này sẽ làm tăng hiệu suất nénlên 50% của tổng số công suất tiêu thụ Máy nén khí trục vít 2 cấp kết hợp sự đơn giản và

sự linh hoạt của máy nén trục vít với hiệu suất năng lượng của máy nén khí piston tác độngkép 2 tầng Máy nén khí trục vít có thể sử dụng làm lạnh bằng khí, nước hoặc cả hai

Hình 2.9: Sơ đồ máy nén khí trục vít hai cấp có hệ thống cấp dầu bôi trơn

Máy nén khí trục vít thường được sử dụng trong các hệ thống công nghiệp Do thiết

kế đơn giản và ít chi tiết mài mòn, máy nén khí trục vít dễ dàng bảo trì và vận hành

2.1.4 Máy nén khí kiểu root

Nguyên lý tạo áp suất dựa vào 2 cam như hình vẽ dùng để hút và chuyển đổi dòngkhí nén Hai bánh đều được gắn với động cơ, có hướng chuyển động ngược nhau và 2 trục

có hướng song song với nhau Các cam này không chạm lẫn nhau Giữa vỏ và cam cókhoảng cách rất nhỏ Như vậy khả năng hút của máy phụ thuộc vào khe hở giữa hai cam,khe hở giữa phần quay và thân máy Máy nén khí kiểu root tạo ra áp suất không phải theonguyên lý thay đổi thể tích mà có thể gọi là nén từ phía sau Điều đó có nghĩa là khi rotorquay được một vòng thì vẫn chưa tạo áp suất trong buồng đẩy cho đến khi rotor quay tiếpđến vòng thứ 2 thì dòng lưu lượng đó mới đẩy vào dòng lưu lượng ban đầu và cuối cùngmới vào buồng đẩy Với nguyên tắc hoạt động này tiếng ồn khi chạy của máy sẽ tăng lên

Máy nén khí dạng này thường được sử dụng làm máy nén khí hoặc máy hút chânkhông

Buồng hút

Buồng đẩy

Hình 2.10 Nguyên lý của máy nén khí kiểu rootNguyên lý hoạt động của máy nén khí hai cấp: Ở cấp thứ nhất, khơng khí được hútvào máy nén khí Sau khi nén, khí nén cùng với dầu bơi trơn tạo thành một hỗn hợp trongbình lọc Trong bình lọc khí nén thốt ra theo đường ống dẫn phía trên và dầu bơi trơnmang nhiệt (tạo ra trong quá trình nén) sẽ theo đường dẫn phía dưới bình lọc Sau khi qua

bộ phận làm mát bằng giĩ, khí nén sẽ được chuyển đến bộ phận nén cấp hai Sau khi rakhỏi bộ phận này, khí nén sẽ được đưa trở lại hệ thống làm mát bằng quạt để làm nguội.Dầu bơi trơn mang nhiệt sẽ được làm nguội bằng ống dẫn qua quạt giĩ quay về bình chứadầu bơi trơn

2.1.5 Máy nén khí tuabin dạng ly tâm

Máy nén khí dạng ly tâm là máy nén khí hoạt động trên nguyên lý động năng Máynén khí hoạt động phụ thuộc vào sự chuyển đổi năng lượng của bánh cơng tác quay đối vớikhí Các cánh rotor sẽ thay đổi động lượng và tạo ra áp suất Động lượng này là quá trìnhchuyển đổi thành năng lượng hữu dụng bằng cách cho dịng khí chuyển động chậm lạitrong các trong các cánh khuếch tán

Máy nén khí ly tâm là máy nén khí làm việc liên tục với một vài chi tiết chuyểnđộng, rất thích hợp cho các ứng dụng khác nhau với lưu lượng lớn Máy nén khí làm lạnhbằng nước

Máy nén khí dạng ly tâm tạo ra vận tốc của khí (tăng động năng) sau đĩ đượcchuyển thành áp suất và lưu lượng của dịng khí dưới dạng xoắn ốc và đi vào đường ra.Tốc độ vận hành thường sử dụng lớn hơn 3000 vịng/phút Lưu lượng khí tạo ra của máynén khí dạng này cao hơn so với máy nén khí dạng thể tích

Cĩ 2 dạng của máy nén khí ly tâm:

