So sánh van bi điện và van điện từ: 12 điểm khác biệt

Van bi điện và van điện từ khác nhau ở cơ cấu tạo chuyển động: van bi điện dùng motor quay quả bi 90 độ, còn van điện từ dùng lực hút của cuộn coil để nâng lõi từ hoặc màng.

Hệ quả là van điện từ đóng mở trong vài chục đến vài trăm mili giây nhưng chỉ phù hợp đường ống nhỏ, lưu chất sạch. Van bi điện đóng mở trong vài giây đến vài chục giây, lòng van thông suốt, đi được lưu chất bẩn, áp cao và DN lớn.

Bài này so sánh van bi điện và van điện từ theo lực, chênh áp, búa nước, chi phí vòng đời và từng kịch bản chọn cụ thể.

Lưu ý về thuật ngữ: «van bi điện từ» là cách gọi chưa chính xác. Đúng là «van bi điện» (van bi có bộ truyền động điện, actuator) hoặc «van điện từ» (solenoid valve). Hai thiết bị này khác nhau về nguyên lý. Bảng so sánh van bi điện và van điện từ bên dưới giúp tránh chọn nhầm khi lập dự toán và đặt hàng.

Điểm giống nhau giữa van bi điện và van điện từ

Van bi điện và van điện từ đều là van tự động, nhận tín hiệu điện để đóng mở từ xa, không cần thao tác tay. Chúng nối được với PLC, rơ le, bộ hẹn giờ hoặc công tắc phao, và xuất hiện nhiều trong tự động hóa, HVAC, xử lý nước, thực phẩm và cấp nhiên liệu.

Trên bản vẽ P&ID, mỗi loại có ký hiệu riêng. Bạn có thể đối chiếu ký hiệu van bi điện trên bản vẽ để nhận biết đúng thiết bị khi đọc hồ sơ thiết kế.

Nguyên lý hoạt động của van bi điện và van điện từ

Điểm khác biệt gốc giữa van bi điện và van điện từ nằm ở nguồn tạo lực. Van bi điện lấy lực từ motor và hộp số giảm tốc, nên mô-men lớn, đóng mở cưỡng bức. Van điện từ lấy lực từ từ trường của cuộn dây, nên lực nhỏ nhưng phản ứng tức thời.

• Van bi điện: gồm van bi và bộ truyền động điện có motor, hộp số, công tắc hành trình. Motor quay quả bi 90 độ: lỗ bi song song ống thì van mở, vuông góc thì van đóng. Actuator điều khiển tỷ lệ (tín hiệu 4–20 mA hoặc 0–10 V) có thể dừng ở góc trung gian để điều tiết. Xem thêm phân loại van bi điều khiển điện.
• Van điện từ: gồm cuộn coil, lõi từ (plunger) và thân van. Cấp điện, từ trường hút lõi từ để mở hoặc đóng lỗ van. Phần lớn chỉ có hai trạng thái, mở hết hoặc đóng hết. Loại tỷ lệ là trường hợp riêng, ít gặp hơn.

Với van điện từ, cần phân biệt thêm hai cách tạo lực mở. Loại tác động trực tiếp nâng lõi từ mở thẳng lỗ van, làm việc từ 0 bar. Loại van điện từ tác động gián tiếp chỉ dùng coil mở lỗ pilot nhỏ, còn màng được nâng nhờ chênh áp giữa hai mặt màng.

Bảng so sánh van bi điện và van điện từ

Bảng dưới tóm tắt các khác biệt chính giữa van bi điện và van điện từ. Giá trị mang tính tham khảo chung; thông số cụ thể theo catalogue của hãng.

Lực và mô-men của van bi điện và van điện từ

Lực cần để mở một van tác động trực tiếp bằng chênh áp bằng áp suất nhân diện tích lỗ. Ví dụ lỗ van đường kính 10 mm có diện tích khoảng 78,5 mm². Ở chênh áp 10 bar, lực đẩy lên lõi từ khoảng 78 N. Với lỗ 20 mm, lực này lên khoảng 314 N, gấp bốn lần, vì diện tích tăng theo bình phương đường kính.

