Chuong 8 co luu chat

CHƯƠNG MÁY NÉN KHÁI NIỆM Máy nén dùng để vận chuyển chất khí tạo áp suất cao để phục vụ cho nhu cầu công nghiệp Giống phần bơm học, máy nén chia làm hai loại sau đây: - Máy nén thể tích: Là hút nén cưỡng lưu lượng khí qua máy nén, qua làm giảm thể tích không gian làm việc thiết bị Máy nén thể tích gồm có: máy nén piston máy nén trục vít… - Máy nén động lực: tạo áp suất cách cung cấp cho dòng khí công nhờ lực ly tâm Máy nén động lực gồm có máy nén ly tâm, máy nén turbin… Phạm vi ứng dụng loại máy nén thông dụng xem bảng 8.1 Bảng 8.1 Loại máy nén Máy nén thể tích Máy nén piston Máy nén trục vít Máy nén động lực Máy nén ly tâm Máy nén turbin Máy nén hướng trục 1.1 Áp suất (at) Năng suất (m3/h) Đạt hàng nghìn ÷ 10 ÷ 30000 ÷ 30000 ÷ 50 ÷ 20 ÷ 10 6000 ÷ 300000 6000 ÷ 900000 > 900000 Các thông số Dù làm việc theo nguyên tắc nào, máy nén phải thoả mãn ba thông số là: • Tỉ số nén, ký hiệu ε: P Là tỷ số áp suất khí vào máy nén ε = ; không thứ nguyên Pvao Trong sách thay ký hiệu Pra = P2 Pvào= P1 ⇒ ε= P2 P1 (8 – 1) • Năng suất, ký hiệu Q: Là khối lượng khí cung cấp lên thiết bị đơn vị thời gian, thứ nguyên (m /h) hay quy (m3/s) 100 • Công suất, ký hiệu N: Là công suất tiêu hao để nén vận chuyển khí Ngoài ba thông số trên, chọn máy nén cần quan tâm đến thông số khác áp suất nhiệt độ khí vào, ra, lý tính khí, số nén (khác với tỷ số nén ε) tính chất khác liên quan đến hoạt động máy 1.2 Phương trình trạng thái khí Theo Claperon phương trình trạng thái khí PV = kRT Trong R= (8 – 2) 8310 J ; (hằng số khí) M kg K v: thể tích riêng khí; m3/kg P: áp suất; N/m2 T: nhiệt độ; oK M: Khối lượng mol khí; kg/kmol Từ công thức (8 – 2) • Khí lý tưởng k = • Khí thực k ≠ Khí thực có dạng P (v – b) = kRT (8 – 3) Với b: hiệu số thể tích khí thực khí lý tưởng điều kiện làm việc Hoặc điều kiện thực, thể tích riêng tính theo công thức hiệu chỉnh sau đây: T  v = R  + 273.R ; m kg P  1.3 (8 – 4) Sự trao đổi lượng trình nén Công tiêu hao cần thiết để đưa 1kg khí từ trạng thái áp suất thấp P1 lên trạng thái áp suất cao P2 thường sử dụng phương trình biến đổi lượng khí sau: Trong  dv ∂Z ∂P Σh  dS dℓ =  + + +  gdt ∂S ρ∂S ∂S  v: vận tốc dòng khí qua máy; m/s t: thời gian nén; s Z: vị đặt máy; m S: hành trình nén; m 101 (8 – 5) P: áp suất nén; N/m2 Σh: ma sát; mcl Nếu ta xem ∂S = dS = vdt giải tích phân đại lượng, cận xác định từ trạng thái đến 12 dv v 22 − v12 ; v1 = v2 nên công biến đổi động bỏ qua • ∫ vdt = ρ1 dt 2g ∂Z • ∫ dS = Z − Z1 ; máy đặt nằm ngang nên công không ∂S Σh • ∫ dS = Σh1→ ; công nhỏ nên bỏ qua ∂S ∂P Vậy dℓ = ∫ dS : công biểu thị thay đổi áp suất hai vùng hút nén Công ρ ∂S phụ thuộc vào hành trình thời gian nén, biểu thị dạng phương trình vi phân P = f(S,t) = dP = Rút