Before you can learn about the different compressors and compression methods, we first have to introduce you to the two basic principles for the compression of gas. After that, we will compare the two and look into the different compressors in these categories.
There are two generic principles for the compression of air (or gas): Positive displacement compression and dynamic compression. The first one includes, for example, reciprocating (piston) compressors, orbital (scroll) compressors, and different types of rotary compressors (screw, tooth, vane).
In positive displacement compression, the air is drawn into one or more compression chambers, which are then closed from the inlet. Gradually the volume of each chamber decreases, and the air is compressed internally. When the pressure has reached the designed built-in pressure ratio, a port or valve is opened. The air is then discharged into the outlet system due to the continued reduction of the compression chamber's volume.
In dynamic compression, air is drawn between the blades on a rapidly rotating compression impeller and accelerated to a high velocity. The gas is then discharged through a diffuser, where the kinetic energy is transformed into static pressure. Most dynamic compressors are turbocompressors with an axial or radial flow pattern.
A bicycle pump is the simplest form of a positive displacement compression. Air is drawn into a cylinder and is compressed by a moving piston. Piston compressors have the same operating principle. They use a piston whose forward and backward movement is accomplished by a connecting rod and a rotating crankshaft.
If only one side of the piston is used for compression, this is called a single-acting compressor. If both the piston's top and undersides are used, the compressor is double acting. The pressure ratio is the relationship between absolute pressure on the inlet and outlet sides.
Accordingly, a machine that draws in air at atmospheric pressure (1 bar(a)) and compresses it to 7 bar overpressure, works at a pressure ratio of (7 + 1)/1 = 8.
In the two graphs below, you'll find the pressure-volume relationship for a theoretical compressor and a realistic diagram for a piston compressor illustrated (respectively).
The stroke volume is the cylinder volume that the piston travels during the suction stage. The clearance volume is the volume underneath the inlet and outlet valves and above the piston. It must remain at the piston's top turning point for mechanical reasons.
Differences between the stroke volume and suction volume are due to the expansion of air remaining in the clearance volume before the suction starts. The practical design of a compressor, e.g. a piston compressor, results in a difference between the theoretical p/V diagram and the actual diagram.
The valves are never completely sealed and there is always a degree of leakage between the piston skirt and the cylinder wall. In addition, the valves can not fully open and close without a minimal delay. This results in a pressure drop when gas flows through the channels. The gas is also heated when flowing into the cylinder as a consequence of this design.
In a dynamic compressor, the pressure increase takes place while the gas flows. The flowing gas accelerates to a high velocity by means of the rotating blades on an impeller. The velocity of the gas is subsequently transformed into static pressure when it is forced to decelerate under expansion in a diffuser.
Depending on the main direction of the gas flow used, these compressors are called radial or axial compressors. Compared to displacement compressors, a small change in the working pressure of dynamic compressors results in a large change in the flow rate.
Each impeller speed has an upper and lower flow rate limit. The upper limit means that the gas flow velocity reaches sonic velocity. The lower limit means that the counter pressure becomes greater than the compressor's pressure build-up, which means return flow inside the compressor. This, in turn, results in pulsation, noise and the risk for mechanical damage.
In theory, air or gas may be compressed isentropically (at constant entropy) or isothermally (at constant temperature). Either process may be part of a theoretically reversible cycle. If the compressed gas could be used immediately at its final temperature after compression, the isentropic compression process would have certain advantages.
In reality, the air or gas is rarely used directly after compression, and is usually cooled to ambient temperature before use. Consequently, the isothermal compression process is preferred, as it requires less work. A common, practical approach to executing this isothermal compression process involves cooling the gas during compression. At an effective working pressure of 7 bar, isentropic compression theoretically requires 37% higher energy than isothermal compression.
A practical method to reduce the heating of gas is to divide the compression into several stages. The gas is cooled after each stage before being compressed further to the final pressure. This also increases the energy efficiency, with the best result being obtained when each compression stage has the same pressure ratio. By increasing the number of compression stages, the entire process approaches isothermal compression. However, there is an economic limit for the number of stages the design of a real installation can use.
Compression work with isothermal compression:
Compression work with isentropic compression:
These relations show that more work is required for isentropic compression than for isothermal compression.
