Điểm khác nhau cốt lõi giữa van bướm khí nén và van bướm điện nằm ở nguồn năng lượng của bộ truyền động, còn thân van, đĩa van và gioăng gần như giống nhau. Khí nén cần cả một hạ tầng máy nén, sấy, lọc và đường ống nhưng đổi lại cho tốc độ cao, tự về vị trí an toàn khi mất khí và không phát tia lửa. Bộ điện chỉ cần dây điện, điều tiết chính xác bằng tín hiệu 4 đến 20 mA, nhưng chậm hơn và thường giữ nguyên vị trí khi mất điện.
Cả hai kiểu đều thuộc nhóm van điều khiển điện theo nghĩa rộng là van tự động đóng mở từ xa; nếu muốn hiểu riêng phần điện, xem bài van bướm điều khiển điện, còn phần khí nén có bài van bướm điều khiển khí nén là gì. Bài này đặt van bướm khí nén và van bướm điện cạnh nhau theo từng tiêu chí kỹ thuật, tính cả chi phí lẫn tình huống vận hành, để bạn chọn đúng kiểu cho từng vị trí trong nhà máy.
Nguyên lý của van bướm khí nén và van bướm điện
Van bướm quay đĩa van 90° quanh trục để đóng hoặc mở. Van bướm khí nén và van bướm điện chỉ khác nhau ở thứ làm trục quay, và sự khác biệt này kéo theo mọi đặc điểm còn lại.
Bộ truyền động khí nén
Bộ khí nén (Pneumatic actuator) dùng áp suất khí, thường 4 đến 7 bar, đẩy một hoặc hai piston. Piston kéo thanh răng ăn khớp với bánh răng trên trục đầu ra (kiểu thanh răng – bánh răng), biến chuyển động thẳng thành chuyển động quay 90°.
Có hai loại: tác động kép (double acting) dùng khí cho cả chiều mở và chiều đóng, và tác động đơn (single acting, lò xo hồi) chỉ dùng khí cho một chiều, chiều còn lại do lò xo đẩy. Điều khiển cấp khí qua van điện từ 5/2 (tác động kép) hoặc 3/2 (tác động đơn). Khác biệt chi tiết giữa hai kiểu có trong bài tác động đơn và tác động kép. Các bộ phận đi kèm xem ở bài phụ kiện của van bướm khí nén.
Bộ truyền động điện
Bộ điện gồm motor, hộp số giảm tốc, công tắc hành trình, bộ giới hạn mô-men và mạch điều khiển. Motor quay nhanh nhưng mô-men nhỏ, nên hộp số trục vít – bánh vít giảm tốc và nhân mô-men lên mức cần thiết. Cấu tạo chi tiết có ở bài cấu tạo bộ truyền động điện. Hộp số trục vít có góc xoắn nhỏ nên tự hãm: bánh vít không thể quay ngược trục vít, vì vậy van giữ nguyên vị trí khi mất điện và áp lực dòng chảy không đẩy ngược đĩa van được.
Điện áp phổ biến là 24 VDC hoặc 24 VAC, 220 VAC 1 pha, và 380 VAC 3 pha cho bộ mô-men lớn. Thời gian hành trình 90° thường 15 đến 60 giây tùy mô-men và model (tham khảo). Bộ On/Off thường thuộc chế độ S2 (làm việc ngắn hạn), bộ tuyến tính thuộc S4 (đóng cắt lặp lại, giới hạn số lần khởi động mỗi giờ) theo IEC 60034-1. Mặt bích lắp theo ISO 5211.
Bảng so sánh van bướm khí nén và van bướm điện theo 12 tiêu chí
Bảng dưới đây so sánh van bướm khí nén và van bướm điện theo 12 tiêu chí; các ô lấy số liệu điển hình, giá trị cụ thể xem catalogue từng hãng.
