Tìm Hiểu Về Khí Nén, Đặc Điểm, Nguyên Lý Hoạt Động

Khí nén là loại khí sạch, an toàn và được sử dụng rất phổ biến trong nhiều ngành nghề như: chế biến thực phẩm, y tế, công nghiệp khai khoáng…

Với lĩnh vực công nghiệp, khí nén được coi là nguồn năng lượng quan trọng thứ 3 sau công nghiệp điện và nước. Mặc dù khí nén đắt gấp 7 lần điện và nước nhưng nó vẫn được sử dụng rộng rãi.

Vậy khí nén là gì?

Ưu và nhược điểm của hệ thống khí nén ra sao?

Ứng dụng của khí nén như thế nào?

Hãy cùng tôi tìm hiểu chi tiết về khí nén thông qua bài viết dưới đây nhé.

Khí Nén Là Gì?

Khí nén là không khí có sẵn trong tự nhiên và được nén bằng những phương pháp chuyên biệt ở áp suất 3000 đến 3600psi. Bằng cách giảm thể tích để tạo ra áp lực lớn, khí nén được tạo ra nhằm mục đích thay thế cho các nguồn năng lượng khác.

Nén khí theo nghĩa đen là ép không khí vào một không gian nhỏ, khiến các phần tử không khí gần nhau hơn. Năng lượng chính là áp lực khí nén được giải phóng ra bên ngoài.

Đặc điểm của khí nén mà ta cần lưu ý

Đặc điểm nổi bật của khí nén là không độc và không cháy vì thành phần của khí nén là không khí tự nhiên có 21% là oxy và 79% là nitơ. Bên cạnh đó, khí nén cũng có một số đặc điểm cần biết để có thể sử dụng hiệu quả và hợp lý nhất.

• Số lượng

Khí nén được tạo ra từ không khí có trong tự nhiên và đây là nguồn năng lượng dồi dào, vô tận giống như năng lượng mặt trời, gió, nước. Sau khi hoàn thành quy trình sử dụng, khí nén sẽ thoát ra ngoài môi trường hòa vào không khí và tiếp tục được tái sử dụng.

• Vận chuyển

Chúng không bị ảnh hưởng bởi trọng lượng hay các đặc tính khác, khí nén được vận chuyển trong không khí rất nhanh chóng và dễ dàng thông qua các đường ống có cự ly phù hợp.

Ngoài ra, khí nén còn có thể được nén vào trong một bình chứa và sau đó phát vận chuyển trong hệ thống khí nén.

• Lưu trữ

Sau khi khí nén được tạo ra bởi máy tạo khí nén chúng sẽ được lưu trữ trong các thiết bị chứa cho đến khi cần sử dụng. Vì vậy, máy nén khí không cần phải tạo ra khí nén liên tục trong quá trình sử dụng.

• Nhiệt độ

Bản chất của khí nén là không khí nên nó không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ của môi trường xung quanh. Tuy nhiên, chúng ta vẫn nên cẩn thận và giới hạn sử dụng khí nén ở mức nhiệt độ từ 0 đến 100 độ C.

• Cháy nổ

Khí nén là dạng năng lượng trung tính nên nó không có khả năng cháy nổ chính vì vậy, chúng thường được sử dụng ở những nơi có nguy cơ cháy nổ cao như mỏ khai thác than, dầu,…thay thế cho những năng lượng khác như gas, điện, xăng,…

Hơn thế nữa, khí nén thường chỉ có áp suất ở mức 6bar nên sẽ hạn chế tối đa nguy cơ gây cháy nổ trong môi trường làm việc.

• Vận tốc khí nén

Việc nén không khí càng lớn thì khí nén sẽ có lưu tốc càng cao. Thông thường, tốc độ của khí nén được đo trong các xi lanh là 1-2m/s

• Vấn đề an toàn và vệ sinh

Khí nén là một trong những nguồn năng lượng được đánh giá là an toàn nhất vì độ trung tính và không có tính dẫn nhiệt hay các tác nhân gây ra cháy nổ. Vì vậy, khí nén ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến hơn trong dân dụng và các ngành công nghiệp hiện nay vì độ đảm bảo an toàn cực kì cao.

