Cách tính tổn thất áp suất qua van cầu theo hệ số Cv, Kv

Tổn thất áp suất qua van cầu tính nhanh nhất bằng hệ số lưu lượng Kv (hoặc Cv) do hãng công bố: với chất lỏng, ΔP (bar) = SG × (Q/Kv)², trong đó Q tính bằng m³/h. Khi catalogue không có Kv, có thể tính từ hệ số trở lực K và vận tốc dòng chảy. Cách tính dưới đây áp dụng cho van cầu với nước, chất lỏng và hơi bão hòa.

Tổn thất áp suất van cầu là gì và vì sao lớn

Tổn thất áp suất (pressure drop, ΔP) là hiệu số áp suất giữa cửa vào và cửa ra của van khi lưu chất chạy qua. Phần năng lượng mất đi biến thành nhiệt và xoáy rối, không thu hồi lại được, nên bơm hoặc nguồn áp phải bù phần này.

Van cầu có tổn thất lớn hơn van cổng hay van bi vì ba lý do nằm ngay trong cấu tạo:

• Dòng đổi hướng hai lần. Với thiết kế thân chữ Z, dòng đi vào rồi phải đi lên qua bệ van, sau đó quay xuống để ra cửa ra. Mỗi lần đổi hướng sinh xoáy và làm mất động năng.
• Thu hẹp qua khe đĩa và bệ. Dòng bị ép qua khe hẹp giữa đĩa và bệ nên vận tốc tăng, áp suất tĩnh giảm tại đó. Sau khe, dòng giãn ra đột ngột, một phần áp suất không phục hồi lại.
• Dòng rối. Đường dòng gấp khúc và thay đổi tiết diện liên tục khiến dòng rối ngay cả ở vận tốc vừa phải, nên tổn thất tỉ lệ gần với bình phương lưu lượng.

Các đại lượng cần biết trước khi tính

• Kv: lưu lượng nước (m³/h) qua van, ở 15–20 °C, khi chênh áp ΔP = 1 bar. Van có Kv = 40 cho 40 m³/h nước ở ΔP 1 bar.
• Cv: lưu lượng nước (US gpm) ở 60 °F khi ΔP = 1 psi. Quy đổi: Kv = 0,865 × Cv và Cv = 1,156 × Kv.
• K (hệ số trở lực): số không thứ nguyên, cho ΔP = K·ρ·v²/2, với ρ là khối lượng riêng (kg/m³), v là vận tốc trong ống (m/s), ΔP ra Pa.
• SG: tỷ trọng của chất lỏng so với nước (nước = 1). Dầu thủy lực thường khoảng 0,85–0,9; dung dịch muối đặc có thể trên 1,1.
• Đơn vị áp suất: 1 bar = 100 kPa = 14,5 psi.

Kv và Cv thường được hãng công bố cho van mở hoàn toàn. Khi van điều tiết ở độ mở nhỏ hơn, Kv thực tế thấp hơn nhiều, nên cần đường đặc tính Kv theo hành trình của chính van đó.

Công thức tính tổn thất áp suất van cầu cho nước và chất lỏng

Hai công thức dưới đây tương đương nhau, chỉ khác hệ đơn vị. Chúng áp dụng cho chất lỏng không nén được, dòng rối, không xâm thực.

Ví dụ 1: nước qua van cầu DN50 (hệ Kv)

Giả định minh họa: van cầu DN50 có Kv ≈ 40 m³/h khi mở hoàn toàn. Giá trị này chỉ để làm ví dụ, van thật phải lấy Kv từ catalogue. Nước (SG = 1) chạy với Q = 20 m³/h:

ΔP = 1 × (20 / 40)² = 0,25 bar (25 kPa).

Nếu lưu lượng tăng gấp đôi lên 40 m³/h, ΔP = (40/40)² = 1 bar, tức gấp 4 lần. Đây là lý do tổn thất nhạy với lưu lượng.

Ví dụ 2: nước qua van có Cv = 8 (hệ Cv)

Q = 40 gpm, Cv = 8, SG = 1: ΔP = (40 / 8)² = 25 psi. Đổi sang bar: 25 / 14,5 ≈ 1,72 bar. Cùng van này theo hệ mét có Kv = 0,865 × 8 ≈ 6,9; Q = 40 gpm ≈ 9,08 m³/h, và (9,08 / 6,9)² ≈ 1,73 bar, trùng kết quả trên.

