Control Valves (၅) - Control Valve Sizing for Water Systems

two-port valves ေတြမွာ fluid စီးဆင္းတဲ႔အခါ၊ 'cavitation' နဲ႔ 'flashing' ေတြၿဖစ္ေပါါတတ္ပါတယ္။ valve controlling လုပ္စဥ္ fluid flow ရဲ႕ pressure ဟာကၽဆင္းသြားၿပီး၊ flow ရဲ႕ velocity ေႀကာင္႔၊ valve seat အၿပင္ဖက္မွာ liquid ရဲ႕ vapour pressure ထက္နိမ္႔တဲ႔ local pressure တခုၿဖစ္ေပါါလာပါတယ္။ အဲဒီ အခါ၊ liquid မွာ vapour bubbles အေနနဲ႔  ေလဘူေဘာင္းလို၊ အၿမွဳတ္ေတြ 'ထ' ကုန္ပါတယ္။ pressure ၿပန္တက္လာတဲ႔အခါ၊ vapour bubbles ေတြဟာ၊ ၿမင္႔မားတဲ႔ pressure နဲ႔ အရိွန္ၿပင္းစြာ ရုတ္တရက္ ကြဲထြက္ၿပိဳကြဲသြားပါတယ္။

 Fig. Two - port butterfly valve cavitation

ကြဲထြက္တဲ႔ bubbles collapse မွ adjacent အေနနဲ႔ အနီးကပ္ဆံုး metal surfaces ေတြ ၿဖစ္တဲ႔ valve trim, valve body နဲ႔ downstream pipework ေတြ၊ ထိခိုက္ပၽက္စီးၿခင္းကို "cavitation" လို႔ေခါါပါတယ္။ cavitation ေႀကာင္႔ porous အၿဖစ္အေပါက္ေတြ၊ အခၽိဳင္႔ေတြနဲ႔၊ ႀကမ္းတမ္းတဲ႔ metal surface မၽက္နွာၿပင္ ၿဖစ္လာရသလို၊ protective oxide layers ကိုပါ ကြာကၽေစတဲ႔အတြက္၊ accelerated corrosion ကို ေပါါေပါက္ေစပါတယ္။ ဒါ႔အၿပင္ valve မွာ noise နဲ႔ vibration ေတြပါၿဖစ္ေပါါလာတာကို၊ ေတြ႔ရပါတယ္။

valve seat area မွာ fluid flow ဟာ၊ ၿမင္႔မားတဲ႔ high velocity နဲ႔စီးဆင္းတဲ႔အခါ၊ valve အတြင္းမွာ high pressure drop ဆိုတဲ႔ ၿမင္႔မားတဲ႔ pressure ကၽဆင္းမွဳကိုၿဖစ္ေပါါေစၿပီး၊ cavitation ကိုၿဖစ္ေပါါေစပါတယ္။
hot liquid applications ေတြမွာ၊ cavitation ပိုမိုၿဖစ္ေပါါေလ့ရိွသလို၊ valve အထြက္မွ downstream pressure ဟာ၊ liquid ရဲ႕ vapour pressure ထက္နိမ္႔တဲ႔ applications ေတြမွာလည္း၊ cavitation ပိုမို ၿဖစ္ေပါါေလ့ရိွပါတယ္။ ဒါ႔အၿပင္ large sized valves ေတြဟာ၊ fluid flow ကို၊ ၿမင္႔မားတဲ႔ high velocity နဲ႔စီးဆင္းေစတဲ႔အတြက္၊ အရြယ္အစားႀကီးမားတဲ႔ control valves ေတြမွာ cavitation ပိုမို ၿဖစ္ေပါါေလ့ ရိွပါတယ္။

