Van một chiều

Van một chiều được lắp đặt trong các đường ống để chỉ cho phép dòng chảy theo một hướng duy nhất; giúp bảo vệ thiết bị và quy trình. Nguyên lý hoạt động, ưu điểm, ứng dụng và lựa chọn các thiết kế khác nhau, bao gồm van một chiều dạng nâng, dạng đĩa, dạng xoay và dạng wafer được giải thích trong hướng dẫn này.

Van một chiều được lắp đặt trong các hệ thống đường ống để chỉ cho phép dòng chảy theo một hướng duy nhất. Chúng được vận hành hoàn toàn bằng phản ứng đối với dòng chất lỏng trong đường ống và do đó không yêu cầu bất kỳ tác động bên ngoài nào. Trong văn bản này, hướng dòng chảy dự kiến hoặc mong muốn được gọi là ‘dòng thuận’, dòng chảy theo hướng ngược lại là ‘dòng ngược’.

Có nhiều lý do để sử dụng van một chiều, bao gồm:

• Bảo vệ bất kỳ thiết bị nào có thể bị ảnh hưởng bởi dòng ngược, chẳng hạn như lưu lượng kế, bộ lọc và van điều khiển.
• Để kiểm tra các đột biến áp suất liên quan đến lực thủy lực, ví dụ, búa nước. Các lực thủy lực này có thể gây ra sóng áp suất chạy lên xuống đường ống cho đến khi năng lượng bị tiêu tan.

Mặc dù van một chiều có thể đóng dòng ngược hiệu quả, chúng không bao giờ được sử dụng thay thế van cô lập để giữ hơi sống trong một đoạn đường ống.

Giống như các van cô lập, có nhiều thiết kế van một chiều khác nhau, mỗi loại phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Các loại van một chiều khác nhau và ứng dụng của chúng được thảo luận trong mô-đun này, cùng với phương pháp tính cỡ chính xác.

Van một chiều dạng nâng

Van một chiều dạng nâng có cấu hình tương tự van cầu, ngoại trừ đĩa hoặc nút được vận hành tự động. Cửa vào và cửa ra được ngăn cách bởi một nút hình nón đặt trên đệm ngồi thường bằng kim loại; trong một số van, nút có thể được giữ trên đệm ngồi bằng lò xo. Khi dòng chảy vào van theo hướng thuận, áp suất của chất lỏng nâng nón lên khỏi đệm ngồi, mở van. Với dòng ngược, nón trở lại đệm ngồi và được giữ tại chỗ bởi áp suất dòng ngược.

Nếu sử dụng đệm ngồi kim loại, van một chiều dạng nâng chỉ phù hợp với các ứng dụng mà một lượng nhỏ rò rỉ trong điều kiện dòng ngược là chấp nhận được. Hơn nữa, thiết kế của van một chiều dạng nâng thường giới hạn sử dụng cho ứng dụng nước, do đó, chúng thường được sử dụng để ngăn dòng ngược của ngưng tụ trong bẫy hơi và trên cửa ra của bơm ngưng tụ chu kỳ.

Ưu điểm chính của van một chiều dạng nâng nằm ở sự đơn giản, và vì nón là bộ phận chuyển động duy nhất, van rất chắc chắn và yêu cầu ít bảo trì. Ngoài ra, việc sử dụng đệm ngồi kim loại hạn chế mức độ mòn đệm ngồi. Van một chiều dạng nâng có hai hạn chế lớn; thứ nhất, nó chỉ được thiết kế để lắp đặt trong đường ống ngang, và thứ hai, kích thước thường giới hạn ở DN80, trên mức đó, van sẽ trở nên quá cồng kềnh. Van một chiều dạng nâng kiểu piston là phiên bản sửa đổi của van một chiều dạng nâng tiêu chuẩn. Nó kết hợp nút hình piston thay vì hình nón, và một bộ giảm chấn được áp dụng cho cơ chế này. Bộ giảm chấn tạo ra hiệu ứng giảm sóc trong quá trình vận hành, do đó loại bỏ hư hỏng do hoạt động thường xuyên của van, ví dụ, trong các hệ thống đường ống chịu đột biến áp suất hoặc thay đổi hướng dòng chảy thường xuyên (một ví dụ là cửa ra lò hơi).

