Máy Bơm Khí Nâng Martinez: Nâng Nước Bằng Không Khí

Giới Thiệu

Máy bơm nước từ lâu đã là một thành phần quan trọng của trang trại quy mô nhỏ và là thiết bị tiết kiệm sức lao động đáng giá có nhiều ứng dụng thực tế. Các loại máy bơm khác nhau thường được sử dụng để chứa và lọc nước, hệ thống tưới tiêu, nuôi trồng thủy sản, v.v. Mặc dù thuận tiện và hữu ích, nhưng việc bơm nước cũng tốn chi phí - từ mức tiêu thụ năng lượng cần thiết, đến việc đều đặn bảo trì các bộ phận chuyển động. Tuy nhiên, những phát triển mới trong công nghệ máy bơm phù hợp đã đưa ra các lựa chọn có thể tiết kiệm tiền, tăng độ tin cậy, cải thiện tuổi thọ của thiết bị và mang lại một số lợi ích nhất định sẽ được trình bày trong bài viết này.

Máy Bơm Khí Nâng Là Gì?

Một máy bơm nước thông thường sử dụng vòng quay cơ học để trực tiếp tạo áp lực và đẩy nước. Ngược lại, máy bơm nước khí nâng tận dụng mật độ tương đối nhẹ hơn của không khí để bơm nước. Cho đến gần đây, máy bơm nước khí nâng chỉ phù hợp để bơm nước ở độ cao tối đa 10 - 15 cm, tuy nhiên, Glenn Martinez từ Hawaii đã chia sẻ với cộng đồng quốc tế những thiết kế dễ chế tạo có thể dễ dàng bơm nước lên độ cao đến 2 - 3 mét. Trong một số cấu hình nhất định, các thiết kế máy bơm khí nâng này có thể bơm nước lên cao hơn nhiều, thậm chí cao tới 30 mét từ giếng ngầm. Bài viết này sẽ chỉ tập trung vào một trong những cấu hình cơ bản của ông, được gọi là máy bơm khí nâng 'ống trong ống' (Hình 2). Cấu hình này đã được dùng thường xuyên nhất để nâng từ 400 đến 2000 lít nước mỗi giờ lên độ cao từ 1 đến 4 mét, làm cho nó trở thành một công nghệ rất hữu ích cho một loạt các hệ thống. Như người đọc sẽ nhận thấy, công nghệ này mang lại những lợi ích đặc biệt cho các hệ thống thủy canh, là mục đích sử dụng hướng đến của những thiết kế cụ thể này.

Máy bơm khí nâng 'ống trong ống' tận dụng thực tế là không khí được bơm vào dưới nước sẽ nở ra dưới dạng bong bóng khi nó nổi lên trên bề mặt, với thể tích tăng 10% từ độ sâu 1 mét. Bằng cách giữ các bong bóng bên trong một đường ống thẳng đứng có đường kính nhỏ, những bong bóng này sẽ hoạt động giống như pít-tông hoặc ống tiêm, nâng các phần nước lên trên khi chúng nổi lên. Các nguyên tắc vật lý liên quan sẽ lấp đầy nhiều tài liệu kỹ thuật, nhưng hiệu ứng thực tế là một dòng nước và không khí đi lên mạnh mẽ. Thiết kế của Martinez hoạt động dựa trên lý thuyết rằng các bong bóng lớn hơn, chứ không phải là một đám mây bong bóng nhỏ, là hiệu quả nhất trong việc nâng nước.

