Đặc điểm và cách lựa chọn các loại van điều chỉnh áp suất đa cấp

Thread Content

Đặc điểm và cách lựa chọn các loại van điều chỉnh áp suất nhiều cấp. Bài viết này trình bày một cách có hệ thống về các loại cấu trúc phổ biến của van điều chỉnh áp suất nhiều cấp cùng những đặc điểm của chúng. Bài viết này tổng kết các phương pháp thường được sử dụng để người dùng tính toán giá trị CV của van điều tiết, dựa trên các yêu cầu cụ thể trong điều kiện hoạt động của chất lưu có khả năng nén. Điều này giúp người dùng hiểu rõ hơn về đặc tính của các van điều tiết giảm áp nhiều cấp và từ đó lựa chọn chúng một cách hợp lý. I. Lời giới thiệu
Trong quy trình sản xuất công nghiệp hiện đại, van điều tiết là thiết bị được sử dụng để kiểm soát dòng chảy của chất lỏng trong các đường ống. Đây là thành phần kiểm soát cuối cùng trong hệ thống đường ống, có vai trò quan trọng trong việc phân phối chất lỏng và điều chỉnh lưu lượng chất lỏng. Trong những năm gần đây, cùng với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ công nghiệp, các điều kiện làm việc khắc nghiệt như nhiệt độ cao, áp suất lớn trong quá trình sản xuất đã đặt ra những yêu cầu cao hơn đối với các van điều tiết. Đặc biệt là các van điều tiết được sử dụng trong những môi trường có chênh lệch áp suất cao; do tốc độ dòng chảy rất lớn, nên thường xảy ra hiện tượng ăn mòn tại các bộ phận điều tiết bên trong. Ngoài ra, hiện tượng sủi bọt khí cũng gây ra nhiều vấn đề như tiếng ồn và rung động, từ đó tạo thành những mối nguy hiểm đối với an toàn sản xuất. Do đó, một số nhà sản xuất trong nước và quốc tế đã nghiên cứu và phát triển các van điều chỉnh có cấu trúc giảm áp nhiều cấp, dành riêng để sử dụng trong các điều kiện chênh lệch áp suất cao. Bài viết này giới thiệu riêng lẻ về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và đặc điểm của các loại van điều chỉnh hạ áp đa cấp phổ biến. Ngoài ra, đối với các điều kiện làm việc có thể nén được, bài viết cũng tổng kết các phương pháp phổ biến mà người dùng có thể sử dụng để tính toán giá trị CV của van điều tiết dựa trên lưu lượng yêu cầu thực tế. Cung cấp tài liệu tham khảo giúp người dùng hiểu rõ đặc điểm của các van điều chỉnh áp suất nhiều cấp và lựa chọn chúng một cách hợp lý. II. Các loại van điều áp đa cấp phổ biến và đặc điểm của chúng. Nguyên nhân gây ra hiện tượng kênh hơi trong van điều áp chính là do chênh lệch áp suất giữa hai đầu van quá lớn. Người ta cho rằng khi Δp > 2,5 MPa, áp suất của chất lỏng khi đi vào vùng giảm áp bên trong van sẽ giảm mạnh. Áp suất đạt mức thấp nhất tại vị trí có diện tích mặt cắt dòng chảy nhỏ nhất. Khi áp suất này thấp hơn áp suất hơi bão hòa của chất lỏng ở nhiệt độ hiện tại, một phần chất lỏng sẽ bị bay hơi, tạo thành nhiều bong bóng khí nhỏ. Khi dòng chất lỏng chảy qua vùng giảm áp và áp suất tăng trở lại, những bong bóng khí này sẽ vỡ ra và trở lại trạng thái lỏng. Điều này gây ra áp lực lên các bộ phận của van như thân van và trục van, từ đó tạo ra tiếng ồn và rung động. Trong những năm gần đây, một số nhà sản xuất van điều tiết trong nước và quốc tế đã phát triển nhiều loại van điều