TÀI LIỆU máy nén khí li tâm

Máy nén khí là dụng cụ dùng để nâng áp suất một chất khí với một lưu lượng nào đó nên một áp nhât định để phục vụ cuộc sống sinh hoạt và sản xuất của con người. Phân loại máy nén khí Có nhiều cách để phân loại máy nén khí tùy thuộc vào đặc điểm và tính chất và nguyên lý hoạt động ta có thể phân ra: 1. Dựa vào cấu tạo Được phân làm 3 loại: Máy nén khí kiểu Piston Máy nén khí kiểu Rôto Máy nén khí kiểu Ly tâm 2. Dựa vào phương pháp dẫn động Được phân làm 3 loại: Máy nén khí được dẫn động bằng động cơ đốt trong (động cơ hoạt động bằng khí, động cơ xăng, động cơ diezel…). Máy nén khí được dẫn động bằng động cơ điện (động cơ 1 pha hoặc 3 pha, động cơ điện áp thấp, động cơ địên áp cao..). Máy nén khí được dẫn động bằng tuabin (tuabin khí hoặc tuabin hơi). 3. Dựa theo cấp số nén Được phân làm 2 loại: Máy nén khí một cấp: khí được nạp và nén một lần rồi đem ra sử dụng. Máy nén khí nhiều cấp: khí được nạp và nén nhiều lần rồi mới đem ra sử dụng. Muốn có áp suất khí nén lớn thì càng phải có nhiều cấp nén. 4. Dựa theo nguyên tắc nén khí Được chia ra làm 2 loại: Máy nén khí hoạt động theo nguyên tắc giảm thể tích chứa: với loại máy nén khí này, khí được lấy từ khộng gian có áp suất nhỏ đưa vào một không gian kín (không gian công tác) sau đó được nén và tăng áp suất do giảm thể tích (máy nén khí kiểu piston và kiểu rôto). Máy nén khí hoạt động theo nguyên tắc biến đổi động năng: với loại máy nén khí này, khí được truyền với vận tốc lớn và được nén nhờ sự biến đổi động năng của dòng khì chuyển động thành công nén (máy nén khí Ly tâm). PHẦN I: MÁY NÉN KHÍ LY TÂM I. CẤU TẠO CỦA MÁY NÉN KHÍ LY TÂM Nguyên lý hoạt động của máy nén ly tâm là nó dựa vào khả năng thay đổi dạng năng lượng của của vật chất. Cụ thể ở máy nén khí ly tâm là biến đổi từ động năng sang thế năng (áp suất) của các phần tử khí.

MÁY NÉN KHÍ

Máy nén khí là dụng cụ dùng để nâng áp suất một chất khívới một lưu lượng nào đó nên một áp nhât định để phục vụ

cuộc sống sinh hoạt và sản xuất của con người.

Phân loại máy nén khí

Có nhiều cách để phân loại máy nén khí tùy thuộc vào đặcđiểm và tính chất và nguyên lý hoạt động ta có thể phânra:

1 Dựa vào cấu tạo

Được phân làm 3 loại:

- Máy nén khí kiểu Piston

- Máy nén khí kiểu Rôto

- Máy nén khí kiểu Ly tâm

2 Dựa vào phương pháp dẫn động

Được phân làm 3 loại:

- Máy nén khí được dẫn động bằng động cơ đốt trong (động

cơ hoạt động bằng khí, động cơ xăng, động cơ diezel…)

- Máy nén khí được dẫn động bằng động cơ điện (động cơ 1pha hoặc 3 pha, động cơ điện áp thấp, động cơ địên ápcao )

- Máy nén khí được dẫn động bằng tuabin (tuabin khí hoặctuabin hơi)

3 Dựa theo cấp số nén

Được phân làm 2 loại:

- Máy nén khí một cấp: khí được nạp và nén một lần rồiđem ra sử dụng

- Máy nén khí nhiều cấp: khí được nạp và nén nhiều lần rồimới đem ra sử dụng Muốn có áp suất khí nén lớn thì càngphải có nhiều cấp nén

4 Dựa theo nguyên tắc nén khí

Được chia ra làm 2 loại:

- Máy nén khí hoạt động theo nguyên tắc giảm thể tíchchứa: với loại máy nén khí này, khí được lấy từ khộng gian

có áp suất nhỏ đưa vào một không gian kín (không giancông tác) sau đó được nén và tăng áp suất do giảm thể tích(máy nén khí kiểu piston và kiểu rôto)

- Máy nén khí hoạt động theo nguyên tắc biến đổi độngnăng: với loại máy nén khí này, khí được truyền với vận tốclớn và được nén nhờ sự biến đổi động năng của dòng khìchuyển động thành công nén (máy nén khí Ly tâm)

PHẦN I: MÁY NÉN KHÍ LY TÂM

I CẤU TẠO CỦA MÁY NÉN KHÍ LY TÂM

Nguyên lý hoạt động của máy nén ly tâm là nó dựa vào khả năng thay đổi dạng năng lượng của của vật chất Cụ thể ở máy nén khí ly tâm là biến đổi từ động năng sang thế năng (áp suất) của các phần tử khí

1 Vỏ máy

So sánh với loại vỏ dọc thì loaị vỏ tháo ngang được sử dụng phổ biếnhơn do dễ sửa chữa các bộ phận bên trong Tuy nhiên loại vỏ tháongang có nhực điểm là vùng có khả năng rò rỉ rộng nó sẽ không phùhợp để nén các loại khí nhẹ, khí nguy hiểm ở áp cao.

2 Cánh quạt và trục.

Là một bộ phận của máy nén khí ly tâm dùng để tăng vận tốc của khí

Có ba loại cánh quạt là: cánh hở, cánh nửa hở và cánh kín được minhhoạ như hình vẽ dưới đây:

- Loại cánh hở thường được sử dụng cho máy nén ly tâm chỉ cómột cấp

- Loại cánh nửa hở được sử dụng cho dòng lớn, thường sử dụngcho máy nén đơn cấp hay cấp đầu tiên của máy nén nhiều cấp

- Loại cánh kín được sử dụng chủ yếu trong máy nén nhiều cấp.Trong máy nén khí ly tâm dòng khí ít được kiểm soát nhất là trong loại

Thông thường màng ngăn được chế tạo bằng gang hoặc bằng kim loạicứng, nó được gắn với vỏ và không quay theo trục của máy nén.

Màng ngăn có thể có thể phải được làm nguội Nó đóng vai trò làmnguội khí khi

nén

Bên trong của màng có đường ống hút và đẩy thông với nhau, nhờ đó

mà nước làm mát có thể lưu thông qua để làm mát Khi đó nhiệt độcủa màng sẽ giảm

4 Cánh dẫn hướng

Cánh dẫn hướng có thể cố định hoặc có khả năng di chuyển, thôngthường được đặt ở phía trước lỗ hút của một cánh quạt khác để có tácdụng dẫn dòng khí đi vào lỗ hút của cánh quạt

Cánh dẫn hướng trong máy nén ly tâm nhiều cấp được đặt ở cuốiđường hồi của màng ngăn.

Khí sau khi dời khỏi cánh quạt sẽ đi vào vùng khuyếch tán và được dẫnhồi trở lại nhờ cánh dẫn hướng vào cánh quạt tiếp theo

Đường vào cánh dẫn hướng có thể thay đổi được

Với cánh có khả năng điều chỉnh, góc của dòng khí vào cánh quạt cóthể được thay đổi hay điều khiển đuợc Góc đó ảnh hưởng đến đặcđiểm làm việc của cánh quạt Công suất của máy nén vì vậy cũng cóthể điều chỉnh được bằng sự điều chỉnh cánh dẫn hướng Ở một số máynén khí, cánh dẫn hướng được thiết kế để tự động điều chỉnh công suấtgiữ cho máy làm việc trong phạm vi công suất của nó

5 Vòng đệm trục

Vì màng ngăn không quay theo trục của máy nén nên giữ chúng phải

có một khoảng hở Khí đi qua cánh quạt được tăng áp suất nên chúng

có khả năng quay trở lại trước miệng hút Vòng đệm trục nhằm mụcđích hạn chế khả năng đó

a Vòng đệm khuất khúc

Minh hoạ hình vẽ dưới đây:

Đó là bộ các vòng kim loại có hình răng cưa bao quanh trục Các răngnày không chạm vào trục Các vòng này thường là kim loại mềm đểtránh hư hỏng trục trong trường hợp bị cọ sát với trục Giữa các răngcưa hình thành các không gian rối như minh hoạ ở hình vẽ.

