Van điều khiển khí nén là cụm gồm thân van, bộ truyền động khí nén (actuator) và phụ kiện điều khiển, dùng khí nén áp 4–7 bar để đóng, mở hoặc điều tiết dòng chảy từ xa mà không cần người đứng cạnh van. Bài này phân biệt 5 dòng phổ biến (bi, bướm, cầu, dao, dù), nêu khi nào dùng dòng nào, và các bước chọn đúng trước khi đặt hàng.
Bài tổng hợp này chỉ tóm mỗi chủ đề vừa đủ để so sánh các dòng van điều khiển khí nén; phần phân tích sâu nằm ở các bài chuyên đề có link kèm theo.
Cấu tạo chung của van điều khiển khí nén
Dù là van bi, van bướm hay van cầu, mọi van điều khiển khí nén đều có ba khối. Hiểu ba khối này giúp đọc được catalogue của bất kỳ hãng nào.
Thân van
Thân van chứa phần tử đóng mở (bi, đĩa, đĩa nón, lưỡi dao) và tiếp xúc trực tiếp với môi chất. Vật liệu thân (gang, thép carbon, inox 304/316, nhựa) và vật liệu gioăng (EPDM, NBR, PTFE, FKM) chọn theo môi chất và nhiệt độ, không phụ thuộc vào bộ truyền động.
Bộ truyền động khí nén
Bộ truyền động biến áp suất khí thành chuyển động cơ khí. Có hai nhóm chính:
- Bộ truyền động quay 90° dùng cho van bi và van bướm. Cơ cấu thanh răng–bánh răng (rack and pinion) phổ biến nhất; cơ cấu scotch yoke cho mô-men lớn ở đầu hành trình nên hợp van cỡ lớn hoặc van khó nhả.
- Bộ truyền động tịnh tiến dùng màng hoặc piston đẩy ty van lên xuống, dành cho van cầu, van dù, van màng và van dao.
Phần lớn bộ truyền động quay được bán rời, nên có thể lắp lên van tay cũ để nâng cấp. Danh mục bộ truyền động rời có tại trang bộ truyền động khí nén.
Phụ kiện điều khiển
Phụ kiện gồm van điện từ cấp khí cho actuator, công tắc hành trình báo vị trí, bộ định vị (positioner) khi cần điều tiết, và bộ lọc–điều áp cho đường khí. Van điện từ và công tắc hành trình thường lắp theo chuẩn NAMUR (VDI/VDE 3845) nên thay giữa các hãng được. Mặt bích lắp actuator lên thân van theo ISO 5211, ghi bằng ký hiệu F05, F07, F10, F12… tùy cỡ.
Van điện từ cấp khí thuộc nhóm riêng, xem danh mục van điện từ khí nén.
Nguyên lý hoạt động của van điều khiển khí nén
Khi cuộn coil được cấp điện, van điện từ đổi đường khí, khí nén đi vào buồng của actuator và đẩy piston (hoặc ép màng). Với actuator quay, hai piston mang thanh răng chạy ngược chiều nhau, làm bánh răng và trục ra quay 90°, kéo theo bi hoặc đĩa van. Với actuator tịnh tiến, lực đẩy làm ty van nâng hoặc hạ phần tử đóng.
Chiều ngược lại do khí cấp vào buồng đối diện (tác động kép) hoặc do lò xo (tác động đơn). Lò xo giúp van tự về vị trí an toàn khi mất khí hoặc mất điện.
Loại tác động kép khi mất khí sẽ dừng ở vị trí hiện tại; khi mất điện mà còn khí, van điện từ 5/2 một coil hồi về vị trí nghỉ và đưa actuator về vị trí tương ứng. Sự khác nhau về mô-men, kích thước, mức tiêu thụ khí và vị trí an toàn được phân tích đầy đủ ở bài tác động đơn và tác động kép.
Ở chế độ ON/OFF, van chỉ có hai vị trí. Ở chế độ điều tiết, bộ định vị nhận tín hiệu 4–20 mA, so với vị trí thực của trục rồi tự cấp hoặc xả khí cho đến khi hai giá trị khớp nhau.
