Nghiên cứu máy nén khí piston 4BY-5.9 trong công tác khoan, khai thác dầu khí và phương pháp phục hồi cụm piston – xilanh của máy nén khí 4BY-5.9

MỤC LỤC MỤC LỤC 1 LỜI MỞ ĐẦU 6 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN CHUNG VỀ XÍ NGHIỆP LIÊN DOANH DẦU KHÍ VIETSOPETRO 8 1.1. Tổng quan về ngành dầu khí 8 1.1.1. Sơ lược về liên doanh dầu khí Việt-Xô 8 1.1.2. Tình hình khai thác dầu khí ở mỏ Bạch Hổ 8 1.2. Mục đích sử dụng máy nén khí 9 1.3. Phân loại máy nén khí 9 1.3.1. Máy nén khí động học 9 1.3.2. Máy nén khí thể tích 9 1.4. Một số loại máy nén khí đang được sử dụng tại liên doanh Vietsopetro (VSP) 11 CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ MÁY NÉN KHÍ 14 2.1. Nhiệt động lực học của máy nén khí 14 2.2. Các thông số cơ bản của máy nén khí 20 2.2.1. Tỷ số nén 20 2.2.2. Năng suất Q (m3/phút) 20 2.2.3. Công suất N (KW) 20 2.2.4. Hiệu suất máy nén khí 21 2.3. Phương pháp làm mát ở máy nén khí 22 2.4. Cấp nén 23 CHƯƠNG III: MÁY NÉN KHÍ PISTON 25 3.1. Định nghĩa máy nén khí piston 25 3.2. Ưu khuyết điểm của máy nén piston 25 3.2.1. Ưu điểm 25 3.2.2. Nhược điểm 25 3.3. Phân loại máy nén khí piston 25 3.3.1. Máy nén khí piston theo phương nằm ngang 25 3.3.2. Máy nén khí piston dạng đứng 25 3.3.3. Máy nén khí piston dạng góc 26 3.3.4. Máy nén khí dạng không có con trượt 26 3.3.5. Máy nén khí piston có con trượt 26 3.3.6. Máy nén khí piston xung đối 26 3.4. Nguyên lý tác dụng và cơ sở lý thuyết 26 3.4.1 Nguyên lý tác dụng 26 3.4.2. Đường đặc tính lý thuyết của máy nén khí piston 27 3.5. Chu trình nén lý thuyết 29 3.5.1. Công nén riêng 29 3.5.2. Thông số của chu trình nén lý thuyết của máy nén khí piston 30 3.6. Chu trình nén thực tế 34 3.6. Máy nén piston nhiều cấp: 36 3.6.1. Tại sao phải chế tạo máy nén khí nhiều cấp: 36 3.6.2. Phân phối áp suất nén giữa các cấp nén 38 3.6.3. Sơ đồ tổng quát của máy nén khí dạng chuỗi 40 3.7. Phương pháp điều chỉnh lưu lượng máy nén khí piston 42 CHƯƠNG IV: CẤU TẠO, THÔNG SỐ KỸ THUẬT VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY NÉN KHÍ 4BY – 5/9 44 4.1. Thông số kỹ thuật của máy nén khí 4BY-5/9 44 4.1.1. Phạm vi ứng dụng 44 4.1.2. Ý nghĩa các kí hiệu tên máy 44 4.1.3. Các thông số làm việc của máy 44 4.1.4. Sơ đồ cấu tạo máy nén khí 4BY - 5/9 (Hình 4.1) 45 4.2. Nguyên lý làm việc 47 4.3. Thành phần cấu tạo 48 4.3.1. Cácte 48 4.3.2. Trục khuỷu 48 4.3.3. Tay biên 48 4.3.4. Piston và chốt piston 49 4.3.5. Xilanh 51 4.2.6. Van 51 4.3.7. Bầu lọc khí, quạt gió và két làm mát trung gian 54 4.3.8. Hệ thống điều khiển tự động và bảo vệ 55 CHƯƠNG V: VẬN HÀNH, BẢO DƯỠNG VÀ SỬA CHỮA MÁY NÉN KHÍ 4BY – 5/9 57 5.1. Vận hành 57 5.1.1. Công tác chuẩn bị và vận hành 57 5.1.2. Bảo dưỡng kỹ thuật trong thời gian vận hành 58 5.1.3. Kết thúc vận hành 58 5.2. Bảo dưỡng 58 5.3. Sửa chữa 59 5.3.1. Quy trình tháo dỡ máy nén 61 5.3.2. Rửa chi tiết, kiểm tra và phân loại chi tiết 61 5.4. Sửa chữa trục cơ 62 5.4.1. Vai trò và yêu cầu kỹ thuật 62 5.4.2. Nguyên nhân và hư hỏng thường gặp 62 5.4.3. Quy trình công nghệ sửa chữa. 64 5.5. Sửa chữa tay biên 69 5.6. Trình tự lắp ráp và thử máy 70 5.6.1. Trình tự lắp ráp 70 5.6.2. Chạy thử máy 70 5.6. Hư hỏng thường gặp và cách khắc phục. 71 CHƯƠNG VI: SỬA CHỮA CỤM PISTON - XILANH TRONG MÁY NÉN KHÍ 4BY-5/9 74 6.1. Vai trò của cụm piston – xilanh trong máy nén khí 74 6.1.1. Xilanh 74 6.1.2. Cụm piston 75 6.2. Sự mòn hỏng của cụm piston – xilanh 77 6.2.1. Sự mòn của xilanh trong máy nén khí 4BY-5/9 77 6.2.2. Sự mòn của cụm piston trong máy nén khí 4BY-5/9 78 6.2.3. Ảnh hưởng của sự mòn cụm piston-xilanh tới quá trình làm việc của máy nén khí 79 6.3. Phương pháp khắc phục sự mòn hỏng 79 6.4. Phương pháp sửa chữa cụm piston – xilanh 79 6.4.1. Lưu ý khi sửa chữa 80 6.4.2. Sửa chữa xilanh 80 6.4.3. Sửa chữa piston 81 6.4.4. Sửa chữa chốt piston 81 6.4.5. Xécmăng 82 CHƯƠNG VII: AN TOÀN TRONG VẬN HÀNH, BẢO DƯỠNG VÀ SỬA CHỮA MÁY NÉN KHÍ 83 7.1. An toàn trong vận hành 83 7.2. An toàn khi vận hành bình chứa khí nén và đường ống dẫn khí 84 KẾT LUẬN 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 Danh mục hình vẽ có trong đồ án. STT   Tên hình vẽ.  Trang   1  Hình 2.1.  Đồ thị S-T. Quá trình đẳng nhiệt của máy nén khí.  15   2  Hình 2.2.  Đồ thị S-T. Quá trình đẳng Entropi.  16   3  Hình 2.3.  Đồ thị S-T. Quá trình đa biến của máy nén khí.  16   4  Hình 2.4.  Đồ thị P-V. Biểu diễn quá trình làm việc của máy nén khí.  18   5  Hình 2.5.  Sơ đồ hệ thống làm mát trong máy nén khí.  22   6  Hình 3.1.  Sơ đồ cấu tạo máy nén khí piston một cấp.  27   7  Hình 3.2.  Đường đặc tính lý thuyết của máy nén khí.  28   8  Hình 3.3.  Khoảng không gian chết.  31   9  Hình 3.4.  Sự phụ thuộc của (0 vào thể tích V và áp suất nén P.  33   10  Hình 3.5.  Đường đặc tính nén.  34   11  Hình 3.6.  Chu trình nén thực tế.  35   12  Hình 3.7.  Đường đặc tính theo tỷ số nén.  36   13  Hình 3.8.  Công tiêu thụ trong máy nén nhiều cấp.  37   14  Hình 3.9.  Ảnh hưởng của khoảng không gian chết.  38   15  Hình 3.10.  Áp suất nén giữa các cấp nén.  39   16  Hình 3.11.  Sơ đồ tổng quát của máy nén nhiều cấp.  41   17  Hình 4.1.  Cấu tạo máy nén khí 4BY-5/9.  46   18  Hình 4.2.  Sơ đồ động học của máy nén khí 4BY-5/9.  47   19  Hình 4.3.  Trục khuỷu máy nén khí 4BY - 5/9.  48   20  Hình 4.4.  