Coil phải thắng lực này cộng lực lò xo. Muốn tăng lực hút, coil cần lớn hơn, hao điện và tỏa nhiệt nhiều hơn. Vì vậy van tác động trực tiếp chỉ có lỗ nhỏ, và MOPD giảm khi lỗ lớn. Van gián tiếp né bài toán này: lỗ pilot chỉ vài mm² nên lực thắng rất nhỏ, còn lực mở màng do chính chênh áp của đường ống cung cấp.

Van bi điện giải quyết khác. Mô-men đóng mở van bi gồm ma sát giữa bi và gioăng đệm, cộng thành phần do chênh áp ép bi vào gioăng phía hạ lưu. Mô-men này tăng theo chênh áp và theo đường kính bi, nhưng hộp số giảm tốc nhân mô-men của motor lên hàng chục đến hàng trăm lần. Nhờ vậy cùng một cơ cấu điện, van bi vẫn đóng mở được ở DN lớn và áp cao.

Khi chọn actuator, mô-men định mức cần lớn hơn mô-men van ở chênh áp lớn nhất, nhân hệ số an toàn (thường 1,25–1,5, tham khảo theo hướng dẫn của hãng actuator). Mô-men bứt (breakaway) sau thời gian đứng yên lâu thường lớn hơn mô-men chạy.

Chênh áp tối thiểu và MOPD

Hai thông số này quyết định van có hoạt động được trên đường ống hay không, và hay bị bỏ sót khi so sánh van bi điện và van điện từ.

• Chênh áp tối thiểu: van điện từ gián tiếp cần khoảng 0,2–0,5 bar (tham khảo, phổ biến 0,3 bar) để màng nâng lên. Dưới mức này van mở không hết hoặc không mở, ví dụ khi bể cao vị cấp nước xuống bằng trọng lực. Van bi điện và van điện từ tác động trực tiếp không bị giới hạn này.
• MOPD (chênh áp mở tối đa): là chênh áp lớn nhất mà coil còn mở được van. Cấp điện áp thấp, nhất là dưới −10 % định mức, làm lực hút giảm và MOPD giảm theo. Với van bi điện, giới hạn là mô-men actuator và PN của thân van.

Hệ quả thực tế với van bi điện và van điện từ: đường nước hồi áp thấp, đường xả tự chảy hoặc hút chân không nên dùng van bi điện hoặc van điện từ trực tiếp. Hãy kiểm tra thêm các tiêu chí trong tiêu chí lựa chọn van điện từ trước khi chốt model.

Búa nước: van bi điện và van điện từ khác nhau thế nào

Khi so sánh van bi điện và van điện từ, búa nước là điểm cần tính sớm. Búa nước phát sinh khi dòng chảy bị chặn đột ngột.

Mức tăng áp tối đa theo công thức Joukowsky: ΔP = ρ·c·Δv, với ρ là khối lượng riêng, c là tốc độ truyền sóng áp trong ống và Δv là độ giảm vận tốc. Với nước (ρ ≈ 1.000 kg/m³), c khoảng 1.000 m/s (tham khảo, phụ thuộc vật liệu ống), Δv = 2 m/s cho ΔP khoảng 20 bar. Đây là giá trị lý thuyết trên cùng khi dừng dòng tức thời.

Cú sốc chỉ đạt mức này nếu thời gian đóng nhỏ hơn thời gian sóng áp chạy hết ống và quay lại, T = 2L/c. Ống dài 100 m, c = 1.000 m/s cho T = 0,2 s. Van điện từ đóng trong vài chục đến vài trăm mili giây nên nằm đúng vùng nguy hiểm. Van bi điện đóng 5–30 giây, lớn hơn T nhiều lần, nên gần như không gây búa nước.

Giải pháp khi bắt buộc dùng van điện từ thay van bi điện trên ống dài, tốc độ cao: giảm vận tốc xuống dưới khoảng 1,5–2 m/s, chọn van gián tiếp có lỗ cân bằng giúp màng đóng chậm hơn, hoặc lắp bình tích áp, bộ giảm chấn. Nếu đường ống chính dài hàng trăm mét, ưu tiên van bi điện.

Kv, tổn thất áp và lưu chất bẩn của van bi điện và van điện từ

Kv là lưu lượng nước (m³/h) chảy qua van ở chênh áp 1 bar. Chất lỏng tính theo công thức Q = Kv·√(ΔP/SG). Từ đó tổn thất áp ΔP = SG·(Q/Kv)².