5 dòng van điều khiển khí nén phổ biến
Mỗi dòng có chuyển động đóng mở khác nhau, nên mỗi dòng hợp một nhóm môi chất và chế độ làm việc riêng. Phần dưới nêu đặc điểm chính và giới hạn của từng dòng.
Van bi điều khiển khí nén
Bi có lỗ xuyên tâm quay 90° để mở hoặc đóng. Bi ép vào gioăng PTFE nên độ kín rất cao, tổn thất áp khi mở hết thấp, và thân gọn. Vì vậy van bi khí nén phù hợp khí, hơi, nước, dầu và nhiều hóa chất ở cỡ DN nhỏ đến trung bình, nhất là khi cần đóng kín.
Hạn chế là van bi lỗ tròn điều tiết kém, vì khi bi mở một phần, dòng tốc độ cao xói vào mép gioăng. Muốn điều tiết bằng van bi phải dùng loại bi chữ V (V-port). Nếu muốn hiểu nguyên lý bi và các kiểu thân (một mảnh, hai mảnh, ba mảnh), xem bài van bi là gì. Các model nối ren, nối bích, nối vi sinh có tại danh mục van bi khí nén.
Van bướm điều khiển khí nén
Đĩa van quay quanh trục giữa lòng ống, mở 90° là hết. Thân mỏng và nhẹ nên van bướm có chi phí và trọng lượng thấp hơn các loại khác khi DN lớn, dùng nhiều cho nước cấp, nước thải, HVAC, thực phẩm và bột. Đĩa luôn nằm trong dòng chảy nên tổn thất áp lớn hơn van bi, và kiểu đĩa đồng tâm không hợp áp cao hoặc nhiệt độ cao.
Cỡ actuator phải khớp với mô-men của van, không khớp theo DN. Bài tổng quan về dòng này nằm ở van bướm điều khiển khí nén là gì.
Van cầu điều khiển khí nén
Nút van (đĩa nón) di chuyển dọc trục so với đế van, và biên dạng nút quyết định đặc tính lưu lượng (tuyến tính hoặc phần trăm bằng nhau). Nhờ đặc tính được thiết kế sẵn này, van cầu là lựa chọn quen thuộc để điều tiết lưu lượng, đặc biệt với hơi nóng và nước nóng. Thân dày và đường dòng đổi hướng nên tổn thất áp cao hơn van bi, bù lại điều tiết ổn định và chịu áp tốt.
Nguyên lý đường dòng hình chữ S và các kiểu thân xem ở bài van cầu là gì. Sản phẩm có sẵn tại trang van cầu điều khiển khí nén dạng tịnh tiến.
Van dao khí nén
Van dao là loại van cổng có lưỡi mỏng cắt xuyên qua môi chất đặc, nên dùng cho bùn, bột giấy, nước thải có xơ và chất rắn lơ lửng mà van bướm hay van bi sẽ bị kẹt. Actuator là xi lanh khí nén nối thẳng vào ty van, đóng mở theo đường thẳng.
Van dao chỉ dùng đóng/mở, không điều tiết. Nhiều model chỉ kín theo một chiều chịu áp, nên phải lắp đúng chiều mũi tên trên thân. Xem các model tại van dao điều khiển khí nén.
Van dù (van góc) khí nén
Piston đẩy đĩa dạng dù lên khỏi đế, khí nén thúc cả hai chiều hoặc dùng lò xo hồi. Hành trình ngắn nên đóng mở rất nhanh, dòng chảy đổi hướng 90° trong thân góc. Van này thường gặp ở hơi nóng, chiết rót, nồi hơi và dây chuyền sấy.
Thông tin các cỡ và kiểu nối có tại trang van dù khí nén. Ngoài năm dòng trên, van màng khí nén cũng dùng khá nhiều cho hóa chất và vi sinh vì màng ngăn cách hẳn môi chất với cơ cấu truyền động.
