Ống khí nén được làm từ vật liệu có cơ tính ” yếu” hơn ống thủy lực rất nhiều. Bên cạnh việc biết cách lựa chọn ống khí nén có tuổi thọ và độ bền cao, anh em cần lưu ý lựa chọn ống khí nén với kích thước và vật liệu sao cho chuẩn. Lựa chọn kích thước với sai số lớn sẽ làm tiêu hao đi năng lượng của khí nén và sinh nhiệt cho hệ thống. Trong bài ngày hôm nay, mình sẽ giúp các bạn lựa chọn ống khí nén chuẩn, vừa đúng theo yêu cầu thiết kế lại không lãng phí kinh tế. Let’ go !!!
1. Vì sao cần tính toán tính toán đường ống khí nén chuẩn
Vấn đề 1, vì sao cần tính toán đường ống khí nén chuẩn ? Anh em ai cũng có câu trả lời trong suy nghĩ rồi phải không nào. Chuẩn thì chạy tốt, hoạt động đúng thiết kế, yêu cầu, ít hỏng hóc, ít sự cố …. bla … bla
Tất nhiên, những cái đó quá tầm thường, mình không đi sâu vào phần này. Mục đích chính của phần này ,mình muốn giải thích một cách khoa học theo lí thuyết mà các ” ông tổ” nghề thủy lực khí nén đã sáng tạo ra và đã được ứng dụng thành công ở các nước tiên tiến. Sau phần này, mọi người sẽ biết cách chọn kích thước đường ống khí nén một cách hiệu quả nhất.
1.1 Hệ truyền động khí nén có ưu nhược điểm gì ?
ống khí nén
Đầu tiên ,mình muốn các bạn hiểu được, nắm được là tại sao người ta dùng hệ truyền động khí nén mà không phải hệ truyền động thủy lực, hệ truyền động điện, hệ truyền động cơ khí. Trong thực tế, bất kì một ứng dụng nào cũng thuộc 1 trong 4 loại hệ truyền động bên trên. Mỗi loại đều có ưu nhược điểm riêng. Dưới đây là ưu nhược điểm của hệ truyền động khí nén trong công nghiệp.
Ưu điểm của hệ truyền động khí nén
- Tác động nhanh. Hệ truyền động khí nén với đặc tính không khí nén dự trữ một lượng năng lượng lớn, khi giãn nở sinh công, cơ cấu chấp hành như xi lanh khí nén sẽ nhanh chóng đạt được tốc độ rất cao. Chẳng những vậy mà rô bốt, đặc biệt là cửa xe bus lên xuống, thường người ta dùng hệ thống xi lanh khí nén.
Xi lanh khí nén tác động nhanh
- Dễ dàng trong tạo chuyển động tịnh tiến. Cùng với thủy lực, hệ thống xi lanh khí nén có ưu điểm vượt trội mà các hệ truyền động khác không có được đó là dễ dàng tạo chuyển động tịnh tiến, tiến lùi. Hệ truyền động điện ngày nay với sự phát triển của công nghệ, đã có thể dễ dàng tạo chuyển động thẳng nhưng chi phí cao hơn nên xi lanh khí nén vẫn được sử dụng nhiều trong công nghiệp
ống khí nén dễ tạo chuyển động tịnh tiến
- Sạch. Đây là ưu điểm của hệ truyền động khí nén. Không giống như hệ truyền động thủy lực hay cơ khí, hệ truyền động điện và hệ truyền động khí nén đảm bảo được độ sạch cao và tỏ ra vượt trội trong những ứng dụng trong các lĩnh vực như công nghiệp chất bán dẫn, y tế, vũ trụ hay nghiên cứu các chất hóa học. Ở các khu công nghiệp hay bệnh viện, luôn có những phòng sạch hay siêu sạch được đánh giá như phòng sạch CR100, phòng sạch CR1000…
ống khí nén trong phòng sạch CR 100
- Không gây cháy nổ. Đây lại là một ưu điểm mà hệ truyền động khí nén đánh bại được đối thủ điện vốn rất tiện dụng. Trong các ứng dụng như lò hơi, khí gas, khai thác dầu mỏ, hay các trạm xăng dầu, tia lửa điện là điều cấm kỵ. Hệ thống điện không được sử dụng nhằm hạn chế tối đa tia lửa điện. Hệ truyền động khí nén và thủy lực thường được sử dụng trong những ứng dụng này
Hệ thống khí nén được sử dụng tại những nơi cấm tia lửa điện
- Rẻ. Với đặc điểm là, hệ truyền động khí nén luôn làm việc với áp suất thấp hơn thủy lực rất nhiều. Thông thường, áp suất trong hệ thống khí nén làm việc xấp xỉ 8 bar, và với áp lực đó, các thiết bị trong hệ thống khí nén thường không đòi hỏi chất lượng, cơ tính vật liệu gì đặc biệt. Môi chất truyền động là không khí bên ngoài. Các thiết bị khí nén cũng từ đó rẻ hơn rất nhiều so với hệ thống thủy lực
- Có khả năng chịu quá tải cực tốt. Không khí chịu nén rất tốt. Vì thế trong các sự cố, thời gian chịu quá tải của hệ thống dài hơn so với các hệ truyền động khác. Điều này mang lại lợi ích về đảm bảo độ an toàn, đảm bảo sự hư hỏng của hệ thống ở mức thấp.
