3.2. VẬN CHUYỂN VÀ NÉN KHÍ
3.2.2.1. Nguyên tắc làm ưiẻc của máy nén pittông
Về cấu tạo, máy nén pittông hoàn toàn giông bơm pittông, tức là gồm có xilanh 1, pittông 2 chuyển động tịnh tiến, trên pittông có lắp một vàivòng đệm (xecmăng) 3. Mỗi đầu xilanh có hai hộp van. Khi pittông chuyến động sang trái thi ở khoảng xilanh bên phai có dộ chân không, van 4 và 7 mở, van 6 và 9 đóng, khí qua ông hút 5 vào bên phải, cùng lúc đó khí ỏ khoảng không gian bên trái được đẩy ra ông đẩy 8. Khi pittông chuyến động ngược lại từ trái sang phải thì van 7 và 4 đóng lại, còn van 6 và 9 mơ ra, phần xilanh bên trái hút và phần xilanh bên phải đẩy.
Như vậy, sau một vòng quay của trục, pittông chuyến dịch sang trái một lần và sang phải một lần, khí được hút vào và đay ra hai lần. Vị trí biên ỏ hai dầu xilanh gọi là vị trí chêt và khoảng không gian giữa pittông ỏ vị trí chết và đầu xilanh gọi là khoảng hại. Trị số khoảng hại phụ thuộc vào cấu tạo của van và có ảnh hương xấu trong quá trình làm việc của máy nén.
So sánh vối cấu tạo của bơm pittông thì trong máy nén pittông các hộp van cần phải kín, khít và do trong quá trình nén khí toa nhiệt nóng lên, nên phải đặt thêm bộ phận làm nguội, nhất là khi nén nhiêu cấp.
3.2.2.2.Quá trình nén lý thuyết và thực tô
Biêu diễn quá trình làm việc của máy nén tác dụng đơn trên dồ thịp—V ta thấy, khi pittông ơ vị trí bên trái (a) chuyển động vổ bôn phải thì khí được hút vào xilanh theo đường AB với áp suất Pị. Khi pittông đến vị trí chêt (b) thì đã hút đitdc thể tích Vị vối áp suấtPị và nhiệt độ tị. Khi pittông chuyển động về bên trái thì van hút đóng lại, nên khí dược nén và áp suất tăng dần đến p-> theo đường BC là quá trình đa biên (nếu quá trình đẳng nhiệt theo đường BCt; quá trình đoạn nhiệt theo đường BC >).
Khi pittông đến vị trí (c), tức áp suất khí trong xilanh đạt p-2 bằng áp suất trong ông/đẩy thì van đẩy mơ ra, nên khí được đẩv vào ống đẩy vối áp suất không đổi p., theo đường CD. Quá trình nén này là quá trình lý thuyết, không có khoang hại và các ảnh hưởng khác (hình 3.34).
Hình 3.33. Sơ dố nguyên lý máy nén pittông: 1 - xilanh; 2 -pittông;
3- vòng đệm; 4,9 - van hút; 5 - ống hút; 6,7 - van đây; 8 - ống dấy
Trong thực tế, quá trình nén khí xảy ra phức tạp hơn do những Ì^uyên nhân sau đây:
- Tồn tại khoảng hại: Khi pittông đã đến vị trí chêt, hai đầu xilanh vẫn còn tồn tại một lượng khí có thế tích bằng thế tích khoảng hại và áp suất đẩy p2. Do đó khi tiến hành quá trình hút lượng khí này được giãn ra cho đến khi đạt đến áp suất p, (hình 3.3Õ) đường DA\ thì van hút mối mỏ ra được và quá trình hút khí mối bắt đầu. Do đó lượng khí hút được thực tê nhỏ hơn thế tích lý thuyết của xilanh.
- Anh hưỏng của lực ỳ ở các van hút và đẩy: Do lực ỳ của các van mà thực tê các van hút và đẩy mở ra khi áp suất thấp hơn Pị và cao hơnp2 một chút, điểm A' và C' (hình 3.35).
— Anh hương của sức cản thuỷ lực trên đường ông và ở các van; nhiệt độ, độ ẩm của khí tăng khi nén; van, xilanh, pittông không thật kín, nên đồ thị của quá trình nén thực tê khác với nén lý thuyết.
