Thông tin về van công nghiệp – Phần 1

Van là các thiết bị cơ khí kiểm soát dòng chảy và áp suất của chất lỏng, khí, và bùn trong một hệ thống. Chúng còn được gọi là bộ điều chỉnh và được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Van có kích thước, thiết kế, chức năng, và cách vận hành rất đa dạng. Có nhiều phương pháp để phân loại van, bao gồm cơ chế điều khiển và chức năng của van.

Van 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, điều tiết (kiểm soát) dòng chảy, và hoạt động như một van một chiều ngăn chặn dòng chảy ngược (check).

• Van Dừng/Bắt Đầu (Stop/Start):
  • Chức năng: Được sử dụng cho các hệ thống không cần điều tiết dòng chảy. Van mở để cho phép dòng chảy và đóng để dừng dòng chảy.
• Van Điều Tiết (Throttle/Control):
  • Chức năng: Kiểm soát tốc độ và công suất của dòng chảy qua hệ thống.
• Van Một Chiều (Non-Return/Check):
  • Chức năng: Kiểm soát hướng của dòng chảy. Dòng chảy theo hướng mong muốn sẽ mở van, trong khi dòng chảy theo hướng ngược lại sẽ buộc van đóng lại. Các van này rất quan trọng trong việc ngăn chặn dòng chảy ngược lại trong các hệ thống như quản lý nước thải.

Cơ chế để điều khiển dòng chảy có thể thay đổi tùy theo ứng dụng của van. Nhìn chung, có hai phương pháp chính để điều khiển dòng chảy qua van

• Van Chuyển Động Tuyến Tính (Linear Motion Valves):
  • Cách Hoạt Động: Sử dụng một thành phần đóng mở di chuyển theo đường thẳng để cho phép, dừng hoặc điều tiết dòng chảy. Thành phần đóng mở có thể là một đĩa, tấm hoặc vật liệu linh hoạt như màng ngăn.
  • Ứng Dụng:
    • Di chuyển một đĩa hoặc nút vào hoặc chống lại một lỗ thông.
    • Trượt một tấm, bề mặt hình trụ hoặc hình cầu qua một lỗ thông.
    • Di chuyển một vật liệu linh hoạt vào đường dẫn dòng chảy.
• Van Chuyển Động Xoay (Rotary Motion Valves):
  • Cách Hoạt Động: Xoay một đĩa hoặc elip xung quanh một trục góc hoặc tròn mở rộng qua đường kính của lỗ thông. Các van quay một phần tư (quarter turn valves) sẽ ở trạng thái hoàn toàn mở hoặc hoàn toàn đóng sau khi quay 90° của thân van.

Dưới đây là tóm tắt các loại van cơ bản và phổ biến nhất, bạn có thể tìm hiểu thêm thông tin bằng cách nhấp vào liên kết trong tiêu đề.

Van có thể khác nhau rất nhiều về kích thước và thiết kế, nhưng có một số thành phần cơ bản quyết định chức năng của van.

Thân van là phần giữ các bộ phận lại với nhau. Các đầu của thân van được thiết kế để kết nối vào ống hoặc thiết bị trong hệ thống và thường được hàn nối mông hoặc hàn socket, ren hoặc mặt bích. Thân van là rào cản áp suất đầu tiên tiếp xúc với môi trường xung quanh và môi trường hệ thống. Môi trường là yếu tố quan trọng khi chọn vật liệu cho thân van.

Nắp van là phần che cho lỗ mở trong thân van. Đây là rào cản áp suất quan trọng thứ hai của van và được làm từ cùng loại vật liệu với thân van. Nắp van cũng có thể hỗ trợ các bộ phận bên trong van như trục, đĩa và bộ truyền động.

Trim là thuật ngữ chỉ các bộ phận bên trong có thể thay thế được như đĩa, ghế van, trục và ống dẫn trục. Trim chịu trách nhiệm cho các chuyển động cơ bản và tính năng điều khiển dòng chảy của van.

Đĩa và ghế van cung cấp khả năng cho phép và ngăn chặn dòng chảy của chất lỏng. Hệ thống ở trạng thái áp suất toàn phần khi đĩa đóng. Ghế van cung cấp bề mặt cho đĩa để làm kín nhằm ngăn chặn dòng chảy. Van có thể có một hoặc nhiều ghế tuỳ thuộc vào loại van. Ví dụ, van cổng có hai ghế: một ở phía thượng lưu và một ở phía hạ lưu. Thiết kế của đĩa thường là yếu tố quyết định tên của van.