Tay biên máy nén khí 4BY-5/9.  49   21  Hình 4.5.  Piston cấp I máy nén khí 4BY – 5/9.  50   22  Hình 4.6.  Piston cấp II máy nén khí 4BY – 5/9.  50   23  Hình 4.7.  Van hút.  51   24  Hình 4.8.  Van nén.  52   25  Hình 4.9.  Van một chiều.  52   26  Hình 4.10.  Van thông áp.  53   27  Hình 4.11.  Van an toàn.  54   28  Hình 4.12.  Hệ thống làm mát máy nén khí.  55   29  Hình 5.1.  Sơ đồ quy trình công nghệ sửa chữa.  60   30  Hình 5.2.  Cách đặt thước kiểm tra độ mòn và độ ôvan của trục.  64   31  Hình 5.3.  Đo độ cong của trục khuỷu.  68   32  Hình 5.4.  Nắn trục khuỷu bị cong.  69   Danh mục bảng biểu có trong đồ án. STT   Tên Bảng  Trang   1  Bảng 1.1.  Thông số kỹ thuật của máy nén khí BY-06/13.  11   2  Bảng 1.2.  Đặc tính kỹ thuật máy nén khí INGER SOLLRAND T30-7100x15.  12   3  Bảng 1.3.  Thông số kỹ thuật máy nén khí cao áp KP-2.  12   4  Bảng 1.4.  Đặc tính kỹ thuật máy nén khí 2BM4-9/101.  13   5  Bảng 3.1.  Tỉ số nén theo các cấp.  36   6  Bảng 5.1.  Sơ đồ quy trình công nghệ sửa chữa mòn cổ trục khuỷu  65   7  Bảng 5.2.  Hư hỏng thường gặp và cách khắc phục.  71   8  Bảng 6.1.  Tiêu chuẩn kỹ thuật khi chế tạo xilanh.  74   9  Bảng 6.2.  Khe hở tiêu chuẩn của chốt và bạc đầu nhỏ tay biên.  82   LỜI MỞ ĐẦU Năm 2007, Việt Nam chính thức gia nhập WTO đồng nghĩa với đó là nền kinh tế Việt Nam hoà nhập vào nền kinh tế chung toàn cầu. Đây là một mốc son đánh dấu một bước phát triển mới, cao hơn sâu sắc hơn của nền kinh tế, đồng thời nó cũng là cơ hội lớn của nền kinh tế Việt Nam phát triển nhanh hơn mạnh hơn. Nhưng đi cùng với đó là những khó khăn, thách thức đối với nền kinh tế trong nước bởi sự cạnh tranh của hơn 100 nền kinh tế trên toàn cầu. Với chính sách mở cửa thông thoáng của Nhà nước nhằm thực hiện đúng mục tiêu đưa Việt Nam trở thành một nước công nghiệp phát triển vào năm 2020.Vì vậy từng ngành cần phải nỗ lực, phấn đấu, đổi mới, sáng tạo, nắm bắt được công nghệ – kỹ thuật mới để nâng cao năng suất cũng như chất lượng sản phẩm.Trong thời kỳ hội nhập kinh tế WTO,với vai trò là ngành đóng góp phần quan trọng vào GDP toàn quốc,dầu khí càng được chú trọng đầu tư phát triển. Hiện nay có rất nhiều công ty dầu khí trong và ngoài nước như: Vietsopetro, BHP, BP, Mobil, Schlumberger… với nhiều mỏ dầu mới được phát hiện và khai thác đã chứng tỏ tiềm năng rất lớn về dầu khí của nước ta. Trước thực tế đó,một nhiệm vụ quan trọng được đặt ra là phải có một hệ thống thiết bị hiện đại, phù hợp, mang lại hiệu quả kinh tế cao. Hiện nay, máy móc, thiết bị phục vụ cho công tác tìm kiếm , thăm dò, khai thác dầu khí rất đa dạng và phong phú. Việc tìm kiếm, tiếp cận công nghệ mới, tìm hiểu về nguyên lý hoạt động và các dạng hỏng hóc thường gặp của thiết bị để tìm biện pháp nâng cao tuổi thọ thiết bị là rất quan trọng vì từ đó ta có thể nắm bắt được ưu, nhược điểm từng thiết bị để có thể sử dụng hợp lí mang lại năng suất làm việc cao nhất, với thời gian lâu nhất. Với mục tiêu là sử dụng sao cho có năng suất cao nhất với khả năng làm việc của máy nén piston, nên em đã quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu máy nén khí piston 4BY-5/9 trong công tác khoan, khai thác dầu khí và phương pháp phục hồi cụm piston – xilanh của máy nén khí 4BY-5/9 ”.Với mục đích đó, đồ án của em tập trung vào tìm hiểu cấu tạo, nguyên lí vận hành và bảo dưỡng, sửa chữa máy nén khí, từ đó đưa ra các phương pháp sửa chữa cụm piston – xilanh của máy nén. Em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Vũ Nam Ngạn đã hướng dẫn tận tình và đưa ra nhiều ý kiến quý báu giúp em thực hiện đề tài tốt nhất. Là một đề tài kỹ thuật nên cần sự nghiên cứu sâu; song do kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên ảnh hưởng nhất định đến kết quả đề tài, rất mong thầy cô và các bạn góp ý. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội 6– 2010. Sinh viên thực hiện. Nguyễn văn Thoan. CHƯƠNG I : TỔNG QUAN CHUNG VỀ XÍ NGHIỆP LIÊN DOANH DẦU KHÍ VIETSOPETRO 1.1. Tổng quan về ngành dầu khí 1.1.1. Sơ lược về liên doanh dầu khí Việt-Xô Xí nghiệp liên doanh Dầu khí Việt-Xô hay Vietsopetro là liên doanh thăm dò và khai thác dầu khí giữa Việt Nam và Liên bang Nga, hiện hoạt động chủ yếu tại các mỏ dầu ở biển Đông như Mỏ Bạch Hổ, Mỏ Rồng. Trụ sở chính của Vietsopetro đặt tại số 105 đường Lê Lợi, thành phố Vũng Tàu, Việt Nam. Liên doanh được thành lập từ ngày 19 tháng 11 năm 1981, có trụ sở tại Vũng Tàu. Nga (lúc đó còn là Liên Xô) và Việt Nam hiện có mỗi bên một nửa trong tổng vốn đầu tư 1,5 tỷ đô la. Đại diện cho phía Việt Nam trong liên doanh là Tổng công ty Dầu khí Việt Nam, còn đại diện phía Nga là Liên đoàn Kinh tế đối ngoại Liên bang Nga (Zarubezneft). Hiện nay đây là mảng hợp tác hiệu quả của hai nước, riêng ngân sách của Nga hàng năm nhận khoảng 500-700 triệu USD từ liên doanh, tổng doanh thu phía Nga đạt trên 4,5 tỷ USD. Khai thác tấn dầu đầu tiên: ngày 26 tháng 6 năm 1986. Hoạt động: đến 1992 đạt 10 triệu tấn, 20 triệu tấn vào năm 1993, 50 triệu tấn năm 1997, 100 triệu tấn năm 2001 và đến 4 tháng 12 năm 2005 đạt tổng sản lượng khai thác 150 triệu tấn dầu thô. Quy mô: Vietsopetro đóng góp khoảng 80% lượng dầu thô xuất khẩu hàng năm từ Việt Nam. Chính phủ hai nước đã đồng ý cho liên doanh lập dự án mới về quy mô hoạt động