Bơm piston có đặc điểm gì và được ứng dụng như thế nào?

Bơm piston là một loại bơm hoạt động theo nguyên lý dịch chuyển tích cực, sử dụng piston chuyển động qua lại trong xi lanh để hút và đẩy chất lưu. Với khả năng tạo áp suất cao, bơm piston được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, xây dựng, nông nghiệp, đáp ứng đa dạng nhu cầu sử dụng thực tế.

Máy bơm piston là gì?

Khái niệm bơm piston

Máy bơm piston là một loại máy bơm sử dụng piston chuyển động tịnh tiến qua lại trong một xi lanh để tạo áp suất và di chuyển chất lỏng (có thể là chất lỏng hoặc khí). Đây là loại máy bơm thể tích dương, nghĩa là nó có thể bơm cả không khí và cung cấp một lượng chất lỏng cố định trong mỗi chu kỳ hoạt động, bất kể áp suất ngược tác động lên nó. Nhờ thiết kế đặc biệt, máy bơm piston còn có thể bơm các chất lỏng có chứa hạt rắn.

Các bộ phận của máy bơm piston

Piston (Pít-tông)

Chất lỏng được hút vào không gian của mỗi xi lanh nhờ các piston. Khi piston ở gần cổng hút nhất, nó bắt đầu di chuyển theo hướng tuyến tính lùi về phía đĩa nghiêng (swash plate). Khi piston rút lại, chất lỏng được hút vào trong không gian xi lanh. Xi lanh được nạp đầy sau đó quay về phía cổng xả, đồng thời piston bắt đầu di chuyển ra khỏi đĩa nghiêng. Chuyển động của piston trong xi lanh khiến chất lỏng bị đẩy ra khỏi xi lanh qua cổng xả. Máy bơm piston có thể có một hoặc nhiều piston tùy thuộc vào thiết kế máy bơm.

Swash Plate (Đĩa nghiêng)

Lượng chất lỏng được bơm phụ thuộc vào góc hoặc độ nghiêng của đĩa nghiêng. Thay đổi góc nghiêng của đĩa sẽ làm thay đổi hành trình của mỗi piston, từ đó thay đổi lượng chất lỏng được hút vào trong mỗi xi lanh, và do đó thay đổi lượng chất lỏng được bơm ra.

Nếu đặt đĩa nghiêng về vị trí trung lập (không nghiêng), sẽ không có chất lỏng nào được bơm vì hành trình piston bằng không. Người ta cũng có thể đảo chiều dòng chất lỏng được bơm bằng cách thay đổi góc của đĩa nghiêng.

Cylinder Block (Khối xi lanh)

Khối xi lanh bao gồm một xi lanh tròn với các lỗ xi lanh nhỏ hơn xuyên suốt chiều dài của nó. Mỗi xi lanh nhỏ này tạo ra không gian cần thiết cho piston chuyển động tịnh tiến qua lại (chuyển động hồi tiếp). Khi piston chuyển động, nó sẽ hút và đẩy chất lỏng ra vào không gian xi lanh. Thể tích chất lỏng được hút và đẩy ra mỗi chu kỳ phụ thuộc vào độ dài hành trình của piston.

Port Plate (Tấm cổng – còn gọi là tấm van)

Chất lỏng được hút vào và đẩy ra khỏi các xi lanh thông qua tấm cổng này.

Inlet/Outlet (Cổng vào/ra)

Chất lỏng đi vào hoặc ra khỏi máy bơm qua cổng này. Hướng của đĩa nghiêng sẽ quyết định chất lỏng sẽ đi theo hướng nào – tức là cổng đó là cổng vào hay cổng ra.

Drive Shaft (Trục truyền động)

Công suất để làm quay máy bơm được cung cấp qua trục truyền động. Máy bơm piston thường được dẫn động bằng điện hoặc cơ khí, nhưng cũng có thể vận hành bằng thủy lực.