Van một chiều dạng xoay

Van một chiều dạng xoay gồm một cánh hoặc đĩa có đường kính bằng đường kính trong của ống, treo xuống trong dòng chảy. Với dòng thuận, áp suất của chất lỏng buộc đĩa xoay bản lề lên trên, cho phép dòng chảy qua van. Dòng ngược sẽ khiến đĩa đóng lại trên đệm ngồi và ngăn chất lỏng quay trở lại đường ống. Khi không có dòng chảy, trọng lượng của cánh chịu trách nhiệm đóng van; tuy nhiên, trong một số trường hợp, việc đóng có thể được hỗ trợ bằng đòn bẩy có đối trọng. Như có thể thấy từ Hình 12.3.2, toàn bộ cơ chế được bao bọc trong thân van, cho phép cánh rút ra khỏi dòng chảy.

Van một chiều dạng xoay tạo ra sức cản dòng chảy tương đối cao ở vị trí mở, do trọng lượng của đĩa. Ngoài ra, chúng tạo ra nhiễu loạn, vì cánh ‘nổi’ trên dòng chất lỏng. Điều này có nghĩa là thường có sự giảm áp suất lớn hơn qua van một chiều dạng xoay so với các loại khác.

Với những thay đổi đột ngột trong dòng chảy, đĩa có thể va mạnh vào đệm ngồi van, gây ra mòn đáng kể đệm ngồi và tạo ra búa nước dọc theo hệ thống đường ống. Điều này có thể được khắc phục bằng cách lắp cơ chế giảm chấn cho đĩa và sử dụng đệm ngồi kim loại để hạn chế mòn đệm ngồi.

Van một chiều dạng wafer

Cả van một chiều dạng nâng và dạng xoay đều có xu hướng cồng kềnh, điều này giới hạn kích thước và khiến chúng tốn kém. Để khắc phục điều này, van một chiều dạng wafer đã được phát triển. Theo định nghĩa, van một chiều dạng wafer là loại được thiết kế để lắp giữa một cặp mặt bích. Định nghĩa rộng này bao gồm nhiều thiết kế khác nhau, bao gồm van một chiều dạng đĩa và phiên bản wafer của van một chiều dạng xoay hoặc dạng đĩa tách.

Van một chiều dạng đĩa

Van một chiều dạng đĩa gồm bốn thành phần chính: thân van, đĩa, lò xo và giá đỡ lò xo. Đĩa di chuyển trong một mặt phẳng vuông góc với dòng chảy của chất lỏng, bị cản bởi lò xo được giữ tại chỗ bởi giá đỡ. Thân van được thiết kế để đóng vai trò như cổng căn chỉnh tích hợp giúp dễ dàng lắp đặt. Ở những nơi yêu cầu kín ‘không rò rỉ’, có thể sử dụng đệm ngồi mềm.

Khi lực tác động lên đĩa bởi áp suất thượng lưu lớn hơn lực tác động bởi lò xo, trọng lượng đĩa và bất kỳ áp suất hạ lưu nào, đĩa bị buộc nâng lên khỏi đệm ngồi, cho phép dòng chảy qua van. Khi hiệu áp suất qua van giảm, lò xo buộc đĩa trở lại đệm ngồi, đóng van ngay trước khi dòng ngược xảy ra. Điều này được thể hiện trong Hình 12.3.4. Sự hiện diện của lò xo cho phép van một chiều dạng đĩa được lắp đặt theo bất kỳ hướng nào.

