1. Van Cầu (Globe valve) là Gì?
Van cầu hay còn gọi là van hơi nóng, van chặn, hoặc van bellows seal tên tiếng Anh là Globe Valve, Bellows seal Globe Valve hoặc Bellow seal Stop Valve. Là một trong những loại van công nghiệp được sử dụng thông dụng, dùng để đóng mở hoặc điều tiết dòng chảy bên trong hệ thống ống dẫn.
2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
* Cấu tạo:
Thân van (body): Thân van thường làm bằng nhiều loại vật liệu khác nhau như đồng, gang, thép, thép không gỉ,… có chức năng chứa & liên kết các bộ phận khác của van, tạo thành một khối thống nhất, chịu tác động bên ngoài của môi trường, va đập và bảo vệ các bộ phận bên trong và cho phép môi chất di chuyển bên trong, mà không rò rỉ ra bên ngoài.
Trục van (Stem): Trục van là bộ phận truyền động, truyền momen xoắn từ tay điều khiển (đối với van điều khiển cơ bằng tay quay, tay vặn). Một đầu trục van được liên kết với tay van, đầu còn cái liên kết cơ khí với phần đĩa van. Để đóng/mở van, người dùng truyền lực xoắn vặn tay, thông qua trục van để điều khiển đĩa van lên/xuống. Tùy vào điều kiện hoạt động, mà nhà sản xuất hoặc người dùng lựa chọn vật liệu của trục van cho phù hợp.
Đĩa van (Disc): Là bộ phận tiếp xúc trực tiếp với môi chất với chức năng đóng/mở trực tiếp nên thường được chế tạo từ những vật liệu có độ cứng cao & chống ăn mòn tốt. Đĩa van thường có dạng nút chai hoặc dạng côn, được lắp với trục van và liên kết với tay quay, từ đó điều khiển lên/xuống để điều tiết môi chất đi qua van.
Gioăng làm kín (Seal): Được thiết kế với mục đích làm kín thân với trục van. Seal đảm bảo độ kín giữa thân van & trục van, giúp môi chất không bị rò rỉ ra ngoài.
Tùy vào đặc tính của môi chất, áp suất & nhiệt độ làm việc mà nhà sản xuất hay người dùng lựa chọn vật liệu của gioăng làm kín (thường là cao su hoặc teftlon,…) và thường được tháo ra, thay thế định kỳ để giữ được độ kín khít khi vận hành.
Nắp van (Bonnet): Là bộ phận nằm ở giữa tay điều khiển và thân van, bên ngoài của trục van, có tác dụng bảo vệ trục van và làm kín.
Bộ phận truyền động (Operating): Tùy vào thiết kế của van, có hai loại truyền động chính:
Điều khiển thủ công: Được sử dụng nhiều đối với các dòng van nhỏ, hoặc vận hành thủ công thông qua dạng tay xoay (Handwheel Operating).
Điều khiển thông qua thiết bị truyền động (actuator): Có hai loại chính là thiết bị truyền động điện (electric actuator) và thiết bị truyền động khí nén (pneumatic actuator). Các thiết bị truyền động này cho phép chúng ta điều khiển để tạo ra góc quay mong muốn nằm trong thân van, qua đó đóng/mở hoặc điều tiết dòng chảy.
* Nguyên lý hoạt động
Nhìn vào cấu tạo của globe valve chúng ta có thể nắm được nguyên lý làm việc của nó rất đơn giản và dễ hiểu.
Đĩa van và đệm kín trong thân van là hai bộ phận cố định nằm trong lòng thân van, khi chúng ta chuyển động tay quay vô lăng(Đối với dạng van cầu thường) hoặc sử dụng bộ điều khiển(Đối với van cầu điều khiển điện, van cầu điều khiển khí nén) lúc này dưới lực tác động của tay quay sẽ tác động trực tiếp lên trục van
Trục van gắn với đĩa van cũng sẽ chuyển động theo, trục van và đĩa van chuyển động tịnh tiến theo chiều lên xuống vuông góc với vòng đệm của van. Chúng ta có các trường hợp vị trí của đĩa van như sau:
Đĩa van ép chặt vào vòng đệm van: Lúc này van đóng hoàn toàn lưu chất không thể đi qua
Đĩa van nâng lên hoàn toàn: Lúc này là hết hành trình vô lăng và trục van, đĩa van không cản lưu chất đi qua van mở hoàn toàn
Đĩa van nằm ở một phần: Người ta còn gọi nó ở trạng thái điều tiết dòng chảy hay trạng thái mở một phần đĩa van. Đĩa van mở càng rộng thì lưu chất đi qua càng lớn và ngược lại mở hẹp thì lưu chất đi qua ít hơn
3. Phân loại
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại van cầu khác nhau, đa dạng cả về chủng loại, mẫu mã và giá thành. Dưới đây là một số loại phổ biến nhất được phân loại dựa theo từng đặc điểm thiết kế của chúng. Tùy theo mục đích sử dụng và kinh phí mà quý khách hàng có sự lựa chọn cho phù hợp.