Trong thực tê người ta thường dùng đồ thị chỉ thị đế kiểm tra quá trình làm việc của máy nén (hình 3.36). Phân tích đồ thị chỉ thị có chú ý đên ảnh hưởng của khoảng hại và bỏ qua ảnh hương của các yếu tô" khác, ta thấy được bản chất của quá trình nén.
Các ký hiệu trong đồ thị chỉ thị (hình 3.36): Vf, — thê tích toàn bộ của xilanh, m3;
V\ - phần thê tích mà pittông đi qua, m3; c - hệ sô khoảng hại:
Hình 3.34. Biểu dồ của quá trinh nén lý thuyết
Hình 3.35. Biểu đồ của
quá trinh nén thực tế Hình 3.36. Đồ thị chỉ thị của máy nén
V, -V c = -12---IK
(3.73)
T1
Rút ra A-oV) = V - thể tích thực của khí được hút vào sau một lần hút n của pittông, m3. Trưốc khi khí được hút vào xilanh, pittông đã đi được một khoảng đủ đê khí trong khoảng hại giãn từ áp suất p2 đến PJ. Thể tích khí trong khoảng hại chiêm được tính bằng:
V0~ V = VQ- k0Vl = x.Vì
với .r - tỷ lệ giữa thể tích toàn bộ xilanh trừ đi thể tích khí được hút thực và thê tích pittông đi qua, nghĩa là:
Theo phương trình trạng thái của khí trong quá trình hút hoặc nén đa
Pivr= p2V.p const
Xét quá trình bắt đầu hút (A*) đến kết thúc quá trình đẩy (£>), ta có:
P Á X - VJ ' = P - Á* - V iT
Từ công thức (3.72) rút ra Vo — e.V) + V ị , thay vào phương trình (3.74) ta có:
vỵ
Rứt rủ S.V) = V(| - Vj là thể tích khoảng hại, m:;. Â(| — hiệu suất thê tích của máy nén:
V,
X V, (3.74)
biến:
Rút ra: X = tì ỊP Ị)
> P] ) (3.75).
X
hay:
— G. + 1
— A,(|
(3.76) _ y u - x „ v ; _ c.y; + y; -*.ny,
V, = V,
Ân — 1 + e - X
T a thấy, hiệu suất thể tích x0phụ thuộc vào e và tỷ số ~ vì s là một số không đổi đối với
mỗi loại máy nén (s = 0,03 0,08), nên thực tế Â0 chỉ
phụ thuộc vào ^ . Có nghĩa, p2 càng lốn thì lương khí chứa trong khoảng hại càng lớn, nên khi hút nó giãn ra chiếm một thể tích càng lớn làm cho lượng khí thực được hút càng giảm, kết quả là x0
giảm. Do đó p-2 chỉ có giới hạn, vì nêu nó lón quá mức giói hạn, lượng khí trong khoảng hại sẽ chiếm
toàn bộ thê tích xilanh khi hút, nên quá trình không thực hiện đươc tức
V '
^0 = y = 0 • Từ phương trình (3.77) rút ra:
(3.78) Giá trị — khi XQ - 0 được gọi là giỏi hạn nén, được tính theo phương trình (3.78).
3.2.2,3, Máy nén nhiều cấp
Do hiẹu suât thê tích giảm nhiều và nhiêt độ tăng cao vươt quá mức ' cho PhéP’ nếu tăng áp suất cuối p2 lên cao trong quá trình nén, nên đốì với máy nén một cấp P2 chỉ được giói hạn trong khoảng 6 đến 8 at. Vì vậy để có the tang cao ap suốt cuôi (lốn hơn 8 at) người ta dùng máy nén nhiều cấp.
1 V P 1
\p I
Sd đồ của máy nén pittông hai cấp nhxí ỏ hình 3.37, gồm xilanh áp suất thấp 1 , xilanh áp suất cao 2 . Khi pittông chuyểti động về bên trái khí được hút vào qua van 3 . Khi pittông chuyển động về bên phải, khí được nén lại và đẩy ra khỏi xilanh có áp suất thấp 1 qua van 4 , đi qua bộ phận làm nguội trung gian 5 để được hút vào xilanh áp suất cao 2 qua van 6. Sang chu trình sau, khi pittông chuyển động về bên trái, xilanh 1 hút lượng khí mới, xilanli 2 nén khí đên áp suất cao và dẩy vào ông đẩy qua van 7.