Bảng so sánh các dòng van điều khiển khí nén
Bảng dưới tóm tắt khác biệt giữa năm dòng van điều khiển khí nén. Dải DN là giá trị điển hình mang tính tham khảo; từng hãng có giới hạn riêng.
| Dòng van | Chuyển động | Dải DN (tham khảo) | Điều tiết | Độ kín | Môi chất phù hợp | Hạn chế |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Van bi | Quay 90° | DN8–DN200 | Kém (trừ bi chữ V) | Rất tốt | Khí, hơi, nước, dầu, hóa chất | Gioăng mòn nếu mở lửng |
| Van bướm | Quay 90° | DN40–DN1000 trở lên | Trung bình | Tốt (đĩa lệch tâm cao hơn) | Nước, nước thải, HVAC, bột | Đĩa nằm trong dòng chảy |
| Van cầu | Tịnh tiến | DN15–DN300 | Tốt | Tốt | Hơi nóng, nước nóng, dầu | Tổn thất áp cao |
| Van dao | Tịnh tiến | DN50–DN600 | Không | Trung bình | Bùn, bột giấy, chất rắn | Chặn kém khi áp ngược |
| Van dù | Tịnh tiến | DN15–DN100 | Hạn chế | Tốt | Hơi, chiết rót | Cỡ nhỏ, thân góc |
ON/OFF hay tuyến tính: khi nào cần bộ định vị
Van ON/OFF chỉ cần van điện từ và hai công tắc hành trình, chi phí thấp, phù hợp đóng ngắt cấp nước, xả đáy, cô lập đường ống. Phần lớn van điều khiển khí nén trong nhà máy làm việc ở chế độ này.
Van tuyến tính điều tiết lưu lượng, áp hoặc mức theo tín hiệu 4–20 mA từ PLC hay bộ điều khiển PID. Chế độ này cần bộ định vị, nên bộ truyền động phải có mặt gắn đúng chuẩn và van phải có đặc tính lưu lượng phù hợp; van cầu thường cho kết quả ổn định hơn van bướm và van bi.
Với van bướm, nên điều tiết trong khoảng góc mở 20–70° (tham khảo). Dưới khoảng 20°, khe hở giữa mép đĩa và gioăng hẹp nên dòng có vận tốc cao, dễ gây xâm thực, rung và mòn gioăng; trên khoảng 70°, lưu lượng gần như không tăng thêm. Cần xem đường đặc tính của hãng cho từng model.
Van điều khiển khí nén so với van điều khiển điện
Chọn khí nén hay điện phụ thuộc vào hạ tầng, tốc độ và yêu cầu an toàn, không có loại nào luôn hơn. Các điểm so sánh chính:
- Tốc độ: actuator khí nén cỡ nhỏ và trung bình thường đóng mở trong khoảng 1–5 giây (tham khảo); actuator điện thường mất từ khoảng mười đến vài chục giây vì motor quay qua hộp giảm tốc.
- Fail-safe: bộ lò xo hồi tự về vị trí an toàn khi mất khí, không cần pin hay nguồn dự phòng. Actuator điện muốn có tính năng này phải thêm pin, siêu tụ hoặc lò xo hồi.
- Phòng nổ: khí nén không phát sinh tia lửa tại actuator nên hợp khu vực dễ cháy; van điện từ và công tắc hành trình vẫn cần loại Ex nếu lắp trong vùng phân loại.
- Hạ tầng: khí nén cần máy nén, bộ sấy, lọc và đường ống; nếu chưa có thì actuator điện đơn giản hơn.
- Điều tiết chính xác: actuator điện giữ vị trí ổn định và không tốn khí khi đứng yên, còn khí nén cần bộ định vị để đạt độ chính xác tương đương.
Cơ chế điện, mô-men và các kiểu điều khiển của nhóm này nằm ở bài van điều khiển điện. So sánh trực tiếp trên cùng một loại van bướm có tại so sánh van bướm khí nén và van bướm điện.
Cách chọn van điều khiển khí nén theo 6 bước
Đi theo thứ tự dưới đây để tránh chọn xong mới phát hiện actuator thiếu lực hay gioăng không chịu được môi chất.
- Xác định môi chất và nhiệt độ. Môi chất quyết định vật liệu thân và gioăng: EPDM chịu nước nóng nhưng trương nở trong dầu khoáng; NBR kháng dầu nhờ nhóm nitrile phân cực; PTFE trơ với hầu hết hóa chất; FKM chịu dầu nóng và nhiều dung môi hydrocarbon nhưng kém với xeton, este và hơi nước nóng.
