Nguyễn Viết Phú
HVACR Staff
Khi không khí được nén lại, mọi thứ trong không khí đều được nén lên như nhau. Tất cả máy nén khí , không phụ thuộc vào loại máy nén khí, khi hoạt động sẽ hút phải các chất ô nhiễm trong không khí. Các chất ô nhiễm đó bao gồm các hạt bụi rắn, hơi hidrocacbon (dầu, gas, dầu diesel), các hơi hóa chất và hơi nước. Các máy nén khí sử dụng bôi trơn bằng dầu dạng tự do hay máy nén khí dạng khô sẽ không có khả năng đảm bảo chất lượng không khí sạch. Nếu các chất bẩn này không được loại bỏ khỏi không khí nén, chúng sẽ tập trung lại trong hệ thống phân phối và trong các thiết bị sử dụng khí nén.
1. Tiêu chuẩn chất lượng không khí
Có một số tiêu chuẩn và hướng dẫn khác nhau giúp xác định các yêu cầu về chất lượng không khí. Hai trong số các tiêu chuẩn phổ biến nhất là Tiêu chuẩn chất lượng không khí cho các dụng cụ khí nén ANSI/ISA-7.0.01-1996 và Tiêu chuẩn quốc tế ISO 8573-1 về Khí nén – Phần 1:Chất ô nhiễm và các cấp độ sạch. Tiêu chuẩn ISO 8573-1 rất hữu ích cho việc lựa chọn các hệ thống cho sản xuất khí nén và xử lý chất lượng khí nén. Tiêu chuẩn này thay thế các thuật ngữ mơ hồ như nước, dầu tự do, bụi tự do bằng các giá trị số học đơn giản và phân chia chúng vào các cấp sạch khác nhau. Tiêu chuẩn ISO 8573-1 quy định nồng độ của các chất bẩn như nước, dầu theo các cấp sạch khác nhau mà không phụ thuộc vào nguồn khí nén. Tiêu chuẩn này không đề cập đến mức độ sạch thích hợp cho các nhu cầu sử dụng khí nén khác nhau, nó chỉ cho phép định lượng các chất bẩn ở các cấp sạch khác nhau.
Các cấp độ sạch của khí nén chỉ định theo dải kích thước các hạt bụi bẩn và đưa ra số lượng các hạt bụi bẩn cho phép trong 1 met khối không khí.
Cấp độ sạch theo hơi ẩm và nước lỏng cũng được xác định. Giá trị hơi ẩm được đưa ra dưới dạng áp suất đọng sương và lượng nước lỏng được cho dưới dạng nồng độ của nước lỏng C w (g/m3).
1 LSL – Giới hạn mức thấp
2 USL – Giới hạn mức cao
Các chất dầu bẩn cũng được phân cấp theo mức độ nồng độ dầu bao gồm dạng sol,dạng lỏng và hơi (mg/m3).
Nhiệm vụ đầu tiên của hệ thống xử lý không khí là tách bỏ nước ra khỏi không khí nén. Với điều kiện không khí đầu vào là 20°C, độ ẩm tương đối 70% và áp suất là 1, một máy nén khí 5m3/phút sẽ nén lượng hơi nước tương ứng với 30 lít nước lỏng trong 1 ngày. Việc nén hơi nước sẽ làm thay đổi nhiệt độ đọng sương của nó. Nhiệt độ đọng sương trong hệ thống máy nén khí tương ứng với áp suất đọng sương. Đúng như lý thuyết, khi áp suất nén cao hơn thì áp suất đọng sương cũng cao hơn. Trong ví dụ này, việc tăng áp suất từ 7 bar lên 12 bar sẽ làm tăng áp suất đọng sương từ 51 0C lên 62 0C. Tại điểm mà trong hệ thống không khí nén, nhiệt độ khí nén được làm mát đến nhiệt độ điểm sương, hơi nước trong khí nén sẽ ngưng tụ thành nước lỏng.
Có khoảng 20 lit nước sẽ ngưng tụ sau khi được làm mát (áp suất làm việc 7 bar và nhiệt độ đầu ra là 30°C. 10 lít nước còn lại sẽ ngưng tụ tại bất kỳ điểm thuận lợi nào trong hệ thống. Một máy sấy khí tách ẩm với nhiệt độ đầu ra là 3°C và nhiệt độ đầu vào 25°C sẽ làm ngưng tụ 74% của phần 10 lit nước còn lại này. Khi áp suất trong hệ thống phân phối ổn định, nhiệt độ của khí nén phải giảm xuống dưới 3°C trước khi xảy ra sự ngưng hơi tiếp theo. Lượng nước còn lại sẽ tồn tại ở dạng hơi cho đến khi được xả ra môi trường, tại thời điểm đó do không khí được làm lạnh do giãn nở giảm áp nên có thể gây ra sự ngưng tụ của hơi.
Có một số điểm ngưng tụ có thể xảy ra: bình tách dầu trong máy nén khí trục vít, bộ làm mát, bình chứa khí nén, máy sấy khí tách ẩm và đường ống. Hiện tượng ngưng tụ xảy ra ở 2 trong số các điểm đó là điều không mong muốn. Nước ngưng tụ trong bình tách dầu có thể dẫn đến việc nước được đẩy đến các vòng bi thay vì dầu bôi trơn. Nước ngưng tụ trong hệ thống đường ống phân phối có thể gây nguy hiểm cho thiết bị, gây ra hiện tượng rỉ đường ống và làm tăng chi phí bảo trì.
Hấp phụ: Máy sấy khí tách ẩm bằng các cơ chế như hấp thụ hóa học hay hấp thụ vật lý
Hấp thụ: Quá trình vật lý – hơi ẩm được giữ lại trong lớp vật liệu hấp thụ bằng lực phân tử.
Hấp thụ: Quá trình vật lý – hơi ẩm được tách ra bằng các phản ứng hóa học với lớp vật liệu hấp thụ.
Ngưng tụ: Nước được tách ra bằng cách làm mát xuống dưới nhiệt độ điểm sương;
– Nén quá áp sau đó đi qua thiết bị giãn nở
– Làm lạnh nhờ chu trình lạnh của máy lạnh tách ẩm
Khuếch tán: Hơi ẩm thấm qua màng nhờ sự chênh lệch áp suất của hơi nước và các khí khác trong không khí.
2. Máy sấy khí tách ẩm bằng cách nén quá áp
Nén quá áp là phương pháp đơn giản nhất để máy sấy khí tách ẩm khí nén. Không khí được nén lên tới áp suất lớn gấp 20 lần áp suất làm việc. Một ứng dụng khí nén 15 bar sẽ có khí nén được nén lên đến áp suất 300 bar trong quá trình tách ẩm. Nén quá áp sẽ làm tăng áp suất riêng phần của hơi nước và làm thay đổi nhiệt độ đọng sương. Không khí được nén quá áp sẽ đi vào bộ làm mát với các bẫy và bình tách ẩm. Không khí sau đó sẽ được giãn nở để đưa trở về áp suất làm việc mong muốn. Phân áp suất hơi có thể đạt tới giá trị rất thấp khi thực hiện phương pháp này. Tuy nhiên, lượng năng lượng cần để thực hiện phương pháp tách ẩm này rất cao và thiết bị rất đắt tiền. Các phương pháp khác có hiệu suất năng lượng tốt hơn, chi phí thấp hơn và có thể tạo ra khả năng tách ẩm tương đương.
3. Máy sấy khí tách ẩm bằng làm lạnh
Nguyên lý làm việc của hệ thống tách ẩm bằng máy sấy khí có thể chia làm 4 giai đoạn:
– Không khí nóng đi vào máy sấy khí và được làm lạnh đi trong thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí lạnh đi ra khỏi dàn lạnh của máy sấy khí.
– Quá trình làm lạnh sâu hơn sẽ được thực hiện ở dàn lạnh của chu trình lạnh. Thông thường, không khí được làm lạnh tới khoảng 3°C đến 5°C.
– Nước ngưng được tách ra khỏi khí nén nhờ hệ thống máy sấy khí và sau đó chảy ra ngoài máy sấy khí.
– Không khí khô được gia nhiệt lại khi nó đi qua thiết bị trao đổi nhiệt chứa không khí nóng đi vào. Khi đi qua quá trình này, độ ẩm tương đối của không khí giảm đi từ 10-25%.
Máy sấy khí tách ẩm thường được dùng nhiều nhất cho trường hợp không khí đầu vào có độ ẩm bão hòa 100%, nhiệt độ khoảng 40°C, và áp suất khoảng 7 bar. Các máy sấy khí tách ẩm đặc chủng có thể chạy với nhiệt độ và áp suất cao hơn.
4. Máy sấy khí tách ẩm bằng khuếch tán
Một màng tách ẩm có gồm các bó mỏng sợi nhân tạo được phát triển riêng cho loại máy sấy khí này. Các sợi này được xử lý cơ hóa sao cho hơi nước chứa trong không khí nén thấm qua các hệ thống lỗ mịn của bề mặt sợi. Không khí nén ẩm chảy qua 1 đầu của bó sợi, hơi nước thẩm thấu xuyên qua các lỗ trên bề mặt và không khí khô đi ra khỏi bó sợi. Trong suốt quá trình này 1 phần nhỏ không khí nén cũng bị rò rỉ và có
tác dụng cuốn theo hơi nước đi qua bó sợi. Phân tử hơi nước đi qua các lỗ vì phân áp suất hơi nước bên trong ống lớn hơn phân áp suất bên ngoài ống.
Các máy nén khí dạng này làm việc tốt nhất tại điểm tiêu thụ khí nén. Nó không yêu cầu cung cấp năng lượng và dễ dàng lắp đặt vào đường ống khí nén. Nó là sự lựa chọn tuyệt vời trong các khu vực nguy hiểm. Nó không phù hợp để tách ẩm công suất lớn do số lượng không khí rò lọt lớn và nhạy cảm với ô nhiễm.
5. Máy sấy khí tách ẩm bằng hấp thụ
Hấp thụ là 1 quá trình hóa học trong đó hơi nước trong không khí nén được hấp thụ bởi 1 vật liệu hút ẩm (thu ẩm) thông qua 1 phản ứng hóa học.Trong hầu hết các ngành công nghiệp, chất hấp thụ dạng rắn được sử dụng. Chất hấp thụ thường được chế tạo ở dạng viên và được xếp trên 1 bình thẳng đứng. Không khí nén đi từ phía dưới của bình và chuyển động xuyên qua lớp hấp thụ. Hơi nước được hấp thụ 1 phần bởi lớp chất
hấp thụ này. Nước ngưng được thu về đáy bình chứa và được thải ra ngoài. Bởi vì lớp hấp thụ sẽ bị thấm ẩm, các tấm hấp thụ mới cần được thay thế định kỳ. Loại máy tách ẩm này chỉ có khả năng tạo ra áp suất đọng sương khoảng 15°C. Máy nén loại này chỉ được xem xét sử dụng trong các ứng dụng mà khả năng làm mát sâu hơn của không khí trong hệ thống phân phối là không thể. Nếu nhiệt độ không khí đi vào nhỏ hơn 30°C, với vật liệu tách ẩm trung bình có thể gây ra sự giảm áp suất quá mức cho phép.
1. Tiêu chuẩn chất lượng không khí
Có một số tiêu chuẩn và hướng dẫn khác nhau giúp xác định các yêu cầu về chất lượng không khí. Hai trong số các tiêu chuẩn phổ biến nhất là Tiêu chuẩn chất lượng không khí cho các dụng cụ khí nén ANSI/ISA-7.0.01-1996 và Tiêu chuẩn quốc tế ISO 8573-1 về Khí nén – Phần 1:Chất ô nhiễm và các cấp độ sạch. Tiêu chuẩn ISO 8573-1 rất hữu ích cho việc lựa chọn các hệ thống cho sản xuất khí nén và xử lý chất lượng khí nén. Tiêu chuẩn này thay thế các thuật ngữ mơ hồ như nước, dầu tự do, bụi tự do bằng các giá trị số học đơn giản và phân chia chúng vào các cấp sạch khác nhau. Tiêu chuẩn ISO 8573-1 quy định nồng độ của các chất bẩn như nước, dầu theo các cấp sạch khác nhau mà không phụ thuộc vào nguồn khí nén. Tiêu chuẩn này không đề cập đến mức độ sạch thích hợp cho các nhu cầu sử dụng khí nén khác nhau, nó chỉ cho phép định lượng các chất bẩn ở các cấp sạch khác nhau.
Các cấp độ sạch của khí nén chỉ định theo dải kích thước các hạt bụi bẩn và đưa ra số lượng các hạt bụi bẩn cho phép trong 1 met khối không khí.
Cấp độ sạch theo hơi ẩm và nước lỏng cũng được xác định. Giá trị hơi ẩm được đưa ra dưới dạng áp suất đọng sương và lượng nước lỏng được cho dưới dạng nồng độ của nước lỏng C w (g/m3).
1 LSL – Giới hạn mức thấp
2 USL – Giới hạn mức cao
Các chất dầu bẩn cũng được phân cấp theo mức độ nồng độ dầu bao gồm dạng sol,dạng lỏng và hơi (mg/m3).
Nhiệm vụ đầu tiên của hệ thống xử lý không khí là tách bỏ nước ra khỏi không khí nén. Với điều kiện không khí đầu vào là 20°C, độ ẩm tương đối 70% và áp suất là 1, một máy nén khí 5m3/phút sẽ nén lượng hơi nước tương ứng với 30 lít nước lỏng trong 1 ngày. Việc nén hơi nước sẽ làm thay đổi nhiệt độ đọng sương của nó. Nhiệt độ đọng sương trong hệ thống máy nén khí tương ứng với áp suất đọng sương. Đúng như lý thuyết, khi áp suất nén cao hơn thì áp suất đọng sương cũng cao hơn. Trong ví dụ này, việc tăng áp suất từ 7 bar lên 12 bar sẽ làm tăng áp suất đọng sương từ 51 0C lên 62 0C. Tại điểm mà trong hệ thống không khí nén, nhiệt độ khí nén được làm mát đến nhiệt độ điểm sương, hơi nước trong khí nén sẽ ngưng tụ thành nước lỏng.
Có khoảng 20 lit nước sẽ ngưng tụ sau khi được làm mát (áp suất làm việc 7 bar và nhiệt độ đầu ra là 30°C. 10 lít nước còn lại sẽ ngưng tụ tại bất kỳ điểm thuận lợi nào trong hệ thống. Một máy sấy khí tách ẩm với nhiệt độ đầu ra là 3°C và nhiệt độ đầu vào 25°C sẽ làm ngưng tụ 74% của phần 10 lit nước còn lại này. Khi áp suất trong hệ thống phân phối ổn định, nhiệt độ của khí nén phải giảm xuống dưới 3°C trước khi xảy ra sự ngưng hơi tiếp theo. Lượng nước còn lại sẽ tồn tại ở dạng hơi cho đến khi được xả ra môi trường, tại thời điểm đó do không khí được làm lạnh do giãn nở giảm áp nên có thể gây ra sự ngưng tụ của hơi.
Có một số điểm ngưng tụ có thể xảy ra: bình tách dầu trong máy nén khí trục vít, bộ làm mát, bình chứa khí nén, máy sấy khí tách ẩm và đường ống. Hiện tượng ngưng tụ xảy ra ở 2 trong số các điểm đó là điều không mong muốn. Nước ngưng tụ trong bình tách dầu có thể dẫn đến việc nước được đẩy đến các vòng bi thay vì dầu bôi trơn. Nước ngưng tụ trong hệ thống đường ống phân phối có thể gây nguy hiểm cho thiết bị, gây ra hiện tượng rỉ đường ống và làm tăng chi phí bảo trì.
Hấp phụ: Máy sấy khí tách ẩm bằng các cơ chế như hấp thụ hóa học hay hấp thụ vật lý
Hấp thụ: Quá trình vật lý – hơi ẩm được giữ lại trong lớp vật liệu hấp thụ bằng lực phân tử.
Hấp thụ: Quá trình vật lý – hơi ẩm được tách ra bằng các phản ứng hóa học với lớp vật liệu hấp thụ.
Ngưng tụ: Nước được tách ra bằng cách làm mát xuống dưới nhiệt độ điểm sương;
– Nén quá áp sau đó đi qua thiết bị giãn nở
– Làm lạnh nhờ chu trình lạnh của máy lạnh tách ẩm
Khuếch tán: Hơi ẩm thấm qua màng nhờ sự chênh lệch áp suất của hơi nước và các khí khác trong không khí.
2. Máy sấy khí tách ẩm bằng cách nén quá áp
Nén quá áp là phương pháp đơn giản nhất để máy sấy khí tách ẩm khí nén. Không khí được nén lên tới áp suất lớn gấp 20 lần áp suất làm việc. Một ứng dụng khí nén 15 bar sẽ có khí nén được nén lên đến áp suất 300 bar trong quá trình tách ẩm. Nén quá áp sẽ làm tăng áp suất riêng phần của hơi nước và làm thay đổi nhiệt độ đọng sương. Không khí được nén quá áp sẽ đi vào bộ làm mát với các bẫy và bình tách ẩm. Không khí sau đó sẽ được giãn nở để đưa trở về áp suất làm việc mong muốn. Phân áp suất hơi có thể đạt tới giá trị rất thấp khi thực hiện phương pháp này. Tuy nhiên, lượng năng lượng cần để thực hiện phương pháp tách ẩm này rất cao và thiết bị rất đắt tiền. Các phương pháp khác có hiệu suất năng lượng tốt hơn, chi phí thấp hơn và có thể tạo ra khả năng tách ẩm tương đương.