Câu Chuyện Đằng Sau Sự Đổi Mới

Glenn Martinez, nhà cải tiến đằng sau mô hình 'ống trong ống' của máy bơm khí nâng, đã có nhiều năm tham gia giảng dạy, thiết kế và xây dựng hệ thống thủy canh tại trang trại Olomana Gardens của mình ở Hawaii, cũng như trên toàn thế giới trong công tác phát triển. Anh ấy cũng thường xuyên tư vấn về các thiết kế dự án thủy canh, và vài năm trước đã thiết kế một hệ thống thủy canh cho một trường học địa phương, nơi cung cấp điện sẽ rất tốn kém. Để làm cho hệ thống có giá cả phải chăng hơn, anh ấy đã phát minh ra (hoặc như Glenn nói là 'đã khám phá lại') một cách để bơm nước từ bể cá lên các luống thủy canh bằng một cấu hình bơm không khí cải tiến. Thay vì chạy ống dẫn điện trong một rãnh sâu xuyên qua sân trường, tất cả những gì cần thiết là một rãnh nông cho ống dẫn khí, được các học sinh nhanh chóng đào. Trong bể nước, một ống nhựa PVC 1-inch được lắp đặt, kết nối hệ thống với máy nén khí nhỏ 60 W nằm ở phía bên kia trong một lớp học có khóa. Như nó cho thấy, máy bơm khí nâng mà Glenn đã nghĩ ra có nhiều ưu điểm cho hệ thống thủy canh và các tình huống khác khi cần các phương pháp bơm nước rẻ tiền và đáng tin cậy.

Ưu Điểm Của Máy Bơm Nước Khí Nâng

Sự An Toàn

Như câu chuyện trên thể hiện, một máy bơm nước thông thường yêu cầu điện được đặt gần nguồn nước. Như chúng ta đã biết, điện và nước có thể là một sự kết hợp nguy hiểm, đặc biệt là khi có trẻ em. An toàn, liên quan đến điện trong nước, cần được giảm thiểu và thực hiện nghiêm túc trong bất kỳ môi trường nào. Tờ báo The Times của Ấn Độ đưa tin rằng có tới 30 người thiệt mạng mỗi ngày ở Ấn Độ do bị điện giật. Một thực tập sinh làm việc trong các dự án của chúng tôi ở Philippin gần đây đã nhờ chúng tôi tư vấn khi anh ấy bị giật hai lần với một chiếc máy bơm thông thường; đơn giản là anh ấy không có nhiều kinh nghiệm làm việc với các thiết bị điện, kể cả cách sắp xếp dây nối dài để chúng luôn khô ráo trong mùa mưa. Các mạch ngắt sự cố nối đất (GFI), nếu có, có thể làm giảm rủi ro nhưng có xu hướng không hoat động vào những thời điểm bất tiện và cần kiểm tra hàng tháng. Thay vào đó, máy nén cho máy bơm nước khí nâng có thể dễ dàng được đặt ở khoảng cách an toàn so với mặt nước để loại bỏ nguy cơ tiềm ẩn này, giảm đáng kể rủi ro. Các nhân viên phát triển cộng đồng có thể thấy tính năng đặc biệt này của máy bơm khí nâng đặc biệt có lợi để thúc đẩy an toàn.

Sục Khí Nước

Một trong những lợi thế lớn của máy bơm nước khí nâng là khả năng sục khí nước khi nó bơm. Đây có thể là một tính năng rất có lợi khi được tích hợp vào các hệ thống sản xuất cá hoặc các tình huống khác khi điều kiện chất lượng nước sẽ được ích lợi từ nhiều oxy hòa tan hơn. Ở một số hệ thống nuôi trồng thủy canh quy mô nhỏ, mật độ thả cá thấp thì chỉ riêng bơm khí sẽ cung cấp đủ oxy hòa tan cho nhu cầu của cá. Được sử dụng cùng với máy bơm sục khí và đá khí thông thường, máy bơm khí nâng có thể cung cấp thêm oxy hòa tan và bảo vệ chống lại mất cá do mức oxy hòa tan thấp.

Giảm Bảo Trì Và Tăng Độ Tin Cậy

Máy bơm nước chìm và máy bơm bên ngoài thông thường dễ bị tắc nghẽn và cần làm sạch định kỳ bao gồm cả việc tháo rời. Ngoài ra, cát và sạn mà chúng hút vào cuối cùng sẽ làm mòn các bộ phận, thường phải thay thế máy bơm. Thiết kế máy bơm không khí Martinez sẽ không chỉ xử lý các hạt bào mòn nhỏ mà cả các mảnh vụn lớn gần bằng đường kính của đường ống bên trong (1 đến 1 1/2 inch). Điều này có nghĩa là cá nhỏ, tảo, thức ăn thừa của cá, v.v... sẽ được bơm lên và đưa ra ngoài một cách đơn giản. Tại một trong những hệ thống thủy canh của mình, chúng tôi đã tiến hành một thử nghiệm bằng cách đổ 20 kg bã cà phê vào bể để kiểm tra khả năng khí nâng mà không bị tắc nghẽn; thật ấn tượng, nó đã vượt qua mà không gặp vấn đền nào. Khả năng xử lý sỏi và các mảnh vụn khác được thể hiện trong video này bởi Glenn.

