Van điện từ trực tiếp và gián tiếp: cơ chế và cách chọn

Sự khác nhau giữa van điện từ trực tiếp và gián tiếp nằm ở nguồn lực mở van. Van trực tiếp dùng lực điện từ của coil để nhấc lõi khỏi lỗ van, nên chạy được từ 0 bar. Van gián tiếp chỉ dùng coil để mở một lỗ pilot nhỏ, còn lực nâng màng đến từ chênh áp của chính lưu chất, nên cần chênh áp tối thiểu để hoạt động.

Bài này giải thích cơ chế của van điện từ trực tiếp và gián tiếp (theo định nghĩa chung của solenoid valve trên Wikipedia) theo từng chi tiết: màng, lỗ pilot, lỗ cân bằng, chênh áp tối thiểu và MOPD. Phần cuối nêu loại bán trực tiếp và cách chọn theo điều kiện làm việc. Nếu cần nền tảng chung, hãy xem bài van điện từ là gì.

Điểm khác biệt cốt lõi giữa van điện từ trực tiếp và gián tiếp

Để hiểu van điện từ trực tiếp và gián tiếp, cần so lực cần thắng của từng loại. Một van đóng bị ép xuống bởi lò xo và bởi áp suất lưu chất tác dụng lên diện tích lỗ van. Lực áp suất bằng áp suất nhân diện tích lỗ, nên lỗ càng lớn thì lực ép càng lớn theo bình phương đường kính.

Van trực tiếp phải thắng toàn bộ lực này bằng lực hút của coil. Vì coil có giới hạn kích thước và điện năng, lỗ van phải nhỏ. Van gián tiếp đổi bài toán: coil chỉ thắng lực ở một lỗ pilot rất nhỏ, và áp suất đường ống làm phần việc còn lại. Nhờ vậy van gián tiếp mở được ống lớn với coil nhỏ.

Cái giá phải trả của van điện từ trực tiếp và gián tiếp loại servo là điều kiện chênh áp. Khi đường ống không có áp hoặc áp hai phía bằng nhau, lực nâng màng bằng không, van gián tiếp không mở được dù coil đã hút.

Bảng so sánh van điện từ trực tiếp và gián tiếp, bán trực tiếp

Bảng so sánh van điện từ trực tiếp và gián tiếp dưới đây tóm tắt ba loại theo các tiêu chí kỹ thuật thường dùng khi chọn van. Số liệu mang tính tham khảo; giá trị chính xác theo catalogue của hãng.

Thuật ngữ trong bảng: chênh áp là hiệu giữa áp suất cửa vào và cửa ra (ΔP = P vào − P ra). MOPD là chênh áp lớn nhất mà van còn mở được. Tốc độ đóng mở là thời gian di chuyển của đĩa hoặc màng van.

Cơ chế van điện từ tác động trực tiếp

Trong nhóm van điện từ trực tiếp và gián tiếp, van trực tiếp có cấu tạo đơn giản nhất. Lõi từ (plunger) làm bằng vật liệu sắt từ, nằm trong ống dẫn lõi bên trong coil. Đầu lõi gắn gioăng bịt kín lỗ van. Lò xo ép lõi xuống với van thường đóng.

Cấp điện cho coil, từ trường hút lõi lên, lỗ van mở và lưu chất chảy qua. Ngắt điện, từ trường mất, lò xo đẩy lõi về vị trí cũ và van đóng. Với van thường mở, vị trí lò xo và lỗ van được bố trí ngược lại; chi tiết xem bài thường đóng hoặc thường mở.

Ưu điểm của loại trực tiếp so với van điện từ trực tiếp và gián tiếp dạng servo là làm việc từ 0 bar, đóng mở nhanh và dùng được cho chân không hoặc áp rất thấp. Nhược điểm là giới hạn lỗ van. Khi lỗ van lớn hơn, lực áp lên lõi tăng nhanh, nên áp suất làm việc tối đa (MOPD) giảm hoặc phải dùng coil công suất lớn.