nhân thêm hai vế với ∂P ∂P dS + dt ∂S ∂t (8 – 6) : ρ ∂P 1 ∂P dS = dP − dt ρ ∂S ρ ρ ∂t (8 – 7) Xét tiếp phương trình (8 – 7) ta có: ∂P ∫ dt : công dao động áp suất thời gian nén, công nhỏ bỏ qua ρ ∂t 12 G V = cho G = 1kg khí công nén (8 - 8) ∫ dP = ∫ VdP; ρ1 ρ Mặt khác ta viết 2 1 ∫ VdP + ∫ PdV = ∫ d(V.P) 2 1 (8 – 9) Suy ra: ℓ = ∫ VdP = ∫ d (V.P ) − ∫ PdV Vậy công tiêu hao cho trình là: ℓ = V2 P2 − V1P1 − ∫ PdV ; J Ở V1P1: công tiêu hao để hút khí vào máy V2P2: công tiêu hao để đNy khí khỏi máy 102 (8 – 10) ∫ PdV : công tiêu hao để nén khí từ trạng thái (1) lên trạng thái (2) Các công biểu thị giản đồ hình (H8.1) V1P1: biểu thị diện tích (1 – – 4’ – 1’ –1) V2P2: biểu thị diện tích (2 – – 4’ – 2’ – 2) ∫ PdV : công nén diện tích (1 -2 – 2’ – 1’ – 1) Trong trình hút đNy khí, trình nhiệt động, nghĩa chất khí không thay đổi, thay đổi theo số lượng mà Do máy làm việc theo chu trình tính công theo chu trình đó, cụ thể • Công tính theo chu trình đa biến (PV)n = số n −1       P n n V1P1   − 1 ℓ= n −1  P1     (8 – 11) n −1    P  n  n = RT1   − 1 ; J kg n −1  P1     • Công tính theo đẳng nhiệt, n = PV = số P ℓ = V1P1 ln P1 (8 – 12) P2 J = RT1 ln ; P1 kg • Công tính theo chu trình đoạn nhiệt k = n; (PV)k = số 103 k −1    P2  k  k ℓ= − 1 V1P1   k −1  P1     k −1    P2  k  k = RT1   − 1 ; J kg k −1  P1     n k số nén, thông thường n ≠ (1,2 ÷ 1,62) và: ∗ Với khí nguyên tử k = (1,66 ÷ 1,67) ∗ Với khí nguyên tử k = (1,4 ÷ 1,41) ∗ Với khí nguyên tử k = (1,1 ÷ 1,33) (8 – 13) MÁY NÉN PISTON – MỘT CẤP 2.1 Phân loại máy nén Có nhiều cách phân loại khác - Phân loại theo số lần tác động: một, hai, ba tác động - Phân loại theo số cấp nén: cấp, hai cấp… - Phân loại theo phương pháp làm mát trung gian - Phân loại theo áp suất - Phân loại theo suất 2.2 Cấu tạo, nguyên lý máy nén cấp Nguyên lý hoạt động máy nén piston cấp giống máy bơm piston cấp, khác lưu chất qua máy nén khí, mà khí bị thay đổi thể tích bị nén có số công thức tính toán thay đổi chu trình nén thực thay đổi 104 Sau khác chu trình nén lý thuyết chu trình thực tế, có bốn điểm khác sau đây: a) Không thể đNy hết khí khỏi xilanh sau lần nén, phần khí giãn nở chiếm phần thể tích xilanh nên gọi “thể tích khoảng chết” biểu diễn đoạn c d hình (H8.3) b) Trọng lượng clape hút clape đNy nặng đáng kể, vật muốn clape hút mở áp suất phải thấp so với áp suất hút đại lượng ∆P1 – điểm (d) bên đNy tương tự cao đại lượng ∆P2 – điểm (b) c) Sau clape đóng lại chậm trễ hơn, biểu thị đường “ngắt đoạn” (đoạn d a b c ); điều nói áp suất làm việc không ổn định d) Do hao hụt khí qua clape séc măng (bạc), biểu diễn đường “gạch chấm chấm gạch” Qua ta thấy chu trình thực luôn khác với chu trình nén lý thuyết Các hãng sản xuất cho xuất xưởng sản phNm thị trường có