Trước khi phanh khí nén ra đời, các đoàn tàu hỏa sử dụng một hệ thống phanh thô sơ cần có người điều khiển ở mỗi toa (gác hãm, gác phanh) để kéo tay phanh khi có hiệu lệnh của lái tàu. Kiểu phanh thô sơ và kém hiệu quả này sau đó được thay thế bằng hệ thống phanh nén khí trực tiếp.

Các xe đầu kéo, xe buýt và tàu hỏa đều sử dụng phanh khí nén mà không lựa chọn phanh thủy lực bởi vì khi có hiện tượng rò rỉ, dầu phanh có thể bị chảy hết khỏi hệ thống hãm, còn phanh khí nén không bị như vậy. Mặt khác, các phương tiện vận tải hạng nặng (cả người và hàng hóa) yêu cầu về độ an toàn rất cao, một đoàn tàu với tải trọng hàng nghìn tấn hàng hóa, hàng trăm hành khách, với động năng lớn, tốc độ cao, sẽ trở thành đoàn tàu "tử thần"  khi dầu phanh bị rò rỉ.

Mặt cắt dọc phanh khí nén.

Sử dụng hệ thống phanh nén khí trực tiếp, tức là sử dụng một máy nén khí cung cấp khí nén thông qua một đường ống dẫn vào bình chứa khí của mỗi toa tàu. Khi lái tàu nhấn phanh, các đường ống được nạp đầy khí nén để ép cứng các "má" phanh.

Năm 1869, một kỹ sư tên là George Westinghouse đã nhận ra tầm quan trọng của tính an toàn đối với ngành công nghiệp ĐS non trẻ lúc bấy giờ đã sáng chế ra hệ thống phanh khí nén sử dụng van ba ngả (còn gọi là van 3 cửa) đầu tiên, dùng cho xe chở khách chạy trên đường ray. Phanh của Westinghouse có nguyên lý hoạt động ngược hẳn so với hệ thống phanh khí nén trực tiếp. Van 3 ngả có 3 cửa nối với 3 đường khí khác nhau: một cửa dành cho ống dẫn chính từ bình tích khí, một cửa dẫn tới các xi lanh công tác của cơ cấu phanh và cửa còn lại thông với các bình chứa phụ; và như vậy, một hệ thống "can 3 ngả" sẽ thực hiện các chức năng sau: Nạp khí: hệ thống cần được nạp đầy khí nén thì mới có thể nhả phanh; nghĩa là khi đoàn tàu không hoạt động, nó luôn trong tình trạng được phanh. Chỉ khi áp suất trong hệ thống đạt tới mức thích hợp (thông thường là 5 kg/cm2) thì cơ cấu phanh mới thôi tác dụng, tàu hỏa sẵn sàng khởi hành. Hãm phanh: khi lái tàu kéo (đạp) phanh thì áp suất trong hệ thống sẽ giảm xuống. Khi lượng khí trong hệ thống giảm thì "van 3 ngả" sẽ cho phép khí hồi về các bình chứa, cơ cấu hãm sẽ thực hiện chức năng phanh (hãm tàu). Nhả phanh: sau khi thực hiện tác dụng phanh, một lượng khí nén sẽ bị xả ra ngoài, sau đó áp suất trong hệ thống được tăng để nhả phanh. Thay vì dùng lực cơ học hay áp suất khí nén trực tiếp để tác dụng phanh giống như phanh thủy lực hiện nay. George Westinghouse sử dụng một bình chứa luôn được cung cấp đầy khí nén ở áp suất công tác để nhả phanh. Nói cách khác, chế độ phanh trong hệ thống "van 3 ngả" luôn được duy trì hoàn toàn cho đến khi có một lượng khí nén bị đẩy ra ngoài không khí. Điểm an toàn nhất ở đây là giả sử toàn bộ khí nén bị rò rỉ hết ra ngoài thì mặc nhiên cơ cấu phanh sẽ được kích hoạt một cách tự động và cả đoàn tàu được hãm lại. Trong khi đó, nếu sử dụng phanh thủy lực, khi dầu phanh bị rò rỉ hết ra ngoài thì thực sự là một thảm họa