Hiệu áp suất cần thiết để mở van một chiều chủ yếu được xác định bởi loại lò xo sử dụng. Ngoài lò xo tiêu chuẩn, có một số tùy chọn lò xo có sẵn:

• Không lò xo - Sử dụng khi hiệu áp suất qua van nhỏ.
• Lò xo Nimonic - Sử dụng trong ứng dụng nhiệt độ cao.
• Lò xo chịu tải nặng - Điều này tăng áp suất mở cần thiết. Khi được lắp trên đường cấp nước lò hơi, có thể được sử dụng để ngăn lò hơi bị ngập nước khi không có áp suất. Giống như tất cả van một chiều dạng wafer, kích thước của van một chiều dạng đĩa được xác định bởi kích thước của đường ống liên quan. Điều này thường đảm bảo van được tính cỡ chính xác, nhưng có những trường hợp van quá lớn hoặc quá nhỏ. Van một chiều quá lớn thường được chỉ ra bởi tiếng rung liên tục của van, tức là việc mở và đóng lặp đi lặp lại của van khi van chỉ mở một phần. Nguyên nhân là khi van mở, có sự giảm áp suất thượng lưu; nếu sự giảm áp suất này có nghĩa là hiệu áp suất qua van giảm xuống dưới áp suất mở cần thiết, van sẽ đóng sập. Ngay khi van đóng, áp suất bắt đầu tăng lại, và van mở lại và chu kỳ được lặp lại. Quá lớn thường có thể khắc phục bằng cách chọn van nhỏ hơn, nhưng cần lưu ý rằng điều này sẽ tăng giảm áp suất qua van cho cùng một lưu lượng. Nếu điều này không chấp nhận được, có thể khắc phục hiệu ứng rung bằng cách giảm lực đóng trên đĩa. Điều này có thể thực hiện bằng cách sử dụng lò xo tiêu chuẩn thay vì lò xo chịu tải nặng, hoặc loại bỏ hoàn toàn lò xo. Một giải pháp thay thế khác là sử dụng đệm ngồi mềm; điều này không ngăn tiếng rung mà thay vào đó giảm tiếng ồn. Tuy nhiên cần cẩn thận, vì điều này có thể gây mòn quá mức trên đệm ngồi. Quá nhỏ dẫn đến giảm áp suất quá mức qua van và, trong trường hợp极端, có thể thậm chí ngăn dòng chảy. Giải pháp là thay thế van quá nhỏ bằng van lớn hơn. Van một chiều dạng đĩa nhỏ hơn và nhẹ hơn van dạng nâng và dạng xoay tiêu chuẩn và do đó chi phí thấp hơn. Tuy nhiên, kích thước van một chiều dạng đĩa giới hạn ở DN125; trên mức này, thiết kế trở nên phức tạp. Thông thường, thiết kế như vậy sẽ bao gồm đĩa hình nón và lò xo đường kính nhỏ được giữ và hướng dẫn dọc theo đường tâm của nón, khó sản xuất hơn và tốn kém hơn. Ngay cả khi đó, các thiết kế như vậy vẫn giới hạn kích thước ở DN250. Van một chiều dạng đĩa tiêu chuẩn không nên sử dụng cho các ứng dụng có dòng chảy pulsating mạnh, ví dụ, trên cửa ra của máy nén khí piston, vì tác động lặp đi lặp lại của đĩa có thể dẫn đến hỏng giá đỡ lò xo và mức độ căng thẳng cao trong lò xo. Các giá đỡ được thiết kế đặc biệt có sẵn cho các ứng dụng như vậy. Các thiết kế này thường giảm khoảng cách di chuyển của đĩa, hiệu quả tăng sức cản dòng chảy và do đó tăng giảm áp suất qua van. Thiết kế van một chiều dạng đĩa cho phép chúng được lắp đặt ở bất kỳ vị trí nào, bao gồm đường ống đứng khi chất lỏng chảy xuống dưới.

