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.
Trang 1Biên Soạn: Nguyễn Đỗ Công Hiến
Trang 2PHẦN 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 12
3.1 Thành phần hóa học của khí nén 12
3.2 Phương trình trạng thái nhiệt động học 12
4 Khả năng ứng dụng của khí nén 14
4.1 Trong lĩnh vực điều khiển 14
4.2 Hệ thống truyền động 14
BÀI 2: MÁY NÉN KHÍ VÀ THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÍ NÉN 17
1 Máy nén khí và hệ thống khí nén 17
1.1 Khái quát chung 17
1.2 Máy nén khí 18
1.2.1 Nguyên lý hoạt động và phân loại máy nén khí 18
1.2.2 Máy nén khí kiểu pittông 19
1.2.3 Máy nén khí kiểu cánh gạt 24
Trang 31.2.4 Máy nén khí kiểu trục vít 26
1.2.5 Máy nén khí kiểu Root 28
1.2.6 Máy nén khí kiểu ly tâm 29
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 46
2.1 Khái niệm 46
2.2 Xy lanh 46
2.2.1 Xy lanh tác động đơn ( xylanh tác động môt chiều) 46
2.2.2 Xy lanh tác động 2 chiều (xy lanh tác động kép) 47
2.3 Động cơ khí nén 48
2.3.1 Khái niệm chung 48
2.3.2 Động cơ bánh răng 48
2.3.3 Động cơ trục vít 49
2.3.4 Động cơ cánh gạt 49
2.3.5 Động cơ Tuốcbin 51
BÀI 4: CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN 52
1 Khái niệm 52
Trang 42 Các phần tử khí nén 53
2.1 Van đảo chiều 53
2.1.1 Nguyên lí hoạt động 53
2.1.2 Ký hiệu van đảo chiều 53
2.1.3 Tín hiệu tác động 55
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
Trang 52.6.1 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 78
3.1 Các phần tử điện 78
3.1.1 Công tắc 78
3.1.2 Nút ấn 78
3.1.3 Rơle 79
3.1.4.Cảm biến 83
3.2 Van đảo chiều điều khiển bằng nam châm điện 87
BÀI 5: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN BẰNG KHÍ NÉN 88
1 Khái niệm cơ bản 88
2 Phần tử mạch lôgic 90
2.1 Phần tử lôgic NOT (Phủ định) 90
2.2 Phần tử lôgic AND ( và ) 90
2.3 Phần tử NAND (và- không) 90
2.4 Phần tử OR (hoặc) 91
2.5 Phần tử NOR (hoặc - không) 91
3 Biểu diễn phần tử lôgic của khí nén 92
3.1 Phần tử NOT (phủ định) 92
3.2 Phần tử AND (và) 92
3.3 Phần tử NAND 93
3.4 Phần tử OR 93
3.5 Phần tử NOR 94
BÀI 6: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN, THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 95
1 Biểu diễn chức năng của quá trình điều khiển 95
1.1 Biểu đồ trạng thái 95
Trang 61.2 Sơ đồ chức năng 105
1.3 Lưu đồ tiến trình 109
2 Các phương pháp điều khiển 111
2.1 Điều khiển bằng tay 111
2.2 Điều khiển tùy động theo thời gian 114
2.3 Điều khiển tùy động theo hành trình 117
2.4 Điều khiển theo tầng 125
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
Trang 7nén(1880), búa tán đinh bằng khí nén (1861) Trong lĩnh vực xây dựng đường hầmxuyên dãy núi Alpes ở Thụy sĩ (1857) lần đầu tiên người ta sử dụng khí nén với côngsuất lớn Vào những năm 70 của thế kỷ thứ 19 xuất hiện ở Pari một trung tâm sử dụngnăng lượng khí nén với công suất lớn 7350KW Khí nén được vận chuyển tới nơi tiêuthụ trong đường ống với đường kính 500mm và chiều dài km Tại nơi đó khí nén đượcnung 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 lượngbằng khí nén bị giảm dần Tuy nhiên việc