수동밸브와 자동밸브

[朴 鉉 求]

수동밸브와 자동밸브
 

Ⅰ. 머리말

밸브(valve : 栓, 弁)는 유체의 유량조절 및 흐름의 단속을 제어하기 위하여, 배관도중이나 기기 및 장치등에 설치하는 것으로서, 유로(流路)를 개폐할 수 있는 가동기구(可動機構)를 갖는 기기를 말한다. 주요 구성 부분은 기본적으로 밸브 몸통(valve body), 밸브 시트(valve seat) 및 디스크(disk)로 이루어지며, 밸브에 의한 유로의 개폐는 디스크의 회전 또는 상하작용에 의해 이루어진다.
각종 밸브는 적용조건에 따라 각기 장단점을 갖고 있으며, 설계자는 밸브의 종류에 따른 특성을 파악하여 실제로 필요한 조건에 맞는 밸브를 선정 사용하여야 한다. 밸브 분류법의 하나로 개폐 조작 방법에 따라 나누어 보면 수동밸브(manual valve)와 자동밸브(automatic valve)로 분류할 수 있으며, 다음에 수동 및 자동밸브의 종류와 특성에 대해 간단히 살펴본다.

Ⅱ. 수동 밸브

1. 글로브 밸브(Globe Valve)

[그림1] 글로브 밸브

글로브 밸브는 그림1에 나타낸 바와 같이 유체 통로 주위를 감싸고 있는 환상링(annular ring) 또는 시트로부터 원판 디스크(circular disk)를 강제적으로 이동시켜서 유량을 조절한다. 이 때 밸브의 이동방향은 밸브의 통로를 통과하는 유체의 흐름방향과 평행하며, 밸브가 설치되어 있는 배관축과는 수직으로 작동한다. 또한 이 밸브는 주로 소구경배관에 많이 사용되지만 직경 300mm까지 사용할 수 있으며, 유량조절이 필요한 곳에 교축하기 위해 사용된다.
글로브 밸브는 사용목적에 따라 다음과 같이 분류된다.
밸브내의 흐름이 일직선인 것과 직각인 것, 디스크의 재질, 유니온 또는 패킹의 덮개, 나사이음과 용접이음 또는 끼워넣기 결합 등이 있다. 그리고 수동조작 유량조절밸브로는 침상형(針狀形) 디스크나 정확히 지시하는 V-port 교축 플러그를 이용한다.

2. 게이트 밸브(Gate valve)

[그림2] 게이트 밸브

게이트 밸브는 슬루스 밸브(sluice valve)라고도 하며, 그림2와 같이 시트에 부착되어 있는 원형의 디스크에 의해 흐름을 조절하는 것으로, 밸브내의 직선 유체통로는 배관 내경보다 약간 크다.
또한 이 밸브의 사용목적은 유체의 흐름을 완전 개폐하는데 사용하는 것으로, 흐름의 억제 및 조절용으로 사용해서는 안된다.
게이트 밸브는 사용 용도에 따라 밸브 디스크가 단체형 디스크(solid wedge disk) 및 분할형 디스크(split wedge disk)로 나누어 지는 쐐기형(wedge type)과 평행 슬라이드 밸브(parallel slide valve)와 복좌 밸브(double disk gate valve)로 나누어 지는 평행형(parallel type)으로 분류할 수 있다.
접근하기 어려운 위치에 밸브를 설치할 경우, 운전자는 사슬 바퀴(chain wheel) 또는 공기해머 작동기(hammer-blow operator)를 사용하여 밸브를 조절할 수 있다.

3. 플러그 밸브(Plug valve)

플러그 밸브는 수동형의 유량조절 장치이다.