 Máy nén khí 1 cấp: Khí chỉ được nén 1 lần, để tạo ra lưu lượng khí lớn và áp suấtđường ra thấp

 Máy nén khí nhiều cấp: Lấy khí từ đường ra cấp 1 đi vào đường vào của cấp kếtiếp Máy nén khí này cĩ thể tạo ra lưu lượng khí và áp suất khí cao

Hình 2.11: Các loại máy nén khí tuabin dạng ly tâm thường gặpMáy nén khí dạng ly tâm có các cánh mỏng gắn trên rotor giống như cánh quạt.Trong công nghiệp, máy nén khí dạng này được sử dụng khá nhiều khi cần lưu lượng và ápsuất cao Khí sẽ được di chuyển dọc trục Các cánh mỏng quay được gắn trên trục sẽ đẩykhí đi qua các cánh cố định được gọi là stator gắn trên vỏ.

Khi vận tốc khí tăng lên bởi sự quay của các cánh, các cánh trên stator làm giảm vậntốc này lại Khi khí chuyển động chậm, động năng được chuyển thành áp suất Vận tốc khítăng khi khí di chuyển từ cấp này đến cấp khác cho đến khi đến cửa ra Máy nén khí lytâm nhiều cấp có thể tạo ra lưu lượng cao và áp suất cao Máy nén khí dạng này thườnggiới hạn ở 16 cấp bởi vì giới hạn nhiệt độ và vật liệu Máy nén khí ly tâm nhẹ, hiệu suấtcao

2.2 Thiết bị xử lý khí nén

Hình 2.12: Hệ thống cung cấp và xử lý khí nén trong công nghiệp

2.2.1 Yêu cầu về khí nén

Hình 2.13: Hệ thống phân phối khí trong nhà máyKhí nén được tạo ra từ máy nén khí có chứa đựng nhiều chất bẩn bao gồm bụi, độ

ẩm của không khí, những phần tử nhỏ của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí Ngoài ratrong quá trình nén, nhiệt độ khí nén tăng lên, có thể gây nên quá trình oxy hoá một sốphần tử được kể trên Như vậy, khí nén chứa đựng những chất bẩn đó được tải đi trongnhững ống dẫn khí sẽ gây nên sự mài mòn, gỉ trong ống và trong các phần tử của hệ thốngđiều khiển Do đó khí nén cần phải được xử lý, tuỳ thuộc vào mức độ xử lý, phương pháp

xử lý để xác định được chất lượng của khí nén tương ứng cho từng trường hợp vận dụng cụthể

 Các ống xả nước phải gắn ở mỗi góc nhà máy và ở các bình chứa trung gian

 Các ống dẫn nên đặt nghiêng một góc

 Hệ thống van lọc, bôi trơn và điều áp phải đặt ở trước mỗi hệ thống hoạt động.Nước trong khí nén:

Khi khí nén được chứa vào bình chứa khí thì nước sẽ được ngưng tụ lại trong bình

vì không khí chúng ta nén là không khí ẩm Hơi nước ẩm tự nhiên trong khí quyển đượcnén sẽ ngưng tụ hơi nước lại Không khí sẽ ở trạng thái bão hoà (độ ẩm 100%) nếu trongbình chứa khí có nước

Lượng hơi nước được chứa trong một mẫu không khí được đo gọi là độ ẩm %RH.Phần trăm này là lượng nước chứa trong mẫu đo so với lượng nước chứa lớn nhất chứatrong mẫu khí ở cùng một nhiệt độ

Ở 20 0C thì:

100% RH = 17.4 g/m3

25% RH = 4.35 g/m3Nếu có 4 m3 không khí ở nhiệt độ 200C Nếu thể tích không khí này có độ ẩm 50%(50%RH) Điều này có nghĩa là chúng chứa 8,7 g hơi nước trong 1 m3, như vậy nửa thểtích này chứa khối lượng là 17,4 g Khi chúng ta nén 4 m3 này thành 1 m3 và như vậytrong thể tích này chứa 4 lần khối lượng 8,7 g, nhưng chỉ có 2 lần khối lượng hơi nước nàycòn lại trong thể tích khí nén, còn 2 lần khối lượng kia ngưng tụ thành nước trong bìnhchứa.

