Bơm Chân Không Vòng Nước

Bơm chân không vòng nước (bơm hút chân không vòng nước, liquid ring vacuum pump) là loại bơm chân không dùng một vòng chất lỏng, thường là nước, quay cùng bánh công tác lệch tâm để hút và nén khí. Nhờ nước vừa làm kín vừa làm mát trong suốt quá trình nén, bơm chân không vòng nước hút được khí ẩm, hơi nước, khí lẫn ít bụi hoặc giọt lỏng mà không cần dầu bôi trơn, nên được dùng rộng rãi trong ngành giấy, nhựa, thực phẩm, hóa chất, dược phẩm, gạch ngói và xử lý nước.

Trong nhóm thiết bị khí và chất lỏng, bơm chân không vòng nước thường được so sánh với máy thổi khí con sò khi chỉ cần hút chân không nhẹ, và làm việc cùng máy bơm nước cấp nước làm kín, bơm hóa chất, máy bơm màng hoặc máy bơm bánh răng trong cùng dây chuyền. Phần truyền động là động cơ điện 3 pha, có thể điều chỉnh lưu lượng bằng biến tần.

1. Bơm chân không vòng nước là gì?

Bơm chân không vòng nước là bơm thể tích kiểu quay. Bên trong vỏ bơm hình trụ có một bánh công tác nhiều cánh đặt lệch tâm. Khi bánh công tác quay, nước trong bơm bị văng ra sát vỏ, tạo thành một vòng nước đồng tâm với vỏ nhưng lệch tâm so với bánh công tác. Khoảng không giữa các cánh và vòng nước thay đổi thể tích theo vòng quay, lúc nở ra để hút khí vào, lúc co lại để nén và đẩy khí ra.

Do quá trình nén diễn ra trong nước, nhiệt sinh ra khi nén được nước hấp thụ, nên nhiệt độ khí gần như không tăng. Đây là lý do bơm vòng nước an toàn khi hút hơi dung môi, khí dễ cháy và khí chứa nhiều hơi ẩm, những trường hợp mà bơm chân không vòng dầu hay bơm cánh gạt khô dễ gặp sự cố.

2. Ứng dụng của bơm chân không vòng nước

• Ngành giấy: hút nước trên lưới xeo, hút chăn, hộp hút chân không, khử nước bột giấy.
• Ngành nhựa: bể định hình chân không ống nhựa, thanh profile; hút khí cửa xả máy đùn; máy hút định hình.
• Gạch ngói, gốm sứ: máy đùn gạch hút chân không giúp đất sét đặc chắc, bớt bọt khí.
• Thực phẩm và đồ uống: cô đặc chân không, sấy chân không, khử khí nước giải khát, đóng gói hút chân không, chiên chân không.
• Hóa chất và dược phẩm: chưng cất, kết tinh, sấy, lọc chân không, thu hồi dung môi, hút hơi độc hại.
• Xử lý nước, năng lượng: mồi bơm ly tâm lớn, hút khí bình ngưng, khử khí trong hệ thống nước.
• Cơ khí và các ngành khác: tẩm sấy chân không cuộn dây motor, biến áp; hút chân không bồn chứa; hệ thống chân không trung tâm trong bệnh viện, phòng thí nghiệm.

3. Ưu điểm và hạn chế của bơm chân không vòng nước

a. Ưu điểm

• Nén gần như đẳng nhiệt: khí ra mát, an toàn với khí dễ cháy, hơi dung môi.
• Chịu được khí ẩm, hơi nước và giọt lỏng: không bị nhũ hóa dầu như bơm vòng dầu.
• Không cần dầu trong buồng hút: khí xả không lẫn dầu, ít gây ô nhiễm sản phẩm.
• Kết cấu đơn giản, ít chi tiết ma sát: bánh công tác không chạm vỏ, chạy êm, bền.
• Chịu được bụi nhẹ và tạp chất nhỏ: nước cuốn trôi một phần tạp chất ra khỏi bơm.
• Dải lưu lượng rộng: từ vài m³/h cho phòng thí nghiệm đến hàng nghìn m³/h cho nhà máy giấy.

b. Hạn chế

• Tiêu thụ nước làm kín liên tục nếu không có hệ thống tuần hoàn.
• Độ chân không tối đa bị giới hạn bởi áp suất hơi bão hòa của nước làm kín; nước càng nóng chân không càng kém.
• Hiệu suất năng lượng thấp hơn một số loại bơm chân không khô.
• Khí hút có hóa chất sẽ hòa vào nước làm kín, cần xử lý nước thải phù hợp.

