Control Valves (၄) - Control Valve Sizing for Water Systems

process အတြင္းမွာ၊ control valves ေတြကို တတ္ဆင္အသံုးၿပဳၿခင္းရဲ႕ ရည္ရြယ္ခၽက္ကေတာ႔၊ fluid flow ကို control လုပ္ဖို႔ပဲၿဖစ္ပါတယ္။ flow ကို ထိမ္းေႀကာင္းၿပီး control လုပ္ၿခင္းဟာ၊ fluid ရဲ႕ flow rate ကို လိုအပ္သလို adjustment အေနနဲ႔၊ ခၽိန္ညွိၿခင္းလည္းၿဖစ္ပါတယ္။ two - port control valves ေတြ မွာ၊ close position သို႔ေၿပာင္းလဲၿခင္းၿဖင္႔ flow rate ကိုေလၽွာ႔ခၽ သလို၊ three - port valves ေတြမွာေတာ႔ mixing နဲ႔ divert service အေနနဲ႔ အသံုးၿပဳကာ၊ flow rate ကို၊ လိုအပ္သလို ခၽိန္ညွိပါတယ္။ fluid flow ကို၊ valve အတြင္းမွ ၿဖတ္သန္းေစၿပီး၊ control လုပ္ရာမွာ၊ ၿဖစ္ေပါါလာမယ္႔ differential pressure ကိုလည္း ထည္႔သြင္းစဥ္းစားရပါတယ္။ control valve တလံုးရဲ႕ capacity ဟာ၊ flow rate နဲ႔ differential pressure ေပါါမွာ၊ မူတည္ေနတာ၊ ေတြ႔ရပါတယ္။ flow rate နဲ႔ differential pressure တို႔ကို၊ flow coefficient သို႔မဟုတ္ capacity index အေနနဲ႔ ဆက္စပ္ေဖာ္ၿပပါတယ္။ control valve ေတြရဲ႕ ကိုယ္ထည္ သို႔မဟုတ္ အသံုးၿပဳမယ္႔ control valve ရဲ႕ technical data sheet မွာ၊ Kv, Kvs, Kvr, Cv နဲ႔ Av ဆိုတဲ႔ အတိုေကာက္ အကၡရာေတြကို၊ ေရးသားေဖာ္ၿပ ထားေလ့ ရိွပါတယ္။ အတိုေကာက္ အကၡရာေတြရဲ႕ ေနာက္မွာေတာ႔၊ 15, 20, 32, 40, 50, 65, 80 နဲ႔ 100 အစရိွတဲ႔၊ ဂဏန္းေတြကို ေရးသားထားပါတယ္။ အတိုေကာက္အကၡရာေတြဟာ control valve ရဲ႕ capacity ၿဖစ္တဲ႔ flow coefficient သို႔မဟုတ္ capacity index ၿဖစ္ၿပီး၊ ဂဏန္းေတြကေတာ႔ control valve ရဲ႕ အရြယ္ အစားၿဖစ္ပါတယ္။

Fig. "Kvs" values for a typical range of valves

အကယ္၍ valve မွာ "Kv" ၿဖင္႔ေရးသားေဖာ္ၿပထားလၽွင္၊ 5°C နဲ႔ 40°C ႀကားအပူခၽိန္မွာ၊ အသံုးၿပဳတဲ႔ control valve ၿဖစ္ၿပီး၊ flow rate ကို၊ m³/ hour နံွဳးနဲ႔ တိုင္းတာေဖာ္ၿပကာ၊ differential pressure အေနနဲ႔ 1 bar ရိွတယ္လို႔၊ သိနိဳင္ ပါတယ္။ "Kvs" ကေတာ႔ actual သို႔မဟုတ္ started Kv value ၿဖစ္ၿပီး၊ control valve ရဲ႕ fully open position မွာရိွမယ္႔ flow coefficient ၿဖစ္ပါတယ္။ Kvr ကေတာ႔ required flow coefficient ၿဖစ္ပါတယ္။"Cv" နဲ႔ "Av" တို႔ကေတာ႔၊ imperial ယူနစ္ေတြနဲ႔ ေဖာ္ၿပတဲ႔၊ capacity index ၿဖစ္ပါတယ္။ Cv မွာ US နဲ႔ imperial ဆိုၿပီး၊ အသံုးအနံွဳးကြဲၿပားတာ ကိုေတြ႔ရပါတယ္။ Cv (US) ကို US မွ အသံုးအနံွဳးအေနနဲ႔ ယူဆတဲ႔ အခါ၊ 40°F နဲ႔ 100°F ႀကားအပူခၽိန္မွာ၊ တမိနစ္ကို တဂါလံနံွဳးနဲ႔ တိုင္းတာေဖာ္ၿပကာ၊ differential pressure အေနနဲ႔ 1 psi ရိွတယ္လို႔ သိနိဳင္ပါတယ္။ US ရဲ႕ gallons တြက္ပံုနဲ႔ imperial ယူနစ္ရဲ႕ gallons တြက္ပံု အနည္းငယ္ကြဲၿပားတဲ႔အတြက္၊ US မွထုတ္တဲ႔ control valves ေတြ ရဲ႕ Cv တန္ဘိုးနဲ႔ ၿဗိတိသၽွစနစ္ဆိုတဲ႔ imperial ယူနစ္နဲ႔ ထုတ္လုပ္တဲ႔ control valves ေတြရဲ႕ Cv တန္ဘိုးဟာ၊ အနည္းငယ္ၿခားနားသြားပါတယ္။ Av ကေတာ႔ flow rate ကို၊ 'm³ / sec' နံွဳးနဲ႔ တိုင္းတာကာ၊ differential pressure အေနနဲ႔ 'Pascal' ၿဖင္႔၊ ေဖာ္ၿပထားတဲ႔ capacity index ၿဖစ္ပါတယ္။