* Phân loại theo phương thức kết nối
Theo phương thức kết nối thì trên thị trường có 3 loại van cầu thường gặp: Van cầu kết nối mặt bích, van cầu kết nối ren và van cầu hàn kín. Những kiểu kết nối này đáp ứng nhu cầu lựa chọn đa dạng hơn, giúp thuận tiên trong từng thiết kế và mục đích sử dụng.
- Van cầu mặt bích
Loại van này thường được sử dụng cho các đường ống lớn từ D50 trở lên, hai đầu thân van được thiết kế kèm hai mặt bích để lắp đặt vào hệ thống ống.
Van cầu mặt bích thường được chế tạo bằng các loại vật liệu có thể chịu được áp lực lớn, chống ăn mòn, oxi hóa, chịu được áp suất và nhiệt độ cao như inox, thép,…
Mặt bích thường tuân theo các tiêu chuẩn hiện nay như ANSI, JIS, BS,DIN,… và thường được kết hợp với một lớp gioăng làm kín để tránh việc rò rỉ lưu chất ra bên ngoài.
- Van cầu nối ren
Loại van cầu này thường có kích thước nhỏ, thấp hơn DN50 và hoạt động tốt nhất trong những môi trường có áp suất thấp hơn PN16.
Chất liệu để sản xuất loại kết nối này cũng rất đa dạng, có thể kể đến như inox, đồng, nhựa, thép và phù hợp với nhiều điều kiện môi trường khác nhau như dầu nóng, khí nén, axit loãng,…
- Van cầu hàn kín
Là kiểu kết nối sử dụng một mối nối hàn để gắn kết van và đường ống lại với nhau. Kiểu kết nối này thường sử dụng ở những đường ống có kích thước nhỏ nhưng áp lực hệ thống cao từ 40 bar. Ở áp lực này, kết nối mặt bích không thể hoạt động một cách bình thường.
Kết nối hàn kín sẽ cố định tuyệt đối thân van với đường ống giúp van cầu có thể vận hành ổn định, không bị rò rỉ hay vỡ tại chỗ kết nối.
Vật liệu chế tạo van cầu hàn kín thường là thép, có thể chịu được áp suất và nhiệt độ cao, được dùng chủ yếu ở các lò hơi áp lực, hệ thống khí nén,…
* Phân loại theo cấu tạo
Theo cấu tạo, van cầu được chia thành 4 loại chính: Van cầu chữ ngã, van cầu góc, van cầu Y và van cầu bầu.
- Van cầu chữ Tê (Tee)
Đây là dạng phổ biến và thông dụng nhất hiện nay. Khi quay vô lăng, đĩa van sẽ di chuyển theo phương thẳng đứng, tạo thành một đường thẳng vuông góc với dòng chảy.
Loại van này có khả năng chịu được áp lực dòng chảy lớn, hạn chế được tình trạng giảm áp nên là thiết bị được ưu tiên lựa chọn hàng đầu trong việc điều tiết dòng chảy.
- Van cầu dạng chữ Y (Wye)
Là loại van có độ sụt áp gần như thấp nhất, hạn chế được vấn đề giảm áp suất của van cầu. Trục van và thân van nằm nghiêng một góc 45 độ so với dòng chảy, điều này làm giảm sức cản dòng chảy xuống mức thấp nhất, tránh tình trạng bị mài mòn.
Đối với các hệ thống cần đảm bảo cả về áp suất cũng như lưu lượng thì van cầu dạng chữ Y là một lựa chọn hiệu quả. Tuy nhiên, nhược điểm của thiết bị này thường tốn nhiều không gian hơn so với dạng chữ ngã và giá thành cũng cao hơn so với các các dòng còn lại.
- Van cầu dạng bầu
Van bầu được sử dụng cho các đường ống có kích thước vừa và nhỏ, thường có hai dạng chính là: Kết nối ren và kết nối mặt bích.
