Hệ thống khí nén là tập hợp các thiết bị tạo ra, xử lý, dẫn và sử dụng không khí nén làm môi chất truyền năng lượng, trong đó điện năng của động cơ máy nén được đổi thành áp suất khí để đẩy xi lanh, quay động cơ khí hoặc thổi sạch bề mặt. Bài này trình bày hệ thống khí nén theo thứ tự một kỹ sư mới cần nắm: định nghĩa, bốn khối chức năng, nguyên lý, thông số thiết kế, đường ống, so sánh với điện và thủy lực, ứng dụng và bảo trì.
Hệ thống khí nén là gì
Hệ thống khí nén dùng không khí đã nén, thường ở 6–8 bar, để sinh lực và chuyển động. Để hiểu môi chất này, xem thêm bài về khí nén là gì: đó là không khí tự nhiên bị nén tới áp suất cao hơn áp khí quyển, nên tích trữ được năng lượng và giải phóng khi giãn nở.
Thuật ngữ tiếng Anh của lĩnh vực này là pneumatics (Wikipedia). Trong nhà máy, hệ thống khí nén gần như luôn là mạng dùng chung: một phòng máy nén cấp khí cho hàng chục đến hàng trăm điểm dùng qua đường ống chung, chứ không phải mỗi máy một nguồn riêng.
Khí nén được chọn khi cần chuyển động tịnh tiến nhanh, lực vừa phải, vận hành sạch và không có nguy cơ phát tia lửa. Với những việc cần lực rất lớn hoặc cần dừng chính xác ở giữa hành trình, điện hoặc thủy lực thường phù hợp hơn, như phần so sánh bên dưới.
Thành phần của hệ thống khí nén: 4 khối chức năng
Mọi hệ thống khí nén, từ xưởng nhỏ tới nhà máy lớn, đều chia được thành bốn khối nối tiếp nhau: tạo khí, xử lý khí, điều khiển và chấp hành. Trong hệ thống khí nén, khí đi lần lượt qua từng khối, và chất lượng của khối trước quyết định tuổi thọ của khối sau.
Khối 1: tạo khí và trữ khí
Nguồn khí là máy nén khí trục vít hay piston, chọn theo lưu lượng và chế độ tải. Máy piston hợp với nhu cầu nhỏ, gián đoạn; máy trục vít chạy liên tục, êm hơn và là lựa chọn thường gặp ở nhà máy dùng khí nhiều ca.
Khí ra khỏi đầu nén rất nóng (có thể trên 100 °C tùy kiểu máy), nên được làm mát rồi dồn vào bình chứa khí. Bình có hai việc: ổn định áp suất khi tải thay đổi và giảm số lần máy nén chuyển tải – không tải. Phần hơi nước ngưng trong bình cũng được xả bỏ tại đây trước khi khí đi tiếp.
Khối 2: xử lý khí
Khí vừa nén luôn mang theo hơi nước, hạt bụi và một ít dầu. Hơi nước được loại bằng máy sấy khí để hạ điểm sương áp suất (PDP) xuống thấp hơn nhiệt độ thấp nhất của đường ống, nếu không nước sẽ ngưng ngay trong ống. Bụi và dầu được giữ lại bằng lọc khí nén nhiều cấp: lọc thô khoảng 40 µm ở đầu nguồn, lọc tinh khoảng 1 µm và lọc than hoạt tính khi cần loại hơi dầu.
Khối 3: điều khiển
Khối này quyết định khí đi đâu, với áp và tốc độ nào. Các loại van khí nén chia ba nhóm: van hướng (đảo chiều, cấp hoặc ngắt khí), van áp suất (giảm áp, an toàn) và van lưu lượng (tiết lưu để chỉnh tốc độ). Ngay trước cụm van thường có bộ FRL gồm lọc, điều áp và tra dầu (khi cần), lắp để mỗi máy nhận đúng áp và khí sạch của riêng nó.