Hình 2.14: Biểu đồ quan hệ giữa khối lượng hơi nước và thể tích không khí

2.2.2 Chức năng của hệ thống xử lý khí nén

Hệ thống xử lý khí nén bao gồm 3 giai đoạn, được mô tả như hình dưới đây:

Hình 2.15 Các phương pháp xử lý khí nénLọc thô làm mát tạm thời khí nén từ máy nén khí đưa ra để tách ra chất bẩn và bụi.Sau đó khí nén được đưa vào bình ngưng tụ để tách hơi nước Giai đoạn lọc thô là giaiđoạn cần thiết nhất cho vấn đề xử lý khí nén

Sấy khô là giai đoạn xử lý tuỳ theo chất lượng yêu cầu của khí nén

Lọc tinh xử lý khí nén trong giai đoạn này trước khi đưa vào sử dụng

2.2.3 Các phương pháp xử lý khí nén

2.2.3.1 Bình ngưng tụ - làm lạnh bằng không khí

Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí sẽ được dẫn vào bình ngưng tụ Tại đây khí nén

sẽ được làm lạnh và phần lớn lượng hơi nước chứa trong không khí sẽ được ngưng tụ vàtách ra

Làm lạnh bằng không khí, nhiệt độ khí nén trong bình ngưng tụ sẽ đạt được trongkhoảng từ +300C đến +350C Làm lạnh bằng nước (ví dụ như làm lạnh bằng nước có nhiệt

độ là +100C) thì nhiệt độ khí nén trong bình ngưng tụ sẽ đạt được là +200C

Hình 2.16 Nguyên lý hoạt động của bình ngưng tụ làm lạnh bằng nước

2.2.3.2 Bộ sấy khí

Các thiết bị khí nén thường bị mòn hoặc trở nên bị mài mòn là kết quả của hơi nướctrong hệ thống, làm cho hệ thống tiêu thụ nhiều khí nén hơn và hiệu suất trong hệ thốnggiảm xuống Khi mài mòn hay rò rỉ lớn các thiết bị cần phải được thay thế hoặc sửa chữalàm tăng giá thành sản xuất

Giá thành của việc thay thế các chi tiết, công lao động, thời gian ngừng làm ảnhhưởng khá nhiều đến các dây chuyền sản xuất Để cho hệ thống làm việc tốt hơn bằng cáchgiảm một trong những yêu tố trên là sấy khô khí nén Tuy làm tăng giá thành của hệ thốngnhưng chúng ta tăng thời gian chu kỳ làm việc của hệ thống

Độ ẩm, có thể là dung dịch hoặc hơi nước đều có trong khí nén khi thoát ra khỏimáy nén khí Nếu không tách độ ẩm, hệ thống khí nén giảm hiệu suất và đòi hỏi chúng taphải bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên hơn

Phần lớn các quá trình và dụng cụ khí nén không thể chịu được khí nén nóng, máynén khí bình thường cung cấp khí thông qua bộ tách ẩm và bộ làm mát Bộ làm mát là bộtrao đổi nhiệt có thể bằng không khí hay bằng nước để làm mát khí nén Khi hơi nước haydầu được ngưng tụ thì tạo thành dạng lỏng một phần Như vậy chúng ta cần các thiết bịtách nước hay dầu ra khỏi không khí nén Phải lựa chọn thiết bị cho phù hợp cho quá trìnhnày, để chọn thiết bị phù hợp chúng ta chọn phương pháp làm khô Phương pháp làm khô

cơ bản là sử dụng ngưng tụ hay còn gọi là làm lạnh khí Nghĩa là chúng ta sẽ cho khí nén điqua và ngưng tụ hơi nước và dầu, tách và xả chúng ra Khí nén khô sau đó sẽ được cấp cho

hệ thống khí nén

2.2.3.3 Thiết bị sấy khô bằng chất làm lạnh

Nguyên lý hoạt động của thiết bị sấy khô bằng chất làm lạnh như sau: khí nén từmáy nén khí sẽ qua bộ phận trao đổi nhiệt khí - khí Tại đây dòng khí nén vào sẽ được làmlạnh sơ bộ

