Máy bơm tăng áp được ứng dụng như thế nào trong hệ thống chân không?

Bơm tăng áp là thành phần thiết yếu trong các hệ thống chân không, nổi bật với khả năng nâng cao hiệu suất, tăng hiệu quả hoạt động và đáp ứng tốt các yêu cầu công nghiệp khắt khe. Nhờ thiết kế đặc biệt và nguyên lý hoạt động độc đáo, chúng trở nên không thể thiếu trong các lĩnh vực như chưng cất dầu, khử khí, phủ bề mặt và xử lý bán dẫn. Bài viết này sẽ đi sâu vào nguyên lý hoạt động của bơm tăng áp chân không  và làm rõ cách chúng tối ưu hóa hệ thống chân không trong nhiều ngành công nghiệp.

Tổng quan về máy bơm tăng áp

Bơm tăng áp chân không là gì?

Hãy tưởng tượng bạn được giao nhiệm vụ thiết kế một hệ thống bơm hút chân không chất lượng cao cho một nhà máy xử lý hóa chất hoặc cơ sở sản xuất dược phẩm. Bạn cần một loại bơm chân không hiệu quả, đáng tin cậy và có khả năng đạt được mức chân không mong muốn cho các yêu cầu quy trình cụ thể. Đó là lúc bơm chân không tăng áp, một công cụ đa năng và mạnh mẽ phát huy vai trò của mình.

Bơm chân không tăng áp, còn được gọi là bơm Roots, là một loại bơm dịch chuyển dương (positive displacement pump) dùng để tăng cường mức chân không trong hệ thống. Nó được thiết kế để hoạt động kết hợp với một bơm chính, thường là bơm cánh gạt quay (rotary vane) hoặc bơm piston quay (rotary piston), nhằm nâng cao hiệu suất và hiệu quả tổng thể của hệ thống chân không. Đây là một thành phần không thể thiếu trong nhiều quy trình công nghiệp, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại bơm chân không khác.

Các loại bơm tăng áp chân không 

Hiểu rõ các loại bơm tăng áp chân không sẽ giúp lựa chọn đúng hệ thống cho từng ứng dụng cụ thể:

• Bơm tăng áp chân không một cấp: Thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu mức chân không trung bình, thường được sử dụng kết hợp với bơm vòng dầu hoặc bơm vòng nước.
• Bơm tăng áp chân không hai cấp: Cung cấp dải chân không cao hơn, thường đi kèm với bơm chân không khô hoặc bơm chân không vòng dầu kín.
• Bơm tăng áp chân không hiệu suất cao: Thiết kế cho các hệ thống chân không dung lượng lớn, được trang bị cơ chế làm mát tiên tiến để xử lý tải công việc nặng.

Những tiến bộ trong công nghệ bơm tăng áp chân không 

Các bơm tăng áp hiện đại đang không ngừng phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong các ngành công nghiệp yêu cầu hiệu suất chân không siêu cao. Với sự cải tiến về vật liệu, thiết kế và công nghệ, những hệ thống này hiện nay cung cấp:

• Độ bền vượt trội: Việc sử dụng hợp kim chống ăn mòn cho cánh quạt và vỏ máy giúp kéo dài tuổi thọ vận hành ngay cả trong môi trường khắc nghiệt.
• Tiết kiệm năng lượng: Thiết kế tiên tiến giúp giảm tiêu thụ điện năng trong khi vẫn duy trì hiệu suất chân không cao.
• Thiết kế nhỏ gọn: Cấu hình tiết kiệm không gian, phù hợp với những nơi có diện tích lắp đặt hạn chế, dễ dàng tích hợp vào các hệ thống chân không hiện có..
• Giám sát và điều khiển kỹ thuật số: Tích hợp cảm biến và công nghệ IoT giúp theo dõi các chỉ số vận hành theo thời gian thực như áp suất chân không, nhiệt độ bơm và tốc độ cánh quạt, đảm bảo hiệu suất hệ thống tối ưu.
• Thiết kế cánh quạt cải tiến: Cánh quạt được thiết kế hiện đại giúp tăng hiệu suất và giảm tiếng ồn, đáp ứng các tiêu chuẩn công nghiệp nghiêm ngặt.
• Tuân thủ môi trường: Thiết kế cải tiến giúp giảm khí thải và đảm bảo tuân thủ các quy định về môi trường.

