Khí nén là gì ? đặc điểm và ứng dụng

Khí nén không chỉ dùng để thổi bóng bay, bơm lốp xe mà còn có vai trò quan trọng trong công nghiệp, được xếp vào nguồn năng lượng quan trọng thứ 3 sau điện và nước. Ở Châu Âu, 10% tổng lượng điện tiêu thụ công nghiệp dùng để tạo ra khí nén tương đương 80 terawatt giờ tiêu thụ mỗi năm. Mặc dù chi phí dùng khí nén đắt gấp 7 lần điện nhưng chúng vẫn được sử dụng trong hầu hết các nhà máy và dây truyền sản xuất công nghiệp. Hãy cùng Á Châu tìm hiểu khái quát nhất về khí nén trong bài viết này.

Khí nén là gì ?

Một thể tích không khí bị nén lại và  giam giữ trong thể tích nhỏ hơn được gọi là khí nén. Tức không khí có thể tích V1 có áp suất P1 bị nén lại bởi một lực F, khối không khí bị nén giảm thể tích thành V2 và bị giữ dưới áp suất P2.

Có thể hiểu đơn giản quá trình nén khí là chuyển hoá từ động năng sang thế năng của khí nén + phát sinh nhiệt. Với P2>P1 và V1>V2.

Đơn vị đo lường khí nén

Đơn vị đo áp suất khí nén phổ biến.

1. Hệ mét

• 1 bar = 0,1 MPa (Megapascal)
• 1 bar = 1,02 kgf/cm2
• 1 bar = 100 kPa (Kilopascal)
• 1 bar = 1 000 hPa (Hectopascal)
• 1 bar = 1 000 Milibar
• 1 bar = 10 197,16 kgf/m2
• 1 bar = 100 000 Pa (Pascal)

2. Hệ đo lường Anh/Mỹ

• 1 bar = 0,01 ksi (Kilopound trên inch vuông)
• 1 bar = 14,5 psi (Pound trên inch vuông)
• 1 bar = 2 088,54 psf (Pound trên foot vuông)

0.1Mpa = 1Bar = 14,5 psi = 1,02 kg/cm2 tức 1cm2 điện tích tiếp xúc vuông góc với khí nén 1 bar tạo ra lực đẩy 1,02 kg. Ví dụ thực tế trong nhà máy sử dụng khí nén có áp suất 8bar, với 1 xi lanh có tiết diện piston 5cm2 có thể tạo ra một lực đẩy 5 x 1.02 x 8 = 40,8kg.

Thành phần của khí nén

Khí nén trong công nghiệp được tạo ra bằng cách nén không khí nên thành phần của khí nén phần lớn chính là thành phần của không khí chứa  Ni tơ, oxy. Bên cạnh thành phần chính là không khí trong quá trình nén, công nghệ nén có dầu sẽ tồn dư một lượng dầu trong khí nén, quá trình nén cũng hút bụi, và khí khác xung quanh máy nén. Những tạp chất này là thành phần chính đánh giá chất lượng khí nén. Chất lượng được đánh giá theo tiêu chuẩn chất lượng khí nén ISO 8573-1 : 2010 Class 0 đến 10. Khí nén được tạo ra mà không chứa dầu gọi là khí không dầu (oil free).

Thành phần khí nén chứa 78% là khí ni tơ nên Khí nén cũng là nguyên liệu cho máy tạo khí ni tơ.Máy tạo oxy quy mô vừa và nhỏ cũng sử dụng khí nén làm nguyên liệu.

Khí nén dùng làm gì ? Ứng dụng trong công nghiệp.

Khởi nguồn lực từ khí nén được sử dụng để vận hành nhiều công cụ và dụng cụ, bao gồm máy khoan đá, hệ thống hãm xe lửa, đinh tán, máy ép rèn, máy phun sơn và máy phun sơn.v.v.. Ngày nay khí nén nén không đơn thuần để chuyển hoá thành cơ năng mà khá năng ứng dụng khá đa dạng như điều khiển tự động hoá, thổi, xục xử lý nước thải, cấp oxy nên men vi sinh ngành đồ uống, môi chất bảo vệ nổ mìn, bảo vệ mối hàn linh kiện điện tử, mạ quang học, cắt lase và nhiều ứng dụng khác trong công nghiệp. Nó thực sự tham gia vào quy trình công nghệ sản xuất của nhiều ngành. Mỗi ngành có mức độ ứng dụng khác nhau, cách tốt nhất là xem xét ứng dụng của khí nén theo ngành dọc sản xuất.