sau khi hợp đồng liên doanh hết hạn vào 2010, bao gồm cả khả năng hoạt động tại một nước thứ ba. 1.1.2. Tình hình khai thác dầu khí ở mỏ Bạch Hổ Mỏ Bạch Hổ nằm ở lô 0.9 trên biển Đông, cách bờ biển 100 km, cách cảng Vũng Tàu khoảng 130 km, chiều sâu nước biển vùng khai thác khoảng 50 máy nén khí. Hiện nay, ở mỏ Bạch Hổ chủ yếu khai thác bằng Gaslift và bơm điện chìm. Mỏ có trữ lượng khoảng 300 triệu tấn, trung bình mỗi ngày khai thác khoảng 38 nghìn tấn dầu thô, chiếm 80% sản lượng dầu thô ở Việt Nam. Tháng 3 năm 2001 Viêtsopetro làm lễ đón mừng tấn dầu thứ 100 triệu, đến 04/12/2005 Viêtsopetro khai thác được 150 triệu tấn dầu thô và đưa vào bờ 15 tỷ m3 khí đồng hành. Theo kế hoạch 2006-2010 Viêtsopetro phấn đấu gia tăng sản lượng từ 37 đến 40 triệu tấn dầu thô và đưa vào bờ 6.5 tỷ m3 khí đồng hành. 1.2. Mục đích sử dụng máy nén khí Máy nén khí đã xuất hiện từ rất sớm, ngay từ thời cổ đại đã có các loại máy thổi khí dùng trong sản xuất sắt, đồng; kể cả các máy thổi khí chạy bằng sức nước. Tới thế kỷ XIX, máy nén khí piston và máy nén khí ly tâm hướng trục ra đời. Năng suất của máy ngày càng được nâng lên. Máy nén khí piston có năng suất 104 m3/h và áp suất lên tới 100 at, máy nén khí li t âm có năng suất 105 m3/h và áp suất lên tới 100 at. Tất cả các loại máy nén khí dùng để tạo ra nguồn khí cao áp, dùng trong các hoạt động khoan, khai thác, và vận chuyển dầu khí. Ứng dụng của máy nén khí bao gồm: Khai thác dầu bằng phương pháp gaslift. Gọi dòng cho giếng. Cung cấp nguồn khí nén cho các thiết bị khoan. Dùng để vận chuyển ximăng. Cung cấp nguồn khí nuôi cho các thiết bị đo và tự động điều chỉnh. Cung cấp khí nén cho hệ thống điều khiển các van… Cung cấp cho hệ thống khởi động nhờ khí nén. Làm chất trung gian truyền nhiệt cho các máy sây hay làm lạnh. 1.3. Phân loại máy nén khí Máy nén khí được phân ra nhiều loại khác nhau tuỳ theo từng mục đích phân loại. Nhưng cơ bản nhất là phân loại theo nguyên lí làm việc. Theo đó ta phân ra làm 2 loại chính: máy nén khí động học và máy nén khí thể tích. 1.3.1. Máy nén khí động học Ở loại này, áp suất khí được nâng lên cao bằng cách cấp động năng cưỡng bức cho khí từ các cơ cấu làm việc, lúc này khí biến chuyển động cưỡng bức và động năng thành thế năng. Trong thực tế, chuyển động của khí ở loại này có biên độ nhỏ và tần số lớn nên có thể coi là ổn định. Loại máy nén khí động học này bao gồm: Máy nén khí ly tâm. Máy nén khí hướng trục. Máy nén khí cánh dẫn. 1.3.2. Máy nén khí thể tích Việc nâng cao áp suất khí trong loại máy nén khí này được thực hiện bằng việc nén cưỡng bức, làm giảm thể tích không gian làm việc. Như vậy chu trình khi nén là một chu trình tuần hoàn và là một chu trình xác định. Máy nén khí thể tích gồm có các loại sau: Máy nén khí piston. Máy nén khí trục vít. Máy nén khí rôto. Ngoài ra, còn có thể phân loại máy nén khí theo các cách sau: */ Phân loại theo lưu lượng: - Máy nén có lưu lượng lớn: Q > 100 (m3/phút). - Máy nén có lưu lượng trung bình: Q = 10÷100 (m3/phút). - Máy nén có lưu lượng nhỏ: Q = 0.04÷10 (m3/phút). */ Phân loại theo áp suất có thể tạo ra: - Máy nén có áp suất cao: P > 100 (KG/cm2). - Máy nén có áp suất trung bình: P = 10÷100 (KG/cm2). - Máy nén có áp suất thấp: P = 2÷10 (KG/cm2). */ Phân loại theo cách bố trí đường tâm xilanh: - Máy nén ngang. - Máy nén thẳng đứng. - Máy nén dạng góc (chữ L,V, W). */ Phân loại theo loại khí nén: - Máy nén khí ôxy. - Máy nén khí gas. - Máy nén khí không khí. */ Phân loại theo động cơ dẫn động: - Máy nén khí được truyền động bằng động cơ điện. - Máy nén khí được truyền động bằng động cơ Diesel. - Máy nén khí được truyền động bằng động cơ tua bin. */ Phân loại theo kiểu làm mát: - Máy nén làm mát bằng nước hay không khí. - Máy nén làm mát bằng không khí. */ Phân loại theo số lần tác dụng: - Máy nén khí tác dụng đơn. - Máy nén khí tác dụng kép. */ Phân loại theo số cấp nén: - Máy nén khí một cấp. - Máy nén khí nhiều cấp. 1.4. Một số loại máy nén khí đang được sử dụng tại liên doanh Vietsopetro (VSP) Với ưu điểm là kết cấu đơn giản, gọn gàng và dễ dàng khắc phục các hư hỏng, nên máy nén khí piston rất phù hợp với điều kiện làm việc trên biển. Hơn nữa, khả năng làm việc của máy nén khí piston là rất rộng, nó sản xuất năng lượng từ thấp đến cao và tạo cột áp cao nên trong xí nghiệp VSP chủ yếu sử dụng máy nén khí piston. Một số loại máy nén khí piston đang sử dụng tại VSP: Máy nén khí BY-06/13: Dùng để đảm bảo cung cấp khí nén cho các dụng cụ đo kiểm tra và điều khiển tự động trên giàn cố định với áp suất tối đa là 12KG/cm2. Các máy nén khí này lắp trên giàn cố định ở mỏ Bạch Hổ chỉ sử dụng khí nén tới áp suất 8 KG/cm2. Bảng 1.1. Thông số kỹ thuật của máy nén khí BY-06/13. Thông số kỹ thuật  Đơn vị    Máy nén khí   Kiểu máy  Piston chữ V 2 cấp, tác dụng đơn   Chất khí công tác  Không khí   Áp suất nạp  Áp suất khí trời   Hướng quay  phải (nhìn từ động cơ)   Năng suất hút  m3/ph  0.6   Vòng quay định mức  v/ph  1445   Áp suất kk nén cấp I  KG/cm2  3.7÷3.9   Áp suất kk nén cấp II  KG/cm2  13   Nhiệt độ kk tối đa ở trong MNK khi nhiệt độ ngoài trời là 20oC  oC  180   Số xilanh  Cấp I(sơ cấp)  chiếc  1    Cấp II(thứ cấp)  chiếc  1   Đường kính xilanh  Cấp I(sơ cấp)  mm  120    Cấp II(thứ cấp)  mm  62   Hành trình piston  