Các thành phần chính của bơm tăng áp chân không 

Thiết kế và cấu tạo:

Bơm bao gồm hai cánh quạt quay ngược chiều nhau với hình dạng đặc biệt. Các cánh quạt này quay mà không tiếp xúc vật lý với nhau, duy trì khoảng hở chính xác nhằm đảm bảo hoạt động hiệu quả.

Cấu hình hai hoặc ba cánh (Twin hoặc Tri-Lobe):

Tùy thuộc vào ứng dụng, bơm có thể được thiết kế với cánh đôi hoặc ba cánh. Thiết kế hai cánh đơn giản hơn, trong khi thiết kế ba cánh giúp tăng hiệu suất và giảm tiếng ồn.

Cơ chế làm mát:

Máy bơm tăng áp có hai loại: làm mát bằng không khí hoặc bằng nước, tùy thuộc vào môi trường vận hành và yêu cầu nhiệt độ.

Hiệu suất cao:

Được thiết kế để xử lý hơi và khí với mức tiêu thụ năng lượng riêng thấp, giúp duy trì lưu lượng dịch chuyển ổn định và chính xác, từ đó tiết kiệm năng lượng.

Nguyên lý hoạt động của bơm tăng áp chân không 

Nguyên lý chung

Máy bơm tăng áp hoạt động dựa trên nguyên lý dịch chuyển dương, tức là bẫy một thể tích khí cố định và sau đó đẩy nó ra khỏi bơm. Bơm bao gồm hai cánh quạt (rotor) quay ngược chiều, được đồng bộ hóa nhờ một cặp bánh răng. Khi các cánh quạt quay, chúng tạo ra các khoảng không khí giãn và nén giữa rotor và vỏ bơm. Quá trình này hút khí vào, nén nó, rồi đẩy ra ngoài qua cửa xả.

Vì bơm tăng áp không nén khí bên trong, nó phụ thuộc vào bơm chính để hạ áp suất khí trước khi đưa vào bơm tăng áp. Điều này giúp bơm hoạt động hiệu quả hơn vì khí đã có áp suất thấp hơn khi đến giai đoạn tăng áp. Sự kết hợp giữa bơm chính và bơm tăng áp tạo ra một hệ thống chân không mạnh mẽ và hiệu quả hơn, có thể đạt mức chân không sâu hơn và tốc độ hút cao hơn so với việc chỉ dùng bơm chính.

Lưu ý quan trọng: Bơm tăng áp không được thiết kế để vận hành ở áp suất khí quyển. Nếu vận hành trong điều kiện này, bơm có thể bị hư hỏng nghiêm trọng. Để tránh điều này, một van bypass (van an toàn) thường được lắp đặt để bảo vệ bơm khỏi quá áp, giúp nó vận hành trong dải áp suất tối ưu. Tuy nhiên, hiện nay với công nghệ biến tần (variable frequency drive – VFD) ngày càng phổ biến và tiết kiệm, động cơ của bơm tăng áp thường được trang bị biến tần, cho phép điều chỉnh tần số hoạt động linh hoạt và hiệu quả hơn.

Chi tiết quy trình hoạt động của máy bơm tăng áp

Hoạt động của bơm dựa trên sự quay đồng bộ của các cánh quạt, giúp nén và vận chuyển khí hoặc hơi qua hệ thống. Dưới đây là quy trình từng bước:

Nén mà không tiếp xúc vật lý:

Các cánh quạt quay ngược chiều nhau trong một vỏ máy được gia công tinh xảo. Chúng không tiếp xúc với nhau hay với vỏ, giúp giảm mài mòn và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Tạo sự chênh lệch áp suất:

Sự quay của các cánh quạt tạo ra chênh lệch áp suất, từ đó hút khí hoặc hơi từ máy bơm hút chân không chính. Sự chênh lệch này giúp tăng hiệu suất của toàn hệ thống chân không.

