Cách tính lưu lượng khí nén

Phương pháp tính toán chi tiết lưu lượng khí nén qua đường ống

Để xác định lưu lượng khí nén qua đường ống (Q_std) một cách chính xác nhất, phương pháp hiệu quả nhất là sử dụng công thức Darcy-Weisbach kết hợp với việc tính toán hệ số ma sát một cách cẩn thận. Phương pháp này tuy phức tạp hơn các công thức đơn giản nhưng cho kết quả tin cậy hơn vì nó xét đến đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy.

Đầu tiên chúng ta phải tính độ sụt áp suất trên toàn bộ chiều dài ống. Việc tính toán lưu lượng khí nén (Q_std) đòi hỏi phải giải quyết bài toán tổn thất áp suất dọc theo đường ống. Công thức Darcy-Weisbach là nền tảng cho việc tính toán này:

Trong đó:

• ΔP: Độ sụt áp suất trên toàn bộ chiều dài ống (Pa)
• ƒ: Hệ số ma sát Darcy (không có đơn vị)
• L: Chiều dài của đường ống (m)
• D: Đường kính trong của ống (m)
• ρ: Tỷ trọng của khí nén ở điều kiện hoạt động (kg/m³)
• v²: Vận tốc trung bình của khí nén trong ống (m/s)

Từ công thức trên, có thể biến đổi để tính vận tốc v và sau đó là lưu lượng Q_std (Q_std=A⋅v, với A là diện tích mặt cắt ngang của ống).

Tuy nhiên, đối với khí nén, tỷ trọng ρ thay đổi theo áp suất. Do đó, một dạng khác của công thức, xét đến sự thay đổi áp suất, thường được sử dụng để tính toán trực tiếp lưu lượng khối lượng hoặc lưu lượng thể tích ở điều kiện tiêu chuẩn.

Một công thức thực hành phổ biến hơn để tính lưu lượng khí nén tự do (FAD – Free Air Delivery) là:

Trong đó:

• Q_std: Lưu lượng ở điều kiện tiêu chuẩn (ví dụ: m³/h, SCFM)
• P₁: Áp suất tuyệt đối tại đầu vào ống (bar-a, psia)
• P₂: Áp suất tuyệt đối tại đầu ra ống (bar-a, psia)
• D: Đường kính trong của ống (mm, inch)
• L: Chiều dài của đường ống (m, ft)
• ƒ: Hệ số ma sát
• T: Nhiệt độ tuyệt đối của khí nén (Kelvin, Rankine)
• S_g: Tỷ trọng riêng của khí so với không khí (đối với không khí nén, Sg≈1)
• C: Hệ số chuyển đổi đơn vị

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chính xác

Để đạt được kết quả tính toán chính xác nhất, cần xác định đúng các thông số đầu vào:

• Áp suất và Nhiệt độ: Cần có giá trị áp suất và nhiệt độ chính xác tại điểm đầu và điểm cuối của đoạn ống cần tính toán. Áp suất phải là áp suất tuyệt đối (áp suất đo được + áp suất khí quyển).
• Kích thước đường ống: Đường kính trong (ID) của ống phải được đo chính xác. Chiều dài ống cần bao gồm cả chiều dài tương đương của các loại phụ kiện như co, tê, van. Mỗi phụ kiện gây ra một tổn thất áp suất tương đương với một đoạn ống thẳng có chiều dài nhất định.
• Độ nhám bề mặt ống: Đây là yếu tố quan trọng để xác định hệ số ma sát (ƒ). Độ nhám phụ thuộc vào vật liệu làm ống (thép, đồng, nhôm, nhựa) và tình trạng của ống (mới hay đã qua sử dụng, có bị ăn mòn hay không).

Xác định Hệ số ma sát (ƒ) – Chìa khóa của sự chính xác

Hệ số ma sát ƒ không phải là một hằng số. Nó phụ thuộc vào số Reynolds (Re) của dòng chảy và độ nhám tương đối (ϵ/D) của ống.

1. Tính số Reynolds (Re):

Trong đó:

• μ: Độ nhớt động lực học của khí nén (Pa.s)
• Q_m: Lưu lượng khối lượng (kg/s)

2. Xác định hệ số ma sát (ƒ):

• Biểu đồ Moody: Đây là phương pháp đồ thị kinh điển để tìm ƒ từ Re và ϵ/D.
• Công thức Colebrook-White: Đây là công thức ẩn, cho kết quả rất chính xác nhưng cần giải bằng phương pháp lặp hoặc các công cụ tính toán.

Phương pháp thực tế và công cụ hỗ trợ

Do tính phức tạp của việc giải các phương trình trên bằng tay, trong thực tế, các kỹ sư thường sử dụng:

• Phần mềm chuyên dụng: Các phần mềm mô phỏng hệ thống đường ống hoặc các ứng dụng từ các nhà sản xuất máy nén khí (ví dụ: Atlas Copco, Festo) cho phép nhập các thông số và tính toán lưu lượng, sụt áp một cách nhanh chóng và chính xác.
• Máy tính online: Nhiều trang web kỹ thuật cung cấp các công cụ tính toán online. Người dùng chỉ cần nhập các thông số như áp suất, nhiệt độ, chiều dài, đường kính và vật liệu ống để nhận được kết quả lưu lượng.

