Giải Mã Sự Hình Thành Nhũ Tương Khí-Nước ($\gamma_{hh}$), Quá Trình Dâng Nước (Air-Lift Action) và Mối Quan Hệ Cân Bằng Áp Suất $\gamma \cdot h = \gamma_{hh} (H_{\text{dh}} + h)$; Phân Tích Tầm Quan Trọng Của Độ Ngập Sâu $h$ và Hệ Số Nhúng Miệng Phun $K$ (Công Thức 7-16) Trong Thiết Kế Hệ Thống

Máy Bơm Dâng Bằng Khí Nén (Air-Lift Pump), hay còn gọi là Bơm Sục Khí, là một giải pháp kỹ thuật độc đáo được sử dụng rộng rãi để dâng nước từ các lỗ khoan sâu, đặc biệt khi chất lỏng có chứa bùn cát hoặc cần tách khí ga. Khác biệt hoàn toàn so với bơm động lực (ly tâm) hay bơm thể tích (pít-tông), bơm sục khí hoạt động dựa trên một nguyên lý cơ học chất lỏng thuần túy: nguyên tắc bình thông nhau kết hợp với sự thay đổi tỷ trọng chất lỏng.

Bài viết chuyên sâu này, dưới góc độ thủy tĩnh lực, sẽ đi sâu vào phân tích cơ chế làm việc của Bơm Sục Khí (Hình 7-12). Chúng ta sẽ giải mã chi tiết sự hình thành nhũ tương khí-nước (hỗn hợp khí và nước) và vai trò của trọng lượng riêng hỗn hợp ($\gamma_{hh}$) trong quá trình nâng. Đặc biệt, chúng ta sẽ phân tích mối quan hệ cân bằng áp suất quan trọng $\gamma \cdot h = \gamma_{hh} (H_{\text{dh}} + h)$ (7-15) và làm rõ ý nghĩa của Độ Ngập Sâu $h$ và Hệ Số Nhúng Miệng Phun $K$ (7-16) – các tham số quyết định chiều cao nâng và hiệu suất của toàn bộ hệ thống.
 

Phần 1: Nguyên Lý Bình Thông Nhau và Cơ Chế Nâng Bằng Thay Đổi Tỷ Trọng

• 1.1. Cấu Tạo và Điểm Khởi Đầu (Hình 7-12):
  • Ống Dâng $3$: Ống chính để chất lỏng được nâng lên.
  • Miệng Phun $2$: Nơi khí nén từ ống $4$ được đưa vào.
  • Hố Khoan/Giếng Nước: Nơi cung cấp chất lỏng.
  • Nguyên lý Bình Thông Nhau: Bơm sục khí hoạt động như hai cột chất lỏng trong một bình thông nhau: Cột Nước Tĩnh (trong hố khoan bên ngoài ống $3$) và Cột Nhũ Tương (bên trong ống $3$).
• 1.2. Sự Hình Thành Nhũ Tương Khí-Nước ($\gamma_{hh}$):
  • Khi khí nén được sục vào miệng phun $2$, nó hòa trộn với nước trong ống dâng $3$, tạo thành một hỗn hợp khí và nước (nhũ tương).
  • Thay đổi Tỷ trọng: Sự hiện diện của bọt khí làm cho trọng lượng riêng của hỗn hợp ($\gamma_{hh}$) nhỏ hơn đáng kể so với trọng lượng riêng của nước thuần ($\gamma_{nước}$).
• 1.3. Cơ Chế Dâng Nước (Air-Lift Action):
  • Do tỷ trọng $\gamma_{hh}$ nhỏ hơn $\gamma_{nước}$, cột áp suất do cột nhũ tương trong ống $3$ tạo ra thấp hơn cột áp suất của cột nước tĩnh cùng chiều cao.
  • Cân bằng áp suất: Cột nước tĩnh bên ngoài ống $3$ sẽ đẩy cột nhũ tương có tỷ trọng nhẹ hơn lên trên theo nguyên tắc bình thông nhau, làm hỗn hợp dâng lên độ cao $H_{\text{dh}}$.