At constant rotational speed, the pressure/flow curve for a turbocompressor differs significantly from an equivalent curve for a positive displacement compressor. The turbocompressor is a machine with a variable flow rate and variable pressure characteristic. On the other hand, a displacement compressor is a machine with a constant flow rate and a variable pressure. A displacement compressor provides a higher pressure ratio even at a low speed. Turbocompressors are designed for large air flow rates.
Trước khi giúp các bạn biết và hiểu được các loại máy nén khí và các phương pháp nén khác nhau, chúng tôi xin giới thiệu 2 nguyên lý cơ bản về nén khí. Sau đó, chúng tôi sẽ so sánh 2 nguyên lý này và đi sâu phân tích từng máy nén khí khác nhau vận hành theo 2 nguyên lý đó.
Có hai nguyên lý chung để nén không khí (hoặc khí): nén do thay đổi thể tích và nén động năng. Ví dụ, nguyên lý đầu tiên bao gồm máy nén khí pittông (piston) , máy nén khí lò so xoắn (máy nén khí con sò) và các loại khác của máy nén khi dạng rotor quay ( trục vít , bánh răng , dạng lá (vane) ). Trong nguyên lý nén khí do thay đổi thể tích, không khí được hút vào một hoặc nhiều buồng nén, sau đó được đóng lại từ đầu vào. Dần dần thể tích mỗi buồng nén giảm dần và khí được nén bên trong. Khi áp suất đạt đến tỉ lệ áp suất danh định, một cổng hay còn gọi là van sẽ được mở ra và khí đi ra theo đường ra do có sự giảm liên tục thể tích buồng khí nén.
Trong quá trình nén động năng, không khí được hút giữa các cánh quạt trên một cụm nén ( impeller) quay nhanh và tăng tốc lên tốc độ cao. Khí sau đó được thải qua bộ khuếch tán ( Diffuser), trong đó động năng được chuyển thành áp suất tĩnh. Phần lớn hầu hết các máy nén khí động năng là là máy nén khí turbo với kiểu tạo lưu lượng hướng trục hoặc hướng tâm .
Thiết bị bơm xe đạp là hình thức đơn giản nhất của nén thay đổi thể tích, theo đó không khí được hút vào một xi lanh và được nén bởi pít-tông chuyển động. Máy nén khí piston có cùng nguyên lý hoạt động và sử dụng một piston có chuyển động tiến và lùi được thực hiện bằng một thanh nối và trục khuỷu quay. Nếu chỉ có một bên của piston được sử dụng để nén thì đây được gọi là máy nén đơn. Nếu cả trên và dưới của piston được sử dụng, máy nén sẽ hoạt động kép.
Tỷ lệ áp suất là mối quan hệ giữa áp suất tuyệt đối tại đầu vào và đầu ra. Theo đó, một máy hút không khí ở áp suất khí quyển (1 bar (a) và nén nó thành 7 bar áp suất quá áp sẽ hoạt động với tỷ lệ áp suất là (7 + 1) / 1 = 8).
Hai công thức dưới đây minh họa (tương ứng) mối quan hệ áp suất - thể tích cho máy nén lý thuyết và sơ đồ máy nén thực tế hơn cho máy nén piston. Thể tích hành trình là thể tích xylanh mà pít-tông di chuyển trong giai đoạn hút. Thể tích giải phóng là thể tích ngay bên dưới các van đầu vào và đầu ra và phía trên pít-tông, phải duy trì ở điểm trên cùng của pít-tông vì các lý do cơ học.
Sự khác biệt giữa thể tích hành trình và thể tích hút là do sự giãn nở của lượng khí còn lại trong thể tích trễ trước khi việc hút có thể bắt đầu. Sự khác biệt giữa sơ đồ p/V lý thuyết và sơ đồ thực tế là do thiết kế thực tế của máy nén, ví dụ: một máy nén khí piston. Các van không bao giờ được kín hoàn toàn và luôn có một mức độ rò rỉ giữa màng piston và vỏ xi lanh. Ngoài ra, các van không thể mở và đóng hoàn toàn mà không có độ trễ tối thiểu, dẫn đến sụt áp khi khí chảy qua các van này. Khí cũng được làm nóng khi nén trong xi lanh do kết quả của thiết kế này.
