Kích thước van 1 chiều phải được xác định theo vận tốc dòng chảy qua van, không chọn theo đường kính danh nghĩa (DN) của ống. Van 1 chiều là van tự động, đĩa chỉ mở hoàn toàn và đứng yên khi lực của dòng chảy đủ thắng trọng lượng đĩa hoặc lực lò xo. Nếu kích thước van quá lớn so với lưu lượng thực, đĩa chỉ mở một phần và rung liên tục; nếu quá nhỏ, tổn thất áp suất và tiếng ồn tăng.
Bài này hướng dẫn cách tính kích thước van 1 chiều bằng vận tốc tối thiểu, hệ số Kv/Cv và công thức tính ΔP, kèm bảng tham khảo và hai ví dụ có số.
Vì sao kích thước van 1 chiều không chọn theo DN ống
Với van chặn hay van bi, thân van lớn hơn thì lưu lượng cho phép lớn hơn, nên người dùng thường chọn bằng DN ống. Van 1 chiều hoạt động khác: không có tay vặn hay bộ truyền động, vị trí đĩa do cân bằng lực quyết định. Lực đẩy của dòng chảy lên đĩa xấp xỉ bằng áp suất động ρv²/2 nhân diện tích đĩa. Lực này phải lớn hơn tổng của trọng lượng đĩa (hoặc mô men của lá lật quanh chốt) và lực lò xo thì đĩa mới tựa vào điểm dừng mở.
Áp suất động tỉ lệ với bình phương vận tốc. Vì vậy mỗi loại van có một vận tốc tối thiểu để đĩa mở hết hành trình. Dưới ngưỡng đó, đĩa cân bằng ở vị trí lưng chừng, bị dòng rối đẩy qua lại, tạo ra hiện tượng chattering (đĩa đập liên tục vào ghế hoặc điểm dừng). Cùng một lưu lượng, ống DN lớn có vận tốc thấp hơn: giảm đường kính đi một nửa thì vận tốc tăng bốn lần, vì tiết diện tỉ lệ với bình phương đường kính.
Một hệ quả khác là vận tốc tối thiểu phụ thuộc vào khối lượng riêng của lưu chất. Do áp suất động chứa ρ, vận tốc cần thiết tỉ lệ nghịch với căn bậc hai của ρ. Với nước, ngưỡng của van lá lật vào khoảng 1,3–1,5 m/s (tham khảo). Với khí nén ở 8 bar abs, 20 °C, ρ khoảng 9,5 kg/m³ nên ngưỡng tăng gấp khoảng 10 lần, tức cỡ 14 m/s. Cùng một van, cùng DN, dùng cho nước và cho khí phải chọn kích thước van 1 chiều khác nhau.
Các thông số cần có trước khi tính
Trước khi chốt kích thước van 1 chiều, cần thu thập đủ dữ liệu vận hành thực tế, không chỉ lưu lượng thiết kế lớn nhất:
- Lưu lượng Q: lấy cả lưu lượng nhỏ nhất, bình thường và lớn nhất (m³/h). Van phải mở hết ở mức lưu lượng mà hệ thống chạy lâu nhất, không phải ở điểm thiết kế hiếm khi đạt.
- Lưu chất: khối lượng riêng ρ hoặc tỷ trọng SG, độ nhớt, nhiệt độ, có hạt rắn hay không. Khí và hơi cần tính theo áp suất làm việc vì ρ thay đổi theo áp suất.
- Áp suất và độ giảm áp cho phép: ΔP tối đa mà hệ thống chấp nhận được tại lưu lượng lớn nhất, đơn vị bar hoặc kPa.
- Hướng lắp: ngang, đứng dòng lên hay đứng dòng xuống. Van lá lật chỉ phù hợp lắp ngang hoặc đứng dòng lên; hướng lắp ảnh hưởng đến ngưỡng mở (xem bài về áp suất mở (cracking pressure)).
- Loại van đã dự kiến: mỗi loại có Kv và vận tốc tối thiểu khác nhau, nên cần so sánh nhiều phương án.
