Tính chọn van điều khiển: hệ số Kv / Cv, cỡ van và độ mở
Nhập lưu lượng, áp suất trước và sau van, công cụ tính hệ số lưu lượng Kv (và Cv) cần thiết cho chất lỏng hoặc chất khí, kiểm tra hiện tượng nghẹt dòng và xâm thực (cavitation), gợi ý cỡ van, độ mở van ở lưu lượng nhỏ nhất – bình thường – lớn nhất.
Công thức theo hướng tiếp cận của IEC 60534-2-1 ở dạng giản lược, phù hợp để chọn sơ bộ và kiểm tra van đang lắp. Hồ sơ đặt hàng nên được nhà sản xuất van tính lại với dữ liệu đầy đủ.
1. Thông số vận hành
Nước 20 °C: Pv ≈ 0,023 bar a; 80 °C: 0,47; 100 °C: 1,01; 150 °C: 4,76. Pc của nước 220,6 bar a.
Cần van điều khiển, bộ định vị hoặc kiểm tra van đang dao động?
Gửi kết quả tính và bảng thông số – kỹ sư HOANTRANTDH đề xuất van, bộ truyền động, bộ định vị (positioner) phù hợp và hỗ trợ tinh chỉnh vòng điều khiển.
Kiến thức chuyên sâu về van điều khiển
1. Kv và Cv là gì?
Kv là lưu lượng nước (m³/h, ở khoảng 5–30 °C) chảy qua van khi chênh áp qua van đúng 1 bar. Cv là đại lượng tương tự theo đơn vị Mỹ: số gallon Mỹ mỗi phút với chênh áp 1 psi. Quan hệ: Cv = 1,156 × Kv. Kvs là Kv của van khi mở hoàn toàn – con số in trong catalogue.
Với chất lỏng không nghẹt dòng: Kv = Q × √(SG / ΔP), trong đó Q (m³/h), ΔP (bar), SG là tỷ trọng so với nước.
2. Chênh áp qua van lấy bao nhiêu là đủ?
Van điều khiển chỉ điều khiển được khi nó “giữ” một phần đáng kể tổn thất áp của cả hệ thống. Tỷ số độ uy quyền của van (valve authority) = ΔP qua van / tổng tổn thất áp của mạch (van + đường ống + thiết bị) nên khoảng 0,3–0,5. Chênh áp quá nhỏ làm van phải mở rất lớn mới thay đổi được lưu lượng; quá lớn thì tốn năng lượng bơm và tăng nguy cơ xâm thực, ồn.
3. Nghẹt dòng, xâm thực và chớp hơi (chất lỏng)
Khi chất lỏng đi qua khe hẹp của van, vận tốc tăng và áp suất giảm mạnh tại vena contracta. Nếu áp suất ở đó xuống dưới áp suất hơi bão hòa Pv, chất lỏng sôi tạo bọt hơi. Khi áp suất hồi lại phía sau van, bọt hơi vỡ – đó là xâm thực (cavitation): gây ồn như sỏi chạy trong ống, rung, và ăn mòn rỗ mặt van rất nhanh. Nếu áp suất sau van vẫn thấp hơn Pv, hơi không ngưng lại được – gọi là chớp hơi (flashing).
Chênh áp lớn nhất có hiệu quả: ΔPmax = FL² × (P1 − FF × Pv), với FF = 0,96 − 0,28√(Pv/Pc). Tăng ΔP vượt ngưỡng này không làm tăng lưu lượng nữa (nghẹt dòng). FL là hệ số hồi phục áp suất của van: van cầu khoảng 0,9 (ít hồi áp, ít xâm thực), van bướm và van bi thấp hơn (hồi áp mạnh, dễ xâm thực hơn).
4. Chất khí: tới hạn và chênh áp lớn
Với khí, khi chênh áp đạt khoảng một nửa áp suất tuyệt đối trước van, vận tốc tại khe hẹp đạt vận tốc âm thanh và lưu lượng không tăng thêm (dòng tới hạn). Công thức giản lược phổ biến (áp suất tuyệt đối, bar a; Qn Nm³/h; ρn kg/Nm³; T1 K):
- Dưới tới hạn (ΔP < P1/2): Kv = Qn / 514 × √(ρn × T1 / (ΔP × P2))
- Tới hạn (ΔP ≥ P1/2): Kv = Qn / (257 × P1) × √(ρn × T1)
5. Đặc tính van: tuyến tính hay phần trăm bằng nhau?
- Phần trăm bằng nhau: mỗi bước mở thêm làm Kv tăng theo cùng một tỷ lệ phần trăm. Phù hợp khi chênh áp qua van giảm mạnh khi lưu lượng tăng (đa số mạch bơm – đường ống, trao đổi nhiệt). Đây là lựa chọn mặc định an toàn.
- Tuyến tính: Kv tăng đều theo độ mở. Phù hợp khi chênh áp qua van gần như không đổi (van chiếm phần lớn tổn thất áp, điều khiển mức).
6. Những thứ quyết định chất lượng điều khiển ngoài Kv
- Bộ định vị (positioner): giúp van đến đúng vị trí bất chấp ma sát gioăng, chênh áp lớn. Bộ định vị số còn cho chẩn đoán ma sát, rò khí, độ trễ.
- Ma sát và độ trễ (deadband): van “dính” gây dao động chu kỳ (stick-slip) mà tinh chỉnh PID không chữa được.
- Cấp kín (leakage class): theo IEC 60534-4 / ANSI FCI 70-2, từ Class II đến VI; van điều khiển không phải van chặn – cần cấp kín cao thì phải chỉ định rõ.
- Đoạn ống côn: lắp van nhỏ hơn ống cần côn thu – côn mở, làm giảm khả năng lưu lượng (hệ số Fp); bản tính đầy đủ của nhà sản xuất sẽ xét đến.
Tìm hiểu thêm: Công cụ tính toán kỹ thuật · Công cụ chọn cảm biến · Biến tần cho bơm, PID áp suất