Types of the valve

This tutorial briefly describes the basic components of different types of linear and rotary action control valves available for use in steam and water systems.

A basic control system would normally consist of the following components:

Hướng dẫn này mô tả các thành phần cơ bản và sự khác nhau của các van điều khiển kiểu tịnh tiến và kiểu quay thường được sử dụng trong chu trình hơi, nước.

Một hệ thống điều khiển thông thường bao gồm:

  • Control valves.
  • Actuators.
  • Controllers.
  • Sensors.

Control Valves

Whilst a wide variety of valve types exist, this document will concentrate on those which are most widely used in the automatic control of steam and other industrial fluids. These include valve types which have linear and rotary spindle movement.

Linear types include globe valves and slide valves.

Rotary types include ball valves, butterfly valves, plug valves and their variants.

The first choice to be made is between two-port and three-port valves.

  • Two-port valves ‘throttle’ (restrict) the fluid passing through them.
  • Three-port valves can be used to ‘mix’ or ‘divert’ liquid passing through them.

Có rất nhiều thể loại van khác nhau, bài viết này chỉ tập trung vào những loại thông dụng thường được sử dụng, bao gồm các loại chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay.

Kiểu chuyển động tịnh tiến gồm: Van cầu (globe valve) và van trượt hay van cửa (slide valve)

Kiểu chuyển động quay gồm: Van bi (ball valve), Van bướm (butterfly valve), Van chặn/van nút (plug valve) và các dạng khác của các loại van này.

Two-port valves/Van hai cửa

Globe valves/Van cầu

Globe valves are frequently used for control applications because of their suitability for throttling flow and the ease with which they can be given a specific ‘characteristic’, relating valve opening to flow.

Two typical globe valve types are shown in Figure 1. An actuator coupled to the valve spindle would provide valve movement.

Van cầu thường được sử dụng cho điều khiển bởi vì nó thích hợp để điều tiết lưu lượng, điều khiển lưu lượng mượt hơn.

Hai loại van cầu điển hình tại hình 1. Một bộ dẫn động sẽ kết nối với trục thân van để cấp chuyển động đóng mở van.

Fig. 6.1.1 Two differently shaped globe valves
Fig. 6.1.1 Two differently shaped globe valves

The major constituent parts of globe valves are:

  • The body – Thân van
  • The bonnet – Mũ van
  • The valve seat and valve plug – Đế van và nắp bít van
  • The valve spindle (which connects to the actuator) – Trục thân van (kết nối với bộ dẫn động)
  • The sealing arrangement between the valve body and the bonnet – Lớp chèn giữa thân van và mũ van

Figure 2 is a diagrammatic representation of a single seat two-port globe valve. In this case the fluid flow is pushing against the valve plug and tending to keep the plug off the valve seat.

Hình 2 mô tả cấu tạo của van cầu hai cửa một đế, với dòng chất lỏng có xu hướng đẩy nắp bít van ra xa đế van.

Fig. 6.1.2 Flow through a single seat, two-port globe valve
Fig. 6.1.2 Flow through a single seat, two-port globe valve

The difference in pressure upstream (P1) and downstream (P2) of the valve, against which the valve must close, is known as the differential pressure (DP). The maximum differential pressure against which a valve can close will depend upon the size and type of valve and the actuator operating it.

In broad terms, the force required from the actuator may be determined using Equation:

Khi van đóng, chênh áp giữa áp suất trước và sau của van (P1/P2) là DP, chênh áp lớn nhất mà van có thể chịu được mà vẫn ở trạng thái đóng phụ thuộc vào kích thước của van và bộ dẫn động liên kết với van.

Lực yêu cầu từ bộ dẫn động phải tuân theo công thức:

Equation 6.1.1

Where:

A = Valve seating area (m²)
DP = Differential pressure (kPa)
F = Closing force required (kN)

In a steam system, the maximum differential pressure is usually assumed to be the same as the upstream absolute pressure. This allows for possible vacuum conditions downstream of the valve when the valve closes. The differential pressure in a closed water system is the maximum pump differential head.

If a larger valve, having a larger orifice, is used to pass greater volumes of the medium, then the force that the actuator must develop in order to close the valve will also increase. Where very large capacities must be passed using large valves, or where very high differential pressures exist, the point will be reached where it becomes impractical to provide sufficient force to close a conventional single seat valve. In such circumstances, the traditional solution to this problem is the double seat two-port valve.

As the name implies, the double seat valve has two valve plugs on a common spindle, with two valve seats. Not only can the valve seats be kept smaller (since there are two of them) but also, as can be seen in Figure 3, the forces are partially balanced. This means that although the differential pressure is trying to keep the top valve plug off its seat (as with a single seat valve) it is also trying to push down and close the lower valve plug.

Trong trường hợp van lớn, thì tính toán lực cho bộ dẫn động cần yêu cầu cao hơn để có thể đóng chặt được van, thắng được áp suất chất lỏng. Tuy nhiên thông thường để đóng thắng được áp suất nói trên và đóng chặt van người ta có thể dùng loại van 2 cửa có hai đế van (Hình 3)

Fig. 6.1.3 Flow through a double seat, two-port valve
Fig. 3 Flow through a double seat, two-port valve

However, a potential problem exists with any double seat valve. Because of manufacturing tolerances and differing coefficients of expansion, few double seat valves can be guaranteed to give good shut-off tightness.