Khi khí đi vào khoảng không rối này chúng sẽ đổi hướng và chậm lại,nhờ đó hạn chế khí rò rỉ ra ngoài Tuy nhiên, vòng đệm này khôngngăng được hoàn toàn rò rỉ vì vậy chúng chỉ có thể sử dụng ở nhữngnơi áp suất thấp và chấp nhận một phần khí rò rỉ, chẳng hạn như ởgiữa các cấp nén

Nếu dòng khí có vận tốc cao, một lượng khí không thay đổi trực tiếptrong vòng làm kín mà đi thẳng qua đường dẫn giưã răng của vòngđệm khuất khúc và trục

Một kiểu kết cấu khác của vòng đệm khuất khúc là trên trục có răng

Khí không thể chảy qua vòng đệm theo một đường thẳng

Cũng có nhiều trường hợp vòng đệm khuất khúc được sử dụng thêmgiữa vỏ máy và trục máy như minh hoạ ở hình vẽ dưới đây:

Một cách khác để khắc phục tình trạng trên là cả trục lẫn vòng đệmđều được tạo răng ăn khớp nhau Với kết cấu đó, khí dòng khí đi quaphải đổi hướng chuyển động nhiều hơn do đó tốc độ sẽ giảm nhiều hơn

và kết quả là hạn chế được rò rỉ nhiều hơn

Nếu khí nén trong máy nén khí là khí độc hại, nguy hiểm thì cần córãnh để hứng khí rò rỉ, từ đó khí được dẫn tới một nơi an toàn

Cũng với cấu tạo như hình vẽ trên, người ta có thể dẫn tới đó một dòngkhí trơ áp lớn hơn áp suất trong máy nén

Rõ ràng với cấu tạo như thế khí trong máy nén không thể đi ra ngoàiđược Nhưng tất nhiên khí trơ sẽ rò rỉ ra ngoài và vào trong máy nén.

b Vòng đệm kín giới hạn

Các vòng này được đặt phía bên trong cuả vòng bít, vòng bít này khôngtiếp xúc với trục Mặt trong của vòng đệm ngăn ngừa rò rỉ dọc theotrục, còn mặt tiếp xúc theo phương thẳng đứng giữa vòng bít và vòngđệm ngăn ngừa rò rỉ phía ngoài vòng đệm.

Vòng làm kín cũng được sử dụng trong liên kết với loại vòng đệm khuấtkhúc để giảm hơn nữa sự rò rỉ.

c Vòng đệm kín tiếp xúc cơ học

Các bộ phận chính của loại vòng đệm này là vòng tĩnh, vòng quay vàvòng carbon Vòng quay được bắt chặt với trục máy còn vòng tĩnh thìkhông Mặt tiếp xúc giữa vòng carbon với vòng tĩnh và với vòng quayngăn không cho khí rò rỉ.

Loại vòng đệm này phải sử dụng dầu bôi trơn Ngoài tác dụng bôi trơn,dầu còn đóng vai trò làm mát và tạo đệm kín giữa các khe hở do tiếpxúc cơ học Áp suất phải lớn hơn áp suất khí tại vùng đệm kín khoảng

với trục Khi trục quay dầu sẽ đi vào khoảng hở này và bịt kín đường rò

rỉ của khí Tuy nhiên áp suất của dầu phải cao (cao hơn áp suất dòngcông nghệ từ 0.3 – 1bar) Hệ thống cung cấp dầu của loại đệm nàycũng tương tự như loại tiếp xúc cơ học Áp suất trong máy nén khí cóthể thay đổi, vì vậy áp suất dầu làm kín cũng phải thay đổi cho phùhợp

Loại đệm kín này hầu như ngăn được rò rỉ tuyệt đối và không tạo ra masát, mài mòn các bộ phận đệm kín Tuy nhiên nó đòi hỏi phải có một hệthống cung cấp dầu cao áp liên tục, dầu phải sạch Dầu sau khi bịnhiểm bẩn phải được thu hồi, làm sạch và làm nguội Nếu lượng dầucần phải lưu thông nhiều trong hệ thống thì chứng tỏ các vòng đệm đãgiảm hiệu quả

Một số khí như oxy rất nguy hiểm khi hoà trộn với dầu, vì vậy trongnhững trường hợp như vậy cần thay dầu bằng một chất lỏng phù hợpkhác

6 Ổ bi.

