Khí nén là gì? Lịch sử của khí nén
Trong đời sống hàng ngày, khí nén có mặt ở khắp mọi nơi, chúng được sử dụng rộng rãi và ứng dụng rộng rãi. Ví dụ, khí nén xuất hiện trong bữa ăn hàng ngày của chúng ta, khi bạn mở một chai coca, quần áo bạn mặc khí nén cũng góp phần vào trong công đoạn sản xuất, hay bạn đi xe, việc bơm hơi lốp xe cũng là khí nén.
Khí nén đã xuất hiện từ rất lâu đời, con người từ xa xưa đã phát hiện ra được những lợi ích đáng ngờ của khí nén và tìm cách tìm hiểu cách tạo ra khí nén, nên khí nén thực ra đã được ứng dụng từ rất lâu đời vào trong cuộc sống thường ngày của con người, khi công nghiệp phát triển thì khí nén lại được ứng dụng vào trong công nghiệp, trong hoạt động sản xuất công nghiệp, sử dụng như một nguồn năng lượng không hạn chế.
Để tìm hiểu rõ hơn về khí nén, lịch sử hình thành và phát triển của khí nén các đặc điểm và ứng dụng của khí nén, cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây.
Khí nén là gì?
Khí nén tiếng Anh pneumatics nó cũng là không khí, tuy nhiên nó được nén đến áp suất cao hơn áp suất khí quyển. Khí nén có các thành phần tương tự như không khí, thành phần của nó bao gồm hai nguyên tố chính là 78% Nito, 20-21% oxy và khoảng 1% là các khí khác cũng như hơi nước.
Khí nén được sử dụng như một năng lượng để điều khiển, sử dụng các thiết bị, công cụ hoạt động như các búa khí, máy khoan, cờ lê…
Khí nén được tạo thành qua quá trình nén khí, lọc và sấy khí, công việc này được thực hiện bởi một hệ thống khí nén hoàn chỉnh. Để sản xuất khí nén vẫn cần sử dụng đến điện năng để vận hành các thiết bị trong hệ thống nén khí.
Ngoài ra, khí nén còn có thể được lưu trữ ở áp suất cao. Việc sử dụng khí nén rất dễ dàng và an toàn, chính vì thế khí nén ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn trong đời sống cũng như ở trong công nghiệp.
Lịch sử hình thành và phát triển của khí nén
Khí nén đã có từ lâu đời, nó đã được tạo ra khi nhu cầu sử dụng khí nén của con người phát triển. Khoảng 3000 năm trước công nguyên, sự ra đời của luyện kim khiến cho một yêu cầu tất yếu là cần một máy khí nén cần thiết cho công việc nấu chảy các kim loại như vàng, đồng, thiếc, chì, nhằm đáp ứng nhu cầu nâng cao nhiệt độ cho lò đun, những nhà luyện kim ở Ai Cập đã chế tạo ra ống thổi, đây là máy khí nén đầu tiên được sản xuất trên Thế Giới, ống thổi này hoạt động bằng tay.
Tuy nhiên sau quá trình sử dụng, những ống thổi bằng tay này không đáp ứng được nhu cầu sử dụng của hoạt động luyện kim và nó cũng thể hiện nhiều hạn chế nến sau đó vào năm 1500 trước Công nguyên, người ta đã sáng tạo ra ống thổi bằng chân, ống thổi bằng chân đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp luyện kim. Đây là bước tiến vĩ đại, mở đầu cho ngành công nghiệp sản xuất khí nén.
Trong 2000 năm, ống thổi khí nén được sử dụng rộng rãi và được tin dùng trong ngành luyện kim, tuy nhiên khi các lò cao phát triển, nhu cầu khí nén ngày càng tăng lên, lúc này ống thổi bằng chân cũng không đáp ứng được yêu cầu. Vào năm 1762, một kỹ sư người Anh là John Smeaton đã chế tạo ra xy lanh thổi bằng bánh xe nước đầu tiên, xy lanh thổi bánh xe nước này, dần dần được thay thế hoạt động của ống thổi bằng chân.
Vào năm 1776, một nhà phát minh người Anh John Wilkinson đã dựa trên những kỹ thuật đã phát triển và phát minh ra máy nổ, máy nổ này là nguyên mẫu ban đầu cho tất cả các máy nén khí ngày nay.
Có thể thấy, máy nén khí thời kì đầu được sử dụng chủ yếu với mục đích là một máy thổi, nó được sử dụng chủ yếu để khai thác và chế tạo kim loại trong ngành công nghiệp luyện kim.