mm  55   Nhớt trong cácte  lit  3.35   Tiêu hao nhớt  gam/giờ  50   Động cơ điện   Công suất  KW  4.8   Điện áp  V  220/380   Tần số  Hz  50   Máy nén khí INGER SOLLRAND T30-7100 x 15: Lắp ở trạm máy nén cùng với các loại máy nén khác cung cấp khí vào bình chứa để phục vụ cho các công tác khác. Bảng 1.2. Đặc tính kỹ thuật máy nén khí INGER SOLLRAND T30-7100x15 Thông số kỹ thuật  Đơn vị    Máy nén khí   Năng suất hút  Lý thuyết  m3/ph  1.71    Thực tế   1.288   Áp suất kk nén cấp II  KG/cm2  11.03   Số xilanh  Cấp I(sơ cấp)  chiếc  1    Cấp II(thứ cấp)  chiếc  1   Đường kính xilanh  Cấp I(sơ cấp)  mm  139.7    Cấp II(thứ cấp)  mm  76   Áp suất van an toàn 1  KG/cm2  5.517   Áp suất van an toàn 2  KG/cm2  11.38   Áp suất van an toàn bình chứa  KG/cm2  12   Động cơ điện   Công suất  Mã lực  15   Điện áp  V  380   Tần số  Hz  50   Máy nén khí cao áp KP-2: Bảng 1.3. Thông số kỹ thuật máy nén khí cao áp KP-2 Thông số kỹ thuật  Đơn vị    Máy nén khí   Kiểu máy đứng, 3 cấp. Piston dạng bậc, tác dụng đơn, kiểu K2-150   Chất khí công tác  Không khí   Áp suất nạp  Áp suất khí trời   Hướng quay  trái (nhìn từ bánh đai)   Năng suất hút  m3/ph  1.8   Vòng quay định mức  v/ph  1000   Áp suất tối đa  KG/cm2  150   Nhiệt độ khí đầu ra khi nhiệt độ ngoài trời là 20oC  oC  40   Hành trình piston  mm  55   Nhớt trong cácte  lit  15   Tiêu hao nhớt  gam/giờ  30   Động cơ điện   Công suất  KW  9   Điện áp  V  380   Tần số  Hz  50   Máy nén KP-2 dùng để nén áp suất khí trời lên đến áp suất cao nhất là 150 KG/cm2 và nạp vào bình chứa để: Cung cấp khí nén cho các hệ thống đóng mở van cầu. Cung cấp khí nén cho hệ thống khởi động bằng khí nén của động cơ Diesel và máy bơm trám xi măng, bơm khoan. Dùng cho các công tác khác. Máy nén khí 2BM4-9/101: Là loại máy nén khí lắp trong tổ hợp trạm máy nén khí để gọi dòng sản phẩm. Bảng 1.4. Đặc tính kỹ thuật máy nén khí 2BM4-9/101 Thông số kỹ thuật  Đơn vị    Máy nén khí   Kiểu máy nằm ngang, 4 cấp. xilanh phân bố về hai phía của động cơ.   Chất khí công tác  Không khí   Áp suất nạp  Áp suất khí trời   Năng suất hút  m3/ph  9   Vòng quay định mức  v/ph  750   Áp suất tối đa  KG/cm2  100   Cấp nén   I  II  III  IV   Nhiệt độ khí tối đa khi ra khỏi các cấp.  oC  180  180  180  180   Áp suất tối đa ra khỏi các cấp  KG/cm2  3.2  11  40  100   Đường kính trong xi lanh các cấp  mm  420  250  120  70   Hành trình piston  mm  150   Nhớt trong cácte  lit  15   Tiêu hao nhớt  gam/giờ  30   Động cơ điện   Công suất  KW  144   Điện áp  V  380   Tần số  Hz  50   Máy nén khí 4BY – 5/9: Được giới thiệu ở phần sau! CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ MÁY NÉN KHÍ 2.1. Nhiệt động lực học của máy nén khí Lý thuyết cơ bản của máy nén khí dựa trên cơ sở nhiệt động lực học của khí lý tưởng. Thể tích của khí lý tưởng phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ của nó bởi vì khoảng cách giữa các phân tử khí thay đổi trong khi kích thước của phân tử khí như nhau. Các quá trình nhiệt động lực học của khí lý tưởng xảy ra với các giá trị nhiệt dung riêng đẳng áp CP và nhiệt dung riêng thể tích CV không thay đổi thì chúng tuân theo phương trình trạng thái: P =
.R.T (2.1) Trong đó: - P: Áp suất của khí (N/m2). -
: Thể tích riêng của khí (m3/kg).
=
- R: Hằng số khí (J/kg.0K). - T: Nhiệt độ tuyệt đối (0K). Nếu ta sử dụng phương trình (2.1) cho việc tình toán máy nén khí thì cho kết quả sai khi áp suất tăng và nhiệt độ giảm. Nếu ta sử dụng phương trình (2-1) để tính toán cho máy nén khí thì cho kết quả sai khi áp suất tăng và nhiệt độ khí lại giảm. Nếu ta sử dụng phương trình (2-1) cho một lượng khí thực ở nhiệt độ khoảng 290-373 0K, áp suất khoảng 50 KG/cm2 hay 5 Mpa thì cho ta áp suất khí sai khoảng 1%. Máy nén khí có áp suất khí ở cửa xả lên đến 10 Mpa thì kết quả sai khoảng 2% khi ta sử dụng phương trình (2-1). Như vậy, khi máy nén khí có áp suất khí ở cửa xả
10 Mpa thì khi áp dụng phương trình (2-1) cho ta áp suất sai lệch khoảng 1-2% và những sai số này là chấp nhận được trong việc tính toán. Với máy nén khí có áp suất cửa xả lớn hơn 10 Mpa thì ta có công thức tính áp suất khí như sau: P=
(2-2) Trong đó:
: Hệ số nén của khí (với khí lí tưởng
=1). Hệ số nén phụ thuộc vào tỷ số
;
. Với : P, T, là áp suất và nhiệt độ của khí (at). Pth Tth là áp suất tới hạn và nhiệt độ tới hạn của khí (0K). * Các phương trình cơ bản: Phương trình cơ bản là sự kết hợp giữa định luật nhiệt động lực học và phương trình trạng thái khí lí tưởng. +/ Quá trình đoạn nhiệt: Là quá trình không có sự trao đổi nhiệt giữa khí và môi trường xung quanh, trong quá trình này nhiệt độ bên trong có thể tăng lên do ma sát giữa các phần tử khí:
;
(2.3) Với : k là chỉ số đoạn nhiệt. ( Trong máy nén khí không có quá trình đoạn nhiệt tuyệt đối). +/ Quá trình đẳng nhiệt: Với quá trình đẳng nhiệt T = const.
;
(2.4) Hình 2.1. Đồ thị S-T. Quá trình đẳng nhiệt của máy nén khí. +/ Quá trình đẳng Entropi S. Với quá trình đẳng Entropi, S = const. Entropi S không thay đổi khi nhiệt độ bên trong máy nén khí không được giải phóng, vì thế với máy nén khí rõ ràng là không thể xảy ra quá trình đẳng Entropi. Hình 2.2. Đồ thị S-T. Quá trình đẳng Entropi. +/ Quá trình đa biến: Nó là quá trình chung của nhiệt động lực học, nó được đặc trưng bởi số mũ đa biến n.