Van một chiều dạng wafer kiểu xoay

Chúng tương tự van một chiều dạng xoay tiêu chuẩn, nhưng không có cấu trúc thân đầy đủ, thay vào đó, khi van mở, cánh bị buộc lên đỉnh đường ống. Do đó, cánh phải có đường kính nhỏ hơn đường ống, và vì điều này, giảm áp suất qua van, thường cao đối với van dạng xoay, càng tăng thêm. Van một chiều dạng xoay chủ yếu được sử dụng cho kích thước đường ống lớn hơn, thường trên DN125, vì trên đường ống nhỏ hơn, giảm áp suất do đĩa ‘nổi’ trên dòng chất lỏng trở nên đáng kể. Hơn nữa, có tiết kiệm chi phí đáng kể khi sử dụng các van này cho kích thước lớn hơn, do lượng vật liệu cần thiết cho việc chế tạo van nhỏ. Tuy nhiên có một vấn đề khi sử dụng van kích thước lớn hơn; do kích thước, đĩa đặc biệt nặng, và do đó sở hữu một lượng lớn động năng khi đóng. Năng lượng này được truyền đến đệm ngồi và chất lỏng quy trình khi van đóng sập, có thể gây hư hỏng đệm ngồi van và tạo ra búa nước.

Ứng dụng van một chiều dạng wafer

Van một chiều dạng wafer đang trở thành loại van một chiều ưa thích cho hầu hết các ứng dụng, nhờ thiết kế nhỏ gọn và chi phí tương đối thấp. Dưới đây là danh sách một số ứng dụng phổ biến nhất của chúng:

• Đường cấp nước lò hơi - Van một chiều được sử dụng để ngăn nước lò hơi bị đẩy ngược lại đường cấp vào bể chứa khi bơm cấp ngừng hoạt động. Hơn nữa, van một chiều dạng đĩa với lò xo chịu tải nặng và đệm ngồi mềm có thể được lắp trên đường cấp nước lò hơi để ngăn dòng chảy trọng lực vào lò hơi khi bơm cấp tắt.

• Bẫy hơi - Ngoài bẫy hơi xả ra khí quyển, van một chiều luôn phải được lắp sau bẫy hơi để ngăn dòng ngược của ngưng tụ làm ngập không gian hơi. Van một chiều cũng sẽ ngăn bẫy hơi bị hư hỏng bởi bất kỳ cú sốc thủy lực nào trong đường ống ngưng tụ. Cần lưu ý rằng khi sử dụng bẫy hơi dạng xả nổ, van một chiều phải được lắp ít nhất 1 m phía hạ lưu của bẫy.

• Mạch nước nóng - Van một chiều phải được lắp sau mỗi bơm để ngăn dòng ngược qua bơm khi bơm đã tắt (xem Hình 12.3.8).

• Van phá chân không - Van một chiều có thể được sử dụng làm van phá chân không, bằng cách lắp ngược lại. Khi chân không được tạo ra, van mở, cho phép không khí được hút vào từ khí quyển (xem Hình 12.3.9).

• Trộn lẫn - Van một chiều phải được lắp trên mỗi đường cấp để ngăn dòng ngược dọc theo các đường khác nhau sẽ dẫn đến ô nhiễm. Một ứng dụng trộn phổ biến là trộn nước nóng và nước lạnh để cung cấp nước nóng (xem Hình 12.3.10).

• Bảo vệ phụ kiện đường ống - Van một chiều được sử dụng để ngăn hư hỏng thiết bị như lưu lượng kế và van điều khiển, tất cả đều có thể bị hư hỏng bởi dòng ngược. Van một chiều cũng ngăn nội dung của bộ lọc bị lắng đọng trong đường ống thượng lưu bởi chất lỏng chảy ngược.
• Ứng dụng nhiều lò hơi - Van một chiều phải được lắp trên cửa ra của mỗi lò hơi để ngăn hơi chảy vào các lò hơi có thể đang ở chế độ chờ nóng (xem Hình 12.3.11).