Khí nén được sử dụng để truyền năng lượng phổ biến từ những năm 1800, một nhà máy chạy bằng nước và khí nén được xây dựng ở Anh vào nhũng năm 1820.
Mạng lưới nén khí đầu tiên ra đời ở Paris do kỹ sư người Áo Viktor Popp sáng chế, ông đã lắp đặt một nhà máy khí nén 1500 kW và phát triển lên 18000kW vào năm 1891.
Đây là tiền đề cho bước phát triển vượt bậc của khí nén ngày nay, nó là nền tảng cho ba loại máy nén hiện đại phổ biến trong ngành công nghiệp ngày nay đó là các máy khí nén Piston, máy nén trục vít và máy nén phản lực.
Cách tạo ra khí nén
Như đã biết khí nén được tạo ra qua quá trình nén khí, khí nén được sản xuất nhờ quá trình nén khí của máy nén, để khí nén được sạch, khô và đảm bảo chất lượng, sau quá trình nén khí, khí nén cần phải qua quá trình lọc và sấy. Vậy quá trình nén khí xảy ra như nào:
Máy nén khí sẽ làm tăng áp suất của không khí đầu vào bằng cách giảm thể tích của nó. Các loại máy nén khí thông thường sẽ có các cánh quạt ly tâm để nén không khí.
Quá trình nén khí thường được cung cấp bởi một động cơ điện.
HIện nay, có hai loại mãy nén khí phổ biến mà hệ thống khí nén có thể hoạt động đó là dịch chuyển tích cực và dịch chuyển động, hai loại ngày có nguyên lý hoạt động rất khác nhau, cụ thể như sau:
Dịch chuyển tích cực: Đây là loại phương pháp nén được sử dụng nhiều nhất và phổ biến nhất, dạng máy nén này hoạt động như sau: Nó sẽ ép không khí và trong một không gian hạn chế, tức là nó sẽ làm giảm thể tích của không khí nhờ việc đưa không khí vào không gian hẹp hơn, công việc này thường được hoạt động thông qua chuyển động của một thiết bị cơ học.
Dịch chuyển động: Loại máy nén dịch chuyển động này sẽ tăng tốc độ của không khi lên vận tốc cao, năng lượng được tạo ra từ việc tăng vận tốc của không khí này nó sẽ làm tăng áp suất của không khí.
Sau quá trình nén khí được tạo ra bởi máy nén khí, khí nén này sẽ được xả vào trong một bình chứa được gọi là bình tích áp, khí nén lúc này vẫn chỉ là khí nén dạng thô chưa qua xử lý nên còn nhiều tạp chất như bụi bẩn hay hơi nước, vì thế trong hệ thống khí nén sẽ được lắp đặt thêm bộ lọc và sấy.
Khí nén đi qua bộ lọc, loại bỏ toàn bộ bụi bẩn và loại bỏ một phần nước lỏng và hơi nước, sau đó khí nén sẽ được chuyển qua bộ phận sấy đó là thiết bị máy sấy khí nén, máy sấy khí nén này có nhiệm vụ làm khô khí nén, loại bỏ hoàn toàn hơi nước, hơi ẩm còn tồn trong khí nén.
Sau đấy, khí nén sẽ được lọc qua một lần nữa trước khi truyền đến các thiết bị, công cụ sử dụng khí nén.
Đây là một quy trình cơ bản, để tạo ra khí nén, tùy vào công việc và nhu cầu sử dụng, khí nén sẽ được tạo ra với nhu cầu sử dụng khác nhau.
Đặc điểm của khí nén
Tính sẵn có: Khí nén được sản xuất từ không khí, không khí là nguồn nhiên liệu tự nhiên, nó có sẵn trong tự nhiên với số lượng không hạn chế.
Vận chuyển: Việc vận chuyển kí nén rất dễ dàng, khí nén có thể được vận chuyển dễ dàng trên quãng đường dài trong đường ống, hay nó có thể được vận chuyển khi ở trong bình chứa.
Nhiệt độ: Khí nén tương đối nhạy cảm với sự thay đổi, dao động nhiệt độ.
Chống cháy nổ: Khí nén giảm thiểu nguy cơ cháy nổ, nó không gây ra tình trạng cháy nổ, tuy nhiên khí nén tương tự như không khí, nó có chứa oxy nên nó hỗ trợ quá trình đốt cháy.
Sạch sẽ: Khí nén là một loại nguyên liệu sạch, qua quá trình sản xuất, khí nén đảm bảo tính sạch, nó đảm bảo an toàn khi sử dụng, đảm bảo vệ sinh thực phẩm nếu sử dụng với thực phẩm, khí nén sạch, nên nó có thể có ứng dụng rất đa dạng.
