1. Định nghĩa van công nghiệp

Van công nghiệp là các thiết bị cơ học kiểm soát dòng chảy và áp suất của chất lỏng, khí trong một hệ thống. Chúng còn được gọi là bộ điều chỉnh và được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng. Các van khác nhau rất nhiều về kích thước, thiết kế, chức năng và hoạt động. Có một số phương pháp có thể được sử dụng để phân loại van bao gồm cơ chế điều khiển và chức năng của van.

2. Chức năng van

Van công nghiệp là một phần của nhiều máy móc được sử dụng hàng ngày và có thể thực hiện nhiều chức năng khác nhau. Ba chức năng van phổ biến bao gồm dừng và bắt đầu dòng chảy, lưu lượng tiết lưu (điều khiển) và hoạt động như một kiểm tra không quay trở lại cho lưu lượng (kiểm tra).Van công nghiệp là các thiết bị cơ học kiểm soát dòng chảy và áp suất của chất lỏng, khí trong một hệ thống. Chúng còn được gọi là bộ điều chỉnh và được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng. Các van khác nhau rất nhiều về kích thước, thiết kế, chức năng và hoạt động. Có một số phương pháp có thể được sử dụng để phân loại van bao gồm cơ chế điều khiển và chức năng của van.

 Van ON/OFF được sử dụng cho các hệ thống không cần điều tiết lưu lượng. Van mở để cho phép dòng chảy và đóng lại để ngăn chặn dòng chảy.

Van 1 chiều và năng lực của dòng chảy qua hệ thống.

 Van không quay trở lại hoặc kiểm tra kiểm soát hướng của dòng chảy. Dòng chảy theo hướng mong muốn mở van, trong khi dòng chảy theo hướng ngược lại buộc van đóng lại. Các van này rất quan trọng để ngăn chặn dòng chảy ngược vào các hệ thống trong các ứng dụng như quản lý nước thải.

3. Cách điều chỉnh

Cơ chế điều chỉnh dòng chảy có thể khác nhau tùy thuộc vào việc sử dụng van. Nhìn chung, có hai cách điều chỉnh dòng chảy bằng van.

Các loại van tuyến tính sử dụng một bộ phận khóa di chuyển theo đường thẳng để giải phóng, ngăn hoặc tiết chế dòng chảy. Thiết bị khóa có thể là đĩa, thanh mỏng hoặc chất liệu dẻo như là lớp màng bơm. Thiết bị khóa có thể được dùng để:

•      Di chuyển đĩa hoặc ổ cắm vào hoặc ra miệng lỗ
•       Trượt thanh mỏng, bề mặt hình trụ hoặc hình cầu qua miệng lỗ
•       Di chuyển chất liệu dẻo vào đúng dòng chảy

 Van chuyển động quay xoay một đĩa hoặc hình elip về một trục góc hoặc tròn kéo dài qua đường kính của một lỗ. Van xoay quý sẽ ở trạng thái mở hoàn toàn hoặc đóng hoàn toàn sau khi xoay 90 ° của thân cây.

4. Cấu tạo van

Van công nghiệp có thể khác nhau rất nhiều tùy vào kích cỡ và thiết kế nhưng đều có một số bộ phận cơ bản để thực hiện chức năng.

Phần thân van giúp kết nối các bộ phận vào với nhau. Các đầu được thiết kế để gắn vào ống nước hoặc thiết bị hệ thống và thường được hàn, xỏ hoặc ghép vào các lỗ. Phần thân là ranh giới chịu áp lực đầu tiên khi kết nối với môi trường xung quanh và thiết bị hệ thống. Môi trường cũng là một điều quan trọng cần cân nhắc khi chọn chất liệu thân van.

Ca-pô là phần bao phủ miệng của thân van. Đây là ranh giới quan trọng thứ hai của van áp lực và được làm từ cùng chất liệu với thân van. Ca-pô cũng có thể hỗ trợ các bộ phận bên trong của van như chân van, đĩa van và thiết bị truyền động.