Vận tốc tối thiểu để đĩa mở hoàn toàn và ổn định
Vận tốc là tiêu chí quyết định khi xác định kích thước van 1 chiều cho chất lỏng. Bảng dưới là giá trị tham khảo cho nước ở nhiệt độ thường. Mỗi hãng công bố vận tốc hoặc lưu lượng tối thiểu riêng theo từng cỡ van, nên cần đối chiếu catalogue của loại cụ thể trước khi chốt. Kết cấu càng nhẹ và hành trình đĩa càng ngắn thì ngưỡng càng thấp; thiết kế lá lật, đặc biệt là van 1 chiều lá lật dạng đĩa nặng, đòi hỏi vận tốc cao hơn loại có lò xo trợ lực.
| Loại van 1 chiều | Vận tốc tối thiểu để mở hết (nước, m/s) | Vận tốc làm việc thường dùng (m/s) | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Lá lật (swing) | 1,3–1,5 | 1,5–3,0 | Đĩa treo trên chốt; tốc độ thấp làm đĩa vỗ vào ghế |
| Cánh bướm hai cánh (dual plate, wafer) | 1,0–1,5 | 1,5–3,5 | Lò xo trợ lực; hành trình ngắn nên mở sớm hơn lá lật |
| Lò xo (đĩa hoặc piston, lắp trong ống) | 1,0–1,5 | 1,5–3,0 | Lò xo cứng hơn thì cần vận tốc cao hơn để nén hết hành trình |
| Van cầu 1 chiều (lift check) | 1,5–2,5 | 2,0–3,5 | Dòng đổi hướng trong thân nên ΔP cao hơn |
| Van bi 1 chiều (ball check) | 1,5–2,5 | 2,0–3,0 | Bi nổi lên nhờ dòng chảy; phù hợp nước thải, có cặn mịn |
Vận tốc trong bảng là giá trị tham khảo cho nước sạch. Các giá trị chính xác phụ thuộc thiết kế, khối lượng đĩa và hành trình, cần lấy từ catalogue hoặc bảng dữ liệu của nhà sản xuất. Tham khảo thêm cấu trúc từng loại ở trang van 1 chiều cánh bướm.
Về cận trên của kích thước van 1 chiều, vận tốc quá 3–4 m/s trong đường ống nước làm ΔP tăng nhanh theo bình phương, gây ồn và làm đĩa đóng mạnh khi dòng đảo chiều. Cận trên cần cân nhắc cùng tiêu chuẩn thiết kế đường ống của dự án.
Hệ số Kv, Cv và công thức tính ΔP
Hệ số lưu lượng cho biết van cho bao nhiêu lưu lượng qua với một chênh áp chuẩn. Kv là lưu lượng nước (m³/h, 5–30 °C) qua van khi ΔP bằng 1 bar. Cv là lưu lượng nước (gpm Mỹ) khi ΔP bằng 1 psi. Hai hệ số quy đổi theo công thức Kv = 0,865·Cv, hay Cv = Kv/0,865 (khoảng 1,156·Kv). Bài về Hệ số lưu lượng Cv trình bày chi tiết cách đo và dùng hệ số này cho van bướm. Định nghĩa chung có thể xem thêm tại mục flow coefficient trên Wikipedia.
Với chất lỏng không nén, ở hệ mét:
ΔP = SG · (Q / Kv)², trong đó ΔP tính bằng bar, Q bằng m³/h, SG là tỷ trọng so với nước (nước = 1). Viết ngược lại, Kv cần thiết = Q / √(ΔP / SG).
Ở hệ Mỹ, công thức có dạng tương tự: ΔP (psi) = SG · (Q/Cv)², với Q tính bằng gpm. Ảnh minh họa dưới đây là công thức lưu lượng theo Cv, áp suất thượng lưu P1 và hạ lưu P2 mà bài cũ đã dùng.
Hai điểm cần nhớ khi tính kích thước van 1 chiều bằng Kv. Thứ nhất, ΔP tỉ lệ với bình phương lưu lượng: lưu lượng gấp đôi thì ΔP gấp bốn. Thứ hai, công thức chỉ đúng khi van mở hết. Nếu đĩa chưa mở hoàn toàn thì Kv thực tế nhỏ hơn Kv catalogue, và ΔP thực lớn hơn kết quả tính, vì vậy phải kiểm tra điều kiện vận tốc ở mục trên trước.
Ví dụ 1: tính ΔP từ Kv
Van 1 chiều cánh bướm DN100 có Cv = 330 (giả định, lấy từ catalogue), dùng cho nước (SG = 1) với lưu lượng 60 m³/h.
- Đổi Kv = 0,865 × 330 = 285,5 (m³/h/√bar).
- Tính ΔP = 1 × (60 / 285,5)² = 0,0442 bar, tương đương khoảng 4,4 kPa.
- Nếu lưu lượng tăng lên 90 m³/h thì ΔP = (90/285,5)² = 0,099 bar, gần gấp 2,25 lần do (90/60)² = 2,25.
Với dầu có SG = 0,85 ở cùng lưu lượng, ΔP = 0,85 × 0,0442 = 0,0376 bar. Chất lỏng nhẹ hơn nước thì ΔP nhỏ hơn tương ứng. Tổn thất của riêng thân van chưa gồm ma sát đường ống; ma sát ống tính theo phương trình Darcy–Weisbach.
