Lúc còn nhỏ chúng ta hay có một trò chơi là thổi một quả bóng sau đó thả nút thắt và cho nó bay khắp nhà, đó vừa là một trò chơi tuổi thơ cũng vừa là một bài học cơ bản về khí nén. Thực tế khí nén được áp dụng rất nhiều trong cuộc sống, từ các loại máy móc trong nhà máy, đến máy khoan tường, hay dụng cụ sơn xịt cũng đều sử dụng khí nén. Vậy làm thế nào để đơn giản là nén không khí rồi sau đó làm được như vậy? Hay là làm thế nào để một chiếc máy bay trực thăng có thể cất cánh? Tất cả đều dựa vào khoa học đơn giản về áp lực và cách tận dụng nguồn năng lượng của không khí khi bạn nén chúng lại. Hãy cùng xem xét kỹ hơn về vấn đề này.

Vậy khí nén là gì?

Khí nén là sự kết hợp giữa khoa học về áp suất sử dụng một bình chứa và một loại khí như là oxi, nito hay không khí để truyền lực và năng lượng.

Một số ứng dụng thực tế của khí nén mang đến nhiều lợi ích như các máy khoan sử dụng khí nén, các vòi phun xịt. Khí nén được chứa trong một bình lớn và trích xuất qua các đường ống nhỏ và dẫn đến các công cụ có cơ chế hoạt động dựa vào khí nén. Tương tự như khí nén, thuỷ lực cũng được áp dụng rộng rãi với cách thức hoạt động tương tự với đa dạng các ứng dụng như cần trục máy cẩu, cân thuỷ lực,….

Việc bạn thổi một lượng khí vào quả bóng lúc nãy hay nói theo phương diện vật lý thì bạn đã nén lượng khí đó vào quả bóng. Và sau đó bạn có thể sử dụng quả bóng đó với nhiều mục đích. Giả sử gắn quả bóng đó vào đuôi một chiếc ô tô đồ chơi, quả bóng đó sẽ đẩy chiếc ô tô đi. Theo một cách nói khác việc nén khí đó cũng tương tự như dự trữ năng lượng. Các nhà khoa học đã suy nghĩ và thực hiện việc sử dụng một loại năng lượng khác để nén không khí vào những bình và sau đó sử dụng làm nguồn năng lượng khí nén. Nó không khác gì việc chuyển đổi và dự trữ năng lượng.

Khí nén đã được ứng dụng và kết hợp trong rất nhiều loại công nghệ khác nhau như là hệ thống khí nén ở động cơ phản lực, máy hút bụi, hay máy pha cà phê. Có thể bạn sẽ chưa hiểu rõ được vai trò của khí nén trong những ứng dụng này. Những tin tôi đi, bài viết này sẽ giúp bạn hiểu một cách cơ bản về những ứng dụng đó thậm chí là còn nhiều nhiều những ứng dụng hay ho khác về khí nén, và làm thế nào để dự trữ năng lượng khí nén.

Máy nén khí hoạt động thế nào?

Như chúng ta đã tìm hiểu ở trên, để dự trữ được năng lượng khí nén chúng ta cần công cụ để nén khí lại gọi là máy nén khí. Gồm có 5 bước cơ bản để nén khí:

1. Sử dụng máy nén khí để tạo khí nén
2. Lưu trữ khí nén ở trong các bình chứa
3. Điều khiển khí nén bằng các van
4. Trích xuất sang các bình chưa khác
5. Sử dụng khí nén

Các máy nén thường sử dụng nguồn năng lượng phổ biến là điện để nén khí và sau đó sử dụng chúng bằng cách truyền qua các đường ống rồi tới các thiết bị truyền động. Việc sử dụng một hệ thống van điều khiển cũng là một yếu tố quan trọng giúp nâng cao lợi ích như là việc đảo chiều quay của động cơ.

Nếu chỉ đơn giản là nén khí và truyền đi thì thời gian đáp ứng của hệ thống đó rất chậm, giống như việc bạn bơm lốp xe, vậy cần một thời gian để áp lực được cung cấp đủ. Để cải thiện hơn, chúng ta sử dụng một hệ thống lưu trữ khí nén gốm nhiều bình chứa hay bể chứa khác nhau. Giúp cho việc đáp ứng diễn ra gần như ngay lập tức. Công việc còn lại là sử dụng các van để điều khiển các thiết bị chấp hành đó.

Máy nén khí

Máy nén khí là cỗ máy nén không khí bình thường dưới áp suất khí quyển của trái đất thành 7 đến 10 lần (tính theo đơn vị khoa học là 7-10 atmospheres, 700-1000 kPa hay 100-150 psi). Để dễ dàng tưởng tượng thì áp suất trong một chai rượu sâm banh cao hơn bên ngoài cỡ 25-30%, còn áp suất trong lốp xe hơi cao hơn 2 đến 3 lần. Đó cũng chỉ một phần nhỏ của khí nén, để thực hiện một công việc hữu ích chúng ta sử dụng lượng khí nén nhiều hơn như vậy rất nhiều.