Sau khi được làm lạnh sơ bộ, dòng khí nén vào bộ phận trao đổi nhiệt khí - chất làmlạnh Quá trình làm lạnh sẽ được thực hiện bằng cách: dòng khí nén sẽ được đổi chiềutrong những ống dẫn nằm trong thiết bị này Nhiệt độ hoá sương tại đây là +20C Lượnghơi nước sẽ được ngưng tụ trong bộ phận kết tủa Ngoài lượng hơi nước được kết tủa, tại

đây còn có các chất bẩn, dầu bôi trơn, cũng đã được tách ra Dầu, nước, chất bẩn sau khitách ra khỏi dòng khí nén sẽ được đưa ra ngoài qua van thoát nước ngưng tụ tự động Dòngkhí nén được làm sạch và còn lạnh sẽ được đưa qua bộ phận trao đổi nhiệt khí - khí đểnhiệt độ khoảng từ 60C - 80C trước khi đưa vào sử dụng.

Hình 2.17 Nguyên tắc hoạt động của thiết bị sấy khô bằng chất làm lạnh

2.2.3.4 Thiết bị sấy khô bằng chất hấp thụ

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

Quá trình vật lý: chất sấy khô hay gọi là chất háo nước sẽ hấp thụ lượng hơi nước ởtrong không khí ẩm ở trong hai bình sấy khô Bình sấy khô thứ nhất chứa chất sấy khô vàthực hiện quá trình sấy khô, trong khi đó bình sấy khô thứ hai sẽ tái tạo lại khả năng hấpthụ của chất sấy khô (chất háo nước) mà đã dùng lần trước đó Chất sấy khô thường đượcchọn như: silicagel SiO2 , nhiệt độ điểm sương -500C, nhiệt độ tái tạo t = 1200C - 1800C.Hình dưới đây biểu diễn chu kỳ hoạt động của hệ thống:

Khi bình sấy khô thứ nhất hoạt động, van 4 mở, khí nén từ máy nén khí qua bìnhhấp thụ 1 và vào hệ thống điều khiển Quá trình tái tạo được thực hiện bằng dòng khí nóngsau khi không khí qua máy nén khí 1 và được nung nóng trong bộ phận nung nóng 2, quavan 7 vào bình hấp thụ 2, qua van 8 lúc đó không khí nóng bão hoà sẽ được đưa ra ngoài

Hình 2.18 Nguyên tắc hoạt động của thiết bị sấy khô bằng chất hấp thụ

Quá trình hoá học: Thiết bị gồm 1 bình chứa, trong đó có chứa chất hấp thụ, chấthấp thụ bằng quá trình hoá học thường là NaCl Không khí ẩm sẽ được đưa vào bình từ cửa

1, sau khi đi qua chất hấp thụ 2, lượng hơi nước trong không khí sẽ kết hợp với chất hấpthụ và tạo thành những giọt nước lắng xuống phần dưới của đáy bình chứa Từ đó, phầnnước ngưng tụ sẽ được dẫn ra ngoài bằng van 5 Phần không khí sấy khô sẽ theo cửa 3 vào

hệ thống điều khiển

Hình 2.19 Nguyên lí hấp thụ bằng phản ứng hóa học

2.2.3.5 Hệ thống sấy khô nhiệt độ thấp

Sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau Hệ thống sấy khô nhiệt độ thấp có thể xử

lý không khí nén tới nhiệt độ điểm sương trên nhiệt độ đông đặc Thiết bị sấy này dễ dàng

sử dụng và giá thành thấp

Hình 2.20: Bộ sấy khô nhiệt độ thấpKhông khí ẩm đi vào bộ trao đổi nhiệt sau đó sẽ được làm lạnh và sẽ cho ra khôngkhí khô Ở đây bộ trao đổi nhiệt chính là một hệ thống lạnh Bình ngưng tụ sẽ chứa nướcngưng tụ và có thể xả ra Không khí được làm lạnh khô sau đó sẽ được làm ấm lại Nếu1m3 không khí nén bão hoà (100% RH) được làm lạnh trên điểm nhiệt độ đông đặc,khoảng 75% hơi ẩm sẽ được ngưng tụ Và sau đó làm ấm lại ở 200C, khí sẽ được làm khôgần 25%.