 Fig. Multiplication factors for flow coefficient conversion between 'Kv' and 'Cv'

Kv နဲ႔ Cv, Av တို႔ရဲ႕ ယူနစ္ေတြကိုေၿပာင္းလဲတြက္ခၽက္တဲ႔အခါ၊ conversion အေနနဲ႔ တြက္ယူပါတယ္။ တတ္ဆင္အသံုးၿပဳမယ္႔ control valve အရြယ္အစားကိုေရြးခၽယ္တဲ႔အခါ၊ valve မွာ ၿဖတ္သန္းသြားမယ္႔ volumetric flow-rate နဲ႔ valve မွာေပါါေပါက္လာယ္႔၊ differential pressure တို႔ကိုအေၿခခံရပါတယ္။ တနည္းအားၿဖင္႔၊ capacity index မွတဆင္႔ control valve အရြယ္အစားကိုေရြးခၽယ္ သလို၊ Kv chart ကို၊ ကိုးကားၿပီး၊ ေရြးခၽယ္နိဳင္ပါတယ္။

Kv တန္ဘိုးကိုတြက္ယူတဲ႔အခါ၊ အထက္မွာေဖာ္ၿပထားတဲ႔ပံုေသနည္းကိုအသံုးၿပဳပါတယ္။ အလားတူ Kv chart မွတဆင္႔တြက္ယူၿခင္း အတြက္ water system နဲ႔ steam system တို႔ရဲ႕ Kv chart ေတြကို၊ နမူနာ အၿဖစ္ေဖာ္ၿပပါ႔မယ္။

Fig. water Kv chart
  

 Fig. Centrifugal pump performance curve

ေရလို liquid ေတြကို circulation အေနနဲ႔ system ထဲမွာလည္ွ႔ပတ္သြားလာနိဳင္ေစဖို႔၊ pump ကို အသံုးၿပဳ ရပါတယ္။ centrifugal pump ရဲ႕ characteristic curve ကို နမူနာအၿဖစ္ေဖာ္ၿပထားၿပီး၊ flow-rate ၿမင္႔တက္လာတာနဲ႔ pump discharge pressure ကၽဆင္းသြားတာကို၊ ေတြ႔ရ မွာ ၿဖစ္ပါတယ္။ အဲဒီအခါ control valve ရဲ႕ flow coefficient ဆိုတဲ႔ capacity index တခုတည္း သာမကပဲ၊ liquid system ရဲ႕ circulation characteristics ကိုပါထည္႔သြင္း၊ စဥ္းစားပါေတာ႔တယ္။ control valve ရဲ႕ အရြယ္အစားသာ မက၊ တတ္ဆင္မယ္႔ေနရာကိုပါ ေရြးခၽယ္ၿခင္းလည္း ၿဖစ္ပါတယ္။

 