Vật liệu để sản xuất loại van cầu này thường là các loại hợp kim như inox, gang, đồng thép,… Van cầu dạng bầu được ứng dụng trong nhiều điều kiện khác nhau, trong đó có thể kể đến như nước sạch, nước thải, khí, hơi, hóa chất, dung dịch, nơi có áp suất và nhiệt độ cao, có chất ăn mòn,…
Van bầu thường rất đa dạng về kích thước, mẫu mã, dễ dàng tháo lắp, sửa chữa và giá thành tương đối phù hợp.
- Van cầu dạng góc (Angle)
Khác với các loại van cầu tiêu chuẩn khác, van cầu góc có thiết kế kiểu vuông, đầu vào và đầu ra của van vuông góc với nhau 90 độ, cho phép dòng chảy chuyển hướng một cách dễ dàng, tạo ra áp suất thấp hơn cho dòng chảy.
Tuy nhiên, vì cấu tạo có phần đặc biệt nên dòng van này ít phổ biến hơn các loại van khác bởi sẽ tạo nên sự khó khăn trong việc thiết kế và lắp đặt hệ thống, giá thành cũng tương đối mắc hơn.
* Phân loại theo phương thức điều khiển
Bên cạnh phương thức thủ công là sử dụng tay quay vô lăng thì trên thị trường cũng có các loại điều khiển phục vụ nhu cầu tự động hóa như: Điều khiển bằng điện và điều khiển bằng khí nén.
- Van cầu điều khiển bằng tay quay vô lăng
Đây là phương thức phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi ở hầu hết các hệ thống. Người vận hành sẽ tác động một lực bằng cách dùng sức quay tay quay vô lăng. Điều này sẽ tạo ra momen xoắn lên trục van, trục van tác động lên đĩa van, làm cho đĩa van nâng lên, hạ xuống để giúp ngăn chặn hoặc lưu thông dòng chảy.
Phương thức này vô cùng đơn giản, dễ sử dụng, giá thành hợp lý, dễ dàng lắp đặt, sửa chữa hay bảo dưỡng nên luôn là ưu tiên lựa chọn hàng đầu.
Phân loại theo chất liệu
Van cầu hiện nay được sản xuất từ rất nhiều loại chất liệu khác nhau, phục vụ đa dạng nhu cầu sử dụng cũng như giá thành hợp lý cho từng hệ thống.
- Van cầu inox
Thường được làm từ inox 304 hoặc inox 316 tùy vào từng hệ thống. Van chất liệu inox có giá thành cao nhất trong tất cả loại vật liệu. Tuy nhiên, giá thành cao đồng nghĩa với việc nó mang đến những tính ưu việt và chất lượng.
Đặc điểm của inox là không gỉ, chịu nhiệt và áp suất tốt, không bị ăn mòn bởi hóa chất, không bị oxi hóa bởi điều kiện ngoài trời, vì vậy loại này tương đối bền và sử dụng được rất lâu.
- Van cầu gang
Được làm từ gang dẻo hoặc được đúc nguyên khối. Van cầu gang khá phổ biến so với các loại vật liệu khác. Loại van này có khả năng chịu nhiệt và áp suất tương đối thấp nên chỉ được chỉ sử dụng cho các lưu chất dạng nước hoặc hơi thông thường.
Giá thành của van gang thường rẻ hơn so với các loại nguyên liệu khác nên rất được ưa chuộng. Nếu được bảo dưỡng tốt sẽ có tuổi thọ lâu dài.
- Van cầu đồng
Loại van này thường có kích thước nhỏ, chịu nhiệt tốt, tuy nhiên khả năng chịu ăn mòn còn nhiều hạn chế nên chỉ được sử dụng cho các hệ thống nước thông thường hoặc khí gas.
4. Ứng dụng của Van cầu
Ứng dụng phổ biến nhất của van cầu là kiểm soát dòng lưu lượng nước tiêu chuẩn. Khi xoay tay, đĩa sẽ được hạ xuống hoặc nâng lên. Khi đĩa đã được hạ xuống hoàn toàn, nguồn cấp nước sẽ tắt. Khi đĩa được nâng lên hoàn toàn, lưu lượng nước ở mức tối đa. Trong các ứng dụng công nghiệp tự động hóa hay ngay cả ứng dụng tự động trong hệ HVAC, van cầu có thể được gắn bộ phận truyền động (actuator) bằng điện, khí nén hoặc thủy lực thay vì dạng cơ tay quay, và được gọi là van cầu điều khiển điện hoặc van cầu điều khiển khí nén.