Hình 2.21: Sấy khô nhiệt độ thấp

2.2.4 Bộ lọc

Ở phần trên đã giới thiệu một số phương pháp xử lý khí nén trong công nghiệp Tuynhiên trong một số lĩnh vực, ví dụ những dụng cụ cầm tay sử dụng truyền động khí nénhoặc một số hệ thống điều khiển đơn giản thì không nhất thiết phải thực hiện tuần tự nhưvậy Đối với những hệ thống như thế, nhất thiết phải dùng bộ lọc, gồm 3 phần tử: van lọc,van điều chỉnh áp suất, van tra dầu

Khối lọc khí là thiết bị cơ bản nhất làm sạch khí Bộ lọc có nhiệm vụ tách nước vàdầu từ khí nén và đưa ra bộ sấy khô không khí Hầu hết các nhà sản xuất đều đảm bảo độmất áp rất thấp trên bộ lọc Khi thời gian hoạt động càng lâu thì độ mất áp càng cao và thờigian hoạt động giảm

Trong các thành phần thường được sử dụng trong hệ thống khí nén, hai thiết bị thường bị

bỏ qua mặc dù khá quan trọng với hệ thống khí nén đó là bộ lọc khí và thiết bị bôi trơn Có

lẽ bởi vì các thiết bị này thường đi liền với nhau gắn sau hệ thống chứa khí và thườngkhông thực hiện hay tạo ra chuyển động nào trong hệ thống điều khiển khí nén vì vậythường bị bỏ sót trong hệ thống điều khiển khí nén

Do hầu hết các thiết bị khí nén phục vụ trong môi trường công nghiệp, điều kiện làmviệc của các thiết bị có thể tiếp xúc với bụi, độ ẩm… Hầu hết các đường ống nối từ máynén khí tới hệ thống máy hay mạch điều khiển có thể dài hay ngắn tuỳ thuộc vào kết cấu vàyêu cầu cụ thể, chúng có thể truyền nhiệt lẫn nhau

Ngoài ra đường ống dẫn khí sử dụng lâu ngày hình thành bụi bẩn hay miếng ốngtróc ra hoặc tích tụ các bụi bẩn này làm cho hệ thống làm việc không ổn định, thậm chí pháhỏng các chi tiết chuyển động trong hệ thống khi di chuyển cùng với khí có áp suất làmcho hệ thống có thể không hoạt động được

Hầu hết các thiết bị van và cơ cấu chấp hành là thiết bị chế tạo chính xác nên bụi vàcác kết cấu hạt có kích thước không được chuyển động trong hệ thống

Van lọc, bôi trơn và điều áp nên được đặt ở đường vào của mỗi hệ thống Hoặc cácthiết bị này có thể lắp đặt một cách riêng biệt với một khối kết hợp có thể là bao gồm bộđiều áp, bộ lọc và bộ bôi trơn hoặc bộ điều áp và bộ lọc như trên một số máy chúng ta haygặp hiện nay

Hình 2.22 Bộ lọc và ký hiệu

Có rất nhiều kiểu bộ lọc được sử dụng hiện nay ở Việt Nam, tuỳ vào công suất vàchất lượng lọc và tuỳ vào hệ thống sử dụng trong các xí nghiệp công nghiệp Trong một sốnhà máy công nghiệp các bộ lọc này có thể phục vụ có thể từ một tới nhiều năm trước khicần làm sạch, trong khi đó ở một số nhà máy thì bộ lọc có thể không thể nào làm việc tốtsau một vài tuần làm việc Có rất nhiều kiểu bộ lọc khác nhau như bằng cơ khí, bộ lọc kiểusợi tổng hợp… Như vậy để lựa chọn một bộ lọc hợp lý chúng ta dựa vào các hệ số sau:

Kích thước bụi được lọc từ hệ thống: Có một vài bộ lọc sẽ cho phép hạt bụi lớn điqua mà không làm hư hại các thiết bị có độ chính xác cao ở hệ thống điều khiển Như vanvới các chi tiết chuyển động phía trong dạng đĩa thường chịu được các hạt bụi có kíchthước lớn hơn các van kiểu piston dạng trượt

Khả năng của bộ lọc: Nếu làm sạch bộ lọc không thường xuyên theo yêu cầu thìchúng ta nên chọn bộ lọc có kích thước lớn và khả năng lọc cũng phải đủ lớn để không làmgiảm tiết diện dòng chảy