| Tiêu chí | Van bướm khí nén | Van bướm điện |
|---|---|---|
| Nguồn năng lượng | Khí nén 4 đến 7 bar, sạch và khô | Điện 24 V, 220 V hoặc 380 V |
| Hạ tầng đi kèm | Máy nén, bình tích, máy sấy, lọc, đường ống khí, van điện từ | Dây điện, aptomat, tủ điều khiển |
| Thời gian hành trình 90° | Khoảng 1 đến 5 giây | Khoảng 15 đến 60 giây (tham khảo) |
| Khi mất nguồn | Tác động đơn: lò xo tự về vị trí an toàn; tác động kép: giữ vị trí | Thường giữ nguyên; muốn tự về cần pin/siêu tụ hoặc kiểu lò xo hồi |
| Khu vực cháy nổ | Thuận lợi, bản thân bộ khí nén không có tia lửa (van điện từ và phụ kiện phải đạt Ex) | Cần bộ chống cháy nổ Ex d (ATEX/IECEx), giá cao hơn |
| Điều tiết lưu lượng | Cần bộ định vị (positioner) nhận 4 đến 20 mA; độ chính xác phụ thuộc chất lượng khí | Bộ tuyến tính nhận 4 đến 20 mA hoặc 0 đến 10 V, có phản hồi vị trí |
| Tần suất đóng cắt | Rất cao, chịu được đóng cắt liên tục | Bị giới hạn bởi chế độ S2/S4 và nhiệt motor |
| Bảo trì | Lọc khí, xả nước ngưng, thay gioăng piston, kiểm tra rò rỉ | Kiểm tra dầu mỡ hộp số, công tắc hành trình, nhiệt motor |
| Tiếng ồn | Có tiếng xả khí mỗi lần đóng mở (giảm bằng bộ giảm thanh) | Êm, chỉ có tiếng motor nhỏ |
| Nguy cơ búa nước | Cao nếu đóng quá nhanh, cần van tiết lưu hãm tốc độ | Thấp vì hành trình dài |
| Chi phí đầu tư | Bộ truyền động rẻ, nhưng cần hạ tầng khí nếu chưa có | Bộ truyền động đắt hơn, hạ tầng đơn giản |
| Chi phí vận hành | Điện cho máy nén; rò rỉ khí là khoản hao phí chính | Điện tiêu thụ rất nhỏ, chỉ khi quay |
Khi đọc bảng so sánh van bướm khí nén và van bướm điện, đừng vội kết luận loại nào tốt hơn, vì mỗi hàng nghiêng về một phía.
Đã có sẵn hệ thống khí nén ổn định thì khi so van bướm khí nén và van bướm điện theo chi phí đầu tư, bên khí nén có lợi. Chưa có thì phần lớn chênh lệch giá đảo ngược. Một số tài liệu cho rằng kiểu này chịu áp cao hơn hay chống ăn mòn tốt hơn kiểu kia: điều đó không đúng, vì áp suất làm việc và khả năng chống ăn mòn do thân van, đĩa van và gioăng quyết định (ví dụ PN10 hoặc PN16, EPDM hoặc PTFE), không do bộ truyền động.
Chi phí thực của van bướm khí nén và van bướm điện
Trong so sánh chi phí giữa van bướm khí nén và van bướm điện, giá niêm yết của bộ khí nén thấp hơn bộ điện cùng mô-men, nên nhiều người kết luận khí nén rẻ hơn. Kết luận này chỉ đúng khi nhà máy đã có khí nén dư công suất. Nếu phải đầu tư mới thì cần cộng máy nén, bình tích, máy sấy khí, bộ lọc, đường ống khí và van điện từ cho từng điểm. Với vài van ở xa trạm khí, riêng đường ống khí đã đắt hơn chênh lệch giá bộ truyền động.
Chi phí vận hành cần tính riêng. Bản thân bộ khí nén dùng rất ít khí cho mỗi hành trình. Ví dụ giả định: bộ có thể tích buồng 2 lít, áp 6 bar (7 bar tuyệt đối), mỗi hành trình tiêu thụ khoảng 2 × 7 = 14 lít khí tự do. Sản xuất khí nén tốn khoảng 0,1 kWh cho mỗi m³ (tham khảo, tùy máy nén), nên mỗi hành trình chỉ tốn khoảng 0,014 × 0,1 ≈ 0,0014 kWh. Nghĩa là điện tiêu thụ của bộ truyền động khí nén không đáng kể.
Khoản hao phí thực sự là rò rỉ. Giả sử đường ống khí của một dây chuyền rò tổng cộng 0,1 m³ mỗi phút, chạy 8.000 giờ mỗi năm, máy nén phải bù khoảng 6 m³ mỗi giờ, tương đương khoảng 0,6 kWh mỗi giờ, cộng lại khoảng 4.800 kWh mỗi năm chỉ để bù khí thoát ra qua các mối nối lỏng (số giả định minh họa).