4. Cấu tạo bơm chân không vòng nước

• Vỏ bơm: hình trụ, thường bằng gang; với môi chất ăn mòn dùng inox 304, 316.
• Bánh công tác: nhiều cánh cong hoặc thẳng, đặt lệch tâm trong vỏ, vật liệu gang cầu, đồng hoặc inox.
• Đĩa phân phối (tấm cửa): có cửa hút và cửa xả định hình, quyết định thời điểm hút và xả khí.
• Trục và vòng bi: trục thép hoặc inox, đỡ bằng vòng bi hai đầu hoặc một đầu (loại liền trục motor).
• Phớt làm kín trục: phớt cơ khí hoặc tết chèn, ngăn nước rò ra ngoài.
• Cửa cấp nước làm kín: bổ sung nước liên tục để duy trì vòng nước và mang nhiệt ra ngoài.
• Bình tách nước khí: lắp ở cửa xả, tách nước ra khỏi khí xả để tuần hoàn hoặc thải bỏ.
• Động cơ và khớp nối: motor 3 pha, nối trực tiếp qua khớp nối, dây đai hoặc liền trục.
• Phụ kiện: đồng hồ chân không, van một chiều đường hút, van chống xâm thực, bộ trao đổi nhiệt, bơm tuần hoàn nước.

5. Nguyên lý hoạt động của bơm chân không vòng nước

Trước khi chạy, bơm được cấp nước đến khoảng đường tâm trục. Khi motor quay, nước bị bánh công tác văng ra tạo thành vòng nước bám sát vỏ. Vì bánh công tác lệch tâm, ở nửa vòng quay đầu, vòng nước dần rời xa gốc cánh làm thể tích khoang giữa các cánh tăng lên; khi khoang này đi qua cửa hút trên đĩa phân phối, khí từ đường ống bị hút vào. Ở nửa vòng còn lại, vòng nước tiến dần vào gốc cánh, thể tích khoang giảm, khí bị nén lại và thoát ra qua cửa xả cùng một phần nước.

Hỗn hợp khí và nước đi vào bình tách. Khí thoát ra ngoài, nước được làm mát và quay lại bơm (hệ tuần hoàn) hoặc xả bỏ và thay bằng nước mới (hệ một lần). Lượng nước bổ sung liên tục giúp giữ ổn định vòng nước và nhiệt độ.

6. Thông số kỹ thuật bơm chân không vòng nước

a. Lưu lượng hút

Lưu lượng hút (m³/h hoặc m³/phút) là thể tích khí bơm hút được ở áp suất đầu hút. Lưu lượng thay đổi theo mức chân không: chân không càng sâu, lưu lượng càng giảm. Khi chọn bơm phải đọc lưu lượng ở đúng áp suất làm việc trên đường đặc tính, không lấy lưu lượng lớn nhất.

b. Áp suất chân không

Áp suất được biểu diễn bằng áp suất tuyệt đối (mbar abs, hPa abs) hoặc độ chân không tương đối (-MPa, -kPa, mmHg). Áp suất khí quyển khoảng 1013 mbar; bơm đạt 33 mbar tuyệt đối tương đương khoảng -0,098 MPa. Dòng một cấp thông dụng như 2BV, 2BE thường đạt áp suất tuyệt đối thấp nhất khoảng 33 mbar với nước làm kín 15°C; vùng làm việc kinh tế thường từ khoảng 100 đến 400 mbar tuyệt đối.

c. Nhiệt độ nước làm kín

Nước làm kín càng nóng, áp suất hơi bão hòa càng cao, chân không đạt được càng kém và lưu lượng ở vùng chân không sâu giảm mạnh. Thông số danh định thường tính ở 15°C; nước 30–35°C có thể làm giảm đáng kể lưu lượng ở mức chân không sâu và dễ gây xâm thực.

d. Công suất động cơ và lượng nước làm kín

Công suất từ khoảng 0.8 kW đến hàng trăm kW. Lượng nước làm kín tùy cỡ bơm, từ vài lít mỗi phút với bơm nhỏ đến hàng chục, hàng trăm lít mỗi phút với bơm lớn, cần tra theo catalog của từng model.