Vi chỉnh là thuật ngữ được dùng cho các bộ phận bên trong có thể thay thế được như là đĩa, đế van, chân van và tay van – để dẫn đường cho chân van. Vi chỉnh chịu trách nhiệm cho các chuyển động cơ bản và việc điều chỉnh dòng chảy của van.

 Đĩa và đế van cho khả năng cho phép và ngăn cản dòng chảy. Hệ thống chịu áp lực hoàn toàn khi đĩa van đóng lại. Đế van cho một bề mặt để đĩa van đóng kín lại ngăn dòng chảy. Van có thể có một hoặc nhiều đế van tùy từng loại. Ví dụ như van điều tiết có 2 đế van; một đế nằm ở mặt hướng lên và đế còn lại nằm ở mặt hướng xuống. Thiết kế của đĩa van thường là khởi nguồn cho tên của nó.

Chân van chịu trách nhiệm với các chuyển động của đĩa, nút xả hay là viên bi mở hoặc đóng van. Nó thường được rèn và nối với van tay quay điều khiển, thiết bị truyền động. Chân van đã dịch chuyển đĩa theo chuyển động tuyến tính hoặc chuyển động xoay để đóng mở van. Có 5 loại hệ thống van tùy theo việc sử dụng.

•    Chân van nhô dài với ốc vít và vấu kẹp – Phần vỏ ngoài của chân van được ren lại, trong khi phần chân nằm trong van rất phẳng. Các ren đế tách biệt với dòng chảy nhờ vòng bít chân van. Kiểu này rất phổ biến với các loại van lớn.
•     Chân van nhô dài với ốc vít ở bên trong – Phần được ren của chân van nằm bên trong thân van và được kết nối với dòng chảy. Khi xoay, chân van và tay quay cùng nhô lên để mở van ra.
•      Chân van không nhô dài với ốc vít bên trong – Đĩa van di chuyển cùng với chân van, như một cái nhân khi đế van xoay. Các ren chân được lộ ra với dòng chảy nên kiểu này rất phù hợp với không gian hạn chế các chuyển động tuyến tính và dòng chảy không gây ra mài mòn, xói mòn với chất liệu chân van.
•       Chân van trượt – Chân van trượt ra vào van để đóng mở van. Thiết kế này để vận hành thủ công, van mở nhanh chóng và điều chỉnh van bằng xi-lanh thủy lực hoặc khí lực.
•       Chân van xoay – Đây là một kiểu thường được dùng trong các van bi, van nút và van bướm. Một chuyển động xoay ¼ của chân van sẽ làm đóng hoặc mở van.

 – Vòng bít chân van được dùng để hình thành khóa kín chắc chắn giữa chân van và ca-pô. Vòng bít được gắn vừa vặn với một trong số các bộ phận như: bánh lăn theo vòng đai, vòng đai, hộp lót, chất liệu vòng bít hay đế van. Vòng bít rất quan trọng trong việc chống các tổn thương cho chân van và việc mất khí gas hoặc lưu chất. Đây thường là chất liệu hoặc hợp chất dạng sợi (như là Teflon chẳng hạn) giúp hình thành khóa kín giữa các bộ phận bên trong và bên ngoài của van.

 – Vấu kẹp và nút vấu kẹp thường được dùng để kết nối phần thân với cơ chế truyền động. Vấu kẹp phải đủ chắc khỏe để chống chịu được lực ép, các chuyển động và mô-men xoắn gây ra bởi bộ phận truyền động. Nút được dùng để điều chỉnh chuyển động của chân van.

 – Bộ phận truyền động van bộ phận truyền động van vận hành chân và đĩa van để đóng mở van. Có một số loại truyền động tùy thuộc vào nhu cầu của hệ thống như mô-men xoắn cần thiết để vận hành van, tốc độ và sự cần thiết với việc truyền động tự động.

•   Bộ phận truyền động vận hành thủ công sử dụng tay quay hoặc khuỷu để đóng mở van. Chúng không phải tự động nhưng cho phép người dùng xác định vị trí van nếu cần. Truyền động thủ công được sử dụng trong các hệ thống điều khiển từ xa sẽ không thể kết nối với nguồn năng lượng, tuy nhiên chúng lại không thực tế khi áp dụng với các van lớn. Tay quay có thể thay đổi cho phép van đóng mở nếu cần. Các đầu thiết bị có thể được thêm vào để bổ sung đặc điểm kĩ thuật và tăng tốc độ đóng mở.