Dịch chuyển thể tích chính xác:

Thiết kế cánh quạt cho phép dịch chuyển thể tích khí một cách ổn định và chính xác, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định ngay cả khi tải thay đổi.

Tiêu thụ năng lượng thấp:

Bơm được thiết kế để xử lý khối lượng lớn khí và hơi với mức tiêu thụ năng lượng thấp, giúp tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường.

Xử lý hiệu quả hơi và khí:

Bơm tăng áp được thiết kế để xử lý hiệu quả hơi và khí – các thành phần phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp như tinh lọc dầu và phủ bề mặt.

Lợi ích của bơm tăng áp chân không 

Tăng hiệu suất hệ thống chân không:

Bằng cách nâng cao tổng công suất và hiệu quả của hệ thống chân không, máy bơm tăng áp giúp đẩy nhanh quá trình xử lý và cải thiện hiệu suất vận hành.

Tiết kiệm năng lượng:

Với mức tiêu thụ điện năng thấp, bơm tăng áp góp phần giảm chi phí vận hành, trở thành lựa chọn kinh tế cho các ngành công nghiệp.

Thiết kế bền bỉ và đáng tin cậy:

Việc không có tiếp xúc vật lý giữa cánh quạt và vỏ máy giúp giảm mài mòn, kéo dài tuổi thọ hoạt động và giảm yêu cầu bảo trì.

Khả năng thích ứng với nhiều ứng dụng:

Khả năng xử lý nhiều loại khí và hơi khác nhau giúp máy bơm tăng áp phù hợp với đa dạng quy trình công nghiệp.

Vận hành chính xác:

Khả năng dịch chuyển thể tích khí ổn định nhờ thiết kế cánh quạt đảm bảo mức chân không ổn định và đáng tin cậy, ngay cả trong điều kiện vận hành khắt khe.

Ứng dụng của bơm tăng áp chân không 

Bơm tăng áp chân không được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nhờ vào tính linh hoạt và hiệu quả cao. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến nhất:

Chưng cất và tinh lọc dầu:

Bơm tăng áp đóng vai trò quan trọng trong các quy trình chưng cất dầu tái sử dụng, nơi cần tạo ra môi trường chân không sâu để tách và tinh lọc sản phẩm dầu. Khả năng vận hành chính xác giúp tăng hiệu quả tách dầu với chi phí năng lượng thấp hơn.

Xem bài viết chi tiết: Chưng cất dầu mỏ và 5 lợi ích cụ thể

Khử khí:

Trong các ngành như luyện kim và sản xuất polymer, quá trình khử khí là rất quan trọng để loại bỏ khí bị giữ lại trong kim loại nóng chảy hoặc nhựa. Bơm tăng áp  tạo ra môi trường chân không ổn định, giúp nâng cao hiệu quả quá trình khử khí.

Quy trình phủ bề mặt:

Bơm tăng áp được sử dụng rộng rãi trong ngành phủ để thực hiện các quy trình như lắng đọng màng mỏng (thin-film) và kim loại hóa (metallization). Khả năng duy trì mức chân không ổn định đảm bảo lớp phủ chất lượng cao và đồng đều.

Xử lý bán dẫn:

Ngành bán dẫn yêu cầu điều kiện chân không chính xác trong các quy trình như khắc, pha tạp và lắng đọng. Bơm tăng áp chân không giúp đạt được các điều kiện yêu cầu nghiêm ngặt này.

Xử lý hóa chất:

Trong các nhà máy xử lý hóa chất, bơm tăng áp được dùng để tối ưu mức chân không cho các quy trình như chưng cất, bay hơi và sấy khô, đảm bảo chất lượng sản phẩm và hiệu quả quy trình.

Sản xuất dược phẩm:

Trong ngành dược, bơm tăng áp giúp duy trì mức chân không cần thiết cho các quy trình như sấy thăng hoa, khử khí và tiệt trùng, đảm bảo sản phẩm an toàn và đạt chất lượng cao nhất.