Coil lớn kéo theo tiêu thụ điện và nhiệt cao. Với coil AC, dòng khởi động lớn gấp 2–5 lần dòng giữ (tham khảo); nếu lõi bị kẹt do cặn, dòng lớn kéo dài và coil cháy nhanh.

Cơ chế van điện từ tác động gián tiếp: màng, lỗ pilot và lỗ cân bằng

Van gián tiếp (pilot operated hay servo) có ba bộ phận làm nên cơ chế: màng (hoặc piston) chắn giữa cửa vào và cửa ra; lỗ cân bằng (bleed hole) xuyên qua màng; lỗ pilot nằm ở buồng trên, do lõi từ đóng mở. Đây là phần cốt lõi khi so sánh van điện từ trực tiếp và gián tiếp.

Trạng thái đóng

Lưu chất từ cửa vào đi qua lỗ cân bằng lên buồng phía trên màng. Áp suất buồng trên bằng áp suất cửa vào. Vì diện tích mặt trên màng lớn hơn diện tích chỗ ngồi của van, lực ép xuống cộng với lò xo lớn hơn lực đẩy lên, nên màng bị ép chặt vào ghế van. Lỗ pilot bị lõi từ bịt kín.

Trạng thái mở

Cấp điện, lõi từ nhấc khỏi lỗ pilot. Lưu chất ở buồng trên thoát nhanh xuống cửa ra qua lỗ pilot. Lỗ pilot lớn hơn lỗ cân bằng nên lượng thoát ra nhiều hơn lượng bù vào, áp suất buồng trên giảm mạnh. Khi đó áp suất cửa vào đẩy mặt dưới màng lên, thắng lò xo và màng mở.

Điều này giải thích vì sao trong van điện từ trực tiếp và gián tiếp, chỉ loại gián tiếp cần chênh áp tối thiểu: lực nâng bằng chênh áp nhân diện tích màng. Nếu chênh áp quá thấp, lực nâng không thắng nổi lò xo và ma sát, van mở không hết hoặc không mở.

Trạng thái đóng lại

Ngắt điện, lõi từ bịt lại lỗ pilot. Lỗ cân bằng tiếp tục đưa lưu chất lên buồng trên, áp suất buồng trên tăng dần về áp cửa vào, rồi lò xo cùng áp lực đẩy màng xuống ghế. Tốc độ đóng phụ thuộc đường kính lỗ cân bằng và độ nhớt của lưu chất, nên van gián tiếp đóng chậm hơn van trực tiếp.

Đóng chậm có lợi trên đường ống nước dài vì giảm búa nước, nhưng cũng có nghĩa là không dùng van gián tiếp cho ứng dụng cần định lượng chính xác theo thời gian ngắn. Đường ống dài và lưu tốc cao vẫn nên lắp bình tích áp hoặc bộ giảm chấn.

Một lưu ý khi lắp: nếu áp suất cửa ra cao hơn cửa vào, màng bị đẩy ngược và van có thể rò hoặc mở ngoài ý muốn. Với đường ống có nguy cơ áp ngược, hãy lắp thêm van một chiều.

Chênh áp tối thiểu và MOPD: hai thông số cần đọc trước khi chọn

Với van điện từ trực tiếp và gián tiếp loại servo, chênh áp tối thiểu (minimum operating pressure differential) là mức ΔP nhỏ nhất để van gián tiếp mở hết. Giá trị phổ biến là 0,2–0,5 bar, thường 0,3 bar (tham khảo). Dưới mức này van mở không hết hoặc không mở. Một số hãng có loại gián tiếp cưỡng bức (có liên kết cơ khí giữa lõi và màng), chạy được từ 0 bar, tức là loại bán trực tiếp.

MOPD (maximum operating pressure differential) là chênh áp lớn nhất mà coil còn mở được van. Với van trực tiếp, MOPD bị giới hạn bởi lực hút của coil trên diện tích lỗ van. Với van gián tiếp, coil chỉ cần thắng lực ở lỗ pilot nhỏ nên MOPD cao hơn nhiều, tới hàng chục bar ở một số dòng (theo catalogue).