Van bi toàn lòng có đường kính trong gần bằng ống nên Kv rất cao, cỡ vài chục đến khoảng 100 m³/h ở DN25 (tham khảo theo catalogue). Van điện từ DN25 có lòng van thu nhỏ và đường dòng quanh co qua lỗ van, Kv thường chỉ cỡ vài đến vài chục m³/h (tham khảo). Với Q = 10 m³/h nước, van có Kv = 10 gây tổn thất 1 bar, còn van Kv = 100 chỉ gây 0,01 bar.

Lòng hẹp cũng là lý do van điện từ dễ kẹt hơn van bi điện. Với van bi điện và van điện từ, hạt cặn đi qua lòng van khác nhau.

Hạt cặn nhỏ làm nghẽn lỗ cân bằng (thường dưới 1 mm) hoặc lỗ pilot (khoảng 1–2 mm), hoặc kẹt giữa màng và mặt đế gây rò. Van bi điện toàn lòng cho hạt rắn đi qua; dù vậy cặn cứng vẫn có thể làm xước bi và gioăng. Với van điện từ, đặt lọc Y lưới 60–100 mesh (tham khảo) phía trước là bắt buộc.

Điện năng và an toàn khi mất điện: van bi điện và van điện từ

Về điện năng, van bi điện và van điện từ hoạt động trái ngược. Coil van điện từ thường đóng (NC) chỉ có điện khi van mở. Nếu van mở phần lớn thời gian, coil mang điện liên tục, tỏa nhiệt và hao điện. Giả sử coil 10 W chạy liên tục cả năm: 10 W × 8.760 h = 87,6 kWh, tương đương khoảng 175.000 đồng/năm với giá điện giả định 2.000 đồng/kWh.

Một van thì nhỏ, nhưng hệ thống hàng chục van sẽ đáng kể. Điện năng của van điện từ phụ thuộc loại coil, xem bài về cuộn dây AC và DC.

Van bi điện chỉ tiêu thụ điện lúc chạy, giữ vị trí nhờ hộp số tự hãm. Nhiều actuator có điện trở sấy chống ngưng tụ, công suất nhỏ nhưng chạy liên tục.

Khi mất điện, van bi điện và van điện từ xử lý khác nhau:

• Van điện từ: lò xo đưa van về trạng thái cố định. Van NC đóng, van NO mở. Không cần thiết bị phụ.
• Van bi điện thường: giữ nguyên vị trí cuối cùng. Muốn về vị trí an toàn cần actuator hồi lò xo (spring return) hoặc bộ tụ điện, pin dự phòng; giá cao hơn đáng kể.

Với cấp gas, nhiên liệu hoặc nước cấp lò, an toàn khi mất điện thường là yêu cầu bắt buộc, và van điện từ NC đơn giản hơn.

Chi phí vòng đời của van bi điện và van điện từ

Giá mua chỉ là một phần. Khi so sánh chi phí van bi điện và van điện từ cho cùng một vị trí, hãy cộng bốn khoản: giá thiết bị, điện năng, bảo trì và rủi ro dừng máy.

• DN nhỏ (đến DN25): van điện từ thường rẻ hơn hẳn, nhỏ gọn, thay coil nhanh. Trừ trường hợp lưu chất bẩn khiến phải thay màng thường xuyên.
• DN trung bình (DN32–DN50): giá hai phương án tiến gần nhau. Van điện từ gián tiếp cỡ này cần coil và màng lớn, trong khi van bi điện inox kèm actuator cho Kv cao hơn nhiều.
• DN lớn (từ DN65): van điện từ hiếm và đắt; van bi điện thường là phương án kinh tế.
• Bảo trì: van điện từ hao mòn ở màng, lò xo và coil, chu kỳ đóng mở đến hàng triệu lần (theo catalogue). Actuator có bánh răng, công tắc hành trình, thường đạt vài chục nghìn đến hàng trăm nghìn chu kỳ tùy hãng. Nếu đóng mở hàng nghìn lần mỗi ngày, hãy chọn van điện từ.

Chi phí van bi điều khiển điện tham khảo theo cỡ và loại actuator có trong bảng giá van bi điều khiển điện. Với van điện từ, xem các dòng trong danh mục van điện từ.