Ngoài ra, khí nén còn là một loại năng lượng sạch vì không khí được xử lý các tạp chất trước khi nén lại và lưu trữ trong bình chứa. Chính vì vậy mà khí nén cực kì an toàn khi sử dụng trong các lĩnh vực đặc thù như chế biến thực phẩm, y tế, nha khoa,…

Cách Tạo Ra Khí Nén Và Nguyên Lý Hoạt Động

Cách tạo ra khí nén

Để tạo ra khí nén người ta thường dùng 2 cách đơn giản nhất đó là tạo ra bằng máy khí nén và sử dụng dụng cụ tự chế để tạo ra khí nén.

• Tạo khí nén bằng máy nén khí

Máy nén khí là thiết bị trực tiếp tạo ra khí nén thông qua hệ thống nén khí sau đó lượng khí nén được tạo ra sẽ được đưa vào trong bình chứa khí nén, tính áp. Có nhiều loại máy khí nén được sử dụng phổ biến hiện nay là máy nén khí trong công nghiệp, dân sinh, máy nén khí mini, máy nén khí piston, trục vít, ly tâm,…

Tuy có nhiều loại máy nén khí khác nhau nhưng chúng đều được sử dụng với mục đích chung là phục vụ cho các hệ thống hay một công việc nào đó liên quan đến sử dụng khí nén.

• Tạo khí nén bằng cách thủ công

Tạo khí nén bằng phương pháp thủ công rất đơn giản chỉ cần chuẩn bị 1 chai nhựa, ống và các vật dụng chứa rỗng khác. Sau đó sẽ được kết hợp với các ống và van một chiều từ đó tạo nên một hộp hay thùng chứa. Nhờ đó mà có thể tạo ra khí nén khi được nén kín trong một bộ chứa

Đối với cách làm này chúng ta chỉ có thể làm ra được một lượng nhỏ khí nén có áp lực thấp nên không thể sử dụng cho các máy móc. Vì vậy, để có thể phục vụ được cho các loại máy như máy khoan, máy hàn, máy cắt,…Thì ta vẫn phải cần sử dụng đến máy nén khí có áp lực lớn để vận hành thiết bị.

Nguyên lý hoạt động của khí nén

Khí nén hoạt động dựa vào nguyên lý biến đổi thể tích của khí. Khi thể tích bị thu nhỏ, áp suất của khí nén sẽ tăng lên Boyle-Mariotte. Năng lượng được tạo ra từ việc nén khí này được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị và máy móc hoạt động.

Có 3 nguyên lý hoạt động chính của máy nén khí:

1/ Nguyên lý thay đổi thể tích

• Áp dụng định luật Boyle-Mariotte, trong đó không khí được dẫn vào buồng chứa, sau đó buồng chứa dần dần thu nhỏ lại. Loại máy nén khí hoạt động theo nguyên lý này gồm máy nén khí piston, cánh gạt và bánh răng…

2/ nguyên lý động năng

• Nguyên lý này là nguyên tắc hoạt động của máy nén khí ly tâm, trong đó khí được dẫn vào buồng chứa và gia tốc bởi một bộ phận quay tốc độ cao, tạo ra áp suất khí nén tăng lên sản xuất ra lưu lượng và suất đáng kể.

3/ Nguyên lý ăn khớp

• Đây là nguyên tắc hoạt động của máy nén khí dạng trục vít, không khí được hút vào vỏ thông qua cửa nạp và nén lại giữa các bánh răng và đưa tới cửa xả. Quá trình này xảy ra do sự quay ngược chiều của hai trục vít trong máy.

