Các loại van đóng mở nước bằng điện: 4 loại và cách chọn theo DN

Van đóng mở nước bằng điện là van cơ thông thường được gắn thêm cuộn điện từ hoặc bộ truyền động điện để đóng, mở đường ống mà không cần người đứng quay tay. Trong hệ nước, van đóng mở nước bằng điện có bốn loại hay gặp: van điện từ, van bi điện, van bướm điện và van cổng điện. Mỗi loại hợp với một dải đường kính, tần suất đóng mở và chất lượng nước khác nhau, nên chọn sai loại thường tốn tiền hơn chọn sai model.

Bài này so sánh bốn loại theo cơ chế vận hành, đường kính, vật liệu tiếp xúc nước và điện áp, rồi đưa ra bảng chọn cho các ứng dụng cụ thể như bơm bể, tưới tự động, cấp nước chung cư và chiller. Nếu bạn mới làm quen với nhóm thiết bị này, hãy đọc thêm bài van điều khiển điện trước để nắm cấu tạo chung.

Nguyên lý của van đóng mở nước bằng điện

Dù khác kiểu, mọi van đóng mở nước bằng điện đều làm cùng một việc: biến tín hiệu điện thành chuyển động của chi tiết chắn dòng. Có hai cách. Cách thứ nhất là lực điện từ: cuộn dây tạo từ trường kéo lõi sắt (plunger) lên xuống, dùng cho van điện từ. Cách thứ hai là motor và hộp số: motor quay trục van một góc 90° (van bi, van bướm) hoặc nhiều vòng (van cổng), dùng cho các loại van lớn hơn.

Điểm khác biệt quan trọng nằm ở tốc độ và lực. Lực điện từ tác động trong vài chục mili-giây nhưng chỉ đủ cho lỗ nhỏ. Với van đóng mở nước bằng điện cỡ lớn, bộ truyền động motor chậm hơn, hành trình 90° thường 15–60 giây tùy mô-men và model (tham khảo), nhưng tạo được mô-men lớn để đóng van DN lớn dưới áp suất. Chính sự khác biệt này quyết định loại van đóng mở nước bằng điện nào hợp với đường ống nào, và ảnh hưởng đến nguy cơ búa nước sẽ nói ở phần sau.

Van điện từ trong nhóm van đóng mở nước bằng điện: nhỏ gọn, đóng nhanh nhưng dễ gây búa nước

Van điện từ là loại van đóng mở nước bằng điện nhỏ nhất, thường thấy ở ống ren cỡ nhỏ trong tưới tự động, máy rửa xe, máy lọc nước, bồn nước dân dụng. Khi cuộn coil có điện, lõi sắt dịch chuyển và mở hoặc đóng cửa van. Loại thường đóng (NC) đóng khi mất điện, loại thường mở (NO) ngược lại, nên có thể chọn trạng thái an toàn ngay từ đầu.

Tác động trực tiếp và tác động gián tiếp

Van tác động trực tiếp dùng lực cuộn coil nâng thẳng lõi van nên chạy được từ áp suất 0 bar, nhưng lực có hạn nên chỉ làm cho lỗ nhỏ. Van tác động gián tiếp (pilot) dùng chính áp suất đường ống đẩy màng ngăn; coil chỉ mở lỗ phụ. Nhờ vậy loại này làm được cỡ lớn hơn, nhưng cần chênh áp tối thiểu giữa đầu vào và đầu ra (thường 0,1–0,5 bar tùy hãng, tham khảo). Lắp van gián tiếp ở đường nước tự chảy hoặc đầu hút bơm nên hỏi kỹ giá trị này, nếu không van sẽ không mở nổi.

Coil đúc, coil quấn và nguy cơ cháy cuộn

Coil đúc nhựa kín thường chịu nước và rung tốt hơn coil quấn hở. Với cuộn AC, nếu lõi sắt bị kẹt do cặn và không hút vào được, điện cảm của cuộn vẫn thấp nên dòng điện giữ ở mức cao và cuộn sẽ nóng, cháy sau vài phút. Cuộn DC không có hiện tượng này vì dòng chỉ phụ thuộc điện trở dây. Vì vậy nước có cặn nên lắp lọc Y phía trước và chọn lưới lọc đúng mắt.