Fig. Cavitation and flashing through a control valve

flashing ဟာ cavitation ကဲ႔သို႔၊ metal surface မၽက္နွာၿပင္ေတြကို၊ ပၽက္စီးေစပါတယ္။ valve outlet pressure ဟာ၊ liquid ရဲ႕  vapour pressure ထက္နိမ္႔ဆင္းသြားတဲ႔အခါ၊ flashing ၿဖစ္ေပါါပါတယ္။ valve အတြင္းမွာ၊ pressure recover အေနနဲ႔ မူလ pressure သို႔ ၿပန္မေရာက္မၿခင္း၊ fluid ဟာ vapour အၿဖစ္၊ connecting pipe အတြင္းသို႔၊ စီးဆင္းေနမွာ ၿဖစ္ပါတယ္။ pressure recover ၿဖစ္သြားတဲ႔အခါ၊ vapour collapsing အေနနဲ႔ၿပိဳကြဲသြားတဲ႔အတြက္၊ noise ေတြေပါါေပါက္လာပါတယ္။  control valve ရဲ႕  throttling effect ေႀကာင္႔ ေပါါေပါက္လာမယ္႔ vapour volume ဟာ liquid volume ထက္ႀကီးမားခဲ႔မယ္ ဆိုရင္၊ flashing ကို႔ေလၽွာ႔ခၽနိဳင္ပါတယ္။

Fig. 'anti-cavitation' two-port globe control valve

cavitation ကို ေလၽွာ႔ခၽဖို႔၊ valve မွာၿဖစ္ေပါါမယ္႔ pressure drop ဟာ၊ vapour pressure ထက္မနိမ္႔ဖို႔ လိုအပ္သလို၊ liquid ရဲ႕ temperature ဟာလည္း၊ ရုတ္တရက္မေၿပာင္းလဲဖို႔လိုပါတယ္။ 'anti-cavitation' trim ကို control valves ေတြမွာထည္႔သြင္းတတ္ဆင္ၿပီး၊ cavitation ကို ေလၽွာ႔ခၽနိဳင္ပါတယ္။

Fig. Typical two-port valve anti-cavitation trim

anti-cavitation trim အေနနဲ႔ valve plug နဲ႔ valve seat တို႔ရဲ႕ design ပုစံတည္ေဆာက္ပံုကို၊ ေၿပာင္းလဲ တတ္ဆင္တာၿဖစ္ပါတယ္။ perforated cage ထဲမွာတတ္ဆင္ထားတဲ႔ valve seat နဲ႔ standard equal percentage valve plug တို႔ပါဝင္ၿပီး၊ perforated cage ဟာ anti-cavitation cage လည္းၿဖစ္ပါတယ္။ valve အတြင္း fluid ၿဖတ္စီးစဥ္၊ အဆင္႔တိုင္းမွာ characterized plug နဲ႔ cage တို႔ႀကားမွာ pressure drop ဟာ split အေနနဲ႔ ကြဲြထြက္သြားမွာၿဖစ္ပါတယ္။

Fig. anti-cavitation trim

တနည္းအားၿဖင္္႔ plug နဲ႔ cage တို႔မွ၊ split အေနနဲ႔ ခြဲၿခမ္းၿဖတ္ေတာက္ၿခင္းၿဖင္႔ pressure drop ၿဖစ္ေပါါမွဳ ကို၊ ကန္႔သတ္လိုက္တာလည္းၿဖစ္ပါတယ္။ perforated cage မွ flow paths ေတြေႀကာင္႔၊ turbulence flow ေပါါေပါက္လာသလို၊ valve အတြင္းမွာ pressure recovery ၿဖစ္ေပါါလာမွဳ ကိုလည္း၊ ေလၽွာ႔ခၽ ပါတယ္။ anti-cavitation trim ဟာ၊ cavitation လံုးဝ မၿဖစ္ေပါါေအာင္ေတာ႔၊ တားဆီးနိဳင္ၿခင္းမရိွပဲ၊ cavitation ၿဖစ္ေပါါမွဳကို ေလၽွာ႔ခၽၿခင္းသာၿဖစ္ပါတယ္။

three-port valves ေတြကို constant flow-rate valves ေတြအၿဖစ္ သတ္မွတ္နိဳင္ပါတယ္။ three-port valves ေတြကို mixed အေနနဲ႔ပဲၿဖစ္ၿဖစ္၊ diverted အေနနဲ႔ပဲၿဖစ္ၿဖစ္၊ သံုးတဲ႔အခါ valve ကို ၿဖတ္သြားမယ္႔၊ total flow- rates ဟာ၊ အေၿပာင္းအလဲမရိွပဲ constant အေနနဲ႔ ရိွေနတာေတြ႔ရပါတယ္။ process applications ေတြမွာ၊ တတ္ဆင္တဲ႔ အခါ constant flow-rate နဲ႔ variable flow-rate ဆိုၿပီး၊ loop (၂) ခု အၿဖစ္၊ ခြဲၿခားအသံုးၿပဳနိဳင္ပါတယ္။