;
(2.5) Trong máy nén khí: n = 1.15 ÷ 1.18 Số mũ đa biến n phụ thuộc vào điều kiện bên trong và bên ngoài máy nén khí. Hình 2.3. Đồ thị S-T. Quá trình đa biến của máy nén khí. Hình 2.3.a biểu thị quá trình đa biến n < k: những máy nén khí làm mát ở nhiệt độ cao. Hình 2.3.a biểu thị quá trình đa biến n > k: những máy nén khí động học. Nhìn vào đồ thị của quá trình đẳng nhiệt và quá trình đẳng Entropi ta không tìm được trong đó quá trình làm việc của máy nén khí, hai quá trình này được sử dụng trong việc đánh giá công suất của có ích của máy nén khí. Ở các đồ thị, trên đường 1-2 là đường thể hiện quá trình nén khí. Với đồ thị S-T của quá trình đa biến, quá trình nén đi kèm với sự thay đổi nhiệt độ của khí tăng lên và sự thay đổi Entropi. Đường 2-3 là đường làm mát đẳng áp của khí nén khi ra khỏi máy nén khí. Sử dụng giá trị Entropi trong quá trình nhiệt cơ bản:
(2.6) Trong đó: - dQ : nhiệt lượng biến thiên trong quá trình. - T : nhiệt độ. Với các đường 1-2 và 2-3 ở đồ thị S-T của quá trình đa biến thì ta có:
;
(2.7) Theo định luật bảo toàn năng lượng: năng lượng cung cấp cho quá trình nén và xả khí (không kể tổn hao cơ khí) bằng tổng nhiệt năng trong quá trình nén và làm mát đẳng áp. Vì thế, theo đồ thị S-T hình 2.3 thì năng lượng cung cấp để thực hiện quá trình nén khí là tổng diện tích của hai miền 1-2-5-6 và 2-3-4-5. Máy nén khí làm việc theo quá trình đa biến n > k là những máy nén khí có bộ làm mát bằng nước ở mức độ thấp hay làm mát bằng không khí. Diện tích miền 1-2-5-6 nằm dưới đường nén đa biến là lượng nhiệt sinh ra do ma sát giữa các phần tử khí và diện tích miền 2-3-4-5 là công nén. Do đó, tổng công suất tiêu thụ bởi máy nén khí ( trừ công suất yêu cầu bù cho tổn hao cơ khí và rò rỉ) được biểu thị bằng diện tích miền 2-3-4-6. Nếu quá trình nén khí tuân theo đường đẳng Entropi 1-2’ thì tổng công suất tiêu thụ là diện tích miền 1-2’-3-4-5 (nhỏ hơn một lượng là diện tích miền 1-2’-2-6-5). Vì thế, công suất tiêu thụ thêm của máy nén khí khi chuyển từ quá trình đẳng Entropi sang quá trình đa biến n > k là diện tích miền 1-2’-2-6-5 và nhiệt sinh ra do quá trình nén khí là diện tích miền 1-2’-2. Diện tích miền 1-2-6-5 là công suất nhỏ nhất và là công suất quá trình đẳng nhiệt. Hình 2.4. Đồ thị P-V. Biểu diễn quá trình làm việc của máy nén khí. - Đường (1-2): Quá trình nén đa biến n < k. - Đường (1-2’): Quá trình nén đẳng Entropi. - Đường (1-2’’): Quá trình nén đẳng nhiệt. - Đường (1-2’’’): Quá trình nén đoạn nhiệt. Trên đồ thị P-V miền được giới hạn với hai đường đẳng áp P1, P2, đường nén đa biến và trục P là năng lượng tiêu thụ trong suốt quá trình làm việc của máy nén khí khi nén và xả một kg khí. Trong quá trình nén đa biến với n < k ta có: L = -
Từ phương trình (2.3) ta có: P.Vn = P1.V1 ( P =
Vậy: L =
( L =
(2.8) Phương trình liên hệ giữa áp suất và nhiệt độ trong quá trình nén đa biến:
(2.9) Thay phương trình (2.9) vào phương trình (2.8) ta có: L =
(2.10) Từ phương trình trạng thái: P1.V1 = R.T1 Gọi: - T2e là nhiệt độ cuối quá trình nén đẳng Entropi (0K). - Le là năng lượng tiêu thụ trong quá trình đẳng Entropi (J/kg). Lúc đó ta có: Thay P = Cp – C ; K =
ta có: Le = Cp(T2e – T1) = i2e – i1 Trong đó: - i2e là Entalpi cuối của quá trình nén (J/kg. độ). - i1 là Entalpi của khí đầu quá trình nén (J/kg. độ). Ở đồ thị hình 2.1 thì năng lượng tiêu thụ trong quá trình đẳng nhiệt là: P.V = P1.V1 = P2.V2 Suy ra: Ln =
(2.11) Với Ln là năng lượng tiêu thụ trong quá trình nén đẳng nhiệt. Phương trình (2.10) và (2.11) được dùng để tính năng lượng tiêu thụ trong quá trình máy nén khí làm việc. Công suất của máy nén khí:
(KW) (2.12) Trong đó: - N: Công suất của máy nén khí (KW). - Q: Năng suất của máy nén khí (m3/s). - L: Năng lượng của máy nén khí (J/kg). -
: Hiệu suất thể tích tổn hao do rò rỉ qua khe hở. -
: Hiệu suất cơ học, dùng để tính công suất tổn hao do ma sát cơ học và các thành phần bổ trợ khác. -
: Mật độ phân tử khí đi vào máy nén khí (KG/m3). Giá trị
và
phụ thuộc vào kiểu máy nén khí. 2.2. Các thông số cơ bản của máy nén khí Trên thực tế khi sử dụng máy nén khí thì có rất nhiều loại với nguyên lí làm việc và cấu tạo khác nhau nhưng dù là loại nào cũng có các thông số đặc trưng sau. 2.2.1. Tỷ số nén
(2.13) Trong đó: -
: Tỷ số nén. - P2: Áp suất khí xả (at). - P1: Áp suất khí hút (at). 2.2.2. Năng suất Q (m3/phút) Năng suất Q được tính bằng khối lượng khí máy cung cấp bởi khí nén trong một đơn vị thời gian hay thể tích khí máy cung cấp trong một đơn vị thời gian quy về điều kiện hút. 2.2.3. Công suất N (KW) Là công suất tiêu hao để nén và truyền khí:
KW (2.14) Trong đó: - N: Công suất của máy nén khí (KW). - Q: Năng suất của máy nén khí (m3/s). - L: Năng lượng của máy nén khí (J/kg). -
: Hiệu suất thể tích tổn hao do rò rỉ qua khe hở. -
: Hiệu suất cơ học, dùng để tính công suất tổn hao do ma sát cơ học và các thành phần bổ trợ khác. -
: Mật độ phân tử khí đi vào máy nén khí (KG/m3). Giá trị
và
phụ thuộc vào kiểu máy nén khí. 2.2.4. Hiệu suất máy nén khí Hiệu quả làm việc của máy nén khí không được đánh giá bằng hiệu suất công suất quy ước mà nó là tỉ số giữa năng lượng cấp cho khí và năng lượng tiêu thụ trong quá trình làm việc của máy nén khí. Phương trình cân bằng năng lượng trong quá trình làm việc của máy nén khí:
(2.15) Suy ra:
(2.16) Trong đó: - Q: Nhiệt năng toả ra bên ngoài (J). - C1,C2: Vận tốc khí đầu và cuối quá trình nén (m/phút). - i1,i2 : Entanpi lúc đầu và lúc cuối quá trình nén. Nếu cho C1 = C2 thì năng lượng riêng cho khí trong máy nén khí là: L ± q = Cp(T2 – T1) (2.17) Lúc đó công suất có ích của máy nén khí là:
(2.18) Khi công suất làm việc của máy nén khí bằng không, tức là T2 = T1, lúc đó quá trình nén là đẳng nhiệt. Với tất cả các quá trình có thể của máy nén khí thì quá trình nén đẳng nhiệt là quá trình tiêu thụ năng lượng ít nhất nhưng từ phưong trình (2.18) thì quá trình nén đẳng nhiệt là không thích hợp. Một máy nén khí trong quá trình làm việc được đánh giá bằng hiệu suất đẳng nhiệt
, hiệu suất đẳng Entropi
và hiệu suất nhiệt động. Ta không thể đánh giá chất lượng làm việc của máy nén khí chỉ bằng hiệu suất công suất
. Với quá trình nén đa biến, số mũ đa biến n và năng lượng L thì: Hiệu suất đẳng Entropi:
(2.19) Hiệu suất đẳng nhiệt:
(2.20) Trong đó: - Ln: Năng lượng riêng của quá trình đẳng nhiệt. - Le: Năng lượng riêng của quá trình Entropi. Hiệu suất đẳng Entropi được sử dụng như một tiêu chuẩn đặc trưng cho máy nén khí hướng trục và máy nén khí ly tâm với bộ làm mát bằng nước ở mức độ thấp. Hiệu suất đẳng nhiệt được sử dụng như một tiêu chuẩn đặc trưng cho máy nén khí piston và rôto với bộ làm mát bằng nước ở mức độ cao. 2.3. Phương pháp làm mát ở máy nén khí a. Phương pháp làm mát bằng nước. Kiểu làm mát này làm mát bằng cách cho nước đi qua thân máy, phương pháp này làm tăng độ bôi trơn của máy nén khí piston nhưng lại không tiết kiệm được nhiều công suất do nó không đưa quá trình nén gần quá trình đẳng nhiệt (việc trao đổi nhiệt giữa khí và nước làm mát rất khó thực hiện). b. Làm mát bằng cách phun tia nước vào đầu cấp của máy nén khí. Ở phương pháp này khí bị mất một phần nhiệt vào nước làm mát và cuối cùng nhiệt độ khí ở đầu cấp giảm. Phương pháp này sẽ làm cho độ ẩm của khí tăng lên mà một số trường hợp không được phép sử dụng. c. Phương pháp làm mát bằng bộ phận trung gian giữa các cấp. Ở phương pháp này, khí được làm mát bằng những ống làm mát. Trong máy nén khí ly tâm, bộ phận làm mát thường được lắp giữa các nhóm, nó làm cho việc thiết kế và lắp đặt đơn giản hơn. Cũng có máy nén khí ly tâm được thiết kế bộ phận làm mát trung gian sau mỗi cấp ly tâm, máy nén khí như vậy được gọi là đẳng nhiệt. d. Phương pháp kết hợp làm mát trong và làm mát giữa các cấp. Phương pháp này đạt hiệu quả cao, phạm vi sử dụng rộng, nhưng nhược điểm của nó là: kết cấu phức tạp, giá thành cao. Thường được sử dụng cho những máy có công suất lớn trong khi làm việc. Dưới đây là sơ đồ hệ thống làm mát trong máy nén khí, với hệ thống này thì nhiệt độ khí giảm đi nhờ bộ phận làm mát giữa các cấp. Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống làm mát trong máy nén khí. Bộ phận làm mát cấp I, cấp II. Bộ phận làm mát cuối. 3, 4, 5. Cấp nén I, II, III Với máy nén khí động học thì việc chế tạo cánh rôto từ những vật liệu có độ bền giới hạn, khó có thể chịu được vận tốc đủ lớn để đáp ứng áp suất và hiệu suất. Với máy nén khí thể tích thì nhiệt độ khí nén tăng cao ở cuối quá trình nén. Vì thế ta phải lựa chọn các phương pháp làm mát để cho khí nén được làm mát ở mức độ cao nhất. 2.4. Cấp nén Trong công nghiệp máy nén khí thì số cấp nén phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Với máy nén khí động học thì nhân tố quyết định là tốc độ cho phép của đầu mút cánh quạt và năng lượng tổn hao ít nhất trên đường truyền khí của máy nén khí. Với máy nén khí piston và rôto thì số cấp nén phụ thuộc vào điểm cháy của dầu bôi trơn. Nếu khí nén bị cản trở bởi bộ phận làm mát trung gian là không đáng kể và hiệu suất nhiệt động của các cấp nén là như nhau thì công suất tiêu thụ khi đó được phân bố đều trên các cấp riêng biệt của quá trình. Lúc đó: L1 = L2 = … =
(2.21) Trong đó: - L: Tổng năng lượng. - Z: Số cấp nén. Giả thiết rằng khi được làm mát ở bộ phận làm mát trung gian đến nhiệt độ khí vào ban đầu và số mũ nén n là như nhau ở mỗi cấp ta có: T2’ = T2” = … = T2
n là không đổi ở tất cả các cấp. Do đó với mỗi cấp nén:


Từ đó suy ra:
Trong đó:
là tỉ số nén. Vậy ta có thể kết luận: với máy nén khí nhiều cấp, công suất tiêu thụ nhỏ nhất là khi tỉ số nén ở các cấp là bằng nhau. Gọi:
là tổng tỉ số nén. Ta có:


…
(2.22) (
(2.23) PF : Áp suất cuối quá trình nén. Nếu biết tỉ số nén của một cấp ta có thể tính được áp suất trung gian của các cấp bằng công thức (2.22). Trong các máy động học, số cấp nén là số tầng của rôto và số cánh tĩnh, số cấp có thể lên đến 40 cấp, trong trường hợp này cấp là một nhóm các dãy và bộ phận làm mát được bố trí giữa các nhóm đó. Trong thực tế ngành kỹ thuật máy nén, công suất tiêu thụ thường không được phân bố đều trên các cấp, các cấp có áp suất cao được thiết kế riêng cho vài trường hợp và thường có tỉ số nén cao hơn. CHƯƠNG III: MÁY NÉN KHÍ PISTON 3.1. Định nghĩa máy nén khí piston Máy nén khí piston là máy dùng để biến đổi năng lượng của khí vói sự giúp đỡ của piston và tạo ra áp suất cao (đến 40 Ma và có thể cao hơn). 3.2. Ưu khuyết điểm của máy nén piston 3.2.1. Ưu điểm - Hiệu suất cao có tỷ số nén lớn từ 25 – 100 - Có thể tạo ra được áp suất rất cao và có khả năng vận hành trong một dải áp suất thay đổi rộng. - Bảo toàn công suất khi thay đổi điều kiện vận hành. - Ảnh hưởng không đáng kể do sự thay đổi của mật độ khí nén tới sự làm việc của máy nén. 3.2.2. Nhược điểm - Cấu tạo phức tạp, cồng kềnh do có cơ cấu trục khuỷu thanh truyền. - Sự mất cân bằng của chuyển động tịnh tiến là nguyên nhân tăng mài mòn kim loại, giảm tuổi thọ của máy. 3.3. Phân loại máy nén khí piston 3.3.1. Máy nén khí piston theo phương nằm ngang +/ Ưu điểm: - Dễ dàng khi lắp ráp, bảo dưỡng kỷ thuật và sửa chữa nhất là đối với loại máy nén khí cỡ lớn. - Có hệ thống bố trí gọn gàng. +/ Khuyết điểm: - Sự mài mòn của piston xilanh, xécmăng không đồng đều. 3.3.2. Máy nén khí piston dạng đứng +/ Ưu điểm: - Độ mài mòn piston và xécmăng xảy ra chậm và mòn đều. - Khả năng lọt các tạp chất cơ học vào buồng máy nén giảm, nhớt bôi trơn phân bổ đồng đều (đặc biệt quan trọng đối với máy nén có hệ thống bôi trơn cưỡng bức). +/ Khuyết điểm: - Cấu tạo phức tạp. 3.3.3. Máy nén khí piston dạng góc +/ Ưu điểm: - Bố trí hợp lý và thuận tiện hơn khi lắp ráp và sửa chữa so với máy dạng đứng. +/ Khuyết điểm: - Mài mòn các chi tiết xi lanh, piston, xécmăng không đồng đều. 3.3.4. Máy nén khí dạng không có con trượt +/ Ưu điểm: - Cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ thường dùng cho các máy nhỏ, di động. +/ Khuyết điểm: - Không tận dụng được dung tích xilanh để tạo ra lưu lượng lớn do có một tác dụng. - Mài mòn không đều cụm xilanh piston. - Rò rỉ khí qua xécmăng lớn. - Nhớt bôi trơn nhanh giảm chất lượng và tiêu hao nhiều. 3.3.5. Máy nén khí piston có con trượt Khắc phục được những nhược điểm của máy nén khí piston không có con trượt. 3.3.6. Máy nén khí piston xung đối Các piston có chiều chuyển động ngược nhau. +/ Ưu điểm: - Lực quán tính của các chi tiết chuyển động tịnh tiến được cân bằng. - Ổ bi làm việc tốt hơn, giảm ma sát ở các bề mặt chuyển động tịnh tiến, có thể tăng vận tốc quay do vậy tăng được lưu lượng. 3.4. Nguyên lý tác dụng và cơ sở lý thuyết 3.4.1 Nguyên lý tác dụng Quá trình làm việc của máy nén khí piton diễn ra như sau: Khi máy nén làm việc, piston chuyển động từ cận trái A-A sang phải trong khoang 5 của xilanh, áp xuất trong khoang 5 giảm xuống và thấp hơn áp xuất ở khoang hút 1, tạo ra chênh áp do vậy van nạp 2 sẽ được mở ra, lúc đó khí qua van hút 2 sẽ được nạp vào xi lanh. Khi piston đến cận phải B-B khí đã được nạp đầy vào xilanh, áp suất trong xilanh sẽ bằng áp suất trong khoang hút 1, van nạp sẽ được đóng lại. Quá trình nén khí bắt đầu diễn ra, piston chuyển động ngược lại bắt đầu từ cận phải B-B, khi áp suất trong xilanh tăng lên và vượt qua áp suất trong khoang xả 4 một giá trị nào đó thì van xả 3 bắt đầu mở ra, quá trình nén khí ngưng lại và piston tiếp tục chuyển động về phía trái, khí từ xilanh được đẩy qua van xả 3 vào khoang xả 4 cho đến khi piston đến cận trái A-A thì quá trình xả khí ngừng lại. Sau đó quá trình nạp và xả khí sẽ được lặp lại liên tục như trên. Hình 3.1. Sơ đồ cấu tạo máy nén khí piston một cấp. Khoang hút. 4. Khoang xả 7. Tay biên. Van hút. 5. Khoang xilanh. 8. Trục khửu. Van xả 6. Piston. 3.4.2. Đường đặc tính lý thuyết của máy nén khí piston Chúng ta khảo sát chu trình làm việc của máy nén khí piston mà chúng làm việc với giả thuyết sau: Không mất mát công suất cho việc khắc phục lực ma sát. Áp suất và nhiệt độ trong đường ống và khoang nạp, cả trong thời gian của quá trình nạp và xả không thay đổi. Không có sự cản dòng chảy của khí trong đường nạp, xả và trong các van nạp xả. Không có dòng chảy ngược giữa piston và xilanh qua các van làm việc. Ở cuối quá trình nén tất cả khí trong xilanh được piston đẩy hết vào đường xả. a. Quá trình nạp: Đường 4 –1, Trong quá trình nạp, xilanh được nạp đầy khí từ ống dẫn với áp suất không đổi, cho nên đặc tính là đường đẳng áp. b. Quá trình nén khí: Quá trình nén khí được thực hiện ở nhiệt độ không đổi, do tất cả các nhiệt sinh ra được dẫn ra ngoài và quá trình này tương ứng đường đẳng nhiệt 1- 2, nếu thực hiện quá trình nén hoàn toàn không trao đổi nhiệt với bên ngoài - đường đoạn nhiệt 1 –2’’. - Đường 1 –2’: Đường nén đa biến khi lượng nhiệt sinh ra được giải phóng không hoàn toàn và khi nhiệt độ được tăng lên. Đây là quá trình nén thực tế của máy nén khí. - Quá trình nén được bắt đầu khi thay đổi hướng chuyển động của piston (điểm 1) và kết thúc khi piston ở điểm 2, lúc đó áp suất trong xilanh bằng áp suất trong đường xả, khi đó van xả được mở ra.