• Bộ truyền động động cơ điện cho phép sự vận hành thủ công, bán tự động và tự động của van. Động cơ thường có thể đảo ngược và được dùng cho chức năng đóng mở. Động cơ tốc độ cao được gắn với bánh răng để giảm tốc độ động cơ và nhờ đó tăng mô-men xoắn. Bộ truyền động được vận hành bởi vị trí của van hoặc nhờ mô-men xoắn của động cơ. Một công tắc giới hạn có thể được lắp đặt để tự động làm dừng động cơ khi đang mở hoặc đóng hoàn toàn.

Van điện từ vận hành van bằng việc sử dụng lưu chất thủy lực để điều chỉnh tự động việc đóng mở van. Các loại van thủ công cũng có thể dùng để điều khiển lưu chất thủy lực, nhờ đó mà van được vận hành bán tự động.Solenoid là một nam châm điện được thiết kế đặc biệt. Khi có một nguồn điện, một trường từ tính được giải phóng xung quanh dây dẫn. Một lõi sắt chữ T hoặc lõi nam châm được đặt ở trung tâm của cuộn dây để tập trung từ tính. Vì lõi sắt là một chất dẫn từ tính mạnh còn không khí thì không, nên lõi chữ T được kéo bởi trường từ tính vào một điểm mà từ tính có thể di chuyển 100% qua chất dẫn kim loại. Chữ T có thể di chuyển này hoạt động như một bộ phận truyền động của van. Van solenoid có thể có cấu trúc mà nguồn điện qua solenoid làm đóng hoặc mở van. Một ứng dụng nữa của van solenoid là cung cấp không khí cho toàn hệ thống như một bộ phận truyền động của van khí lực.

Van khí nén có thể là loại tự động hoặc bán tự động. Chúng hoạt động nhờ việc truyền tín hiệu không khí vào chuyển động của chân van bằng việc áp suất khí tác động lên pit-tông hoặc màng bơm có nối với chân van. Bộ phận truyền động khí lực tác động rất nhanh khi dùng trong van tiết lưu và khi đóng mở van.

Van thủy lực cũng là loại bán tự động hoặc tự động. Chúng được sử dụng khi cần một lực lớn tác động để mở van, ví dụ như van hơi chính. Không có áp lực của lưu chất, lực lò xo giữ van đóng. Lưu chất đi vào buồng ngăn, làm thay đổi áp lực. Khi lực ép lớn hơn lực lò xo, pit-tông đi lên và van mở ra. Để đóng van lại, lưu chất thủy lực (ví dụ như nước hoặc dầu) được đổ thêm vào một bên pit-tông, bên còn lại được xả khô.

Sử dụng chính lưu chất chảy qua để vận hành. Chúng thường thấy ở van giảm áp, van an toàn, van chặn và van hơi. Vì các loại truyền động này sử dụng lưu chất trong hệ thống nên không cần nguồn điện bên ngoài. Đặc điểm sử dụng của dòng van này là yêu cầu phải có áp suất lưu chất ít nhất > 0,5KG/cm2

5. Tốc độ của bộ phận truyền động năng lượng

 Bộ phận truyền động có thể khác nhau theo tốc độ vận hành. Tốc độ nên được chọn theo yêu cầu tốc độ và nguồn năng lượng của hệ thống cũng như khả năng huy động của nguồn điện đối với truyền động.

•       Các bộ truyền động tác động nhanh được sử dụng tốt nhất khi một hệ thống cần mở thật nhanh chóng. Sự tác động nhanh này có thể nhờ vào bộ truyền động solenoid, khí lực và thủy lực. Tốc độ của truyền động được thiết lập bằng việc lắp đặt chính xác khẩu độ và van được đóng nhờ áp lực lò xo, được đối kháng bởi áp lực thủy lực hoặc khí lực để giữ van mở. Các động cơ điện cũng có thể cho việc truyền động nhanh khi tốc độ được thiết lập bằng tốc độ động cơ và tỉ số truyền tốc độ.
•     Các bộ truyền động tác động chậm lại tốt nhất khi có nước lạnh phụt vào hệ thống nóng hoặc van cần mở ra chậm rãi hơn.