Tính bằng hệ số trở lực K khi không có Kv

Khi catalogue chỉ cho kiểu van và DN, dùng ΔP = K·ρ·v²/2 với K tra theo kiểu van. Các bước:

1. Tính vận tốc v = Q / A, với A = π·d²/4 là tiết diện lòng ống (m²), Q đổi sang m³/s.
2. Chọn K theo bảng dưới (van mở hoàn toàn).
3. Thay vào ΔP = K·ρ·v²/2, rồi đổi Pa sang bar (chia 100 000).

Ví dụ: DN50 có đường kính trong khoảng d = 0,0525 m, nên A ≈ 0,002165 m². Q = 20 m³/h = 0,005556 m³/s, suy ra v ≈ 2,57 m/s. Van cầu thân Z lấy K = 6, nước ρ = 1000 kg/m³:

ΔP = 6 × 1000 × 2,57² / 2 ≈ 19 800 Pa ≈ 19,8 kPa ≈ 0,2 bar.

Kết quả thấp hơn một chút so với 0,25 bar ở ví dụ 1: Kv = 40 tương đương K ≈ 7,6 cho DN50 trong cùng điều kiện. Hai cách cho cùng bậc độ lớn, và chênh lệch này nằm trong dải K của van cầu thân Z. Với tính toán chính thức, ưu tiên Kv của hãng.

Hệ số K tham khảo các loại van

Bảng dưới là giá trị K khi mở hoàn toàn, chỉ để tham khảo; giá trị thật thay đổi theo DN và thiết kế từng hãng. Khi cân nhắc thay van, bài so sánh van cầu với các loại van khác nêu rõ tiêu chí chọn.

Cùng DN và lưu lượng, ΔP tỉ lệ với K, nên van cầu thân Z gây tổn thất gấp khoảng 20–100 lần van cổng. Vì vậy van cầu chỉ hợp lý khi cần điều tiết hoặc đóng kín tốt, không nên đặt ở vị trí chỉ cần đóng mở.

Tính tổn thất áp suất van cầu cho hơi bão hòa

Hơi và khí nén được, mật độ giảm khi áp suất giảm qua van, nên công thức chất lỏng ở trên không dùng được. Hai nguyên tắc cần nhớ: luôn dùng áp suất tuyệt đối (bar a = bar g + 1,013), và có một chênh áp tới hạn mà vượt qua đó lưu lượng không tăng thêm nữa.

Với hơi bão hòa, công thức thực hành theo Kv (dạng được các hãng thiết bị hơi sử dụng) phụ thuộc tỷ lệ chênh áp χ = ΔP/P1. Khi chưa tới hạn (χ < 0,42, tức P2 > 0,58 × P1):

W = 12 × Kv × P1 × √(1 − 5,67 × (0,42 − χ)²)

Khi tới hạn (χ ≥ 0,42): W = 12 × Kv × P1. Trong đó W là lưu lượng hơi (kg/h), Kv theo m³/h, P1 và P2 là áp suất tuyệt đối trước và sau van (bar a), ΔP = P1 − P2 (bar). Công thức cho kết quả ước tính với hơi bão hòa khô; hơi quá nhiệt hoặc tính chính xác nên dùng phần mềm của hãng.

Ví dụ giả định: van có Kv = 40, P1 = 8 bar a, P2 = 6 bar a. χ = 2/8 = 0,25, nhỏ hơn 0,42 nên chưa tới hạn. W = 12 × 40 × 8 × √(1 − 5,67 × 0,17²) = 3 840 × 0,914 ≈ 3 510 kg/h. Nếu biết trước lưu lượng cần chạy, giải ngược công thức để tìm Kv hoặc ΔP.

