Le principe de fonctionnement de la vanne à bille repose sur le blocage du flux par la rotation de l'élément de fermeture en forme de bille autour d'un axe perpendiculaire à la direction du flux. L'élément de fermeture possède un orifice dont le diamètre intérieur est égal à celui de la canalisation. En position ouverte, l'axe de l'orifice coïncide avec l'axe de la canalisation, et en position fermée, il est perpendiculaire. Pour ouvrir ou fermer complètement la vanne, il suffit de faire pivoter la bille de 90°.
L'étanchéité du flux est assurée par le contact étroit entre la surface polie de la bille et les anneaux de polymère. Dans les vannes à bille flottante, l'étanchéité supplémentaire est obtenue en appuyant l'obturateur contre l'anneau d'extrémité sous l'effet de la pression du milieu de travail. Presque toutes les vannes à bille filetées sont équipées d'une bille flottante.
Pour le contrôle manuel de la vanne à bille, des poignées sont utilisées, et en cas de besoin de contrôle à distance ou automatique, un actionneur électrique rotatif peut être installé sur la vanne à bille.
Lors du fonctionnement, l'obturateur de la vanne à bille doit se trouver dans l'une des positions extrêmes - complètement ouverte ou complètement fermée. Il est interdit d'utiliser la vanne à bille en position partiellement ouverte, car l'usure abrasive de la bille pourrait compromettre l'étanchéité du flux.
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