1.1 Chức năng của máy nén
Tăng áp suất của khí và vận chuyển khí
1.2 Cách thực hiện nén khí
Về áp suất của khí, trong vật lý có định nghĩa và mô tả rõ ràng:
Áp suất là lực tác dụng vuông góc lên bề mặt của một vật trên mỗi đơn vị diện tích. Ký hiệu là "p" hoặc P.
Kết quả phân tích từ lý thuyết chuyển động phân tử của khí cho thấy áp suất tỷ lệ thuận với tích số lượng phân tử trên một đơn vị thể tích (mật độ) và năng lượng động trung bình của các phân tử. Điều này được biểu thị bằng công thức:
n - số phân tử trên một đơn vị thể tích (mật độ).
mv²/2 - năng lượng động trung bình của một phân tử.
Rõ ràng, nếu tăng mật độ khí hoặc tăng năng lượng động, cả hai đều có thể làm tăng áp suất khí.
Công thức:
P = (F/A) ∞ n * (mv²/2)
1.3 Hai cách nén khí bởi máy nén
Khối lượng khí trong thể tích kín là m và thể tích là V, khi đó mật độ p là:
P = m/V
Một khối lượng khí nhất định được bao kín trong một thể tích nhất định. Ví dụ, giảm thể tích của thể tích kín V, mật độ khí p tăng, áp suất khí tăng, từ đó thực hiện việc nén khí.
Chúng ta gọi loại máy nén này, mà tăng áp suất khí bằng cách giảm thể tích kín, là Máy nén dịch chuyển tích cực (Positive Displacement Compressor).
Bằng cách tăng tốc độ (năng lượng động) của khí, năng lượng động của khí được chuyển thành năng lượng nội tại và áp suất của khí, từ đó tăng áp suất khí và đạt mục đích nén khí. Các máy nén áp dụng nguyên lý này gọi là Máy nén động (Dynamic Compressors).
1.2 Ứng dụng của máy nén
Tổng quan, máy nén được sử dụng trong bốn lĩnh vực chính sau:
* Chỉ phân loại theo lĩnh vực ứng dụng, không phải phân loại theo nghĩa chặt chẽ.
(1) Khí nén làm nguồn năng lượng.
(2) Dùng trong quy trình hóa chất.
(3) Khí nén dùng cho làm lạnh và tách khí.
(4) Vận chuyển khí.
1.2.1 Khí nén làm năng lượng
Khí nén dùng để vận hành nhiều loại máy móc, dụng cụ chạy bằng khí như khoan khí, búa khí, cờ lê khí, phun cát, sơn, và để điều khiển thiết bị tự động, xử lý vật liệu và các nguồn khí khác. Ngoài ra, trong quốc phòng, nghiên cứu khoa học, như phóng vũ khí, vận hành tàu ngầm, cứu hộ tàu đắm, thăm dò dầu khí dưới biển đều cần khí nén với áp suất khác nhau.
Khí nén làm nguồn năng lượng và điều khiển là mục đích chính của máy nén. Là một máy nén, đặc điểm chính là: áp suất đầu vào thường là áp suất khí quyển, áp suất xả khác nhau tùy theo yêu cầu ứng dụng.
Một số ứng dụng điển hình của máy nén khí
(1) Búa khí, súng đinh, cờ lê khí. Ưu điểm: chịu va đập, điều chỉnh được điều kiện làm việc, lực truyền lớn.
(2) Hệ thống phanh, đóng/mở cửa xe, tăng áp động cơ. Ưu điểm: dễ tích hợp, độ tin cậy cao.
(3) Máy dệt dùng thổi và cấp sợi ngang; lên men trong thực phẩm và dược phẩm, trộn bột, vận chuyển khí động.
(4) Dây chuyền sản xuất tự động sử dụng nhiều xy-lanh làm bộ phận chuyển động cần máy nén cung cấp khí nén: dễ lưu trữ, dễ điều khiển, linh hoạt, an toàn, thân thiện môi trường. Vì vậy, khí nén được coi là nguồn năng lượng thứ hai sau điện.
1.2.2 Máy nén dùng trong quy trình hóa chất
Trong công nghiệp hóa chất, tăng áp suất khí giúp phản ứng hóa học diễn ra nhanh hơn, tăng năng suất và giảm kích thước thiết bị, chi phí dự án. Ví dụ, sản xuất phân bón trong quy trình amoniac: phản ứng hydro và nitơ ở áp suất 15~100MPa; sản xuất urê cần phản ứng CO₂ và amoniac ở 21MPa; tinh chế dầu mỏ 7~32MPa; sản xuất nhựa, sợi tổng hợp, cao su tổng hợp dựa trên polyetylen với áp suất làm việc lên đến 280MPa.
Trong các quy trình này, máy nén là thiết bị quan trọng giống như tim người. Không có máy nén, sẽ không có hóa dầu, và hầu hết các sản phẩm hiện đại từ vật liệu phi tự nhiên sẽ không tồn tại.
1.2.3 Khí nén cho làm lạnh và tách khí
Dùng trong làm lạnh nhân tạo (đông lạnh, làm mát, điều hòa), như máy nén amoniac và Leon, áp suất thường 0.8~1.4MPa, loại máy nén này gọi là máy nén lạnh (trong công nghiệp lạnh thường gọi là "máy làm đá").
Không khí có thể hóa lỏng sau khi nén và làm lạnh. Khí hóa lỏng được tách theo nhiệt độ phân loại để lấy các khí hiếm như xenon, neon, argon, heli. Thiết bị tách không khí dựa trên khí nén để tinh chế khí.
Trong ngành hóa dầu Trung Quốc, khí thô - khí nứt dầu - được nén trước, sau đó làm lạnh ở nhiệt độ khác nhau để tách các thành phần.
1.2.4 Máy nén cho vận chuyển khí
Các phương pháp vận chuyển khí chính: đường ống và chai chứa.
Khi thể tích khí lớn và liên tục, đường ống sử dụng máy nén để tăng áp khí, vượt trở lực đường ống, và dùng đường kính nhỏ nhất để vận chuyển nhiều khí nhất.
Áp suất đường ống: 0.3~3MPa; đường ống khí tự nhiên: 1~10MPa. Dọc đường có nhiều trạm tăng áp, thiết bị chính là máy nén đường ống khí tự nhiên.
Khí hóa lỏng có thể vận chuyển đường biển hoặc đất liền. Khí thiên nhiên hóa lỏng chiếm 1/625 thể tích ban đầu, dễ lưu trữ và vận chuyển. Máy nén khí tự nhiên là thiết bị cốt lõi.
Máy nén cho chiết khí tùy thuộc tính chất khí: oxy 15MPa, acetylene 1~2MPa với hấp thụ acetone, clo 1~1.5MPa, CO₂ 5~6MPa, LPG 0.5~1.5MPa, hydro cho xe 35~70MPa. Xe sử dụng khí thiên nhiên được nạp tại trạm phụ với áp suất 20MPa.
Máy nén đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, bao gồm máy ethylene, máy nén đường ống khí tự nhiên, máy nén hầm gió. Máy nén ảnh hưởng không chỉ đến sản xuất công nghiệp mà còn đời sống hàng ngày, quốc phòng và các lĩnh vực quan trọng khác.