Tiết kiệm kinh phí: Các thiết bị lắp đặt trong hệ thống khí nén rất rẻ, để lắp đặt một hệ thống khí nén, không tốn quá nhiều kinh phí.
Tuy nhiên, khí nén cũng được nhận thấy rằng nó chưa được sử dụng hết nguồn lực, nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, các hệ thống khí nén hầu như chỉ sử dụng được 10 -15 % năng lượng khí nén bởi khí nén được tạo ra bởi rò rỉ rất nhiều ra môi trường, cho nên nhiều người cho rằng việc sử dụng khí nén là gây lãng phí kinh phí.
Và quá trình sản xuất khí nén cũng cần sử dụng nguồn điện năng, vì vậy nó được cho là tiêu tốn quá nhiều năng lượng.
Tốc độ: Khí nén là môi chất làm việc rất nhanh, việc điều chỉnh hoạt động của khí nén cũng khá dễ dàng.
Điều chỉnh: KHí nén có thể điều chỉnh tốc độ và áo lực.
Ứng dụng của khí nén
Khí nén được ứng dụng rộng rãi trong đời sống thường ngày và trong công nghiệp, khí nén được ứng dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp như công nghiệp chế biến và sản xuất gỗ, ứng dụng trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô, ứng dụng trong nông nghiệp, ứng dụng trong ngành y tế và dược phẩm và trong rất nhiều ứng dụng công nghiệp khác, cụ thể như sau:
Thiết bị sử dụng khí nén nhiều nhất đó là xi lanh khí nén, trong các các nhà máy chúng ta dễ dàng bắt gặp loại xi lanh này từ hệ thống đơn giản cho đến các hệ thống phức tạp.
Trong ngành công nghiệp dệt may: Khí nén được ứng dụng vào các khâu công đoạn như dệt vải, nhuộm, được sử dụng để điều khiển các thiết bị truyền động, các thiết bị tự động…
Trong ngành sản xuất ô tô: Khí nén được ứng dụng vào nhiều công đoạn sản xuất ô tô, khí nén giúp tạo ra các bộ phận ô tô cả lớn và nhỏ, khí nén được ứng dụng từ những công đoạn lắp ráp đến chế tạo động cơ, sơn, làm sạch, các thiết bị như chuyền, băng tải, các thiết bị làm sạch, máy sơn khí nén, các thiết bị sấy để sơn và làm sạch.
Ứng dụng trong nông nghiệp: Trong nông nghiệp, khí nén cũng được sử dụng rất phổ biến, khí nén được sử dụng để cung cấp nước cho cây trồng, vật nuôi và đồng cỏ, máy phun cây trồng, hay các thiết bị xử lý nguyên liệu khí nén cũng rất cần thiết trong toàn bộ ngành công nghiệp thực phẩm, hay các thiết bị, máy móc tự động cần sử dụng trong chăn nuôi bò sữa.
Trong công nghiệp thực phẩm: Khí nén được sử dụng trong khâu sản xuất, đóng gói các sản phẩm, ví dụ như trong các công đoạn khử nước, đóng chai, hay trong quá trình vận chuyển trên chuyền, băng tải…
Trong chế biến, sản xuất gỗ: Khí nén được ứng dụng trong các công cụ và thiết bị như các thiết bị cưa, cẩu, kẹp, hay các thiết bị truyền động.
Và còn rất nhiều các ứng dụng khác, nhìn chung có thể thấy khí nén được ứng dụng khắp mọi nơi trong cuộc sống thưởng ngày, nó hiện diện ở khắp nơi xung quanh chúng ta.
So sánh khí nén và thủy lực
Hệ thống thủy lực
Thủy lực được sử dụng để tạo ra, điều khiển và truyền tải điện năng bằng chất lỏng có áp suất.
Khí nén sử dụng khí có áp suất để tác động đến chuyển động cơ học.
Hệ thống thủy lực là hệ thống vòng kín.
Hệ thống khí nén là hệ thống vòng hở.
Hệ thống thủy lực tốn kém và cần nhiều chi phí bảo trì.
Hệ thống khí nén sử dụng bền bỉ, ít cần bảo trì hơn nên cũng tiết kiệm chi phí bảo trì hơn.
Trong hệ thống thủy lực, lưu chất làm việc của hệ thống thủy lực này là chất lỏng.
Trong hệ thống khí nén, lưu chất làm việc của hệ thống khí nén này chính là không khí.
Vì dầu là lưu chất không thể nén được nên dầu có thể bị nén đến áp suất rất cao.