Trục van chịu trách nhiệm cho việc di chuyển đĩa, plug hoặc bóng để mở hoặc đóng van. Trục thường được rèn và kết nối với tay quay, bộ truyền động hoặc đòn bẩy của van thông qua việc ren. Trục di chuyển đĩa theo chuyển động tuyến tính hoặc xoay để mở hoặc đóng van. Có năm loại hệ thống van tuỳ thuộc vào ứng dụng:

• Trục nổi lên với ren ngoài và yoke: Phần ngoài của trục được ren, trong khi phần trục trong van thì mịn. Ren của trục được tách khỏi môi trường dòng chảy bởi gioăng trục. Loại van này phổ biến cho các van lớn hơn.
• Trục nổi lên với ren trong: Phần ren của trục nằm trong thân van và tiếp xúc với môi trường dòng chảy. Khi xoay, trục và tay quay cùng nổi lên để mở van.
• Trục không nổi với ren trong: Đĩa van di chuyển dọc theo trục, như một con đai khi trục xoay. Ren trục tiếp xúc với môi trường dòng chảy nên mẫu này phù hợp khi không gian hạn chế để di chuyển tuyến tính và môi trường dòng chảy không gây xói mòn, ăn mòn hoặc mài mòn vật liệu trục.
• Trục trượt: Trục van trượt vào và ra khỏi van để mở hoặc đóng van. Thiết kế này dành cho van mở tay, nhanh chóng, và van điều khiển hoạt động bởi xi lanh thủy lực hoặc khí nén.
• Trục xoay: Đây là mẫu thường được sử dụng trong van bi, van plug và van bướm. Chuyển động quay một phần tư của trục mở hoặc đóng van.

Gioăng trục được sử dụng để tạo thành một vòng kín chặt giữa trục và nắp van. Gioăng được lắp với một trong các thành phần: follower, gland, hộp nhồi, vật liệu nhồi hoặc backseat. Gioăng quan trọng trong việc ngăn ngừa hư hỏng cho trục và sự mất mát chất lỏng hoặc khí. Thường là vật liệu sợi hoặc hợp chất (như Teflon®) tạo thành một vòng kín giữa các bộ phận bên trong và bên ngoài của van.

Yoke và đai yoke được sử dụng để kết nối thân van với cơ chế truyền động. Yoke phải đủ mạnh để chịu được các lực, chuyển động và mô-men xoắn do bộ truyền động tạo ra. Đai yoke được sử dụng để kiểm soát chuyển động của trục.

Bộ truyền động van điều khiển trục và đĩa để mở và đóng van. Có nhiều loại bộ truyền động tùy thuộc vào nhu cầu của hệ thống, chẳng hạn như mô-men xoắn cần thiết để vận hành van, tốc độ và nhu cầu tự động hóa.

Bộ truyền động tay thủ công sử dụng tay quay hoặc tay đòn để mở hoặc đóng van. Chúng không tự động nhưng cho phép người dùng điều chỉnh vị trí của van theo ý muốn. Bộ truyền động thủ công được sử dụng trong các hệ thống từ xa không có nguồn điện, tuy nhiên không thực tế cho các ứng dụng liên quan đến van lớn. Tay quay có thể được gắn vào trục hoặc búa cho phép van được đóng mở mạnh nếu cần thiết. Bộ giảm tốc có thể được thêm vào để tăng thêm lợi thế cơ học và tốc độ mở/đóng.

Bộ truyền động bằng động cơ điện cho phép vận hành van bằng tay, bán tự động và tự động. Động cơ thường có thể đảo ngược và được sử dụng cho chức năng mở và đóng. Động cơ tốc độ cao được kết nối thông qua hộp giảm tốc để giảm tốc độ động cơ và do đó tăng mô-men xoắn. Bộ truyền động được vận hành bởi vị trí của van hoặc mô-men xoắn của động cơ. Một công tắc giới hạn có thể được bao gồm để tự động dừng động cơ khi van mở hoàn toàn và đóng hoàn toàn.

Van điều khiển bằng solenoid sử dụng chất lỏng thủy lực để điều khiển tự động mở hoặc đóng van. Van thủ công cũng có thể được sử dụng để điều khiển chất lỏng thủy lực; do đó cung cấp hoạt động bán tự động. Solenoid là một nam châm điện được thiết kế. Khi có dòng điện, một từ trường được tạo ra xung quanh dây dẫn. Một thanh sắt hoặc piston được đặt vào trung tâm của cuộn dây để tập trung từ tính. Vì sắt là chất dẫn từ mạnh và không khí thì không, thanh sắt bị từ trường hút vào vị trí nơi từ tính có thể đi qua 100% qua chất dẫn kim loại. Thanh sắt di động hoạt động như bộ truyền động của van. Van solenoid có thể được bố trí sao cho nguồn điện cung cấp cho solenoid có thể mở hoặc đóng van. Một ứng dụng của van solenoid là cung cấp không khí cho các hệ thống như bộ truyền động van khí nén. Những van này không thực tế cho các hệ thống lớn vì kích thước và yêu cầu năng lượng của chúng sẽ quá lớn.