Hình 3.38 biểu diễn quá trình làm việc của máy nén ba cấp. Quá trình hút ơ bậc một thê hiện
bằng đoạn ab, quá trình nén từ p I đến p , là đoạn bc làm nguội khí sau bậc một ở doạn cd ứng vối áp suất p.j. Tương tự, các bậc hai và ba tương ứng đoạn có p2, P;; và p.Ị. Cuối cùng ta được dường gãy khúc abcdc/ghi biểu diễn quá trình làm việc của máy nén ba cấp. Qua dồ thị chỉ thị ta thấy, ơ máy nén nhiều cấp công tiêu tốn nhỏ hơn ỏ máy nén một cấp. Diện tích tiêt kiệm được trong máy nén nhiều cấp bằng phần gạch chéo trên đồ thị. Nhờ có làm nguội trung gian giữa các cấp mà quá trình gần với quá trình đẳng nhiệt (đường cong bh). Do đó, càng nhiều cấp càng tiết kiệm nhiều công, nhưng sô* cấp nhiều sẽ làm phức tạp thêm thiết bị và chi phí làm lạnh, nên trong thực tê sô*cấp không vitợt quá sáu.
3.2.2.3.2. Tỷ số nén trong một cấp của máy nén nhiều cấp
Đôi với máy nén nhiều cấp, sô cấp phụ thuộc vào tỷ sô nén ép. Nêu chấp nhận tổn thất áp suất giữa các bậc bằng nhau thì tỷ sô nén được tính theo công thức:
vối T* = 1,1 -ỉ- 1,15 — hệ sô tổn thất áp suất giữa các bậc;
ptì, Pị — áp suất cuối và đầu.
Khi biết được giá trị của .r và 'F, ta tính được số’ bậc:
Hình 3.37. Sơ đổ máy nén hai câ'p Hình 3.38. Biểu đố làm việc của máy nén ba cả'p
X — V|/n 'Pu (3.79)
n = lgP" -ỊgPi lg .r -
lg Vị/
Iiong thực tê có thê lây X —2,5 -ỉ- 3,5. Sô cấp của máy nén phụ thuộc vào tỷ sô' — n h ư sau:
- 3.2.2.4. Năng suât và công suât của máy nén 3.2.2Â. 1. Năng suất của máy nén
Năng suất thường được tính theo nvVph trên cơ sở của áp suất hùtpj. Các ký hiệu dùng:
VM - lượng khí được hút thực tế, nrVph;
^1' — lhỢng khi được hút thưc tê sau môt khoang chay của pittông m;i' d - đường kính của pittông, m; s — chiều dài khoang chạy của pittông, m; n - số vòng quay của trục, vg/ph; i - sô lần hút sau một vòng quay của trục.
Thê tích khí lý thuyết sau một vòng quay của trục được tính (bỏ qua thê tích cán pittông):
= Ì . — — S , m:J (3.81)
Theo công thức (3.73), thể tích hút thực tế luôn nhỏ hơn thể tích hút lý thuyêt và bằng V = X0Vị.
Do có sự mất mát thê tích khí qua các van bị hơ, qua mất áp suất trong quá trình hút, qua trỏ lực của van hút, qua bị nóng lên trong quá trình làm việc (sự tiếp xúc giữa xilanh và pittông), qua khoảng hại, qua độ ẩm của
Pi
Tý sô' nén
Pi 5
10 80 120 >120
Sô cấp n 1 9 3 4 5 4-6
khí, ... mà thể tích thực được máy nén đẩy vào ông đẩy (qui về điều kiện
Il lit) luôn nhỏ hơn thế tích được hút xác định theo đồ thị chỉ thị và chỉ có thể xác định bằng cách đo trực tiếp.
Gọi X là hệ số cung cấp, được tính bàng tỷ số giữa thê tích thực được máy nén hút Vc và thể tích lý thuyêt pittông đi qua, tức là:
ớ-v .. ô >.
