Doorsnede van een kogelkraan

Doorsnede van een handbediende 2-weg kogelkraan.

Kogelkranen

Een kogelkraan sluit een vloeistof- of gasstroom gedeeltelijk of geheel af 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. Andere woorden voor kogelkraan zijn kogelklep, kogelafsluiter of kogelventiel. Ze 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. 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. Toch biedt de kogelkraan ook hier enkele voordelen. Er kan bijvoorbeeld een goede afsluiting van de leiding gemaakt worden, zelfs in het geval van vuile media.

Constructie en uitvoeringen

De kogelkraan kan twee, drie of zelfs vier aansluitpoorten hebben (2-weg, 3-weg of 4-weg). Verreweg de meeste kogelkranen zijn 2-weg en handbediend met een hendel. Hierbij is de hendel in lijn met leiding als de kraan geopend is. In gesloten positie staat de hendel haaks op de leiding. Handbediende kogelkranen kunnen snel worden gesloten en hierdoor is er een gevaar van waterslag bij snelstromende media. Sommige kogelkranen zijn daarom voorzien van een overbrenging. De 3-weg kranen hebben meestal een L-vormige of T-vormige boring. Hierdoor zijn verschillende circuit functies mogelijk, zoals het distribueren of mixen van stromingen. In onderstaande afbeelding zijn de circuit functies van 3-weg kogelkranen schematisch weergegeven.

3-weg kogelkraancircuitfunctie 3-weg kogelkraan met T-boring en L-boring

Voorbeeld van een 3-weg kogelkraan. De schakelstanden voor zowel een T-boring als L-boring zijn schematisch weergegeven.

Behuizing

De behuizing van de kraan is in verschillende uitvoeringen mogelijk, veel voorkomend zijn ééndelige, tweedelige en driedelige behuizingen. Het verschil is hoe het ventiel geassembleerd wordt en wat de mogelijkheden tot onderhoud of reparatie zijn. De werking van de ventielen is in elke uitvoering hetzelfde.

  • Eéndelig - Dit is de goedkoopste variant. De twee delen die de kogel omsluiten worden geperst of gelast. De ventielen kunnen niet geopend worden voor reiniging of onderhoud. Dit type wordt meestal voor laag-eisende toepassingen gebruikt.
  • Tweedelig - Twee-delige kranen kunnen gedemonteerd worden voor reiniging, revisie of inspectie. Vaak zijn de delen verbonden via een schroefdraadverbinding. Het ventiel moet volledig uit de leiding verwijderd worden om de beide delen te scheiden.
  • Driedelig - Duurdere kogelkranen zijn vaak 3-delig uitgevoerd. De verschillende delen worden doorgaans tegen elkaar geklemd door boutverbindingen. Het voordeel van deze uitvoering is dat het ventiel gereviseerd kan worden zonder het complete ventiel uit de leiding te verwijderen.

Kogelontwerp

De kogel is in de meeste gevallen zwevend opgehangen. Bij sommige hoogwaardige kranen wordt de kogel soms aan boven en onderzijde gelagerd, dit noemt men een 'trunnion' ontwerp.

  • Zwevende ophanging (floating) - Het merendeel van de kogelkranen heeft een zwevende kogel. Hierbij is de kogel opgesloten door de afdichtringen.
  • Gelagerde ophanging (trunnion) - Kranen 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.

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 kogelkraan 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.
  • V-vormige doorlaat (smoringsprofiel) - 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 en bovendien kan een lineaire stromingskarakteristiek benaderd worden.

Materiaalgebruik

Schematische afbeelding van kogelkraan onderdelen
  1. 1) Ventielsteel
  2. 2) O-ring
  3. 3) Behuizing
  4. 4) Kogel
  5. 5) Ventielzitting

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 vindt u op de pagina chemische bestendigheid van materialen.

Messing

Messing kogelkranen zijn het meest voorkomend. 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.

messing kogelkraan

Voorbeeld van een messing kogelkraan met gaskeur.

Roestvrijstaal

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.

RVS kogelkraan

Voorbeeld van een 3-delige RVS kogelkraan.

PVC (Polyvinylchloride)

PVC kogelkranen zijn relatief gunstig geprijsd en worden veel gebruikt bij irrigatie, water toe- en afvoer of bij corrosieve media. 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.

PVC kogelkraan

Voorbeeld van een PVC kogelkraan met dubbele wartel ontwerp.