Đồng thời, máy nén khí, thành phần đắt tiền nhất của máy bơm không khí, miễn nhiễm với bất kỳ thứ gì liên quan đến nước. Nước ngọt, nước mặn và nước đầy bùn đều giống nhau đối với máy bơm này vì nó nằm tách biệt với nguồn nước. Ngoài ra, trong trường hợp máy bơm chìm thông thường làm cạn bể chứa, nó sẽ nhanh chóng bị hư hỏng vĩnh viễn do quá nóng – một máy nén khí trong máy bơm khí nâng sẽ tiếp tục chạy, sẵn sàng cho nước quay trở lại.

Máy nén khí màng, lý tưởng cho máy bơm không khí, cũng rất dễ sửa chữa. Thông thường, tất cả những gì cần thiết là một tua vít để thay thế màng ngăn bị mòn vài năm một lần. Điều này đơn giản và ít tốn kém hơn nhiều so với việc thay thế toàn bộ máy bơm thông thường. Ngoài ra, việc thay đổi hoặc di chuyển máy nén có thể dễ dàng như tháo và lắp lại vòi tưới vườn.

Giảm Bảo Trì Và Tăng Độ Ổn Định

Máy bơm nước chìm và máy bơm bên ngoài thông thường dễ bị tắc nghẽn và cần làm sạch định kỳ bao gồm cả việc tháo rời. Ngoài ra, cát và sạn mà chúng hút vào cuối cùng sẽ làm mòn các bộ phận, thường phải thay thế máy bơm. Thiết kế máy bơm không khí Martinez sẽ không chỉ xử lý các hạt mài mòn nhỏ mà cả các mảnh vụn lớn gần bằng đường kính của đường ống bên trong (1 đến 1 1/2 inch). Điều này có nghĩa là cá nhỏ, tảo, thức ăn thừa của cá, v.v... sẽ được bơm lên và đưa ra ngoài một cách đơn giản. Tại một trong những hệ thống thủy canh của mình, chúng tôi đã tiến hành một thử nghiệm bằng cách đổ 20 kg bã cà phê vào bể để kiểm tra khả năng khí nâng mà không bị tắc nghẽn; thật ấn tượng, nó đã vượt qua mà không gặp vấn đền nào. Khả năng xử lý sỏi và các mảnh vụn khác được thể hiện trong video này bởi Glenn.

Đồng thời, máy nén khí, thành phần đắt tiền nhất của máy bơm không khí, miễn nhiễm với bất kỳ thứ gì liên quan đến nước. Nước ngọt, nước mặn và nước đầy bùn đều giống nhau đối với máy bơm này vì nó nằm tách biệt với nguồn nước. Ngoài ra, trong trường hợp máy bơm chìm thông thường làm cạn bể chứa, nó sẽ nhanh chóng bị hư hỏng vĩnh viễn do quá nóng – một máy nén khí trong máy bơm khí nâng sẽ tiếp tục chạy, sẵn sàng cho nước quay trở lại.

Máy nén khí màng, lý tưởng cho máy bơm không khí, cũng rất dễ sửa chữa. Thông thường, tất cả những gì cần thiết là một tua vít để thay thế màng ngăn bị mòn vài năm một lần. Điều này đơn giản và ít tốn kém hơn nhiều so với việc thay thế toàn bộ máy bơm thông thường. Ngoài ra, việc thay đổi hoặc di chuyển máy nén có thể dễ dàng như tháo và lắp lại vòi tưới vườn.

Các Ưu Điểm Khác Của Máy Bơm Khí Nâng

Ở một số địa điểm, máy bơm nước dễ bị trộm cắp hoặc phá hoại. Do ống nhựa PVC 1-inch hoặc chiều dài của ống có đường kính lớn hơn tạo ra rất ít lực cản đối với luồng khí nên máy nén khí có thể được đặt ở khoảng cách xa, được khóa riêng trong nhà hoặc hộp lưu trữ.

