Ejector Venturi: nguyên lý, cấu tạo & truyền động lượng

1. Ejector Venturi: cấu tạo, nguyên lý tạo chân không và truyền động lượng

Ejector Venturi là thiết bị sử dụng một dòng lưu chất có năng lượng cao để cuốn hút và vận chuyển một dòng lưu chất khác mà không cần bộ phận chuyển động cơ khí. Trong hệ thống xử lý nước, ejector thường được dùng để hút khí, hút hóa chất, tạo chân không, cấp khí, tạo hỗn hợp khí – nước hoặc hỗ trợ mồi siphon.

Điểm dễ gây nhầm lẫn khi phân tích ejector là chỉ nhìn vào hiện tượng “vận tốc tăng thì áp suất giảm” theo phương trình Bernoulli. Quan hệ này đúng ở phần gia tốc của dòng động lực, nhưng chưa giải thích đầy đủ cách thiết bị hút được dòng thứ cấp và đặc biệt chưa giải thích vì sao dòng thứ cấp sau khi được hút có thể tiếp tục đi qua thiết bị và thoát về phía hạ lưu.

Bản chất đầy đủ của ejector gồm ba quá trình nối tiếp nhau: biến đổi áp suất thành động năng tại vòi phun → truyền động lượng giữa dòng động lực và dòng bị hút trong vùng trộn → chuyển một phần động năng của hỗn hợp trở lại thành áp suất trong bộ khuếch tán.

2. Ejector Venturi là gì?

Ejector thuộc nhóm thiết bị bơm tia, trong đó một dòng gọi là *dòng động lực* có áp suất hoặc năng lượng cao được tăng tốc qua vòi phun để tạo thành tia vận tốc lớn. Tia này tương tác với lưu chất trong cửa hút, kéo dòng thứ cấp vào vùng trộn và truyền động lượng cho nó.

Dòng động lực có thể là nước, hơi nước, khí nén hoặc một lưu chất khác. Dòng bị hút có thể là khí, hơi hoặc chất lỏng. Trong các ứng dụng xử lý nước, cấu hình thường gặp là nước áp lực làm dòng động lực và không khí hoặc khí cần hút làm dòng thứ cấp.

Ejector thường được gọi chung là “Venturi” vì thiết bị có vùng tiết diện thay đổi và khai thác quan hệ giữa vận tốc với áp suất. Tuy nhiên, về mặt thủy lực, ejector không đơn thuần là một ống Venturi đo lưu lượng. Ejector có *vòi phun động lực, cửa hút và vùng trộn* để thực hiện quá trình cuốn hút và trao đổi động lượng giữa hai dòng.

Có thể hình dung sự khác nhau như sau:

Ống Venturi thông thường chủ yếu làm dòng chính tăng tốc rồi giảm tốc, qua đó tạo chênh áp theo hình học tiết diện.
Ejector sử dụng một tia động lực tốc độ cao để tạo vùng áp suất thấp, hút thêm một dòng thứ cấp rồi truyền động lượng cho dòng này.
Vì vậy, khả năng hút của ejector phụ thuộc không chỉ vào tiết diện họng mà còn vào áp suất dòng động lực, hình học vòi phun, khoảng cách vòi phun – họng trộn, tỷ lệ tiết diện, lưu lượng hút và áp suất phía xả.

3. Cấu tạo cơ bản của ejector Venturi

Một ejector điển hình gồm vòi phun động lực, buồng hút, vùng trộn, họng trộn và bộ khuếch tán.

3.1. Vòi phun động lực

Vòi phun là nơi dòng động lực chuyển một phần áp năng thành động năng. Khi tiết diện dòng chảy giảm, vận tốc tăng lên đáng kể.

Đối với chất lỏng có thể xem gần đúng là không nén được, phương trình liên tục có dạng:

$$Q=A v$$

trong đó \(Q\) là lưu lượng thể tích, \(A\) là tiết diện dòng chảy và \(v\) là vận tốc trung bình.

Nếu bỏ qua chênh cao độ và tổn thất để thấy bản chất, phương trình Bernoulli giữa phía trước vòi phun và tia ra khỏi vòi có thể viết:

\frac{P_1}{\rho g}+\frac{v_1^2}{2g} \approx \frac{P_j}{\rho g}+\frac{v_j^2}{2g}

Trong đó \(P_1\) và \(v_1\) là áp suất và vận tốc trước vòi phun; \(P_j\) và \(v_j\) là áp suất và vận tốc của tia; \(\rho\) là khối lượng riêng của lưu chất và \(g\) là gia tốc trọng trường.