Kích cỡ bộ truyền động

 Do có vô số loại van khác nhau, bộ truyền động cũng phải có nhiều kích cỡ khác nhau cho mỗi loại van cụ thể trong hệ thống. Nếu bộ truyền động có kích cỡ nhỏ hơn, nó sẽ không thể chịu được các lực ép đối lại nó. Điều này sẽ khiến kì chậm và thất thường. Nếu bộ truyền động không đủ cứng để giữ van ở vị trí đóng, khóa sẽ đóng vào đế van, gây ra sự tăng vọt áp lực. Nếu bộ truyền động có kích thước quá lớn, sẽ tốn kém hơn, nó nặng hơn và ì máy hơn nếu cần tốc độ và sự phản ứng tốt. Các bộ truyền động lớn hơn cũng có thể cho lực đẩy cao hơn, làm tổn thương các bộ phận bên trong của van. Bộ truyền động thường có kích cỡ lớn hơn là do các yếu tố an toàn nhưng kích cỡ nhỏ hơn cũng hoạt động tốt khi cần cân nhắc các yếu tố an toàn đi kèm.

6. Chất liệu của van

Van được làm từ rất nhiều chất liệu khác nhau bao gồm các chất kim loại và phi kim. Khi chọn một chất liệu nào đó, chúng ta nên cân nhắc đến môi trường sử dụng (hay là nhiệt độ), tuổi thọ (hay là khả năng bảo dưỡng) và lớp giữa (hay là khí gas hoặc chất lỏng ăn mòn). Chất liệu phổ biến nhất là thép cacbon vì nó chịu được nhiệt cao, dễ tìm và rất rẻ, nhưng lại không phù hợp với lớp giữa ăn mòn. Thép không gỉ cứng, chống chịu tốt với cả chất ăn mòn và nhiệt cao, nhưng giá lại đắt hơn thép cacbon. Các loại hợp kim đặc biệt được sử dụng cho nhiều điều kiện như áp suất cao hay chất ăn mòn mạnh.

7. Sự giảm áp suất

Giảm áp suất là sự thay đổi áp suất giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống. Công thức tính như sau:

•       ΔP = G (q/FpCv)2

 Nếu độ giảm áp suất quá cao, van lớn hơn hoặc van có Cv cao hơn có thể được dùng để làm giảm áp suất xuống.

8. Hệ số dòng chảy

Hệ số dòng chảy của van là số ga-lông (theo đơn vị của Mĩ) trên một phút khi nước ở 60°F chảy qua van có độ mở cụ thể với độ giảm áp suất 1 psi. Hệ số này được dùng để quyết định kích cỡ tốt nhất cho phép van giải phóng dòng chảy theo ý muốn, trong khi vẫn giữ sự điều chỉnh ổn định của lưu chất toàn quá trình. Nó có thể được dùng để so sánh lưu lượng dòng chảy của các loại van có kích cỡ, loại và nhà sản xuất khác nhau. Hệ số dòng chảy cũng khác biệt về khí gas, chất lỏng và hơi, nó cũng phụ thuộc vào độ giảm áp suất qua van. Cv  đo được sẽ dùng để mở hoặc đóng van tùy theo chức năng.

Với không khí và khí gas: Lớp giữa chịu nén – Độ dày đặc của khí gas thay đổi theo sự thay đổi áp suất và vì vậy mà làm mức độ dòng chảy thay đổi. Áp suất thấp là khi P2 > P1/2 và áp suất cao là khi P1 > P2/2

Áp suất thấp: Cv= q/ (16.05) √(P12 – P22) / G * T

Áp suất cao: Cv= q/ (13.61) √(1) / G * T

•       Với chất lỏng: Lớp giữa không chịu nén – Mức độ dòng chảy chỉ phụ thuộc vào sự khác biệt giữa áp suất đầu vào và đầu ra, nên nó vẫn giữ nguyên đồng nhất với sự thay đổi áp suất.