Búa nước khi đóng nhanh

Van điện từ đóng trong chưa tới một giây nên là nguồn phổ biến của hiện tượng Water hammer (Wikipedia), tức búa nước: dòng chảy bị chặn đột ngột, động năng chuyển thành xung áp suất lan ngược lên ống. Áp suất tăng lớn nhất ước tính theo công thức Joukowsky: Δp = ρ·a·Δv. Với nước (ρ = 1000 kg/m³), vận tốc truyền sóng a khoảng 1000 m/s trong ống thép (giả định; ống nhựa thấp hơn nhiều) và vận tốc dòng 2 m/s thì Δp ≈ 1000 × 1000 × 2 = 2 MPa, tức khoảng 20 bar cộng thêm vào áp tĩnh.

Đó là cận trên khi đóng tức thời, và chỉ đúng khi thời gian đóng nhỏ hơn 2L/a (với đoạn ống dài L = 300 m, a = 1000 m/s thì 0,6 giây). Đóng chậm hơn mức này, xung giảm đáng kể. Do đó đường ống dài, vận tốc cao nên ưu tiên van có hành trình đóng chậm, hoặc dùng bình tích áp, van giảm chấn, hạn chế vận tốc dưới khoảng 1,5–2 m/s.

Van bi điện là van đóng mở nước bằng điện kín tốt, ít kẹt cặn, từ DN15 đến DN100

Van bi điện gồm van bi cơ ghép với bộ truyền động xoay 90°. Phổ biến ở DN15–DN100. Viên bi có lỗ xuyên, khi lỗ thẳng hàng với ống thì nước đi qua gần như không bị cản, xoay 90° thì phần bi đặc chặn dòng. Nhờ bề mặt bi tiếp xúc gioăng PTFE hoặc tương đương, loại này đóng kín tốt và cặn nhỏ ít làm kẹt hơn so với van điện từ vốn có lỗ phụ nhỏ.

Van bi điện dùng cho cả nước nóng và hơi bão hòa áp thấp nếu thân là inox hoặc đồng và gioăng phù hợp, không dùng đồng với nước có tính ăn mòn mạnh. Xem thêm chi tiết các biến thể 2 ngả, 3 ngả, toàn lỗ và lỗ thu nhỏ ở bài các loại van bi điều khiển điện. Nếu đang phân vân giữa van bi điện và van điện từ cho một đường ống nhỏ, bài so sánh van bi điện và van điện từ đi sâu hơn.

Về nhược điểm, van bi điện chậm hơn điện từ, bộ truyền động chiếm chỗ và giá cao hơn khi cùng DN. Khi mất điện, van giữ nguyên vị trí, nên nếu cần tự đóng thì phải chọn bộ có pin hoặc siêu tụ dự phòng, hoặc chuyển sang điện từ NC.

Van đóng mở nước bằng điện dạng van bướm: gọn, từ DN50 trở lên

Van bướm điều khiển điện dùng đĩa tròn xoay quanh trục trong lòng ống. Thân mỏng, nhẹ nên lắp được ở nơi chật, và ở cùng cỡ DN lớn thường rẻ hơn van cổng hoặc van bi. Đây là lựa chọn phổ biến cho van đóng mở nước bằng điện từ DN50 trở lên, đến DN600 ở các dòng Viva cung cấp, trong bơm tăng áp, tháp giải nhiệt, trạm xử lý nước.

Vì đĩa luôn nằm trong dòng chảy nên tổn thất áp của van bướm lớn hơn van bi toàn lỗ hay van cổng khi mở hết, nhưng với đường ống lớn mức chênh này thường chấp nhận được. Thân van có thể bằng gang cầu phủ epoxy, gang, inox hoặc nhựa; hãy chọn theo nước chạy qua. Danh sách các mẫu và kích cỡ có tại trang van bướm điện.