Do \(v_j\) lớn hơn nhiều \(v_1\), áp suất tĩnh của tia giảm. Tuy nhiên, chính xác hơn cần hiểu rằng vòi phun không tạo ra năng lượng mới mà chuyển năng lượng áp suất sẵn có của dòng động lực thành động năng.

3.2. Buồng hút

Buồng hút bao quanh hoặc nằm gần đầu ra của vòi phun. Cửa hút dòng thứ cấp thường nối vào khu vực này.

Khi tia động lực tốc độ cao đi ra khỏi vòi phun, áp suất tĩnh trong vùng xung quanh tia có thể giảm xuống thấp hơn áp suất tại nguồn dòng thứ cấp. Khi đó xuất hiện chênh áp:

\Delta P_s=P_{\text{nguồn}}-P_s

Nếu \(P_s<P_{\text{nguồn}}\), dòng thứ cấp được đẩy từ nguồn vào ejector.

Điều cần lưu ý là ejector không “kéo” không khí theo nghĩa tạo ra một lực hút độc lập. Khí đi vào vì *áp suất ở buồng hút thấp hơn áp suất của nguồn khí*. Với trường hợp hút không khí từ khí quyển, chính áp suất khí quyển đẩy không khí vào vùng có áp suất thấp.

3.3. Vùng trộn và họng trộn

Sau khi dòng thứ cấp đi vào buồng hút, tia động lực và dòng bị hút cùng đi về phía họng trộn.

Đây là khu vực quan trọng nhất để hiểu bản chất ejector.

Tia động lực có vận tốc lớn nhưng lưu lượng chỉ bằng lưu lượng dòng động lực. Dòng thứ cấp ban đầu có vận tốc thấp hơn. Do chênh lệch vận tốc, giữa hai dòng hình thành lớp cắt mạnh, nhiễu động và trao đổi động lượng.

Dòng động lực giảm vận tốc, trong khi dòng thứ cấp được gia tốc.

Quá trình này có thể mô tả ở mức cơ bản bằng cân bằng động lượng:

\sum F= \dot m_{\text{out}}v_{\text{out}} - \sum \dot m_{\text{in}}v_{\text{in}}

với:

\dot m_{\text{out}} = \dot m_p+\dot m_s

Trong đó \(\dot m_p\) là lưu lượng khối lượng dòng động lực và \(\dot m_s\) là lưu lượng khối lượng dòng thứ cấp.

Đối với một mô hình đơn giản bỏ qua lực áp suất và tổn thất, vận tốc hỗn hợp có thể hình dung gần đúng theo:

v_m\approx \frac{\dot m_p v_p+\dot m_s v_s} {\dot m_p+\dot m_s}

Công thức này chỉ nhằm minh họa nguyên lý bảo toàn động lượng. Thiết kế ejector thực tế phải xét lực áp suất, nhiễu động, hình học, ma sát và đối với dòng khí còn phải xét tính nén được.

3.4. Bộ khuếch tán

Sau họng trộn, tiết diện được mở rộng dần. Phần này gọi là bộ khuếch tán.

Khi tiết diện tăng, vận tốc hỗn hợp giảm. Một phần động năng được chuyển trở lại thành áp suất tĩnh.

Có thể hình dung gần đúng:

\frac{P_t}{\rho g} + \frac{v_t^2}{2g} > \frac{P_2}{\rho g} + \frac{v_2^2}{2g} \quad \text{nếu chỉ viết theo dạng lý tưởng là chưa đủ}

Trong thực tế phải đưa tổn thất vào:

\frac{P_t}{\rho g} + \frac{v_t^2}{2g} = \frac{P_2}{\rho g} + \frac{v_2^2}{2g} +h_L

Do \(v_t>v_2\), có thể đạt \(P_2>P_t\) mặc dù tổng cơ năng đã giảm bởi \(h_L\).

Đây chính là chức năng quan trọng của diffuser: *phục hồi áp suất* để hỗn hợp sau khi được hút có thể thắng áp suất phía hạ lưu.

4. Ejector tạo chân không như thế nào?

Khái niệm “tạo chân không” trong ejector thường không có nghĩa là đạt chân không tuyệt đối. Nó có nghĩa là tạo áp suất tuyệt đối thấp hơn áp suất môi trường hoặc thấp hơn áp suất tại nguồn dòng bị hút.

Quá trình có thể phân tích theo ba bước.

4.1. Dòng động lực được tăng tốc

Giả sử nước có áp suất \(P_1\) đi vào vòi phun.