Khi so sánh van điện từ trực tiếp và gián tiếp, hãy kiểm tra cả hai giá trị trên cùng một van. Ví dụ, một van gián tiếp có chênh áp tối thiểu 0,3 bar và MOPD 16 bar chỉ phù hợp khi chênh áp thực tế nằm giữa hai mức. Áp suất tĩnh cao nhưng chênh áp nhỏ (hai phía cùng áp) vẫn khiến van không mở.

Van điện từ bán trực tiếp: nối lõi từ với màng

Van bán trực tiếp (semi-direct, assisted lift) giữ lỗ pilot và lỗ cân bằng như loại gián tiếp, nhưng lõi từ nối cơ khí với màng. Khi lõi đi lên, nó mở lỗ pilot trước, rồi kéo màng lên bằng liên kết cơ khí nếu chênh áp chưa đủ. Nhờ vậy van mở được ở 0 bar.

Đổi lại, so với van điện từ trực tiếp và gián tiếp thuần túy, lực hút cần thiết lớn hơn nên coil lớn hơn loại gián tiếp và tiêu thụ điện cao hơn. Loại này được chọn khi áp suất đường ống dao động, ví dụ máy bơm thường xuyên dừng, hoặc khi cần cỡ van trung bình mà không muốn phụ thuộc chênh áp.

Chọn van điện từ trực tiếp và gián tiếp theo điều kiện làm việc

Quy trình chọn van điện từ trực tiếp và gián tiếp gồm bốn câu hỏi. Mỗi câu có điều kiện áp dụng cụ thể cho van điện từ trực tiếp và gián tiếp, và kết quả cuối cùng nên đối chiếu với catalogue của hãng.

• Áp suất cửa vào và cửa ra là bao nhiêu? Nếu chênh áp tối thiểu có thể thấp hơn 0,3 bar hoặc đường ống chân không, chọn trực tiếp hoặc bán trực tiếp.
• Cỡ ống là bao nhiêu? Từ khoảng DN25 trở lên với chênh áp đủ lớn, van gián tiếp có coil nhỏ hơn và giá hợp lý hơn so với van trực tiếp cùng cỡ.
• Tốc độ đóng mở cần bao nhiêu? Định lượng, phun nhanh, khí nén cần phản ứng vài chục ms thì chọn trực tiếp. Cấp nước, rửa, tưới không đòi hỏi tốc độ thì gián tiếp.
• Lưu chất sạch hay có cặn? Lỗ cân bằng thường dưới 1 mm, lỗ pilot khoảng 1–2 mm (tham khảo) nên dễ bị kẹt; nước có cặn cần lọc Y 60–100 mesh phía trước, hoặc chọn van trực tiếp có lỗ lớn hơn.

Nguyên tắc chung khi chọn van điện từ trực tiếp và gián tiếp: van trực tiếp cho lưu lượng nhỏ, chạy từ 0 bar, cần nhanh. Van gián tiếp cho lưu lượng lớn, chênh áp ổn định, cần coil nhỏ. Van bán trực tiếp cho vùng giữa. Nếu muốn đối chiếu thêm với các cách chia khác, xem phân loại van điện từ theo chín tiêu chí.

Ví dụ ứng dụng của van điện từ trực tiếp và gián tiếp

Ví dụ thực tế giúp hình dung ranh giới giữa van điện từ trực tiếp và gián tiếp. Các cỡ và áp suất dưới đây là điều kiện tham khảo, cần đối chiếu catalogue của hãng.

• Phun sương, định lượng hóa chất nhỏ giọt, DN6–DN10, áp 0–3 bar: van trực tiếp, vì cần đóng mở vài chục ms và hoạt động được ở áp rất thấp.
• Cấp nước vào bể từ đường ống 3–5 bar, DN25–DN40: van gián tiếp, coil nhỏ 220V AC hoặc 24V DC, tiêu thụ điện thấp khi giữ mở lâu.
• Cấp hơi bão hòa vào thiết bị gia nhiệt DN15–DN25: van piston gián tiếp hoặc bán trực tiếp, gioăng PTFE, coil Class H.
• Khí nén cho xi lanh 6–8 bar, cỡ ren nhỏ: van trực tiếp hoặc pilot nội bộ trên van 5/2, tùy lưu lượng.
• Bơm thường dừng, áp đường ống có lúc về 0 bar, DN20–DN32: van bán trực tiếp để không phụ thuộc chênh áp.

