Cấu tạo của máy nén loại này gần tương tự như động cơ đốt trong: có pít tông di chuyển trong xy lanh trụ trên có nắp máy đậy kín. Trên nắp máy có hai van: van nạp để đưa khí vào xy lanh và van đẩy để đưa khí có áp suất cao đến nơi tiêu thụ. Một động cơ kéo trục máy nén quay và qua thanh truyền, chuyển động này được truyền đến pít tông làm nó di chuyển tịnh tiến trong xy lanh (Hình 5).

Hình 5 Sơ đồ cấu tạo & hoạt động của máy nén pít tông

Chu trình làm việc của máy nén gồm các quá trình (Hình 5):

• Hút : Pít tông đi xuống tạo áp suất thấp làm mở van nạp, khí đi vào xy lanh. Áp suất (và nhiệt độ) xem như không đổi và quá trình được biểu diễn bằng đoạn a1 nằm ngang.
• Nén : Pít tông đi lên, cả hai van đều đóng, khí bị nén theo quá trình đa biến và được biểu diễn bằng cung 12. Áp suất (và nhiệt độ) tăng lên.
• Đẩy : Khi pít tông đi lên đến vị trí nào đấy, áp suất trong xy lanh đạt giá trị xác định, thắng được sức căng của lò xo van đẩy, van này mở ra, khí được đưa đến bình chứa hay nơi sử dụng. Quá trình đẩy được biểu diễn bằng đoạn nằm ngang 2b.

 

Qua đồ thị chỉ thị trên Hình 5, ta thấy máy nén hoạt động theo chu trình ngược chiều nên ta cần phải cung cấp công cho máy nén. Công của máy nén bao gồm:

Công hút a1 :   `W_(a1)=int_a^1 pdV=p_1V_1="dt"(a11'0)>0`

Công nén 12 :   `W_(12)=int_1^2 pdV="dt"(122'1') < 0`

Công đẩy 2b :   `W_(2b)=int_2^b pdV=-p_2V_2="dt"(2b02') < 0`

Vậy công chi phí cho máy nén là :

`W_(mn) = W_(a1)+W_(12)+W_(2b) = "dt"(a12b) < 0`

Khi đối chiếu công thức này với công thức tính công kỹ thuật cho một quá trình, ta thấy công máy nén chính là công kỹ thuật của quá trình 12. Vậy:

`W_(mn)=int_1^2 -Vdp`

Vậy nếu ta gọi `n` là chỉ số đa biến của quá trình nén 12 thì:

`W_(mn)=n/(1-n) (p_2V_2-p_1V_1)=(np_1V_1)/(1-n) (p_2/p_1 V_2/V_1 - 1)`

Đặt :

`x=p_2/p_1`

(24)

`x` được gọi là tỷ số tăng áp.

Thì :

`W_(mn)=(np_1V_1)/(1-n) (x^((n-1)/n)-1)`

(25)

Ảnh hưởng của chỉ số `n`

Khi xem xét ảnh hưởng của chỉ số đa biến n đến công chi phí cho máy nén ta thấy (Hình 6):

Hình 6 Chỉ số `n` và công máy nén

• Hai trường hợp giới hạn của `n` là nén đoạn nhiệt và nén đẳng nhiệt.
• Khi ta không có bất kỳ một tác động nào vào quá trình nén cũng như thiêt bị nén, quá trình nén sẽ là nén đoạn nhiệt: `n = k`.
• Ngược lại khi ta sử dụng thêm các biện pháp để giữ cho nhiệt độ khí không tăng lên trong quá trình nén, ta có nén đẳng nhiệt: `n = 1`.

Khi so sánh hai trường hợp giới hạn này ta thấy:

• Chí phí công cho nén đẳng nhiệt thấp hơn, tiết kiệm năng lượng hơn.
• Nhiệt độ khí cuối giai đoạn nén cũng thấp hơn, máy nén làm việc trong điều kiện nhẹ nhàng hơn.
• Tuy nhiên ta phải tăng cường thêm các biện pháp để giữ cho nhiệt độ không đổi, vì thế thiết bị sẽ cồng kềnh hơn, phức tạp hơn. Đôi khi cần phải chi thêm công bổ xung cho các thiết bị phụ trợ như quạt làm mát, bơm nước,

Do đó, trong thực tế, người ta thường chọn những biện pháp mang tính dung hòa: tăng cường thêm một vài kết cấu giải nhiệt đơn giản như cánh tản nhiệt để tránh không bị nén đoạn nhiệt, giảm chỉ số đa biến đi một ít so với `k`.