sử dụng năng lượng khí nén vẫn đóng mộtvai trò cốt yếu ở những lĩnh vực mà khi sử dụng năng lương điện sẽ nguy hiểm, sửdụng năng lượng bằng khí nén ở những dụng cụ nhỏ, nhưng truyền động với vận tốclớn, sử dụng năng lượng khí nén ở những thiết bị như búa hơi, dụng cụ dập, tánđinh… 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 kỹthuật điều khiển phát triển mạnh mẽ Với những dụng cụ , thiết bị, phần tử khí nén mớiđược sáng chế và được ứng dụng trong những lĩnh vực khác nhau, sự kết hợp củanguồn năng lượng khí nén với điện – điện tử là nhân tố quyết định cho sự phát triểncủa kỹ thuật điều khiển trong tương lai Hãng FESTO (Đức) có những chương trìnhpahts triển hệ thống điều khiển bằng khí nén rất đa dạng, không những phục vụ chocông 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, vớimột 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 thểđược 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,nênkhông mất chi phí cho việc phòng cháy.Không khí nén thường hoạt động với áp suấtkhoảng 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 bụibẩn, tạp chất hay nước nên thường sạch , không một nguy cơ nào về phần vệ sinh.Tínhchất 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
Trang 8Về vận tốc: khí nén là một dòng chảy có lưu tốc lớn cho phép đạt được tốc độcao (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 nénđược 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 khínén 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 nhưtrong 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 khảnăng đàn hồi của khí nén lớn, cho nên không thể thực hiện những chuyển đổng thẳnghoặc 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 độngvuông góc lên bề mặt đó là 1Newton (N)
1Pa = 1N/m2
1Pa = 1 kgm/s2/m2 = 1 kg/m2
Trong 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/ cm2
Trong 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
Trang 92.2 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 quãngđường 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 độnglực 1Pa.s và khối lượng riêng 1kg/m2
Trang 11Giáo trình điều khiển điện- khí nén 11
Trang 12hệ 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
Trang 13pabs.V = m.R.T (1-1)Trong đó:
pabs : áp suất tuyệt đối (bar)
V : thể tích khí nén (m3)
m : khối lượng (kg)
R : hằng số nhiệt (J/ kg.K)
T : Nhiệt độ Kelvin (K)a) Định luật Boyle- Mariotte
Khi nhiệt độ không thay đổi (T = hằng số), theo phương trình nhiệt tổng quát
(1-1) ta có:
pabs.V = hằng số (1-2)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)
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
8 4
1 2
Hình 2: Sự phụ thuộc áp suất và thể tích khi nhiệt độ không đổi
Trang 14c) 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
Trang 15- Truyền động quay: Những dụng cụ vặn vít từ M4 đến M300; máy khoan, côngsuất khoảng 3.5KW; máy mài công suất khoảng 2.5KW, cũng như những máy mài vớicông suất nhỏ, nhưng với số vòng quay cao 100.000 vòng/ phút thì khả năng sử dụngđộng cơ truyền động bằng khí nén là phù hợp.