Hình 3.2. Đường đặc tính lý thuyết của máy nén khí. (Hình trên chỉ ra đặc tính chu trình làm việc lý thuyết của máy nén piston một cấp) c. Quá trình xả (đường 2 –3): Bắt đầu với thời điểm mở van xả (điểm 2) và được tiếp tục đến thời điểm đóng nó (điểm 3), khi piston tới cận trái và tất cả khí trong xilanh được piston đẩy hết vào đường xả. Quá trình đó cũng diễn ra với áp suất không đổi tương ứng với đường đẳng áp 2 – 3. d. Ở thời điểm đổi hướng chuyển động của piston (điểm 3): Áp suất bị giảm đột ngột đến áp suất đường nạp, vì vậy van nạp được mở. Quá trình này giảm áp suất trong chu trình lý thuyết tuơng ứng với đường đẳng tích (3-4) 3.5. Chu trình nén lý thuyết 3.5.1. Công nén riêng Quá trình nén trong xilanh là đoạn nhiệt với chỉ số k. Đa biến với chỉ số n>k hoặc n<k, đẳng nhiệt n =1. Công nén riêng là công tiêu tốn để nén 1kg hơi hay khí từ áp suất P1 đến P2, nó được ký hiệu tuỳ thuộc vào quá trình nén như: An: Công nén riêng trong quá trình đa biến, thông thường máy nén được làm mát n<k A1: Công nén riêng đẳng nhiệt. Ak: Công nén riêng đoạn nhiệt.
(n<k) Trong đó: P1, V1: Áp suất và thể tích điểm đầu quá trình nén ( N/m2; m3/kg). T1, T2: Nhiệt độ đầu và cuối quá trình nén đa biến ( 0K). Thay P1V1 = RT1 ta có:

Thay R = Cp-Cv và k = Cp/Cv ta được Ak = Alt = Cp(T2-T1) (
) Trong đó: Alt : Công nén riệng lý thuyết. Cv : Nhiệt dung riêng thể tích (kJ/kg.độ) Cp : Nhiệt dung riêng áp suất (kJ/kg.độ) T1,T2: Nhiệt độ đầu và cuối của quá trình nén đoạn nhiệt (0K).
Trong đó: ln là logarit cơ số e. 3.5.2. Thông số của chu trình nén lý thuyết của máy nén khí piston a. Công suất tiêu thụ bởi máy nén thể tích cho nén khí: N = l.(.Qlt Trong đó: l: Công riêng cần thiết để nén 1kg khí trong chu trình nén đoạn nhiệt. (: Mật độ của khí. Qlt : Lưu lượng lý thuyết của máy nén khí. b. Lưu luợng lý thuyết của máy nén khí một cấp tác dụng đơn: - Là độ lớn phụ thuộc vào đặc trưng hình học và không phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và độ ẩm của khí.
(m3/phút) Trongđó: D: Đường kính piston (mm) S: Chiều dài hành trình của piston (mm) n: Số hành trình kép trong một phút của piston c. Lưu lượng thực tế của máy nén piston: Được biểu diễn bằng công thức: Q = (l.Qlt Trong đó: (l: Hệ số lưu lượng, tính tới sự rò rỉ trong các van, đệm làm kín trong bộ đôi xi lanh – piston, nung nóng khi nạp và ảnh hưởng của khoảng không gian có hại. Q: Lưu lượng thực tế của máy nén. d. Công suất cần thiết của máy nén khí: N =
.(.Q. Trong đó:
: Công riêng cần thiết để nén 1kg khí trong chu trình nén đoạn nhiệt (:Mật độ của khí (khối lượng riêng). e. Công suất trên trục của máy nén: NT = (N + Np) (ck. Trong đó: Np: là công suất cần thiết để dẫn động cho các chi tiết phụ trợ. (ck: Hiệu suất cơ khí. Công suất này lớn hơn công suất cần thiết do tính đến sự mất mát cho khắc phục lực ma sát trong cơ cấu trục khuỷu, thanh truyền và cho dẫn động các thiết bị phụ trợ. f. Thể tích của khoảng không gian có hại của xi lanh máy nén: Bằng tổng thể tích khoảng giữa xi lanh và piston theo mặt đỉnh khi piston ở cận trái và mặt nút lưu thông qua trong van nạp và van xả.
Hình 3.3. Khoảng không gian chết Thể tích này được xác định gần đúng theo công thức:
Trong đó: D: Đường kính piston. (: Bề rộng khe hở. Đối với đa số máy nén khí ( thay đổi trong các giới hạn sau: - Phía trục khuỷu (máy nén tác dụng kép) ( = (S/1000) + 0,5mm - Phía nắp xi lanh: ( = (S/500) + 0,5mm Để đề phòng sự quá tải của động cơ dẫn động, khi thay đổi điều kiện làm việc của máy nén ta có thể tăng thể tích khoảng không gian có hại để giảm năng suất của máy nén. Tổn thất thể tích trong quá trình làm việc của máy nén được đánh giá bằng hệ số (: ( = (1. (2. (3. (4. Trong đó: (1 : Ảnh hưởng của khoảng hại đến khả năng hút của máy nén, nó phụ thuộc vào không gian chết và hiệu suất giữa trước và sau quá trình nén.
Vhl , Vql : Được tính từ đồ thị chỉ thị. (2 : Hệ số ảnh hưởng của quá trình trao đổi nhiệt giữa hơi và thành xi lanh. (3 : Ảnh hưởng của độ kín van hút cũng như van đẩy giữa đĩa van ở đỉnh mở đúng lúc của chúng. (4 : Ảnh hưởng của độ kín xécmăng và đệm kín giữa đĩa van ở đỉnh xilanh. Thể tích hơi hay khí mà máy nén hút và nén được là: (1 = (.Vq (m3/s) - Hệ số nén cấp ( của máy nén phụ thuộc vào các máy được chế tạo. (1 : 0,70 – 0,90. (2 : 0,90 – 0,95 (3 : 0,95 – 0,98 (4 : 0,98 – 0,99. g. Hiệu suất thể tích của máy nén: Là tỷ lệ giữa thể tích nạp và thể tích công tác của xilanh.
Trong đó: Vn: Thể tích khí nạp. V : Thể tích công tác của xilanh. Hiệu suất công tác bị giảm khi: + Tăng thể tích khoảng không gian có hại + Giảm chỉ số nén đoạn nhiệt k + Tăng mức độ nén của máy nén. Vì vậy hiệu suất thể tích (0 là một trong những thành phần cơ bản của hiệu suất lưu lượng của máy nén.
