Trước khi tìm hiểu các máy nén và phương pháp nén khác nhau, trước tiên, chúng tôi phải giới thiệu với bạn hai nguyên tắc nén khí cơ bản. Sau đó, chúng ta sẽ so sánh hai máy nén và xem xét các máy nén khác nhau trong hai loại này.
Có hai nguyên lý nén khí (hoặc gas) chung: Nén thay đổi thể tích và động lực. Những nguyên lý này dựa trên lý thuyết nén và xả khí.
Trong nén thay đổi thể tích, khí được hút vào một hoặc nhiều buồng nén, sau đó được đóng ở đầu vào. Dần dần, thể tích của mỗi buồng giảm, và không khí được nén bên trong. Khi áp suất đạt đến tỷ lệ áp suất tích hợp được thiết kế, cổng hoặc van được mở. Sau đó, khí được xả vào hệ thống xả do thể tích của buồng nén tiếp tục giảm.
Trong nén động lực, không khí được hút vào giữa các cánh quạt trên bánh công tác nén quay nhanh và được tăng tốc đến vận tốc cao. Khí sau đó được xả qua bộ khuếch tán, trong đó động năng được chuyển thành áp suất tĩnh.
Máy nén thay đổi thể tích cung cấp luồng khí nhất quán, bất kể áp suất hệ thống. Chúng nén khí bằng cách giữ lại lượng thể tích cố định và nén cơ học, chẳng hạn như bằng pít-tông hoặc trục vít xoay.
Những máy nén này cung cấp tỷ lệ áp suất cao hơn ngay cả ở tốc độ thấp hơn và lý tưởng cho các ứng dụng nhỏ hơn, ổn định như ngành sản xuất và ô tô. Thiết kế đơn giản đảm bảo độ tin cậy và dễ bảo trì.
Máy nén động sử dụng cánh quay tốc độ cao để nén lượng không khí lớn.
Tốc độ dòng chảy và áp suất thay đổi theo tốc độ vận hành, làm cho chúng phù hợp với các ứng dụng thể tích lớn như phát điện và HVAC. Thiết kế phức tạp được tối ưu hóa cho tốc độ dòng chảy thay đổi và vận hành tốc độ cao hiệu quả.
Bơm xe đạp là ví dụ đơn giản nhất cho nén thay đổi thể tích. Khí được hút vào xy-lanh và được nén bằng pít-tông chuyển động. Máy nén pít-tông có cùng nguyên lý. Chúng sử dụng một pít-tông chuyển động tiến và lùi được thực hiện bằng một thanh nối và trục khuỷu quay.
Nếu chỉ sử dụng một bên của pít-tông để nén thì đây gọi là máy nén tác dụng đơn. Nếu cả mặt trên và mặt dưới của pít-tông được sử dụng thì máy nén có tác dụng đôi. Tỷ lệ áp suất là mối quan hệ giữa áp suất tuyệt đối trên đầu vào và đầu ra.
Theo đó, một máy hút không khí ở áp suất khí quyển (1 bar(A)) và nén khí đến mức quá áp 7 bar, hoạt động với tỷ lệ áp suất (7 + 1)/1 = 8.
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 .
Trong hai sơ đồ dưới đây, bạn sẽ tìm thấy mối quan hệ áp suất-thể tích cho máy nén theo lý thuyết và sơ đồ thực tế cho máy nén pít-tông được minh họa (tương ứng).
Thể tích xy-lanh là thể tích xy-lanh mà pít-tông di chuyển trong giai đoạn hút. Thể tích không gian chết là thể tích bên dưới các van đầu vào và đầu ra và bên trên pít-tông. Nó phải ở điểm rẽ trên cùng của pít-tông vì lý do cơ học.
Sự chênh lệch giữa thể tích xy-lanh và thể tích hút là do sự giãn nở của không khí còn lại trong thể tích không gian chết trước khi lực hút bắt đầu. Thiết kế thực tế của máy nén, ví dụ như máy nén pít-tông, dẫn đến sự khác biệt giữa sơ đồ p/V theo lý thuyết và sơ đồ thực tế.
Các van không bao giờ được bịt kín hoàn toàn và luôn có một mức độ rò rỉ giữa vòng bao pít-tông và thành xy-lanh. Ngoài ra, van không thể mở và đóng hoàn toàn mà không có độ trễ tối thiểu. Điều này dẫn đến sụt áp suất khi khí lưu thông qua các kênh. Khí cũng được làm nóng khi chảy vào xy-lanh như là kết quả của thiết kế này.
Trong máy nén động lực, việc tăng áp suất diễn ra trong khi khí lưu thông. Khí chảy tăng tốc đến vận tốc cao bằng các cánh xoay trên bánh công tác. Vận tốc của khí sau đó được chuyển đổi thành áp suất tĩnh khi khí buộc phải giảm tốc khi giãn nở trong bộ khuếch tán.
Tùy vào hướng chính của dòng khí được sử dụng, những máy nén này được gọi là máy nén hướng tâm hoặc hướng trục. So với máy nén thay đổi thể tích, một sự thay đổi nhỏ trong áp suất làm việc của máy nén động lực dẫn đến sự thay đổi lớn về tốc độ dòng chảy.
Mỗi tốc độ của bánh công tác có giới hạn tốc độ dòng chảy trên và dưới. Giới hạn trên nghĩa là vận tốc dòng khí đạt đến vận tốc âm thanh. Giới hạn dưới nghĩa là áp suất đối lưu lớn hơn áp suất tích tụ của máy nén, nghĩa là dòng hồi lưu bên trong máy nén. Điều này dẫn đến rung động, tiếng ồn và nguy cơ hư hỏng cơ học.
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.
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.
5 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.