Dễ lắp ráp: Các bộ lọc phải có thể di chuyển hoặc tách ra với thời gian nhanh nhất

từ hệ thống Có một số công ty gắn hệ thống lọc song song với đường ống bypass vì thế bộlọc có thể tháo rời ra khỏi hệ thống để làm sạch trong khi máy vẫn hoạt động Nhưng điềunày không tốt vì lúc này các hạt bụi có thể đi vào hệ thống điều khiển Vì vậy chúng ta cóthể sử dụng hai bộ lọc, một bộ để dự trữ và có thể tham gia vào hệ thống khi bộ lọc kiađược tháo ra để bảo dưỡng Nếu lắp 2 bộ lọc song song, chúng ta có thể giảm thời giandừng thiết bị và có thể bảo dưỡng bất kỳ thời điểm nào mà không cần ngừng hệ thống

Bảo hành các phần tử của bộ lọc: Các bộ lọc bằng kim loại xốp hoặc sợi tổng hợp cóthể làm sạch bằng cách thổi khí xoáy hay bằng dung môi và dễ dàng thay thế trong hệthống Trong các nhà máy, thường có rất nhiều hệ thống khí nén nên sẽ có rất nhiều bộ lọclàm việc, như vậy để tiết kiệm thời gian bảo trì và tăng năng suất, chúng ta nên có một số

bộ lọc dự trữ đề phòng trường hợp khẩn cấp

Tách nước: Điều này yêu cầu bình chứa phải đủ lớn để chứa đủ dung dịch, nếukhông các phần tử lọc sẽ trở thành vật thấm nước và sẽ hạn chế chức năng hoạt động, chấtlỏng sẽ bị cưỡng bức vào dòng khí nén và áp suất khí nén khuếch tán nước vì bộ lọc ngậmnước

Khí được nén phải tuân theo theo tiêu chuẩn ISO 8573-1 dành cho các ứng dụngtổng quát và theo từng ứng dụng cụ thể chúng ta phải có chất lượng khí nén cụ thể Trongmột số ứng dụng cụ thể đòi hỏi khí phải không chứa các bụi rắn, nước và dầu

Nhiệt độ cao sẽ được tạo ra khi khí được nén, lúc này hiệu suất làm lạnh khá quantrọng

Đường vào bộ lọc phải đảm bảo khí sạch và khô

Nên tránh :

 Khu vực để xe có các động cơ hoạt động

 Khu vực chứa hoá chất như các nhà máy hay kho chứa sơn

 Các điểm đặt phải tránh những khu vực có độ ẩm cao như gần kênh, mương haysông hồ Các điểm đặt phải tránh khu vực gió có thể mang bụi, cát, sỏi và rác

 Đường thông hơi đặt trên nóc nhà xưởng phải được bảo vệ tránh ảnh hưởng của khíhậu và khí thải ra từ các nhà máy

2.2.4.1 Van lọc

Van lọc có nhiệm vụ tách các thành phần chất bẩn và hơi nước ra khỏi khí nén Khi chúng ta cần có các ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm, quá trìnhsản xuất dược phẩm, hệ thống hoạt động bằng đệm khí và sơn phun thì lúc này khí nénphải được lọc tách dầu và làm sạch Các hạt bụi có kích thước lớn hơn 0,01 µm nên bị loạitrừ ra khỏi dòng khí cấp cho hệ thống, có nhiều cấp lọc khác nhau để hệ thống làm việc tốthơn

Khi khí đi vào bên trong hệ thống lọc sẽ đi qua bộ lọc qua bề mặt ngoài Bộ lọc cóthể sử dụng sợi thủy tinh hay sợi vi mô Cấu trúc một bộ lọc thường như sau: khí đi vàotheo đường số (1) vào buồng chứa và đi ra ngoài theo hướng từ trong ra ngoài Đầu tiênkhí sẽ đi qua tấm đỡ hình trụ bằng thép không gỉ (2) có thể chịu áp suất lên đến 10 bar nhưvậy tấm kim loại này trở thành bộ lọc sơ cấp và sau đó khí được đi tiếp qua miếng lọc bằngsợi thủy tinh hay sợi tổng hợp (3) Miếng xốp (4) sẽ khuếch tán khí tạo thành dòng khí cóvận tốc thấp và chống sự thấm ngược dầu