Để có một hệ thống sử dụng khí nén thì máy nén đóng vai trò đầu tiên đưa một lượng không khí nén vào một không gian nhỏ. Điều quan trọng là không khí không mang năng lượng giống như xăng dùng để đốt. Máy nén khí đơn giản là công cụ để chuyển đổi từ dạng năng lượng này thành dạng năng lượng khác, thường sẽ sử dụng động cơ điện, hoặc có thể động cơ đốt trong dùng xăng hay dầu. Việc máy nén khí làm là chuyển động điện năng hay nhiên liệu đốt thành dạng khí nén dữ trữ. Tôi có một bài viết riêng về máy nén khí và máy bơm, bạn có thể tìm hiểu them về chúng ở đó.

Các thiết bị truyền động hay động cơ sử dụng khí nén

Các thiết bị truyền động được hiểu như là các công cụ dùng để làm một việc gì đó mang ý nghĩa chuyển động. Ví dụ như một cánh tay cơ khí sử dụng các pít tông khí nén ra vào hay một băng tải trong nhà máy nâng hạ các vật dụng. Thường thì các thiết bị truyền động chỉ di chuyển theo phương thẳng với trục của nó, chúng có những pít tông trượt ở trong xi lanh khi đẩy khí nén vào và kéo ra. Chúng biến năng lượng khí nén dự trữ thành dạng chuyển động.

Một dạng động cơ khác hoàn toàn với các động cơ mà chúng ta thường thấy sử dụng xăng hoặc dầu, động cơ khí nén sử dụng khí nén được lưu trữ, nó hoạt động tương tự như các tua bin. Khí nén được đẩy qua các rãnh bố trí xung quanh trục động cơ làm cho động cơ quay. Biến động cơ đó thành một máy khoan, máy đánh bóng, máy mài theo từng mục đích sử dụng. Chúng ta tường thấy loại động cơ này ở các tiệm sửa xe hay ở các phòng nha khoa.

Chúng ta có thể sử dụng khí nén để làm gì?

Bạn có thể kết hợp với khí nén bằng rất nhiều cách và cho rất nhiều các mục đích khác nhau. Hãy nghĩ xem những gì bạn có thể làm với một động cơ điện, thậm chí với khí nén bạn còn có thể làm nó tốt hoặc tốt hơn so với loại động cơ khác. Trong một số trường hợp sử dụng động cơ khí nén có nhiều lợi thế hơn là sử dụng các loại động cơ thông thường.

Một số ví dụ cụ thể trong ngành công nghiệp, hệ thống khí nén được áp dụng vào các robot phun sơn, tương tự là các máy cắt thuỷ lực. Các dây chuyền sản xuất còn áp dụng khí nén như một công cụ gắp các vật dụng bằng cách hút và giữ chúng và sau đó thả ở một nơi khác. Vắt sữa bò cũng sử dụng bộ vắt tương tự, nhiêu đó đủ để chúng ta thấy ứng dụng rộng rãi của khí nén đến cỡ nào.

Trong lịch sử đã từng xuất hiện các ống vận chuyển bằng khí nén, được các ngân hàng, bệnh viện, quán ăn vận chuyển từ toà nhà này sang toà nhà khác một cách an toàn.

Ngoài những tác động tích cực ra thì trong một số hệ thống khác khí nén còn có tác dụng làm hãm lại chuyển động, ví dụ như hệ thống phanh các xe cỡ lớn, tàu hoả. Nó dùng khí để truyền lực tác dụng lên má phanh.

Lựa chọn khí nén hay thuỷ lực?

Như chúng ta thấy, khí nén và thuỷ lực đều sử dụng dòng các chất để truyển đi năng lượng dự trữ trong đó. Cả hai đều rất phù hợp để làm chuyển động các cơ cấu truyền động. Các hai đều có những công dụng nhất định và rất đa dạng mọi ngành. Vậy nếu chúng ta thay thế thuỷ lực bằng khí nén và ngược lại có được không? Hay tại sao chọn khí nén mà không phải thuỷ lực?

Sức mạnh

Khí nén thường được ưa chuộng trong nhữung công việc đòi hỏi tốc độ đáp ứng nhanh, cần hấp thụ lực khi va chạm, công suất trung bình và không quan trọng đến độ chính xác. Còn hệ thống thuỷ lực lại được ưa chuộng ở những công việc cần sức mạnh lớn, độ chính xác cao tuy nhiên tốc độ đáp ứng lại tương đối chậm. Và những ứng dụng có sự thay đổi về nhiệt độ hoặc áp suất không khí đều không ảnh hưởng đến thuỷ lực nhưng lại luôn ảnh hưởng đến hệ thống khí nén.

