WesterntechVN – Nhược điểm lớn nhất của Máy Bơm Dâng Bằng Khí Nén là hiệu suất năng lượng thấp ($20\% \text{ đến } 25\%$ trên thực tế) và yêu cầu một lượng lớn khí nén để vận hành. Việc phân tích chính xác lượng khí nén cần thiết và công suất tiêu thụ là điều bắt buộc đối với mọi kỹ sư thiết kế. Điều này đòi hỏi phải dựa trên các nguyên tắc nhiệt động lực học, cụ thể là chu trình nén đẳng nhiệt – giả định lý tưởng cho quá trình nén khí.

Bài viết chuyên sâu này sẽ tập trung vào phân tích khía cạnh năng lượng và tiêu thụ khí nén. Chúng ta sẽ giải mã Công thức Suất Tiêu Hao Khí $q$ (7-17), hiểu rõ sự phụ thuộc của nó vào $H_{\text{dh}}$ và $\eta$, và cách sử dụng Hệ số Điều Chỉnh $k$ cho các điều kiện nhiệt độ khác nhau. Cuối cùng, chúng ta sẽ phân tích Công thức Hiệu Suất $\eta$ và tính toán Áp Suất Khí Nén ($p$) cần thiết để khắc phục độ ngập sâu $h$ và tổn thất áp suất.

Phần 1: Công Thức Suất Tiêu Hao Khí ($q$) và Phân Tích Chu Trình Đẳng Nhiệt

• 1.1. Suất Tiêu Hao Khí $q$ (Định nghĩa):
  • $q$ là thể tích khí (tính bằng $\text{m}^3$) cần thiết để dâng $1 \text{ m}^3$ nước lên độ cao $H_{\text{dh}}$ với hiệu suất và áp suất bơm sục khí trời đã cho.
• 1.2. Công Thức Tính $q$ Dựa Trên Chu Trình Đẳng Nhiệt (7-17):

• • Công thức được xây dựng dựa trên công tiêu hao của máy nén khí, giả định quá trình nén khí là đẳng nhiệt (nhiệt độ không đổi).

$$ q = \frac{H_{\text{dh}}}{23\eta_3 \cdot \log\left[ \frac{H_{\text{dh}} + 10}{10} \right]} \quad \mathbf{(7-17)}$$

• • Phân tích Tham số:
    • $H_{\text{dh}}$ (Chiều cao dâng): $q$ tỷ lệ thuận với $H_{\text{dh}}$.
    • $\eta_3$ (Hiệu suất của bơm): $q$ tỷ lệ nghịch với $\eta_3$. (Lưu ý: $\eta_3$ ở đây có thể là hiệu suất bơm sục khí).
    • $\log \left[ \frac{H_{\text{dh}} + 10}{10} \right]$: Biểu thị mối quan hệ áp suất nén (từ áp suất khí trời $10 \text{ m}$ cột nước) với độ sâu nâng.
• 1.3. Hệ Số Điều Chỉnh Nhiệt Độ ($k$) và Lượng Khí Cần Thiết ($W$):

• • Công thức (7-17) thường áp dụng cho điều kiện nhiệt độ tiêu chuẩn ($15 \text{ đến } 20^{\circ}C$).
  • Khi Nhiệt Độ Khác: Cần nhân thêm Hệ Số Điều Chỉnh $k$ (ví dụ: $k=1.2$ ở Trung Á).
  • Lưu lượng Khí Cần Thiết ($W$) (7-18):

$$ W = \frac{q \cdot Q_e}{60} \quad (\text{m}^3/\text{phút}) \quad \mathbf{(7-18)}$$

$Q_e$: Lưu lượng nước cần bơm ($\text{m}^3/\text{s}$). Công thức này cho phép tính toán công suất máy nén khí cần thiết.

Phần 2: Đánh Giá Hiệu Suất $\eta$ và Mối Quan Hệ Với Hệ Số Nhúng $K$

• 2.1. Công Thức Hiệu Suất Chung ($\eta$):
  • Hiệu suất của bơm sục khí dâng bằng khí nén:

$$ \eta = \frac{\gamma \cdot Q_e \cdot H_{\text{dh}}}{A}$$

$Q_e$: Lưu lượng nước cần bơm ($\text{m}^3/\text{s}$). $A$: Năng lượng khí nén cung cấp ($\text{kW}$).

• 2.2. Dải Hiệu Suất Thực Tế (40% đến 59%):
  • Bảng số liệu cho thấy hiệu suất $\eta$ dao động từ $0.59$ (59%) cho $H_{\text{dh}} < 15 \text{ m}$ đến $0.40$ (40%) cho $H_{\text{dh}} \approx 120 \text{ m}$ (Đây là hiệu suất bơm sục khí, không phải hiệu suất toàn hệ thống máy nén – bơm sục khí, vốn chỉ $20\% \text{ đến } 25\%$).
  • Xu hướng: $\eta$ giảm dần khi chiều cao dâng $H_{\text{dh}}$ tăng lên.
  • Lý do: Khi $H_{\text{dh}}$ tăng, tỷ lệ khí/nước cần thiết phải tăng lên, dẫn đến sự gia tăng lớn hơn về tổn thất năng lượng do ma sát và trượt giữa pha khí và pha lỏng.
• 2.3. Mối Quan Hệ Giữa $K$ và $\eta$:
  • Quan sát Bảng: Khi $H_{\text{dh}}$ tăng, Hệ số $K$ (tỷ lệ $h/H_{\text{dh}}$) giảm dần, và $\eta$ cũng giảm dần.
  • Kết luận Kỹ thuật: Để duy trì hiệu suất cao, cần giữ tỷ lệ độ ngập sâu $h$ tương đối cao so với chiều cao dâng $H_{\text{dh}}$ ($K$ lớn), đặc biệt đối với chiều cao nâng thấp.

Phần 3: Yêu Cầu Áp Suất Khí Nén ($p$) và Tổn Thất Áp Suất

• 3.1. Tính Toán Áp Suất Khí Nén Cần Thiết ($p$):

• • Khí nén phải có đủ áp suất để vượt qua áp suất thủy tĩnh tại miệng phun (độ ngập sâu $h$) và tổn thất áp suất trong ống dẫn.

$$ p = 0.1 \cdot (h + h_t) \quad (\text{at})$$

• • Tham số quan trọng:
    • $h$: Độ ngập sâu của miệng phun ($\text{m}$). Đây là áp suất thủy tĩnh chính cần phải thắng.
    • $h_t$: Tổn thất cột áp trong ống dẫn khí ($\text{m}$). Thường $h_t < 5 \text{ m}$ (tổn thất ma sát).
  • Phân tích: Áp suất $p$ tỷ lệ thuận với độ ngập sâu $h$. Việc thiết kế bơm sục khí cho giếng sâu sẽ đòi hỏi máy nén khí công suất cao và áp suất rất lớn.

Bơm Sục Khí là một hệ thống tiêu tốn năng lượng. Việc sử dụng Công thức $q$ (7-17) dựa trên chu trình đẳng nhiệt là bắt buộc để tính toán suất tiêu hao khí và xác định công suất máy nén ($W$). Mặc dù hiệu suất $\eta$ của bơm sục khí có thể đạt $59\%$ ở cột nước thấp, hiệu suất toàn hệ thống thường chỉ đạt $20\% \text{ đến } 25\%$. Kỹ sư phải tập trung vào việc duy trì Hệ số Nhúng Miệng Phun $K$ tối ưu và tính toán chính xác Áp suất Khí Nén $p$ để đảm bảo hoạt động an toàn và tiết kiệm năng lượng nhất có thể trong giới hạn của loại bơm này.