tiết áp suất đa cấp chống ăn mòn do hiện tượng sủi bọt khí, dành riêng cho các điều kiện hoạt động khắc nghiệt. Các van điều chỉnh hạ áp đa cấp phổ biến được chia thành ba loại. Mặc dù có sự khác biệt về cấu tạo, nhưng chúng đều hoạt động theo nguyên lý chung: thông qua việc thay đổi cấu trúc, áp suất tổng thể được chia thành nhiều cấp để hạ áp dần. Nhờ đó, mức giảm áp ở mỗi cấp (Δp1) sẽ nhỏ hơn giá trị áp suất ngưỡng gây ra hiện tượng kênh hơi, từ đó tránh được các tác hại do hiện tượng này gây ra. Van điều tiết kiểu xếp chồng: Cấu trúc giảm áp nhiều cấp kiểu xếp chồng được minh họa trong Hình 1. Cấu trúc này chia khu vực làm giảm áp ban đầu thành nhiều khu vực làm giảm áp riêng biệt, được kết nối với nhau theo dạng xếp chồng. Nhờ đó, mức chênh lệch áp suất lớn được chuyển thành nhiều mức chênh lệch áp suất nhỏ hơn. Điều này giúp đảm bảo rằng mức áp suất sau mỗi lần giảm áp vẫn nằm trên mức áp suất hơi bão hòa, từ đó ngăn chặn hiện tượng sủi bọt xảy ra. Hình 1: Van điều tiết kiểu xếp chồng. Van điều tiết kiểu xếp chồng thường được sử dụng trong các môi trường làm việc với chất lỏng. Đặc điểm của loại van này là: 1) Trong quá trình mở/m đóng, áp suất tác động lên van có thể được giảm bớt. Mỗi cửa điều tiết hoạt động sau cửa điều tiết ở cấp trên, nhờ đó áp suất cao tác động lên van trong quá trình mở/m đóng sẽ được giảm dần từng bước, từ đó giúp giảm áp lực tác động lên cửa điều tiết ở cấp đầu tiên. 2) Độ cản dòng thấp, có thể sử dụng trong những trường hợp mà độ sạch của chất lỏng không cao, thậm chí là trong dòng chất lỏng kết hợp với chất rắn. 3) Trục van kiểu xếp chồng thường được xử lý bằng phương pháp phun tungsten cacbua để tăng độ cứng; do đó, chúng có khả năng chống lại tác động của dòng khí và hiện tượng ăn mòn rất tốt. 4) Quy trình sản xuất của nó khá đơn giản so với các van điều chỉnh áp suất đa cấp khác; việc chế tạo cũng dễ dàng hơn, và chi phí sản xuất cũng thấp hơn. 5) Van điều tiết kiểu xếp chồng thường có số cấp hạ áp hạn chế, thường là 3–4 cấp; vì vậy chúng không thể được sử dụng trong những trường hợp có chênh lệch áp suất quá cao. 2. Van điều tiết kiểu ống đồng trụ nhiều tầng Cấu trúc giảm áp nhiều cấp kiểu ống đồng trụ nhiều tầng được minh họa trong Hình 2, thường được sử dụng trong các ngành như nhà máy điện hoặc hóa chất. Hình 2: Van điều tiết kiểu ống đa tầng. Đặc điểm cấu trúc điển hình của van điều tiết kiểu ống đa tầng là bộ phận điều tiết dòng chất lỏng được tạo thành từ nhiều lớp ống nhỏ có các lỗ nhỏ được gia công trên đó. Giữa các lớp ống này có khoảng trống nhất định, giúp dòng chất lỏng được giảm tốc khi chảy qua các lớp ống, từ đó kiểm soát tốc độ dòng chất lỏng ở mức cho phép. Đặc điểm của nó là: 1) Van điều tiết kiểu ống nhiều cấp cho phép thiết kế số cấp giảm áp lực ở mức cao; khả năng giảm áp lực của nó vượt trội so với loại van kiểu xếp chồng, do đó có thể được sử dụng trong những môi trường có chênh lệch áp suất lớn. 2) Cấu trúc ống lồng nhiều tầng vừa có thể đáp ứng được yêu cầu về áp suất giảm cao, vừa đảm bảo lưu lượng lớn trong quá trình hoạt động. 3) Có khả năng chống hiện tượng