Fig. Typical liquid system characteristic curve

fluid ဟာ system အတြင္း၊ circulation လုပ္ရာမွာ၊ frictional losses ေတြၿဖစ္ေပါါပါတယ္။ frictional losses ေတြမွတဆင္႔ pressure loss ၿဖစ္ေပါါပါတယ္။ pressure loss ဟာ fluid velocity ရဲ႕ နွစ္ထပ္ ကိန္းနဲ႔ တိုက္ရိုက္အခၽိဳးကၽပါတယ္။ flow-rate ကိုတြက္ယူတဲ႔အခါ၊ pipe ကို constant bore အရြယ္အစား ရိွတဲ႔ pipe အေနနဲ႔ယူဆပါတယ္။ square law အရ flow rate တက္လာတာနဲ႔ အမၽွ၊ square law အရ၊ frictional losses ေတြပိုလာၿပီး၊ pressure loss လည္း ပိုမၽားလာပါတယ္။ 

Fig. Typical system performance curve

system ထဲမွာ fluid ရဲ႕ flow-rate နဲ႔ friction တက္လာတဲ႔အခါ၊ pump ရဲ႕ discharge pressure ဟာလည္းလိုက္ပါကၽဆင္းသြားေပမယ္႔၊ pump pressure နဲ႔ friction pressure တို႔ တူသြားတဲ႔အခါ flow-rate ဟာၿမင္႔တက္လာၿခင္း၊ မရိွေတာ႔ပါဘူး။ circulating အေနနဲ႔ လွည္႔ပတ္ေစဖို႔၊ pump နဲ႔တြဲကာ တတ္ဆင္ထားတဲ႔ liquid system ေတြမွာ၊ pump performance နဲ႔ system performance တို႔၊ ၿဖတ္သြား တဲ႔ အမွတ္တခု ရိွပါတယ္။ အဲဒီအမွတ္ဟာ liquid system ရဲ႕ circulation characteristics အရ၊ အေကာင္းဆံုး performance ကိုရရိွနိဳင္မယ္႔၊ ေနရာလည္း ၿဖစ္ပါတယ္။ two-port valves ေတြကို၊ water system လို liquid system မွာ control valve အၿဖစ္ အသံုးၿပဳတဲ႔အခါ၊ valve closed position မွာ၊ flow ဟာကၽဆင္းသြားၿပီး၊ valve အဝင္မွ upstream pressure ၿမင္႔တက္ လာမွာၿဖစ္ပါတယ္။ valve ဟာ throttle အေနနဲ႔ closed position သို႔ နီးကပ္ လာတာနဲ႔ အမၽွ၊ pump head လည္း လိုက္ပါေၿပာင္းလဲ ပါတယ္။ flow-rate ကၽဆင္းၿခင္းဟာ၊ pump pressure ကိုတက္ေစရံုသာ မက၊ pump ရဲ႕ power consumption ကိုတက္ေစပါတယ္။ pump pressure ကၽဆင္းသြားတဲ႔အခါ၊ အၿခား pump ေတြကို အလိုအေလၽွာက္ ထ ကာ၊ လည္ေစၿပီး၊ fluid pressure ကို maintain လုပ္သလို၊ variable speed pump ေတြကိုတတ္ဆင္ၿပီး၊ fluid pressure ကို maintain လုပ္ႀကတာလည္း ရိွပါတယ္။

Fig. Effect of two-port valve on pump head and pressure

two-port valve ပိတ္တဲ႔အခါ၊ fluid flow ဟာ pipe section အတြင္္း 'dead-leg' အေနနဲ႔ ရပ္တန္႔ သြားတတ္ပါတယ္။ dead-leg ၿဖစ္ေနစဥ္၊ fluid ရဲ႕ အပူခၽိန္ဟာ environment ထဲကို၊ radiation အေနနဲ႔ ၿပန္႔ၿပီးကားၿပီး၊ အပူစီးကူးသြားေလ့ရိွပါတယ္။ control valve ၿပန္ပြင္႔စဥ္မွာ အပူခၽိန္ကၽဆင္းသြားတဲ႔ fluid ဟာ၊ process temperature ကို၊ disturbance အေနနဲ႔၊ အေနွာက္အယွက္ေပးပါေတာ႔တယ္။ process ကို၊ အေနွာက္အယွက္မၿဖစ္ေစဖို႔၊ arrangement ကိုထည္႔သြင္းတတ္ဆင္ရပါတယ္။ minimum flow အေနနဲ႔စီးဆင္းေနေစဖို႔၊ bore အရြယ္အစားေသးငယ္တဲ႔ pipeline နဲ႔အတူ adjustable globe valve တို႔ကို၊ bypass arrangement အၿဖစ္တတ္ဆင္ထားၿခင္းၿဖစ္ပါတယ္။ two-port valves ေတြကို၊ အရြယ္အစား ႀကီးမားတဲ႔ process circuit ေတြမွာ၊ အမၽားအၿပားတတ္ဆင္ အသံုးၿပဳေလ့ရိွပါတယ္။ systems ရဲ႕ အရြယ္အစားဟာ၊ ႀကီးမားတဲ႔အတြက္၊ process circuit အတြင္း၊ valve ေတြဟာတၿပိဳင္တည္း၊ အပိတ္ အဖြင္႔ကို ေဆာင္ရြက္တာမဟုတ္သလို၊ inherent 'self-balancing' characteristic အေနနဲ႔ နဂိုမူလကတည္းက စီစဥ္ေရးဆြဲထားတဲ႔ programmed အရ၊ control လုပ္တာၿဖစ္ပါတယ္။