- Dễ dàng tích trữ năng lượng trong một đơn vị nhỏ. Đây là một ưu điểm lớn của hệ thống khí nén. Tại những nơi không có điện, các bình tích năng không khí là sự lựa chọn tốt nhất cho hệ truyền động của bạn.
Nhược điểm của hệ truyền động khí nén
- Lực tác động tạo ra nhỏ. Khí nén với áp suất thấp, khi sinh công ,tạo ra lực nhỏ.
- Vận tốc dễ bị thay đổi khi tải trọng thay đổi nên rất khó điều khiển
- Khí thải trực tiếp ra ngoài nên gây ồn
1.2 Tổn hao năng lượng trong đường ống khí nén
Ở phần trên, mình đã trình bày ưu nhược điểm của hệ truyền động khí nén. Mình muốn các bạn tập trung nhiều hơn vào ưu điểm tạo ra vận tốc nhanh vì đây là đặc điểm mà hệ truyền động khí nén hay được sử dụng trong các nhà máy, cũng chính là mục đích của bài viết ngày hôm nay vì sao cần lựa chọn ống khí nén chuẩn.
Tổn hao năng lượng qua các phần tử trong hệ thống khí nén
Các bạn biết rằng, trong đường ống khí, tương tự như đường ống dầu thủy lực, luôn tồn tại các lớp không khí chuyển động. Các lớp không khí này chuyển động liên tục từ bình tích năng, từ máy nén khí di chuyển khắp các đường ống, qua các thiết bị điều chỉnh, điều khiển như van phân phối khí nén, van một chiều khí nén, van AND van OR khí nén … đến cơ cấu chấp hành là xi lanh khí nén để sinh công.
Trong quá trình di chuyển ấy, các lớp không khí sẽ trượt lên nhau. Không những vậy, các lớp không khí còn ma sát với cả thành ống. Tại các góc khuỷu, các cút nối, bộ chia xảy ra hiện tượng ngoặt dòng, các lớp không khí này bị tổn thất nặng nề.
Tổn thất ở đây chính là tổn thất năng lượng các bạn ạ. Khi ma sát, khi ngoặt dòng, năng lượng dòng khí nén sẽ bị tổn thất và trên một quãng đường dài, năng lượng của khí nén tổn hao đáng kể. Chính vì vậy, cần phải tính toán và chọn lựa đường ống dẫn khí nén thật chuẩn để hạn chế tổn thất năng lượng.
Tổn thất năng lượng trong bất kì 1 hệ thống khí nén nào đều được chia ra làm 2 loại tổn thất: tổn thất cục bộ và tổn thất dọc đường trong ống dẫn khí nén. Phần dưới đây mình sẽ trình bày rõ hơn cho các bạn.
1.2.1 Tổn thất dọc đường trong ống dẫn khí nén
Đây là loại tổn thất không tránh khỏi khi truyền khí nén. Tương tự như điện năng khi truyền đi xa có hiện tượng tỏa nhiệt, khí nén cũng bị tổn hao do ma sát sinh nhiệt. Thành ống khí nén, các lớp không khí nén với nhau khi chuyển động sẽ sinh ma sát tạo thành nhiệt.