Độ chính xác

Khí nén nói chung có độ chính xác kém hơn so với thuỷ lực, bởi sự khó đo đếm của không khí làm chúng hoạt động kém hiệu quả. Và bản thân khí nén cũng cần một lượng điện để chạy máy nén và khí nén cũng bị rò rỉ ra bên ngoài theo thời gian.

Điều khiển

Động cơ điện nước thường rất nặng, khi hoạt động nó sẽ có quán tính lớn và lúc khởi động hay dừng lại cũng cần một lực tạo đà hay hãm cho nó. Có nghĩa là cần nhiều thời gian để hoạt động tối đa hay dừng lại và đảo chiều. Còn những động cơ sử dụng khí nén có khối lượng nhỏ, dễ dàng khởi động, dừng lại và đảo chiều một cách nhanh chóng.

Tiện ích

Các công cụ khí nén sử dụng áp suất thấp hơn và lực nhỏ hơn vì thế chúng được chế tạo nhỏ gọn hơn và dễ dàng sử dụng trong các thiết bị cầm tay. Công cụ khí nén có thể được làm từ nhựa, còn các máy thuỷ lực cần được chế tạo từ kim loại để đối phó với lực và áp suất cao hơn.

Độ an toàn

Không giống như năng lượng điện, khí nén và thuỷ lực an toàn hơn khi không có nguy cơ xảy ra các vụ nổ tia lửa điện hoặc rò rỉ điện ở nơi làm việc. Thuỷ lực và khí nén đều xảy ra hiện tượng rò rỉ nhưng do mức áp suất cao hơn nên thuỷ lực thường kém an toàn hơn khí nén. Vì thế các hệ thống thuỷ lực được làm rất kiên cố tránh xảy ra các vụ nổ.

Lịch sử phát triển của khí nén

• ~2000 năm trước công nguyên: Các máy thổi được phát minh để việc tạo ra lửa được dễ dàng hơn. Máy thổi được cấu tạo từ một lớp da bọc, khi ấn lên xuống sẽ tạo ra gió.
• ~350 năm trước công nguyên: Aristotle (384-382 trước công nguyên) đặt ra nguyên lý “tự nhiên tạo ra chân không” để nói về áp suất không khí rất hữu ích. Người Hy Lạp cổ gọi từ khí nén là “pneumatikos” nghĩa là chạy bằng không khí
• ~50 năm trước công nguyên: Hero of Alexandria phát triển một số máy móc chạy bằng hơi nước hoặc không khí gồm một động cơ hơi nước đơn giản và quạt quay bằng gió.
• Thời Trung cổ: Máy thổi từ da được phát minh ra, ban đầu dùng cho thợ rèn, sau này chúng được dùng như nguồn năng lượng khí nén.
• 1654: Nhà vật lý người Đức Otto von Guericke (1602-1686) phát triển máy bơm chân không. Anh chứng tỏ sức mạnh của mình bằng cách bơm chân không vào trong 2 nửa quả cầu và để cho 2 đội kỵ binh kéo. Và chúng không thể tách nhau ra.
• 1700: FrenchMan Denis Papon (1647-1713) sử dụng một bánh xe chạy bằng nước để nén khí và dẫn chúng vào máy (công việc này đã giúp người khác phát triển ra động cơ hơi nước và tàu ngầm)
• ~1799: William Murdoch một kỹ sư người Scotland (1754-1839) lần đầu tiên đề xuất ý tưởng vận chuyển bằng ống khí nén.
• 1799: Kỹ sư người Anh George Medlhust (1759-1827) đề xuất một tuyển đường sắt sử dụng khí nén thay vì hơi nước và một động cơ khí nén được gọi là aeilian.
• 1865: Nhà phát minh người Anh George phát triển máy khoan đá bằng khí nén cùng với bơm pít tông đập búa xuống đất. Một năm sau đó đã được đưa ra để đào đường hầm Hoosac ở Massachusetts, Hoa Kỳ
• 1869: Kỹ sư George Westinghouse (1846-1914) được cấp bằng sáng chế cho phanh đường sắt bằng khí nén.
• 1879: William Stickney Lamson đã khơi lại ý tưởng vận chuyển bằng khí nén của William Murdoch và được gọi là ống Lamson.
• 1960s: Máy nén chất lỏng được phổ biến
• 2013: Nhà phát minh người Mỹ Elon Musk đề xuất Hyperloop, một loại tàu chở người sử dụng ống khí nén khổng lồ chạy dưới đất.