kênh hơi tốt. Khi được sử dụng trong môi trường chất lỏng, dòng chất lỏng sẽ chảy từ vỏ bên ngoài vào vỏ bên trong. Áp suất của chất lỏng giảm dần theo từng tầng trong các vỏ này, nhờ đó giúp giảm thiểu hiện tượng kênh hơi. Cuối cùng, chất lỏng sẽ phun ra từ các lỗ nhỏ trên vỏ bên trong vào khu vực van ở trung tâm. Nhờ vậy, các bong bóng khí sẽ vỡ ngay tại vị trí trung tâm của vỏ, không gây tổn hại trực tiếp đến bề mặt kim loại của van. 4) Có khả năng chống ồn và chống rung tốt. Khi được sử dụng trong môi trường khí, dòng khí sẽ chảy từ bên trong vỏ ra bên ngoài. Độ lớn của các lỗ và khe hở ở phía ngoài vỏ lớn hơn so với phía bên trong, giúp dòng khí giãn nở dần trong quá trình giảm áp suất. Điều này giúp giảm thiểu tác hại do tiếng ồn và rung động gây ra. 5) Quy trình gia công ống tuýp khá phức tạp và chi phí cao. Nhưng việc lắp đặt và bảo trì rất đơn giản, dễ thay thế. 3. Van điều tiết kiểu mê cung: Cấu trúc giảm áp đa cấp dạng các tấm kim loại có các khe hở kiểu mê cung được minh họa trong Hình 3. Phần điều tiết chính của van được tạo thành từ nhiều tấm kim loại chồng lên nhau, trên các tấm này có các khe hở kiểu mê cung. Dòng chất lỏng chảy qua các đường dẫn hình mê cung, trải qua nhiều lần va chạm và thay đổi hướng, từ đó tiêu hao năng lượng. Trong quá trình áp suất giảm dần, tốc độ dòng chất lỏng cũng được kiểm soát. Hình 3: Van điều tiết kiểu mê cung. Loại van này thường được sử dụng trong các ngành như năng lượng hạt nhân, nhà máy điện, ở những môi trường có nhiệt độ và áp suất cao. Chất lỏng được sử dụng để vận hành van thường là hơi nước quá nhiệt; tuy nhiên, van này cũng có thể được dùng với các chất lỏng khác. Đặc điểm của nó như sau. 1) Số cấp uốn của đường dẫn kiểu mê cung chính là số cấp hạ áp của van điều tiết kiểu mê cung; thông thường, con số này có thể từ mười mấy đến hai mươi mấy cấp. Do đó, cấu trúc hạ áp nhiều cấp kiểu mê cung được coi là loại van điều tiết có khả năng hạ áp tốt nhất trong số các loại van điều tiết nhiều cấp. Ở nước ngoài, có những sản phẩm có khả năng hạ áp lên tới 40 MPa. 2) Khả năng chống ăn mòn do hiện tượng cát khí và khả năng giảm tiếng ồn, giảm rung động rất tốt. Cấu trúc dòng chảy dạng mê cung với nhiều giai đoạn uốn lượn giúp kiểm soát tốc độ dòng chất lỏng một cách hiệu quả, từ đó ngăn chặn các hiện tượng xấu như hiện tượng cát khí, tiếng ồn và rung động. 3) Bằng cách kết hợp các đĩa mê cung ở các dạng khác nhau, van điều tiết kiểu mê cung có thể tạo ra các đường cong điều chỉnh lưu lượng khác nhau. 4) Độ chính xác trong quá trình chế tạo các đĩa kiểu mê cung rất cao; thường người ta sử dụng hợp kim Stellite để phủ lên bề mặt đĩa, giúp tăng tuổi thọ sử dụng của chúng ； Việc lắp đặt và bảo trì khá đơn giản, các đĩa có thể được thay thế dễ dàng. 5) Đường dẫn chảy kiểu mê cung đòi hỏi môi chất lưu phải có độ sạch cao; nếu không, đường dẫn này rất dễ bị tắc nghẽn. III. Cách tính giá trị CV của van điều áp đa cấp