under-sized two-port control valves ေတြကို၊ တတ္ဆင္ခဲ႔လၽွင္၊ fluid ဟာ system အတြင္း sufficient flow အေနနဲ႔ လံုလံုေလာက္ေလာက္ ၿဖတ္သန္းသြားနိဳင္ေစဖို႔၊ pump ရဲ႕ power ပိုမိုလိုအပ္ပါတယ္။ ဒါ႔အၿပင္ control valve movement အနည္းငယ္ေၿပာင္းလဲရံုနဲ႔ flow-rate ပါလိုက္ပါေၿပာင္းလဲ တတ္တဲ႔ အတြက္၊ accurate control အေနနဲ႔ တိတိကၽကၽ ထိမ္းေႀကာင္းေပးနိဳင္ဖို႔လိုပါတယ္။ over-sized two-port control valves  ေတြကို၊ တတ္ဆင္ခဲ႔လၽွင္၊ pump ရဲ႕ power ကိုေလၽွာ႔ခၽနိဳင္သလို၊ fluid ဟာ valve ကို ၿဖတ္သန္းသြားစဥ္၊ pressure drop အေနနဲ႔ အနည္းငယ္သာၿဖစ္ေပါါပါတယ္။ valve ဟာ fully opened position မွ၊ closed position သို႔ စတင္ကူးေၿပာင္းမယ္႔ initial valve travel အတြင္းမွာ process ရဲ႕ flow-rate ကို၊ ထိခိုက္ေစပါတယ္။ valve orifice အရြယ္အစားႀကီးမားတဲ႔အတြက္၊ valve travel မွာအခၽိန္ အနည္းငယ္ ပိုသြားတာနဲ႔အမၽွ၊  flow-rate ဟာအႀကီးအကၽယ္ေၿပာင္းလည္း သြားနိဳင္သလို၊ erratic control အၿဖစ္ ပံုမွန္မထိမ္းေႀကာင္းနိဳင္ေတာ႔ပဲ၊ poor stability နဲ႔ accuracy အရ မတိကၽမွဳေတြ ၿဖစ္ေပါါလာနိဳင္ပါတယ္။

"good control" ရရိွဖို႔၊ control valve ရဲ႕ အရြယ္အစားေရြးခၽယ္မွဳ၊ မွန္ကန္ဖို႔လိုပါတယ္။ control valve အရြယ္အစားေရြးခၽယ္တဲ႔အခါ၊ valve authority (N) ဆိုတဲ႔၊ တန္ဖိုးတခုကို၊ ΔP1 ဆိုတဲ႔၊ fully open condition pressure drop တန္ဖိုးတြက္ခၽက္ရာမွာ၊ ထည္႔သြင္းအသံုးၿပဳၿပီး၊ capacity index Kv တန္ဘိုး ကို၊ ေရြးခၽယ္ႀကပါတယ္။ N ဆိုတဲ႔ valve authority တန္ဖိုဟာ 0.5 ထက္မပိုသင္႔သလို၊ 0.2 ထက္ မနည္းမွ သာ၊ good control ကို ရရွိမွာၿဖစ္ပါတယ္။

Reference and Image credit to : Control Valve Sizing for Water Systems - ကိုထြန္း, Control Hardware : Electric/ Pneumatic Actuation, The Steam and Condensate Loop Book, ISBN 978-0-9550691-5-4, 2011. Copyright © 2012 Spirax-Sarco Limited, and Steam Engineering Tutorials.

Remark : All images herein this website are for use of educational purpose only. The owner of this web site is not responsible for the consequences in case of violation to copyright, trademark, patent or other intellectual property rights of any third party.