Đối với một ước tính nhanh, có thể sử dụng các bảng tra được cung cấp bởi nhà sản xuất ống hoặc trong các sổ tay kỹ thuật. Tuy nhiên, các bảng này thường dựa trên các điều kiện giả định nhất định và độ chính xác không cao bằng các phương pháp tính toán chi tiết nêu trên.

Để đảm bảo kết quả chính xác nhất, sự kết hợp giữa việc hiểu rõ lý thuyết cơ bản và sử dụng các công cụ phần mềm hiện đại là phương pháp tiếp cận tối ưu nhất.

Cách tính lưu lượng khí nén mà máy nén khí tạo ra

Lưu lượng khí nén là một thông số kỹ thuật quan trọng, thể hiện thể tích khí mà máy nén khí cung cấp được trong một đơn vị thời gian. Việc tính toán chính xác lưu lượng khí nén giúp lựa chọn máy nén khí phù hợp, thiết kế hệ thống đường ống hiệu quả và kiểm soát chi phí vận hành.

Công thức tính lưu lượng khí nén thực tế

Đây là phương pháp xác định lưu lượng thực tế mà máy nén khí đang tạo ra dựa trên sự thay đổi áp suất trong một bình chứa có thể tích đã biết.

Công thức tính lưu lượng khí nén được biểu diễn như sau:

Trong đó:

• Q:Lưu lượng khí nén (Đơn vị:m³/phút hoặc l/phút)
• V: Thể tích của bình chứa khí (Đơn vị: m³ hoặc lít)
• P₁: Áp suất ban đầu trong bình (Đơn vị: bar hoặc kg/cm²)
• P₂: Áp suất cuối cùng trong bình sau thời gian T (Đơn vị: bar hoặc kg/cm²)
• T: Thời gian máy nén khí chạy để tăng áp suất từ P₁ đến P₂ (Đơn vị: phút)
• P₀: Áp suất khí quyển, thường lấy giá trị xấp xỉ 1 bar (Đơn vị: bar)

Các bước thực hiện

1. Xả hết khí trong bình chứa: Đảm bảo áp suất ban đầu (P₁) trong bình bằng 0 (hoặc ở một mức áp suất thấp đã biết).
2. Đóng tất cả các van đầu ra: Ngăn không cho khí thoát ra ngoài trong quá trình đo.
3. Khởi động máy nén khí: Ghi lại thời gian (T) cần thiết để máy nén làm tăng áp suất trong bình từ P₁ lên P₂.
4. Áp dụng công thức: Sử dụng các giá trị đo được để tính toán lưu lượng Q.

Ví dụ: Một máy nén khí nén vào bình chứa 500 lít (0.5 m³) từ áp suất 0 bar lên 8 bar trong vòng 2 phút. Áp suất khí quyển là 1 bar.

• V=0.5 m³
• P₁​=0 bar
• P₂​=8 bar
• T=2 phút
• P₀​=1 bar

Áp dụng công thức:

Ta có kết quả Q = 2m³/phút

Tính toán đường kính ống dẫn khí nén

Việc lựa chọn đúng đường kính ống dẫn khí là rất quan trọng để tránh sụt áp và đảm bảo cung cấp đủ khí cho các thiết bị sử dụng. Một công thức đơn giản và thường được sử dụng để ước tính đường kính trong của ống:

Trong đó:

• d: Đường kính trong của ống (Đơn vị: mm)
• Q: Lưu lượng khí nén yêu cầu (Đơn vị: m³/phút)
• v: Vận tốc dòng khí cho phép trong ống, thường từ 6-8 m/s (Đơn vị: m/s)
• π: Hằng số Pi (≈ 3.14)

Ví dụ: Cần một đường ống cho hệ thống có lưu lượng 5 m³/phút và vận tốc khí mong muốn là 6 m/s.

• Q=5 m³/phút
• v=6 m/s

Áp dụng công thức:

Ta có kết quả: d ≈ 103mm. Dựa vào kết quả này, bạn có thể chọn ống có đường kính trong tiêu chuẩn gần nhất và lớn hơn giá trị tính toán, ví dụ như ống DN100.

Hiệp hội Khí nén Anh (BCAS) đề xuất, vận tốc khí nén từ 6 m/giây trở xuống để ngăn mang hơi ẩm và mảnh vụn qua chân xả vào điều khiển.

Vận tốc khí nén lớn hơn 9 m/giây là đủ đề vận chuyển mọi lượng nước và mảnh vụn vào dòng khí. Do vậy, tốc độ đường ống thiết kế được khuyến nghị cho đường ống nối với các ống góp chính là từ 6-7m/giây trở xuống và không bao giờ vượt quá 9 m/giây.

Để có kết quả chính xác và theo dõi liên tục, phương pháp tốt nhất là sử dụng đồng hồ đo lưu lượng khí nén. Các thiết bị này được lắp trực tiếp trên đường ống và cung cấp các thông số đo tức thời về lưu lượng, giúp phát hiện rò rỉ và tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng.