Khí nén là gì? Khí nén dùng để làm gì? Các loại khí nén

Khí nén là gì? Đó là không khí được nén lại dưới áp suất cao để tạo ra năng lượng cho máy móc hoạt động. Đây là nguồn năng lượng sạch, an toàn và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, y tế, xây dựng, vận tải… Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn hiểu rõ: khí nén dùng để làm gì trong thực tế, ưu điểm ra sao và hiện có những loại khí nén phổ biến nào.

Khí nén là gì?

Khí nén là không khí được nén lại dưới áp suất cao để tạo ra năng lượng, giúp vận hành các thiết bị hoặc máy móc. Về bản chất, đây là quá trình chuyển đổi năng lượng từ không khí tự nhiên thành năng lượng dự trữ (thế năng). Nguồn khí nén thường được tạo ra với mức áp suất phổ biến khoảng 3.000 psi hoặc 3.600 psi.

Khí nén tiếng Anh là gì?

Trong tiếng Anh, “khí nén” thường được gọi là “Pneumatic”, đặc biệt khi nói đến các thiết bị hoặc hệ thống vận hành bằng khí nén (ví dụ: pneumatic system – hệ thống khí nén). Ngoài ra, bạn cũng có thể bắt gặp cụm từ “Compressed Air”, dùng để chỉ không khí đã được nén lại dưới áp suất cao.

Cả hai cụm từ này đều được sử dụng phổ biến trong tài liệu kỹ thuật và sản xuất.

Khí nén hoạt động như thế nào?

Hệ thống khí nén tạo ra lực cơ học bằng cách sử dụng không khí nén để vận hành các thiết bị tự động. Quá trình này diễn ra qua 4 bước chính như sau:

• Hút và nén khí: Máy nén hút không khí từ môi trường, sau đó nén lại để giảm thể tích và tăng áp suất. Khi bị nén, các phân tử khí chuyển động nhanh hơn, sinh ra nhiệt và năng lượng (hiện tượng nhiệt nén).
• Xử lý khí: Khí nén sau khi nén sẽ đi qua bộ lọc để loại bỏ bụi, hơi dầu và các tạp chất khác. Máy sấy khí sẽ tiếp tục loại bỏ hơi nước nhằm tránh ăn mòn hệ thống.
• Lưu trữ và phân phối: Khí đã xử lý được chứa trong bình tích áp để đảm bảo áp suất ổn định và cung cấp liên tục. Bình chứa cũng giúp giảm tải cho máy nén và kéo dài tuổi thọ hệ thống.
• Vận hành thiết bị: Cuối cùng, khí nén được dẫn qua đường ống, đi đến các thiết bị như xi lanh, pít tông hoặc các dụng cụ dùng hơi để thực hiện công việc cụ thể.

Các thành phần chính của hệ thống khí nén

Hệ thống khí nén gồm nhiều bộ phận phối hợp để tạo ra, xử lý và cung cấp khí nén cho các thiết bị. Dưới đây là những thành phần cơ bản nhất:

• Máy nén khí: Là bộ phận trung tâm, có nhiệm vụ hút và nén không khí. Các loại phổ biến gồm: piston, trục vít, ly tâm, cánh gạt, xoắn,…
• Van một chiều: Kết nối giữa máy nén và bình chứa, cho phép khí đi một chiều vào bình và ngăn không cho khí chảy ngược lại.
• Bình tích áp (bình đệm): Dùng để lưu trữ khí nén, ổn định áp suất và đảm bảo nguồn khí được cung cấp liên tục cho hệ thống.
• Bộ điều áp và đồng hồ đo: Giúp kiểm soát áp suất khí đầu ra và hiển thị mức áp suất (PSI) để dễ theo dõi.
• Đường ống dẫn khí: Dẫn khí nén từ nguồn đến các thiết bị sử dụng. Ống thường có đường kính lớn để đảm bảo luồng khí đủ mạnh và ổn định.
• Bộ truyền động: Là các thiết bị nhận năng lượng từ khí nén để thực hiện công việc, như xi lanh, pít tông,…
• Máy sấy khí: Loại bỏ hơi ẩm còn sót lại trong khí nén, tránh gây rỉ sét và hư hại cho thiết bị.
• Bộ lọc khí: Giúp loại bỏ bụi bẩn, nước và dầu còn lẫn trong khí nén, đảm bảo khí đầu ra sạch và an toàn cho thiết bị.
• Hệ thống làm mát: Giúp giảm nhiệt sinh ra trong quá trình nén, bảo vệ máy móc và giữ hiệu suất làm việc ổn định.

Đặc điểm của khí nén

Khí nén là một nguồn năng lượng phổ biến nhờ vào nhiều đặc điểm nổi bật. Dưới đây là những điểm đáng chú ý nhất:

• Thành phần tự nhiên: Không khí nén là hỗn hợp từ môi trường, gồm khoảng 78% nitơ, 21% oxy và một lượng nhỏ các khí khác như argon, CO₂, neon,…
• Nguồn năng lượng sẵn có: Được lấy từ không khí tự nhiên nên khí nén gần như vô tận, bền vững và thân thiện với môi trường. Sau khi sử dụng, khí sẽ trở lại môi trường mà không gây ô nhiễm.
• An toàn, không gây cháy nổ: Khí nén không độc, không cháy nên đặc biệt phù hợp với môi trường dễ cháy như hầm mỏ, kho dầu, nơi điện và gas có thể nguy hiểm. Áp suất thông thường chỉ khoảng 6 bar, giảm thiểu nguy cơ tai nạn.
• Dễ lưu trữ và vận chuyển: Có thể nén và chứa trong bình, dẫn qua đường ống mà không bị ảnh hưởng bởi trọng lượng hay điều kiện bên ngoài. Nhờ đó, hệ thống có thể hoạt động ổn định mà không cần nén khí liên tục.
• Ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ: Do là không khí nên khí nén ít chịu tác động bởi môi trường xung quanh. Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả, nên dùng trong khoảng 0-99°C.
• Tốc độ phản hồi nhanh: Khi sử dụng trong các thiết bị như xi lanh, khí nén có thể đạt vận tốc khoảng 1-2 m/s, cho khả năng làm việc nhanh và linh hoạt.
• Sạch và đảm bảo vệ sinh: Trước khi nén, không khí được lọc tạp chất, đảm bảo khí đầu ra sạch phù hợp cho các ngành yêu cầu cao như thực phẩm, y tế, nha khoa.
• Chi phí đầu tư hợp lý: Dù chi phí vận hành cao hơn điện, nhưng thiết bị khí nén thường rẻ hơn, bền, ít hỏng vặt và tiết kiệm chi phí bảo trì trong dài hạn.

Các loại khí nén

Khái niệm “các loại khí nén” có thể được hiểu theo hai khía cạnh chính trong các nguồn đã cung cấp: thành phần cấu tạo của khí nén và các loại máy dùng để tạo ra khí nén.

Dựa trên thành phần khí nén

Khí nén là không khí tự nhiên được nén lại dưới áp suất cao. Thành phần chính gồm:

• Nitơ (N₂) chiếm khoảng 78%, là khí trơ, an toàn, không gây cháy nổ.
• Oxy (O₂) chiếm khoảng 21%, ít quan trọng trong công nghiệp nhưng cần trong y tế.
• Các khí khác (~1%) gồm Argon, CO₂, Hydro, HFC, Neon…
• Hơi nước dễ gây ăn mòn, cần được loại bỏ trước khi sử dụng.
• Tạp chất, bụi bẩn được loại bỏ qua bộ lọc khí để đảm bảo khí nén sạch.

Tùy vào nhu cầu sử dụng (y tế, thực phẩm, công nghiệp…), thành phần khí nén có thể được điều chỉnh cho phù hợp.

Dựa trên loại máy nén khí

Khí nén được tạo ra bằng máy nén khí thiết bị hút và nén không khí từ môi trường. Một số loại phổ biến:

• Máy nén khí Piston dùng piston để nén khí, phù hợp với hệ thống nhỏ hoặc cần áp cao.
• Máy nén khí Trục vít hoạt động ổn định, hiệu quả cao, dùng trong nhà máy.
• Máy nén khí Ly tâm chuyên dùng cho công nghiệp lớn, cần khí nén liên tục.
• Máy nén Cánh gạt, Dạng xoắn, Cánh răng mỗi loại có đặc điểm phù hợp với ứng dụng khác nhau.
• Máy nén khí Cao áp dùng trong y tế, lặn biển, hoặc các lĩnh vực cần khí tinh khiết.
• Máy nén có dầu & không dầu phân loại dựa trên việc có sử dụng dầu bôi trơn hay không.

Sau khi được nén, khí cần đi qua các thiết bị như bộ lọc khí, máy sấy khí, bộ tách dầu trước khi đưa vào bình tích áp, đảm bảo chất lượng và độ an toàn khi sử dụng.

Khí Nén Dùng để Làm Gì? Ứng dụng của khí nén

Khí nén được xem là “tiện ích thứ tư” trong công nghiệp, chỉ sau điện, nước và nhiên liệu. Nhờ tính an toàn, hiệu quả và linh hoạt, khí nén được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Dưới đây là những ứng dụng phổ biến nhất:

Trong công nghiệp và sản xuất

• Vận hành thiết bị: Cung cấp năng lượng cho máy cắt, máy khoan, máy dập, máy ép, robot công nghiệp, dây chuyền tự động, súng bắn đinh, súng siết bulong, phun sơn…
• Vận chuyển và xử lý vật liệu: Thổi, đẩy, cắt, khoan vật liệu, vận chuyển hạt, bột, hoặc sản phẩm rời.
• Bảo trì và làm sạch: Thổi bụi, xì khô, làm sạch bề mặt, phun cát, vệ sinh máy móc.
• Lắp ráp và đóng gói: Vận hành hệ thống hút đóng bao bì, chân không, đóng chai.
• Kiểm tra kỹ thuật: Dùng trong đo áp suất, kiểm tra rò rỉ hoặc điều khiển chính xác lưu lượng khí.

Trong các ngành cụ thể

• Chế tạo – cơ khí: Điều khiển máy cắt nhôm, súng phun sơn, nâng hạ hàng hóa, robot công nghiệp.
• Y tế và dược phẩm: Vận hành máy thở, khoan nha khoa, khử trùng, cung cấp khí cho thiết bị y tế và phòng thí nghiệm.
• Thực phẩm – đồ uống: Dùng khí sạch để sục nước, vận hành máy đóng chai, đóng gói chân không, sấy khô, vận chuyển nguyên liệu.
• Khai khoáng: Thông gió hầm mỏ, máy khoan, búa đục, thăm dò địa chất, vận hành bơm và thiết bị truyền động.
• Giao thông – sửa chữa xe: Phanh hơi, cầu nâng, máy ra vào lốp, bơm mỡ, thổi bụi, hệ thống treo khí nén cho ô tô – xe buýt.
• Xây dựng: Máy khoan khí nén, súng bắn đinh, công cụ khí nén cầm tay.
• Dệt may: Điều khiển máy dệt, kẹp vải, điều chỉnh máy tự động.
• Điện tử: Sản xuất linh kiện điện tử, máy tính, bảng mạch – từ thế kỷ 19 đến nay.

Trong đời sống hàng ngày

• Gia đình: Điều khiển máy điều hòa, sưởi ấm không gian.
• Âm nhạc: Đàn organ ống, đàn piano hơi.
• Bơm và thổi phồng: Bơm lốp xe, bóng bay, bơm phao.
• Vệ sinh thiết bị: Thổi bụi bàn phím, máy ảnh, máy tính.
• Giải trí – thể thao: Bình nén khí CO₂ dùng trong bắn súng hơi, sản xuất bia thủ công…

Lịch sử phát triển của khí nén

Khí nén đã được con người ứng dụng từ rất sớm trong sản xuất công nghiệp. Tuy nhiên, phải đến thế kỷ 19, công nghệ khí nén mới thực sự phát triển mạnh mẽ và mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác nhau. Cùng điểm qua các cột mốc đáng chú ý:

• Thế kỷ 19: Đây là giai đoạn khí nén bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong ngành đóng tàu và cơ khí. Một số ứng dụng tiêu biểu bao gồm:
  • Vận hành các thiết bị như máy đẩy, máy khoan, máy cắt, máy mài và phun cát.
  • Khí nén giúp cải thiện đáng kể năng suất và độ chính xác trong sản xuất.
  • Cuối thế kỷ 19, khí nén còn được dùng trong sản xuất bóng đèn điện, hỗ trợ quá trình lắp ráp và nâng cao chất lượng sản phẩm.
• Thế kỷ 20: Công nghệ khí nén tiếp tục phát triển và được ứng dụng rộng rãi hơn, từ ngành công nghiệp ô tô đến chế biến thực phẩm, xây dựng và điện tử.
• Ngày nay: Khí nén đã trở thành một phần không thể thiếu trong sản xuất hiện đại. Nó góp phần đảm bảo an toàn, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả vận hành trong nhiều ngành công nghiệp.

Như vậy, công nghệ khí nén đã trải qua một quá trình phát triển lâu dài và liên tục được cải tiến để đáp ứng nhu cầu sản xuất ngày càng cao. Đây là nền tảng quan trọng giúp các ngành công nghiệp vận hành hiệu quả, linh hoạt và bền vững hơn.

Kết luận

Tổng kết lại, khí nén không chỉ là công cụ hỗ trợ sản xuất mà còn hiện diện trong nhiều khía cạnh của cuộc sống hiện đại. Mình đã tổng hợp đầy đủ những thông tin cần thiết về định nghĩa, ứng dụng và phân loại khí nén trong bài viết này. Mong rằng kiến thức này sẽ hữu ích cho bạn trong học tập hoặc công việc. Chúc bạn áp dụng thành công!

Xem thêm:

• Sơ đồ lắp đặt hệ thống máy nén khí tiêu chuẩn
• Hệ thống khí nén là gì? Cấu tạo, ứng dụng và sơ đồ nguyên lý hệ thống khí nén

Ngô Văn Hùng