Giải Mã Quá Trình Biến Đổi Năng Lượng Tại Vòi Phun, Buồng Hỗn Hợp và Đoạn Khuếch Tán; Phân Tích Sự Hình Thành Chân Không và Công Dụng Trong Việc Hút Chất Lỏng (Hình 7-11)

Máy Bơm Tia (Jet Pump), còn được gọi là bơm Ejector, là một loại máy bơm đặc biệt thuộc nhóm bơm ma sát (Friction Pump). Điểm khác biệt cốt lõi của bơm tia là nó không sử dụng cánh quạt hay pít-tông mà dựa vào động năng của một dòng chất lỏng bên ngoài (gọi là chất lỏng công tác) để truyền năng lượng cho chất lỏng cần bơm. Nguyên lý hoạt động của nó là sự ứng dụng tinh tế của định luật Bernoulli và sự bảo toàn động lượng, tạo ra một chuỗi biến đổi năng lượng thủy động lực học để hút và đẩy chất lỏng.

Bài viết chuyên sâu này, dưới góc độ kỹ thuật thủy lực, sẽ đi sâu vào phân tích nguyên lý làm việc của Bơm Tia (Hình 7-11). Chúng ta sẽ giải mã quá trình biến đổi năng lượng diễn ra lần lượt tại ba bộ phận chính: Vòi Phun (5), Buồng Hỗn Hợp (7) và Đoạn Khuếch Tán (8). Đặc biệt, chúng ta sẽ phân tích chi tiết cơ chế hình thành chân không trong buồng hút $6$ – yếu tố then chốt giúp bơm tia có thể hút chất lỏng từ bể chứa $4$.

Phần 1: Nguyên Lý Truyền Năng Lượng Cốt Lõi và Cấu Tạo Bơm Tia

• 1.1. Bản Chất của Bơm Tia:
  • Bơm tia hoạt động dựa trên nguyên lý truyền động năng từ dòng chất lỏng công tác (nguồn áp lực cao, $H_1$) sang dòng chất lỏng cần bơm (nguồn áp suất thấp).
  • Chất lỏng công tác ($Q_p$): Lấy từ nguồn ngoài (ống $2$, bể áp lực trên cao), cung cấp năng lượng.
  • Chất lỏng cần bơm ($Q_e$): Chất lỏng được hút lên từ bể $4$ (ống $1$).
• 1.2. Cấu Tạo Thủy Động Lực (Hình 7-11):
  • Ống hút $1$ và Ống dẫn chất lỏng công tác $2$.
  • Vòi phun $5$ (Nozzle): Biến đổi áp năng thành động năng.
  • Buồng hút $6$ (Suction Chamber): Nơi tạo chân không và chất lỏng cần bơm đi vào.
  • Buồng hỗn hợp $7$ (Mixing Chamber): Nơi hai dòng chất lỏng trộn và truyền động lượng.
  • Đoạn khuếch tán $8$ (Diffuser): Biến đổi động năng trở lại thành áp năng.

Phần 2: Phân Tích Quá Trình Biến Đổi Năng Lượng Tại Vòi Phun và Buồng Hỗn Hợp

• 2.1. Quá Trình Biến Đổi tại Vòi Phun (5) – Tạo Dòng Tia Tốc Độ Cao:
  • Chất lỏng công tác đi qua vòi phun (thiết bị có tiết diện thu hẹp).
  • Áp dụng Định luật Bernoulli (Bỏ qua tổn thất): Khi tiết diện giảm, tốc độ ($v$) tăng lên nhanh chóng.
  • Biến đổi Năng lượng: Thế năng và Áp năng ($P$) bị giảm mạnh, chuyển thành Động năng ($v^2/2g$) tăng cao.
  • Hệ quả (Tạo Chân Không): Do áp suất tĩnh ($P$) giảm mạnh trong vòi phun, khi dòng tia tốc độ cao rời khỏi vòi phun $5$, áp suất tại Buồng Hút $6$ giảm xuống thấp hơn áp suất khí quyển, tạo ra chân không.
• 2.2. Sự Hình Thành và Công Dụng của Chân Không:
  • Dưới tác dụng của chân không trong buồng $6$, chất lỏng từ bể hút $4$ (chịu áp suất khí quyển) sẽ bị đẩy (hút) qua ống $1$ vào buồng hút $6$.
• 2.3. Quá Trình Truyền Động Lượng tại Buồng Hỗn Hợp (7):
  • Dòng chất lỏng công tác tốc độ cao và dòng chất lỏng cần bơm tốc độ thấp gặp nhau và trộn lẫn trong buồng $7$.
  • Truyền Năng Lượng Ma Sát: Dòng công tác truyền một phần động năng của mình cho dòng chất lỏng cần bơm thông qua ma sát nội và sự va chạm.
  • Kết quả: Hình thành một dòng chất lỏng hỗn hợp có tốc độ trung bình (thấp hơn dòng tia, cao hơn dòng cần bơm).

Phần 3: Phục Hồi Áp Năng tại Đoạn Khuếch Tán (8) và Công Thức Công Suất

• 3.1. Phục Hồi Áp Năng tại Đoạn Khuếch Tán (8):
  • Dòng chất lỏng hỗn hợp đi vào đoạn khuếch tán (Diffuser) $8$ (thiết bị có tiết diện mở rộng).
  • Biến đổi Năng lượng Ngược: Vận tốc dòng chảy giảm dần $\implies$ Động năng ($v^2/2g$) giảm, chuyển hóa ngược lại thành Cột nước Tĩnh (Áp năng, $P$) tăng lên.
  • Hệ quả: Áp suất tăng đủ để đẩy dòng chất lỏng hỗn hợp lên đến bể tháo $3$ ($H$).
• 3.2. Công Suất và Hiệu Suất (Lý thuyết):

• • Việc phân tích công suất giúp đánh giá hiệu quả năng lượng của quá trình ma sát.
  • Công Suất Tiêu Phí (Đầu vào) (7-11): Năng lượng do chất lỏng công tác cung cấp:

$$ N_{\text{tiêu phí}} = \gamma_p Q_p H_1 \quad \mathbf{(7-11)}$$

Trong đó $H_1$ là cột nước công tác.

• • Công Suất Hữu Ích (Đầu ra) (7-12): Năng lượng truyền cho chất lỏng cần bơm:

$$ N_{\text{hữu ích}} = \gamma Q_e H \quad \mathbf{(7-12)}$$

Trong đó $H$ là chiều cao nâng thực tế.

• • Hiệu suất (Khi $\gamma_p = \gamma$) (7-13):

$$ \eta = \frac{N_{\text{hữu ích}}}{N_{\text{tiêu phí}}} = \frac{Q_e H}{Q_p H_1} \quad \mathbf{(7-13)}$$

Máy bơm tia là một ví dụ điển hình về việc ứng dụng nguyên lý bảo toàn năng lượng và động lượng trong thủy lực. Cơ chế biến đổi năng lượng từ áp năng thành động năng cực đại tại vòi phun là chìa khóa để tạo ra chân không và hút chất lỏng. Sau đó, quá trình truyền động lượng ma sát tại buồng hỗn hợp cho phép năng lượng được chuyển giao, và cuối cùng, phục hồi áp năng tại đoạn khuếch tán để hoàn thành nhiệm vụ đẩy. Mặc dù hiệu suất thấp là nhược điểm cố hữu, sự đơn giản và độ tin cậy của bơm tia khiến nó trở thành công cụ không thể thiếu trong nhiều ứng dụng công nghiệp và xây dựng.