- Truyền động thẳng: Vận dụng truyền động bằng khí nén cho truyền độngthẳng trong các dụng cụ, đồ gá kẹp chi tiết, trong các thiết bị đóng gói, trong các loạimáy 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 chấtlượng sản phẩm
* Một số ứng dụng của khí nén:
Hình a: Máy hàn điểm Hình b: Máy khoan
Trang 16Hình 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
Trang 17BÀI 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) đến50.000 mã lực Theo báo cáo của cơ quan năng lượng mỹ, năm 2003 cho thấy khoảng70% - 90% khí nén bị tổn thất dưới dạng nhiệt, ma sát, tiếng ồn và do sử dụng khôngđúng Vì vậy máy nén khí và hệ thống khí nén là những khu vực quan trọng để nângcao 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 phímua 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 hệthống khí nén hợp lý có thể giúp tiết kiệm năng lượng, giảm khối lượng bảo dưỡng, rútngắn thời gian dừng vận hành, tăng sản lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm
Energy: năng lượng
Hình 2.1: Biểu đồ xương cá của hệ thống khí nén
Trang 181.2 Máy nén khí
Áp suất khí được tạo ra từ máy nén khí, ở đó ăng lượng cơ học của động cưođiện hoặc của động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệtnăng
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 thểtích của bường chứa sẽ nhỏ lại Theo định luật Boyle – Mariotte áp suất trong buồngchứa sẽ tăng lên.Máy nén khí hoạt động theo nguyên lý thể tích bao gồm: máy nén khíkiểu 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 độngnày tạo ra lưu lượng và công suất lớn Máy nén khí hoạt động theo nguyên lí này baogồm: 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 kiểupittong, 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 néntheo trục
- Ta có thể phân loại máy nén khí theo hình 7:
MÁY NÉN
Cánh quạt Vành
Trang 191.2.2 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 đượcđặc 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 sửdụng một phía của pittông Nếu máy nén sử dụng cả 2 phía của pittong là máy nén tácđộng kép
- Máy nén một cấp là máy nén có quá trình thực hiện bằng một xylanh đơn hoặcmột số xylanh song song (hình 8)
Hình 2.4: Mặt cắt của máy nén pittong
Trang 20- 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 độcửa 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 (cửađẩy) 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 mãlực nhiều cấp, trong đó hai hoặc nhiều bước nén được ghép nối tiếp nhau Không khíthường được làm mát giữa các cấp đẻ giảm nhiệt đọ và thể tích khi đưa vào cấp tiếptheo
Máy nén khí pittông có sẵn ở cả dạng làm mát không khí và làm mát nước, cóbôi trơn hoặc không bôi trơn, có thể bán dưới dạng tổng thành trọn gói với dải áp suất
và công suất rộng
b) Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của máy nén kiêu pittông một cấp ( hình 10)
Trang 21+ Không khí được hút vào khi pittong đi xuống, van nạp mở ra, van xả đóng lại do áp suất giảm xuống Đây gọi là pha hút.
+ 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
Trang 23Giáo trình điều khiển điện- khí nén 23
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
Trang 241.2.3 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 biwchstrục, rôto lắp trên trục Trục và rôto lắp lệch têm so với bánh dẫn truyền động Khi rôtoquay 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 giữacác 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 Bánhdẫn được bôi trơn và quay tròn trên thân máy để giảm bớt sự hao mòn khi các cánh tựavào nhau
Hình 2.6: Mặt cắt của máy nén khí kiểu cánh gạt
Trang 25b) 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 mộtkhoảng lệch tâm, nên khi rô to quay sang phải thì không khí sẽ được đua vào buồngnén 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 b : Máy nén khí kiểu cánh gạt Hình 2.7 : Nguyên lý làm việc của máy nén khí kiểu cánh
gạt
Trang 26
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 tronglĩnh vực nén khí, loại máy nén khí này có vỏ đặc biệt bao bọc quanh hai trục vít, mộtlồi, môt lõm
Máy nén khí kiểu trục vít hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích Máy nénkhí trục vít gồm hai trục: Trục chính và trục phụ Các răng của hai trục vít ăn khớp vớinhau và số răng trục vít lồi ít hơn số răng trục vít lõm từ 1 đến 2 răng, hai trục vít phảiquay đồng bộ với nhau
Trang 27được 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 cửathoát 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
*
Một số máy nén khí kiểu trục vít được sử dụng trong thực tế:
Hình 2.10 : Sơ đồ hệ thống máy nén khí kiểu trục vít có hệ thống dầu bôi trơn
Trang 281.2.5 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 quátrình 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
Hình a : Máy nén khí kiểu trục vít lưu độngHình a: Máy nén khí kiểu trục vít
