Ứng dụng máy nén khí có từ thời trước Công nguyên, tuy nhiên sự phát triển của khoa học kỹ thuật thời đó không đồng bộ, nhất là 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 thứ 18, các thiết bị máy móc sử dụng năng lượng khí nén lần lượt được phát minh. Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng điện, vai trò sử dụng năng lượng của khí nén giảm dần. Tuy nhiên, việc sử dụng năng lượng bằng khí nén vẫn đóng vai trò cốt yếu ở những lĩnh vực mà sử dụng năng lượng bằng khí nén vẫn đóng vai trò cốt yếu ở những lĩnh vực mà sử dụng điện sẽ không an toàn. Khí nén được sử dụng ở những dụng cụ nhỏ nhưng truyền động với vận tốc lớn hơn như: búa hơi, dụng cụ đập, tán đinh … nhất là các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt trong máy công cụ.
Sau chiến tranh thế giới thứ hai, việc ứng dụng năng lượng bằng khí nén (máy nén khí) trong kỹ thuật điều khiển phát triển khá mạnh mẽ. Những dụng cụ, thiết bị, phần tử
khí nén mới được sáng chế và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau. Sự kết hợp khí nén với điện-điện tử sẽ quyết định cho sự phát triển của kỹ thuật điều khiển trong tương lai.
Máy nén khí là một loại thiết bị cơ học có chức năng làm tăng áp suất của các chất khí. Máy nén khí được coi là một mắt xích quan trọng trong hệ thống công nghiệp sử dụng khí áp suất cao để vận hành máy, máy có khá nhiều công dụng, các ngành công nghiệp như dệt, gỗ, bao bì, thực phẩm hầu hết đều sử dụng đến loại máy này.
Máy nén khí được phân ra thành nhiều loại, tùy thuộc là dựa theo tiêu chí nào mà tacó cách phân loại khác nhau. Thế giới máy nén khí điểm tên một số loại máy khí nén phổ biến hiện nay
1.5.1 Máy nén khí Piston
Máy nén khí piston là loại máy được ứng dụng rộng rãi hiện nay bởi kích thước nhỏ gọn, cấu tạo đơn giản, giá thành hợp lý, dễ dàng sử dụng trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau. Trên thị trường, các sản phẩm máy bơm khí nén piston khá đa dạng về thương hiệu, kích thước, áp suất nhưng chúng đều có chung nguyên lý hoạt động dựa trên sự chuyển động tịnh tiến của piston. Hãy cùng tìm hiểu kỹ hơn nguyên lý hoạt động của loại máy này trong bài viết dưới đây nhé.
Hình 1.4 Một máy nén khí piston
So với máy nén trục vít thì máy nén piston có cấu tạo và nguyên lý hoạt động đơn giản hơn. Tuy nhiên, khi tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của máy nén khí piston thì người dùng cần nghiên cứu cấu tạo của máy nén khí piston; cả nguyên lý hoạt động của cả máy nén khí piston 1 cấp 1 chiều và máy nén piston 2 cấp 1 chiều để có snén khính
cũng như hiểu sâu sắc về nguyên lý vận hành của loại máy này.
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của máy nén khí piston 1 cấp 1 chiều:
Hình 1.5. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động một máy nén khí piston
Ở kỳ nạp, phía trên piston hình thành chân không, bởi vậy không khí đi vào buồng nén thông qua van nạp. Sự chênh lệch áp suất gây ra bởi chân không trên bề mặt piston sẽ khiến van này mở tự động. Trục khuỷu điều khiển piston của máy qua thanh truyền.
Van xả và van hút nằm ở phía trên xy lanh. Thông thường, một chiếc máy nén khí piston giá rẻ có tối thiểu một và tối đa là sáu xy lanh tùy theo tính chất công việc.
Van nạp đóng và quá trình nén khí xảy ra khi piston đi xuống “điểm chết dưới” và bắt đầu đi lên, gây ra sự biến đổi áp suất phía trên và dưới khiến không khí đi vào buồng nén. Khí đi vào bên trong xy lanh, thể tích xy lanh giảm dần để nén khí tới mức áp suất nhất định. Mức áp suất này được xác định khi áp suất bên trong xy lanh lớn hơn áp suất dòng chảy. Lúc này, van xả mở ra, giúp khí thoát ra ngoài, đi vào hệ thống khí nén.
Thể tích tiếp tục giảm, khi piston đạt tới “điểm chết trên” và bắt đầu đi xuống trở lại thì van xả sẽ tự động đóng. Piston lại tiếp tục dịch chuyển về gần “điểm chết dưới”, thể tích và áp suất của xy lanh tăng. Áp suất của dòng khí lớn hơn áp suất xy lanh, van hút mở và lại tiếp tục một chu trình nén khí mới. Máy bơm khí nén piston 1 cấp, 1 chiều có thể nén đén áp suất 10 bar.
1.5.2. Máy nén khí trục vít
Máy nén khí trục vít, tương tự như một thiết bị quay sử dụng bánh vít, nó bao gồm 2 cuộn lá chèn hình xoắn ốc để nén khí. Nó có thể sử dụng giống như một bộ nạp tự động, và trong hệ thống.
Hình 1.6. Máy nén khí trục vít 1.5.3 Máy nén khí cánh gạt
Hình 1.7. Mô hình máy nén khí cánh gạt.
Máy nén khí đối lưu sử dụng hệ thống các cánh quạt trong rotor để nén dòng lưu khí. Cánh quạt của stator cố định nằm phía dưới của mỗi rotor lại đẩy trực tiếp dòng khí vào hệ thống những cánh quạt của rotor tiếp theo. Vùng không gian của đường đi không khí ngày càng giảm dần thông qua máy nén khí để tăng sức nén. Máy nén khí theo phương pháp nén khí đối lưu thường được sử dụng khi cần dòng chuyển động cao ví dụ như trong những động cơ turbine lớn. Hầu như chúng được sử dụng nhiều máy trong một dây chuyền. Trường hợp tỉ lệ áp suất dưới tỷ lệ 4:1, để tăng hiệu quả của quá trình hoạt động người ta thường sử dụng những điều chỉnh về hình học.
1.5.4. Máy nén khí ly tâm
Máy nén khí nén dòng hỗn hợp cũng tương tự như là máy nén khí ly tâm, nhưng vận tốc đối xứng tại lối từ rotor. Bộ khuếch tán thường sử dụng để biến dòng khí hỗn hợp thành dòng khí đối lưu. Máy nén khí nén dòng hỗn hợp có một bộ khuếch tán đường kính nhỏ hơn của máy nén khí ly tâm tương đương.
Máy nén khí ly tâm sử dụng đĩa xoay hình cánh quạt hoặc bánh đẩy để ép khí vào phần rìa của bánh đẩy làm tăng tốc độ của khí. Bộ phận khuếch tán của máy sẽ chuyển đổi năng lượng của tốc độ thành áp suất. Máy nén khí khí ly tâm thường sử dụng trong ngành công nghiệp nặng và trong môi trường làm việc liên tục. Chúng thường được 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).
Hình 1.8. Mô hình máy nén khí ly tâm
Nhiều hệ thống làm tuyết nhân tạo sử dụng loại máy nén này. Chúng có thể sử dụng động cơ đốt trong, bộ nạp hoặc động cơ tua-bin. Máy nén khí ly tâm được sử dụng trong một động cơ tua-bin bằng gas nhỏ hoặc giống như là tầng nén khí cuối cùng của động cơ tua-bin gas cỡ trung bình.