Vận tốc bị giảm tại ma sát với thành ống dẫn
Năng lượng không tự nhiên sinh ra, và cũng không tự nhiên mất đi. Nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng năng lượng khác. Đây là định luật năng lượng bất biến. Năng lượng của khí nén bị mất đi khi ma sát sinh nhiệt, từ đó gây lãng phí năng lượng.
Công thức tính tổn thất áp suất của khí nén khi di chuyển dọc đường là:
Δ p = ( chiều dài đường ống khí nén x ρ x vận tốc bình phương )/ ( 2 x đường kính ống khí nén)
Nhìn vào công thức, ta thấy rằng, với đường ống khí nén càng dài, vận tốc chuyển động của không khí càng lớn thì tổn thất áp suất qua ống khí nén càng lớn. Nhờ có công thức này mà người ta biết phải tính toán, thiết kế hay lựa chọn ống dẫn khí nén trong hệ thống khí máy nhà máy như thế nào để giảm tối thiểu khả năng tổn hao công suất.
Nhìn vào phương trình trên, đường kính ống khí nén là một đại lượng nghịch với sự tổn hao năng lượng dọc đường ống khí nén. Đường kính ống khí nén càng lớn, tổn hao năng lượng càng nhỏ. Điều này cũng dễ hiểu ví như đường rộng thì đi ít va chạm nên dễ đi hơn rất nhiều
1.2.2 Tổn thất áp suất khi tiết diện ống khí nén thay đổi
Trong quá trình thiết kế đường ống khí nén, có rất nhiều kĩ sư, thợ lắp dùng cút nối ống khí nén với đường kính to nhỏ khác thường. Điều này làm tổn thất áp suất trong hệ thống.
Công thức tính tổn hao do thay đổi thiết diện ống được trình bày dưới đây
Công thức tính tổn thất trong ống dẫn khí nén
Trong công thức trên, chúng ta thấy, tổn thất áp suất trong ống dẫn khí nén đều tỉ lệ thuận với bình phương vận tốc dòng chảy. Mình sẽ nêu thêm một vài dạng tổn thất trong ống dẫn khí nén rồi sẽ phân tích cho các bạn biết ảnh hưởng của vận tốc đến tổn thất áp suất.
1.2.3 Tổn thất áp suất khi tách dòng do tách ống khí nén
Giả sử thế này, khi anh em thiết kế đường ống khí nén, ống thẳng. Đến một chỗ nào đấy, anh em cần chia làm 2 dòng khí nén để phục vụ cho việc sử dụng cho các mục đích khác nhau. Tại chỗ tách dòng ống khí nén, tổn thất áp suất được xác định theo công thức:
Công thức tính tổn thất áp suất trong ống dẫn khi tách dòng
anh em nhìn lên công thức bên trên ,công thức đầu tiên là tổn thất của ống sau khi tách dòng nhưng vẫn là ống thẳng. Công thức thứ hai là công thức của ống sau khi tách dòng và hợp với ống thẳng ban đầu một góc alpha. Nói chung, tại nơi tách ống khí nén, tổn thất áp suất sẽ diễn ra.
1.2.4 Tổn thất áp khí nén hợp dòng ống khí nén
Không chỉ khi tách dòng ống khí nén mà ngay cả khi hợp dòng ống khí nén cũng xảy ra hiện tượng tổn thất áp suất.
Công thức tính đường kính ống khí nén hợp dòng
Trên đây là một vài tổn thất áp suất khí nén trong ống dẫn khí. Mình chỉ nêu ra một vài trường hợp để các bạn có thể thấy được rằng, tổn thất áp suất trong ống dẫn khí nén đều tỉ lệ với bình phương vận tốc trong ống khí.
Chính vì vậy, dựa vào các công thức trên, người ta thường khống chế vận tốc ống dẫn khí nén ở một ngưỡng nào đó, để có thể hạn chế tối đa tổn thất áp suất. Tuy nhiên, nếu như vận tốc nhỏ, lại xảy ra hiện tượng, ống dẫn khí nén lại to, đẩy bài toán kinh tế lên cao.
