TẠI SAO MÁY NÉN KHÍ CẦN NÉN PHÂN CẤP?

Trong lĩnh vực máy nén khí, nhiều người biết rằng nén hai cấp thích hợp để tạo ra áp suất cao, trong khi nén một cấp lại phù hợp với nhu cầu lưu lượng lớn. Tuy nhiên, khi cần đạt áp suất làm việc cao, nén một cấp không chỉ kém hiệu quả mà đôi khi còn không khả thi. Khi đó, giải pháp là sử dụng nén phân cấp – tức là chia quá trình nén thành nhiều giai đoạn để khí được nén từ áp suất khí quyển đến áp suất mong muốn thông qua từng cấp riêng biệt.

1. Tiết kiệm điện năng
Nén nhiều cấp cho phép bố trí bộ làm mát trung gian giữa các giai đoạn. Sau khi nén ở cấp đầu tiên, khí được làm mát đẳng áp trước khi vào cấp tiếp theo. Việc giảm nhiệt độ giúp tăng mật độ khí, làm giảm công cần thiết để nén tiếp theo, từ đó tiết kiệm đáng kể điện năng so với nén một cấp. Về mặt lý thuyết, nén nhiều cấp càng gần với quá trình nén đẳng nhiệt (nén ở nhiệt độ không đổi), càng tiết kiệm năng lượng.

Lưu ý quan trọng:
Đối với máy nén trục vít phun dầu, quá trình nén đã tiệm cận quá trình đẳng nhiệt nhờ dầu làm mát trực tiếp. Tuy nhiên, nếu tiếp tục làm mát vượt mức đến điểm bão hòa, nước ngưng tụ có thể xuất hiện trong khí nén. Khi nước ngưng tụ đi vào bộ tách dầu-khí, nó sẽ gây nhũ hóa dầu làm mát, làm giảm hiệu quả bôi trơn và có thể dẫn đến hiện tượng dầu bị cuốn theo khí nén, gây ô nhiễm và hư hại hệ thống. Do đó, nhiệt độ trong buồng nén phải cao hơn nhiệt độ điểm sương để tránh hiện tượng này. Ví dụ, với áp suất xả 11 bar (A) và điểm ngưng tụ là 68°C, nếu nhiệt độ khí nén xuống dưới mức này, nước sẽ ngưng tụ. Điều này giới hạn khả năng áp dụng nén đẳng nhiệt trong máy nén trục vít phun dầu.

2. Tăng hiệu suất thể tích xi lanh
Trong thiết kế thực tế, xi lanh của máy nén luôn tồn tại thể tích khe hở – là khoảng không không thể loại bỏ giữa piston và nắp xi lanh. Phần khí còn lại trong thể tích này sau mỗi chu trình nén sẽ giãn nở trở lại áp suất hút trước khi chu trình mới bắt đầu, làm giảm thể tích khí nạp hiệu dụng.

Khi tỷ số nén quá lớn, khí còn lại trong thể tích khe hở giãn nở mạnh, làm giảm đáng kể lượng khí nạp vào. Trong trường hợp cực đoan, áp suất khí dư có thể không hạ thấp đến mức cho phép khí mới đi vào xi lanh, khiến chu trình nén bị gián đoạn hoàn toàn. Với nén nhiều cấp, tỷ số nén mỗi cấp được giảm nhỏ, giúp khí còn lại dễ dàng giãn nở đến áp suất hút. Nhờ đó, thể tích khí nạp hiệu dụng được tăng lên, cải thiện hiệu suất làm việc của xi lanh.

3. Giảm nhiệt độ khí xả
Nhiệt độ khí xả tỷ lệ thuận với tỷ số nén. Khi nén một cấp với tỷ số cao, nhiệt độ khí sau nén có thể vượt quá giới hạn cho phép. Trong máy nén sử dụng dầu bôi trơn, nhiệt độ cao sẽ làm giảm độ nhớt dầu, tăng khả năng mài mòn, hình thành cặn carbon trên van và xi lanh, thậm chí gây nổ. Do đó, cần giới hạn nhiệt độ xả, và giải pháp là chia nhỏ quá trình nén thông qua nhiều cấp.

Lưu ý:
Nén phân cấp giúp giảm nhiệt độ khí xả và tiến gần đến quá trình nén đẳng nhiệt, tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, điều này không phải luôn cần thiết. Với máy nén trục vít phun dầu áp suất dưới 13 bar, quá trình nén đã được làm mát hiệu quả bằng dầu phun, nên không cần thêm cấp nén. Nếu cố tình bổ sung nén phân cấp, hệ thống sẽ trở nên phức tạp, tăng chi phí sản xuất, tổn hao áp suất và tiêu thụ điện năng – đôi khi phản tác dụng. Ngoài ra, làm mát quá mức sẽ tạo nước ngưng tụ, làm suy giảm hiệu quả hệ thống.

4. Giảm lực tác dụng lên piston
Ở máy nén piston, khi nén một cấp với áp suất cao, cần dùng piston đường kính lớn, khiến lực khí tác dụng lên piston rất lớn. Điều này đòi hỏi cơ cấu cơ khí phải chắc chắn, nặng nề hơn. Nếu chia thành nhiều cấp, khí được nén dần qua các xi lanh nhỏ hơn, làm giảm lực khí tác dụng lên piston ở từng cấp. Nhờ đó, kết cấu máy nhẹ hơn, giảm tải cho hệ thống truyền động, tăng hiệu suất cơ học.

5. Lưu ý về hiệu quả tổng thể và độ tin cậy
Mặc dù nén nhiều cấp mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc tăng số cấp cũng kéo theo hệ quả như:

- Cấu trúc máy phức tạp hơn, tăng chi phí, kích thước và trọng lượng.

- Tổn thất áp suất qua van và đường dẫn khí tăng lên.

- Số bộ phận chuyển động nhiều hơn, tăng khả năng hỏng hóc và giảm độ tin cậy.

- Tăng ma sát làm giảm hiệu suất cơ học.

Lợi ích chính của nén nhiều cấp là giảm tỷ số nén mỗi cấp, từ đó giảm rò rỉ nội bộ – yếu tố ảnh hưởng lớn đến hiệu quả năng lượng. Tuy nhiên, nếu máy nén có độ chính xác gia công cao, khoảng hở và rò rỉ có thể được kiểm soát tốt mà không cần nén nhiều cấp.

Khuyến nghị:
Nếu không thể gia công chính xác cao, hãy cân nhắc sử dụng nén phân cấp để cải thiện hiệu suất năng lượng. Ngược lại, với điều kiện chế tạo tốt, nên sử dụng máy nén một cấp để đảm bảo độ tin cậy cao, cấu trúc đơn giản và hiệu quả kinh tế dài hạn.