7. Phân loại bơm chân không vòng nước

a. Bơm chân không vòng nước một cấp

Chỉ có một bánh công tác, kết cấu gọn, lưu lượng lớn, hiệu quả ở vùng chân không trung bình. Phổ biến gồm dòng 2BV liền trục motor nhỏ gọn, dòng 2BE công suất lớn nối khớp hoặc dây đai, dòng SK kinh điển.

b. Bơm chân không vòng nước hai cấp

Hai bánh công tác làm việc nối tiếp, khí được nén hai lần, làm việc ổn định hơn ở vùng chân không sâu và ít xâm thực hơn, ví dụ dòng 2SK. Phù hợp sấy, chưng cất chân không, hút hơi cần áp suất thấp ổn định.

c. Phân loại theo kết cấu truyền động

• Liền trục (monoblock): bánh công tác lắp trên trục motor kéo dài, nhỏ gọn, dễ lắp.
• Nối khớp trên bệ chung: bơm và motor riêng biệt, dễ thay thế, dùng cho bơm cỡ vừa và lớn.
• Truyền động dây đai: thay đổi tốc độ bằng puly để chỉnh lưu lượng, dùng cho bơm lớn.

d. Phân loại theo hệ thống nước làm kín

• Hệ một lần: nước vào bơm rồi thải bỏ, đơn giản nhưng tốn nước.
• Hệ tuần hoàn một phần: một phần nước được tái sử dụng, bổ sung nước mới để giữ nhiệt độ.
• Hệ tuần hoàn kín: có bình tách, bơm tuần hoàn và bộ trao đổi nhiệt, gần như không thải nước, phù hợp khi nước làm kín lẫn dung môi hoặc nơi khan hiếm nước.

e. Phân loại theo vật liệu

Bơm gang tiêu chuẩn cho khí và hơi thông thường; bơm có bánh công tác inox cho môi trường ẩm có tính ăn mòn nhẹ; bơm toàn inox 304 hoặc 316 cho thực phẩm, dược phẩm, hóa chất.

8. Cách chọn bơm chân không vòng nước

• Xác định áp suất làm việc: mức chân không quá trình cần, ví dụ 200 mbar tuyệt đối, không lấy mức chân không tối đa của bơm làm căn cứ.
• Xác định lưu lượng khí cần hút: gồm lượng khí rò vào hệ thống, lượng hơi sinh ra từ sản phẩm và thể tích cần hút xuống trong thời gian yêu cầu.
• Tra đường đặc tính: chọn model có lưu lượng tại áp suất làm việc lớn hơn nhu cầu khoảng 10–20%.
• Xem xét nhiệt độ nước làm kín thực tế: ở vùng nóng, nước giếng, nước tháp giải nhiệt mùa hè có thể trên 30°C, cần hiệu chỉnh lưu lượng hoặc chọn bơm lớn hơn, hai cấp, có trao đổi nhiệt.
• Chọn vật liệu theo môi chất: khí có hơi axit, clo, dung môi cần vật liệu inox hoặc chất lỏng làm kín phù hợp.
• Chọn kiểu truyền động và hệ nước: theo không gian lắp đặt, lượng nước sẵn có và yêu cầu môi trường.

9. So sánh bơm chân không vòng nước với các loại bơm khác

Với chất lỏng thay vì khí, cần chọn bơm phù hợp như máy bơm nước cho nước sạch, bơm hóa chất cho axit, kiềm, máy bơm màng cho chất lỏng lẫn hạt hoặc sệt và máy bơm bánh răng cho dầu, chất lỏng nhớt.