Vật liệu chế tạo

Vật liệu chế tạo phụ thuộc vào mục đích sử dụng và điều kiện môi trường:

• Gang: độ bền kéo cao, chống trầy xước, thích hợp với áp suất lớn
• Nhựa: giá thành rẻ, chống ăn mòn và hóa chất tốt
• Thép và thép không gỉ: chống rỉ sét, bền kéo cao, phù hợp với áp suất lớn
• Vật liệu khác: nhôm, đồng thau, đồng đỏ, gốm, hợp kim niken…

Máy bơm piston hoạt động như thế nào?

Nguyên lý hoạt động cơ bản của máy bơm piston là chuyển động qua lại của piston bên trong xi lanh, luân phiên hút vào và đẩy ra chất lỏng, tạo ra dòng chảy gần như liên tục.

• Trong hành trình hút, piston di chuyển lùi lại, làm giảm áp suất trong xi lanh, từ đó hút chất lỏng vào xi lanh qua van hút.
• Trong hành trình đẩy, piston di chuyển tiến về phía trước, làm tăng áp suất trong xi lanh, khiến van xả mở ra và đẩy chất lỏng ra khỏi xi lanh.

Cả van hút và van xả đều được lắp lò xo để đảm bảo chúng chỉ mở khi đạt đến áp suất nhất định.

Có thể bạn quan tâm: Bơm tăng áp và ứng dụng

Cách hoạt động và các loại máy bơm piston

Máy bơm piston là thiết bị vừa mạnh mẽ vừa đơn giản. Chúng được cấu tạo bởi một buồng bơm, một piston và một vài thiết bị điều khiển. Nguyên lý hoạt động của loại bơm này là chất lỏng hoặc khí được hút xuống buồng bơm, làm giảm áp suất trong buồng — tương tự như một bơm tay. Khi áp suất khí vượt qua lực lò xo của van đầu vào, chất lỏng/khí bị nén sẽ được đẩy ra qua van xả. Khi piston được kéo ngược trở lại, nó sẽ mở van hút và đóng van xả, tạo lực hút để tiếp tục đưa chất vào cho lần nén tiếp theo.

Máy bơm piston là một loại máy bơm thể tích dương (positive displacement pump). Loại bơm này sử dụng piston, màng chắn hoặc cần đẩy (plunger) để vận chuyển chất lỏng. Bơm piston sử dụng các van một chiều (check valve) ở đầu vào và đầu ra để điều khiển dòng chảy. Một máy bơm piston điển hình là bơm quay, sử dụng bánh xe hoặc trục quay để vận hành piston.

Bộ phận quay được nối với một trục tại tâm, và trục này liên kết với piston. Khi bộ phận quay xoay, nó kéo trục và piston xuống và sau đó kéo ngược trở lại để hoàn thành chu trình.

Nguyên lý hoạt động của máy bơm piston

Nguyên lý hoạt động của máy bơm piston tương tự như các loại bơm thể tích dương khác, nhờ vào cơ chế tạo lực đẩy để tăng thể tích chất lỏng. Máy có thể được vận hành bằng nhiều nguồn năng lượng khác nhau.

Máy bơm piston bao gồm một hoặc nhiều piston cùng với các thiết bị điều khiển. Ví dụ:

• Bơm duplex có 2 piston và 2 thiết bị điều khiển.
• Bơm triplex có 3 piston và 3 thiết bị điều khiển.

Việc kiểm tra các thiết bị điều khiển ở cả hai phía là rất quan trọng để đảm bảo chất lỏng chảy đúng hướng.

Máy bơm piston có thể là loại một chiều (single-acting) hoặc hai chiều (double-acting).

• Bơm hai chiều sử dụng hai bộ thiết bị điều khiển và có chất lỏng ở cả hai đầu piston, cho phép bơm thực hiện một chu trình đầy đủ với dòng chảy từ một hướng sang hướng khác.
• Khi piston chuyển động về một phía thì phía còn lại sẽ xả chất lỏng.
• Bơm đơn chỉ hoạt động theo một hướng và cần hoàn thành cả chu trình bằng cách chuyển đổi hướng dòng chảy.

Các loại máy bơm piston

Máy bơm piston được chia thành các loại chính sau:

1. Bơm piston nâng (Lift Piston Pump)

Ở loại này, hành trình lên của piston hút chất lỏng qua van điều khiển vào phần dưới của xi lanh.