Không khí có thể nén được, không khí có thể được điều áp đến áp suất thấp hơn
Hệ thống thủy lực có thể được ứng dụng với những lực cao, hệ thống thủy lực có thể sinh lực phát triển cao (có thể lên đến hàng nghìn tấn)
Vì áp suất của hệ thống khí nén thấp hơn, nên lực sinh ra của hệ thống khí nén cũng thấp hơn so với hệ thống thủy lực.
Hệ thống thủy lực khá cồng kềnh, do làm việc với áp suất cao, nên hệ thống này được làm từ các thành phần yêu cầu độ bền cao nên nó thường được sử dụng bằng những loại vật liệu thép có độ bền cao.
Hệ thống khí nén khá là nhỏ gọn, các thành phần của hệ thống khí nén này có trọng lượng nhẹ hơn, do áp suất của hệ thống khí nén thường thấp hơn, nên hệ thống khí nén không yêu cầu quá cao trong vật liệu cấu tạo, chính vì thế cấu tạo của hệ thống khí nén này thường nhỏ gọn hơn hệ thống thủy lực
Trong hệ thống thủy lực sử dụng dầu, dầu có đặc trưng là nó có độ nhớt cao, chính vì thể dầu không chảy nhanh được, do đó các hệ thống thủy lực cũng hoạt động chậm hơn.
Khí nén có độ nhớt rất ít và hầu như không có độ nhớt, vậy nên khí nén thể chảy nhanh, chính vì vậy hoạt động của hệ thống khí nén cũng nhanh hơn.
Hệ thống thủy lực thường có độ an toàn kém hơn, hệ thống thủy lực thường có nguy cơ xảy ra hiện tượng cháy nổ, hệ thống thủy lực hoạt động bằng dầu thủy lực, loại dầu này có nguồn gốc từ dầu mỏ, vì thế nó có khả năng gây cháy và hỏa hoạn.
Hệ thống khí nén không có nguy cơ cháy nổ, hệ thống khí nén có độ an toàn rất cao, đó là lý do chính, hệ thống khí nén được sử dụng phổ biến.
Nếu hệ thống bị rò rỉ, dầu có thể gây nguy hiểm khi nó gây trơn trượt.
Không khí rất an toàn, nếu nó bị rò rỉ nó cũng không gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh.
Hệ thống thủy lực có thể bớt một thiết bị là thiết bị bôi trơn bởi vì dầu thủy lực cũng chính là một chất bôi trơn.
Hệ thống khí nén cần phải lắp đặt thêm thiết bị bôi trơn để bôi trơn các thiết bị, xylanh, bộ phận chuyển động trong hệ thống.
Ứng dụng của hệ thống thủy lực: Hệ thống thủy lực không được ứng dụng vào những ứng dụng liên quan đến thực phẩm hay đồ ăn thực uống, vì nguy cơ rò rỉ, dầu này gây nguy hiểm đến vệ sinh an toàn nên ứng dụng này thường được ứng dụng như ứng dụng ở thang máy, các thiết bị như máy ép thủy lực, phễu, xi lanh, tuabin…
Ứng dụng của hệ thống khí nén: Hệ thống khí nén thường được ứng dụng trong xây dựng, các ngành công nghiệp như ứng dụng trong công nghệ sinh học, ứng dụng trong công nghệ thực phẩm, ứng dụng trong y tế và trong dược phẩm, ngoài ra nó còn được ứng dụng trong các ứng dụng khai thác mỏ, trong các nhà máy và rất nhiều các ứng dụng khác trong cuộc sống.
Tổng kết khí nén
Khí nén được ứng dụng rộng rãi, nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, nhiều ngành nghề, nó có thể được ứng dụng trong công nghiệp, trong nông nghiệp, trong thực phẩm, y tế, hay là trong đời sống hàng ngày, khí nén có vai trò rất quan trọng.
Chính vì thế, ngày nay, người ta sử dụng khí nén và coi khí nén như là tiện ích thứ 4, chỉ sau điện và nước. Khi nén dần trở thành nguồn năng lượng, sử dụng trong đời sống hàng ngày của con người.
Việc sản xuất khí nén cũng ngày càng được chú trọng, các hệ thống khí nén sử dụng để sản xuất khí nén ngày càng được thành lập nhiều từ quy mô nhỏ đến lớn, như các hệ thống khí nén được lắp đặt trong cơ sở nhỏ lẻ, hay những hệ thống khí nén được lắp đặt trong các nhà máy lớn, những nhà máy chuyên sản xuất các loại khí nén…
Xem phần tiếp theo: Giới thiệu về máy nén khí
Nguồn: vangiare.vn