Với cùng P1 = 8 bar a, ngưỡng tới hạn nằm ở P2 = 0,58 × 8 ≈ 4,64 bar a. Hạ P2 thấp hơn mức này, lưu lượng qua van không tăng thêm (đứng ở mức 12 × 40 × 8 = 3 840 kg/h) vì dòng đạt vận tốc âm thanh tại khe van (dòng bị chặn), còn tiếng ồn và xói mòn đĩa–bệ tăng mạnh. Khi cần hạ áp lớn như vậy, dùng van giảm áp hơi thay vì dùng van cầu để tiết lưu. Với khí nén, công thức khác (theo lưu lượng tiêu chuẩn và nhiệt độ), nên dùng bảng hoặc phần mềm của hãng.

Các yếu tố làm tổn thất áp suất tăng hoặc giảm

Về hướng dòng chảy, van tay quay thường lắp dòng vào dưới đĩa theo mũi tên trên thân; đổi chiều sẽ đổi lực mở và có thể làm sai lệch Kv công bố. Độ nhớt cao làm hệ số Kv thực tế thấp hơn giá trị công bố cho nước, nên với dầu nặng cần hiệu chỉnh theo số Reynolds hoặc theo phần mềm của hãng.

Dùng kết quả tính khi chọn van cầu

Kết quả ΔP chỉ có ích khi đem so với yêu cầu của hệ thống. Một số nguyên tắc khi lựa chọn van cầu:

• Không chọn van nhỏ hơn đường ống chỉ để rẻ. Giảm một cấp DN (ví dụ DN50 xuống DN40) làm tiết diện giảm khoảng 1/3, vận tốc tăng khoảng 1,5 lần, ΔP tăng khoảng 2–2,5 lần, kèm ồn và xói mòn.
• Van điều tiết nên làm việc trong khoảng 20–80% hành trình. Dưới khoảng 10–15% hành trình, vận tốc qua khe hẹp lớn gây xói mòn đĩa–bệ, rung và ồn.
• Với van điều khiển, ΔP qua van thường nên chiếm khoảng 25–50% tổng tổn thất của nhánh (tham khảo, gọi là authority). Nếu thấp hơn, van mất khả năng điều chỉnh dù dịch chuyển nhiều; nếu cao hơn, bơm tốn năng lượng vô ích.
• Tính ΔP ở cả lưu lượng nhỏ nhất, bình thường và lớn nhất, rồi kiểm tra ở độ mở tương ứng.

Với hệ cần điều chỉnh tự động theo tín hiệu 4–20 mA, van điều khiển điện thường được dùng; khi đó chọn Kv sao cho điểm làm việc nằm trong 20–80% hành trình ở lưu lượng thiết kế.

Cách giảm tổn thất áp suất qua van cầu

• Đổi sang thân chữ Y cho vị trí cần điều tiết hoặc đóng kín nhưng lưu lượng lớn: K giảm xuống khoảng 2–3 so với 4–10 của thân Z.
• Dùng van cổng hoặc van bi ở vị trí chỉ đóng mở. Đây là cách giảm tổn thất mạnh nhất, vì K nhỏ hơn hàng chục lần.
• Chọn đúng DN theo vận tốc cho phép (nước thường khoảng 1–3 m/s) thay vì theo DN ống rồi thu nhỏ van.
• Lắp lọc Y và vệ sinh định kỳ trước van để cặn không bám vào bệ van, giữ Kv ổn định. Lọc cũng gây tổn thất riêng, nên tính cả vào ΔP nhánh.
• Lắp đúng hướng mũi tên và để đoạn ống thẳng đủ dài trước, sau van để dòng ổn định.

Nếu đã cân nhắc các cách trên mà ΔP vẫn quá cao, hãy xem lại nhược điểm của van cầu so với nhu cầu thực tế của đường ống, vì có vị trí van cầu không phải kiểu van phù hợp.

Nhờ Viva kiểm tra Kv và DN trước khi đặt van

Gửi cho Viva lưu chất, nhiệt độ, áp suất vào, lưu lượng cần chạy và DN ống hiện có, kỹ thuật sẽ đối chiếu Kv theo catalogue hãng để kiểm tra ΔP và độ mở làm việc. Danh sách các dòng van cầu tại Viva có thể tham khảo để chọn theo vật liệu và cấp áp sau khi đã có số tính.

Câu hỏi thường gặp về tổn thất áp suất van cầu