10. Câu hỏi thường gặp về bơm chân không vòng nước

• Bơm chân không vòng nước dùng để hút nước hay hút khí? Bơm được thiết kế để hút khí và hơi. Nước bên trong chỉ đóng vai trò làm kín, làm mát và tạo khoang nén. Bơm chịu được một lượng nhỏ giọt lỏng đi theo khí, nhưng không dùng để bơm nước như máy bơm nước; nếu lượng lỏng nhiều cần bình tách trước đầu hút.
• Bơm vòng nước có bắt buộc dùng nước không? Phải có chất lỏng làm kín, phổ biến nhất là nước sạch. Trong một số quá trình hóa chất, có thể dùng chính dung môi hoặc chất lỏng khác tương thích làm chất lỏng làm kín để tránh nhiễm bẩn và thu hồi dung môi. Bơm tuyệt đối không được chạy khô vì phớt và bánh công tác sẽ hỏng nhanh.
• Bơm vòng nước có hút được hơi nước không? Có, đây là một ưu điểm lớn. Hơi nước gặp nước làm kín mát sẽ ngưng tụ một phần, thậm chí giúp tăng khả năng hút. Tuy nhiên hơi nóng làm nước làm kín nóng lên, cần tăng lượng nước bổ sung hoặc có bộ ngưng tụ trước bơm để giữ chân không ổn định.
• Chọn bơm theo công suất kW có đủ không? Không đủ. Hai bơm cùng công suất có thể khác nhau nhiều về lưu lượng và mức chân không do thiết kế bánh công tác, tốc độ quay và số cấp. Thông số quyết định là lưu lượng tại áp suất làm việc, kèm nhiệt độ nước làm kín.
• Vì sao hai bơm cùng 7.5 kW nhưng lưu lượng khác nhau? Mỗi model được tối ưu cho một vùng làm việc: có bơm cho lưu lượng lớn ở chân không trung bình, có bơm cho lưu lượng nhỏ hơn nhưng giữ tốt ở chân không sâu. Tốc độ quay 4 cực hay 6 cực, kích thước bánh công tác và kiểu đĩa phân phối cũng làm lưu lượng khác nhau.
• Bơm một cấp hay hai cấp tạo chân không tốt hơn? Ở vùng chân không sâu, bơm hai cấp làm việc ổn định hơn và ít xâm thực hơn. Ở vùng chân không trung bình (khoảng 150–400 mbar tuyệt đối), bơm một cấp có lưu lượng lớn hơn, gọn hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Chọn theo áp suất làm việc thực tế của quá trình.
• Nước nóng có làm giảm khả năng tạo chân không không? Có. Áp suất hơi bão hòa của nước ở 15°C khoảng 17 mbar, ở 30°C khoảng 42 mbar, ở 40°C khoảng 74 mbar. Khi áp suất đầu hút tiến gần áp suất hơi của nước làm kín, nước bắt đầu sôi trong bơm, gây xâm thực, tiếng kêu lạo xạo và lưu lượng giảm mạnh. Giữ nước làm kín mát là cách đơn giản nhất để bơm đạt chân không tốt.
• Vì sao bơm chạy nhưng không đạt chân không yêu cầu? Nguyên nhân thường gặp: nước làm kín quá nóng hoặc thiếu nước, hệ thống bị rò khí ở mặt bích, van, gioăng; bơm chọn nhỏ so với lượng khí và hơi; bánh công tác bị mòn hoặc bám cặn làm tăng khe hở; motor quay ngược chiều; đường ống hút quá nhỏ hoặc quá dài.
• Bơm chân không vòng nước có cần van chống xâm thực không? Khi bơm làm việc gần giới hạn chân không, nên có van chống xâm thực nối với đường khí để đưa một lượng nhỏ không khí vào bơm, giảm tiếng ồn và bảo vệ bánh công tác. Nhiều model đã tích hợp sẵn lỗ hoặc van này.
• Có dùng biến tần để chỉnh lưu lượng bơm vòng nước được không? Có thể giảm tốc độ trong một phạm vi nhất định để giảm lưu lượng và tiết kiệm điện. Tuy nhiên tốc độ quá thấp sẽ không đủ lực ly tâm để duy trì vòng nước ổn định, nên chỉ điều chỉnh trong dải nhà sản xuất cho phép.
• Bơm vòng nước có hút được khí lẫn bụi không? Bơm chịu được bụi mịn ở mức độ thấp vì nước cuốn bụi ra ngoài. Nếu bụi nhiều hoặc bụi cứng, cần lắp bộ lọc hoặc tháp rửa khí trước đầu hút để tránh mài mòn bánh công tác và đĩa phân phối.
• Khi thay bơm cũ cần cung cấp thông tin gì? Nên có model và tem bơm cũ, lưu lượng hút và mức chân không đang dùng, nhiệt độ nước làm kín, loại khí và hơi đang hút, kích thước mặt bích hút xả, kiểu truyền động và điện áp motor. Thông tin này giúp chọn bơm có đặc tính tương đương hoặc tốt hơn.
• Thông số nào quan trọng nhất khi chọn bơm chân không vòng nước? Quan trọng nhất là lưu lượng hút tại áp suất làm việc của quá trình, sau đó đến nhiệt độ nước làm kín thực tế, tính chất khí hút (ẩm, ăn mòn, dễ cháy) và vật liệu bơm. Công suất motor chỉ là kết quả của việc chọn đúng các thông số trên.
• Nước thải từ bơm chân không vòng nước có xử lý được không? Nếu khí hút chỉ là không khí và hơi nước, nước thải có thể tuần hoàn qua tháp giải nhiệt. Nếu khí có dung môi, hóa chất, nước làm kín sẽ bị nhiễm và cần đưa về hệ thống xử lý hoặc dùng hệ tuần hoàn kín với bộ trao đổi nhiệt để hạn chế thải ra môi trường.
• Bơm chân không vòng nước có ồn không? Khi làm việc trong vùng chân không bình thường, bơm chạy khá êm. Tiếng ồn lớn và lạo xạo thường do xâm thực khi làm việc gần giới hạn chân không hoặc nước làm kín quá nóng, do thiếu nước hoặc vòng bi đã mòn.