Tìm Hiểu Về Hệ Thống Nén Khí

Hệ thống khí nén là tên gọi chung cho 1 cụm thiết bị được hình thành để con người có thể khai thác tài nguyên khí nén này, ứng dụng nó vào trong hoạt động sản xuất, chế biến hay đời sống hằng ngày… Hệ thống khí nén đều sử dụng khí nén để vận hành và di chuyển các bộ phận, cơ cấu chấp hành, bộ truyền động, xi lanh…

Các hệ thống sẽ gồm nhiều thiết bị như: nguồn cấp, xi lanh, van điều khiển, bộ lọc, ống dẫn khí và phụ kiện. Chúng sẽ được bố trí và lắp ghép với nhau theo 1 thiết kế logic, khoa học.

Do công việc khác nhau nên hệ thống khí nén, thiết bị được sử dụng cũng sẽ khác nhau. Hệ thống có quy mô từ bé đến lớn, từ đơn giản đến phức tạp.

Do hệ thống khí nén có sự phong phú thiết bị và có chi phí thấp nên nó được dùng nhiều hơn. Bên cạnh đó, so với các hệ thống thủy lực, hệ thống dùng chất lỏng thì hệ thống khí dễ sử dụng, tiết kiệm và ít tiếng ồn hơn rất nhiều.

 Hệ thống khí bao gồm những gì?

Hệ thống khí nén bao gồm các bộ phận như sau:

• Máy nén khí.
• Bộ làm mát.
• Bình chứa khí.
• Bộ lọc chính.
• Máy sấy.
• Bộ lọc tinh.
• Bộ lọc siêu tinh.
• Đường ống.
• Bộ xả tự động.
• Bộ kết hợp F.R.L (bộ lọc, điều áp, tra dầu, Van 3/2 On/Off).
• Cảm biến áp suất.
• Van điện từ.
• Van tiết lưu.
• Xi lanh khí.
• Cảm biến.

Tất cả các thiết bị trên đều rất cần thiết, nếu thiếu một trong số các thiết bị trên hệ thống khí nén sẽ không thể vận hành tốt hoặc thậm chí là không thể vận hành. Những bộ phận trên được chia thành 4 nhóm thiết bị gồm:

• Nhóm sản xuất.
• Nhóm làm sạch.
• Nhóm dẫn truyền.
• Nhóm tiêu thụ.

Các Dạng Chuyển Động Sử Dụng Hệ Thống Khí Nén

Hệ thống khí nén có thể tạo ra nhiều dạng chuyển động khác nhau, phục vụ cho nhiều mục đích sử dụng đa dạng. Dưới đây là một số dạng chuyển động chính của hệ thống khí nén.

1/ chuyển động tịnh tuyến

• Xi lanh khí nén

Biến năng lượng khí nén thành chuyển động tịnh tuyến dọc theo trục của nó. Xi lanh có nhiều loại khác nhau như xi lanh tác dụng đơn, tác dụng kép,…phù hợp cho nhiều loại ứng dụng khác nhau.

• Động cơ khí nén kiểu màng

Biến năng lượng khí nén thành chuyển động tịnh tuyến thông qua việc thay đổi thể tích của bình chứa. Động cơ này có ưu điểm là gọn nhẹ, độ ồn thấp và chuyển động êm ái.

2/ Chuyển động quay

• Động cơ khí nén kiểu cánh gạt

Biến năng lượng khí nén thành chuyển động quay bằng cách sử dụng cánh gạt để chia buồng chứa thành các khoang chứa khí có thể tích thay đổi. động cơ này có ưu điểm là hiệu suất cao, momen xoắn lớn và tốc độ quay vô cùng cao.

• Động cơ khí nén kiểu bánh răng

Biến năng lượng khí thành khí nén chuyển động quay bằng việc sử dụng hai bánh răng chuyển động ăn khớp với nhau để thay đổi thể tích của buồng chứa. động cơ này có ưu điểm là độ ồn thấp, hoạt động tương đối ổn định.

3/ Chuyển động kết hợp

• Xi lanh quay

Kết hợp với chuyển động tịnh tuyến và chuyển động quay, thường được sử dụng trong các ứng dụng như robot, máy gắp

• Bộ kẹp khí nén

Là sự kết hợp chuyển động tịnh tuyến và chuyển động xoay, thường được sử dụng để kẹp vật liệu trong các dây chuyền sản xuất.