Từ DN25 trở lên, van gián tiếp thường được chọn vì giá van trực tiếp cỡ lớn tăng nhanh theo kích thước coil.

Lưu ý lắp đặt khác nhau giữa van điện từ trực tiếp và gián tiếp

Van điện từ trực tiếp và gián tiếp có cùng nguyên tắc lắp đặt cơ bản: đúng chiều mũi tên, coil hướng lên, lọc Y phía trước, giá đỡ ống. Điểm khác nằm ở những chi tiết liên quan đến chênh áp và lỗ nhỏ.

• Trong van điện từ trực tiếp và gián tiếp, loại gián tiếp cần lọc kỹ hơn, thường lưới 60–100 mesh, vì lỗ cân bằng thường dưới 1 mm và lỗ pilot khoảng 1–2 mm. Cặn nhỏ cũng làm màng đóng không kín hoặc mở không hết.
• Van gián tiếp phải lắp sao cho áp cửa vào luôn cao hơn cửa ra trong khi đóng. Nếu có bơm thứ hai hoặc bình tích áp ở cửa ra, hãy kiểm tra áp ngược.
• Van trực tiếp ít nhạy với cặn nhưng nhạy với điện áp. Điện áp thấp hơn định mức quá 10 % làm lực hút không đủ thắng lò xo ở áp cao.
• Cả hai loại đều không nên dùng coil làm tay đòn khi siết ren, và không cấp điện cho coil khi đã tháo khỏi ống dẫn lõi.

Nếu đóng nhanh trên ống nước dài gây tiếng gõ, hãy giảm lưu tốc, thay van trực tiếp bằng van gián tiếp đóng chậm hơn, hoặc thêm bình giảm chấn.

Sự cố thường gặp ở van điện từ trực tiếp và gián tiếp

Mỗi loại trong nhóm van điện từ trực tiếp và gián tiếp có điểm hỏng đặc trưng. Hiểu cơ chế giúp chẩn đoán nhanh hơn.

• Van gián tiếp có điện nhưng không mở: nguyên nhân thường gặp là chênh áp dưới ngưỡng, hoặc lỗ pilot bị kẹt cặn. Xem lỗi van không mở khi thiếu chênh áp.
• Van gián tiếp đóng không kín: lỗ cân bằng bị tắc hoặc màng chai cứng. Lúc này buồng trên không được bù đủ áp suất để ép màng.
• Van trực tiếp có tiếng ù nhưng không hút: điện áp thấp hơn định mức quá 10 %, hoặc lõi bị kẹt. Coil AC cần ngắt điện ngay vì dòng khởi động duy trì.
• Van trực tiếp rò khi đóng: gioăng đầu lõi mòn hoặc có hạt rắn kẹt ở ghế van.

Khi bảo dưỡng, ngắt điện và xả áp trước. Làm sạch lỗ pilot và lỗ cân bằng bằng khí nén hoặc kim mềm, không nong rộng lỗ. Quy trình đầy đủ nằm trong bài bảo trì màng và lỗ cân bằng. Khi màng van điện từ chai cứng, nứt hoặc trương nở, hãy thay màng đúng vật liệu: NBR cho dầu, EPDM cho nước nóng, FKM cho dầu nóng.

Hướng dẫn chọn van trong thực tế

Trước khi đặt hàng van điện từ trực tiếp và gián tiếp, ghi đủ các thông số: lưu chất, nhiệt độ, áp suất vào và ra, DN, NC hay NO, điện áp coil. Bài lựa chọn van điện từ trình bày danh sách kiểm tra đầy đủ. Các dòng van điện từ của Viva được chia theo lưu chất và cỡ để tra nhanh.

Với yêu cầu đặc thù khi chọn van điện từ trực tiếp và gián tiếp, như áp thấp dao động, lưu chất có cặn hay hơi nóng, hãy gửi thông số cho Viva để được đối chiếu kiểu tác động phù hợp trước khi mua.

Câu hỏi thường gặp