Tuy nhiên đối với loại van này đòi hỏi nhà sản xuất phải tính toán các thông số để đảm bảo đóng kín van tại 2 đế van.

Shut-off tightness

Control valve leakage is classified with respect to how much the valve will leak when fully closed. The leakage rate across a standard double seat valve is at best Class III, (a leakage of 0.1% of full flow) which may be too much to make it suitable for certain applications. Consequently, because the flow paths through the two-ports are different, the forces may not remain in balance when the valve opens.

Various international standards exist that formalise leakage rates in control valves. The following leakage rates are taken from the British Standard BS 5793 Part 4 (IEC 60534-4). For an unbalanced standard single seat valve, the leakage rate will normally be Class IV, (0.01% of full flow), although it is possible to obtain Class V, (1.8 x 10-5 x differential pressure (bar) x seat diameter (mm). Generally, the lower the leakage rate the more the cost.

Trường hợp rò rỉ van điều khiển được xem xét và lưu ý đến độ rò rỉ của van khi van đóng hoàn toàn. Van có 2 đế van là lớn nhất Class III (0.1 % khi đóng hoàn toàn). Các tiêu chuẩn độ hở của van: Tiêu chuẩn anh BS5793 Part 4 (IEC 60534-4). Van 1 đế thường là Class IV (0.01%), các loại van có độ hở ít (ở class cao) thì giá thành càng cao.

Balanced single seat valves

Because of the leakage problem associated with double seat valves, when a tight shut-off is required a single seat valve should be specified. The forces required to shut a single seat globe valve increase considerably with valve size. Some valves are designed with a balancing mechanism to reduce the closing force necessary, especially on valves operating with large differential pressures. In a piston-balanced valve, some of the upstream fluid pressure is transmitted via internal pathways into a space above the valve plug, which acts as a pressure balancing chamber. The pressure contained in this chamber provides a downforce on the valve plug as shown in 4, balancing the upstream pressure and assisting the normal force exerted by the actuator, to close the valve.

Khi yêu cầu cao về độ đóng kín của van người ta thường dùng van đế đơn. Lực để đóng van sẽ tăng theo kích thước của van, một số các van để giảm lực yêu cầu, họ có thêm cơ cấu trự lực (balancing mechanism) để đóng dễ hơn, đặt biệt là vận hành những van có độ chênh áp lớn. Cấu tạo cơ cấu trợ lực như sau: Tạo một đường dẫn áp suất đầu vào của van vào một buồng gia tăng áp suất dùng chính áp suất đầu vào van để tạo một lực hướng xuống theo chiều đóng van (Hình 4).

Fig. 6.1.4 A steam control valve with piston balancing
Fig. 4 A steam control valve with piston balancing
[wpvp_embed type=youtube video_code=SkzzII-gzEk width=560 height=315]

Slide valves.

Slide valves tend to come in two different designs; wedge gate type and parallel slide type. Both types are well suited for isolating fluid flow, as they give a tight shut-off and, when open, the pressure drop across them is very small. Both types are used as manually operated valves, but if automatic actuation is required, the parallel slide valve is usually chosen, whether for isolation or control. Typical valves are shown in Figure 5-a.

Có 2 loại van trượt van kiểu nêm (wedge valve) và van song song (parallel slide valve). Cả 2 loại này đều phụ hợp để cách ly dòng chất lỏng, đóng chặt, và khi mở áp suất bị giảm không đáng kể, thường được dùng kiểu vận hành bằng tay là chủ yếu. Nhưng nếu là van có cơ cấu dẫn động tự động điều khiển thì thường dùng loại van song song. Đặc điểm các van này như hình 5-a

Fig. 6.1.5 Wedge gate valve and parallel slide valve (manual operation)
Fig. 5-a Wedge gate valve and parallel slide valve (manual operation)

The parallel slide valve closes by means of two spring loaded sliding disks (Fig 5-b), which pass across the flow-path of the fluid, the fluid pressure ensuring a tight joint between the downstream disk and its seat.

Cơ cấu đóng của van song song gồm 2 đĩa kết nối với nhau bởi 1 lò xo ở giữa để đóng chặt với đế van (hình 5-b).

parallel-valve

Fig. 5-b parallel slide valve

[wpvp_embed type=youtube video_code=9h4YcBLTJJ8 width=560 height=315]

[wpvp_embed type=youtube video_code=yTvI33t19FI width=560 height=315]

 

Rotary type valves

Rotary type valves, often called quarter-turn valves, include plug valves, ball valves and butterfly valves. All require a rotary motion to open and close, and can easily be fitted with actuators.

Van loại chuyển động quay (Rotary type valve, quarter-turn valve) gồm Van bi (ball valve), Van bướm (butterfly valve), Van chặn/van nút (plug valve) và các dạng khác của các loại van này. Tất cả đều dùng chuyển động quay để mở và đóng, được đấu nối đến bộ dẫn động.