Bộ điện không có khoản này: motor chỉ tiêu thụ điện khi quay vài chục giây mỗi lần, đứng yên thì chỉ có điện trở sưởi chống ngưng tụ (nếu có). Vì vậy, với van đóng mở ít lần, ở vị trí xa trạm khí, van bướm điện thường có tổng chi phí sở hữu thấp hơn. Với dây chuyền đóng mở hàng nghìn lần mỗi ngày và có sẵn khí nén, van bướm khí nén thắng rõ.
Để dự toán, xem bảng giá van bướm khí nén và bảng giá van bướm điện, nhớ cộng chi phí hạ tầng ở mỗi bên.
Fail-safe: vì sao khí nén tự về vị trí an toàn còn bộ điện giữ nguyên
Với van bướm khí nén và van bướm điện, hành vi khi mất nguồn khác nhau từ gốc. Bộ khí nén tác động đơn có lò xo hồi đã nén sẵn: lực lò xo đẩy piston về một đầu hành trình, do đó van tự đóng (kiểu thường đóng) hoặc tự mở (kiểu thường mở) mà không cần năng lượng ngoài. Khi chọn đúng cỡ, tức mô-men lò xo ở cuối hành trình (nơi lò xo yếu nhất) vẫn lớn hơn mô-men van nhân hệ số an toàn, cơ chế này đáng tin cậy và không phụ thuộc điện.
Với bộ tác động kép, mất khí thì không có lực nào đẩy piston, van đứng nguyên tại chỗ.
Bộ truyền động điện thông thường giữ nguyên vị trí (fail-in-place) vì hộp số trục vít tự hãm, như đã nói ở phần nguyên lý. Muốn tự về vị trí an toàn cần bộ có pin hoặc siêu tụ dự phòng, tốn thêm tiền và cần kiểm tra dung lượng định kỳ. Có loại điện kiểu lò xo hồi nhưng mô-men nhỏ, chủ yếu dùng cho cỡ nhỏ trong HVAC.
Hệ quả khi chọn van bướm khí nén và van bướm điện: đường cứu hỏa, đường nhiên liệu, đường hóa chất cần ngắt khi mất điện thường chọn khí nén tác động đơn. Đường nước ngưng, nước làm mát nơi giữ nguyên vị trí là chấp nhận được thì dùng van điện. Hãy xác định trạng thái an toàn của quy trình trước khi chọn kiểu bộ truyền động.
Tốc độ đóng và búa nước ở van bướm khí nén và van bướm điện
Tốc độ là chỗ van bướm khí nén và van bướm điện khác nhau nhiều nhất. Búa nước xuất hiện khi dòng chảy bị chặn đột ngột, động năng của cột nước đổi thành áp suất.
Công thức Joukowsky cho áp tăng tối đa là ΔP = ρ × a × Δv, trong đó ρ là khối lượng riêng nước (khoảng 1.000 kg/m³), a là vận tốc sóng áp trong ống (cỡ 1.000 m/s với ống thép, tùy vật liệu và thành ống) và Δv là mức giảm vận tốc dòng. Với vận tốc dòng 1 m/s dừng hẳn, áp tăng có thể lên khoảng 10 bar (tính gần đúng, tham khảo), cộng thêm vào áp làm việc của đường ống.
Áp tăng này chỉ xảy ra đầy đủ khi thời gian đóng nhỏ hơn thời gian sóng áp đi về hai lần chiều dài ống (2L/a). Ví dụ giả định, đoạn ống thẳng 500 m, a bằng 1.000 m/s thì 2L/a bằng 1 giây. Bộ khí nén đóng trong 1 đến 5 giây nằm ngay quanh ngưỡng này, còn bộ điện đóng 15 đến 60 giây vượt xa. Vì vậy van bướm khí nén dùng cho nước cần lắp van tiết lưu đường xả (speed control) để kéo dài hành trình lên vài giây.
Đĩa van bướm làm việc theo kiểu đặc biệt: phần lớn thay đổi lưu lượng dồn vào khoảng 20 đến 30 % góc đóng cuối cùng, nên cần làm chậm đúng đoạn này mới giảm được búa nước, chứ làm chậm đều cả hành trình thì không hiệu quả. Một số bộ điện có thể cài tốc độ khác nhau cho từng đoạn hành trình (tùy model, cần xác nhận với hãng). Nếu đường ống dài, áp cao, bạn cần tính búa nước trước khi chọn bất kỳ kiểu bộ truyền động nào.