Bộ phận kiểm soát dòng chảy nằm bên trong van cầu giúp định hướng dòng lưu lượng.Các van cầu thường không phù hợp với chất bùn sệt do bị cản trở bởi vách ngăn.
Do tính nhạy cảm với áp suất và khả năng dễ ăn mòn, dể đảm bảo được chất lượng vận hành hệ thống chúng ta cần cân nhắc các yếu tố sau:
Phạm vi kiểm soát lưu lượng
Việc giảm áp suất
Công suất tiêu thụ dự kiến
Các ứng dụng điển hình của van cầu bao gồm:
Hệ thống nước làm mát, nơi lưu lượng cần được điều chỉnh
Các hệ thống dầu nhiên liệu có lưu lượng được điều chỉnh và độ kín nước là rất quan trọng
Dùng cho hệ hơi và và hệ đường ống nước cần độ đóng kín và an toàn là những điểm quan tâm chính
Dùng cho cấp nước, thực phẩm, hoá học, hệ thống thoát nước và chiết xuất không khí ngưng tụ
Nắp nồi hơi, ống thoát nước, lỗ thông hơi chính và cống rãnh thoát nước
Hệ thống dầu nhờn tuabin
5. Ưu điểm và nhược diểm
* Ưu điểm
- Cách thức vận hành dễ dàng với khả năng đóng mở lưu thông dòng chảy tốt.
- Van cầu có một cơ chế đóng mở với hành trình ngắn, tiếp kiệm được lực tác động lên trục quay hơn so với dòng van cổng.
- Van cầu điều tiết lưu lượng hoàn hảo giúp người vận hành có thể kiểm soát được dòng lưu chất qua van thuận tiện nhất.
- Với các chi tiết có thể tháo rời nên việc bảo trì, sửa chữa và thay thế hết sức dễ dàng.
- Trong quá trình hoạt động, ma sát tạo ra giữa dòng chảy và đĩa van, ghế thấp nên ít bị hao mòn.
- Có thể hoạt động trong môi trường áp suất và nhiệt độ cao.
- Van cầu được ứng dụng phổ biến cho hệ thống hơi nóng với độ kín cao, chịu nhiệt và áp lớn. Là sản phẩm van lý tưởng cho các lò hơi, máy sấy…
* Nhược điểm
Ngoài những lợi thế kế trên thì van cầu cũng có những yếu điểm cần khắc phục là:
- Khi hoạt động yêu cầu áp lực tác động phải đủ mạnh hoặc bộ truyền động phải lớn để vận hành van cầu(lớn hơn so với van cổng)
- Giá thành chi trả để mua và lắp đặt van cầu cao hơn so với các loại van khác cùng chức năng.
- Dòng lưu chất qua van cầu bị giảm áp suất cao hơn nhiều so với van cổng
- Với nhiều chi tiết phức tạp nên cân nặng lớn của van cầu cũng là một trong những vấn đề so với các loại van khác.
- Không thích hợp sử dụng van cầu cho dòng lưu chất dạng hạt, độ nhớt thấp vì sẽ bị mắc kẹt tại vị trí ghế van, cản trở lưu thông.
- Cản trở lưu lượng dòng chảy và áp lực dòng chảy: Do cấu tạo chữ ngã nên lưu chất đi qua tác động vào bên trong thân van và đĩa van làm sụt giảm đi áp lực dòng chảy và lưu lượng đi qua
- Giá thành của globe valve cao hơn các dòng van khác: Đây là dòng van có giá thành cao nhất trong các dòng van công nghiệp cùng kích thước như van cổng, van bi, van bướm. Do vậy khi cần sử dụng các ứng dụng điều tiết hoặc các ứng dụng yêu cầu áp lực và nhiệt độ thì người ta mới sử dụng dòng glove valve này
- Trọng lượng van cũng lớn hơn nhiều so với các dòng van có cùng kích thước. Đó bởi chính do cấu tạo bên trong và bên ngoài của thân van làm trọng lượng van nặng hơn so với các dòng van còn lại
- Đối với các dòng van kích thước lớn cần lực tác động lớn để có thể vận hành van. Các dòng van cỡ lớn công nghiệp đôi khi muốn vận hành phải lắp động cơ điện hoặc khí nén để vận hành van. Đôi khi người ta còn sử dụng cả các hệ thống thủy lực để có thể vận hành được van hoạt động
