Máy nén nhiều cấp được làm theo 2 cách chính:
loại có piston dạng vi sai và một số cấp nén trong một xilanh
loại có nhiều cấp nén trong các xilanh riêng rẽ. Ta xét một số trường hợp.
a. Máy nén 2 cấp có piston vi sai tác dụng 2 hướng
Trong máy nén loại này các cấp nén được bố trí theo 2 bên của piston. Nguyên lý làm việc có thể biểu diễn rõ ràng bằng đồ thị chỉ thị, được xây dựng chung cho cả 2 cấp.
Nếu giả sử rằng máy nén hút không khí từ khí quyển, thì đường hút của cấp đầu tiên sẽ nằm thấp hơn một chút so với đường áp suất khí quyển. Khi chuyển động của piston sang phải xảy ra quá trình hút vào cấp đầu theo đường 4’-1’, nén và đẩy của cấp thứ 2 theo đường 3’-2”
Nguyễn Văn Phong_LHD B K57 Page 39
và 2”-3”. Khi piston bắt đầu di chuyển sang trái, ở cấp đầu xảy ra quá trình nén, còn ở cấp thứ 2 xảy ra quá trình dãn nở khí. Quá trình cuối xảy ra đến khi nào áp suất trong xilanh còn chưa đạt tới p2’ tại điểm 4”. Tại thời điểm này van hút của cấp thứ 2 mở và piston, khi chuyển động sang trái, sẽ hút khí từ khoảng không kín của thiết bị lạnh. Và lúc này áp suất khí sẽ giảm. Khi piston đã chiếm được vị trí xác định bởi điểm 2’, áp suất khí ở thiết bị lạnh giảm đến chừng nào van đẩy của cấp thứ nhất mở và khí sẽ từ cấp thứ 1 qua thiết bị lạnh vào cấp thứ 2. Áp suất khí thay đổi theo đường 2’-3’. Vào lúc đầu của hành trình về phía bên phải ở cấp thứ 1 xảy ra quá trình dãn nở khí theo đường đa biến 3’-4’. Thể tích của các xilanh của cấp 1 và cấp 2 không bằng nhau, vì vậy đồ thị đang xét có tỷ lệ về trục hoành khác nhau. Trong máy nén loại này quá trình nén ở các cấp được thực hiện ở những hành trình khác nhau của piston, và vì vậy lực tác dụng lên các phần của khung được phân bố khá đều.
b. Máy nén 2 cấp có piston vi sai tác dụng 1 phía
Đặc biệt của máy nén loại này là sự phân bố cấp thứ nhất và cấp thứ 2 theo một phía của piston; điều này dẫn đến: quá trình hút cũng như quá trình đẩy xảy ra trong cả hai cấp là đồng thời. Khi bắt đầu từ điểm 3” trên hình 8.4, với chuyển động của piston về phía phải xảy ra quá trình dãn nở ở cấp thứ 2 đến áp suất p2, áp suất này được tạo ở thiết bị lạnh bởi cấp khi hành trình của piston sang phải. Ở vị trí của piston được xác định bởi điểm 4”, van hút của cấp thứ 2 mở và xảy ra quá trình hút khí từ thể tích kín của thiết bị lạnh. Đây cũng là quá trình dãn nở khí theo đường đa biến 4”-1”. Ở cuối quá trình này áp suất trong cấp thứ 2 giảm đến p1’. Khi hành trình của piston tiếp tục sang trái ở cấp thứ 2 khí bị nén theo đường 1”-2” và được thải ra theo đường 2”-3” vào ống đẩy. Trong thời gian này ở cấp thứ nhất xảy ra qua trình nén theo đa biến 1’-2’ đến áp suất p1’. Tại điểm 2’ van đẩy của cấp thứ nhất mở và khí bị đẩy từ cấp vào khoang kín của thiết bị lạnh. Quá trình diễn ra theo đường đa biến 2’-3’ và gây ra sự tăng áp suất từ p1’ đến p2’. Khi hành trình piston sang phải xảy ra quá trình dãn nở và hút ở cấp thứ 1.
Nguyễn Văn Phong_LHD B K57 Page 40
Trong máy nén loại này các khoang của cấp 1 và2 luôn luôn được phân cách bằng những van đóng, nhưng vẫn có những quá trình, xảy ra đồng thời ở các khoang của một cấp nào đấy và của thiết bị lạnh.
Thiết bị lạnh: ngoài công dụng chính của nó là làm lạnh khí nén, nó còn đóng vai trò như một bình chứa tức là dung tích để nhận khí ra từ cấp thứ 1, sau đó sả khí vào cấp thứ 2.
Trong máy nén có piston loại vi sai tác dụng 1 phía này, quá trình nén và thải khí xảy ra ở cả 2 cấp đồng thời, do đó trong phần khung của máy nén sinh ra những lực lớn phân bố không đều, đòi hỏi sử dụng bánh đà có khối lượng lớn để cân bằng các lực này. Sơ đồ này thường dùng trong một tổ hợp với sơ đồ thuận dòng đối với loại máy nén có số cấp lớn hơn 2.
c. Máy nén 3 cấp có piston vi sai
Sơ đồ máy nén 3 cấp có piston vi sai Sơ đồ máy nén 3 cấp có piston vi sai có sự phân chia cấp thứ 1
d. Máy nén nhiều cấp có piston vi sai
Khi sử dụng nguyên lý tạo cấp với piston có đường kính thay đổi, có thể thiết kế máy nén với khối lượng lớn các cấp.