Van điều khiển bằng khí nén có thể tự động hoặc bán tự động. Chúng hoạt động bằng cách chuyển đổi tín hiệu khí thành chuyển động của trục van bằng áp lực khí tác động lên màng hoặc piston được kết nối với trục. Bộ truyền động khí nén phản ứng nhanh để sử dụng trong các van điều tiết và định vị mở-đóng.

Bộ truyền động thủy lực cung cấp khả năng định vị bán tự động hoặc tự động của van. Chúng được sử dụng khi cần một lực lớn để mở van, chẳng hạn như van hơi chính. Khi không có áp suất chất lỏng, lực của lò xo giữ van ở vị trí đóng. Chất lỏng đi vào buồng, thay đổi áp suất. Khi lực này lớn hơn lực lò xo, piston di chuyển lên và van mở. Để đóng van, chất lỏng thủy lực (như nước hoặc dầu) được đưa vào một bên của piston trong khi bên kia được xả hoặc thoát.

Van tự hoạt động sử dụng chất lỏng trong hệ thống để định vị van. Chúng thường được tìm thấy trong các van giảm áp, van an toàn, van kiểm tra và bẫy hơi. Vì các bộ truyền động này sử dụng chất lỏng trong hệ thống, không cần nguồn điện ngoài.

Tốc độ của bộ truyền động

Bộ truyền động có thể thay đổi về tốc độ hoạt động. Tốc độ nên được chọn dựa trên yêu cầu về tốc độ và năng lượng của hệ thống và sự sẵn có của năng lượng cho bộ truyền động.

• Bộ truyền động phản ứng nhanh được sử dụng tốt nhất khi hệ thống cần được cách ly hoặc mở nhanh chóng. Hành động nhanh được cung cấp bởi bộ truyền động thủy lực, khí nén và solenoid. Tốc độ của bộ truyền động được cài đặt bằng cách lắp đặt lỗ thông đúng trong các đường ống và van được đóng bằng lực của lò xo, đối kháng bởi áp lực thủy lực hoặc khí nén để giữ van mở. Động cơ điện cũng có thể cung cấp hành động nhanh khi tốc độ được đặt thông qua tốc độ động cơ và tỷ lệ bánh răng.
• Bộ truyền động phản ứng chậm được sử dụng tốt nhất khi nước lạnh được tiêm vào một hệ thống nóng hoặc cần mở chậm.

Kích thước bộ truyền động

Do sự đa dạng và biến đổi lớn của van, bộ truyền động phải được kích thước phù hợp với van cụ thể trong hệ thống. Nếu bộ truyền động có kích thước nhỏ, nó sẽ không thể vượt qua các lực chống lại nó, gây ra chuyển động chậm và không đều. Nếu bộ truyền động không đủ cứng để giữ vị trí đóng, phần tử đóng sẽ đập vào ghế, gây ra sự tăng áp suất. Nếu bộ truyền động có kích thước lớn, nó sẽ tốn kém hơn, nặng hơn và chậm chạp hơn về tốc độ và phản ứng. Các bộ truyền động lớn hơn cũng có thể cung cấp lực đẩy cao hơn gây hư hỏng các bộ phận bên trong van. Bộ truyền động thường được làm lớn vì các yếu tố an toàn, nhưng kích thước nhỏ hơn cũng hoạt động tốt khi các yếu tố an toàn được tính toán sẵn.

Van được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau bao gồm tùy chọn kim loại và phi kim. Khi chọn vật liệu, cần xem xét môi trường hoạt động (ví dụ: nhiệt độ xung quanh), tuổi thọ (ví dụ: bảo trì), và môi chất (ví dụ: khí hoặc chất lỏng ăn mòn). Vật liệu phổ biến nhất là thép carbon vì nó chịu nhiệt tốt, dễ tìm và giá rẻ nhưng không phù hợp với các vật liệu ăn mòn. Thép không gỉ mạnh mẽ và có khả năng chống ăn mòn cũng như nhiệt độ cao, nhưng đắt hơn thép carbon. Hợp kim đặc biệt được sử dụng cho các ứng dụng nghiêm ngặt như áp suất cao hoặc chất liệu cực kỳ ăn mòn.

Mẹo lựa chọn: Van sẽ chủ yếu mở hay chủ yếu đóng? Một số vật liệu cho thấy đặc điểm khác nhau trong điều kiện dòng chảy tĩnh và liên tục.