Ở hành trình xuống, chất lỏng đi qua van điều khiển gắn trên piston và chuyển lên phần trên của xi lanh.

Sau đó, trong hành trình tiếp theo, chất lỏng được đẩy ra khỏi xi lanh qua vòi xả.

2. Bơm lực (Force Pump)

Piston hút chất lỏng vào xi lanh qua van đầu vào trong hành trình lên.

Ở hành trình xuống, chất lỏng được đẩy ra khỏi xi lanh qua van đầu ra và đi vào ống xả.

3. Bơm piston hướng trục (Axial Piston Pump)

Là loại bơm thể tích dương, có nhiều piston được bố trí vòng tròn trong khối ống.

Khối này quay quanh trục đối xứng nhờ trục chính gắn với các piston.

Ứng dụng: máy nén điều hòa ô tô, máy bơm thủy lực, hoặc động cơ thủy lực.

4. Bơm piston hướng tâm (Radial Piston Pump)

Là một loại bơm thủy lực, trong đó các piston mở rộng ra theo hướng xuyên tâm quanh trục dẫn động, khác với bơm hướng trục.

Các piston bố trí đối xứng tạo lực ép mạnh, phù hợp cho áp suất cao.

Thông số kỹ thuật

Các thông số cần lưu ý khi chọn máy bơm piston:

• Lưu lượng dòng chảy
• Cột áp
• Thể tích mỗi hành trình
• Áp suất làm việc
• Đường kính đầu ra
• Công suất
• Nhiệt độ vận hành.

Ưu nhược điểm của bơm piston

Ưu điểm của máy bơm piston

• Dải áp suất hoạt động rộng
• Có thể điều chỉnh áp lực mà không làm thay đổi lưu lượng
• Lưu lượng và áp suất thay đổi không ảnh hưởng lớn đến hiệu suất
• Hoạt động tốt với chất lỏng đặc, bùn, hoặc chứa hạt mài nếu thiết kế van điều khiển tốt

Nhược điểm của máy bơm piston

• Chi phí bảo trì và vận hành cao, máy nặng và cồng kềnh
• Chỉ phù hợp với lưu lượng nhỏ
• Dòng chảy không đều (bị dao động)

Tóm lại, máy bơm piston được dùng rộng rãi như một bơm thủy lực cho các thiết bị máy móc lớn và nhỏ. Ứng dụng phổ biến trong việc chuyển sơn, bột nhão, socola… Kích thước của bơm ngày càng được cải tiến để phục vụ công nghiệp. Các loại bơm piston hướng tâm và hướng trục hiện nay còn được tích hợp nhiều piston trong cùng một khối xi lanh tròn cho hiệu suất cao hơn.

Câu hỏi đặt ra: Các bộ phận chính của máy bơm piston bao gồm những gì?

Cách hoạt động của máy bơm piston thủy lực

Máy bơm piston thủy lực có nhiệm vụ vận chuyển chất lỏng trong các thiết bị công nghiệp và máy móc chuyên dụng. Chúng nổi tiếng nhờ hiệu suất cao và thường được sử dụng trong các ứng dụng áp suất lớn.

Có hai loại chính của máy bơm piston thủy lực là:

• Máy bơm piston hướng trục (axial)
• Máy bơm piston hướng tâm (radial)

Cả hai loại đều có thể là bơm lưu lượng cố định (fixed displacement) hoặc lưu lượng thay đổi (variable displacement):

• Lưu lượng cố định có nghĩa là mỗi lần hoạt động bơm sẽ cung cấp một lượng chất lỏng hoặc khí giống nhau.
• Lưu lượng thay đổi thì lượng chất được bơm có thể khác nhau mỗi chu trình.

Mặc dù đều là bơm piston, nhưng hai loại này có nguyên lý hoạt động khác nhau. Dưới đây là cách hoạt động của từng loại:

Cách hoạt động của máy bơm piston hướng trục (Axial Piston Pump)

Máy bơm piston hướng trục gồm 4 thành phần chính:

• Trục (shaft)
• Tấm nghiêng (swashplate) hoặc trục nghiêng (bent axis)
• Khối xi lanh (cylinder block)
• Tấm van (valve plate)

Các piston được bố trí theo chu vi xung quanh trục quay, do đó có tên gọi là “hướng trục”.