Việc cân đối bài toán kinh tế và tổn thất năng lượng là việc của những nhà thiết kế. Bằng những thí nghiệm thực tế, các nhà khoa học ngành thủy khí, đã đưa ra mức vận tốc mà ở đó, mọi yếu tố đều hài hòa. Vận tốc dòng khí nén trong ống thường từ 10 tới 17 m/s.
1.2 Hướng dẫn tính toán, lựa chọn đường kính ống khí nén
Đây là một bài toán không hề dễ dàng đối với những anh em biết tới các công thức tính khoa học. Hầu hết các anh em lựa chọn ống khí nén thường dựa vào ống khí nén cũ của máy. Sau đây, mình sẽ chỉ cho anh em công thức tính toán đường ống khí nén chuẩn.
Lưu lượng = vận tốc x pi x đường kính ống khí nén bình phương / 4
Trong đó, lưu lượng chính là lưu lượng khí mà xi lanh khí nén cần. Đơn vị m3/s. Lưu lượng này lấy ở đâu thì anh em tham khảo bài viết sau nhé.
Vận tốc là vận tốc của dòng không khí nén trong ống khí nén. Giá trị này thường lấy theo kinh nghiệm của các nhà nghiên cứu thủy khí. V = 10 – 17 m/s
Thế là chúng ta có thể thay vào công thức để lựa chọn được đường kính ống khí nén tối ưu nhất rồi. Một điều cần lưu ý là, sau khi tính ra kết quả, anh em không thể mua ống khí nén với đường kính lẻ hay không theo quy chuẩn. Các hãng sản xuất luôn đưa ra thị trường các ống khí nén với đường kính tiêu chuẩn. Vì vậy, anh em chỉ có thể mua ống khí nén với đường kính tiêu chuẩn dưới đâ.
Theo hệ mét, có các đường kính ống khí nén tiêu chuẩn như ống khí nén phi 2, ống khí nén phi 3, ống khí nén phi 4, ống khí nén phi 6, ống khí nén phi 8, ống khí nén phi 10, ống khí nén phi 12, đống khí nén phi 14, ống khí nén phi 15, ống khí nén phi 16, ống khí nén phi 18, ống khí nén phi 20, ống khí nén phi 22, ống khí nén phi 25 …
Theo hệ inch, có các đường kính ống khí nén tiêu chuẩn như ống khí nén phi 1/16, ống khí nén phi 1/8, ống khí nén phi 3/16, ống khí nén phi 1/4, ống khí nén phi 5/16, ống khí nén phi 3/8, ống khí nén phi 1/2, ống khí nén phi 5/8, ống khí nén phi 3/4, ống khí nén phi 7/8, ống khí nén phi 1…
Xong, vậy là anh em đã biết cách chọn lựa đường kính ống khí nén cho hệ thống của mình. Phần tiếp theo, mình sẽ giới thiệu cho anh em biết một số loại ống khí nén và ưu nhược điểm của các loại ống khí nén.
Let’ s go !!!
2. Các loại ống khí nén thường dùng
2.1 Ống khí nén Polyurethane
ống khí nén PU
Loại ống khí nén này có dải nhiệt độ là khoảng từ – 20 độ C tới 70 độ C. Khoảng nhiệt độ này đối với những ứng dụng bình thường là có thể đáp ứng được hầu hết. Dải áp suất của loại ống khí nén này rơi vào khoảng 12 bar, trong khi áp suất khí nén thông thường hoạt động là 8 bar.
Các loại ống khí nén Polyurethane Esher(PU) (52 shore D), Polyurethane Ether(PU) (52 shore D), Polyurethane Ether food-grade crystal (52 shore D) là các dạng của ống khí nén Polyurethane.
Trên thị trường hiện có các loại ống khí nén Polyurethane màu đen, màu xanh da trời, ống khí nén màu xanh lá cây, màu xám hay ống khí nén màu vàng.
