WesterntechVN – Phân Tích Nguyên Lý Lệch Tâm và Sáng Tạo Ngăn Chân Không (A, B) và Khoang Chứa (a), Giải Mã Công Thức Lưu Lượng Khí/Ga (7-8) và Lưu Lượng Thực Tế (7-9), Đánh Giá Sự Cần Thiết Của Bổ Sung Nước/Tản Nhiệt trong Bơm Vòng Nước
Trong kỹ thuật xử lý khí và tạo chân không, Bơm Rô-to có hai đại diện quan trọng hoạt động dựa trên nguyên lý lệch tâm để tạo ra sự thay đổi thể tích: Bơm Vòng Nước (Liquid Ring Pump) và Bơm Rô-to Cánh Trượt (Sliding Vane Rotary Pump). Cả hai đều sử dụng chuyển động quay để tạo ra các khoang có thể tích thay đổi, nhưng cơ chế làm kín và môi chất hoạt động lại hoàn toàn khác nhau. Bơm vòng nước thường dùng để tạo chân không sâu ($0.8 \text{ đến } 0.9 \text{ at}$) cho các hệ thống phức tạp, còn bơm cánh trượt dùng để bơm chất lỏng/khí có áp suất từ $1.5 \text{ đến } 10 \text{ at}$.
Bài viết chuyên sâu này sẽ đi sâu vào nguyên lý lệch tâm và sự sáng tạo thể tích trong cả hai loại bơm. Chúng ta sẽ giải mã chi tiết cơ chế tạo vòng nước và ngăn hút/đẩy (Hình 7-8) và chu trình dịch chuyển cánh trượt (Hình 7-9). Đồng thời, chúng ta sẽ phân tích công thức lưu lượng (7-8) và (7-9) và giải thích tại sao hiệu suất chung của bơm vòng nước lại rất thấp ($\eta = 0.2 \text{ đến } 0.3$), cũng như sự cần thiết của việc bổ sung nước/tản nhiệt trong quá trình vận hành.
1. Bơm Vòng Nước (Liquid Ring Pump) – Cơ Chế Chân Không và Sáng Tạo Ngăn
- 1.1. Cấu Tạo và Nguyên Lý Hoạt Động (Hình 7-8):
- Cấu tạo: Bánh xe công tác (BXCT) $2$ đặt lệch tâm so với vỏ trụ $8$. Cửa hút $A$ và cửa đẩy $B$ có dạng lưỡi liềm được bố trí ở nắp bơm.
- Tạo Vòng Nước: Khi BXCT quay, nước trong trụ bị lực ly tâm bắn ra, tạo thành một vòng nước $7$ (lớp chất lỏng đồng tâm với vỏ trụ). Vòng nước này đóng vai trò là pít-tông chất lỏng để làm kín và dịch chuyển thể tích.
- 1.2. Chu trình Hút và Đẩy (Tạo Ngăn Khí):
- Do lệch tâm, vòng nước $7$ tiếp xúc với đỉnh ống lót $C$ của BXCT ở phần trên, và tạo ra các ngăn không khí $1, 2, 3, 4, 5, 6$ giữa các cánh.
- Ngăn Hút ($1, 2, 3$): Thể tích các ngăn tăng dần (khi cánh quay xa tâm vỏ), tạo ra chân không, hút khí từ ống hút qua cửa $A$ vào khoang.
- Ngăn Đẩy ($4, 5, 6$): Thể tích các ngăn giảm dần (khi cánh quay gần tâm vỏ), nén khí và đẩy khí qua cửa ra $B$ vào ống đẩy.
- 1.3. Công Thức Lưu Lượng Khí/Ga (7-8):
- Lưu lượng khí/ga được bơm $Q$ phụ thuộc vào thể tích dịch chuyển hình học trong một vòng quay.
$$ Q = \frac{\pi}{4} \left[ (D_1 – 2a)^2 – D^2_0 \right] – Z(l_1 – a)\delta \frac{b \cdot n}{60} \eta_q \quad (\text{m}^3/\text{s}) \quad (7-8)$$
-
- Tham số quan trọng:
- $D_1, D_0$: Đường kính BXCT và ống lót.
- $a$: Độ sâu nhúng cánh vào vòng nước (liên quan đến độ lệch tâm).
- $Z, b, \delta, l_1$: Số cánh, bề rộng, bề dày và chiều dài cánh.