Tẩm chân không:

Trong ngành ô tô và điện tử, tẩm chân không được sử dụng để bịt kín các vật liệu xốp. Bơm tăng áp đảm bảo chất lỏng tẩm thấm sâu vào vật liệu, từ đó nâng cao độ bền và độ tin cậy của linh kiện.

Mô phỏng môi trường không gian:

Bơm tăng áp là thiết bị không thể thiếu trong việc tạo ra môi trường chân không như ngoài không gian để thử nghiệm các linh kiện hàng không vũ trụ. Khả năng xử lý lượng lớn khí ở áp suất thấp khiến chúng trở nên lý tưởng cho ứng dụng này.

Sấy thăng hoa (freeze drying):

Trong ngành dược phẩm và thực phẩm, sấy thăng hoa được sử dụng để bảo quản sản phẩm bằng cách loại bỏ độ ẩm dưới môi trường chân không. Bơm tăng áp giúp tăng hiệu quả và rút ngắn thời gian sấy.

Lò chân không:

Bơm tăng áp được sử dụng trong các lò chân không để đạt được mức chân không lý tưởng cho các quá trình xử lý nhiệt như hàn, thiêu kết và ủ, giúp nâng cao chất lượng và tính chất vật liệu.

Tác động của bơm tăng áp chân không đối với quy trình công nghiệp

Máy bơm tăng áp cải thiện đáng kể hiệu suất hệ thống chân không, dẫn đến:

• Giảm chi phí vận hành: Nhờ tiêu thụ điện năng và yêu cầu bảo trì thấp.
• Nâng cao chất lượng sản phẩm: Điều kiện chân không chính xác đảm bảo chất lượng sản phẩm đầu ra tốt hơn.
• Khả năng mở rộng: Thiết kế mô-đun cho phép dễ dàng mở rộng hệ thống chân không khi nhu cầu sản xuất tăng.

Các yếu tố cần cân nhắc khi lựa chọn bơm tăng áp

• Yêu cầu về công suất: Khối lượng khí hoặc hơi cần xử lý phải phù hợp với công suất của bơm để đạt hiệu suất tối ưu.
• Loại làm mát: Lựa chọn giữa làm mát bằng không khí hoặc bằng nước tùy theo môi trường vận hành và nhu cầu làm mát.
• Vật liệu chế tạo: Đảm bảo bơm được làm từ vật liệu phù hợp với loại khí hoặc hơi đang xử lý để tránh ăn mòn hoặc hư hỏng.
• Tính năng theo ứng dụng: Cân nhắc các đặc điểm như thiết kế hai cánh (twin-lobe) hoặc ba cánh (tri-lobe) để tăng hiệu suất và giảm tiếng ồn.

Mẹo bảo trì để đảm bảo hiệu suất lâu dài

Bảo trì định kỳ là điều cần thiết để đảm bảo máy bơm tăng áp hoạt động hiệu quả:

• Kiểm tra định kỳ: Thường xuyên kiểm tra sự mài mòn của cánh quạt, phớt và vòng bi.
• Bôi trơn: Duy trì mức dầu bôi trơn phù hợp để giảm ma sát và ngăn quá nhiệt.
• Làm sạch bộ lọc: Giữ cho bộ lọc sạch sẽ để tránh tắc nghẽn và đảm bảo luồng khí ổn định.
• Hiệu chuẩn cảm biến: Với các hệ thống có giám sát kỹ thuật số, đảm bảo cảm biến và thiết bị đo được hiệu chuẩn định kỳ.
• Thay thế bộ phận hao mòn: Nhanh chóng thay thế các linh kiện bị mòn hoặc hỏng để tránh sự cố hệ thống.

Kết luận

Bơm tăng áp là một công cụ không thể thiếu đối với các kỹ sư quy trình trong nhiều ngành công nghiệp. Khả năng tăng tốc độ bơm, đạt chân không sâu hơn và vận hành tiết kiệm năng lượng khiến chúng trở thành giải pháp tối ưu để nâng cao hiệu quả hệ thống chân không trong các lĩnh vực như hóa chất, dược phẩm, xử lý nhiệt và nhiều ngành khác.

Tham khảo bài viết khác: Van chân không có mấy loại và được ứng dụng như thế nào?