Fig. Mixing valve (constant flow-rate, variable temperature)

အေပါါမွာ three-port control valve တလံုးကို၊ mixing valve အၿဖစ္ load circuit အတြက္၊ constant flow rate ရေစဖို႔၊ အသံုးၿပဳထားတာ၊ ေတြ႔ရမွာၿဖစ္ၿပီး၊ load circuit ကို emitter အေနနဲ႔ ယူဆနိဳင္ပါတယ္။ constant flow rate ၿဖတ္စီးသြားမယ္႔ radiator ဟာ emitter ၿဖစ္ပါတယ္။ heat source ၿဖစ္တဲ႔ boiler ဟာ၊ steam boiler ၿဖစ္နိဳင္သလို၊ thermal oil boiler လည္းၿဖစ္နိဳင္တဲ႔အတြက္၊ water system အၿဖစ္ မသံုးနံွဳးပဲ fluid system အေနနဲ႔သာ၊ သံုးနံွဳးသြားမွာၿဖစ္ပါတယ္။ radiator မွထုတ္လြွင္႔မယ္႔ emitted heat ဟာ၊ load circuit ၿဖစ္တဲ႔ radiator မွာ ၿဖတ္စီး သြားမယ္႔ fluid ရဲ႕ temperature အေပါါမူတည္ပါတယ္။ တနည္းအားၿဖင္႔ boiler အထြက္မွာရိွတဲ႔ mixing valve မွာ ၿဖတ္စီးသြားမယ္႔ fluid flow နဲ႔ balancing line မွ mixing valve သို႔ၿပန္လာမယ္႔ fluid flow တို႔အေပါါ မူတည္တယ္လို႔ ဆိုိနိဳင္ပါတယ္။

balance line မွာ position တခုမွာ set လုပ္ထားတဲ႔ balance valve တလံုးကို တတ္ဆင္ထားပါတယ္။ balance valve ဟာ piping network မွ variable flow-rate ကို၊ smooth regulation အေနနဲ႔ ထိမ္းေပး ထားမွာၿဖစ္ပါတယ္။ mixing valve ရဲ႕ input port (A) ကို completely shut အေနနဲ႔၊ မပိတ္ေစဖို႔ set လုပ္ထားေလ့ရိွပါတယ္။ minimum flow rate နဲ႔ အၿမဲစီးဆင္းေနဖို႔ set လုပ္ထားတာၿဖစ္ပါတယ္။ လြယ္လြယ္ေၿပာရရင္ primary circuit ၿဖစ္တဲ႔ boiler မွာ overheating မၿဖစ္ေစဖို႔၊ pump ကိုအသံုးၿပဳကာ fluid ကို၊ constant flow တခုၿဖင္႔၊ စီးေနေစဖို႔ set လုပ္ထားၿခင္းၿဖစ္ပါတယ္။

Fig. Diverting valve (constant temperature in load circuit with variable flow)

အေပါါပံုကေတာ႔ constant flow-rate loop မွာ၊ diverting valve ကိုအသံုးၿပဳထားတဲ႔ circuit ၿဖစ္ပါတယ္။ valve position အေပါါမူတည္ၿပီး load circuit မွာ၊ varying flow-rate ရရိွနိဳင္ပါသတဲ႔။ boiler circuit မွ fluid ဟာ၊ valve position အေပါါမူတည္ၿပီး၊ ၿဖတ္စီးလာတဲ႔အတြက္ load circuit မွာ fluid temperature ဟာ constant အေနနဲ႔ အေၿပာင္းအလဲ မၿဖစ္ေပါါေတာ႔တာကို၊ ေတြ႔ရပါတယ္။ radiator မွထုတ္လြွင္႔မယ္႔ emitted heat ဟာ၊ load circuit ၿဖစ္တဲ႔ radiator မွာၿဖတ္စီးသြားမယ္႔ fluid flow အေပါါမူတည္ပါတယ္။ တနည္းအားၿဖင္႔ diverting valve ရဲ႕ opening degree အေပါါမူတည္တယ္လို႔ ဆိုိနိဳင္ပါတယ္။