Khối 4: chấp hành
Trong hệ thống khí nén, cơ cấu chấp hành đổi áp suất khí thành chuyển động. Loại phổ biến nhất là xi lanh khí nén cho chuyển động thẳng; ngoài ra còn xi lanh quay, kẹp khí, động cơ khí nén và các đầu hút chân không tạo từ ejector. Ở khối này, khí nén thực hiện công hữu ích, và cũng là nơi lộ ra mọi lỗi của ba khối trước: nước làm xi lanh gỉ, bụi làm mòn phớt, áp thấp làm lực yếu.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống khí nén
Nguyên lý chung của hệ thống khí nén gồm bốn bước: nén khí, làm mát và tách ẩm, phân phối, rồi giãn nở để sinh công. Khi nén, thể tích không khí giảm và áp suất tăng theo định luật Boyle (p·V = hằng số nếu nhiệt độ không đổi). Trên thực tế nhiệt độ tăng, nên phải làm mát; khí nguội đi thì hơi nước ngưng lại, nên phải sấy.
Dòng khí điển hình trong hệ thống khí nén đi theo thứ tự: máy nén, bình chứa, máy sấy, lọc, đường ống chính, nhánh về máy, FRL, van, xi lanh. Đặt bình trước máy sấy giúp máy sấy nhận khí đã nguội bớt và lưu lượng đỡ dao động. Khi van đảo chiều cấp khí vào một buồng xi lanh, buồng đối diện được xả ra khí quyển, và chênh áp giữa hai buồng đẩy piston chuyển động.
Sơ đồ mạch cơ bản (máy nén → FRL → van 5/2 → xi lanh) được vẽ bằng ký hiệu khí nén theo ISO 1219, một bộ ký hiệu chung để kỹ sư đọc được bản vẽ của nhau mà không cần xem hình dáng thiết bị. Mỗi ô vuông của van là một vị trí, mũi tên chỉ đường khí, nên chỉ cần đọc ký hiệu là biết van có mấy cổng, mấy vị trí và điều khiển bằng gì.
Lực của xi lanh tính từ F = p × A. Ví dụ xi lanh đường kính piston 50 mm có diện tích A = π × 50² / 4 ≈ 1.963 mm². Ở 6 bar (0,6 MPa), lực đẩy lý thuyết là 0,6 × 1.963 ≈ 1.178 N. Lực kéo nhỏ hơn vì phía cần piston bị cần chiếm diện tích; lực thực tế còn trừ ma sát phớt, thường mất khoảng 5–15% (tham khảo).
Thông số cần chốt khi thiết kế hệ thống khí nén
Thiết kế hệ thống khí nén bắt đầu từ ba con số: áp suất, lưu lượng và chất lượng khí. Chốt sai một trong ba, hệ thống sẽ hoặc thiếu khí, hoặc tốn điện, hoặc hỏng thiết bị cuối.
Áp suất làm việc
Áp phổ biến ở thiết bị cuối là 6–7 bar. Áp tại máy nén phải cao hơn vì khí mất áp qua máy sấy, lọc, ống và FRL.
Ví dụ: xi lanh cần 6,0 bar; FRL mất 0,2 bar, ống 0,5 bar, máy sấy và lọc 0,5 bar. Tổng mất áp 1,2 bar, nên áp sau bình không được thấp hơn 7,2 bar ngay cả lúc máy nén vừa chuyển sang chạy tải. Cộng thêm dải đóng/ngắt tải khoảng 0,5–1 bar, áp ngắt tải rơi vào 7,7–8,2 bar, nên chọn máy có áp định mức từ 8,5 bar trở lên (loại 8,5 hoặc 10 bar tùy dòng máy của hãng).
Máy định mức cao hơn vẫn được đặt áp làm việc theo nhu cầu: mỗi 1 bar áp đặt tăng thêm làm điện năng tăng khoảng 6–8% (tham khảo).
Lưu lượng
Lưu lượng của hệ thống khí nén, tức của máy nén, phải bằng tổng nhu cầu tại đỉnh tải cộng rò rỉ và dự phòng. Cách làm chi tiết xem bài tính lưu lượng khí tiêu thụ: cộng lưu lượng từng thiết bị rồi nhân hệ số đồng thời, vì không phải mọi thiết bị chạy cùng lúc.
