Nguyên lý làm việc máy nén piston: chu trình lý thuyết và thực

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.

Chu trình làm việc của máy nén lý thuyết

Máy nén lý thuyết (hay còn gọi máy nén lý tưởng), là không có tổn hao về năng lượng và thể tích trong quá trình làm việc. Cụ thể:

• Tổn hao về thể tích: là phần thể tích piston vẽ ra không được sử dụng hết vì nhiều lý do khác nhau. Hay nói cách khác là chỉ một phần lớn thể tích do piston vẽ ra được sử dụng để hút hơi môi chất từ dàn bay hơi về.
• Tổn hao năng lượng là: 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.

Piston chuyển động qua lại (trục khuỷu quay được một vòng). Trong xilanh làm thay đổi thể tích giới hạn bởi xilanh và bề mặt piston tạo nên quá trình hút – nén – đẩy hơi môi chất ra.

Khi piston chuyển động từ điểm D đến điểm A (điểm D gọi là điểm chết trái, và điểm A gọi là chết phải, điểm piston thay đổi hướng chuyển động thể tích từ 0 tiến đến V_max, van hút mở ra để hơi môi chất đi vào xilanh.

Khi piston đạt đến điểm A quá trình hút kết thúc. Piston chuyển động ngược lại, thể tích giảm dần. Quá trình piston đi từ A đến B là quá trình nén môi chất, lúc này van hút và nén đều đóng.

Tại B áp suất nén trong xilanh đạt đến áp suất đẩy, van nén mở ra để piston tiếp tục hành trình đi tiếp để đẩy môi chất vào khoang nén với áp suất không đổi p_c.

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 là quá trình:

• Đẳng nhiệt: nếu số mũ đa biến n = 1
• Đa biến: với 1 < n < k (k là số mũ đoạn nhiệt)
• Đoạn nhiệt: n = k

Khi nén với tốc độ chậm và làm mát hoàn hảo, người ta có thể thực hiện được quá trình nén đẳng nhiệt, có công tiêu hao cho quá trình là nhỏ nhất.

Quá trình nén môi chất lạnh trong máy nén piston xảy ra rất nhanh, số vòng quay trục khuỷu có khi đạt đến 3600 vòng/phút (60 vòng/s) với tần số lưới điện 60Hz, nên người ta xem quá trình nén môi chất lạnh là đoạn nhiệt, có nghĩa là không có sự trao đổi nhiệt giữa môi chất và thành xilanh cũng như với môi trường.

Năng suất lạnh của máy nén lý thuyết: Q_o = V_h.q_v = V_h/v . q_o (kcal/h).

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 V_c (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.

Quá trình hút chậm trễ và thể tích hút bị giảm đi một khoảng đúng bằng thể tích dẫn nở V_d. V_d không phải cố định mà nó phụ thuộc vào áp suất nén (cũng như áp suất hút). Cụ thể nếu V_đẩy tăng thì V_d 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.

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 = λ_c . λ_r . λ_w . λ_tl . λ_k .

Trong đó:

• λ_c tổn thất do thể tích không gian chết
• λ_r tổn thất do môi chất lọt từ khoang nén sang khoang hút
• λ_w tổn thất do môi chất bị nung nóng khi hút vào xilanh
• λ_tl tổn thất do van hút đóng không kín
• λ_k tổn thất khác.

Năng suất lạnh của máy nén thực: Q_oth = Q_o . 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: ∆t_qn = 5 ÷ 10^oC
• Đối với Freon: ∆t_qn = 25 ÷ 30^oC

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.