Fig. Effect of not fitting a balance valve 

အေပါါက ပံုကေတာ႔၊ set လုပ္ထားတဲ႔ balance valve ကိုတတ္ဆင္ထားၿခင္းမရိွတဲ႔၊ circuit တခုၿဖစ္ ပါတယ္။ control valve position ေပါါမူတည္ၿပီး၊ pump curve နဲ႔ system curve တို႔ဟာေၿပာင္းလဲေန ပါတယ္။ load circuit P1 နဲ႔ balancing circuit ဆိုတဲ႔ bypass circuit P2 တို႔မွာ မတူညီတဲ႔ pump pressure ေတြ လိုအပ္ေနတာကိုေတြ႔ရမွာ ၿဖစ္သလို၊ fluid ေတြကို pump မွ အကုန္သယ္ေဆာင္သြားလို႔၊ load circuit မွာလည္း၊ deprivation ေတြၿဖစ္ေပါါနိဳင္ပါတယ္။

hugely undersized ဆိုတဲ႔ အရြယ္အစားသိပ္ကိုေသးငယ္လြန္းတဲ႔၊ three-port control valves ေတြကို အသံုးၿပဳခဲ႔လၽွင္ pumping power ပိုလိုအပ္မွာၿဖစ္ပါသတဲ႔။ valve controlling မွာ အတိမ္းအေစာင္း မခံသလို၊ small increments of movement ဆိုတဲ႔ valve ေရြွ႕လၽွားမွဳအနည္းငယ္ပိုသြားတာနဲ႔၊ valve ရဲ႕ discharge ports ေတြမွထြက္လာမယ္႔ fluid quantity ဟာလည္းေၿပာင္းလဲသြားမွာၿဖစ္ပါတယ္။ hugely over-sized ဆိုတဲ႔ အရြယ္အစားသိပ္ႀကီးမားတဲ႔၊ three-port control valves ေတြကိုအသံုးၿပဳခဲ႔ရင္၊ pumping power အမၽားအၿပားမလိုေပမယ္႔၊ valve movement ရဲ႕ အစနဲ႔အဆံုးမွာ၊ fluid flow ေပါါ အေနွာက္အယွက္ေပးတတ္ပါတယ္။ load ပမာဏ ရုတ္တရက္အႀကီးအကၽယ္ေၿပာင္းလဲ သြားေစတဲ႔ အတြက္၊ inaccurate control လို႔သတ္မွတ္နိဳင္ပါတယ္။

Fig. Valve authority diagrams showing three-port valves

three-port control valves ေတြကိုအသံုးၿပဳတဲ႔အခါ၊ two-port valves ေတြလို၊ valve အရြယ္အစား မွန္ကန္စြာေရြးခၽယ္ဖို႔အတြက္၊ valve authority ဆိုတဲ႔ 0.2 ~ 0.5 ႀကားမွ တန္ဖိုးတခုကို၊ အသံုးၿပဳၿပီး တြက္ခၽက္ႀကပါသတဲ႔။ two-port valves ေတြမွာ၊ "N" ဆိုတဲ႔ valve authority တန္ဖိုးကို၊ ΔP1 လို႔ေခါါတဲ႔ Pressure drop across a fully open control valve တန္ဖိုးတြက္ခၽက္ရာမွာအသံုးၿပဳၿပီး၊ three-port control valves ေတြမွာေတာ႔ ΔP2 လို႔ေခါါတဲ႔ Pressure drop across the remainder of the circuit တန္ဖိုး တြက္ခၽက္ရာမွာ အသံုးၿပဳပါတယ္။ three-port valves ေတြကို၊ mixing နဲ႔ diverting applications ေတြအတြက္ အသံုးၿပဳတဲ႔အခါ၊ 'balanced' circuit မွာသာတတ္ဆင္ထားတာၿဖစ္ၿပီး၊ valve အထြက္မွာၿဖစ္ေပါါမယ္႔ pressure drop ဟာ၊ two-port valves ေတြထက္နည္းတဲ႔အတြက္၊ ΔP2 မွတြက္ယူၿခင္းၿဖစ္ပါတယ္။ three-port valves ေတြကို fluid ရဲ႕ သတ္မွတ္ထားတဲ႔ recommended velocities ေတြအတြင္း၊ ေရြးခၽယ္အသံုးၿပဳႀကပါတယ္။

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

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.