Ví dụ năm nhóm thiết bị tiêu thụ lần lượt 0,5; 0,8; 1,2; 2,0 và 3,5 m³/min (khí tự do, FAD), tổng 8,0 m³/min. Với hệ số đồng thời 0,7, nhu cầu thực là 8,0 × 0,7 = 5,6 m³/min. Cộng 10% rò rỉ: 5,6 × 1,10 = 6,16 m³/min. Cộng 20% dự phòng mở rộng: 6,16 × 1,2 ≈ 7,4 m³/min. Đây là lưu lượng cần chọn cho máy nén.
Chất lượng khí
Với hệ thống khí nén, chất lượng khí được phân cấp theo ISO 8573-1 cho ba nhóm tạp chất: hạt rắn, nước và dầu. Máy bắn sơn, thiết bị thực phẩm hay dụng cụ đo cần cấp sạch hơn nhiều so với búa hơi hay đồ gá kẹp. Mức yêu cầu nên quyết định theo thiết bị khắt khe nhất, rồi xử lý cục bộ ngay trước thiết bị đó thay vì nâng cấp xử lý cho cả nhà máy.
Đường ống và phân phối khí
Đường ống là phần dễ bị xem nhẹ nhất trong hệ thống khí nén nhưng lại quyết định sụt áp và rò rỉ. Đường ống chính nên đi theo mạch vòng, để khí cấp cho mỗi điểm từ hai hướng, giảm vận tốc và giữ áp ổn định khi một nhánh tải nặng.
Vận tốc khí trong ống chính nên giữ khoảng 6–8 m/s (tham khảo). Cao hơn, sụt áp tăng nhanh theo bình phương vận tốc và giọt nước bị cuốn đi thay vì lắng xuống. Với lưu lượng 7,4 m³/min FAD ở 7 bar(g), lưu lượng thực trong ống khoảng 7,4 / 8,0 ≈ 0,92 m³/min, tức 0,0154 m³/s. Đường kính trong tối thiểu d = √(4Q / πv): với v = 8 m/s ra khoảng 49,5 mm, với v = 6 m/s ra khoảng 57 mm. Vậy chọn ống DN50 đến DN65, tùy mức sụt áp cho phép.
Sụt áp cho phép từ máy nén tới điểm dùng, tham khảo, là không quá 0,1 bar trên ống chính và khoảng 0,5 bar cho toàn bộ mạng ống. Vật liệu ống chính có thép mạ kẽm, nhôm định hình và inox; ưu nhược từng loại nằm trong bài tổng quan hệ thống đường ống. Nhôm và inox nhẹ, không gỉ nên ít làm bẩn khí, trong khi thép mạ rẻ nhưng dễ bong gỉ ở mối nối.
Vài nguyên tắc lắp đặt giúp hệ thống khí nén ít nước:
- Ống chính dốc 1–2% về phía điểm thấp, nơi đặt van xả nước tự động hoặc bằng tay.
- Nhánh rẽ lấy từ đỉnh ống chính theo kiểu cổ ngỗng để nước không chảy xuống nhánh.
- Chia vùng bằng van chặn để cô lập khi sửa chữa mà không dừng cả nhà máy.
- Siết kín từng mối nối; mối ren cũ và ống mềm là nơi rò rỉ nhiều nhất.
Đoạn cuối từ nhánh tới thiết bị thường dùng ống mềm, phổ biến là ống PU, nylon. Ống PU mềm, chịu uốn tốt cho khu vực có chuyển động; nylon cứng hơn, chịu áp cao hơn và hợp với đoạn cố định. Ống mềm cũng nên ngắn nhất có thể vì nó làm tăng thể tích chết và độ trễ phản ứng của xi lanh.
