Cách thiết kế hệ thống khí nén nhà xưởng hiệu quả

Thiết kế hệ thống khí nén công nghiệp là điều cần thiết để giảm mức tiêu thụ năng lượng, đảm bảo an toàn và có hiệu suất lý tưởng cho các thiết bị, công cụ sử dụng khí nén. Tùy theo nhu cầu sử dụng và quy mô của nhà xưởng mà hệ thống khí nén có các thiết kế độc đáo khác nhau, nhu cầu về khí nén thay đổi theo ứng dụng và có nhiều tùy chọn.

Có một số cân nhắc quan trọng trong thiết kế hệ thống khí nén công nghiệp, bao gồm hiệu quả năng lượng, bố trí hệ thống đường ống, chất lượng khí nén và chi phí bảo trì. Hướng dẫn thiết kế hệ thống khí nén này có thể giúp bạn đưa ra quyết định đúng đắn.

Những lưu ý trước khi thiết kế hệ thống khí nén

Có một số lưu ý quan trọng trong thiết kế hệ thống khí nén công nghiệp cho nhà xưởng, nhà máy, bao gồm hiệu quả năng lượng, hiệu suất, bố trí hệ thống đường ống, chất lượng khí nén và chi phí bảo trì, vận hành .v.v.

Mỗi ứng dụng đều có yêu cầu các thông số kỹ thuật khác nhau (thể tích không khí, chất lượng không khí). Trước khi bắt đầu một dự án, hãy tự hỏi bạn sẽ sử dụng hệ thống khí nén của mình vào mục đích gì, ví dụ:

• Bạn có những thiết bị nào sẽ sử dụng khí nén? (xi lanh, van, động cơ khí nén…)
• Nó sẽ được sử dụng thường xuyên như thế nào?
• Điều kiện môi trường làm việc như thế nào?

Xác định nhu cầu về lưu lượng khí nén

Xác định nhu cầu về lưu lượng khí nén là điều rất quan trọng và gần như tiên quyết trước khi thiết kế hệ thống khí nén công nghiệp, nó quyết định đến nhiều yếu tố liên quan như công suất máy, loại máy nén khí .v.v. Lưu lượng khí nén không đủ sẽ dẫn đến hiệu suất làm việc của các thiết bị sử dụng khí nén giảm, trong khi lưu lượng quá lớn sẽ gây lãng phí năng lượng và chi phí đầu tư.

Kích thước máy nén khí phụ thuộc vào hai yếu tố quan trọng: lưu lượng khí (tính bằng feet khối trên phút, hay CFM) và áp suất (tính bằng pound trên inch vuông, hay PSI, bar, kg/m3). Mã lực cao hơn thường đi kèm với lưu lượng khí lớn hơn hoặc áp suất cao hơn, hoặc cả hai.

Mỗi loại thiết bị (xi lanh khí nén, van, động cơ khí nén…) có nhu cầu lưu lượng khác nhau tùy thuộc vào kích thước, áp suất làm việc và tần suất hoạt động. Số lượng thiết bị càng nhiều thì nhu cầu lưu lượng càng lớn.

Để tính toán nhu cầu về lưu lượng khí nén, hãy cộng tổng lượng CFM mà mỗi máy móc hoặc công cụ trong cơ sở của bạn yêu cầu. Bạn sẽ cần biết yêu cầu về áp suất vận hành và chu kỳ nhiệm vụ cho từng thiết bị sẽ được gắn vào máy nén. Máy nén phải được định cỡ để đáp ứng nhu cầu CFM cao nhất trong cơ sở của bạn. Bạn cũng có thể tính toán mức sử dụng khí nén cho một cơ sở hiện có bằng cách sử dụng thử nghiệm bơm hoặc lưu lượng kế.

Hãy nhớ rằng một số áp suất sẽ bị mất do rò rỉ và ma sát trong hệ thống phân phối khí nén. Đảm bảo hệ thống máy nén khí công nghiệp của bạn có đủ lưu lượng khí để khắc phục rò rỉ và giảm áp suất và đảm bảo áp suất đầy đủ ở các đầu của mỗi đường ống. Cộng thêm một hệ số dự phòng (thường từ 10-20%) để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng được nhu cầu tăng trưởng trong tương lai.