Cũng như máy bơm ly tâm, trục của máy nén ngoài chuyển động quaycòn có cả chuyển động theo phương dọc trục và chuyển động theo bánkính của trục gọi là lực dọc trục và lực hướng tâm Hai chuyển độngnày cần phải được triệt tiêu Các ổ bi ngoài các tác dụng giảm ma sátcòn có tác dụng triệt tiêu các chuyển động này

Dưới đây là hình minh hoạ một số kiểu ổ bi thường hay sử dụng.

Ổ bi minh họa dưới đây dùng để chống lại chuyển động theo trục

Hai loại ổ bi dưới đây thường được sử dụng để chống lại chuyểnđộng theo phương bán kính

Tất cả các ổ bi này đều phải được bôi trơn.

7 Ngăn cân bằng

Trong máy nén ly tâm nhiều cấp, lực do áp suất tác dụng lên hai chiềukhông cân bằng nhau Rõ ràng phía áp suất cao có lực tác dụng lớnhơn, do đó trục có xu hướng chuyển động về phía miệng hút

Đó là một bộ phận gắn liền với trục ở cuối miệng hút của máy nén khí,được chia thành hai phần, phần phía miệng hút của trục thì chịu tácdụng của áp suất khí ở cửa xả, còn phần phía bên cửa xả của trục thìchịu tác dụng của áp suất khí tại miệng hút Còn cánh quạt thì chịu tácdụng theo chiều ngược lại Theo phân tích lực như vậy cho thấy lực tácdụng lên trục sẽ cân bằng hơn.

Với cách bố trí này, các ổ bi vòng đệm ở cả hai phía của trục chỉ chịutác dụng của áp suất bằng áp suất tại miệng hút.

8 Hệ thống bôi trơn

hệ thống bôi trơn được minh hoạ như hình vẽ dưới đây:

Trong hệ thống này dầu được cung cấp cho các ổ bi ở áp suất cao Nếutrong trường hợp hệ thống bội trơn có sự cố thì các ổ bi không thể hoạtđộng được

thông thường một bơm dầu được gắn trực tiếp vào động cơ chính, nóhoạt động liên tục trong quá trình máy nén hoạt động Tuy nhiên một

số máy nén cần phải được bôi trơn trước khi khởi động, vì vậy cần phải

có một bơm dầu phụ hoạt động độc lập

Khi dầu đi ra khỏi máy nén, nó đã nóng và có chứa các chất bẩn Vì vậytrong hệ thống dầu phải có thiết bị trao đổi nhiệt để làm nguội dầu và

có thiết bị lọc để lọc các chất bẩn ra khỏi dầu Cả hai thiết bị này đềuphải có dự phòng để hệ thống có thể hoạt động liên tục

Do nhiệt độ và áp của dầu là cực kỳ quan trọng đối với sự hoạt độngcủa máy nén nên thường có chuông báo động khi nhiệt độ của dầu quácao hoặc áp suất dầu quá thấp Ngoài ra còn có thể có thêm bộ phậnngừng hoạt động của máy nén nếu các thông số này trở nên quá nguyhiểm.

9 Hệ thống làm mát

Vì khi nén, nhiệt độ của khí tăng, tỷ số nén cao thì nhiệt độ càng lớn Vìvậy cần thiết phải làm mát khí Một số hình thức làm mát được minhhoạ ở các hình vẽ dưới đây

10 Động cơ dẫn động

Máy nén ly tâm chuyển động quay từ 3000-50.000 v/ph (RPM) Thôngthường thì máy hoạt động trong khoảng từ 3000- 12.000 RPM Với máynén ly tâm, tốc độ 3000RPM được coi là tốc độ thấp và 10.000 RPMđược coi là tốc độ cao

RPM, muốn đạt tốc độ lớn hơn thì phải sử dụng hệ thống bánh răng đểtăng tốc Với turbine hơi nước thì tốc độ có thể đạt tới rất cao Tốc độcủa turbine hơi nước có thể điều khiển bằng cách điều khiển lượng hơinước tới turbine Motor điện là hai loại động cơ chính thường hay sửdụng ở các nhà máy hoá lọc dầu, chế biến khí.