Ưu, nhược điểm của hệ thống khí nén so với điện và thủy lực
Ưu điểm lớn nhất của hệ thống khí nén là đơn giản, sạch và an toàn cháy nổ. Khí thải ra môi trường không gây ô nhiễm dầu, không có nguy cơ phát tia lửa nên dùng được ở khu vực cháy nổ; cơ cấu chấp hành rẻ, bền, khi quá tải xi lanh chỉ đứng yên mà không hỏng như động cơ điện bị cháy cuộn dây; tốc độ xi lanh cao, dễ chỉnh bằng van tiết lưu.
Nhược điểm của hệ thống khí nén nằm ở ba điểm. Không khí có tính nén được nên khó dừng chính xác ở giữa hành trình và tốc độ thay đổi theo tải. Hiệu suất năng lượng thấp: phần lớn điện năng của máy nén biến thành nhiệt, chỉ khoảng 10% còn lại là năng lượng khí hữu ích (nhiều nguồn ước tính, tham khảo). Rò rỉ ở hệ thống không bảo trì có thể chiếm 20–30% công suất máy nén (tham khảo), và ồn khi xả khí cũng là vấn đề.
| Tiêu chí | Khí nén | Điện (động cơ, xi lanh điện) | Thủy lực |
|---|---|---|---|
| Lực | Trung bình; ở 6 bar xi lanh Ø50 cho khoảng 1,2 kN | Trung bình tới cao tùy hộp số | Rất lớn; ở 160 bar cùng Ø50 cho khoảng 31 kN |
| Tốc độ | Nhanh; xi lanh tiêu chuẩn thường 0,05–1 m/s | Nhanh tới trung bình | Chậm tới trung bình |
| Chính xác vị trí | Thấp (khí nén co giãn), cần phụ kiện để định vị | Cao, điều khiển bằng servo | Khá, cần van tỷ lệ hoặc servo |
| Chi phí năng lượng | Cao nhất tính trên mỗi đơn vị công | Thấp nhất | Trung bình |
| An toàn cháy nổ | Tốt, không tia lửa | Cần thiết bị chống cháy nổ riêng | Rủi ro cháy dầu, rò dầu |
| Độ sạch | Sạch nếu khí được xử lý | Sạch | Có nguy cơ rò dầu |
Kết luận khi chọn: dùng khí nén cho các thao tác kẹp, đẩy, gắp, đóng mở trong dải lực dưới vài kN; dùng điện khi cần định vị chính xác hoặc chạy liên tục hiệu quả; dùng thủy lực khi cần lực rất lớn trên kích thước nhỏ.
Ứng dụng của hệ thống khí nén trong nhà máy
Hệ thống khí nén hiện diện ở hầu hết dây chuyền tự động. Trong lắp ráp và đóng gói, xi lanh và kẹp khí thực hiện gắp, đẩy, ép; trong gia công, khí nén thổi phoi, cấp khí cho dụng cụ cầm tay như súng vặn ốc, máy mài; trong ngành thực phẩm và dược, khí nén đã xử lý đạt cấp sạch dùng để vận chuyển và đóng nắp.
Một ứng dụng lớn khác là đóng mở van công nghiệp từ xa. Với van điều khiển khí nén (van bi, van bướm), bộ truyền động khí xoay trục van 90° trong vài giây, nhanh và an toàn trong môi trường có chất cháy, nơi motor điện cần thiết bị chống nổ đắt tiền. Với bộ truyền động tác động đơn (lò xo hồi), lò xo còn đưa van về vị trí an toàn khi mất khí.
Ngoài ra khí nén còn dùng để phun sơn, thổi chai, vận chuyển bột bằng khí và làm sạch bề mặt. Ở mỗi ứng dụng, yêu cầu về áp, lưu lượng và độ sạch khác nhau, nên cùng một nhà máy có thể có nhiều cấp xử lý khí từ phòng máy đến điểm dùng.
Vận hành và bảo trì hệ thống khí nén
Bảo trì hệ thống khí nén gồm hai việc: giữ khí sạch và khô, và phát hiện rò rỉ sớm. Lịch bảo trì định kỳ toàn hệ chia hạng mục theo ngày, tuần, tháng; dưới đây là các việc có ảnh hưởng lớn nhất.
- Hằng ngày: xả nước bình chứa và các điểm thấp, nghe và kiểm tra áp suất, nhiệt độ máy nén.