Ngoài ra, hệ thống khí nén còn có thể tạo ra các dạng chuyển động khác như rung lắc, dao động,…bằng cách kết hợp các thiết bị khí nén khác nhau.

Cách Tính Công Suất Khí Nén Đơn Giản

Công suất khí nén là đại lượng thể hiện khả năng thực hiện công việc của khí nén trong một đơn vị thế gian.

Công thức tính khí nén đơn giản như sau: 

P = Q * ΔP * h

Trong đó:

• P là công suất khí nén với đơn vị: kW
• Q lưu lượng khí nén với đơn vị: m³/min
• ΔP Độ chênh lệch áp suất khí nén với đơn vị: bar
• η Hiệu suất hệ thống khí nén với đơn vị: %

giải thích các đại lượng trên:

• Lưu lượng khí nén Q

Là thể tích khí nén được cung cấp cho hệ thống trong một khoảng thời gian nhất định thường được tính là phút. Lưu lượng khí nén có thể đo được bằng lưu lượng kế.

• Độ chênh lệch áp suất khí nén ΔP

Là sự khác biệt giữa áp suất khí nén đầu vào và áp suất khí nén tại bộ phận vận hành như xi lanh, động cơ khí nén,…Độ chênh lệch áp suất khí nén có thể được bằng đồng hồ đo áp suất.

• Hiệu suất của hệ thống khí nén η

Là tỷ lệ giữa công suất hữu ích được thực hiện trong quá trình vận hành và công suất tiêu thụ của hệ thống khí nén. Hiệu suất hệ thống khí nén thường dao động từ 60 đến 80%.

Ví dụ:

Giả sử một hệ thống khí nén có lưu lượng khí nén là 0.5 m³/min, độ chênh lệch áp suất khí nén là 6 bar và hiệu suất hệ thống khí nén là 70%. Hãy tính công suất khí nén của hệ thống.

P = 0,5 * 6 * 0,7 = 2,1 kW

Lưu ý:

• Công thức tính công suất khí nén trên chỉ là một công thức được đơn giản hóa, bỏ qua một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của hệ thống.
• Để có được một kết quả chính xác hơn, cần sử dụng các công thức tính toán phức tạp hơn hoặc sử dụng phần mềm mô phỏng khí nén chuyên dụng.

Ưu Và Nhược Điểm Của Hệ Thống Khí Nén Là Gì?

Sau đây là những ưu điểm mà hệ thống khí nén mang lại:

• Hiệu quả cao

Nhiều nhà máy sản xuất sử dụng hệ thống khí nén cho dây chuyền sản xuất của hộ. không khí được lấy trong khí quyển đi và máy khí nén nên nguồn không khí là vô tận, hơn nữa việc sử dụng khí nén không giới hạn về khoảng cách bằng cách vận chuyển qua đường ống.

Sau khi sử dụng khí nén thì có thể thải nguồn khí nén ra lại ngoài vào môi trường mà không cần thông qua xử lý, với những khí nén nếu được bôi trơn bằng dầu thì cần được xử lý.

• Độ bền và độ tin cậy cao

Các thiết bị khí nén có độ bền rất cao và khó có thể xảy ra hư hỏng, so với linh kiện điện tử thì thiết bị khí nén bền hơn rất là nhiều.

• Thiết kế đơn giản

Việc lắp đặt và thiết kế máy khí nén khá là đơn giản vậy nên chúng có thể áp dụng vào các hệ thống tự động đơn giản.

• Khả năng thích ứng với môi trương cao

So với các hệ thống khác, hệ thống khí nén ít bị ảnh hưởng bởi bụi bẩn và nhiệt độ cao hay ăn mòn,…

• An toàn

Hệ thống khí nén an toàn hơn so với các hệ thống khác khi nó có thể hoạt động trong môi trường dễ cháy đảm bảo an toàn mà không gây ra cháy nổ. Hơn thế nữa, khi hệ thống khí nén hoạt động quá tải thì nó chỉ gây trượt hoặc ngừng hoạt động mà không gây ra nguy hiểm gì.

