Nguyên lý làm việc của máy nén piston

Nghiên cứu quá trình làm việc của máy nén piston nói riêng và các loại máy nén nói chung, nhằm mục đích xác định năng suất nén và công tiêu hao. Theo nghiên cứu về nhiệt động, kết quả nghiên cứu về quá trình nén của máy nén piston không những có thể áp dụng cho những loại máy nén thể tích khác, mà còn có thể áp dụng cho cả máy nén động học, vì quá trình làm việc của chúng tuy có khác nhau nhưng kết quả cuối cùng hoàn toàn giống nhau.

Lý thuyết chu trình làm việc của máy nén

Chu trình làm việc của máy nén lý tưởng 
Chu trình làm việc của máy nén lý tưởng

Máy nén lý thuyết (hay máy nén lý tưởng) là một mô hình lý tưởng không có tổn hao năng lượng và thể tích trong quá trình làm việc. Cụ thể, tổn hao được chia thành hai loại:

  • Tổn hao về thể tích: Là phần thể tích mà piston vẽ ra nhưng không được sử dụng hết. Điều này xảy ra do nhiều lý do khác nhau. Nói cách khác, chỉ một phần thể tích do piston tạo ra được sử dụng để hút hơi môi chất từ dàn bay hơi vào.
  • Tổn hao năng lượng: Chỉ một phần công phải chi phí cho máy nén lớn hơn công cần thiết tối thiểu để thực hiện quá trình hút, nén và đẩy môi chất.

Cấu tạo và hoạt động

Piston chuyển động qua lại trong xilanh (trục khuỷu quay một vòng). Khi piston di chuyển, thể tích trong xilanh thay đổi, tạo ra quá trình hút, nén và đẩy hơi môi chất ra ngoài.

  • Quá trình hút: Khi piston di chuyển từ điểm D (điểm chết trái) đến điểm A (điểm chết phải), thể tích trong xilanh tăng từ 0 đến Vmax. Trong giai đoạn này, van hút mở ra để hơi môi chất đi vào xilanh.
  • Kết thúc quá trình hút: Khi piston đạt đến điểm A, quá trình hút kết thúc. Piston bắt đầu di chuyển ngược lại, thể tích giảm dần. Quá trình piston di chuyển từ A đến B là quá trình nén môi chất, trong giai đoạn này, cả van hút và van nén đều đóng.
  • Quá trình nén: Tại điểm B, áp suất nén trong xilanh đạt đến áp suất đẩy. Van nén mở ra, cho phép piston tiếp tục hành trình và đẩy môi chất vào khoang nén với áp suất không đổi (pc).

Quá trình nén

Quá trình DA và BC không phải là quá trình nhiệt động vì hơi trong xilanh chỉ thay đổi về lượng chứ không thay đổi trạng thái. Quá trình nén AB có thể xảy ra dưới ba dạng:

  • Đẳng nhiệt: Nếu số mũ đa biến n = 1.
  • Đa biến: Với 1 < n < k (k là số mũ đoạn nhiệt).
  • Đoạn nhiệt: Nếu n = k.

Khi nén với tốc độ chậm và có hệ thống làm mát hoàn hảo, quá trình nén có thể thực hiện theo phương thức đẳng nhiệt, khi đó công tiêu hao là nhỏ nhất.

Trong thực tế, quá trình nén môi chất lạnh trong máy nén piston xảy ra rất nhanh, với số vòng quay trục khuỷu có thể đạt đến 3600 vòng/phút (60 vòng/s) tại tần số lưới điện 60Hz. Do đó, quá trình nén môi chất lạnh thường được xem là đoạn nhiệt, nghĩa là không có sự trao đổi nhiệt giữa môi chất, thành xilanh, và môi trường.

Năng suất lạnh của máy nén lý thuyết: Qo = Vh.qv = Vh/v.qo (kcal/h).

Trong đó:

  • Qo: Năng suất lạnh
  • Vh: Thể tích khí hút
  • qv: Năng suất thể tích
  • v: Thể tích cụ thể của hơi

Chu trình làm việc của máy nén thực

Máy nén lý tưởng trong thực tế không có bởi những lý do sau đây:

Tổn thất thứ nhất

Tổn thất lớn nhất phải kể đến trong quá trình nén thực là tổn thất thể tích Vc (thể tích chết) là thể tích không gian còn lại giữa xilanh và piston cũng như các không gian ở cửa van hút và nén.

Khi piston ở vị trí cao nhất, khi làm việc, toàn bộ máy nén, piston, xilanh nóng lên. Để đề phòng hỏng hóc do đỉnh piston chạm vào nắp xilanh do dãn nở nhiệt. Người ta phải chừa lại khe hở nhất định.