Chọn van bướm khí nén và van bướm điện theo kịch bản thực tế
Dưới đây là sáu tình huống điển hình khi phải chọn giữa van bướm khí nén và van bướm điện, kèm lý do. Nguyên tắc chung xin xem bài chọn van bướm điều khiển điện cho phần tính mô-men. Phía khí nén, các bước chọn vật liệu, kiểu đĩa và bộ truyền động có trong bài hướng dẫn lựa chọn van bướm điều khiển khí nén.
- Trạm cấp nước, trạm bơm ở xa, không có khí nén. Chọn van bướm điện 220 V hoặc 24 V. Không đáng đầu tư máy nén chỉ để vận hành vài van, đóng mở ít lần mỗi ngày, hành trình chậm còn giúp giảm búa nước.
- Dây chuyền thực phẩm, dược đóng mở liên tục hàng nghìn lần mỗi ngày. Chọn van bướm khí nén. Bộ điện chịu giới hạn S2/S4 và nhiệt motor, trong khi bộ khí nén chịu được tần suất cao hơn nhiều.
- Kho nhiên liệu, hóa chất, khu vực có hơi dễ cháy. Ưu tiên van bướm khí nén tác động đơn, vì bản thân bộ không có tia lửa và tự về vị trí an toàn khi mất khí. Chú ý van điện từ và hộp công tắc phải đạt chuẩn chống cháy nổ. Nếu dùng bộ điện thì phải là loại Ex d.
- Hệ thống điều hòa HVAC, nước lạnh cần điều tiết theo tín hiệu 4 đến 20 mA. Chọn van bướm điện tuyến tính. Bộ điện nhận tín hiệu trực tiếp, không cần positioner và khí nén.
- Đường xả khẩn cấp, ngắt khi mất điện lưới. Chọn khí nén tác động đơn: van điện từ 3/2 mất điện thì xả khí, lò xo tự đẩy van về vị trí an toàn. Nếu buộc dùng tác động kép thì phải có bình tích khí dự phòng và van điều khiển phù hợp; nếu dùng bộ điện thì phải là loại có pin hoặc siêu tụ. Các phương án đều cần thử chức năng định kỳ.
- Nhà máy đã có trạm khí nén dư công suất, nhiều van tập trung. Van bướm khí nén thường kinh tế hơn: chỉ cần kéo ống khí và lắp van điện từ cho từng điểm.
Với van bướm khí nén và van bướm điện đặt ngoài trời ẩm hoặc có thể ngập, cần chọn bộ điện IP67 (chịu bụi và ngâm tạm thời 1 m trong 30 phút theo IEC 60529), IP68 cho vị trí có thể ngập lâu theo công bố của nhà sản xuất. Bộ khí nén ít nhạy với nước hơn, nhưng khí nén ẩm gây ăn mòn trong xy-lanh, rửa trôi mỡ, có thể đóng băng van điện từ ở nhiệt độ thấp, nên cần máy sấy khí.
Sai lầm thường gặp khi chọn giữa van bướm khí nén và van bướm điện
- Chỉ so sánh giá bộ truyền động mà bỏ qua chi phí máy nén, máy sấy và đường ống khí.
- Dùng khí nén bẩn, có dầu và nước, làm mòn gioăng piston và tắc van điện từ.
- Chọn tác động kép cho vị trí cần fail-safe rồi mới phát hiện van đứng nguyên khi mất khí.
- Đóng van khí nén quá nhanh trên đường nước dài, gây búa nước làm vỡ mối nối.
- Dùng bộ điện On/Off để điều tiết liên tục, quá nhiệt motor vì vượt chế độ S2.
Năm lỗi trên lặp lại ở nhiều dự án dùng van bướm khí nén và van bướm điện. Các lỗi đấu dây, cài hành trình và vận hành khác được tổng hợp ở bài sai lầm khi sử dụng van điện.