- Yêu cầu Vận Hành: Cần liên tục bổ sung đủ nước do một phần bị đẩy ra ống đẩy, và cần tản nhiệt do quá trình nén khí sinh nhiệt.
- Tham số quan trọng:
- 1.4. Nhược Điểm Hiệu Suất: Hiệu suất chung của bơm vòng nước rất thấp ($\eta = 0.2 \text{ đến } 0.3$) do tổn hao ma sát lớn giữa nước và không khí, và ma sát giữa vòng nước/vỏ bơm.
2. Bơm Rô-to Cánh Trượt (Sliding Vane Pump) – Nguyên Lý Lệch Tâm Cơ Học
- 2.1. Cấu Tạo và Nguyên Lý Hoạt Động (Hình 7-9):
- Cấu tạo: Rô-to $3$ đặt lệch tâm $e$ so với Stator (vỏ) $4$. Rô-to có các rãnh $2$ chứa các cánh trượt $1$.
- Cơ chế: Khi rô-to quay, lực ly tâm đẩy các cánh $1$ tì sát vào mặt trụ của stator $4$, tạo ra các khoang kín $a$ có thể tích thay đổi giữa hai cánh và vỏ bơm vòng nước.
- 2.2. Chu trình Hút và Đẩy:
- Quá trình Hút (Vị trí I $\to$ III): Khoang $a$ rời vị trí I, thể tích khoang tăng dần đến vị trí III $\implies$ Chất lỏng/khí được hút vào.
- Quá trình Đẩy (Vị trí III $\to$ IV): Khoang $a$ rời vị trí III, thể tích khoang giảm dần $\implies$ Chất lỏng/khí bị nén và đẩy ra cửa đẩy IV.
- 2.3. Công Thức Lưu Lượng Thực Tế (7-9):
- Lưu lượng $Q$ của bơm cánh trượt phụ thuộc vào thể tích dịch chuyển do độ lệch tâm $e$ tạo ra.
$$ Q = \frac{2e \cdot b \cdot n (2\pi R – Z\epsilon)}{60} \eta_Q \quad (7-9)$$
-
- Tham số quan trọng:
- $R$ (bán kính vỏ), $b$ (bề rộng cánh), $\epsilon$ (bề dày cánh), $Z$ (số cánh).
- $e$ (độ lệch tâm): Quyết định quãng đường dịch chuyển và thể tích khoang.
- $\eta_Q$ (hiệu suất dung tích, $70 \text{ đến } 95\%$): Cao hơn bơm vòng nước do làm kín cơ học tốt hơn.
- Tham số quan trọng:
3. So Sánh và Ứng Dụng Chuyên Biệt (Chân Không và Áp Lực)
| Đặc Điểm | Bơm Vòng Nước (Hút Chân Không) | Bơm Rô-to Cánh Trượt (Áp Lực) |
|---|---|---|
| Môi Chất làm kín | Nước (Vòng nước) | Cánh trượt (Làm kín cơ học) |
| Phạm vi Áp/Chân Không | Chân không sâu ($\sim -0.9 \text{ at}$) | Áp suất trung bình ($1.5 \text{ đến } 10 \text{ at}$) |
| Hiệu suất chung | Rất thấp ($\mathbf{0.2 \text{ đến } 0.3}$) | Tương đối cao ($\eta_Q \sim 0.7 \text{ đến } 0.95$) |
| Độ phức tạp | Cao (Cần kiểm soát mực nước/tản nhiệt) | Trung bình (Cần vật liệu cánh bền) |
| Ứng dụng | Mồi nước cho bơm ly tâm, tạo chân không trong thiết bị sấy/lọc. | Bơm dầu, nhiên liệu, chất lỏng nhớt (chức năng đẩy). |
Cả bơm vòng nước và bơm rô-to cánh trượt đều minh chứng cho sự linh hoạt của nguyên lý lệch tâm trong kỹ thuật bơm rô-to. Bơm vòng nước là công cụ không thể thiếu để tạo chân không sâu và mồi nước, nhưng phải chấp nhận hiệu suất năng lượng thấp do tổn hao ma sát lớn. Ngược lại, bơm cánh trượt với cơ chế làm kín cơ học tạo ra lưu lượng và áp suất ổn định với hiệu suất dung tích cao hơn, phục vụ tốt cho các ứng dụng bơm chất lỏng dưới áp lực trung bình.