• Dễ dàng điều chỉnh áp suất và nhiệt độ

Hệ thống có thể điều chỉnh áp suất khí nén đi vào cơ cấu vận hành và thời gian cần thiết để tác động một cách dễ dàng. Áp suất và thể tích không khí có thể điều chỉnh bằng bộ điều chỉnh áp suất.

• Thân thiện với môi trường

Hoạt động của hệ thống khí nén không tạo ra chất gây ô nhiễm môi trường. Không khí xả ra được xử lý bằng nhiều cách khác nhau. Vì vậy, hệ thống khí nén có thể làm việc trong môi trường có nhu cầu cần mức độ sạch sẽ cao.

• Chi phí đầu tư thấp

Vì các thành phần khí nén không đắt tiền, chi phí cho các thành phần khí nén khá thấp, hệ thống khí nén lại rất bền và chi phí thấp hơn đáng kể so với các loại hệ thống khác.

Nhược điểm

Ngoài những ưu điểm vượt trội trên, thì song hành với nó sẽ có những nhược điểm, vì không phải sản phẩm nào cũng là hoàn hảo. Dưới đây là nhược điểm của hệ thống khí nén:

• Độ chính xác chưa cao

Vì hệ thống khí nén được cung cấp bởi lực của máy nén khí nên hoạt động của nó hoàn toàn phụ thuộc vào thể tích của khí nén. Vì thể tích không khí có thể thay đổi trong quá trình nén khí hoặc do nhiệt độ môi trường thay đổi, việc cung cấp không khí cho hệ thống có thể không chính xác, gây ra sự suy giảm trong tổng thể độ chính xác của hệ thống.

• Tải thấp

Vì khả năng nén khí ở áp suất cao khá khó khăn nên áp suất khí nén chỉ ở mức trung bình. Do đó, lực của xi lanh không lớn cho nên chỉ áp dụng cho các hệ thống có tải không quá lớn.

• Cần được xử lý khí nén trước khi sử dụng

Khí nén phải được xử lý trước khi sử dụng để đảm bảo không có hơi  nước hoặc bụi. Mặt khác, các bộ phận chuyển động của các thành phần khí nén có thể bị mài mòn nhanh chóng do ma sát.

• Tốc độ di chuyển không đều

Vì không khí có thể dễ dàng bị nén, tốc độ di chuyển của piston sẽ có khả năng không đồng đều.

• Tiếng ồn

Tiếng ồn sẽ được tạo ra khi khí nén được giải phóng khỏi các thành phần khí nén.

Ứng Dụng Thực Tiễn Của Khí Nén

Sau đây là những ứng dụng thực tiễn của khí nén trong các lĩnh vực công nghiệp, đời sống:

• Lĩnh vực sửa chữa

Chúng ta rất dễ bắt gặp những chiếc máy nén khí tại các gara hay các xưởng sửa chữa xe máy, ô tô. Tại đây, lượng khí nén sẽ được dùng để bơm hơi, bắn ốc, xì khô hay thổi bụi bẩn bám trên nội thất xe.

• Trong gia công cơ khí và xưởng mộc

Tại đây, khí nén được sử dụng để phun sơn, đánh bóng gỗ, cung cấp khí cho súng bắn ốc, súng xiết bu lông,…

• Lĩnh vực dược phẩm

Trong ngành dược, khi nén có vai trò quan trọng. Khí nén không dầu có thể được sử dụng để vận chuyển thuốc, sấy thuốc, sấy khô vỏ con nhộng, tạo khí sạch để tiến hành các thí nghiệm,…

• Nha khoa

Tất cả các phòng khám răng đều được trang bị máy nén khí không dầu. Tùy vào số lượng ghế mà số máy nén khí sẽ nhiều hay ít. Lượng khí nén này sẽ được cung cấp cho máy khoan xương, máy hút dung dịch.

