CHƯƠNG 7. QUÁ TRÌNH NÉN KHÍ TRONG MÁY NÉN

7.1. Các loại máy nén

- Máy để làm tăng áp suất dẫn chất lỏng đi gọi là bơm.

- Máy để làm tăng áp suất của chất khí hoặc hơi gọi là máy nén, quạt. Quạt là máy làm tăng áp suất ít (chỉ đủ để đưa dòng khí lưu động từ nơi này đến nơi khác).

- Máy nén là máy tạo ra khí nén ở áp suất cao theo yêu cầu.

Trong kỹ thuật, khí nén được sử dụng rất nhiều, ví dụ cho búa máy, cho vận chuyển các hạt trong đường ống, cho thổi sạch các chi tiết đúc, cho phun sơn ...

Dựa vào nguyên lý hoạt động, người ta chia máy nén thành hai loại: máy nén piston và máy nén ly tâm.

7.1.1. Máy nén piston

Việc tăng áp suất của chất khí được thực hiện bằng cách giảm thể tích của khí.

Máy nén rôto cũng thuộc nhóm này. Máy nén loại này còn gọi là máy tĩnh vì tốc độ của dòng khí không lớn. Đặc điểm của máy nén loại này là áp suất đạt được lớn nhưng năng suất của máy nén (lưu lượng thể tích khí nén m3/h) đạt được nhỏ vì không gian nén khí bị hạn chế, dòng khí nén lấy ra từ xilanh không liên tục. Do vậy loại máy nén này cần có bình chứa khí nén.

7.1.2. Máy nén ly tâm

ở đây để tăng áp suất đầu tiên phải tăng tốc độ dòng khí sau đó thực hiện việc hãm dòng khí để giảm tốc độ và tăng áp suất (thực hiện trong ống tăng áp).

Máy nén hướng trục cũng thuộc nhóm này. Đặc điểm của máy nén loại này là áp suất đạt được không lớn vì tăng áp suất trong ống tăng áp bị hạn chế nhưng năng suất của máy nén lớn, dòng khí lấy ra một cách liên tục.

*Nguyên lý làm việc và cấu tạo của từng loại máy nén khác nhau nhưng chúng giống nhau trong việc phân tích về mặt nhiệt động. Cho nên chúng ta chỉ phân tích các quá trình xảy ra trong máy nén piston. Máy nén cũng như bơm, quạt nhưng khác động cơ nhiệt ở chỗ tiêu tốn công.

7.2. Máy nén piston một cấp

7.2.1. Các quá trình trong máy nén piston một cấp lý tưởng

1: xylanh, 2: piston, 3: van nạp, 4: van đẩy, 5: bình chứa khí, 6: thanh truyền.

Động cơ điện hoặc động cơ đốt trong thường dùng để dẫn động máy nén.

Máy nén piston gọi là lý tưởng khi đỉnh piston ép sát nắp xilanh. Ngoài ra khi bỏ qua ma sát của các dòng khí chuyển động có thế coi áp suất hút khí vào xilanh bằng áp suất môi trường p1, áp suất đẩy khí nén bằng áp suất bình chứa khí p2.

Các quá trình nén khí trong máy nén piston một cấp gồm (đồ thị):

a. Quá trình nạp khí a-1:

Khi piston dịch chuyển từ trái sang phải, van nạp mở, khí được hút vào xilanh ở nhiệt độ, áp suất, thể tích v­1, p1, T­1 không đổi nên quá trình nạp khí a-1 không phải là quá trình nhiệt động (vì trạng thái không đổi) và trên đồ thị trạng thái nó được biểu thị bằng điểm 1.

b. Quá trình nén 1-2:

Khi piston dịch chuyển từ phải sang trái, áp suất trong xilanh tăng và van nạp đã đóng đồng thời van đẩy vẫn đóng, vì áp suất của khí chưa đủ lớn để mở van đẩy. Lúc này khí trong xilanh bị nén do thể tích giảm, áp suất tăng từ p1®p2. Quá trình nén có thể thực hiện bằng các cách sau:

- Nén đẳng nhiệt 1-2T: Khi nén đẳng nhiệt công của máy nén nhỏ nhất (diện tích hình a12Tb). Muốn nén đẳng nhiệt thì phải làm mát rất lớn (diện tích hình ae12Tc trên đồ thị nhiệt) để đảm bảo nhiệt độ khí nén không tăng trong quá trình nén.

- Nén đoạn nhiệt 1-2K: ở đây công của máy nén rất lớn (diện tích hìnha12Kb) vì vậy không bao giờ bọc cách nhiệt máy nén.