Khi trục quay, các piston trong khối xi lanh sẽ di chuyển lên xuống. Độ dài hành trình của piston phụ thuộc vào góc nghiêng của tấm nghiêng hoặc trục nghiêng.

• Khi piston di chuyển về một phía, chúng nối với đường hút (suction line).
• Khi di chuyển về phía ngược lại, chúng nối với đường xả (discharge).

Nhờ cơ chế này, dòng chất lỏng được duy trì liên tục.

Cách hoạt động của máy bơm piston hướng tâm (Radial Piston Pump)

Cấu tạo của bơm hướng tâm khác biệt đáng kể so với bơm hướng trục. Bơm này bao gồm:

• Khối xi lanh
• Trục cam quay (rotating camshaft)
• Các piston

Các piston được sắp xếp theo kiểu hình nan hoa xung quanh khối xi lanh, hướng ra từ trục cam. Khi trục cam quay, nó đẩy các piston thay đổi giữa hai pha: hút (suction) và xả (discharge).

Máy bơm chân không piston quay (Rotary Piston Vacuum Pumps)

Đây là loại máy bơm hút chân không chắc chắn, được dùng nhiều trong:

• Công nghiệp hàng không vũ trụ
• Khử khí chân không
• Hút chân không
• Sấy kim loại
• Thấm hút chân không

Máy bơm piston quay đặc biệt hiệu quả khi xử lý khí khô, không ngưng tụ.

Cách tạo chân không của máy bơm piston quay

• Piston trong máy không đồng tâm với lỗ chính của xi lanh.
• Khi piston quay quanh buồng bơm, thể tích trong “xô” (khoang chứa khí) tăng lên, hút khí vào buồng.
• Khi thể tích đạt cực đại, “xô” bị bịt kín khi piston chặn cổng vào.
• Piston tiếp tục quay, nén khí lại và đẩy nó ra ngoài qua cổng xả với áp suất hơi cao hơn áp suất khí quyển.

Một lớp dầu bôi trơn mỏng được phủ bên trong buồng chân không để tạo độ kín tốt hơn. Tuy nhiên, dầu này có thể bị cuốn vào hơi trong quá trình, dẫn đến khí xả bị nhiễm dầu — điều này khó tránh khỏi.

Các loại bơm chân không piston quay

• 1 cấp (single-stage)
• 2 cấp (two-stage): tương tự như bơm vòng chất lỏng, cấu hình 2 cấp có công suất cao hơn và đạt độ chân không sâu hơn.

Có thể bổ sung các thành phần để cải thiện vận hành:

• Bộ lọc sương dầu (oil mist eliminator): thu hồi và tái sử dụng dầu
• Bộ ngưng tụ và bình chứa phụ (after-condensers & receivers): thu giữ hơi ngưng tụ còn sót lại
• Và các thiết bị phụ trợ khác

Ưu điểm của máy bơm chân không piston quay

• Giá thành tương đối thấp
• Công suất cao tại mức chân không sâu (< 0.01 Torr)
• Thiết kế chắc chắn, tuổi thọ cao
• Có thể xử lý một lượng nhỏ dung môi

Hạn chế

• Không thể xử lý chất lỏng hoặc cặn vì dễ gây hư hỏng bên trong
• Khó xử lý hơi ngưng tụ
• Không thể thu hồi dung môi vì hơi thường bị nhiễm dầu
• Có thể gây tiếng ồn lớn trong quá trình vận hành

Kết luận

Tóm lại, bơm piston là giải pháp lý tưởng cho những hệ thống cần lưu lượng ổn định, áp suất cao và độ bền lâu dài. Nhờ thiết kế chắc chắn và khả năng vận hành linh hoạt, thiết bị này không chỉ đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật khắt khe mà còn giúp tối ưu hiệu suất làm việc trong nhiều ngành công nghiệp. Việc lựa chọn đúng loại bơm piston phù hợp với mục đích sử dụng sẽ góp phần nâng cao hiệu quả và giảm chi phí bảo trì trong quá trình vận hành.

Tham khảo bài viết khác: Phương pháp chưng cất chân không