Eccentric plug valves

Figure 6 shows a typical eccentric plug valve. These valves are normally installed with the plug spindle horizontal as shown, and the attached actuator situated alongside the valve.

Van kiểu chặn lệch tâm

Hình 6 là cấu tạo van chặn kiểu lệch tâm. Loại vn này thường có trục thân van nằm ngang và bộ dẫn động nằm dọc theo van.

Fig. 6.1.6 Side view of an eccentric plug valve (shown in a partially open position)
Fig. 6.1.6 Side view of an eccentric plug valve (shown in a partially open position)
[wpvp_embed type=youtube video_code=hDwyueDONvg width=560 height=315]

Ball valves

Figure 7 shows a ball valve consisting of a spherical ball located between two sealing rings in a simple body form. The ball has a hole allowing fluid to pass through. When aligned with the pipe ends, this gives either full bore or nearly full bore flow with very little pressure drop. Rotating the ball through 90° opens and closes the flow passage.

Van bi bao gồm một bi cầu có lỗ ở giữa để chất lỏng đi qua, lỗ ở giữa này gần bằng kích thước đường ống nên việc giảm áp suất là không đáng kể. Quay bi 90° để đóng và mở van.

Fig. 6.1.7 Ball valve (shown in a fully open position)
Fig. 6.1.7 Ball valve (shown in a fully open position)

[wpvp_embed type=youtube video_code=_zSxxZpadq8 width=560 height=315]

Butterfly valves

Figure 8 is a simple schematic diagram of a butterfly valve, which consists of a disc rotating in trunnion bearings. In the open position the disc is parallel to the pipe wall, allowing full flow through the valve. In the closed position it is rotated against a seat, and perpendicular to the pipe wall.

Bao gồm một đĩa quay quanh một ổ trục (ổ ngõng), trạng thái mở đĩa này song song với thành ống, trạng thái đóng nó quay về và đóng chặt với đế van, vuông góc với thành ống.

Fig. 6.1.8 Butterfly valve (shown in its open position)
Fig. 8 Butterfly valve (shown in its open position)

[wpvp_embed type=youtube video_code=5YBZJrxmt3Q width=560 height=315]

Options

There are always a number of options to consider when choosing a control valve. For globe valves, these include a choice of spindle gland packing material and gland packing configurations, which are designed to make the valve suitable for use on higher temperatures or for different fluids. Some examples of these can be seen in the simple schematic diagrams in Figure 9.

Để chọn loại van để làm van điều khiển cũng có một số yêu cầu nhất định. Đối với van cầu, chọn vật liệu của lớp đệm kín của trục thân van để làm việc ở nhiệt độ và chất lỏng khác nhau.

Fig. 6.1.9 Alternative gland packings
Fig. 9 Alternative gland packings

 

Fig. 6.1.10 Guiding arrangements
Fig. 10 Guiding arrangements

Summary of two-port valves used for automatic control

By far the most widely used valve type for the automatic control of steam processes and applications is the globe valve. It is relatively easy to actuate, it is versatile, and has inherent characteristics well suited to the automatic control needs of steam.

Đến nay sử dụng phổ biến nhất cho van điều khiển là loại van cầu. Ưu điểm là dễ chuyển động, linh hoạt, nhiều điểm phù hợp với điều kiển tự động.

Three-port valves

Three-port valves can be used for either mixing or diverting service depending upon the plug and seat arrangement inside the valve. A simple definition of each function is shown in Figure 11.
Van 3 cửa có thể dùng cho việc trộn chung hoặc chia tách dòng tùy thuộc vào bố trí nắp và đế van.

Fig. 6.1.11 Three-port valve definition
Fig. 6.1.11 Three-port valve definition

There are three basic types of three-port valve:

  • Piston valve type./Van kiểu piston
  • Globe plug type./Van cầu
  • Rotating shoe type./Van quay

Piston valves

Fig 6.1.12 Piston valve (shown as a diverting valve)
Fig 12-a Piston valve (shown as a diverting valve)

 

[wpvp_embed type=youtube video_code=d-ziFZlkHu0 width=560 height=315]

 

Globe type three-port valves (also called ‘lift and lay’)

Here, the actuator pushes a disc or pair of valve plugs between two seats (Figure 13), increasing or decreasing the flow through ports A and B in a corresponding manner.

Fig. 6.1.13 Globe type three-port valves
Fig. 13 Globe type three-port valves

Note: A linear characteristic is achieved by profiling the plug skirt (see Figure 14).

Fig. 6.1.14 Plug skirt modified to give a linear characteristic
Fig. 14 Plug skirt modified to give a linear characteristic

Rotating shoe three-port valve

This type of valve employs a rotating shoe, which shuttles across the port faces. The schematic arrangement in Figure 15 illustrates a mixing application with approximately 80% flowing through port A and 20% through port B, 100% to exit through port AB.

Fig. 6.1.15 Rotating shoe on a mixing application
Fig. 15 Rotating shoe on a mixing application
[wpvp_embed type=youtube video_code=3N3xsWTKYgI width=560 height=315]

 

Facebook Comments

Leave a Reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

*