ống khí nén PU đa dạng màu sắc
Ống khí nén polyurethane hay người ta còn gọi tắt là ống khí nén PU, là sự kết hợp ưu điểm của cả ống khí nén nhựa và cao su. Polyurethane có đặc điểm là độ bền cao, chống mài mòn, rách nứt, độ bền kéo và giãn tốt.
Với khả năng trơ với các tác nhân từ môi trường như: thời tiết, sự oxi hóa, hóa chất vô cơ và hữu cơ. Bên cạnh đó là khả năng chống chịu được mài mòn tốt hơn hẳn các loại cao su thông thường. Những điều trên khiến cho PU được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp hiện nay chứ không riêng gì ống khí nén.
Đặc điểm đáng chú ý là, ống khí nén polyurethane có khả năng uốn cong không giới hạn, điều này rất tiện cho những ứng dụng có không gian trật hẹp mà không lo hư hỏng ống.
Ống khí nén polyurethane không bám dính dầu, mỡ, chất béo và các dung môi hữu cơ. Điều này rất có lợi cho những ứng dụng cần bôi trơn làm mát bằng dầu.
2.2 Ống khí nén PVC
PVC được dùng làm ống dẫn nước, xăng dầu và khí ở nhiệt độ không quá 60o
ống dẫn khí nén PVC
Với nhiệt độ như vậy, PVC đáp ứng được tất cả các ứng dụng khí nén vì hầu hết trong các hệ thống khí nén, nhiệt độ đều thấp hơn ngưỡng cho phép này. Mặc dù tại ống xy lanh khí nén, do ma sát giữa piston và ống xy lanh sinh nhiệt, nhưng do có dầu bôi trơn và làm mát, khí thoát ra ngoài môi trường cũng giúp giảm nhiệt rất nhiều, nên nhiệt độ luôn ổn định ở mức thấp.
Ống polyvinyl clorua (PVC) nhẹ và thường linh hoạt hơn nylon và polyetylen, có khả năng kháng hóa chất tốt. Nó phù hợp cho các ứng dụng y tế và áp suất thấp vì nó là vật liệu sạch mà có thể khử trùng nhiều lần không lo hư hại ống. Chính vì thế, ống khí nén PVC thường được dùng trong các ứng dụng y tế, bệnh viện.
2.3 Ống khí nén Nylon
ống dẫn khí nén Nylon
Đây là loại ống khí nén có dải nhiệt động chịu nhiệt tốt từ -40 độ C tới 200 độ C. Áp suất chịu áp là 150 PSI xấp xỉ khoảng 10 bar, là dải áp suất an toàn trong các hệ thống khí nén. Hiện nay trên thị trường có các loại ống khí nén nylon màu đen, ống khí nén màu xanh da trời, ống khí nén màu xanh lá cây, ống khí nén màu nâu, ống khí nén màu cam, ống khí nén màu vàng …
Nylon được sử dụng làm vật liệu cho ống vì nó tương đối nhẹ, nhưng ổn định về kích thước và độ bền. Chúng rất nhẹ và cực kì bền, khả năng chống ăn mòn cao, mài mòn tốt.
Ống khí nén làm từ nylon có đặc tính đàn hồi cao, chịu gấp tốt trong thời gian dài mà không bị gãy. Với những ứng dụng đòi hỏi sự linh hoạt gấp cuộn ống sau khi sử dụng, ống nylon là sự lựa chọn hoàn hảo.
2.4 Ống khí nén Polyetylen
ống khí nén PE
Ống khí nén Polyetylen có nhiệt động nóng chảy khoảng 120 độ C. Đây là ngưỡng nóng chảy cao trong hệ thống khí nén, nó đáp ứng được mọi yêu cầu về độ bền nhiệt của ống khí nén. Anh em có thể thoải mái dùng mà không lo bị nhiệt làm biến dạng ống khí nén. Nên nhớ rằng, phớt thủy lực với điều kiện làm việc khắc nghiệt nhất trong hệ thống thủy lực khí nén, cũng thường chỉ có giới hạn nhiệt là 100 độ C, trừ loại gioăng phớt thủy lực hoạt động ở trong các lò hơi, xưởng đúc.