MateriaalVoordelenNadelen
MessingDuurzaam, geschikt voor meeste toepassingenGevoelig voor ontzinking
RoestvrijstaalZeer slijtvast, inert, corrosie bestendigHogere prijs, vaak hoger benodigd koppel om de kogel te roteren
PVCPrijsgunstig, niet gevoelig voor corrosieMinder lange levensduur, beperkte druk en temperatuur mogelijk

Afdichtingen en O-ringen

De klepzittingen zijn meestal vervaardigd uit PTFE (Teflon). PTFE staat voor PolyTetraFluorEthyleen. Het materiaal heeft een zeer goede chemische bestendigheid en een hoge smeltgrens (ongeveer 327°C). Bovendien is de wrijvingscoefficiënt extreem laag. Een klein nadeel van PTFE is dat het materiaal kruip vertoont, waardoor de afdichting na verloop van tijd minder goed kan worden. Bovendien heeft PTFE een relatief hoge warmte-uitzettingscoëfficient. Een oplossing hiervoor is het gebruik van een veer om een constante kracht uit te oefenen op de teflon afdichting, zoals bijvoorbeeld een schotelveer. Andere populaire afdichtmaterialen zijn versterkt PTFE en Polyamide (Nylon). Hoe harder het materiaal van de klepzitting is, hoe lastiger het wordt om een goede afdichting te creëren. Voor sommige toepassingen waarbij zachte materialen niet mogelijk zijn, bijvoorbeeld bij zeer hoge temperaturen, worden metalen en keramische klepzittingen gebruikt.

Veel kogelkranen bevatten O-ringen om bijvoorbeeld de ventielsteel af te dichten. Veel voorkomende materialen zijn NBR (nitrilbutadieenrubber), FKM en EPDM. NBR is redelijk goed bestand tegen olie, benzine en koud water, maar niet met oxiderende vloeistoffen. EPDM is goed bestand tegen koud en heet water, ozon en vele agressieve chemicaliën. EPDM is ongeschikt voor vetten en oliën. FKM heeft voor de meest stoffen nog betere eigenschappen dan NBR of EPDM, maar is ongeschikt voor heet water.

Keurmerken

Voor bepaalde toepassingen zijn keurmerken gewenst of vereist. Drinkwater en gas zijn het meest voorkomend. Bij keuze voor een gecertificeerde kogelkraan bent u zeker dat het product voldoet aan belangrijke veiligheidseisen. 

Drinkwater

Deze kogelkranen zijn geschikt voor drinkwater toepassingen en hebben een KIWA keurmerk. Bovendien hebben ze een anti-legionella en anti-vorst ontwerp. Dit houdt in dat de kogel een extra boring heeft, zodat ingesloten ruimtes worden verbonden met het stromende water.

Kogelkraan met KIWA drinkwater keurmerk

Kogelkraan met KIWA keurmerk.

Gas

Deze kogelkranen zijn geschikt voor gas toepassingen en hebben een Gastec keurmerk.

Kogelkraan met gastec keurmerk

Kogelkraan met Gastec keurmerk.

Automatisch bediende kogelkranen

Elektrisch geactueerde kogelkranen

Voorbeelden van elektrisch gestuurde kogelkranen.

Kogelkranen kunnen elektrisch of pneumatisch aangedreven worden. Bij een elektrische kogelkraan wordt de kogel geroteerd met behulp van een elektromotor. De elektrische actuator bestaat vaak uit een beschermende behuizing met intern een elektromotor en een vertragende overbrenging. Hierdoor is snelheid van openen en sluiten geleidelijk, en wordt een hoog koppel geleverd. Meestal is de actuator los te koppelen van de kogelkraan. De meest voorkomende flensverbinding tussen de kraan en actuator is de ISO 5211 standaard. Meer informatie over de precieze afmetingen is in het artikel maatvoering standaarden te lezen. De onderstaande foto geeft een voorbeeld van een kogelkraan met ISO 5211 flens, vaak ISO-top genoemd.

Kogelkraan met een ISO 5211 flens (ISO-top)

Voorbeeld van kogelkraan met ISO-top.

De meeste elektrische kogelkranen gebruiken de elektromotor zowel voor het openen als sluiten. Veergesloten kogelkranen bestaan ook en sluiten (of openen) automatisch zodra de elektrische voeding wordt afgesloten. Luxere uitvoeringen hebben vaak een visuele positie-indicator en de mogelijkheid tot handbediening.

Er bestaan verschillende elektrische schema's 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.