Cách tính DN, mô-men bộ truyền động và chọn tín hiệu On/Off hay 4–20 mA được trình bày từng bước trong bài cách chọn van bướm điện. Lưu ý loại tuyến tính (4–20 mA, 0–10 V) cho phép dừng đĩa ở góc bất kỳ, thích hợp điều tiết lưu lượng cấp nước, còn bộ On/Off đủ cho đóng mở bể.

Van cổng điện: van đóng mở nước bằng điện cho ống lớn, ít thao tác

Van cổng (van chặn) điện có đĩa hình nêm hoặc phẳng đi lên xuống vuông góc với dòng, được dẫn động bởi bộ truyền động đa vòng quay. Khi mở hoàn toàn đĩa nâng hẳn lên khỏi dòng nên lòng van thông suốt, tổn thất áp rất thấp. Vì thế van cổng điện hay dùng ở đường ống chính DN lớn, trạm bơm, đường cấp tổng, nơi chỉ đóng mở vài lần mỗi ngày hoặc theo tuần.

Hạn chế của van cổng điện: hành trình dài nên đóng mở chậm, DN lớn có thể mất vài phút (tham khảo); thân cao hơn van bướm nên cần không gian; và giá cao hơn, thường phải đặt trước. Không dùng van cổng để điều tiết vì đĩa mở lưng chừng bị dòng chảy làm rung, mép đĩa và mặt tựa bị xói mòn nên về sau đóng không kín.

Ưu điểm của van cổng trong hệ van đóng mở nước bằng điện: tốc độ đóng chậm giúp giảm búa nước tự nhiên. Đây là lý do nhiều đường cấp tổng DN lớn vẫn dùng van cổng thay vì van bướm, dù đắt hơn.

Bảng chọn van đóng mở nước bằng điện theo DN, áp suất và tần suất

Bảng dưới tóm tắt dải sử dụng của từng loại van đóng mở nước bằng điện. Số liệu là mức điển hình (tham khảo); giới hạn thực tế tra theo catalogue của model.

Ví dụ chọn DN: một nhánh cấp nước sinh hoạt cần khoảng 10 m³/h. Vận tốc thiết kế 1,5 m/s (tham khảo) cho tiết diện cần A = Q / v = (10/3600) / 1,5 ≈ 0,00185 m², tương đương đường kính khoảng 49 mm, nên chọn DN50 (tiết diện 0,001963 m², vận tốc thực khoảng 1,41 m/s). Trường hợp này van đóng mở nước bằng điện dạng van bi hoặc van bướm DN50 đều dùng được; van điện từ chỉ hợp nếu hãng công bố đủ lưu lượng ở DN này.

Quy đổi giữa DN và đường kính ống thực tế (ví dụ DN50 ứng với ống phi 60) xem trong bài quy đổi DN sang phi.

Vật liệu tiếp xúc nước khi chọn van đóng mở nước bằng điện

Với mọi van đóng mở nước bằng điện, vật liệu phải khớp với chất lượng nước vì chi tiết ướt (thân, bi, đĩa, gioăng) tiếp xúc trực tiếp và lâu dài.

Nước sinh hoạt và nước uống

Đồng thau ít chì, inox 304 hoặc 316 và gioăng EPDM là các vật liệu thường dùng. Với nước sinh hoạt, cần kiểm tra chứng nhận tiếp xúc nước uống mà hãng công bố cho model cụ thể, tùy yêu cầu dự án và quy định địa phương. EPDM chịu nước, nước nóng từ −20 đến +120 °C (tham khảo), không phân cực nên hợp với nước nhưng trương nở khi gặp dầu.

Nước thải, nước biển và nước nóng

Nước thải có cặn, dầu mỡ, clorua nên dùng thân gang cầu phủ epoxy, hoặc inox 316 khi có ion clorua cao. Inox 316 chứa khoảng 2–3 % molypden nên chịu rỗ do Cl⁻ tốt hơn 304. Gioăng NBR dùng nếu có dầu (−10…+80 °C, tham khảo), EPDM nếu không có dầu. Nước nóng đến khoảng 120 °C chọn EPDM hoặc PTFE; thân đồng hoặc inox thay vì nhựa. Van nhựa chỉ dùng cho nước nguội, áp thấp, nhiệt độ theo catalogue.