- Nén đa biến 1-2n: ở đây số mũ đa biến trong quá trình nén 1 < n < k, có làm mát xilanh (diện tích hình e12nd trên đồ thị nhiệt) nhưng không nhiều bằng nén đẳng nhiệt.

c. Quá trình đẩy khí nén 2-b:

Cuối quá trình nén khí áp suất trong xilanh đủ lớn để mở van đẩy, khí nén được đẩy ra khỏi xilanh vào bình chứa khí. Tương tự như đối với quá trình nạp, trong quá trình đẩy trạng thái của khí không đổi (vì p2, v2, T2 không đổi) và không phải là quá trình nhiệt động. Trên đồ thị T-s quá trình đẩy được biểu thị bằng điểm 2 (2T, 2n, 2K).

7.2.2. Công của máy nén một cấp lý tưởng

Vì máy nén là một hệ hở nên công của máy nén (khi bỏ qua biến đổi động năng và thế năng) bằng tổng công kỹ thuật của các quá trình trong máy nén:

Lmn = Lkta1 +Lkt12 + Lkt2b

ở đây Lkta1, Lkt2b đều bằng 0 vì áp suất không đổi. Vậy công của máy nén bằng công kỹ thuật của quá trình nén: Lmn = Lkt12 = nL12

ở đây: -n: số mũ đa biến;

-L12: công thay đổi thể tích của quá trình nén.

Nếu quá trình nén là đẳng nhiệt, n = 1, công của máy nén:

Nếu quá trình nén là đoạn nhiệt, n =k, công của máy nén:

(7.1)

Nếu quá trình nén là đa biến với số mũ đa biến n, công của máy nén:

(7.2)

Trong đó: V1- lưu lượng thể tích khí hút vào xilanh, m3/h;

G- lưu lượng khí, kg/s.

7.2.3. Máy nén piston một cấp thực

7.2.3.1. ảnh hưởng của thể tích thừa (thể tích chết, có hại)

Trong thực tế để tránh va đập giữa piston và xilanh, piston không chuyển động đến sát nắp xilanh mà giữa đỉnh piston và nắp xilanh còn có một khoảng hở nhất định. Không gian khoảng hở này gọi là thể tích thừa Vt. Hình 7.2 biểu thị các quá trình trong máy nén piston một cấp thực. Do có thể tích thừa nên sau khi đẩy khí nén vào bình chứa bao giờ cũng còn lại một lượng khí nén ở áp suất p2 trong thể tích thừa của xilanh. Vì vậy khi dịch chuyển từ trái sang phải, đầu tiên là khí nén thừa trong thể tích thừa giãn nở theo quá trình 3-4, rồi sau đó khí từ ngoài mới được hút vào xilanh theo qúa trình 4-1. Vậy với máy nén thực khí thực tế được hút vào V = V1 – V4. Rõ ràng V < V1 nên năng suất của máy nén thực sẽ nhỏ hơn năng suất của máy nén lý tưởng khi ở cùng ở điều kiện khác. Nói cách khác thể tích thừa làm giảm lượng khí hút vào máy nén.

Để xét ảnh hưởng của thể tích thừa tới lượng khí hút vào máy nén, người ta đưa ra khái niệm hiệu suất thể tích kí hiệu là lt = V/V3 = V/Vh

với V: thể tích hút thực, Vh: thể tích tương ứng với một hành trình piston.

Người ta đã chứng minh được biểu thức:

Trong đó: c = Vt/Vh – hệ số thể tích thừa;

p = p­2/p1 – tỷ số nén;

n: số mũ đa biến.

Từ biểu thức trên đây ta thấy lt giảm tức lượng không khí hút giảm khí hệ số thể tích thừa c tăng, tỷ số nén p tăng, số mũ đa biến n có trị số nhỏ.

Ngoài ra từ công thức trên ta thấy lt = 0 tức V = 0 khi:

Vậy để máy nén có thể hút được lượng khí nhất định thì phải có tỷ số nén p < p*.

7.2.3.2. Công của máy nén piston một cấp thực

Người ta đã chứng được rằng, biểu thức tính công cho máy nén thực hoàn toàn giống các biểu thức tính công cho máy nén lý thuyết nhưng thay V1 = V (lưu lượng thể tích thực), G là lưu lượng khối lượng trong máy nén thực.