Nếu động cơ dẫn động là turbine thì cần phải có bộ phận điều chỉnh tốc

độ để giữ cho tốc độ không thay đổi

Bộ phận điều chỉnh này có thể là một động cơ phát điện đượcgắn vào trục turbine Khi turbine quay càng nhanh dòng điện phát sẽcàng lớn, ngựoc lại khi turbine quay càng chậm thì dòng điện sinh racàng nhỏ, dòng điện này chính là tín hiệu để điều khiển van cung cấphơi nước tới turbine (như hình vẽ trên)

Ngoài ra một hình thức điều chỉnh tốc độ bằng bộ điều tốc ly tâmđược minh hoạ như hình vẽ dưới đây:

Khi trục quay lực ly tâm tác dụng lên quả văng càng lớn và làm choquả văng càng bè ra Chính tác động này đẩy đòn bẩy đóng van điềukhiển lượng hơi nước tới turbine.

Một hình thức nữa để bảo vệ turbine là nó có bộ phận tự ngưnghoạt động như minh hoạ ở hình dưới đây:

Khi hoạt động bình thường, lò xo giữ chốt đối trọng nằm chìm trong

Một số thiết bị dừng hoạt động dựa vào các thông số khác như áp suấtdầu, nhiệt độ của nước làm mát, áp suất dầu đệm kín và các thông sốquan tọng khác Các thiết bị này sẽ ngừng hoạt động của động cơchính khi cho là máy trong tình trạng nguy hiểm Trước đó chuông báo

sẽ cho người vận hành biết để sửa chữa sự cố

II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Các hình vẽ dưới đây minh hoạ nguyên lý làm việc của máy nén ly tâm

Khi cánh quạt quay, các phần tử khí sẽ được tăng tốc và nó bị đẩy ra

xa nhờ lực ly tâm, kết quả là động năng của các phân tử tăng lên Khísau khi thoát ra khỏi cánh quạt sẽ tiếp

tục đi vào bộ phận khuếch tán (diffuser), tại đây vận tốc bắt đầu giảm

và động năng của khí chuyển thanh thế năng (áp suất) Khí tiếp tục đivào vòng xoắn ốc (volute), tại đây động năng tiếp tục chuyển thành ápsuất

Trong nhiều trường hợp, người ta ghép nhiều máy nén ly tâm thànhmột máy ly tâm nhiều cấp được minh hoạ như hình vẽ dưới đây:

Mỗi cánh quạt gọi là một cấp Sau khi khí đã được nén xong ở cấp thứnhất, nó sẽ tiếp tục đi vào cấp thứ hai, cứ thế cho đến khi đi qua tất cảcác cấp Hình thức tăng vận tốc của các phân tử khí, chuyển động năngthành áp suất thì cũng tương tự như đối nguyên lý máy nén một cấp.

III VẬN HÀNH VÀ BẢO DƯỠNG MÁY NÉN KHÍ LY TÂM

1 sốc (surging)

Thông thường áp suất ngay tại miệng đẩy phải lớn hơn áp suất của nơicần chuyển khí tới (gọi là áp suất của hệ thống) Do một nguyên nhânnào đó mà áp suất của hệ thống cao hơn áp suất tại miệng đẩy củamáy nén, rõ ràng khí không thể chuyển tới hệ thống được mà ngượclại khí từ hệ thống sẽ chuyển ngược lại nguồn ban đầu qua máy néncho đến khi áp suất của hệ thống nhỏ hơn áp suất tại miệng đẩy củamáy nén Trong trường hợp này khí chuyển động qua lại máy nén Hiệntượng như vậy gọi là hiện tượng sốc

Sốc có thể gây hư hỏng máy nén Sốc thường sảy ra khi máy nén hoạtđộng dưới năng suất thiết kế tối thiểu Để ngăn ngừa hiện tượng nàyxảy ra, người ta có thể thiết kế thêm van xả khí hoặc ống bypass nhưtrình bày trong mục dưới đây

2 Xả khí và by-pass

Máy nén khí thường có gắn thêm một van xả khí phía sau hoặc lắpthêm một ống by-pass nối liền trước máy với sau máy, van xả khí vàống by-pass được minh hoạ như hình vẽ sau:

Trên hình vẽ trên, van xả thực chất là van an toàn áp suất Khi áp suấtsau máy nén cao hơn setpoint (áp suất mong muốn được đặt cho van

an toàn) thì van này sẽ tự động mở để xả khí ra ngoài Trong côngnghiệp, khí xả này thường được xả vào một hệ thống ống rồi dẫn tớiđuốc đốt hoặc dẫn tới hệ thống thu hồi

xảy ra hiện tượng sốc thì van sẽ mở để hồi lưu một phần khí từ phíasau máy nén quay trở lại bổ sung vào nguồn khí đang nén Ống hồi lưuđược đặt sau thiết bị làm nguội khí vì khí sau khi nén sẽ nóng nếu hồilưu sẽ làm nóng thêm.

3 Mục đích điều khiển

Có 3 mục đích chính:

- Vận chuyển một lượng khí không đổi

- Vận chuyển lượng khí sinh ra

- Vận chuyển lương khí cần

Để thực hiện các mục đích này người ta có thể điều chỉnh van cung cấpkhí tới máy nén hoặc thay đổi tốc độ động cơ chính Tuỳ theo mục đíchđiều khiển mà tin hiệu điều khiển sẽ khác nhau Trong trường hợp vậnchuyển khí với lưu lượng không đổi thì chúng ta có thể lấy tín hiệu làlưu lượng dòng khí để điều khiển Trong trường hợp vận chuyển khí sinh

ra thì áp suất khi nơi sản suất là tín hiệu Còn trường hợp vận chuyểnlượng khí cần thì tín hiệu điều khiển là áp suất khí nơi tiêu thự nhưminh hoạ ở hình sau:

4 Nối song song và nối nối tiếp

Cũng như máy bơm, máy nén cũng có thể nối song song hoặc nối nốitiếp Nôi song song nhằm tăng lưu lượng dòng khí cần nén còn nối nốitiếp nhằm tăng áp suất khí cần nén Tất cả các máy nén mắc songsong đều phải có lắp đặt van một chiều để tránh trường hợp dòng khíchảy ngược trở lại.

Van một chiều chỉ ngăn dòng khí chảy ngược trở lại qua máy nénnhưng không ngăn được triệt để hiện tượng sốc Để khắc phục hiệntương này thì vẫn phải cần sự hỗ trợ của van xả khí hoặc ống bypassnhư đã nói ở trên Lưu ý ống by-pass phải đặt trước van một chiều

5 Trách nhiệm của người vận hành

Phát hiện nhưng điều bất thường trước khi xảy ra sự cố Một số sự cố

có chuông báo động ở phòng điều khiển nhưng cũng có sự cố phải pháthiện trực tiếp tai hiện trường

Trong khi đi kiểm tra, người vận hành cần phải kiểm tra các thông sốvận hành quan trọng như lưu lượng dòng dầu đệm kín (nếu cao chothấy các vòng đệm bị mòn nhiều), mức dầu trong bồn chứa (nếu cạnthì phải bổ sung thêm), …

Lưu ý trong một số máy nén, hệ thống dầu đệm kín và dầu bôi trơn cóthể chung nhau bồn chứa và có thể cả bơm, nhưng thông thườngchúng là hai hệ thống riêng biệt Vì vậy khi bơm dầu đệm kín bị hỏngthì bơm dầ bôi trơn không cung cấp dầu bôi trơn đến các vòng đệm kín

và ngược lại

kiểm tra các thiết bị lọc dầu, chênh lệch áp suất trước va sau thiết bịlọc lơn hơn múc thiết kế cho thấy thiết bị lọc đã bị bẩn cần phải chuyểnsang nhánh dự phòng và làm sạch thiết bị lọc bị bẩn

Đối với thiết bị làm mát cũng vậy, khi nhận thấy hiệu suất làm nguộigiảm thì phải chuyển sang nhánh dự phòng và làm sạch thiết bị kémhiệu quả

Kiểm tra và phát hiện tiếng kêu lạ trong máy

Ghi chép đầy đủ các thông số vận hành quan trọng trên đồng hồ đosau những khoảng thờ gian nhất định (2 giờ một lần), cũng như ghi lại