• Điện tử và chất bán dẫn
• Dược phẩm, y tế.  thực phẩm , giải khát, bia..
• Xử lý nước thải
• Xi măng, sắt, dầu mỏ
• khai mỏ, khoáng sản…
• Dệt may, may mặc
• Xây dựng, địa chất, thi công công trình.v.v..

series bài viết bàn về ứng dụng khí nén trong các ngành công nghiệp. Bạn có thể xem chi tiết tại chuyên mục blog website này.

Ưu điểm sử dụng khí nén

Một trong những lý do quan trọng nhất để sử dụng khí nén thay vì điện là sự an toàn. Trong các ứng dụng mà thiết bị quá tải, thiết bị điện gây nguy hiểm về an toàn. Điện giật hoặc có nguy cơ hỏa hoạn làm hư hỏng tài sản hoặc làm bị thương nhân viên vận hành máy sản xuất. Khí nén và các công cụ khí nén có thể được sử dụng trong nhiều điều kiện, chẳng hạn như trên sàn ẩm ướt hoặc những nơi có độ ẩm cao.

Thứ hai, khí nén linh hoạt hơn. Nó dễ sử dụng hơn ở những khu vực xa xôi như mỏ và công trường. Khí cụ chạy mát hơn và có lợi thế về tốc độ và mô-men xoắn thay đổi được. Xem xét máy khoan đá hoặc thiết bị loại va đập tương tự. Gần như không thể phát triển một lực lượng tương đương với điện, đặc biệt là ở các vùng sâu vùng xa.

Các công cụ chạy bằng khí nén cũng nhẹ hơn. Chúng có thể được sản xuất bằng vật liệu làm cho chúng nhẹ và tiện dụng hơn; do đó cân bằng giữa chi phí không khí với chi phí lao động do giảm sự mệt mỏi của công nhân khi sử dụng các công cụ nhẹ hơn này.

Cuối cùng là chi phí. Chi phí tương đương của khí nén có thể cao gấp 7 đến 8 lần so với điện. Tuy nhiên, thiết bị được thiết kế sử dụng khí nén có giá thành thấp hơn. Ít bộ phận được sử dụng hơn do tính đơn giản của thiết kế. Ngoài ra, các công cụ khí nén thường chắc chắn và tồn tại lâu hơn trong môi trường sản xuất.

Cách tạo ra khí nén

Lưu ý: Có thể tăng áp áp suất khí nén bằng chuyển pha trạng thái chất lỏng như hơi nước hoặc phương pháp phân tách hoá học. nhưng áp suất đó có thể bị suy giảm hoặc khó truyền tải nguyên vẹn như khí nén. Bài viết này chỉ tập trung nói về khí nén thông thường.

Cách tạo ra khí nén chủ yếu vẫn dựa trên nguyên lý nén thể tích và động năng tức công nghệ nén ly tâm. Tuy nhiên khí nén có nhiều ứng dụng đa dạng với quy mô từ mini đến siêu lớn, mục đích ứng dụng khác nhau từ đó có nhiều cách tạo ra khi nén khác nhau.

>> Xem thêm chuyên mục blog Nguyên lý cấu tạo máy nén để xem video mô hình 3D

Có thể phân loại cách tạo ra khí nén với những tiêu trí sau:

Phân loại theo công nghệ nén

• Công nghệ nén Piston
• Công nghệ nén trục vít xoắn
• Công nghệ nén trục vít cánh gạt
• Công nghệ nén cánh gạt
• Công nghệ nén cuộn
• Công nghệ nén màng
• Công nghệ nén ly tâm

Phân loại theo áp suất khí nén

• Công nghệ nén cao áp trên 15bar chủ lực là máy nén Piston đa tầng từ 2 cấp nén đến nhiều cấp nén hoặc kết hợp máy trung áp + tăng áp bosster)
• Công nghệ nén trung áp(6-13bar) là công nghệ nén phổ biến thường dùng trong nhà máy công nghiệp
• công nghệ nén thấp áp 2-5bar (Trục vít thẳng, máy thổi khí, máy thấp áp)

Phân loại theo chất lượng khí nén

Máy oil free (máy không dầu)

Khí nén sau khi nén không chứa dầu được gọi là máy nén không dầu. Máy không dầu có thể là máy nén piston, máy cuộn, máy trục vít khô, trục vít làm kín nước, máy ly tâm.

Máy nén có dầu

Dòng máy nén tạo ra khí nén có chứa dầu. Coogn nghệ nén thường là máy piston có dầu, máy trục vít ngâm dầu, máy nén cánh gạt

Ngoài ra cũng còn một cách phân loại ngầm định

ứng dụng cho dân dụng: là những máy nén công suất mini vài W đến 15kw dùng bơm xe, thí nghiệm đến tiệm răng. Chúng chủ yếu là công nghệ nén hiệu suất thấp như piston, màng với tiêu trí hàng đầu là giá thành rẻ và sản xuất đơn giản.