Cv= q/Fp √(G/ΔP)

•       Với hơi: Lớp giữa chịu nén – Độ dày đặc của hơi thay đổi theo sự thay đổi áp suất. Có độ giảm áp suất tới hạn và không tới hạn. Tới hạn là khi áp suất giảm 58% hoặc nhiều hơn đo từ đầu vào đến đầu ra.

Độ giảm áp suất tới hạn: Cv = m/1.61 pi

Độ giảm áp suất không tới hạn: m/(2.1 ( pi + po))

Nếu Cv đo được quá nhỏ, van sẽ bị nhỏ hơn và hệ thống có thể cần lưu chất. Điều này cũng gây ra độ giảm áp suất lớn hơn trong van, khiến van tạo bọt nước hoặc dòng nước không đều. Nếu Cv quá cao, van cũng sẽ lớn, dẫn tới tốn kém và máy móc cũng khó vận hành hơn. Cv lớn hơn cũng có thể là một vấn đề khi tiết lưu vì dòng chảy sẽ không thể điều chỉnh hiệu quả khi mở. Vị trí của khóa van cũng tạo ra khả năng tăng độ giảm áp suất và vận tốc nhanh hơn cũng gây ra nước nhiều bọt, gãy hoặc xói mòn vật liệu.

Đặc tính dòng chảy

Đặc tính dòng chảy cho thấy mối quan hệ giữa hệ số dòng chảy và chu kỳ của van. Nó vốn có trong thiết kế của từng loại van. Ví dụ khi van mở, đặc tính dòng chảy cho phép một lượng nước nhất định đi qua van theo số phần trăm cụ thể của chu kỳ. Điều này đặc biệt quan trọng khi điều chỉnh tiết lưu vì nó điều chỉnh dòng chảy theo cách thức dễ tính toán.

Khả năng điều tiết

Đây là một yếu tố rất quan trọng khi chọn kiểu van. Nó được xác định bởi lưu tốc tối đa tới tối thiểu có thể điều chỉnh được bởi một loại van nhất định. Đặc tính dòng chảy bị ảnh hưởng bởi 3 yếu tố: hình dạng van, độ rò rỉ qua đế van và độ chính xác hay độ cứng của bộ truyền động ở gần khóa van. Hình dáng van là vốn có tùy theo thiết kế của đế và khóa van, độ rò rỉ đế van quá mức có thể khiến van hoạt động không ổn định vì nó làm đế van nâng lên.

Khả năng điều tiết được đo dễ dàng nhờ hình dáng và bộ truyền động của van. Nếu van không đúng mức 5% chu kỳ thì khả năng điều tiết là 20:1 (100% được chia thành 5%). Khi độ điều tiết tăng lên, lưu tốc lớn hơn có thể được điều chỉnh bằng van. Không bắt buộc rằng van phải có độ điều tiết cao nhất vì hầu hết các hệ thống đều không có dải thay đổi lưu tốc như vậy. Van bi khắc chữ V có độ điều tiết lớn nhất ở mức 200:1, trong khi van cầu là 100:1. Độ điều tiết càng cao thường cho thấy độ nhạy cảm càng thấp khi khóa đang gần như đóng lại và rồi tăng lên khi van mở ra.

Lưu tốc

Lưu tốc bị ảnh hưởng bởi đặc tính dòng chảy và độ giảm áp suất trong van.

Tính toán kích cỡ van

Lý thuyết đằng sau việc tính toán kích cỡ van quyết định dòng chảy qua đường kính van. Van có thể có 2 miệng kích cỡ khác nhau được thiết kế để nhận độ giảm áp suất. Đó là lí do vì sao việc tính kích cỡ van hầu như đều được thực hiện với van tiết lưu. Mặc dù vậy, ta cũng nên cân nhắc cả kích cỡ van đóng/ mở nữa.