kèm theo “đồ thị thị” theo catalogue, tức nhờ dụng cụ đo ghi lại biểu đồ hoạt động thực sản phNm – xem hình (H8.4) Nếu chu trình thị chu trình lý thuyết sai số so với hiệu máy cao, gần với 105 2.3 Tính suất Năng suất máy nén khí tính theo (6 – 6) Ngoài tính theo:  P2 T2  m3   Q= V2 ; s  P1T1  P1, P2: áp suất hút đNy; N/m2 T1, T2: nhiệt độ hút đNy; 0K V2: thể tích khí khỏi máy; m3 Trong 2.4 (8 – 14) Tính hiệu suất Khác với bơm piston, hiệu suất máy nén piston đại lượng phụ thuộc vào nhiều yếu tố η = ηap ηhd ηđn ηkc ; % Trong • ηap = − β ; hiệu suất áp suất, sai biệt áp suất làm việc P  β = f   = (5 ÷ 10)%  P1  • • • ηhd  P2    −  P1  ; hiệu suất hình dạng với A: hệ số cấu tạo máy = − A n.D  P  ηđn = − 10 −2    P1  xilanh ηkc n: số vòng quay; v/phút D: đường kính piston; m  − 1 ; hiệu suất đốt nóng, ma sát học piston    m  P2   = − ε'   − 1 ; hiệu suất khoảng chết gây ε’ = (3 ÷ 8)%, P    m: số polytrop tìm thực nghiệm Nhận xét: P  Hiệu suất chung phụ thuộc vào tỉ số nén η = f    P1  Khi tỷ số  P2  tăng hiệu suất giảm P   1 106 (8 – 15) 2.5 Tính công suất Công suất lý thuyết tính theo: N= G.ℓ ; kW 1000.3600.η (8 – 16) G: suất lượng khí qua máy; kg/h ℓ: công nén; J/kg η: hiệu suất; % Công suất thực, ví dụ xét công thực tế theo chu trình đoạn nhiệt k −1      P1.G.Z k  P2 k 273.∆B   − 1 + N=    ; kW 1000.3600.η.ρ (k − 1)  P1  T1     P1: áp suất hút; N/m2 Z: cấp số nén, Z = 1, 2, 3… G: suất lượng khí qua máy; kg/h ρ: khối lượng riêng khí; kg/m3 η: hiệu suất; % K: số nén đoạn nhiệt T1: Nhiệt độ khí hút; 0K ∆B: số dư chu trình đoạn nhiệt ∆B = [P1 T1 + (P1 + P2 ) + P2 T2 ](P2 - P1 ) Chú ý: Công thức (8 -17) dùng cho chu trình đa biến, (chỉ thay k = n) Ngoài ra, công suất nén tính gọn hơn: (8 – 17) Trong N= G (h − h1 ); kW 3600 (8 – 18) (8 – 19) G: suất lượng khí qua máy: kg/h h1, h2: enthalpy khí vào khỏi máy; kJ/kg 3600: quy giây; s MÁY NÉN PISTON HAI CẤP - NHIỀU CẤP Như trình bày, tỷ số P2 lớn hiệu suất giảm, đến giới hạn P1 P2 hiệu suất không Để khắc phục giảm hiệu suất này, người ta phải chọn P1 máy nén từ cấp trở lên Xem bảng 8.2 107 Bảng 8.2 Tỉ số nén P2 P1 Số cấp nén ≤7 ÷ 30 30 ÷ 150 150 ÷ 400 > 400 So sánh hai cấp so với cấp chế độ P2 Xem hình (H8.5) P1 Tên gọi điểm trạng thái (làm việc) - Diện tích (1 – 2’ – 2IV – – 1: cấp thấp (hay cấp 1) - Diện tích ( 2” – 2’’’ – – 2IV – 2’’): cấp cao (cấp 2) - Đoạn − : trình hút khí - Đoạn − 2' : trình nén cấp - Đoạn 2'−2' ' : trình làm mát khí thiết bị làm mát trung gian - Đoạn ' ' − ' ' ' : trình nén cấp - Đoạn ' '' − : trình đNy khí - t2: Nhiệt độ cuối tầm nén cấp - t2’’’: nhiệt độ cuối tầm nén hai cấp P = k' P P tg : áp suất trung gian; k = (1 ÷ 1,1) Tính nhiệt độ cuối tầm nén: k −1  k T2  P2 =  T1  P1  ; cấp k −1 T2'  P2  k ; hai cấp =  T1 P   1 108 (8 – 20) Nhìn hình (H 5) ta thấy: Nhiệt độ cuối tầm nén hai cấp thấp nhiệt độ cuối tâm nén cấpt2’’’ < t2; 0C ∗ Do chu trình nén hai cấp ưu điểm so với cấp là: • Vì nhiệt độ thấp nên chế độ bôi trơn tốt, bảo đảm dầu không bị cháy • Tuổi thọ máy nén hai cấp tốt cấp, lâu hư hỏng cấp • Đặc biệt tiết kiệm lượng hơn, cấp chi phí công nén diện tích (2’ – – 2’’’ – 2’’ – 2’) máy nén hai cấp không tốn công ∗ Tuy nhiên tồn nhược điểm sau: • Giá thành cao so với cấp • Máy cấu tạo phức tạp có thiết bị làm mát trung gian • Thợ vận hành phải đào tạo Hình (H8.6) sơ đồ chu trình nén hai cấp, tương ứng với điểm trạng thái hình (H8.5) Từ nhiệt độ t2’ giảm xuống t2’’ cần lượng nước giải nhiệt qua thiết bị làm mát trung gian, nhiệt lượng toả Q Cân nhiệt dòng vào ra, ta tính diện tích truyền nhiệt cần thiết thiết bị CÁC SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA MÁY NÉN PISTON Mỗi máy nén biểu diễn số sơ đồ nguyên lý, phạm vi giáo trình giới thiệu máy nén thông dụng Hình (H8.7) sơ đồ nguyên lý máy nén piston đứng cấp hai cấp Hình (H8.8) sơ đồ nguyên lý máy nén 2n xilanh (n = 1,2,3,4…) bố trí chữ V, ví dụ: có xilanh phân bố sau: xilanh làm việc cấp thấp, xilanh cấp cao, hay 12 xilanh chia làm xilanh cấp thấp, xilanh cấp cao v.v…, bố trí đối xứng để hoạt động máy dễ cân 109 Hình (H8.9) sơ đồ nguyên lý máy nén 2n xilanh bố trí theo chữ W, phân chia số lượng xilanh theo cấp nén giống hình (H8.8) dẫn Ngoài ra, ngày máy nén có suất lớn nên người ta bố trí nhiều xilanh máy, bố trí hình hai chữ W CÁC CHI TIẾT CHÍNH CỦA MÁY NÉN PISTON Về mặt chi tiết cấu tạo máy nén khí piston giống máy bơm piston, khác vài chi tiết phụ mà Sau chi tiết máy nén Thân máy hay – te: Là phần bao bọc toàn chi tiết khác máy, chịu tải trọng lớn nên thân chế tạo từ kim loại gang, thép, nhôm hợp kim Hình (H8.10) mô tả thân máy nén xilanh bố trí chữ V hãng MYCOM – Nhật Bản sản xuất Trong xilanh cấp thấp xilanh cấp cao, chế tạo gang 110 Để giải nhiệt cho thân phần tiếp xúc với piston máy hoạt động, sử dụng nước sơmi nước không khí tản nhiệt Hình (H8.11) mô tả xilanh, nhìn hình (H8.10) ta thấy xilanh gắn vào vị trí (b) gắn trực tiếp vào thân máy, xilanh chi tiết dễ bị mài mòn sécmăng, thay vượt độ mòn cho phép Hình (H8.12) mô tả cấu tạo piston, piston chuyển động tịnh tiến lên xuống lòng xilanh, nối với trục máy ắc (b) piston gắn sécmăng (c) mục đích không cho thoát séc măng dầu (d) với mục đích ngăn dầu lọt lên vùng làm việc, số lượng séc măng tham khảo theo bảng 8.3 111 Bảng 8.3 Áp suất làm việc (at) Số lượng vòng (cái) ≤5 2÷3 ÷ 30 3÷6 30 ÷ 120 ÷ 12 120 ÷ 350 12 ÷ 24 Hình (H8.13) mô tả hình dạng truyền (a) Nhiệm vụ biến từ chuyển động quay trục máy sang chuyển động tịnh tiến lên xuống