Kết luận: chọn van bướm khí nén và van bướm điện thế nào
Không có kiểu nào thắng ở mọi tiêu chí. Van bướm khí nén hợp với nơi có sẵn khí nén, cần đóng mở nhanh, đóng cắt dày, cần an toàn khi mất nguồn hoặc ở khu vực cháy nổ. Van bướm điện hợp với nơi không có khí nén, cần điều tiết chính xác bằng tín hiệu 4 đến 20 mA, ít đóng mở, ưu tiên hành trình chậm để tránh búa nước và muốn hạ tầng gọn.
Thông số cuối cùng vẫn là mô-men: mô-men định mức của bộ truyền động nên bằng mô-men mở cần thiết nhân hệ số an toàn từ 1,3 đến 1,5 (tham khảo; tra bảng mô-men của hãng van) cho cả hai kiểu. Nói gọn, chọn giữa van bướm khí nén và van bướm điện là chọn giữa hạ tầng khí cộng tốc độ và độ bền đóng cắt, hay hạ tầng điện cộng độ chính xác điều tiết. Các dòng van khí nén khác như van bi, van cầu, van dao được so sánh trong bài các dòng van điều khiển khí nén.
Viva là đại lý ủy quyền thương hiệu EM-Flow (Đài Loan). Bạn có thể xem sản phẩm tại van bướm khí nén tại Viva và van bướm điện tại Viva. Nếu vẫn phân vân giữa van bướm khí nén và van bướm điện, gửi cho kỹ thuật Viva lưu chất, kích thước, áp suất, nguồn sẵn có và trạng thái an toàn mong muốn, để được đề xuất cấu hình qua thông tin dưới đây.
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 van bướm khí nén và van bướm điện
Van bướm khí nén và van bướm điện khác nhau ở điểm nào?
Van bướm khí nén và van bướm điện dùng chung thân van, đĩa van và gioăng, chỉ khác bộ truyền động. Khí nén dùng áp suất khí 4 đến 7 bar đẩy piston, hành trình 1 đến 5 giây, lò xo giúp tự về vị trí an toàn. Bộ điện dùng motor và hộp số trục vít, hành trình thường 15 đến 60 giây (tham khảo), điều tiết chính xác bằng tín hiệu 4 đến 20 mA nhưng thường giữ nguyên vị trí khi mất điện.
Van bướm khí nén và van bướm điện loại nào rẻ hơn?
Giá bộ truyền động khí nén thường thấp hơn, nhưng chi phí thực phải cộng máy nén, máy sấy, lọc, đường ống khí và điện bù rò rỉ. Với nhà máy đã có khí nén dư công suất, khí nén kinh tế hơn. Với vài van ở xa trạm khí, tổng chi phí của van bướm điện thường thấp hơn. Khi so van bướm khí nén và van bướm điện, hãy so tổng chi phí sở hữu, không chỉ giá thiết bị.
Van nào phù hợp khi cần tự đóng lúc mất nguồn?
Bộ khí nén tác động đơn có lò xo hồi nén sẵn, lò xo tự đẩy van về vị trí an toàn khi mất khí mà không cần năng lượng ngoài. Bộ điện thông thường giữ nguyên vị trí vì hộp số trục vít tự hãm, muốn tự về cần pin hoặc siêu tụ dự phòng. Khi so sánh van bướm khí nén và van bướm điện cho đường cần ngắt an toàn, khí nén tác động đơn là phương án đơn giản hơn.
Van bướm khí nén có gây búa nước hơn van bướm điện không?
Có, nếu không hãm tốc độ. Hành trình khí nén chỉ 1 đến 5 giây, có thể ngắn hơn thời gian 2L/a của đường ống dài nên áp tăng gần mức tối đa theo công thức Joukowsky. Bộ điện đóng 15 đến 60 giây nên ít gây búa nước hơn. Với van bướm khí nén và van bướm điện trên đường nước, nên lắp van tiết lưu đường xả cho bộ khí nén để làm chậm đoạn cuối hành trình.
Khu vực cháy nổ nên chọn van bướm khí nén và van bướm điện loại nào?
Bản thân bộ khí nén không có tia lửa nên thuận lợi hơn, nhưng van điện từ, công tắc hành trình và bộ định vị đi kèm vẫn phải đạt chuẩn Ex. Bộ điện dùng được nếu là loại chống cháy nổ Ex d (ATEX/IECEx), giá cao hơn và nặng hơn. Hãy xác định cấp vùng nguy hiểm trước, rồi chọn thiết bị có chứng nhận phù hợp.