- Xác định áp suất làm việc và DN. Áp danh định PN của van không được thấp hơn áp làm việc lớn nhất (đã tính giảm áp cho phép theo nhiệt độ) và phải còn dư cho xung áp khi đóng nhanh.
- Chọn kiểu van theo bảng so sánh phía trên: bi cho kín, bướm cho DN lớn, cầu cho điều tiết, dao cho bùn, dù cho hơi và đóng nhanh.
- Chọn ON/OFF hay điều tiết. Điều tiết cần bộ định vị và tín hiệu 4–20 mA.
- Chọn tác động đơn hay kép, kèm vị trí an toàn khi mất khí (thường đóng hoặc thường mở).
- Tính cỡ actuator theo mô-men tại áp khí thấp nhất thực tế ở van, rồi chốt điện áp coil (24 VDC, 220 VAC), cấp bảo vệ IP65/IP67 và yêu cầu Ex nếu có.
Cách tính mô-men, hệ số an toàn và đọc bảng actuator có ví dụ cụ thể ở bài cách chọn bộ truyền động khí nén. Riêng van bướm, quy trình 8 bước kèm phiếu thông số gửi báo giá nằm ở hướng dẫn chọn van bướm khí nén.
Khi cần báo giá theo từng loại, có thể xem bảng tham khảo của bảng giá van bi khí nén và bảng giá van bướm khí nén. Danh mục chung của toàn bộ nhóm sản phẩm nằm ở danh mục sản phẩm van khí nén.
Ứng dụng của van điều khiển khí nén
Van điều khiển khí nén xuất hiện ở nơi cần đóng mở thường xuyên, từ xa hoặc cần xử lý nhanh khi có sự cố. Các nhóm ứng dụng thường gặp:
- Xử lý nước và nước thải: van bướm, van dao trên đường cấp, xả, tuần hoàn.
- Thực phẩm, đồ uống, dược: van bi và van bướm inox vi sinh, vệ sinh CIP.
- Giấy, xi măng, khai khoáng: van dao cho bột giấy, bùn và vật liệu có chất rắn.
- Hơi, nhiệt: van cầu và van dù trên đường hơi, nước ngưng.
- Hóa chất: thân inox hoặc nhựa, gioăng PTFE hoặc FKM.
- Nông nghiệp và thủy lợi: tưới tiêu tự động, cấp nước chăn nuôi.
Sự phát triển của van điều khiển khí nén
Ban đầu người vận hành đóng mở van bằng tay gạt hoặc tay quay. Khi nhà máy mở rộng, số van tăng và nhiều van đặt ở vị trí khó tiếp cận, nên phát sinh nhu cầu điều khiển từ xa.
Giải pháp phổ biến là ghép actuator piston với cơ cấu thanh răng–bánh răng lên van quay 90°. Khí nén thường sẵn có trong nhà máy, không tạo tia lửa và cho tốc độ đóng mở nhanh nên được chọn nhiều cho van quay.
Sau đó các chuẩn ISO 5211 cho mặt bích lắp actuator và NAMUR cho giao diện van điện từ ra đời, cho phép thay đổi bộ phận giữa các hãng mà không phải gia công lại. Ở van điều khiển khí nén hiện nay, bộ định vị số và công tắc giám sát cung cấp thêm dữ liệu vị trí, áp khí và số chu kỳ để bảo trì theo tình trạng thực tế.
Tổng quan về bộ truyền động van có thể tham khảo thêm trong bài Valve actuator trên Wikipedia.
Lắp đặt, vận hành và xử lý sự cố
Phần lớn sự cố của van điều khiển khí nén đến từ khí cấp, không phải từ thân van. Khí lẫn nước làm rửa trôi mỡ bôi trơn trong actuator, gây gỉ lò xo, kẹt piston hoặc đóng băng khi nhiệt độ thấp. Áp khí cấp thấp hơn thiết kế làm mô-men giảm theo tỉ lệ, nên van đóng không hết hoặc không mở được.