Xem thêm: Xác định nhu cầu CFM lưu lượng khí cho hệ thống khí nén

Yêu cầu về chất lượng khí nén

Tiếp theo khi thiết kế hệ thống khí nén bạn cần xác định yêu cầu về chất lượng khí nén.

• Bạn cần khí nén có độ sạch, độ khô như thế nào?
• Có yêu cầu đặc biệt nào về độ tinh khiết của khí nén không?

Khí nén khi sử dụng cho các ứng dụng sản xuất nói chung thông thường không có yêu cầu quá khắt khe về chất lượng khí nén. Tuy nhiên, khi sử dụng cho các ngành công nghiệp như y tế, dược phẩm hoặc thực phẩm thì chất lượng khí nén phải đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng nghiêm ngặt.

Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO) đã thiết lập tiêu chuẩn chất lượng không khí 8573 để hỗ trợ việc lựa chọn, thiết kế và đo lường các thành phần xử lý không khí. Tham khảo tiêu chuẩn này để xem những yêu cầu nào áp dụng cho ngành của bạn.

Xem thêm: Làm thế nào để cải thiện chất lượng khí nén

Thiết kế hệ thống phân phối khí nén

Thiết kế hệ thống phân phối khí nén được xác định theo cách bố trí của nhà máy hoặc xưởng, với mục tiêu chính là đạt được sự cân bằng giữa nhu cầu về áp suất và lưu lượng khí nén tại mọi điểm sử dụng. Điều quan trọng là phải suy nghĩ và lập kế hoạch cho các nhu cầu trong tương lai của bạn, chẳng hạn như các dự án mở rộng, kể cả các tổn thất áp suất cũng phải tính toán kỹ càng.

Điều quan trọng nữa khi thiết kế hệ thống khí nén là phải có kích thước đường ống phân phối khí nén phù hợp xuyên suốt điểm đầu đến điểm cuối. Để giảm thiểu sự sụt áp, hãy hạn chế số lượng khuỷu tay và chữ T và tránh sử dụng đoạn ống mềm dài và các khớp nối nhanh. Ngoài ra, hãy cân nhắc vật liệu đường ống khí nén; hệ thống đường ống nhôm chất lượng cao sẽ bền hơn và giảm thiểu rò rỉ không khí, giảm tổng chi phí vòng đời của hệ thống.

Hai cấu hình lắp đặt hệ thống phân phối khí nén phổ biến nhất:

Hệ thống vòng kín

Hệ thống khí nén vòng kín là một hệ thống khí nén mà trong đó khí nén được tuần hoàn sử dụng liên tục. Khí nén sau khi thực hiện công việc sẽ được thu hồi và đưa trở lại máy nén để nén lại và sử dụng tiếp. Điều này giúp giảm thiểu lượng khí nén bị thất thoát ra môi trường, tăng hiệu suất sử dụng khí nén và tiết kiệm năng lượng. Hệ thống vòng kín được coi là cấu hình hiệu quả nhất, thường được ứng dụng trong các quy trình sản xuất yêu cầu độ chính xác cao và tiết kiệm năng lượng.

Hệ thống tuyến tính

Hệ thống khí nén tuyến tính là một hệ thống sử dụng khí nén để tạo ra chuyển động tuyến tính (chuyển động thẳng) cho các thiết bị và cơ cấu. Khác với các hệ thống khí nén trên, hệ thống tuyến tính tập trung vào việc tạo ra một lực đẩy hoặc kéo dọc theo một đường thẳng. Ứng dụng của hệ thống này thường là điều khiển các van, xi lanh trong các máy công cụ, tự động hóa các quy trình sản xuất, nâng hạ các tải trọng .v.v.

Mẹo: Đường ống giữa máy sấy khí hoặc bình chứa và vòng phân phối phải lớn hơn ít nhất một cỡ so với đường ống trong chính vòng phân phối. 