piston lòng xilanh Để liên kết truyền piston cần ắc (b) để giảm ma sát truyền trục máy phải gắn bạc thau (c) Bạc thau (c) thị trường gọi “bạc dên” chi tiết bị bào mòn nhiều sau séc măng, thường xuyên thay Sau trục máy, truyền chịu tải trọng lớn, nên chế tạo thép hợp kim cao Trục máy: gọi trục khuỷu, chi tiết chịu tải trọng động lớn nhất, chi tiết có giá trị máy nén, chế tạo kim loại cứng, bền, dai ,không bị uốn Hình (H8.14) mô tả trục máy nén hiệu YORK – xilanh USA sản xuất Trên trục máy có lỗ thông để dẫn dầu nhớt bôi trơn toàn chi tiết cần thiết phải bôi trơn máy séc măng dầu, phốt đệm kín,… nhờ cấu đối trọng mà làm cho máy hoạt động vượt qua hai điểm chết dễ gây hư máy 112 Hình (H8.15) mô tả cấu tạo phốt đệm kín, giả thiết áp suất (P1) lớn áp suất khí (Pkq) dầu thân máy bắn theo đường trục máy ngược lại, không khí lọt vào máy (P1) nhỏ (Pkq) Như vậy, phốt đệm kín giải ngăn cách hai vùng áp suất Phốt đệm có cấu tạo phức tạp cần bôi trơn tốt Hình (8.16) mô tả bơm bánh học (H6.6) chương Trục bơm bánh trục phụ, trục trục máy nén Khi máy nén hoạt động trục phụ quay, vị trí bánh thay đổi theo chiều mũi tên hình vẽ đồng thời trình bơm xảy ra, dầu đưa lên ống đNy vào hệ thống ống bơi trơn khắp máy nén 113 Hình (H8.17) mô tả cấu tạo loại clape Clape chi tiết quan trọng máy nén, hiệu suất cao hay thấp phần clape định Cấu tạo clape gồm: đế gắn thép đàn hồi thép đế hở khí làm việc chui qua lỗ để lên vùng nén, thép đế liên kết bulong 4, clape thường gắn đầu xilanh MÁY THỔI Ứng dụng máy thổi để vận chuyển loại hạt thực phNm chế phNm sinh học dạng khô sau sấy kỹ Về yêu cầu kỹ thuật sử dụng máy thổi lượng tiêu hao vừa đủ, đạt suất, lĩnh vực máy thổi ứng dụng công nghệ lên men, khí nhiều lĩnh vực khác Máy thổi có nhiều loại, người ta lấy máy nén cấp làm máy thổi Thông dụng sử dụng máy thổi hai guồng quay số tám, xem hình (H8.18) 114 Loại máy hiệu suất thấp so với loại máy khác, làm việc an toàn, đặc biệt làm việc khu vực bụi, Nm, khối lượng gọn, nhẹ, giá vừa phải, lại dễ tìm kiếm, máy phổ biến Nguyên tắc làm việc sau: hai guồng quay ngược chiều tạo nên hai vùng hút đNy khí Máy chế tạo gang nhôm • Năng suất tính theo: n m3 Q = 2πr ℓ.Ψ.ϕ ; (8 – 21) 60 s Trong r: bán kính guồng số 8; m ℓ: chiều rộng guồng; m ϕ: hệ số hình dạng guồng Ψ: hệ số làm kín hai guồng (0,75 ÷ 0,80) n: số vòng quay; v/phút • Công suất máy thổi: N= Trong G.Σh Q.Σh = ; kW 1000.3600.ρ.η 1000.3600.