Trang 29Máy nén kiểu root tạo ra áp suất không phải theo nguyên lý thể tích mà có thểgọi là sự nén từ dòng phía sau Điều đó có nghĩa là, khi rôto quay được 1 vòng, thì vẫnchưa tạo áp suất trong buồng đẩy, cho đến khi rô to quay tiếp đến vòng thứ 2 thì dònglưu lượng đó đẩy vào dòng lưu lượng ban đầu và cuối cùng mới vào buồng đẩy Vớinguyên 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 khívào phầm rìa của bánh đẩy làm tăng tốc độ của khí Bộ phận khuếch tán của máy sẽchuyển đổi năng lượng của tốc độ thành áp suất Máy nén khí ly tâm thường sử dụngtrong ngành công nghiệp nặng và trong môi trường làm việc liên tục Chúng thườngđược 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 dụngđộng cơ đốt trong, bộ nạp hoặc động cơ tua-bin Máy nén khí ly tâm được sử dụngtrong một động cơ tua-bin bằng gas nhỏ hoặc giống như là tầng nén khí cuối cùng củađộng cơ tua-bin gas cỡ trung bình
Hình 2.11 : Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu root
Trang 31Giáo trình điều khiển điện- khí nén 31
Trang 32Hình 2.12 : Cấu tạo máy nén khí kiểu ly tâm
Trang 331.3 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 đểgiảm 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 giảmnhiệt 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 sauđược loại bỏ nhờ bộ làm khô khí, vì khí sử dụng cho các thiết bị khí nén phải gần nhưkhô hoàn toàn Hơi ẩm bị loại bỏ nhờ sửu dụng các chất hấp thụ như sillic oxit, thanhoạt tính hoặc giàn làm khô được làm lạnh hay nhiệt độ từ các bộ sấy của máy nénkhí
- 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 bằngtay, 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 khinén- giảm sự thay đổi áp suât từ máy nén
Trang 342 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 đượchút vào, những phần tử nhỏ chất cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí Hơnnữa, trong quá trình nén, nhiệt độ của khí tăng lên, có thể gây nen quá trình ôxi hóamột số phần tử ttrên.Như vậy, khí nén bao gồm những chất bẩn đó được tải đi trongnhững ống dẫn khí, sẽ gây nên sự ăn mòn, gỉ trong ống đãn và các phần tử của hệthống 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 néntương 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 nàyđược xử lý trong thiết bị gọi là thiết bị làm lạnh tạm thời Sau đó khí nén được dẫn vàobình nhưng tụ hơi nước, ở đó độ ẩm của khí nén ( lượng hơi nước) phần lớn sẽ đượcngưng 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
Trang 35tay, những thiết bị đồ gá chi tiết đơn giản … Tuy nhiên có những yêu cầu trong hệthống 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 5loại, trong đó tiêu chuẩn về độ lớn của chất bẩn, áp suất hóa sương, lượng dầu trongkhí nén cách phân loại này nhằm định hướng cho các nhà máy, xí nghiệp chọn đúngchất 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 đoạncần 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 Giaiđoạn 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 ápsuất khí nén sẽ được làm lạnh và phần lớn lượng hơi nước chứa trong không khó sẽđược ngưng tụ và tác ra
Làm lạnh bằng không khí, nhiệt độ khí nén trong bình ngưng tụ sẽ đạt đượctrong 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
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 dầu
Hình 2.14: Các phương pháp xử lý khí nén
Trang 36
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 lạnhhoạt động trong khi có tải, không tải và hơi quá nhiệt
Hình 2.15: Nguyên lý hoạt động của bình ngưng tụ bằng nước
Trang 37Giáo trình điều khiển điện- khí nén 37
Trang 38c) 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 hơinước ở trong không khí ẩm Thiết bị gồm 2 bình Bình thứ nhất chứa chất sấy khô vàthực 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
từ 1200C đến 1800C
Hình 2.16: Sấy khô bằng chất làm lạnh
Trang 39Quá 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 trongkhông khí kết hợp với chất hấp thụ tạo thành giọt nưosc lắng xuống đáy bình Phầnnước 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 độngkhí nén, những thiết bị, đồ gá đơn giản hoặc hệ thống điều khiển đơn giản dùng khínén … 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 khínén.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, kimloại thêu kết hay là vật liệu tổng hợp
Hình 2.18: Nguyên lý hấp thụ bằng phản ứng hóa học
Trang 40Khí 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 lọcnhư 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 suấtđường 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 sovới áp suất được điều chỉnh, khí nén sẽ qua lỗ thông tác dụng lên màng , vị trí của kimvan thay đổi, khí nén qua lỗ xả khí ra ngoài Đến khi áp suất ở đường ra giảm xuốngbằng 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