Khi tiết diện vòi giảm, nước tăng tốc. Phần lớn chênh áp có thể sử dụng của dòng nước được chuyển thành cột động năng:

\Delta P \rightarrow \frac{1}{2}\rho v^2

Nếu bỏ qua tổn thất và vận tốc đầu vào nhỏ, vận tốc tia có thể ước lượng theo:

v_j\approx C_v \sqrt{\frac{2(P_1-P_j)}{\rho}}

Trong đó \(C_v\) là hệ số vận tốc đại diện cho sai khác giữa dòng thực và dòng lý tưởng.

Áp suất dòng động lực càng lớn thì về nguyên tắc càng có khả năng tạo tia vận tốc cao, nhưng khả năng hút cuối cùng vẫn phụ thuộc toàn bộ cấu hình ejector và áp suất phía xả.

4.2. Tia tốc độ cao tạo vùng áp suất thấp

Tia ra khỏi vòi phun đi xuyên qua buồng hút về phía họng trộn.

Một tia tự do tốc độ cao kéo theo lưu chất xung quanh do ma sát nhớt, lớp cắt và nhiễu động. Lưu chất gần tia được gia tốc theo hướng của tia. Khi lưu chất trong buồng hút liên tục bị cuốn đi, áp suất tĩnh của khu vực này giảm.

Nếu áp suất buồng hút giảm xuống:

$$P_s<P_a$$

với \(P_a\) là áp suất khí quyển, không khí bên ngoài sẽ đi vào cửa hút.

Do đó, cách nói “vận tốc tăng làm áp suất giảm” mô tả một phần hiện tượng nhưng chưa đủ. Cơ chế thực tế bao gồm cả *gia tốc dòng qua vòi phun, sự hình thành tia tự do và quá trình cuốn hút do trao đổi động lượng*.

4.3. Dòng bị hút được gia tốc và đưa ra ngoài

Nếu chỉ tạo được vùng áp suất thấp nhưng không truyền đủ động lượng cho dòng thứ cấp, thiết bị không thể duy trì lưu lượng hút ổn định.

Sau khi khí hoặc chất lỏng thứ cấp đi vào, nó phải được tia động lực gia tốc. Hai dòng sau đó tạo thành hỗn hợp có động lượng đủ lớn để đi qua họng trộn và diffuser.

Đây là lý do ejector cần cả *vùng trộn và họng trộn*, thay vì chỉ cần một vòi phun áp suất thấp.

Sự biến đổi áp suất và vận tốc dọc ejector Venturi

5. Vì sao họng trộn là nơi truyền động lượng quan trọng?

Một cách giải thích không chính xác thường gặp là cho rằng điểm họng chỉ có nhiệm vụ tạo áp suất thấp nhất. Trong ejector, chức năng của họng rộng hơn nhiều.

Khi dòng động lực vừa rời vòi phun, nó tồn tại dưới dạng một tia có vận tốc rất cao. Dòng thứ cấp mới đi vào lại có vận tốc nhỏ hơn đáng kể. Hai dòng chưa thể coi là một dòng hỗn hợp đồng nhất.

Tại bề mặt tiếp xúc xuất hiện gradient vận tốc:

\frac{\partial v}{\partial r}

Gradient này tạo ứng suất cắt. Trong dòng chảy rối, quá trình trao đổi động lượng diễn ra mạnh hơn nhiều so với khuếch tán phân tử đơn thuần.

Tia động lực dần mở rộng, kéo dòng thứ cấp vào và truyền động lượng cho nó. Có thể mô tả định tính:

v_p\downarrow \qquad v_s\uparrow

cho đến khi hai dòng tạo thành trường vận tốc tương đối đồng đều hơn ở cuối vùng trộn.

Họng trộn có tiết diện gần như không đổi giúp duy trì vận tốc đủ cao trong quá trình này. Nếu tiết diện mở rộng quá sớm, dòng có thể giảm tốc trước khi quá trình trộn và truyền động lượng hoàn tất, làm áp suất tăng sớm và giảm khả năng hút.

Ngược lại, họng quá nhỏ tạo tổn thất lớn, hạn chế lưu lượng hỗn hợp và có thể làm thiết bị hoạt động ngoài vùng thiết kế.

Vì vậy, *vòi phun tạo tia có động lượng cao; họng trộn là nơi động lượng đó được phân phối sang dòng bị hút*.

Đây là hai chức năng khác nhau nhưng liên kết chặt chẽ.

6. Dòng nước và dòng khí đi theo hướng nào?

Trong ejector dùng nước để hút khí, dòng nước động lực thường đi *dọc theo trục chính của ejector*.

Cấu hình điển hình là:

Nước áp lực đi vào từ phía trước ejector.
Nước đi qua nozzle và tiếp tục theo trục qua vùng trộn.
Khí đi vào từ cửa hút bên hông.
Sau khi vào buồng hút, khí đổi hướng và...