Đối với máy nén có tốc độ cao, không gian chết chiếm khoảng từ 3 đến 5% thể tích quét lý thuyết của piston. Do có thể tích chết nên hơi nén trong xi lanh không được đẩy ra hết. Khi piston chuyển động xuống hơi môi chất có áp suất cao trong thể tích chết dãn nở cho đến khi áp suất bằng áp suất hút. Thể tích giãn nở đó là thể tích tổn thất, vì quá mở muộn hơn so với lý thuyết khá nhiều.

Chu trình làm việc của máy nén thực
Chu trình làm việc của máy nén thực

Quá trình hút chậm trễ và thể tích hút bị giảm đi một khoảng đúng bằng thể tích dẫn nở Vd. Vd không phải cố định mà nó phụ thuộc vào áp suất nén (cũng như áp suất hút). Cụ thể nếu Vđẩy tăng thì Vd cũng tăng. DA là quá trình hút môi chất, AB quá trình nén, BC quá trình đẩy môi chất ra, CD quá trình môi chất nằm trong thể tích chết dãn nở.

 Biểu diễn quá trình làm việc do ảnh hưởng trở lực của van
Biểu diễn quá trình làm việc do ảnh hưởng trở lực của van
Biểu diễn quá trình làm việc do ảnh hưởng trở lực của van
Biểu diễn quá trình làm việc do ảnh hưởng trở lực của van

Tổn thất thứ hai

Tổn thất thứ hai phải kể đến là tổn thất do trở lực của van hút và van nén.

Do các van này làm việc hoàn toàn tự động do sự chênh lệch áp suất. Khi áp suất hai bên bằng nhau van ở trạng thái đóng, do sức đàn hồi hoặc do lò xo nén van chỉ mở khi có áp suất chênh lệch đủ lớn và đúng hướng. Chính vì vậy, thời điểm van mở muộn hơn so với lý thuyết khá nhiều.

Các tổn thất khác

Ngoài tổn thất thể tích và do trở lực, còn phải kể đến các tổn thất khác như tổn thất do môi chất bị nóng lên khi hút vào xilanh, tổn thất rò rỉ từ khoang nén sang khoang hút… mà ta không biểu diễn trên đồ thị được.

Để đánh giá các loại tổn thất kể trên người ta đưa ra hệ số tổn thất: λ (hay còn gọi hệ số nạp/hệ số cung cấp). Thực chất hệ số nạp λ là một hàm của tích các hệ số tổn thất. Bao gồm: λ = λc . λr . λw . λtl . λk .

Trong đó:

  • λc tổn thất do thể tích không gian chết
  • λr tổn thất do môi chất lọt từ khoang nén sang khoang hút
  • λw tổn thất do môi chất bị nung nóng khi hút vào xilanh
  • λtl tổn thất do van hút đóng không kín
  • λk tổn thất khác.

Năng suất lạnh của máy nén thực: Qoth = Qo . λ

Khi máy nén làm việc, nhiệt sinh ra do ma sát làm nóng piston và xilanh, xilanh còn bị nóng lên do nhiệt cuối quá trình nén môi chất. Thường khi hút môi chất lạnh có nhiệt độ thấp gần trạng thái bão hoà khô. Khi hút vào xilanh thành xilanh có nhiệt độ cao làm cho môi chất nóng lên, thể tích riêng tăng lên làm năng suất khối lượng của máy nén giảm. Tổn thất này còn cao hơn khi hút môi chất ẩm.

Vì vậy, thường cho máy nén hút hơi quá nhiệt.

  • Đối với NH3: ∆tqn = 5 ÷ 10oC
  • Đối với Freon: ∆tqn = 25 ÷ 30oC

Làm mát đầu xilanh thật tốt cũng là phương pháp giảm tổn thất do môi chất nóng lên khi hút. Môi chất NH3 có nhiệt độ cuối quá trình nén cao nên phải làm mát bằng nước trên đầu xilanh có áo nước làm mát liên tục. Còn Freon có nhiệt độ cuối quá trình nén không cao, nên có thể làm mát bằng không khí tự nhiên hay cưỡng bức.


*Nguồn tham khảo: Máy và thiết bị lạnh – Trần Danh Giang

Chia sẻ

Nguyên lý làm việc của máy nén piston

hoặc copy link

Mục lục

kho lạnh Bách Khoa Cảm ơn Quý khách đã quan tâm đến sản phẩm của chúng tôi. Đội ngũ tư vấn của công ty sẽ liên hệ đến Quý khách trong 24h tới

Thông tin liên hệ

Gửi