Điện áp của van đóng mở nước bằng điện: khi nào dùng 24 V, khi nào dùng 220 V

Điện áp phổ biến của van đóng mở nước bằng điện gồm 24 VDC hoặc 24 VAC, 220 VAC một pha và 380 VAC ba pha cho bộ mô-men lớn. Loại 220 VAC là lựa chọn phổ biến vì nguồn có sẵn và bộ điện thường rẻ hơn bộ 24 V cùng mô-men. Chọn 24 V ở khu vực ẩm, gần người, nơi quy định an toàn yêu cầu điện áp thấp, hoặc khi van được điều khiển bằng PLC dùng nguồn 24 V.

Với 24 V cần tính sụt áp cáp. Ví dụ bộ 24 VAC công suất 30 VA, dòng khoảng 1,25 A, cáp đồng 1,5 mm² dài 100 m: điện trở vòng khoảng 0,0175 × 200 / 1,5 ≈ 2,3 Ω, sụt áp khoảng 2,9 V (12 % điện áp danh định). Mức này dễ khiến bộ điện yếu khi khởi động, nên tăng tiết diện hoặc đặt biến áp gần van.

Với van đóng mở nước bằng điện, chọn sai điện áp là lỗi gây cháy cuộn hoặc motor không chạy. Trước khi đấu dây, hãy đối chiếu nhãn điện áp trên coil hoặc bộ truyền động và xem hướng dẫn đấu dây van điện 220V/24V.

Cấp bảo vệ và vị trí lắp van đóng mở nước bằng điện

Bộ truyền động phổ biến ở cấp IP67 (xem nhãn và catalogue model), nghĩa là kín bụi và chịu ngâm tạm thời ở độ sâu 1 m trong 30 phút theo IEC 60529. IP67 không có nghĩa là có thể ngâm lâu hay đặt dưới nước; vị trí có thể ngập thường xuyên cần IP68 theo điều kiện nhà sản xuất công bố. Nên chừa khoảng trống để tháo bộ điện, tay quay dự phòng và không để vòng đệm cáp hở, vì phần lớn nước vào bộ điện đi qua đường cáp chứ không qua vỏ.

Chọn van đóng mở nước bằng điện theo ứng dụng

Khi lắp van đóng mở nước bằng điện cho tòa nhà, bạn có thể tham khảo bài hệ thống cấp thoát nước trong chung cư để thấy các vị trí van trong sơ đồ thực tế như bể ngầm, bể mái, bơm tăng áp.

Sai lầm thường gặp khi dùng van đóng mở nước bằng điện

• Dùng van điện từ gián tiếp ở chỗ không đủ chênh áp nên van không mở.
• Để van đóng mở nước bằng điện đóng quá nhanh trên đường ống dài, gây búa nước.
• Không lắp lọc Y trước van nên cặn làm kẹt lõi hoặc không đóng kín.
• Dùng bộ On/Off thay bộ tuyến tính cho vòng điều khiển liên tục, quá tần suất khởi động.
• Chọn bộ truyền động đủ mô-men trên giấy nhưng không có hệ số an toàn 1,3–1,5 (tham khảo) so với mô-men mở của van.

Danh sách đầy đủ hơn kèm cách khắc phục nằm trong bài sai lầm khi sử dụng van điện.

Kết luận

Không có loại van đóng mở nước bằng điện tốt nhất cho mọi trường hợp. Đường ống nhỏ, đóng nhanh, tần suất cao nên dùng van điện từ nhưng phải tính búa nước và chênh áp. Từ DN15 đến DN100 cần kín và ít kẹt cặn thì van bi điện hợp lý. Từ DN50 trở lên, ưu tiên gọn và điều tiết được thì chọn van bướm điện. Đường ống lớn, ít thao tác thì van cổng điện. Hãy chốt DN, áp suất, chất lượng nước và điện áp trước khi hỏi giá van đóng mở nước bằng điện.

Nếu bạn cần tư vấn model, hãy gửi thông số đường ống và nguồn điện hiện có cho kỹ thuật bên Viva.

Câu hỏi thường gặp về van đóng mở nước bằng điện