• Van ON/OFF được ra đời để cho lượng nước đi qua 100% mà không có sự giảm áp suất lớn nào. Chúng không tiết lưu dòng chảy nên miệng mở của van thường có một kích cỡ. Nếu van quá nhỏ, dòng chảy sẽ nhỏ. Van lớn sẽ tốn kém hơn vì cần thêm các ống nối.
• Van tiết lưu được ra đời để cho lượng nước chảy nhất định ở một điểm mở nhất định, tạo ra độ giảm áp suất nhất định. Van tiết lưu hoạt động tốt nhất khi sử dụng dải chu kỳ đầy đủ, cho đặc tính dòng chảy như ý muốn và đầu ra dòng chảy tối đa.

Quá cỡ van thường xuyên xảy ra hơn so vì các nhà sản xuất thường thêm các yếu tố an toàn vào đặc điểm kĩ thuật mà họ nhận được phản hồi từ người dùng, thường là các đặc điểm tối đa của hệ thống. Có van quá cỡ dễ xử lý hơn và an toàn hơn van nhỏ.

Kích cỡ van cũng phụ thuộc vào từng loại. Bạn sẽ tìm thấy nhiều thông tin hơn trên trang của từng loại van cụ thể trong bảng trên đây.

Việc sử dụng thêm hoặc bớt ống dẫn để tạo ra đường dẫn không theo tiêu chuẩn có thể được sửa nhờ phương trình Cv. Để chọn được hình dáng đường dẫn cần đo đường kính trong của ống (Fp). “d” là đường kính trong và “D” là đường kính ngoài.

Yếu tố hình dáng ống dẫn của van có thêm hoặc bớt ống dẫn ở cả hai đầu.

Giá cả lắp đặt

• Van đóng/mở – Một số loại của van này được xem như van dùng một lần, sử dụng đến khi vỡ hỏng thì vứt bỏ đi
• Van tiết lưu – Có nhiều yếu tố đắt tiền, không bao gồm giá ban đầu và giá lắp đặt.

      Giá lắp đặt lâu dài bao gồm giá mua, công lắp và khởi động, duy trì, bảo dưỡng và giá của các bộ phận dự phòng. Độ đảm bảo của van cũng có thể ảnh hưởng tới giá thành vì van càng đáng tin cậy càng cần ít công bảo dưỡng.

Các đặc điểm

Các dấu hiệu nhận biết trạng thái hoạt động trên van: Các dấu hiệu cho phép người vận hành nhận biết trạng thái van. Nó có thể là đèn, công tắc, chân van nhô dài hoặc một số đặc tính rõ ràng khác. Đặc điểm này sẽ chỉ ra van đang đóng hay mở và với van tiết lưu thì còn cho thấy van đang mở ở mức nào.

9. Các tiêu chuẩn

• ANSI B16.34 — bao trùm cả van với mặt bích ống, mối hàn giáp, mối hàn khớp nối và các đầu ren ống. Nó xác định tỉ lệ áp suất – nhiệt độ, chất liệu và yêu cầu thiết kế, cũng như độ dày tường để lắp đặt van và không áp dụng cho van khí cụ.
• MSS Standards — áp dụng cho van thép hoặc hợp kim có kích cỡ đường ống định mức 1” và nhỏ hơn, tỉ lệ áp suất 10.000 psi và thấp hơn mức 100°F.
• API Standards — API 598 xác định các yêu cầu kiểm định, kiểm tra cho các loại van được bán theo tiêu chuẩn van API. Nó có thể được áp dụng với các loại van khác và được dùng rộng rãi trong ngành công nghiệp xăng dầu và hóa chất.
• NACE Standards — dùng cho các loại van phải chịu chất ăn mòn.
• ASME standards and code cases — ASME đã phát triển hai mẫu cho bình chịu áp và hệ thống đường ống. Vai trò của hai mẫu này là củng cố sự an toàn trong thiết kế và cấu trúc của các hệ thống chịu áp và nâng cao tiêu chuẩn hóa về thiết kế, chất liệu, thiết bị và kết cấu.

Nguồn: vancongnghiep.org