- Hằng tuần: kiểm tra van xả tự động, nhìn mức dầu và ruột lọc có bị bẩn hay không.
- Theo giờ chạy: thay dầu, lọc gió, lọc dầu và tách dầu theo khuyến cáo của hãng máy nén.
- Theo quý hoặc năm: kiểm tra van an toàn, đồng hồ áp, thay phần tử lọc và kiểm định bình chịu áp theo quy định hiện hành.
Rò rỉ là nơi hệ thống khí nén mất năng lượng lớn nhất. Cách phát hiện đơn giản là đo thời gian máy nén chạy tải khi toàn bộ thiết bị đã dừng: nếu máy vẫn chạy tải thường xuyên thì hệ thống đang rò. Dò bằng nước xà phòng hoặc thiết bị siêu âm, rồi sửa theo thứ tự lỗ rò lớn nhất. Một hệ thống khí nén được bảo trì tốt có thể giảm rò rỉ xuống dưới 10% (tham khảo).
Cuối cùng, mỗi lần thêm thiết bị vào hệ thống khí nén, cần kiểm tra lại lưu lượng và sụt áp: nhiều hệ thống hỏng vì được mở rộng dần mà không tính lại ống và máy nén.
Viva hỗ trợ tư vấn cấu hình và báo giá thiết bị cho hệ thống khí nén theo thông số cụ thể của khách: lưu lượng, áp suất, cấp chất lượng khí và mặt bằng lắp đặt. Văn phòng Hà Nội: Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội.
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Câu hỏi thường gặp về hệ thống khí nén
Hệ thống khí nén gồm những thiết bị nào?
Gồm bốn khối: tạo khí (máy nén, bình chứa), xử lý khí (máy sấy, bộ lọc, tách nước), điều khiển (van hướng, van áp, van lưu lượng, FRL) và chấp hành (xi lanh, động cơ khí, kẹp khí). Giữa các khối là đường ống chính, nhánh và ống mềm. Thiếu khối xử lý là nguyên nhân phổ biến khiến van và xi lanh nhanh hỏng.
Áp suất làm việc tiêu chuẩn của hệ thống khí nén là bao nhiêu?
Phổ biến là 6–7 bar tại thiết bị cuối; máy nén thường đặt quanh 7,5–8,5 bar để bù sụt áp qua máy sấy, lọc, ống và dải đóng/ngắt tải. Không có một con số bắt buộc cho mọi hệ thống: áp phải theo thiết bị cần áp cao nhất, cộng sụt áp. Nâng áp không cần thiết sẽ làm tăng điện năng và rò rỉ.
Vì sao hệ thống khí nén bị đọng nước trong đường ống?
Khí nén sau máy nén bão hòa hơi nước; khi nguội trong ống, hơi nước ngưng thành giọt. Nguyên nhân thường gặp: không có máy sấy, máy sấy có điểm sương cao hơn nhiệt độ ống, ống không dốc về điểm xả, hoặc nhánh không lấy từ đỉnh ống chính. Xử lý bằng sấy đúng điểm sương và lắp van xả ở điểm thấp.
Một hệ thống khí nén hao điện chủ yếu ở đâu?
Phần lớn nằm ở chính việc nén khí vì hầu hết điện năng biến thành nhiệt, tiếp theo là rò rỉ (20–30% ở hệ thống không bảo trì, tham khảo), áp cài đặt cao hơn mức cần và sụt áp do ống nhỏ hoặc lọc bẩn. Dò rò rỉ và hạ áp hợp lý thường cho hiệu quả tiết kiệm nhanh nhất.
Khi nào nên dùng khí nén thay cho điện hoặc thủy lực?
Khi cần chuyển động tịnh tiến nhanh với lực dưới vài kN, thao tác kẹp, đẩy, gắp lặp lại nhiều, hoặc làm việc ở khu vực dễ cháy nổ. Nếu cần định vị chính xác thì chọn điện servo, còn lực hàng chục kN trên kích thước nhỏ thì thủy lực phù hợp hơn.
