Hoe Werkt een Kogelkraan

Figuur 1: Doorsnede van de kogelkraan

Een kogelkraan is een afsluitklep die de stroming van een vloeistof of gas regelt door middel van een roterende kogel met een boring. Door de kogel een kwartslag (90 graden) om zijn as te roteren, wordt het medium al dan niet doorgelaten. Deze kleppen worden gekenmerkt door een lange levensduur en zorgen over de levensduur voor een betrouwbare afsluiting, zelfs als de kraan langere tijd niet in gebruik is. Hierdoor zijn ze meer populair als afsluiter dan bijvoorbeeld de schuifafsluiter. Voor een volledige vergelijking, lees ons artikel over schuifafsluiters versus kogelkranen. Bovendien zijn ze beter bestand tegen vervuilde media dan de meeste andere typen ventielen.

Kogelkranen worden in speciale uitvoeringen ook gebruikt als regelventiel. Deze toepassing is minder gangbaar vanwege de relatief beperkte nauwkeurigheid van het regelen van het debiet in vergelijking met andere typen regelventielen. De klep biedt echter ook hier enkele voordelen. Er kan bijvoorbeeld een goede afsluiting van de leiding gemaakt worden, zelfs in het geval van vuile media. Figuur 1 toont een doorsnede van een kogelkraan.

Inhoudsopgave

• Gebruikelijke typen kogelkranen
• Het werkingsprincipe van de kogelkraan
• Automatische kogelkranen
• Behuizingsmaterialen
• Kogelkranen voor hoge druk
• Goedkeuringen:
• FAQ

Veelgebruikte soorten kogelkranen

Standaard (met schroefdraad)

Standaard kogelkranen bestaan uit een behuizing, zittingen, een kogel en een hendel voor rotatie van de kogel. De kogelkranen zijn beschikbaar met twee, drie en vier aansluitpoorten die voorzien zijn van een binnendraad of buitendraad of een combinatie van beide. Afsluiters met schroefdraad komen het meest voor en zijn er in vele variëteiten: met goedkeuringen voor specifieke media of toepassingen, mini kogelkranen, haakse kogelkranen, ISO-top kogelkranen, met een geïntegreerde strainer of een ontluchtingspunt enzovoort. Deze hebben een groot aantal opties en een groot werkingsgebied voor druk en temperatuur.

Voor meer informatie over een schroefdraadpoorten, lees ons artikel over soorten kogelkraanaansluitingen.

Hydraulisch

Hydraulische kogelkranen zijn speciaal ontworpen voor hydraulische en verwarmingssystemen vanwege hun hoge werkdruk en weerstand tegen hydraulische en verwarmingsolie. Deze kleppen zijn gemaakt van staal of RVS. Naast deze materialen kunnen de hydraulische kogelkranen ook een hoge werkdruk aan dankzij de zittingen. De zittingen van deze kogelkranen zijn gemaakt van polyoxymethyleen (POM), dat geschikt is voor toepassingen met hoge druk en lage temperatuur. De maximale bedrijfsdruk van hydraulische kogelkranen bedraagt meer dan 500 bar, terwijl de maximale temperatuur tot 80°C kan oplopen.

Met flens

Geflensde kogelkranen hebben een specifiek aansluittype. De aansluitpoorten worden aangesloten op een leidingsysteem via de flenzen die meestal volgens een bepaalde norm zijn ontworpen. Deze kogelkranen zorgen voor een hoog debiet, omdat ze meestal een volledige boring hebben. Als u een klep met flens kiest controleer dan naast de drukwaarde ook de compressieklasse van de flens. Deze geeft de hoogste druk aan die dit verbindingstype kan weerstaan. Deze afsluiters zijn ontworpen met twee, drie of vier aansluitpoorten. Ze kunnen goedgekeurd zijn voor specifieke media, een ISO-top hebben en alle andere zaken die een standaard kogelkraan heeft. Zij zijn meestal gemaakt van RVS, staal of gietijzer.

Voor meer informatie over een flensaansluiting, zie ons artikel over kogelkraanaansluitingen.

Met ontluchting

Kogelkranen met ontluchting zien er qua ontwerp bijna hetzelfde uit als de standaard 2-weg kogelkranen. Het belangrijkste verschil is dat de uitlaatpoort in gesloten toestand naar de omgeving ontlucht. Dit wordt bereikt door een klein gat in de kogel en in het klephuis. Als de klep sluit, zal de druk aan de uitlaatpoort via de boorgaten naar de omgeving afvloeien. Dit is vooral nuttig in persluchtsystemen waar drukontlasting voor een veiliger werkomgeving zorgt. Deze kogelkranen lijken op 2-weg kogelkranen, maar ze zijn eigenlijk 3/2-weg door het kleine boorgat voor de ontluchting.

Gesmede kogelkranen

Gesmede kogelkleppen worden vervaardigd door de legeringen en metalen te vormen terwijl zij nog in hun vaste vorm zijn. De metalen en legeringen worden gebogen door verhitting of met gereedschappen van industriële afmetingen die drukkrachten uitoefenen om de materialen te buigen. Gesmede kogelkranen zijn beter geschikt voor industriële toepassingen die hoge temperaturen, druk en andere zware omstandigheden vereisen. Materialen zoals messing en roestvrij staal kunnen worden gebruikt om gesmede kogelkranen te construeren. Tijdens het fabricageproces wordt het metaal (of de legering) verwarmd, samengeperst, gebogen en gevormd volgens het ontwerp van de kogelkraan met behulp van een persmachine.

De pers helpt het metaal in een specifieke vorm te gieten, terwijl de machine voldoende druk uitoefent om het metaal in de juiste vorm te dwingen. Voor kogelkranen met grotere afmetingen is het nodig verschillende onderdelen aan elkaar te lassen. De kleppen kunnen ook worden voorzien van speciale coatings op basis van specifieke behoeften.

Voordelen van gesmede kogelkranen

• Gesmede kogelkranen zijn sterk en duurzaam, en deze kleppen kunnen worden gebruikt in bijzonder veeleisende situaties met hoge temperaturen en drukken.
• Het smeedproces vermindert de vatbaarheid van de kogelkraan voor zaken als poreusheid, scheuren en krimp.
• Gesmede kogelkleppen kunnen zich zeer snel aanpassen aan temperatuurschommelingen; daarom zijn deze kleppen geschikt voor gebruik in meerdere omgevingen.
• Weinig onderhoud nodig

Hoe werken kogelkranen

Figuur 2: Ventielspindel (1), O-ring (2), behuizing (3), kogel (4), ventielzitting (5)

Om de werking te begrijpen, is het van belang de 5 hoofdonderdelen van de kogelkraan en de 2 verschillende werkingstypen te kennen. De 5 hoofdonderdelen zijn te zien in het diagram in figuur 2. De ventielspindel (1) is verbonden met de kogel (4) en wordt ofwel manueel bediend ofwel automatisch bediend (elektrisch of pneumatisch). De kogel wordt ondersteund en afgedicht door de ventielzitting (5) en er zijn o-ringen (2) rond de klepspindel. Deze bevinden zich alle binnen de behuizing (3). Zoals te zien is in figuur 1 heeft de kogel een boring. Wanneer de klepspindel een kwartslag wordt gedraaid, is de boring ofwel open, zodat er media doorheen kunnen stromen, ofwel gesloten. Het ontwerp, de circuitfunctie, assemblage en de toepassing hebben allemaal een invloed op de werking van de kogelkraan.

Circuitfunctie

De klep kan twee, drie of zelfs vier poorten hebben (2-weg, 3-weg, of 4-weg). Verreweg de meeste kogelkranen zijn 2-weg en handbediend met een hendel. De hendel is in lijn met de pijp wanneer de klep wordt geopend. In geheel gesloten positie staat de hendel haaks op de leiding. De stromingsrichting van een kogelkraan is eenvoudigweg van de ingang naar de uitgang voor een 2-weg klep. Handbediende kogelkranen kunnen snel worden gesloten en hierdoor is er een gevaar van waterslag bij snelstromende media. Sommige afsluitkranen zijn daarom voorzien van een overbrenging. De 3-weg kranen hebben meestal een L-vormige of T-vormige boring. Dit is te zien in figuur 3. Hierdoor zijn verschillende circuit functies mogelijk, zoals het distribueren of mixen van stromingen.

Figuur 3: Voorbeeld van een 3-weg kogelkraan en de circuitfuncties voor een T-boring en L-boring.

Assemblage van het klephuis

De assemblage van het klephuis kan worden onderverdeeld in drie veelgebruikte ontwerpen: eendelig, tweedelige en driedelige behuizingen. Het verschil zit in de wijze waarop de klep wordt geassembleerd en dit is van invloed op de mogelijkheden voor onderhoud of reparatie. De werking van de kleppen is in elke uitvoering hetzelfde.

• Eendelig: Dit is de goedkoopste variant. De twee delen die de kogel omsluiten zijn geperst of gelast. De kleppen kunnen niet worden geopend voor reiniging of onderhoud. Dit type wordt over het algemeen gebruikt voor weinig veeleisende toepassingen.
• Tweedelig: Tweedelige kleppen kunnen worden gedemonteerd voor reiniging, onderhoud en inspectie. Vaak zijn de onderdelen met elkaar verbonden via een schroefdraadverbinding. De klep moet volledig uit de leiding worden verwijderd om de twee delen te kunnen scheiden.
• Driedelig: Duurdere kleppen bestaan vaak uit drie delen. De onderdelen worden in het algemeen met boutverbindingen aan elkaar geklemd. Het voordeel van deze uitvoering is dat de klep kan worden onderhouden zonder dat de gehele klep uit de pijpleiding hoeft te worden verwijderd.

Kogelontwerp

De kogel is in de meeste gevallen zwevend opgehangen. De kogel hangt in het medium en wordt op zijn plaats gehouden door twee afdichtringen. Bij sommige hoogwaardige kranen wordt de kogel soms aan boven en onderzijde gelagerd, dit noemt men eentrunnion kogelontwerp. De kogel wordt aan de boven- en onderzijde ondersteund om de belasting op de klepzittingen te verminderen.

• Zwevende ophanging (floating): Het merendeel van de kogelkranen heeft een zwevende kogel. Hierbij is de kogel opgesloten door de afdichtringen.
• Trunnion: Kogelkranen voor grotere diameters en hogere drukken (bijvoorbeeld groter dan 10cm en 30bar) hebben vaak een kogel waarbij de boven- en onderzijde gelagerd zijn in de behuizing. De kogel wordt aan de onder- en bovenkant ondersteund om de belasting op de zittingen te verminderen. Het bedrijfskoppel is in het algemeen lager voor trunnion kleppen.

Het gat door de kogel kan verschillende profielen hebben zoals een volle doorlaat, gereduceerde doorlaat of V-vormige doorlaat.

• Gereduceerde doorlaat: De boring van de kogel heeft een kleinere diameter dan de leidingdiameter. De meeste kogelkranen hebben een gereduceerde doorlaat. Hierdoor introduceert de klep wrijvingsverliezen in het systeem. Deze verliezen zijn nog steeds relatief klein in vergelijking met andere typen ventielen. Eéndelige kogelkranen hebben vrijwel altijd een gereduceerde doorlaat.
• Volle doorlaat: De boring van de kogel heeft dezelfde diameter als de leiding. Het voordeel is dat er geen extra wrijvingsverliezen zijn en dat de leiding gemakkelijker mechanisch te reinigen is (pigging). Het nadeel is dat de kogel en de behuizing een stuk groter zijn dan bij een standaard kogelkraan met gereduceerde doorlaat. De kosten zijn hierdoor hoger en voor de meeste applicaties is dit daardoor niet vereist. Zij worden ook wel full port kogelkranen genoemd.
• V-vormig: Het gat in de kogel of de klepzitting heeft een "V"-vormig profiel. Hierdoor kan bij regelventielen het gewenste debiet nauwkeuriger geregeld worden met de hoek van de kogel. Bovendien kan een lineaire stromingskarakteristiek benaderd worden.

Voor meer informatie over het maken van de juiste selectie voor uw toepassing, lees ons technisch artikel over selectietips voor het kiezen van een kogelkraan!

Kogelkraan hendel

De hendel is verbonden met de klepspindel (figuur 2 nummer 1) en kan de klep vanuit de open of gesloten stand (90 graden) draaien. Indien correct geïnstalleerd, zal de klep open zijn wanneer de hendel evenwijdig aan de leiding staat en gesloten wanneer de hendel haaks op de leiding staat. Het is belangrijk de richting van de handgreep van de kogelkraan te noteren om een visuele indicatie te hebben of de klep open of gesloten is. Er zijn nog andere soorten bedieningen, zoals vergrendelbare handgrepen of handwielen voor kogelkranen. Deze werken zoals hun namen doen vermoeden. Als u een grotere kogelkraan heeft, of veel kracht moet zetten om de kogelkraan te openen of te sluiten kan een verlenging van de kogelkraan handgreep nodig zijn. Er zijn vervangende handvatten beschikbaar als uw handvat breekt, verkeerd geplaatst is, of als u een automatische naar een handbediende kogelkraan ombouwt.

Automatisch bediende kogelkranen

Behalve handmatige kogelkranen is er ook de mogelijkheid voor eenelektrische of pneumatische actuator, zoals te zien is in figuur 4. Zij worden rechtstreeks op de klepspindel aangesloten (figuur 2 nummer 1) en kunnen deze een kwartslag draaien. De meest voorkomende flensverbinding tussen de kraan en actuator is de ISO 5211 standaard. Figuur 4 geeft een voorbeeld van een kogelkraan met ISO 5211 flens, vaak ISO-top genoemd. Door een actuator te gebruiken, kunt u uw kogelkraan op afstand of via een controller bedienen, zodat hij als automatische afsluiter kan worden gebruikt. Een veerbediende kogelkraan gebruikt een veer om de klep te openen/sluiten in een scenario waarbij de stroom wordt uitgeschakeld, en een actuator om de klep vervolgens in de open/dicht-stand te houden. Deze worden gebruikt voor energiebesparende toepassingen of om fail-safe redenen.

Figuur 4: Pneumatische kogelkraan (links), elektrische kogelkraan (midden), ISO-top kogelkraan (rechts)

Er bestaan verschillende elektrische schemas voor het aansturen van de actuator:

• Een 2-punt sturing (ook wel Open-Dicht of Aan-Uit schakeling) gebruikt, naast de voedingsdraden, één stuurdraad. Zodra de stuurdraad bekrachtigd wordt, opent het ventiel elektrisch. Als de stuurdraad onbekrachtigd is, sluit het ventiel (elektrisch of door middel van een veer).
• Een 3-punt sturing gebruikt twee stuurdraden: één voor het roteren van de kogel linksom, en één voor het rechtsom roteren van de kogel. Afhankelijk van de toepassing kan de meest geschikte aansturing gekozen worden.

Bepaalde elektrische aandrijvingen kunnen ook een modulerende controleuitoefenen, die de kogelkraan zal positioneren tussen 0-100% open / dicht. Voor meer informatie over automatische bediening, lees ons artikel over de installatie van elektrisch bediende kogelkranen.

Behuizingsmaterialen

De meest gebruikte materialen voor kogelkranen zijn messing, roestvrijstaal en pvc. De kogel is respectievelijk meestal uitgevoerd in verchroomd staal, verchroomd messing, roestvrijstaal of pvc. De zittingen zijn vaak uitgevoerd in teflon, maar ook andere kunststoffen of metalen worden gebruikt. Meer informatie over dit onderwerp vindt u op de pagina: chemische weerstand van materialen.

Messing kogelkraan

Messing heeft het grootste marktaandeel (figuur 5). Messing bestaat uit een legering van koper en zink. Het materiaal is slijtvast en robuust. Messing wordt gebruikt bij (drink-)water, gas, olie, lucht en vele andere media. Bij chloride-oplossingen (zoals zeewater) of demi-water kan ontzinking optreden. Ontzinking is een vorm van corrosie waarbij zink verwijderd wordt uit de legering. Hierdoor ontstaat een poreuze structuur met een sterk afgenomen mechanische sterkte. Een messing behuizing is ideaal voor een kogelkraan die wordt gebruikt voor luchttoepassingen. Bekijk onze handmatig bediende 2-weg messing kogelkranen of 3-weg messing kogelkranen.

Figuur 5: Messing kogelkraan

RVS kogelkraan

RVS kogelkranen worden gebruikt bij corrosieve media en agressieve omgevingen. Het wordt daarom veelvuldig toegepast bij zeewater, zwembaden, osmose, hoge temperaturen, en vele chemicaliën. Het meeste RVS is austenitisch. Type 304 en 316 komen het meest voor, waarbij 316 de beste corrosiebestendigheid heeft. 304 wordt ook wel 18/8 genoemd vanwege 18% chroom en 8% nikkel. 316 heeft 18% chroom en 10% nikkel (18/10). Het kost normaal gesproken meer kracht (groter koppel) om een RVS kogelklep rond te draaien dan een messing of PVC klep. Hier moet rekening mee gehouden worden als een RVS afsluiter door een elektrische of pneumatische actuator wordt bediend. Bekijk onze handmatige 2-weg kogelkranen van RVS of 3-weg kogelkranen van RVS.

Figuur 6: Voorbeeld van een 3-delige RVS kogelkraan.

PVC (Polyvinylchloride)

PVC is relatief gunstig geprijsd en worden veel gebruikt bij irrigatie, water toe- en afvoer of bij corrosieve media (figuur 7). PVC staat voor PolyVinyl Chloride. PVC is bestand tegen de meeste zoutoplossingen, basen en zuren, en organische oplosmiddelen. PVC is niet bestand tegen temperaturen boven 60°C en ook niet tegen aromatische en gechloreerde koolwaterstoffen. PVC is minder sterk dan messing of RVS en de kogelkranen hebben daardoor een lagere toegestane werkdruk. Een meer diepgaand artikel over PVC-kogelkranen kunt u hier lezen.

Figuur 7: PVC (Polyvinylchloride)

Messing vs. RVS vs. PVC

Voor een vergelijking tussen de toepassingen van een kogelkraan en een vlinderklep, zie ons artikel over vlinder- en kogelkranen.

Afdichtingen en O-ringen

De meeste klepzittingen zijn gemaakt van PTFE (Teflon). PTFE staat voor PolyTetraFluorEthyleen. Dit materiaal heeft een zeer goede chemische bestendigheid en een hoog smeltpunt (~327°C). Bovendien is de wrijvingscoëfficiënt uiterst laag. Een klein nadeel van PTFE is dat het materiaal kruip vertoont, waardoor de afdichting na verloop van tijd kan verslechteren. Bovendien heeft PTFE een vrij hoge thermische uitzettingscoëfficiënt. Een oplossing voor dit probleem is het gebruik van een veer om een constante druk uit te oefenen op de teflondichting, zoals bijvoorbeeld een schotelveer. Andere populaire afdichtingsmaterialen zijn versterkt PTFE en Polyamide (Nylon). Hoe harder het materiaal van de klepzitting is, des te moeilijker is het om een goede afdichting te handhaven. Voor sommige toepassingen waarbij zachte materialen niet kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld bij zeer hoge temperaturen, worden metalen of keramische klepzittingen gebruikt.

Kogelkranen voor hoge druk

Figuur 8: Hogedruk kogelkraan

Zoals de naam al zegt, werkt een hogedruk-kogelkraan onder hoge vloeistofdruk, ongeveer 500-700 bar. Als de klep groter wordt, vermindert de druk die hij aankan, en omgekeerd. Deze kleppen zijn zeer duurzaam en worden gebruikt in leidingsystemen met aansluitingen onder dezelfde drukbelasting. Hogedruk kogelkranen van het handbediende type kunnen worden bediend door de hendel 90 graden te draaien. Gemotoriseerde hogedruk kogelkranen worden voor hun werking gesimuleerd door middel van een elektrisch signaal. Materialen zoals koolstofstaal en roestvrij staal 316 worden gebruikt voor de constructie van de klep. Duplex of andere zeer veerkrachtige materialen moeten worden gebruikt voor de constructie van kleponderdelen zoals spindel, kogel en zittingringen. Dit helpt om de hoge druk van de klep en het maximaal toelaatbare spindelkoppel van de actuator te weerstaan.

Hogedrukkogelkranen zijn verkrijgbaar in de volgende verbindingstypes:

• British standard pipe parallel (BSPP) threaded
• National pipe thread (NPT) threaded
• Compression type (DIN 2353/ISO 8434-1)
• Laseinde

Hogedruk kogelkranen worden gebruikt in sectoren waar de vloeistof in grote hoeveelheden wordt opgeslagen en naar behoefte wordt gebruikt, zoals waterparken, waterdistributie-installaties en de chemische industrie.

Goedkeuringen:

Voor bepaalde toepassingen zijn goedkeuringen gewenst of vereist. Drinkwater en gas zijn de meest voorkomende. Kiezen voor een gecertificeerde kogelkraan garandeert dat het product aan belangrijke veiligheidseisen voldoet.

Drinkwater

Deze kogelkranen zijn geschikt voor drinkwatertoepassingen en hebben een WRAS, KIWA of DVGW goedkeuring. Bij gebruik in combinatie met een watertank werken ze vaak in combinatie met een vlotterschakelaar om het waterpeil te controleren.

Figuur 9: Kogelkraan met KIWA keurmerk.

Gas

Deze kogelkranen zijn goedgekeurd voor gebruik met gas.

Figuur 10: Kogelkraan met Gastec keurmerk.

FAQ

Wanneer is een kogelkraan open?

Een kogelkraan is open wanneer de hendel in lijn staat met de leiding en gesloten wanneer de kraan haaks op de leiding staat. Ze hoeven slechts 90 graden te worden gedraaid.

Wat is een kogelkraan?

Een kogelkraan is een afsluitklep die de stroom van een vloeistof of gas regelt door middel van een kogel met een boring. Deze afsluitkleppen zijn er zowel in een handmatige uitvoering als een elektrische of pneumatische uitvoering.

Hoe installeer ik een kogelkraan?

Voor een schroefdraadverbinding schroef de ingang en uitgang van de kogelkraan op de slang of pijp. Zorg ervoor dat de hendel correct is geïnstalleerd (parallel is open) vóór de installatie.

Kunnen kogelkranen defect raken?

Ja, een kogelkraan kan defect raken. Veel voorkomende defecten zijn een beschadigde afdichting (de klep sluit niet 100% af) of vuil in de klep (de klep beweegt niet).

Waarvoor kan een kogelkraan worden gebruikt?

Een kogelkraan kan zowel als afsluitklep en als regelklep voor zowel vloeistoffen en gassen gebruikt worden. In het geval van een regelklep is de boring meestal in een v-vorm gemaakt.

Wat is een gesmede klep?

Gesmede kogelkleppen worden vervaardigd door de legeringen en metalen in hun vaste vorm te vormen. De metalen en legeringen worden gebogen door verhitting of met gereedschappen van industriële afmetingen die drukkrachten uitoefenen om de materialen te buigen.

Maandelijkse nieuwsbrief

• Wie: Voor iedereen met interesse in fluid control technologie!
• Waarom: Heldere en interessante technische informatie over ons vakgebied in een compact maandelijks overzicht.
• Wat: Nieuwe producten, technische achtergrondartikelen, video’s, aanbiedingen, branche info, en nog veel meer waarvoor u zich moet aanmelden om het te zien!