Máy bơm không khí cũng có thể tiết kiệm tiền bằng cách sử dụng ít điện hơn. Chúng tôi đã thay thế một máy bơm chìm 200 W bằng một máy nén khí 80 W để bơm nước khí nâng. Yêu cầu năng lượng thấp hơn làm cho hệ thống chạy bằng năng lượng mặt trời khả thi hơn. Glenn đã cấu hình các hệ thống máy bơm thông thường bằng hệ thống khí nâng để cắt giảm đáng kể chi phí bơm nước lên độ cao 8-10 mét. Chúng tôi chưa có bất kỳ kinh nghiệm nào về việc này, nhưng chúng tôi đã thấy rằng máy bơm khí nâng DIY cũng có thể được cấu hình để bơm các giếng ngầm, nơi khả năng chống tắc nghẽn và dễ sửa chữa đặc biệt có giá trị.

-----

Thiết Kế Máy Bơm Khí Nâng “Ống Trong Ống”

Hệ thống khí nâng thể tích lớn hơn là có thể và được thực hiện với các máy nén khí có kích thước khác nhau với các đường ống có kích thước phù hợp. Máy nén 110V của chúng tôi có kích cỡ từ 35 đến 110W. Việc lựa chọn máy nén được xác định bởi một số yếu tố bao gồm độ cao nước cần bơm và lượng nước ra mong muốn. Cấu hình 'ống trong ống' thủy canh điển hình chỉ cần một máy nén khí có khả năng tạo ra 5 psi (35 kPa) ban đầu sau đó có thể chạy liên tục ở khoảng 2 psi (14 kPa). Các máy nén chạy hệ thống thủy canh của chúng tôi tạo ra trong khoảng từ 30 đến 100 lít không khí mỗi phút. Bạn có thể thấy từ biểu đồ bên dưới rằng lượng nước đầu ra cuối cùng của máy bơm không chỉ phụ thuộc vào kích thước của máy nén mà còn một số biến số khác (Bảng 1). Máy nén khí 100L/phút không cho ta lượng nước nhiều nhất vì nó bơm nước lên cao hơn từ giếng nông hơn.

Chúng tôi đặt mục tiêu phải lật lại thể tích bể cá của mình ít nhất hai giờ một lần và những chiếc máy bơm này là quá đủ cho việc đó. Các cửa hàng cung cấp ao hoặc các cửa hàng cung cấp bể cá lớn hơn có thể mang theo máy nén kiểu màng ưa thích (hoặc cách khác là máy nén khí pít-tông) cho ứng dụng này.

Bảng 1. Các Ví Dụ Về Cấu Hình Và Công Suất Máy Bơm Khí Nâng Tại Uofn Kona

*Lít trên mỗi phút gần tương ứng với công suất của máy bơm – 110V, 80W cung cấp khoảng 80 lít không khí mỗi phút.

**Độ sâu của nước trong giếng là mực nước dưới mặt đất cộng với mực nước trên mặt đất bằng với độ sâu của nước trong bể chứa mà giếng được liên kết vào. Trong hệ thống xả lũ, độ sâu này có thể dao động nên đầu ra của máy bơm sẽ dao động.

Những Cân Nhắc Thiết Kế Quan Trọng 

Ống Nạp

Khi mô tả một trong những tính năng chính của cấu hình 'ống trong ống', Glenn Martinez có mẹo sau:

“Phiên bản mới nhất của cấu hình 'ống trong ống' bỏ chuyện khoan nhiều lỗ nhỏ. Suy nghĩ thông thường là nhiều bong bóng khí nhỏ thay thế mật độ của nước, do đó nước nhẹ hơn 'nổi lên'. Tuy nhiên, trong một chuyến đi đến Philippines gần đây, chúng tôi không có mũi khoan nhỏ hoặc động cơ khoan nhỏ. Tôi chỉ có một cái cưa sắt, vì vậy tôi chỉ cần thực hiện hai vết cắt, đối diện nhau trong đường ống bên trong. Vết cắt được thực hiện với độ dày của một lưỡi cưa sắt và cao hơn khoảng 1 inch so với lỗ dưới cùng của ống bên ngoài (Hình 3A).”