Hệ số dòng chảy (CV) thường được dùng để biểu thị khả năng dẫn lưu của van. Để chọn được van điều áp phù hợp, cần phải tính ra giá trị CV cần thiết dựa trên các điều kiện sử dụng. Sau đó, mới có thể chọn được mẫu van điều áp phù hợp dựa trên hệ số dòng chảy được chỉ định. Trong điều kiện có thể nén được, áp suất của chất lỏng giảm xuống trong quá trình làm giảm áp suất; thể tích của chất lỏng tăng lên, mật độ giảm đi. Tình trạng dòng chảy bên trong van trong trường hợp này phức tạp hơn nhiều so với trường hợp chất lỏng không thể nén được. Do đó, đối với các van điều chỉnh áp suất nhiều cấp thường được sử dụng trong các điều kiện có tính chất co giãn cao, phương pháp tính hệ số lưu lượng của chúng cũng khá đặc biệt. Trong các điều kiện có tính chất co giãn, hai phương pháp phổ biến để tính giá trị CV là phương pháp hệ số co giãn và phương pháp hệ số giãn nở. Phương pháp hệ số nén: Phương pháp này được Liên Xô đề xướng vào những năm 1950. Đây là một trong những công thức sớm nhất dùng để tính toán hệ số lưu lượng trong các điều kiện có khả năng nén. Phương pháp hệ số nén tính đến tính chất có thể bị nén của khí, bằng cách thêm một hệ số nén của khí ε vào các công thức tính toán dành cho chất lỏng, nhằm điều chỉnh các công thức đó. Phương pháp này giúp đơn giản hóa mô hình tính toán rất nhiều. Các loại van điều tiết khác nhau đều được coi như những vòi phun dòng chất lỏng có cùng cấu trúc. Quá trình dòng chảy của chất khí trong vòi phun được coi là quá trình cách nhiệt. Từ đó, người ta sử dụng phương trình cân bằng năng lượng để suy ra công thức tính toán, tức là: (1) Trong đó, γN là trọng lượng riêng của chất khí ở điều kiện tiêu chuẩn, đơn vị là kgf/m³ (1 kgf = 9,8 N) ； Q – Lưu lượng thể tích ở điều kiện tiêu chuẩn, đơn vị là m³/h ； T – Nhiệt độ của khí, đơn vị là K ； p1 – Áp suất trước van, đơn vị là kgf/m2 (1 kgf = 9,8 N) ； ∆p – Chênh lệch áp suất trước và sau van, đơn vị là kgf/m2. Hệ số nén ε có thể được xác định thông qua các thí nghiệm. Thông thường, đối với không khí, giá trị của hệ số này có thể được tính toán như sau: (2) Ngoài phương pháp sử dụng hệ số nén, trước đây còn có các phương pháp khác như phương pháp đo mật độ trước van, phương pháp đo mật độ sau van, và phương pháp tính mật độ trung bình. Các công thức ban đầu chỉ có thể được áp dụng trong những trường hợp mức độ phục hồi áp suất không cao; chúng có thể đảm bảo độ chính xác tốt trong vùng dòng chảy không tới hạn. Tuy nhiên, do công thức này làm đơn giản hóa mô hình tính toán, khi ∆p/p1 tăng lên đến tỷ lệ áp suất ngưỡng thì sẽ xuất hiện sai số lớn; vì vậy, trong vùng chuyển tiếp và vùng ngưỡng thì yêu cầu không thể được đáp ứng. 2. Phương pháp hệ số giãn nở: Do các công thức tính toán trước đây chưa xét đến ảnh hưởng của đặc tính phục hồi áp suất của van đối với kết quả tính toán, nên vào những năm 1970, một số nhà sản xuất nước ngoài đã đề xuất một loạt công thức mới, bao gồm phương pháp hệ số giãn nở, phương pháp đa thức và phương pháp sin. Những công thức này giúp cải thiện chất lượng tính toán trong khoảng từ vùng không tới hạn sang vùng tới hạn. So với các công thức trước đây, kết quả tính toán từ các công thức hiện đại, với phương pháp sử dụng hệ số giãn nở, mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn, giúp