Hình 3.4. Sự phụ thuộc của (0 vào thể tích V và áp suất nén P Kết quả là sự thay đổi của nó có liên quan và phụ thuộc vào các thông số đã chỉ ra và tương ứng làm thay đổi lưu lượng và công suất cần thiết của máy nén. h. Đặc tính nén được của khí: Hệ số chịu nén của khí trong quá trình nén khi thay đổi từ z1 đến z2 nếu z2 > z1 hiệu suất thể tích sẽ tăng, nếu z2 < z1 hiệu suất thể tích sẽ giảm. Trong công thức công riêng, trong thành phần hiệu suất dựa vào tỷ lệ (z1 + z2)/2 z1 thì công suất cần thiết cho nén sẽ tăng khi z2 > z1 và giảm khi z2 < z1. Để xác định hệ số chịu nén của khí z2 ở điều kiện xả, cần xác định sơ bộ nhiệt độ của khí nén đường xả. Liên hệ ảnh hưởng của chịu nén với hiệu suất thể tích (0: Đường 1 với z1 / z2 = 1. Đường 2 với z1 / z2 > 1. Đường 2 với z1 / z2 < 1. Hình 3.5. Đường đặc tính nén. 3.6. Chu trình nén thực tế Chu trình thực tế trong máy nén piston 1 cấp nén (hình 3-6) và quá trình nhiệt động khác đáng kể so với các quá trình diễn ra trong chu trình lý thuyết. 1. Quá trình nạp (Đường 4-1) của chu trình này khác là vào thời điểm ban đầu áp suất trong xi lanh được giảm tới giá trị mà ở đó áp suất trong đường ống nạp cần phải đủ để khắc phục sức cản chuyển động của khí trong ống dẫn và trong ống nạp và cũng để khắc phục lực ép lá van nạp. Do sự thay đổi tốc độ của piston trong xi lanh dẫn đến sự thay đổi tốc độ khí trong xi lanh và trong van nên áp suất trong quá trình hút bị thay đổi. 2. Quá trình nén của chu trình nén thực tế (đường 1-2) khác với chu trình lý thuyết là vào đầu quá trình khí lạnh được nạp vào xi lanh, được nén trong xi lanh và bị nóng lên không chỉ do bị nén mà còn do nhận được nhiệt truyền từ xi lanh, piston, các van. Vào cuối quá trình nén hướng trao đổi nhiệt bị thay đổi vì khi đó nhiệt độ khí nén đã tăng cao và nhiệt sẽ được giải phóng và truyền ra môi trường bên ngoài. Quá trình nén được kết thúc khi áp suất vượt quá áp suất trong đường ống xả một độ lớn cần thiết để khắc phục sức cản chuyển động của khí qua các van và các lực ép của lò xo van. 3. Quá trình xả (đường 2-3) của chu trình thực tế khác với chu trình lý thuyết là: xảy ra ở áp suất xả thay đổi do sự thay đổi vận tốc của khí được đẩy ra từ xi lanh.
Hình 3.6. Chu trình nén thực tế. 4. Quá trình giảm áp suất (đường 3-4) của chu trình thực tế khác với chu trình lý thuyết là trong xi lanh sau khi kết thúc quá trình xả còn lại một lượng khí xác định có áp suất bằng áp suất xả. Từ đầu chuyển động của piston từ cận biên trái thể tích này bắt đầu giãn nở chiếm thể tích công tác của xi lanh do vậy sẽ làm giảm thể tích công tác của xi lanh dẫn tới làm giảm công suất của máy nén. Thể tích không có lợi này tham gia vào chu trình làm việc của máy nén được đặc trưng bởi không gian có hại (chết) vì nó giữ lại khí vào cuối của quá trình xả. Trong quá trình làm việc đường đặc trưng thực tế của máy nén còn bị thay đổi nhiều khi máy nén gặp các hư hỏng sau: - Thể tích của khoảng không gian chết của xi lanh máy nén vượt quá thể tích ghi trong tài liệu kỹ thuật. - Hư hỏng trong van xả vì vậy xảy ra dòng chảy ngược của khí vào xi lanh máy nén từ ống xả - Sức cản lớn trong van xả, van hút và các đường ống dẫn xả và hút. - Kẹt lá van xả. - Kẹt lá van hút. - Lựa chọn lò xo van không đúng. - Rò rỉ khí qua khe hở trong các xécmăng. Đặc tính của máy nén khí theo tỷ số nén như sau: Q - Năng suất N - Công suất. ( - Hiệu suất trong chu trình đẳng nhiệt. ( - Hiệu suất thể tích. Hình 3.7. Đường đặc tính theo tỷ số nén. 3.6. Máy nén piston nhiều cấp: 3.6.1. Tại sao phải chế tạo máy nén khí nhiều cấp: Trong thực tế sản xuất để có khí nén áp suất cao, người ta phải chế tạo và sử dụng máy nén khí piston nhiều cấp có làm mát trung gian vì các nguyên nhân cơ bản sau: * Do giới hạn nhiệt độ khí nén sau cấp nén: Ta đã biết rằng để máy nén khí làm việc bình thường, ta phải đảm bảo tốt điều kiện bôi trơn nghĩa là nhiệt độ khí nén và các bộ phận của máy không vượt quá giá trị nhiệt độ làm việc cho phép đối với vật liệu bôi trơn. Thường ta sử dụng loại dầu bôi trơn của máy nén với nhiệt độ làm việc không quá 180o C. Vì vậy yêu cầu nhiệt độ khí nén cũng không vượt quá giá trị này. Như vậy nhiệt độ khí nén càng cao khi tỷ số nén càng lớn, vì vậy phải hạn chế ( để T2 không vượt quá giới hạn làm mất tính năng bôi trơn và bắt cháy nổ của dầu bôi trơn. Trên cơ sở yêu cầu giá trị của áp suất khí nén cần cung cấp, người thiết kế máy nén với số luợng, cấp nén phù hợp để đạt hiệu quả kinh tế cao nhất Thông thường người ta chọn số cấp nén theo bảng sau: Cấp số nén z  1  2  3  4  5-7   Tỷ số nén z  ( 7  5 ( 30  15 ( 150  35 ( 400  150 ( 1100   Bảng 3.1. Tỉ số nén theo các cấp. * Do công tiêu thụ trong máy nén nhiều cấp có làm mát trung gian nhỏ hơn công tiêu thụ cho máy nén một cấp có cùng tỷ số:
Hình 3.8. Công tiêu thụ trong máy nén nhiều cấp. Xét quá trình đa biến lý thuyết: - Nếu là máy nén một cấp thì khí nén được nén theo đường 1-A-2’, khi đó công tiêu thụ cả chu trình là diện tích của hình ( 4-1-A-2’-2-3-4). - Nếu là máy nén 2 cấp có làm mát trung gian để nhiệt độ khí sau cấp nén thứ nhất bằng nhiệt độ khí nạp TB = T1 thì quá trình nén là: + Đường 1-A : Quá trình nén đa biến cấp 1. + Đường A-B : Làm mát đẳng áp. + Đường B-2 : Nén đa biến cấp 2 - Công tiêu thụ của máy nén 2 cấp cùng tỷ số nén ( là diện tích giới hạn bởi đường (4-1-A-B-2-3-4). - So với máy nén một cấp cùng tỷ số nén ta thấy máy nén hai cấp có làm mát trung gian tiêu thụ ít hơn một lượng công bằng diện tích của hình (A-B-2-2’-A). * Do ảnh hưởng của khoảng không gian chết Vh : ( = P2/ P1 (’ = P2’/ P1’ (” = P2”/ P1” Xét các chu trình lý thuyết có tính đến Vh và các tỷ số nén khác nhau Ta có: ( < (’ < (” và V4 < V4’ < V4’’ Nghĩa là khi tăng tỷ số nén, áp suất nén trong khoảng không gian chết bằng áp suất trong đường xả cần lớn thì sẽ càng lớn và do vậy lượng khí đó dãn nở sẽ chiếm trong xilanh nhiều hơn, dẫn đến làm giảm lượng khí nạp thực tế vào xilanh và ảnh hưởng tới lưu lượng và công suất máy.