Công suất nén đẳng nhiệt:
Công suất nén đẳng hướng:
Các phép tính này cho thấy rằng cần nhiều lực hơn cho nén đẳng hướng so với nén đẳng nhiệt
Trong máy nén khí động năng, sự tăng áp diễn ra trong khi khí lưu thông. Khí lưu thông sẽ tăng tốc lên tốc độ cao bằng các cánh nén trên bánh nén. Vận tốc của khí sau đó được chuyển thành áp suất tĩnh khi nó buộc phải giảm tốc khi giãn nở trong bộ khuếch tán. Tùy thuộc vào hướng chính của dòng khí được sử dụng, các máy nén này được gọi là máy nén hướng tâm hoặc trục. So với máy nén thay đổi thể tích, máy nén động năng có đặc tính là một thay đổi nhỏ trong áp suất làm việc dẫn đến thay đổi lớn về lưu lượng.
Mỗi tốc độ cánh nén có giới hạn lưu lượng trên và dưới. Giới hạn trên có nghĩa là tốc độ dòng khí đạt đến tốc độ âm thanh. Giới hạn dưới có nghĩa là áp suất ngược trở nên lớn hơn áp suất tích tụ của máy nén, nghĩa là khí chảy ngược bên trong máy nén. Điều này lần lượt dẫn đến rung động, tiếng ồn và nguy cơ phá hỏng cơ học
Về lý thuyết, không khí hoặc khí có thể được nén đẳng hướng (ở hướng không đổi) hoặc đẳng nhiệt (ở nhiệt độ không đổi). Cả hai quá trình có thể đảo ngược về mặt lý thuyết. Nếu khí nén có thể được sử dụng ngay lập tức ở nhiệt độ cuối cùng sau khi nén, quá trình nén đẳng hướng sẽ có những lợi thế nhất định. Trong thực tế, không khí hoặc khí hiếm khi được sử dụng trực tiếp sau khi nén và thường được làm mát đến nhiệt độ môi trường trước khi sử dụng. Do đó, quá trình nén đẳng nhiệt được ưa dùng hơn, vì nó đòi hỏi ít năng lượng hơn. Một cách tiếp cận thực tế, phổ biến để thực hiện quá trình nén đẳng nhiệt này bao gồm làm mát khí trong quá trình nén. Ở áp suất làm việc hiệu quả là 7 bar, về mặt lý thuyết, nén đẳng hướng đòi hỏi năng lượng cao hơn 37% so với nén đẳng nhiệt.
Một phương pháp thực tế để giảm nhiệt của khí là chia nén khí thành nhiều cấp. Khí được làm mát sau mỗi cấp trước khi được nén thêm đến áp suất cuối cùng. Điều này cũng làm tăng hiệu quả năng lượng, với kết quả tốt nhất đạt được khi mỗi cấp nén có cùng tỷ lệ áp suất. Bằng cách tăng số cấp nén, toàn bộ quá trình sẽ tiếp cận nén đẳng nhiệt. Tuy nhiên, để giảm chi phí đầu tư thì số lượng cấp nén mà một thiết kế thực tế có thể sử dụng cho từng ứng dụng cụ thể .
Ở tốc độ quay không đổi, biểu đồ áp suất/lưu lượng cho máy nén khí turbo khác biệt đáng kể so với biểu đồ tương đương đối với máy nén thay đổi thể tích. Máy nén khí turbo là một máy có lưu lượng khí và đặc tính áp suất thay đổi. Mặt khác, máy nén thay đổi thể tích là một máy có lưu lượng khí gần như không đổi khi áp suất thay đổi. Một máy nén thay đổi thể tích có áp suất cao hơn ngay cả ở tốc độ thấp. Máy nén khí Turbo được thiết kế cho lưu lượng khí lớn.
30 tháng sáu, 2022
Có rất nhiều điều bạn cần phải xem xét khi chọn máy nén khí cho doanh nghiệp của mình. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giải thích máy nén khí nào phù hợp nhất với bạn, dựa trên ứng dụng và nhu cầu của bạn.
16 tháng ba, 2023
Tìm hiểu thêm về nén khí động năng và hai loại máy nén khí khác nhau chúng ta có thể phân biệt: máy nén ly tâm và máy nén hướng trục.
4 tháng tám, 2022
Khí nén ở xung quanh chúng ta, nhưng chính xác thì nó là gì? Hãy để chúng tôi giới thiệu với bạn về thế giới của khí nén và các hoạt động cơ bản của máy nén khí.