Đối với ngành chế biến thực phẩm, hệ thống cung cấp khí nén có vai trò khá quan trọng, hệ thống này thường tiêu tốn năng lượng khá lớn. Tuy vậy, việc sử dụng năng lượng hiệu quả ở khâu quan trọng này vẫn chưa được nhiều doanh nghiệp (DN) quan tâm. Ông Phạm Huy Phong, Trưởng Phòng Kỹ thuật Trung tâm Tiết kiệm Năng lượng TPHCM (ECC), phân tích: Nhiều DN lãng phí năng lượng ở khâu này là do chưa sử dụng hợp lý áp suất máy nén khí, dẫn đến lãng phí năng lượng.
Thực trạng thường thấy

Khảo sát hệ thống khí nén ở một DN sử dụng 2 máy nén khí trục vít hiệu Atlas Copco công suất điện 30 KW. Hai máy hoạt động luân phiên mỗi ngày và thời gian vận hành trong ngày là liên tục 24 giờ. Hai máy có chung một bình chứa khí nén thể tích 1,7 m3 và có chung đường ống phân phối khí nén. Khí nén được cài đặt trong khoảng 5,5 -6,5 kg/cm2.

Khí nén được DN này sử dụng cho các nhu cầu sau: Chủ yếu cung cấp cho các lò thanh trùng với áp suất khoảng 1,5 kg/cm2 trong suốt thời gian thanh trùng. Phần này chiếm khoảng 80% tổng nhu cầu khí nén.

Cung cấp khí nén phun sương hơi nước làm nguội cá sau khi hấp trong phòng làm nguội. Phần này chiếm khoảng 10% tổng nhu cầu khí nén.

Cung cấp khí nén cho các cơ cấu chấp hành khí nén trong dây chuyền chế biến cá. Phần này chiếm khoảng 10% tổng nhu cầu khí nén.

Vấn đề bất cập ở đây là: Khí nén được tạo ra từ máy nén khí ở áp suất 5,5 – 6,5 kg/cm2, tuy nhiên 80% lượng khí nén này được đưa vào sử dụng cho các lò thanh trùng chỉ ở áp suất 1,5 kg/cm2. Cần phải cài đặt áp suất khí nén ở mức cao là vì phải bảo đảm đủ cung cấp khí nén cho các lò thanh trùng ngay cả khi có một số lò trùng nhau về thời điểm bắt đầu thanh trùng. Tức là ngay cả những lúc xảy ra sự đột biến tăng về nhu cầu khí nén. Do lưu lượng khí nén trong trường hợp áp suất cao hay thấp khi sử dụng cho các lò thanh trùng đều như nhau nên việc cài đặt áp suất khí nén ở áp suất cao về mặt lý thuyết sẽ làm gia tăng công nén, gây lãng phí năng lượng cho hệ thống nén khí.

Cách hợp lý hóa áp suất máy nén khí

Sau khi khảo sát, chuyên viên ECC đã đưa ra giải pháp. Tách riêng phần khí nén dùng phun sương (10%) và phần khí nén cung cấp cho các cơ cấu chấp hành (10%) với phần khí nén cho các lò thanh trùng (80%) theo phương án sau:

Phần khí nén cung cấp cho các lò thanh trùng được cung cấp riêng biệt từ 1 máy nén hiện tại.

Phần khí nén cung cấp cho các cơ cấu chấp hành có thể có được bằng 2 cách: Sử dụng 1 máy nén còn lại (cài đặt ở 5,5-6,5 kg/cm2) hoặc đầu tư riêng một máy nén nhỏ có năng suất vừa đủ (máy khoảng 5Hp).

Phần khí nén cung cấp cho phun sương: Sử dụng chung máy nén còn lại hiện tại (cài đặt ở 5,5 - 6,5 kg/cm2) hoặc sử dụng chung máy nén đầu tư riêng thêm (lúc này cần máy có công suất điện khoảng 10 Hp) hoặc dùng các máy nén nước trực tiếp dùng cho việc phun sương (công suất khoảng 3 Hp).

Cài đặt áp suất hệ thống khí nén phần cung cấp cho các lò thanh trùng từ 5,5-6,5 kg/cm2 xuống 1,5-2,5 kg/cm2.

Thay thế động cơ máy nén cung cấp cho các lò thanh trùng từ công suất điện 30 KW xuống còn 18,5 KW hoặc giữ nguyên động cơ 30 KW nhưng lắp đặt biến tần điều khiển công suất động cơ.

Phương án thay đổi này, chi phí đầu tư là 110 triệu đồng. Trong khi đó, mỗi năm DN tiết kiệm được 76 triệu đồng. Như vậy, chỉ sau 17 tháng DN thu hồi được vốn đầu tư.