Phần 2: Phân Tích Mối Quan Hệ Cân Bằng Áp Suất và Chiều Cao Nâng

• 2.1. Thiết Lập Công Thức Cân Bằng Áp Suất (7-15):
  • Áp suất tại miệng phun (độ ngập $h$) do cột nước tĩnh tạo ra phải cân bằng với áp suất do cột nhũ tương tạo ra (gồm chiều cao dâng $H_{\text{dh}}$ và độ ngập $h$).

$$ \gamma \cdot h = \gamma_{hh} (H_{\text{dh}} + h) \quad \mathbf{(7-15)}$$

• • $\implies$ Chiều cao dâng $H_{\text{dh}}$ phụ thuộc trực tiếp vào mối quan hệ tỷ trọng ($\gamma, \gamma_{hh}$) và độ sâu đặt miệng phun ($h$).

• 2.2. Phân Tích Độ Sâu Đặt Miệng Phun ($h$):
  • $h$ là Độ Ngập Sâu (độ sâu từ mực nước động đến miệng phun).
  • Vai trò: $h$ tạo ra áp suất thủy tĩnh cần thiết để ép khí nén vào nước, đảm bảo quá trình tạo nhũ tương. $h$ càng lớn, áp suất đẩy càng lớn, và khả năng nâng $H_{\text{dh}}$ càng cao.
• 2.3. Công Thức Hệ Số Nhúng Miệng Phun ($K$) (7-16):

• • Từ (7-15), ta có thể rút ra mối quan hệ giữa độ ngập sâu $h$ và chiều cao dâng $H_{\text{dh}}$ thông qua $\gamma, \gamma_{hh}$:

$$ h = H_{\text{dh}} \cdot \frac{\gamma_{hh}}{\gamma - \gamma_{hh}}$$

• • Công thức (7-16) định nghĩa mối quan hệ này qua Hệ số $K$:

$$ H_{\text{dâng}} = h \cdot \frac{\gamma - \gamma_{hh}}{\gamma_{hh}} \quad \text{(Biến đổi từ 7-15)}$$

Hoặc định nghĩa hệ số $K$ ngược lại như trong đề bài:

$$ K = \frac{h}{H_{\text{dh}}} = \frac{\gamma_{hh}}{\gamma - \gamma_{hh}} \quad \text{(Theo định nghĩa} \ K \text{ trong kỹ thuật)}$$

(Ghi chú: Công thức 7-16 trong đề bài có vẻ bị biến đổi sai về mặt toán học, nhưng ý nghĩa của $K$ vẫn là tỷ số giữa $h$ và $H_{\text{dh}}$, phản ánh sự phụ thuộc của chiều cao nâng vào độ sâu nhúng.)

$$ \text{Hệ số } K \text{ nói lên rằng } h \text{ lớn hơn } H_{\text{dh}} \text{ bao nhiêu lần.}$$

• • Tầm quan trọng của K: Bảng số liệu cho thấy $K$ giảm khi $H_{\text{dh}}$ tăng và $K$ là tham số trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu suất $\eta$. Điều này xác nhận rằng việc tăng độ ngập sâu $h$ so với chiều cao dâng $H_{\text{dh}}$ là cần thiết để duy trì hiệu suất chấp nhận được.

Phần 3: Yêu Cầu Kỹ Thuật về Cấu Hình Ống Dâng

• 3.1. Phân Tách Khí và Nước:
  • Khi nhũ tương khí-nước đạt đến mút ống $3$, nó vào bể $6$. Do khí nhẹ hơn nước, nó sẽ được tách ra ngoài qua ống $7$, và nước được dẫn đến nơi sử dụng qua ống $5$.
• 3.2. Yêu Cầu Về Đầu Cuối Ống Dâng:
  • "Đầu cuối của ống dâng cần thấp hơn miệng phun từ $3 \text{ đến } 6 \text{ mét}$."
  • Lý do: Điều này giúp đảm bảo áp suất khí quyển không quá thấp tại điểm tách khí và nước, duy trì dòng chảy ổn định và hỗ trợ quá trình tách khí, giảm thiểu tổn thất ở đầu ra.

Bơm Dâng Bằng Khí Nén là một hệ thống dựa trên nguyên lý thủy tĩnh lực thuần túy, sử dụng sự thay đổi tỷ trọng để tạo ra lực nâng. Công thức cân bằng áp suất (7-15) là nền tảng để hiểu rằng chiều cao nâng $H_{\text{dh}}$ phụ thuộc trực tiếp vào việc giảm $\gamma_{hh}$ và Độ Ngập Sâu $h$. Việc thiết kế hệ thống phải tập trung vào việc xác định Hệ số Nhúng Miệng Phun $K$ tối ưu (tức là tỷ lệ $h/H_{\text{dh}}$) để đảm bảo hoạt động hiệu quả nhất trong điều kiện hiệu suất thấp cố hữu của loại bơm này.