Điều xảy ra là khi bật máy nén, nước giữa ống vỏ bên ngoài và ống nâng bên trong được “đẩy xuống” cho đến khi chạm đến hai khe đối diện của ống bên trong. Không khí đi vào từng khe (đối diện trực tiếp với nhau) và cắt nước như một con dao theo đúng nghĩa. Sau khi cắt nước, không khí vỡ ra và bay lên, nâng tất cả nước trong đường ống bên trong lên cùng một lúc. Không khí này nâng tất cả nước trong đường ống bên trong và thoát ra dưới dạng một luồng nước. Sau đợt xả khí đầu tiên đó, do đó làm sạch ống nước bên trong, nước bổ sung sẽ tràn vào để lấp đầy đáy của máy bơm 'ống trong ống'. Sau khi di chuyển, nước trong đường ống bên trong có 50% là không khí và nhẹ hơn nhiều, vì vậy máy nén khí bơm nước dễ dàng hơn.

Đường ống bên trong thông với nước nguồn và được cắt một góc để tránh bị tắc hoàn toàn (Hình 3B.). Không gian phía dưới hai khe khí và giữa ống bên trong và bên ngoài có thể được bịt kín mà không cần sử dụng khớp nối và ống lót được mô tả ở đây (ví dụ: bằng một cái nút bấc tự chế) nhưng phương pháp này thuận tiện nếu có sẵn các bộ phận. Với cách tiếp cận này, "điểm dừng" bên trong trên ống lót phải được giũa đi để cho phép đường ống bên trong trượt hết cỡ trong khi vẫn giữ được lớp đệm kín khí. Điều tương tự cũng xảy ra với ống lót khác ở đầu ống ngoài.

Ứng Dụng Cho Thủy Canh Quy Mô Nhỏ

Một ứng dụng điển hình của máy bơm khí nâng, như trường hợp tại Trung Tâm Đào Tạo Trang Trại Thiên Nhiên của chúng tôi ở Hawaii, yêu cầu nâng 500 đến 1000 lít nước mỗi giờ, sẵn sàng cho dòng chảy bằng trọng lực qua hệ thống thủy canh (Hình 4). Trong trường hợp này, máy bơm khí nâng là một lựa chọn tuyệt vời, sục khí vào nước khi nó được đưa vào bể chứa phía trên. Chúng tôi đã đánh dấu thiết lập này để hiểu rõ hơn về cách sắp xếp thực tế của các bộ phận máy bơm không khí khác nhau.

Máy bơm khí nâng này bơm khoảng 900 lít/giờ từ một bể IBC lên độ cao 1,8 mét vào một bể lắng. Ống PVC 3-inch thẳng đứng được cấp nước bằng kết nối bằng mối chữ 'T' với bể IBC (Hình 3). Ống 3-inch này có nắp ở đáy và đóng vai trò như một loại 'giếng gom nước' cho máy bơm 'ống trong ống'. Ống giếng này, với bộ phận khí nâng 'ống trong ống' bên trong, kéo dài 80 cm xuống dưới mặt đất (độ sâu 1,5 mét sẽ tốt hơn vì công suất đầu ra của máy bơm sẽ tăng lên và chúng tôi có thể sử dụng ống nhỏ hơn máy nén khí). Bản thân hệ thống khí nâng được làm từ ống bên ngoài 2 inch và ống bên trong 1,25 inch. Nước được bơm lên và chuyển hướng vào bể trong khi không khí thoát ra ngoài qua đỉnh ống.

Lời Cảm Ơn & Tài Liệu Tham Khảo

Rất cảm ơn Glenn và giám đốc kinh doanh Natalie Cash vì những đóng góp rộng rãi về thời gian, công cụ và tài liệu cho chương trình giảng dạy của chúng tôi tại Trung tâm Đào tạo Trang Trại Thiên Nhiên, Phòng Khoa học & Công nghệ, YWAM, Đại học Quốc gia. Chúng tôi cũng rất biết ơn vì sự sẵn sàng chia sẻ những phát hiện này với ECHO và Mạng lưới của nó trên khắp thế giới của các bạn.

Tài liệu tham khảo

Martinez, G. Olomana Gardens Aquaponics Manual.

https://www.olomanagardens.com/shop/aquaponics-manual/