η G: suất lượng khí qua máy thổi ; kg/h Σh: tổng tổn thất áp suất hệ thống; N/m2 ρ: khối lượng riêng khí điều kiện làm việc; kg/m3 1000: quy kW 3600: quy giây Q: suất: m3/h η: hiệu suất (0,7 ÷ 0,9) 115 (8 – 22) BÀI TẬP Bài Dùng máy nén piston cấp để nén thể tích V = 460 m3/h khí NH3 từ áp suất P1 = 2,5at lên P2 = 12at, biết nhiệt độ vào t1 = -100C, hiệu suất η = 70%, làm việc theo chu trình đoạn nhiệt, biết số đoạn nhiệt k = 1,29 Tính thông số máy nén? Bài giải: Tính công nén theo chu trình đoạn nhiệt, dùng công thức (8 -13) k −1    P2  k  k (1) − 1 ; J/kg ℓ= RT1   k −1 P       Trong đó: k = 1,29 R= 8310 8310 J = = 489; M 17 kg K P2 = 12 at P1 = 2,5at Thế vào (1) 1,29 −1    12  1,29  1, 29 J ℓ= 489.263  − 1 = 240000 ;  1, 29 − kg  2,       Vậy công suất tính theo (8 – 16) 350.240000 G.ℓ = = 33,5 ; kW N= 1000.3600.η 1000.3600.0,7 Trong đó: G = ρ.V = M.V 17.V kg = = 0,76.460 = 350; 22,4 22,4 h Tính nhiệt độ cuối tâm nén cấp theo công thức (8 – 20) T2  P2  =  T1  P1  k −1 k 1, 29 −1  1, 29  12 ⇒ T2 = 263   2,5  = 374 K = 101 0C Đáp số: ℓ = 240000J/kg; N = 33,5kW; T2 = 1010C Bài Có máy nén đường kính D = 180mm, hành trình piston chuyển động lòng xilanh S = 200mm, máy chạy với số vòng quay n = 240 v/phút, thể tích khoảng chết chiếm 5% thể tích piston biết số polytrop m = 1,25 (là số đa biến giản nỡ khí khoảng chết) 116 Hỏi: máy nén lượng khí G = 100kg/h đạt áp suất P2 = 4,5at không? Bài giải Theo công thức tính suất (6 – 6) Q = V n Ψ.i.ηkc ; m3/s 60 (1) Ψ=1 i=1 Với: V= ηkc πD n S ; thể tích xilanh 60    P2  m  = − ε'   − 1 ; hiệu suất khoảng chết, % P    ε’ = 0,05; m = 1,25 (đề cho) Thế vào (1)    , 25 3,14.0,18 240  ,    Q= 0,2 .1 − 0,05 − 1  = 0,016 ; m3/s     60       Quy m3/h ⇒ Q = 0,016.3600 = 57,6 m3/h Chọn khối lượng riêng khí môi trường 200C ρ = 1,2 kg/m3 Quy kg/h ⇒ G = ρ.Q = 1,2 57,6 = 69,12 kg/h Kết luận: so với yêu cầu suất G = 100 kg/h đạt 69,12 kg/h không đạt Vậy muốn đạt phải thay đổi hai thông số đầu đề là: 100 240 = 347 vòng/phút 69,12 100 Hoặc tăng áp suất đầu hút theo sơ đồ: P1 = = 1,47at (trong đề P1 = 1at) 69,12 Chỉnh tăng số vòng quay lên: n = 117 CÂU HỎI ÔN TẬP Trình bày thông số máy nén? Sự trao đổi lượng trình nén? Các loại công nén? Cấu tạo nguyên lý làm việc máy nén cấp? Ảnh hưởng tỷ số nén lên hiệu suất máy? Tính công suất? So sánh ưu nhược điểm máy nén hai cấp với cấp? Tìm hiểu sơ đồ nguyên lý máy nén piston? Các chi tiết máy nén piston? 10 Máy thổi khí hai guồng số Cấu tạo tính công suất? 118 ... ](P2 - P1 ) Chú ý: Công thức (8 -17) dùng cho chu trình đa biến, (chỉ thay k = n) Ngoài ra, công suất nén tính gọn hơn: (8 – 17) Trong N= G (h − h1 ); kW 3600 (8 – 18) (8 – 19) G: suất lượng khí... chu trình đoạn nhiệt, dùng công thức (8 -13) k −1    P2  k  k (1) − 1 ; J/kg ℓ= RT1   k −1 P       Trong đó: k = 1,29 R= 83 10 83 10 J = = 489 ; M 17 kg K P2 = 12 at P1 = 2,5at Thế... nén, công nhỏ bỏ qua ρ ∂t 12 G V = cho G = 1kg khí công nén (8 - 8) ∫ dP = ∫ VdP; ρ1 ρ Mặt khác ta viết 2 1 ∫ VdP + ∫ PdV = ∫ d(V.P) 2 1 (8 – 9) Suy ra: ℓ = ∫ VdP = ∫ d (V.P ) − ∫ PdV Vậy công tiêu