• Bể xả đáy - Khi bể xả đáy nhận xả đáy từ nhiều hơn một lò hơi, van một chiều dạng wafer phải được lắp trên mỗi đường xả đáy riêng biệt. Điều này sẽ ngăn xả đáy từ một lò hơi chảy ngược vào lò hơi khác. Ở nhiều quốc gia, đây là yêu cầu pháp lý.
• Bể tạo hơi xả - Van một chiều dạng wafer được lắp tại cửa ra hơi xả từ bể tạo hơi xả; điều này đảm bảo hơi từ bất kỳ van bù nào không chảy ngược vào bể tạo hơi xả (xem Hình 12.3.12). Van một chiều cũng được lắp sau bẫy hơi thoát bể tạo hơi xả.

Van một chiều dạng đĩa tách

Van một chiều dạng đĩa tách hay van một chiều hai đĩa được thiết kế để vượt qua giới hạn về kích thước và giảm áp suất của van một chiều dạng wafer kiểu xoay và dạng đĩa. Cánh của van một chiều dạng xoay về cơ bản được tách và chia bản lề ở trung tâm, sao cho hai tấm đĩa chỉ xoay theo một hướng. Các tấm đĩa được giữ trên đệm ngồi bằng lò xo xoắn được gắn trên bản lề. Để giữ bản lề ở trung tâm dòng chảy, các chốt giữ gắn bên ngoài có thể được sử dụng. Các chốt giữ này là nguồn rò rỉ phổ biến từ van. Thiết kế cải tiến giữ bản lề bên trong, và vì cơ chế van được bịt kín hoàn toàn trong thân, rò rỉ ra khí quyển được ngăn chặn (xem Hình 12.3.13)

Van thường đóng, vì các tấm đĩa được giữ đóng bởi lò xo xoắn. Khi chất lỏng chảy theo hướng thuận, áp suất của chất lỏng khiến các tấm đĩa xoay bản lề mở ra, cho phép dòng chảy. Van một chiều được đóng bởi lò xo ngay khi dòng chảy dừng, trước khi bất kỳ dòng ngược nào có thể xảy ra.

Việc mở và đóng thường xuyên của van một chiều dạng đĩa tách sẽ nhanh chóng gây hư hỏng đệm ngồi nếu gót của các tấm đĩa được phép cọ xát vào đệm ngồi trong quá trình mở. Để khắc phục điều này, gót của các tấm đĩa nâng lên trong giai đoạn mở đầu của van và các tấm xoay hoàn toàn trên bản lề thay vì bề mặt đệm ngồi.

Van một chiều dạng đĩa tách có một số ưu điểm so với các loại van một chiều khác:

• Thiết kế đĩa tách không giới hạn kích thước và các van này đã được sản xuất với kích thước lên đến DN5400.
• Giảm áp suất qua van một chiều dạng đĩa tách thấp hơn đáng kể so với các loại khác.
• Chúng có khả năng được sử dụng với áp suất mở thấp hơn.
• Van một chiều dạng đĩa tách có thể được lắp đặt ở bất kỳ vị trí nào, bao gồm đường ống đứng.

Các loại van một chiều khác

Các loại van một chiều được đề cập ở trên là những loại thường gặp nhất trong hệ thống hơi, ngưng tụ và chất lỏng. Tuy nhiên, một số loại khác cũng có sẵn. Ba loại được liệt kê dưới đây chủ yếu phù hợp với ứng dụng chất lỏng và do đó có thể được tìm thấy trong hệ thống ngưng tụ:

• Van một chiều dạng bi - Gồm một bi phủ cao su thường ngồi trên cửa vào van, bịt kín cửa vào. Khi áp suất tác động lên bi, bi được di chuyển khỏi đệm ngồi dọc theo ray dẫn hướng, cho phép chất lỏng đi qua cửa vào. Khi áp suất chất lỏng giảm, bi trượt trở lại vị trí trên đệm ngồi cửa vào. Lưu ý: Van một chiều dạng bi thường chỉ được sử dụng trong hệ thống chất lỏng, vì khó đạt được kín chặt bằng bi.
• Van một chiều dạng màng - Màng cao su linh hoạt được đặt trong lưới hoặc nón đục lỗ với đầu nhọn theo hướng dòng chảy trong đường ống (xem Hình 12.3.15). Dòng thuận làm lệch màng vào trong, cho phép chất lỏng đi qua tự do. Khi không có dòng chảy hoặc tồn tại áp ngược, màng trở về vị trí ban đầu, đóng van. Lưu ý: Vật liệu màng thường giới hạn ứng dụng van một chiều dạng màng cho chất lỏng dưới 180°C và 16 bar.

• Van một chiều dạng đĩa nghiêng - Tương tự van một chiều dạng xoay, nhưng với cánh xoay trước trung tâm áp suất và có đối trọng hoặc lò xo để giữ vị trí thường đóng (xem Hình 12.3.16). Khi dòng thuận, đĩa nâng lên và ‘nổi’ trong dòng chảy cung cấp sức cản tối thiểu cho dòng chảy. Đĩa được cân bằng sao cho khi dòng chảy giảm, nó sẽ xoay về vị trí đóng, đóng trước khi dòng ngược thực sự bắt đầu. Hoạt động êm ái và im lặng trong hầu hết các điều kiện. Lưu ý: do thiết kế van một chiều dạng đĩa nghiêng, nó giới hạn sử dụng cho ứng dụng chất lỏng.

Biểu đồ tổn thất áp suất

Vì hầu hết các loại van một chiều đều phù hợp sử dụng trên cả hệ thống chất lỏng và khí, nhà sản xuất thường hiển thị giảm áp suất qua van dưới dạng biểu đồ tổn thất áp suất cho nước. Một biểu đồ tổn thất áp suất điển hình được thể hiện trong Hình 12.3.17. Nó hiển thị giảm áp suất qua một van một chiều cụ thể cho kích thước van và lưu lượng nước cho trước tính bằng m³/ h.

Để xác định giảm áp suất qua van một chiều cho các chất lỏng khác, cần tính lưu lượng thể tích nước tương đương, điều này được thực hiện bằng công thức trong Phương trình 12.3.1:

Khi đã xác định được lưu lượng thể tích nước tương đương, giảm áp suất qua van có thể được đọc từ biểu đồ sử dụng cùng phương pháp như cho nước, chọn lưu lượng thể tích nước tương đương thay vì lưu lượng thể tích thực tế.

Cần lưu ý rằng lưu lượng thể tích (tính bằng m³/h) thường được sử dụng cho ứng dụng chất lỏng, trong khi đó, trong ứng dụng hơi, lưu lượng khối lượng (tính bằng kg/h) thường được sử dụng. Để chuyển đổi từ kg/h sang m³/h, lưu lượng khối lượng được nhân với thể tích riêng (tính bằng kg/m³) cho áp suất và nhiệt độ làm việc cụ thể (xem Phương trình 12.3.2).

Ngoài ra, nếu giá trị Kv của van được chỉ định, giảm áp suất qua van có thể được xác định bằng phương pháp được nêu trong Mô-đun 12.2. Ví dụ 12.3.1 Xác định giảm áp suất qua van một chiều DN65 dẫn 1 200 kg/h hơi bão hòa ở 8 bar g. Sử dụng đặc tính giảm áp suất được thể hiện trong Hình 12.3.17. Giải pháp: Bước đầu tiên là tính lưu lượng thể tích: Từ bảng hơi ở 8 bar gauge, vg = 0.214 9 m³/kg

Sử dụng Hình 12.3.18, giảm áp suất qua van sẽ khoảng 0.085 bar.