V, 0
a — 0,8 -ỉ- 0,95, có nghĩa hệ sô cung cấp X luôn luôn nhỏ hơn hiệu suất thế tích X().
Khi đó, năng suất máy nén sau một vòng quay của trục bằng:
vói
V = Xi. nd~
■ .s, m
3 (3.82)
Năng suất của máy nén môt cấp đươc tính:
VM = v,..n = x.i.^—.s.n , nvVph (3.83)
3.2.2.4.2. Công suất của máy nén
Công suất tiêu thụ của máy nén tác dụng dơn dươc tính khi dã biêt công cần thiết đê nén khí.
Tuỳ theo đặc trưng của quá trình nén: đang nhiệt, đoạn nhiệt hay đa biến mà ta tính công của máy nén. Từ đó công suất được tính theo công thức:
G.L N = ---- , k\v
1000 (3.84)
vói G — IứỢng khí được hút, kg/s;
L - công lý thuyêt tính theo 1 kg khí, J/kg.
Công suất cũng có thể được tính theo đồ thị chỉ thị (dược ghi bằng máy đo công lắp trên trục pittông):
; P. F ô rt
(3.85)
Nct = , kW
trong đó
60.1000
Ncị - công suất chỉ thị tính theo đồ thị chỉ thị.
ì - sô lần hút, với máy nén tác dụng đơn i = 1 khi trục quay một vòng.
Pin ~ áp suất trung bình tính theo đồ thị chỉ thị của máy nén:
A - tiết diện của pittông, m2.
Trong trường hợp máy nén có bô phân làm nguội ta tính công suất đang nhiệt:
A^tn = T|đgiVet, kW (3.87)
với hiệu suất đẳng nhiệt: T|jg = 0,65 -H 0,75.
Nêu không có bộ phận làm nguội ta tính công suất đoạn nhiệt:
= r,ctoJVct, kW (3.88)
với hiệu suất đoạn nhiệt: r|đo = 0,93 -ỉ- 0,97.
h Công suất tiêu tôn trên trục máy được gọi là công suất trục JV,, được tính:
M. = ^£ L, k W (3.89)
di '
vôi hiệu suất cơ khí: TỊt. = 0,8 -H 0,95.
Đặc trưng sự mất mát về cơ học như ma sát trên gốì trục, ổ bi, ma sát của pittông với xilanh,
V.V..
Công suất trên động cơ điện do có sự mất mát ở bộ phận truyền động và ơ động cơ, bằng:
N,r, = —, kW (3.90)
trong đó 11 đc - hiệu suất động cơ, Ii<tc = 0,95;
111,- - hiệu suất truyền động, T)tr = 0,96 -í- 0,99.
Công suất động cơ cũng có thể tính gần đúng dựa vào công suất đẳng nhiệt: .
N& = —* , kw (3.91)
11
với 11 - hiệu suất chung, 11 = Ìiđy.ilck-Ilti- = 0,45 -7- 0,62.
Trong thực tê phải chọn động cơ có dự trữ công suất, vì vậy công suất thiết lập của động cơ
bằng:
Máy nén pittông được phân loại theo nhiều cách:
- Theo sô' cấp nén có: một cấp, hai cấp, nhiều cấp.
m An = — ^ T P
1 m -1
( p.2 }
X., N/m 2 (3.86)
với
N = ỊWdc, kW p - h ệ số dự trữ công suất, |3 - 1,1 -H 1,15.
(3.92)
ISO
- Theo hưống trục: nằm ngang, thẳng đứng, v.v...
- Theo câu tạo của xilanh: tác dụng đơn, tác dụng kép.
- Theo cách dẫn động: động cơ điện hay máy hơi nước.
- Theo năng suất: loại nhỏ dưới 10 m3/ph; loại trung bình 10 đến 30 m3/ph; loại lỏn trên 30 m3/ph.
- Theo áp suất nén: ỏ áp suất thấp dưói 10 at; áp suất trung bình 10 đên 80 at; áp suất cao 80 đến 1000 at.
- Theo tác nhân nén: máy nén không khí, ôxy, NH;., v.v...
3.2.2.5.1. Cấu tạo máy nén một cấp
Máy nén một cấp được dùng để cung cấp khí hoặc không khí với lưu lượng lốn ơ áp suất thấp (khoảng õ đên 7 at). Loại này có cấu tạo của xilanh tác dụng đơn hay kép, được đặt nằm ngang hay thẳng điing.