Vì vậy thông thường :

`1 < n < k`(26)

 

Khi pít tông đến thế chết trên, nó không chạm vào nắp máy, như trong khảo sát lý thuyết, mà còn cách một đoạn nhỏ để tránh va đập. Khoảng không gian giữa nắp máy, xy lanh và pít tông ở thế chết trên này gọi là dung tích đệm.

Về mặt cơ khí, dung tích đệm tránh cho máy không bị va đập và điều này làm tuổi thọ máy nén tăng lên. Tuy nhiên về mặt nhiệt động học, nó có một số tác hại sau (Hình 7):

Hình 7 Ảnh hưởng của dung tích đệm

• Cuối giai đoạn đẩy, đầu giai đoạn hút (điểm b), khi pít tông bắt đầu đi xuống, trong xy lanh vẫn còn một lượng khí có áp suất cao (trong dung tích đệm). Vì thế trong giai đoạn đầu của hành trình nạp, van nạp chưa thể mở ra. Chỉ cho đến khi lượng khí này giãn nở đến áp suất bằng với áp suất bên ngoài cửa nạp thì van nạp mới có thể mở ra (điểm a), khí mới bắt đầu được nạp vào máy nén. Điều này làm lượng khí nạp vào trong mỗi chu trình bị giảm đi, hiệu suất thể tích máy nén giảm xuống.
• Khi áp suất `p_2` càng cao thì ảnh hưởng này càng nghiêm trọng hơn, Đến một giá trị tới hạn nào đấy thì máy nén không thể đưa khí đến nơi tiêu thụ hay tồn trữ được nữa.

Để giải quyết các vấn đề do dung tích đệm gây ra, đặc biệt khi cần áp suất cao, người ta sử dụng máy nén nhiều cấp.

 

Ta có thể xem máy nén nhiều cấp như nhiều máy nén một cấp mắc nối tiếp nhau. Khí di chuyển qua tuần tự các cấp, hết cấp này đến cấp khác (Hình 8), áp suất khí sẽ tăng dần (Hình 9)

Hình 8 Sơ đồ máy nén nhiều cấp

Hình 9 Chu trình làm việc của máy nén nhiều cấp

Thông thường người ta đặt tất cả các cấp trong cùng một khối máy, dùng chung một trục máy để vận hành tất cả các cấp. Làm như vậy để cấu tạo được gọn nhẹ. Do đó tất cả các máy có cùng một chế độ nhiệt giống nhau. Vậy ta có:

• chỉ số đa biến n của các cấp là như nhau,
• nhiệt độ khí vào và khí ra của các cấp là như nhau:
      `T_1 = T_3 = T_5 = ...`   và   `T_2 = T_4 = T_6 = ...`

Vì thế :

`p_2/p_1=p_4/p_3=p_6/p_5=...=x`

(27)

Ở đây, `x` là tỷ số tăng áp của một cấp.

Như vậy công chi phí cho các cấp đều bằng nhau:

`W_("1 cấp")=(np_1V_1)/(1-n) (x^((n-1)/n)-1)`

Nếu máy nén có `m` cấp thì :

`W_(mn)=(mnp_1V_1)/(1-n) (x^((n-1)/n)-1)`

(28)

Với :

`x^m=p_("cuối") / p_("đầu")`

(29)

Dựa vào Hình 9, ta có nhận xét rằng với cùng lưu lượng và các áp suất `p_1` và `p_2`, máy nén nhiều cấp tiết kiệm công hơn. Ta có thể thấy thêm một ưu điểm khác của máy nén nhiều cấp khi xem xét thí dụ sau.

 

Ta cần nén mỗi giờ 45 m³ không khí từ 1 bar lên 50 bar. Không khí có nhiệt độ là
30 ºC, các quá trình nén có chỉ số đa biến là 1,2 và hiệu suất của cụm động cơ - máy nén là 80%.

1. Hỏi công suất động cơ cần để kéo máy nén khi dùng nén 1 cấp là bao nhiêu kW? (dùng giá trị dương)

Kết quả Thử lại

Lời giải

2. Nếu ta dùng máy nén 3 cấp thì công suất động cơ cần để kéo máy nén là bao nhiêu kW? (dùng giá trị dương)

Kết quả Thử lại

Lời giải

3. Khi nén 1 cấp, nhiệt độ cuối quá trình nén là bao nhiêu ºC ?

Kết quả Thử lại

Lời giải

4. Khi nén 3 cấp, nhiệt độ cuối quá trình nén là bao nhiêu ºC ?

Kết quả Thử lại

Lời giải