giảm bớt sự lãng phí không cần thiết. Trong số đó, phương pháp hệ số giãn nở được IEC khuyến nghị sử dụng làm công thức tiêu chuẩn nhờ tính đơn giản trong việc tính toán. Phương pháp hệ số giãn nở được xây dựng bằng cách sử dụng công thức tính trong trường hợp chất lỏng, đồng thời áp dụng hệ số giãn nở Y để điều chỉnh kết quả. Khi Y = 1, phương pháp này cũng có thể được áp dụng cho các chất lỏng không thể nén được. (3) Trong công thức này, ρN là mật độ của khí ở điều kiện tiêu chuẩn, đơn vị tính là kg/m³ ； Q – Lưu lượng thể tích ở điều kiện tiêu chuẩn, đơn vị là m³/h ； T1 – Nhiệt độ vào của khí, đơn vị là K ； p1 – Áp suất trước van, đơn vị tính là kPa ； X – Tỷ lệ chênh lệch áp suất, X = ∆p/p1 ； Z – Hệ số nén. Hệ số giãn nở Y là tỷ lệ giữa hệ số lưu lượng của chất lỏng có tính co giãn và hệ số lưu lượng của chất lỏng không co giãn, ở cùng một giá trị số Reynolds. Nó thể hiện sự thay đổi về mật độ của chất lỏng khi chảy từ lối vào van đến vị trí có diện tích dòng chảy nhỏ nhất ở phía dưới lỗ giảm áp, cũng như sự thay đổi về diện tích của vị trí này khi có sự thay đổi về chênh lệch áp suất. (4) Trong công thức này, FK là hệ số tỷ lệ nhiệt dung; FK = K/1,4. Vì công thức tính toán không bao gồm giá trị mật độ thực tế của chất lỏng trong các điều kiện nhất định, nên phương pháp hệ số giãn nở đã sử dụng hệ số nén Z để bù đắp cho sự chênh lệch giữa khí thực và khí lý tưởng trong một số điều kiện nhất định. Hệ số giãn nở Y được sử dụng để điều chỉnh sự thay đổi về mật độ khí từ điểm vào van đến vị trí ống cổ. Giá trị của Y phụ thuộc vào tỷ lệ giữa diện tích ở vị trí ống cổ và diện tích ở điểm vào, hình dạng của ống dẫn, tỷ lệ chênh lệch áp suất X, số Reynolds, cùng với hệ số nhiệt dung riêng FK. Phương pháp hệ số giãn nở xem xét toàn diện nhiều yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy của chất lỏng có thể nén, do đó có thể đảm bảo độ chính xác cao trong toàn bộ phạm vi dòng chảy, đồng thời phù hợp với mọi loại van và được ứng dụng rộng rãi. IV. Kết luận: Van điều chỉnh áp suất nhiều cấp, được sử dụng trong các điều kiện chênh lệch áp suất cao, là thiết bị quan trọng trong hệ thống đường ống. Thiết bị này đóng vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình kiểm soát áp suất. Bài viết này trình bày một cách có hệ thống về nguyên lý hoạt động, cấu trúc cốt lõi, đặc điểm của ba loại van điều chỉnh áp suất đa cấp phổ biến nhất, cũng như các ứng dụng phù hợp với từng loại van. Điều này giúp người dùng nắm rõ về các loại và đặc điểm cơ bản của van điều chỉnh áp suất đa cấp. Ngoài ra, do van điều chỉnh áp suất đa cấp thường được sử dụng trong các điều kiện làm việc có tính chất nén, bài viết này còn tổng kết các phương pháp tính toán hệ số lưu lượng trong những điều kiện này. Điều này giúp người dùng có thể chọn được loại van phù hợp bằng cách sử dụng các phương pháp tính toán chính xác. Tóm lại, bài viết này cung cấp những thông tin hữu ích giúp người dùng hiểu rõ đặc điểm của các van điều chỉnh áp suất nhiều cấp được sử dụng trong các môi trường có chênh lệch áp suất cao, từ đó có thể lựa chọn chúng một cách phù hợp.