Điều khiển, hiệu chỉnh và lắp đặt

Van bi điện có công tắc giới hạn, tín hiệu phản hồi vị trí, nút gạt tay khi mất điện, và cho phép chỉnh hành trình đóng mở. Khi cần hiệu chuẩn, xem hướng dẫn chỉnh hành trình van bi điện. Quy trình lắp trên đường ống có trong bài lắp đặt van bi điện.

Đấu nối van điện từ đơn giản hơn van bi điện: hai dây cấp điện, một chiều dòng chảy theo mũi tên. Điều kiện bắt buộc là điện áp đúng nhãn coil và lọc Y phía trước.

Với cả hai loại, lắp ngoài trời, nơi ẩm hoặc bụi cần chú ý cấp bảo vệ IP, NEMA của coil hoặc vỏ actuator. Phổ biến là IP65 cho coil; actuator ngoài trời thường IP65–IP67 theo catalogue.

Chọn van bi điện và van điện từ theo DN và lưu chất

Bảng dưới gợi ý hướng chọn van bi điện và van điện từ cho các tổ hợp thường gặp. Mỗi dòng là điểm xuất phát, cần kiểm tra lại nhiệt độ, áp suất, vật liệu gioăng.

Chọn van bi điện khi

• Đường ống từ DN50 trở lên, lưu lượng và áp suất cao.
• Lưu chất có cặn, hạt rắn, nhớt hoặc cần lòng van thông suốt để giảm tổn thất áp.
• Cần điều tiết lưu lượng, hoặc cần đóng chậm để tránh búa nước.
• Giữ vị trí van lâu mà không tốn điện, thao tác dưới vài chục lần mỗi ngày.

Chọn van điện từ khi

• Đường ống nhỏ (thường đến DN25–DN50), lưu chất sạch như nước, khí nén, dầu nhẹ.
• Cần đóng mở nhanh, tần suất lớn, ví dụ định lượng, bôi trơn, thổi khí.
• Cần giải pháp gọn, chi phí ban đầu thấp.
• Cần tự về vị trí an toàn khi mất điện (NC hoặc NO) mà không thêm thiết bị.

Van bi điện và van điện từ không thay thế hoàn toàn cho nhau. Khi chọn van bi điện và van điện từ, đi theo thứ tự: lưu chất và nhiệt độ, DN và lưu lượng, chênh áp, tần suất, yêu cầu an toàn khi mất điện, rồi mới đến giá.

Sai lầm thường gặp khi chọn van bi điện và van điện từ

• Dùng van điện từ gián tiếp trên đường tự chảy: chênh áp dưới 0,3 bar khiến van không mở hết. Chuyển sang van trực tiếp hoặc van bi điện.
• Dùng van điện từ đóng nhanh trên ống dài: gây búa nước, rung và hỏng mối nối. Giảm vận tốc hoặc chuyển sang van bi điện.
• Dùng van bi điện cho chu trình đóng mở dưới 1 giây: actuator không đáp ứng kịp, mòn nhanh bánh răng.
• Bỏ qua mất điện: van bi điện không hồi lò xo giữ nguyên vị trí, gây rủi ro ở lò hơi, bồn nhiên liệu.
• Bỏ qua điện áp: coil 220V AC cấp 24V DC không hút; ngược lại cấp 220V vào coil 24V gây cháy ngay.

Kết luận

Giữa van bi điện và van điện từ, van bi điện hơn ở DN lớn, áp cao, lưu chất bẩn, tổn thất áp thấp và điều tiết lưu lượng, đổi lại là đóng mở chậm, thân lớn, giá cao hơn. Van điện từ hơn ở tốc độ, độ gọn và chi phí cho đường ống nhỏ, lưu chất sạch. Hãy chọn theo DN, lưu chất, chênh áp, tần suất đóng mở và yêu cầu an toàn khi mất điện.

Nếu chưa xác định nên chọn van bi điện và van điện từ cho ứng dụng của mình, hãy gửi thông số DN, lưu chất, nhiệt độ, áp suất và điện áp để Viva tư vấn. Có thể tham khảo thêm khái niệm van bi trong tài liệu quốc tế để đối chiếu thuật ngữ.

Câu hỏi thường gặp về van bi điện và van điện từ