Xem thêm bài viết liên quan:

• Các thành phần trong hệ thống khí nén nhà xưởng
• Sơ đồ lắp đặt hệ thống máy nén khí thông dụng
• Hệ thống khí nén trong công nghiệp

Lưu ý khi thiết kế hệ thống khí nén để tăng hiệu quả năng lượng

Khi thiết kế hệ thống khí nén ta cần cân nhắc đến tính hiệu quả năng lượng. Có một số cân nhắc quan trọng về hiệu quả năng lượng trước khi thiết kế hệ thống khí nén sau:

• Giảm thất thoát khí: Giảm thất thoát khí cũng như sự rò rỉ là những việc quan trọng nhất để tăng hiệu suất tổng thể của hệ thống khí nén.
• Giảm thiểu sụt áp: Sụt áp là tình trạng mất áp suất giữa máy nén và điểm sử dụng, và đây cũng là một nguyên nhân khác khiến hóa đơn tiền điện tăng cao. Sụt áp có thể do hệ thống phân phối không đủ hoặc thiết kế kém, bộ lọc trong dòng bị tải, máy sấy khí có kích thước quá nhỏ và rò rỉ hoặc tắc nghẽn trong hệ thống. Chẩn đoán và giải quyết các nguyên nhân phổ biến gây sụt áp sẽ giúp tăng hiệu quả của hệ thống.
• Hãy cân nhắc đến máy nén khí biến tần: Nếu nhu cầu sử dụng khí nén của bạn thay đổi theo từng thời điểm, từng ca làm việc hoặc từng mùa, bạn có thể được hưởng lợi từ máy nén khí biến tần. Máy nén biến tần giúp giảm chi phí năng lượng bằng cách tăng hoặc giảm tốc độ động cơ để đáp ứng nhu cầu khí thực tế. Theo cách đó, bạn không phải trả tiền cho sản lượng khí nhiều hơn mức cần thiết.

Tùy thuộc vào công suất của máy nén khí trục vít mà bạn chọn loại đường ống khí nén, dây cáp điện và aptomat phù hợp:

Xem thêm: Máy nén biến tần và máy nén thường: Nên chọn loại nào?

Lưu trữ trong thiết kế hệ thống khí nén

Bạn cần bao nhiêu dung lượng lưu trữ khí nén cho hệ thống của mình? Bình chứa khí nén như một “bể đệm”, giúp duy trì áp suất khí nén trong hệ thống ở mức ổn định. Khi nhu cầu sử dụng khí tăng đột ngột, bình chứa sẽ cung cấp thêm khí để đảm bảo áp suất không giảm quá mức, ngược lại, khi nhu cầu giảm, bình chứa sẽ hấp thụ lượng khí dư thừa, giúp tránh tăng áp suất quá cao.

Khi có nhu cầu sử dụng khí nén đột ngột, bình chứa sẽ cung cấp một lượng khí lớn ngay lập tức, giúp giảm tải cho máy nén khí, kéo dài tuổi thọ của máy. Ngoài ra, lưu trữ khí nén giúp cung cấp khí nén liên tục, tách hơi nước và làm mát khí nén, ngăn ngừa sự cố quá áp.

• Việc sử dụng không khí của bạn có ổn định không, hay các ứng dụng của bạn sử dụng không khí theo từng đợt ngắn, nhanh? Các cơ sở có tính biến động cao và nhu cầu đỉnh điểm ngắn sẽ được hưởng lợi khi có nhiều khí nén lưu trữ. Theo nguyên tắc chung, hãy lập kế hoạch cho khoảng ba đến năm gallon dung tích lưu trữ không khí cho mỗi đầu ra CFM của máy nén.
• Bạn cần lưu trữ ướt hay lưu trữ khô? Có thể đặt bình khí trước hoặc sau máy sấy khí. Lưu trữ ướt (trước máy sấy khí) làm mát không khí và loại bỏ một số độ ẩm trước khi không khí đi vào máy sấy, giúp hiệu quả sấy khô khí nén tốt hơn. Mặt khác, lưu trữ khô (sau máy sấy khí), có thể sử dụng ngay, vì vậy tốt nhất là nếu nhu cầu đột ngột tăng cao bạn mới nên để bình tích sau sấy khí.

