Kỹ thuật thi công, Van điều khiển
Một số vấn đề thường gặp ở van điều khiển
Hiện tượng Flashing (đối với liquid – lỏng)
Vận tốc của lưu chất trong đường ống, U, sẽ đột ngột thay đổi khi lưu chất di chuyển qua valve port (cơ cấu tiết lưu – throttle) và làm cho áp suất đột ngột giảm P2 < P1
Mỗi lưu chất đều có một áp suất cố định gọi là áp suất hóa hơi, kí hiệu Pv. Nếu áp suất của lưu chất thấp hơn áp suất hóa hơi Pv thì lưu chất sẽ “sôi” và tạo ra các bọt khí (lưu chất chuyển pha từ thể lỏng sang thể hơi).
Ví dụ: áp suất hóa hơi của nước theo nhiệt độ:
| T, °C | T, °F | P, kPa | P, torr | P, atm |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 32 | 0.6113 | 4.5851 | 0.0060 |
| 5 | 41 | 0.8726 | 6.5450 | 0.0086 |
| 10 | 50 | 1.2281 | 9.2115 | 0.0121 |
| 15 | 59 | 1.7056 | 12.7931 | 0.0168 |
| 20 | 68 | 2.3388 | 17.5424 | 0.0231 |
| 25 | 77 | 3.1690 | 23.7695 | 0.0313 |
| 30 | 86 | 4.2455 | 31.8439 | 0.0419 |
| 35 | 95 | 5.6267 | 42.2037 | 0.0555 |
| 40 | 104 | 7.3814 | 55.3651 | 0.0728 |
| 45 | 113 | 9.5898 | 71.9294 | 0.0946 |
| 50 | 122 | 12.3440 | 92.5876 | 0.1218 |
| 55 | 131 | 15.7520 | 118.1497 | 0.1555 |
| 60 | 140 | 19.9320 | 149.5023 | 0.1967 |
Hiện tượng tạo bọt khí như vậy, khi áp suất lưu chất ở đầu ra van P2 < Pv, được gọi là hiện tượng flashing.
Hiện tượng Choked Flow
Choked flow (tạm dịch lưu lượng tới hạn) là hiện tượng xảy ra với lưu chất nén được. Khi một lưu chất nén được đi qua một cơ cấu tiết lưu, áp suất của nó bị giảm và vận tốc thì tăng lên.
Lưu lượng khối được tính theo công thức:
Qm = V x r x A
Qm: lưu lượng khối
V: vận tốc lưu chất
r: khối lượng riêng
A: tiết diện đường ống
Theo công thức này thì lưu lượng khối sẽ tăng đến vô cùng nếu vận tốc lưu chất cứ tiếp tục tăng lên. Tuy nhiên theo hiệu ứng nén lưu chất thì điều này sẽ không xảy ra do khối lượng riêng sẽ không giữ nguyên khi vận tốc lưu chất tăng lên.
Choked flow là điều kiện giới hạn khi lưu lượng khối (mass flow) sẽ không tăng thêm nữa dù cho áp suất phía sau tiết lưu có tiếp tục giảm (làm vận tốc tăng thêm); nếu áp suất đầu vào là không đổi.
Choked flow thường được khảo sát với lưu chất ở thể khí hoặc steam. Tuy nhiên hiện tượng này cũng xảy ra đối với chất lỏng. Chất lỏng là nén được ư? Tất nhiên chất lỏng nhìn chung không nén được. Tuy nhiên tính nén được của chất lỏng thay đổi theo nhiệt độ. Nước ở nhiệt độ phòng có tính nén được rất thấp nhưng nó sẽ thay đổi khi nhiệt độ tăng lên.
Hiện tượng cavitation (do lưu chất lỏng)
Ta vừa khảo sát hiện tượng flashing đối với chất lỏng, khi mà áp suất đầu ra van P2 < áp suất hóa hơi Pv. Tuy nhiên, một số trường hợp dù áp suất đầu ra van P2 > áp suất hóa hơi Pv nhưng thực tế áp suất cực tiểu trong thân van Pvc đã nhỏ hơn áp suất hóa hơi Pv. Lúc này, các bong bóng vẫn được tạo ra.
Như vậy khi chênh áp đủ lớn hơn chênh áp choke thì vẫn có hiện tượng tạo bọt khí trong thân van. Khi áp suất đầu ra van P2 ổn định, lúc này áp suất P2 đã lớn hơn áp suất hóa hơi Pv nên P2 sẽ làm vỡ các bọt khí này. Các bọt khí bị vỡ gây ra một hiệu ứng tiêu cực lên cấu trúc bề mặt của vật liệu trong van hoặc đường ống. Dần dà, cấu trúc này bị phá hoại như ví dụ dưới đây.
Hiện tượng phá hủy như vậy được gọi là hiện tượng cavitation.
Như vậy cavitation có thể xuất hiện ngay từ lúc \Delta P > \Delta P_{choke} (dù P2 > Pv) chứ không cần phải đợi đến khi xảy ra flashing thật sự (P2 < Pv). Ba giai đoạn của lưu chất được mô tả theo hình dưới đây:
Chú ý: có vẻ tất nhiên nhưng nhiều người vẫn nhầm lẫn nên cần phải nhắc lại: cavitation chỉ xảy ra do lưu chất ở thể lỏng. Lúc này mới xuất hiện quá trình tạo bọt khí.
Clip dưới đây của Fisher miêu tả kĩ càng quá trình xảy ra flashing / cavitation bên trong van điều khiển.