Máy khoan nha khoa không phải là thứ quen thuộc nhưng chúng là một ví dụ vô cùng tuyệt vời về công nghệ khí nén. Khí nén được lấy từ không khí trong tự nhiên nên rất sạch vì nó chỉ là không khí. Bạn sẽ được đảm bảo an toàn vì không bị rò rỉ bất cứ thứ gì độc hại khi hoạt động trong miệng của bệnh nhân.

Điều này làm cho các mũi khoan nha khoa trở thành công dụng chính của khí nén.

• Phanh khí

Phanh khí là ứng dụng rất phổ biến mà mọi người sẽ nghĩ đến khi nói về công nghệ khí nén. Xe buýt, xe tải, xe lửa đều sẽ dừng lại khi mức áp suất thay đổi trong mạch không khí kín. Hầu hết các loại xe này đều sử dụng phanh khí nén và giúp cho xe dừng lại một cách an toàn nhất.

Mọi người thường sẽ không nghĩ mình đang sử dụng công nghệ khí nén cho đến khi các nhà công nghệ áp dụng làm phanh khí, ví dụ như xe bus và dễ thấy hơn khi một chiếc xe tải đang chạy trên đường phát ra tiếng rít thì đấy chính là ứng dụng của khí nén vào phanh khí.

• Y tế

Trong lĩnh vực y tế, khí nén được sử dụng để sấy khô các thiết bị y tế nâng cao khả năng kháng khuẩn cho các vật dụng cũng như môi trường bệnh viện hay một ứng dụng rất quan trọng là cho bệnh nhân thở kèm cùng với oxy,…

• Khai thác khoáng sản

Trong khai thác khoáng sản, đặc biệt là tại các hầm lượng khí nén giúp hỗ trợ trong quá trình vận chuyển khoáng vật, cung cấp khí thở, thông gió đồng thời còn tham gia vào quá trình thăm dò độ sâu, thổi phoi mũi khoan và làm mát mũi khoan.

• Công nghiệp chế tạo

Trong ngành công nghiệp chế tạo khi nén được ứng dụng vào vận hành máy móc cho khả năng nâng lên hạ xuống, điều khiển các thiết bị tự động hóa và hơn thế nữa khí nén còn được sử dụng để làm năng lượng cho xe chạy. 

• Lĩnh vực chế biến thực phẩm

Để đảm bảo sức khỏe cho người tiêu dùng, khí nén được sử đi kèm trong quá trình chế biến thực phẩm. Lượng khí nén này sẽ giúp sấy khô thực phẩm nhanh hơn, sục khí chế biến bia, sản xuất bao bì chân không để bảo quản thực phẩm,…

Ngoài ra, khí nén còn được vào rất nhiều các lĩnh vực khác nữa.

Giải Đáp Những Câu Hỏi Thường Gặp Về Khí Nén

Hệ thống khí nén là một giải pháp năng lượng hiệu quả, an toàn và linh hoạt được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Để giúp bạn hiểu rõ hơn về hệ thống khí nén, tôi xin giải đáp một số thắc mắc thường gặp:

Khí nén là gì?

Khí nén là khí được nén đến áp suất cao hơn áp suất khí quyển thông thường. Khí nén được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị và dụng cụ hoạt động

Nguyên lý hoạt động của hệ thống khí nén như thế nào?

Hệ thống khí nén hoạt động dựa trên nguyên tắc biến đổi thể tích của khí. Khi thể tích khí bị thu nhỏ, áp suất của khí sẽ tăng lên theo định luật Boyle-Mariotte. Năng lượng được tạo ra từ việc nén khí này được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị và dụng cụ hoạt động.

Lưu ý khí sử dụng hệ thống khí nén?

• Cần tuân thủ các biện pháp an toàn để tránh nguy cơ tai nạn.
• Bảo trì hệ thống định kỳ để đảm bảo được sự hoạt động ổn định và hiệu quả.
• Lựa chọn hệ thống phù hợp với nhu cầu sử dụng và điều kiện của môi trường.