7.2.4. Nhiệt trong quá trình nén

Khi giả thiết quá trình nén là đa biến với số mũ n và với khối lượng 1kg khí nạp vào xilanh, nhiệt trong quá trình nén sẽ là:

(7.3)

Trong đó: Cn là nhiệt dung riêng của quá trình đa biến:

Với quá trình đa biến 1 < n < k ta thấy Cn < 0 và p = p2/p1 nên qn < 0. Nghĩa là cần lấy nhiệt ra khỏi xilanh (làm mát xilanh).

7.3. Máy nén piston nhiều cấp

ở máy nén piston một cấp như đã nói việc tăng áp suất cuối p2 bị hạn chế vì lượng khí hút vào xilanh giảm (ảnh hưởng của thể tích thừa), hơn nữa nhiệt độ cuối quá trình nén T2 cũng tăng có hại cho sự làm việc của dầu bôi trơn. Do đó ở máy nén một cấp, tỷ số nén thông thường p = 6¸8 có nghĩa là khi p1 = 1at thì p2 = 8at là cùng. Vậy muốn có khí nén có áp suất cao hơn ta phải dùng máy nén có nhiều cấp trung gian (thực hiện quá trình làm mát ở áp suất không đổi) để giảm nhiệt độ trước khi vào cấp nén tiếp theo.

7.3.1. Các quá trình trong máy nén piston nhiều cấp

Các quá trình của máy nén piston nhiều cấp được biểu diễn như hình 7.4.

a-1: Quá trình hút khí ở cấp I;

1-2: Quá trình nén khí ở cấp I;

2-3: Quá trình làm mát trung gian;

3-4: Quá trình nén khí ở cấp II;

4-b: Quá trình đẩy khí nén vào bình chứa.

Quá trình làm mát trung gian được thực hiện ở áp suất không đổi và nhiệt độ ra khỏi bình làm mát trung gian bằng nhiệt độ vào xilanh của cấp nén trước T1 = T3 = T5 =.... Làm mát trung gian không chỉ lợi cho việc giảm nhiệt độ của khí trước khí vào cấp nén tiếp sau mà còn giảm được công tiêu hao của máy nén (diện tích hình 24’432).

7.3.2. Tỷ số của các cấp nén

Việc chọn tỷ số trong các cấp nén phải dựa vào điều kiện làm sao để công tiêu hao của máy nén nhiều cấp là nhỏ nhất.

Để đơn giản ta chọn máy nén hai cấp m = 2. Công của máy nén nhiều cấp bằng tổng công của máy nén các cấp, với hai cấp ta có: lmn = lI + lII (j/kg)

Giả thiết số mũ đa biến của quá trình nén là n có giá trị như nhau trong các cấp nén, nhiệt độ vào của các cấp như nhau T1 = T3 và ký hiệu áp suất p2 = px, ta có:

(7.4)

Khi đạo hàm phương trình trên theo px và cho bằng 0, (ở đây hàm có giá trị cực tiểu), ta có: (7.5)

Ký hiệu tỷ số nén của cấp I và cấp II là p1, p2 ta có:

’

Từ đây ta thấy tỷ số nén của các cấp là như nhau: p1 = p2.

Tổng quát, nếu máy nén có m cấp và ký hiệu p1 = pđ (áp suất đầu), pm+2 = pc (áp suất cuối), chúng ta có:

p1 = p2 = ... = p = (7.6)

Þáp suất ở cuối cấp I: p2 = pp1

áp suất ở cuối cấp II: p4 = pp3 = pp2 = p2p1

áp suất ở cuối cấp m: pm+2 = pmp1

Nhiệt độ ở các cấp:

Cấp I:

Cấp II:

Vì p1 = p2 = ... = p và nhiệt độ vào các cấp là như nhau T1 = T3 = ... nên suy ra nhiệt độ ra của các cấp sẽ là như nhau: (7.7)

7.3.3. Công của máy nén nhiều cấp

Nếu máy nén có m cấp nén, khi đó công của máy nén sẽ là:

lmn = lI + lII + ... +lm

Vì ta chọn nhiệt độ đầu vào của các cấp là như nhau với giả thiết số mũ đa biến của quá trình nén trong các cấp như nhau nên công của máy nén nhiều cấp:

(7.8)

7.3.4. Nhiệt toả ra trong các cấp nén và trong quá trình làm mát trung gian

Khi cùng số mũ đa biến n và tỷ số nén như nhau, nhiệt toả ra trong các cấp nén như nhau:

(7.9)

Vì các quá trình làm mát trung gian ở áp suất không đổi, nhịêt độ ra và vào các cấp như nhau nên nhiệt toả ra trong các bình làm mát trung gian sẽ như nhau.