ứng dụng cho công nghiệp: Là những máy nén khí công suất từ 11kw đến ~900kw chúng có yêu cầu về hiệu suất phù hợp với giá thành đầu tư. Gồm chủ lực công nghệ nén trục vít với dải máy trung bình và lớn. Dải máy công suất vài trăm kw có thêm lựa trọn máy nén turbo. Với ứng dụng đòi hỏi áp suất cao vẫn không có công nghệ nén nào có thể thay thế được máy nén Pít tông.

Ứng dụng phi tiêu chuẩn: Là máy nén khí công suất siêu lớn đến vài nghìn kW dùng cho ngành công nghiệp nặng với thiết kế đặc thù cho từng môi trường khác nhau như mở khí nhiệt độ âm tại bắc cực. Với mỗi cong việc khu vực địa lý, đặc tính địa chất có thể sử dụng máy nén phi tiêu chuẩn với công nghệ lõi dựa trên máy nén trục vít, máy nén ly tâm, máy nén piston.

Hệ thống xử lý khí nén là gì ?

Với dây truyền sản xuất yêu cầu khí sạch, khí nén không chứa dầu, không chứa giọt nước, khí khô ít ẩm hoặc không chứa hạt bụi lớn (Theo tiêu chuẩn khí nén 8573-1). Lúc này khí nén được tạo ra từ máy nén khí sẽ cho đi qua hệ thống xử lý khí nén với các bộ phận và công năng như sau:

Máy sấy tác nhân lạnh: Loại bỏ nước dạng sương và giọt lỏng khỏi khí nén. Máy sấy tác nhân lạnh sẽ làm lạnh khí nén 2-10°C. Nhiệt độ này gọi là nhiệt độ điểm sương (Dewpoin). Khí nén bị làm lạnh sẽ ngưng tụ hơi sương nước thành nước dạng lỏng và được xả ra ngoài bằng van xả nước.

Máy sấy hấp thụ: Khi nhu cầu khí nén cho ngành dược phẩm, điện tử công nghệ cao.v.v.. cần khí nén khô, có điểm sương thấp hơn -40 °C hay -70 °C. Lúc này máy sấy tác nhân lạnh không có khả năng đáp ứng vì nếu nhiệt độ dưới 0 °C nước ngưng tụ sẽ bị đóng băng làm tắc đường ống khí nén. Lúc này hệ thống cần trang bị máy sấy hấp thụ với nguyên lý làm việc cho khí nén đi qua bình chứa hạt háo ẩm có khả năng hút ẩm (Hấp thụ). Độ khô khí nén sau khi hút tương đương điểm sương -40 °C hay -70 °C.

Lọc đường ống: Giúp loại bỏ hạt bụi bẩn bằng màng lọc đạt cấp độ 5, 3,1, 0.1micro. Với hệ thống khí nén cần khí vô trùng khí nén sẽ được lọc qua màng lọc than hoạt tính hay còn gọi lọc khử mùi.

Lưu trữ vận chuyển khí nén

Khí nén tồn tại dưới dạng bị nhốt trong một thể tích nên khí nén cần được tích trữ vào bình kín chứa khí hay còn gọi bình tích áp, và được dẫn  đến truyền sản xuất bằng đường ống hay còn gọi mạng lưới phân phối khí nén. Đây là khâu đơn giản nhưng gây lãng phí chi phí vận hành máy nén khí phổ biến nhất vì dò rỉ khí nén trong quá trình xử dụng.

Chi phí tạo ra khí nén

Trong mười năm đầu tiên tuổi thọ của máy nén làm mát bằng không khí thông thường, hoạt động hai ca, chi phí vận hành (điện và bảo trì) sẽ bằng khoảng 88% tổng chi phí trọn đời. Chi phí thiết bị ban đầu và chi phí lắp đặt sẽ chiếm 12% còn lại. Năng lượng (tiêu thụ điện) chiếm khoảng 76% tổng chi phí vận hành trọn đời máy nén. Theo thống kê không chính thức từ EU.

Chính vì chi phí vận hành máy nén khí phần lớn là điện, phụ tùng máy nén,  lọc, dầu thay thế định kì cũng như lựa chọn thiết bị phù hợp nên có một ngành dịch vụ máy nén khí tồn tại. Khí Nén Á Châu tự hào là một trong những công ty tiên phong trong cung cấp dịch vụ, giải pháp giúp giảm chi phí vận hành của hệ thống khí nén bằng năng lực kĩ thuật chuyên sâu cùng linh phụ kiện hiệu suất cao.