Quy trình xác định kích thước van 1 chiều theo vận tốc
Các bước dưới đây dùng được cho van lá lật, cánh bướm và lò xo trên đường nước. Mỗi bước nên ghi vào bảng tính để dễ rà lại kích thước van 1 chiều đã chọn.
- Xác định dải lưu lượng vận hành: Q nhỏ nhất thường chạy, Q bình thường, Q lớn nhất.
- Lấy vận tốc tối thiểu vmin của loại van đã chọn từ catalogue (bảng ở trên chỉ để ước lượng).
- Tính đường kính lớn nhất cho phép: Dmax = √(4·Qthường / (π·vmin)), với Q tính bằng m³/s. Van có đường kính trong lớn hơn Dmax sẽ không mở hết ở lưu lượng thường.
- Chọn DN trong danh mục nhỏ hơn hoặc bằng Dmax và kiểm tra vận tốc ở Q nhỏ nhất. Nếu hệ thống chạy nhiều chế độ, phải chấp nhận đĩa chưa mở hết ở chế độ thấp hoặc đổi sang loại van có ngưỡng thấp hơn.
- Tính ΔP tại Q lớn nhất bằng Kv hoặc K và so với mức cho phép của hệ thống.
- Nếu ΔP quá lớn hoặc van nhỏ hơn ống, kiểm tra đoạn côn thu, côn mở và đoạn ống thẳng đi kèm, rồi chốt theo các tiêu chí chọn van 1 chiều về vật liệu, áp suất và tiêu chuẩn.
Ví dụ 2: đường ống DN150, lưu lượng 40–80 m³/h
Bài toán kích thước van 1 chiều sau bơm cấp nước cho đường ống DN150, lưu lượng bình thường 80 m³/h, có lúc giảm xuống 40 m³/h. Dùng van lá lật với ngưỡng vmin = 1,35 m/s (giả định). Với hệ số K = 2 (giả định, điển hình cho van lá lật mở hết), áp dụng ΔP = K·ρ·v²/2.
| Cỡ van (DN) | Vận tốc ở 80 m³/h | Vận tốc ở 40 m³/h | Lưu lượng tối thiểu để đạt 1,35 m/s | ΔP ở 80 m³/h (K = 2) |
|---|---|---|---|---|
| 150 | 1,26 m/s | 0,63 m/s | khoảng 86 m³/h | 1,6 kPa |
| 125 | 1,81 m/s | 0,91 m/s | khoảng 60 m³/h | 3,3 kPa |
| 100 | 2,83 m/s | 1,41 m/s | khoảng 38 m³/h | 8,0 kPa |
DN150 theo ống không đạt ở cả hai chế độ: vận tốc dưới ngưỡng nên đĩa chỉ mở một phần. DN125 chỉ đạt khi chạy ở 80 m³/h. DN100 đạt ở cả hai chế độ (1,41 m/s ở 40 m³/h), đổi lại ΔP khoảng 8 kPa (0,08 bar), mức chấp nhận được với phần lớn hệ bơm. Kích thước van 1 chiều phù hợp trong trường hợp này là DN100, đặt giữa hai côn, thay vì DN150 theo ống.
Nếu hệ thống chủ yếu chạy ở 80 m³/h và chỉ hiếm khi xuống 40 m³/h, DN125 vẫn có thể chọn để giảm ΔP, nhưng cần chấp nhận rủi ro đĩa rung ở chế độ thấp hoặc dùng van có lò xo trợ lực. Quyết định về kích thước van 1 chiều thuộc về người thiết kế và nên ghi rõ trong hồ sơ.
Hậu quả khi kích thước van 1 chiều quá lớn
Chọn kích thước van 1 chiều quá lớn là lỗi gặp nhiều nhất vì người mua mặc định lấy DN bằng ống. Cơ chế hỏng diễn ra như sau: vận tốc dưới ngưỡng nên đĩa không tựa được vào điểm dừng mở, dòng rối đẩy đĩa dao động quanh một vị trí trung gian. Mỗi chu kỳ dao động là một lần va chạm nhỏ.
- Đĩa rung, chattering: đĩa đập liên tục vào ghế hoặc điểm dừng, phát ra tiếng gõ nhịp.
- Mòn chốt và ống lót: chốt bản lề và lỗ lắp chịu tải va đập lặp lại, rơ dần, đĩa lệch tâm nên đóng không kín.
- Hỏng lò xo: lò xo chịu tải chu kỳ, dễ mỏi và gãy ở vòng cuối.
- Mòn mặt làm kín: gioăng hoặc mặt kim loại bị đập, gây rò khi đóng.
- Tăng nguy cơ búa nước: đĩa nặng và hành trình dài đóng chậm hơn dòng chảy đảo chiều. Cơ chế được phân tích trong bài về giảm búa nước khi dùng van 1 chiều.