3. Máy sấy khí tách ẩm bằng làm lạnh
Nguyên lý làm việc của hệ thống tách ẩm bằng máy sấy khí có thể chia làm 4 giai đoạn:
– Không khí nóng đi vào máy sấy khí và được làm lạnh đi trong thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí lạnh đi ra khỏi dàn lạnh của máy sấy khí.
– Quá trình làm lạnh sâu hơn sẽ được thực hiện ở dàn lạnh của chu trình lạnh. Thông thường, không khí được làm lạnh tới khoảng 3°C đến 5°C.
– Nước ngưng được tách ra khỏi khí nén nhờ hệ thống máy sấy khí và sau đó chảy ra ngoài máy sấy khí.
– Không khí khô được gia nhiệt lại khi nó đi qua thiết bị trao đổi nhiệt chứa không khí nóng đi vào. Khi đi qua quá trình này, độ ẩm tương đối của không khí giảm đi từ 10-25%.
Máy sấy khí tách ẩm thường được dùng nhiều nhất cho trường hợp không khí đầu vào có độ ẩm bão hòa 100%, nhiệt độ khoảng 40°C, và áp suất khoảng 7 bar. Các máy sấy khí tách ẩm đặc chủng có thể chạy với nhiệt độ và áp suất cao hơn.
4. Máy sấy khí tách ẩm bằng khuếch tán
Một màng tách ẩm có gồm các bó mỏng sợi nhân tạo được phát triển riêng cho loại máy sấy khí này. Các sợi này được xử lý cơ hóa sao cho hơi nước chứa trong không khí nén thấm qua các hệ thống lỗ mịn của bề mặt sợi. Không khí nén ẩm chảy qua 1 đầu của bó sợi, hơi nước thẩm thấu xuyên qua các lỗ trên bề mặt và không khí khô đi ra khỏi bó sợi. Trong suốt quá trình này 1 phần nhỏ không khí nén cũng bị rò rỉ và có
tác dụng cuốn theo hơi nước đi qua bó sợi. Phân tử hơi nước đi qua các lỗ vì phân áp suất hơi nước bên trong ống lớn hơn phân áp suất bên ngoài ống.
Các máy nén khí dạng này làm việc tốt nhất tại điểm tiêu thụ khí nén. Nó không yêu cầu cung cấp năng lượng và dễ dàng lắp đặt vào đường ống khí nén. Nó là sự lựa chọn tuyệt vời trong các khu vực nguy hiểm. Nó không phù hợp để tách ẩm công suất lớn do số lượng không khí rò lọt lớn và nhạy cảm với ô nhiễm.
5. Máy sấy khí tách ẩm bằng hấp thụ
Hấp thụ là 1 quá trình hóa học trong đó hơi nước trong không khí nén được hấp thụ bởi 1 vật liệu hút ẩm (thu ẩm) thông qua 1 phản ứng hóa học.Trong hầu hết các ngành công nghiệp, chất hấp thụ dạng rắn được sử dụng. Chất hấp thụ thường được chế tạo ở dạng viên và được xếp trên 1 bình thẳng đứng. Không khí nén đi từ phía dưới của bình và chuyển động xuyên qua lớp hấp thụ. Hơi nước được hấp thụ 1 phần bởi lớp chất
hấp thụ này. Nước ngưng được thu về đáy bình chứa và được thải ra ngoài. Bởi vì lớp hấp thụ sẽ bị thấm ẩm, các tấm hấp thụ mới cần được thay thế định kỳ. Loại máy tách ẩm này chỉ có khả năng tạo ra áp suất đọng sương khoảng 15°C. Máy nén loại này chỉ được xem xét sử dụng trong các ứng dụng mà khả năng làm mát sâu hơn của không khí trong hệ thống phân phối là không thể. Nếu nhiệt độ không khí đi vào nhỏ hơn 30°C, với vật liệu tách ẩm trung bình có thể gây ra sự giảm áp suất quá mức cho phép.