Mẹo: Đảm bảo bình chứa khí nén của bạn đúng với áp lực và kích thước của máy nén khí để đảm bảo an toàn và tăng tính hiệu quả cho việc lưu trữ.

Xem thêm: Cách tính dung tích của bình chứa hơi máy nén khí

Lắp đặt hệ thống khí nén

Việc lắp đặt hệ thống khí nén sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất chung của hệ thống. Cho dù bạn đang lắp đặt hệ thống mới, thay thế hoặc nâng cấp máy nén khí hoặc thêm vào hệ thống hiện có, điều quan trọng là phải làm việc với đối tác kỹ thuật hiểu về thiết kế hệ thống khí nén và sẽ đảm bảo rằng mọi thứ được lắp đặt đạt được hiệu suất tối đa.

Vị trí máy nén và cấu hình phòng máy nén là những cân nhắc quan trọng khi thiết kế hệ thống khí nén. Máy nén sẽ ở bên trong hay bên ngoài? Nếu ở bên ngoài, hệ thống có cần được cách nhiệt hoặc bảo vệ khỏi các yếu tố thời tiết không? Nếu ở bên trong, máy nén có đủ không gian xung quanh không và phòng máy nén có được thông gió đầy đủ để ngăn máy nén khí quá nhiệt không?

Người lắp đặt phải cân nhắc phạm vi nhiệt độ tối ưu cho thiết bị khí nén khi đưa ra những quyết định này. Vị trí máy nén cũng sẽ ảnh hưởng đến chiều dài đường ống cần thiết để phân phối; đường ống dài hơn sẽ gây ra nhiều ma sát hơn, giảm áp suất cao hơn và nhiều khả năng rò rỉ hơn. Tiếng ồn cũng cần được tính đến khi thiết kế hệ thống khí nén để xác định vị trí nào tốt nhất cho máy nén mà không gây ảnh hưởng tới công nhân.

Mẹo: Luôn giữ cho phòng đặt máy thoáng khí và thông gió lưu thông qua máy nén để tránh quá nhiệt và giảm áp lực lên hệ thống làm mát máy nén khí.

Xem thêm: Lắp đặt hệ thống khí nén

Bảo trì hệ thống khí nén

Đừng quên các yêu cầu bảo trì khi thiết kế hệ thống khí nén của bạn. Máy nén khí nên được đặt ở khu vực dễ tiếp cận và có thể tiếp cận để bảo trì hoặc sửa chữa máy nén đúng cách.

Kiểm tra thường xuyên và bảo trì phòng ngừa là cần thiết để giữ cho hệ thống của bạn hoạt động ở hiệu suất tối ưu và ngăn ngừa thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch tốn kém và sửa chữa khẩn cấp.

Nếu bạn có năng lực và chuyên môn trong nhóm bảo trì nội bộ của mình, bạn có thể tự mình thực hiện các hoạt động này. Tuy nhiên, đối với máy nén khí công nghiệp, chẳng hạn như máy nén trục vít, bạn cần liên hệ đến nhà cung cấp hoặc đội ngũ sửa chữa chuyên nghiệp chứ không nên tự ý sửa chữa nó nếu không có kiến thức chuyên môn.

Máy sấy khí và các thiết bị ngoại vi khác cũng cần được bảo trì thường xuyên. Và đừng quên hệ thống phân phối khí; hãy kiểm tra rò rỉ hàng năm và sửa chữa ngay khi phát hiện thấy rò rỉ.

Mẹo: Thực hiện theo khuyến nghị của nhà sản xuất về bảo trì định kỳ cho máy nén khí và các thiết bị đi kèm trong hệ thống.

Xem thêm: Bảo dưỡng máy nén khí? Quy trình? Cách thực hiện?