Ngoài hỏng hóc, kích thước van 1 chiều lớn còn đắt hơn, nặng hơn và chiếm thêm chỗ lắp. Chi phí thay chốt và đĩa nhiều lần thường vượt chênh lệch giá của một van đúng cỡ.
Hậu quả khi kích thước van 1 chiều quá nhỏ
Khi kích thước van 1 chiều nhỏ hơn yêu cầu, vận tốc cao, đĩa mở hết nhưng dòng bị thu hẹp. Kết quả là:
- ΔP tăng theo bình phương lưu lượng, bơm phải làm việc thêm để bù, tiêu tốn điện (xem bài phân tích tổn thất áp suất qua van 1 chiều).
- Tiếng ồn và rung do dòng rối; với nước ở ΔP lớn có thể xuất hiện xâm thực sau đĩa.
- Mòn ghế và đĩa do vận tốc cao, nhất là khi lưu chất có cặn.
- Lưu lượng đạt không đủ so với yêu cầu, bơm lệch khỏi điểm làm việc tốt nhất.
- Với bơm có cột áp thấp, phần ΔP cộng thêm của van nhỏ có thể chiếm tỉ lệ đáng kể trong cột áp cần thiết.
Lỗi kích thước này dễ khắc phục hơn: chỉ cần tăng một cỡ và kiểm tra lại vận tốc tối thiểu. Kích thước van 1 chiều cân bằng thường cho vận tốc làm việc 2–3 m/s với nước, tùy loại van.
Lưu ý khi chọn kích thước van 1 chiều nhỏ hơn đường ống
- Dùng côn thu, côn mở đồng tâm với góc nhỏ để dòng chuyển tiếp êm; tổn thất của côn được cộng vào ΔP hệ thống.
- Giữ đoạn ống thẳng trước van đủ dài theo khuyến cáo của hãng (thường vài lần đường kính, giá trị tham khảo) để dòng không bị xoáy lệch đĩa; tránh đặt van ngay sau cút hay sau bơm ly tâm.
- Với van wafer, kiểm tra khoảng hở giữa đĩa mở và mặt bích, côn hoặc đồng hồ lân cận để cánh đĩa không va chạm.
- Kiểm tra lại bơm: một số bơm yêu cầu van xả cùng DN với cửa xả, hoặc có khuyến cáo riêng về lắp van sau bơm.
Tư vấn kích thước van 1 chiều theo điều kiện thực tế
Viva hỗ trợ tính vận tốc, ΔP và so sánh phương án khi người dùng cung cấp lưu lượng nhỏ nhất, lớn nhất, lưu chất và hướng lắp. Dữ liệu càng đầy đủ thì kích thước van 1 chiều chọn ra càng sát thực tế. Các bài kỹ thuật khác về cấu tạo, lắp đặt và bảo trì nằm trong chuyên mục Tài liệu van 1 chiều. Thông tin liên hệ nằm bên dưới.
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 kích thước van 1 chiều
Có thể chọn kích thước van 1 chiều nhỏ hơn đường ống không?
Có, và thường nên làm khi lưu lượng thực thấp hơn thiết kế. Van nhỏ hơn một hoặc hai cỡ giúp vận tốc đạt ngưỡng để đĩa mở hết và ổn định. Cần dùng côn thu, côn mở và kiểm tra ΔP tại lưu lượng lớn nhất.
Vận tốc tối thiểu để chọn kích thước van 1 chiều là bao nhiêu?
Với nước, giá trị tham khảo của van lá lật khoảng 1,3–1,5 m/s, van cánh bướm và van lò xo khoảng 1,0–1,5 m/s. Con số chính xác phụ thuộc thiết kế và khối lượng đĩa, cần lấy từ catalogue của hãng.
Quy đổi Kv sang Cv như thế nào?
Kv = 0,865 × Cv, hay Cv = Kv / 0,865. Kv tính bằng m³/h ứng với ΔP 1 bar, Cv tính bằng gpm ứng với ΔP 1 psi. Ví dụ Cv 330 tương đương Kv khoảng 285.
Kích thước van 1 chiều quá lớn gây ra hiện tượng gì?
Vận tốc dưới ngưỡng nên đĩa chỉ mở một phần và dao động liên tục. Biểu hiện là tiếng gõ nhịp, rung, mòn chốt bản lề, hỏng lò xo và van đóng không kín.
Công thức tính tổn thất áp suất qua van theo Kv là gì?
ΔP = SG · (Q / Kv)², trong đó ΔP tính bằng bar, Q bằng m³/h, SG là tỷ trọng chất lỏng so với nước. Công thức chỉ đúng khi đĩa mở hoàn toàn.