Polyetylen là một loại nhựa nhiệt dẻo có cấu trúc tinh thể thay đổi và phạm vi ứng dụng cực kỳ lớn tùy thuộc vào loại cụ thể. Đây là một trong những loại nhựa được sản xuất rộng rãi nhất trên thế giới. Ưu điểm của ống khí nén polyetylen là rất rẻ tiền, chi phí thấp.
2.5 Ống khí nén polypropylen
đường ống khí nén PP
Đây là loại ống khí nén có khối lượng riêng nhẹ. Loại ống khí nén này được khuyến cáo chỉ dùng trong những hệ thống có áp suất khí nén thấp khoảng 150 PSI tương đương 10 bar. Nhiệt độ cũng không cao lắm, khoảng 72 độ F.
Các loại ống khí nén polypropylen có sẵn trên thị trường nhiều màu như ống khí nén polypropylen màu xanh, màu đen, màu vàng…
2.6 Ống khí nén Poliamide( PA) ống linh hoạt
ống dẫn khí nén PA
Đây là loại ống có dải áp suất chịu làm việc rất cao, áp suất max của ống khí nén PA là khoảng 50 tới 58 bar. Dải nhiệt độ làm việc khoảng – 40 độ C tới 200 độ C. Có thể thấy rằng, loại ống khí nén PA này có đặc tính nổi trội hơn các loại ống khí nén thông thường.
Loại ống khí nén PA có màu đỏ, không màu, ống khí nén PA màu xanh ,màu xám hay màu vàng.
3. Ống khí nén chịu áp suất cao
ống dẫn khí nén thép áp suất cao
Trong tất cả các bài viết của mình, mình thường nêu ra cho các bạn, áp suất mà khí nén thường làm việc trong các hệ thống là 8 bar. Tuy nhiên, đối với hệ thống test rò rỉ khí nén, các hệ thống nâng đẩy cần lực lớn mà đường kính xi lanh khí nén không thể thay đổi, người ta hoàn toàn có thể dùng các đường ống khí nén có áp suất cao hơn, thậm trí cao hơn rất nhiều.
Các thiết bị nén khi sản xuất ra, trước khi mang giao hàng, hay đưa ra thị trường, trong tất cả trường hợp, đều phải được kiểm tra áp suất. Phải test dưới áp suất cao để kiểm tra độ bền phá hủy. Áp suất kiểm tra độ bền mà công nghệ hiện tại đang dùng rơi vào khoảng 1000 bar. Thật là khủng khiếp.
Các thiết bị khí nén khi lắp ráp, trước khi đi vào sử dụng, đều được test kiểm tra rò rỉ khí nén. Áp suất thông thường dùng để test cũng thường rơi vào khoảng 20 bar.
Với áp suất như vậy, thì không mộ loại ống khí nén thông thường nào có thể chịu được. Lúc này, phương án thay thế chính là dùng kim loại với cơ tính cao, độ dày lớn. 1000 bar là công nghệ hiện tại mà các công ty Nhật đang dùng để test độ bền của đường ống và các linh kiện khí nén như cút nối khí nén, đai ốc khí nén.
Trong những ứng dụng áp suất khí nén cao, đòi hỏi áp suất của máy nén khí cũng phải tạo ra áp suất lớn tương tự. 1000 bar là con số thật quá khủng khiếp, và các bạn có thể tưởng tượng, nếu bình tích khí 1000 bar nổ, thì sẽ như thế nào, không khác gì một trái bom.
Về đề tài này, mình sẽ trở lại với các bạn trong một bài khác để phân tích kĩ hơn cho các bạn về sự nguy hiểm của khí nén. Hi vọng bài viết này giúp ích cho các bạn nhiều.
Bên mình chuyên cung cấp các loại ống khí nén Hàn quốc, Trung Quốc, Nhật Bản, Thái Lan. Anh em ủng hộ thì liên hệ nhé.
Còn chần chừ gì nữa mà không gọi ngay cho chúng tôi để có được sự hài lòng nhất. Với đội ngũ tiến sĩ kỹ sư trẻ năng động trong và ngoài nước trên 5 năm kinh nghiệm hi vọng sẽ mang lại sự lựa chọn tốt nhất cho khách hàng.
Sự cố của các bạn là trách nhiệm của chúng tôi! Gọi ngay đi!