Khi lắp van điều khiển khí nén cần lọc khí 5–40 µm (tham khảo), xả nước định kỳ, chỉnh vít chặn hành trình hai đầu và tiết lưu tốc độ đóng để tránh búa nước. Quy trình đầy đủ theo thứ tự nằm trong bài lắp đặt van điều khiển khí nén.
Khi van đã chạy mà gặp lỗi như chạy chậm, không đóng kín hay rò khí ở thân actuator, bảng chẩn đoán trong bài lỗi thường gặp và cách xử lý giúp tách lỗi khí, điện, van điện từ hay thân van. Hạ tầng cấp khí được giải thích trong bài hệ thống khí nén.
Khi nào không nên dùng van điều khiển khí nén
Không nên chọn khí nén khi nhà máy chưa có hoặc không thể kéo đường khí sạch, khô tới vị trí lắp. Với van điều khiển khí nén đặt ở xa và ít vận hành, nên cân nhắc actuator điện vì không cần đi ống khí dài.
Van chạy ở nhiệt độ thấp dưới điểm đóng băng mà khí chưa sấy đủ sâu cũng gặp rủi ro đóng băng buồng khí. Điểm sương của khí sau sấy phải thấp hơn nhiệt độ môi trường thấp nhất tại vị trí lắp.
Nếu cần định vị chính xác, van điều khiển khí nén phải đi kèm bộ định vị chất lượng (ưu tiên loại số); khi không đáp ứng được điều này, actuator điện là phương án đơn giản hơn.
Cần tư vấn chọn model theo bản vẽ hoặc thông số đường ống, có thể gửi môi chất, DN, áp suất và điều kiện khí cấp qua thông tin dưới đây để kỹ thuật kiểm tra giúp.
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Câu hỏi thường gặp về van điều khiển khí nén
Van điều khiển khí nén hoạt động như thế nào?
Tín hiệu điện cấp cho van điện từ, van điện từ dẫn khí nén 4–7 bar vào buồng của bộ truyền động. Khí đẩy piston hoặc màng, tạo chuyển động quay 90° hoặc tịnh tiến để đóng mở van. Chiều ngược lại do khí cấp vào buồng đối diện hoặc do lò xo hồi. Loại điều tiết có thêm bộ định vị nhận tín hiệu 4–20 mA.
Van điều khiển khí nén có những loại nào?
Năm dòng phổ biến là van bi, van bướm, van cầu, van dao và van dù (van góc). Van bi và van bướm dùng actuator quay 90°; van cầu, van dao và van dù dùng actuator tịnh tiến. Ngoài ra còn van màng cho hóa chất và vi sinh. Mỗi loại hợp một nhóm môi chất và chế độ làm việc riêng.
Nên chọn van điều khiển khí nén hay van điều khiển điện?
Chọn khí nén khi nhà máy đã có hệ thống khí sạch, cần đóng mở nhanh, cần fail-safe bằng lò xo hoặc làm việc ở khu vực dễ cháy. Chọn điện khi không có hạ tầng khí, van đặt xa hoặc ít vận hành, hay cần giữ vị trí chính xác mà không tốn khí. Với van ít vận hành đặt xa đường khí, điện thường là phương án gọn hơn.
Áp suất khí cấp cho van điều khiển khí nén là bao nhiêu?
Phần lớn actuator làm việc ở 4–7 bar, áp tối đa thường khoảng 8 bar (tham khảo, theo catalogue hãng). Cỡ actuator phải tính ở áp khí thấp nhất thực tế tại van, không tính theo áp danh định của máy nén, vì mô-men giảm theo áp. Áp cấp qua bộ điều áp để không vượt giới hạn của actuator.
Van điều khiển khí nén có điều tiết lưu lượng được không?
Được, nếu van có bộ định vị và đặc tính lưu lượng phù hợp. Bộ định vị nhận tín hiệu 4–20 mA và tự cấp, xả khí để đưa trục về đúng vị trí. Van cầu cho điều tiết ổn định nhất; van bướm điều tiết được trong khoảng giữa hành trình; van dao chỉ dùng ON/OFF; van bi muốn điều tiết phải dùng loại bi chữ V.