Loại nằm ngang có bộ phận truyền dộng bằng cơ cấu tay quay (hình 3.39). Máy nén tác dụng đơn có cấu tạo giông như bơm pittông, cũng gồm có xilanh, trong có pittông chuyển động qua lại. Trên xilanh có một van hút và một van dây, chỉ khác là ngoài vỏ xilanli có thêm bộ phận làm lạnh bằng vỏ ngoài hoặc gân. Nêu tác dụng kép có thêm một van hút và một van đẩy nữa ơ hai đầu xilanh. Máy nén tác dụng kép nằm ngang thường có năng suất từ 10 đến 60 m7ph, nếu muôn năng suất lớn hơn đến 100 nrVph, thì dùng loại tác dụng kép hai xilanh bô trí song song nhau. Loại nằm ngang có sô vòng quay nhỏ, chỉ khoảng 100 -ỉ- 200 vg/ph.
Hình 3.39. Sơ dồ máy nén pittông loại nằm ngang
Hình 3.40. Kêt câu khe trong xilanh chống lại khoảng hại
Máy nén tác dụng đơn loại thẳng đứng có thể có từ 1 đến 4 xilanh (hình 3.41). Năng suất loại này đạt từ 0,5 đến 40 m3/ph. Loại thăng đứng có số vòng quay lớn hơn (cỡ 200 đến 500 vg/ph), kích thước gọn gàng hơn, tác động bào mòn do ma sát giữa pittông và xilanh ít và đều hơn so vói loại
Phần lớn các loại máy nén pittông tác dụng kép ójhamdau xilanh^có rãnh để tao cân bằng áp lực khắc phục khoảng hai (hình 3.40). Tác dung cgp rãnh nhỏ ô hai đầu xilanh tạĩ các vị trí chết của pittông là để thông hal phía của xilanh khi pittông đến vị trí này, làm cho áp sụất ơ hai phía cân bang "nhau," do "ció ap suất trong khoảng hại hạ xuống hằngáp 'suất hút.
3.2.2.S.2. Cấu tạo máy nén nhiều cấp
Loại máy nén này có thể bố trí xilanh trên cùng một trục hoặc song song nhau. Hình 3.42 mô tả máy nén pittông ba cấp bố trí xilanh trên cùng một trục nằm ngang.
Khí được hút vào xilanh áp suất thấp 1 (cấp một) qua van 8 được nén . và đẩy qua van 9 đi qua thiết bị làm lạnh trung gian 2 để vào xilanh cấp hai 3. Ra khỏi xilanh cấp hai khí được làm nguội ở thiết bị gia nhiệt 4 trước khi vào xilanh cấp ba 5. ở xilanh cấp ba khí được nén đến áp suất cuối cùng rồi qua thiết bị làm nguội 6 vào thùng phân ly dể tách sạch dầu bôi trơn trước khi vào thùng chứa áp suất cao. Nhiệm vụ của thùng chứa là làm
giảm sự va đập của khí do máy nén đẩy không đều, đồng thời tiếp tục làm sạch dầu và hơi ẩm lẫn trong khí.
Hình 3.42. Sơ dồ máy nén pittông ba'câ'p nằm ngang 1 - xilanh áp suất thấp; 2,4,6 - thiết bị làm lạnh;
3 - xilanh cấp hai; 5 - xilanh cã”p ba; 7 - phản ly dầu
Máy nén nhiều cấp nằm ngang thường chuyến động chậm (n = 80 -h 300 vg/ph) được nôi vối động cơ điện bằng hệ truyền động dây dai (curoa). Loại thẳng đứng chuyển động nhanh hơn (n = 300 -ĩ- 350 vg/ph), hệ truyền động hoặc trực tiếp hoặc qua dây đai.
Trong công nghiệp hoá chất, loại máy nén nhiều cấp nằm ngang có áp suất cao (trên 300 at) và năng suất lón (trên 10.000 nr7h). Các xilanh được bô trí thành dẫy cân dối, ỏ giữa là bộ phận dãn động, mỗi xilanh đều có bộ phận làm nguội.