[그림3] 플럭 밸브

이 밸브는 90。회전에 의해 완전 개폐를 하며, 밸브의 용량은 오리피스 면적과 밸브가 설치된 배관 면적비에 좌우되며, 오리피스는 배관 치수보다 훨씬 작다. 또한 윤활용 플러그 밸브는 가스배관에 주로 사용된다.
이 밸브는 다음과 같은 이유 때문에 on/off 제어용으로 많이 사용된다.
① 가격이 싸다.
② 조절했을 때 그 위치를 확실하게 유지한다.
③ 조절위치를 명백히 확인할 수 있다.
밸브오리프시를 완전히 왼쪽으로 돌리면(즉, 100% 열림위치), 밸브 오리피스와 접속 배관면적이 같아지므로 유량조절장치로서의 유용성은 줄어들게 된다.

4. 볼 밸브(Ball valves)

볼 밸브는 최근 밸브 시트 및 볼재질의 개발에 따라 급속히 발달된 것으로 두 개의 원형 실(seal) 또는 시트 사이에 있는 여러 종류의 배출구(port) 크기의 정밀한 볼을 내장한 밸브이다.(그림4)

[그림4] 볼 밸브

이 밸브는 핸들을 90。 회전시키면 볼이 회전하여 완전 개폐가 가능하다. 그리고 교축과 제어 또는 밸런싱을 위한 볼 밸브는 판형 볼 및 핸들 정지점을 갖는 축소형 배출구(reducing port)로 되어 있다.
이 밸브는 그림4와 같이 밸브 몸체가 일체형(一切刑)인 것과 2체형, 3체형으로 구분된다.

5. 버터플라이 밸브(Butterfly valves)

버터플라이 밸브는 밸브 몸통내의 중심축에 원판형태의 디스크를 설치하여 밸브대(valve stem)를 회전시키는데 따라 디스크가 개폐하는 구조로, 디스크가 유체내에서 단순히 회전할 뿐이므로 유량조정의 특성은 좋으나 유체누설의 방지가 어려워 다른 밸브에 비하여 사용범위가 한정되어 있다.(그림5)

[그림5] 버터플라이 밸브

버터플라이 밸브의 몸통은 웨이퍼 형(wafer style : 배관의 인장응력전달과 웨이퍼형 몸통을 압착시키기 위한 볼트로 두 개의 플랜지 사이를 체결한 것)과 돌출형(lugged style : 돌출부분의 절단이 가능한 웨이퍼형 몸통에 암나사 구멍이 있는 것)이 있다. 그리고 밸브대가 디스크의 회전축이 되고, 이것은 밸브 몸통의 중심인 유로(流路)에 수직방향이다. 완전 열림에서 완전밀폐로의 전환은 단지 밸브디스크를 90。 회전시키면 된다.
버터플라이 밸브의 구조는 수동 작동을 위한 레버(hand quadrant)가 부착되어 있거나, 또는 액튜에이터에 의한 자동 작동을 위한 연장축을 가지고 있는 경우도 있다. 특히 자동 작동의 경우, 액튜에이터의 크기를 선정할 때에는 토르크를 조절하기 위한 특별한 주의가 필요하다.
버터플라이 밸브의 특징으로는 구조가 단순하고 콤팩트한 디자인, 낮은 압력강하 및 빠른 작동성 등을 들 수 있다. 그런데 빠른 작동성은 자동 제어에 적절하지만, 낮은 압력강하는 대유량에 적합하다.

6. 핀치 밸브

핀치밸브의 몸통은 재킷핀치(jacket pinch)와 많은 산업체에서 슬러리 제어에 사용하는 손더스형 몸통(saunders-type bodies)등 두가지 형태가 사용된다. 배출구 열림 상태에서의 유량조절은 핀치 밸브의 재킷에 신축이음관을 압착시켜 밀어 넣음으로써 축소가 가능하다. 손더스형 몸통은 액튜에이터(actuator)를 수동적으로 또는 자동적으로 다이아프램을 누름으로써 위어(weir) 형태로 배출시키는 것이다. 또한 이 밸브의 적용은 HVAC로 제한된다.

Ⅲ. 자동 밸브(Automatic valves)

자동밸브는 보통 유체의 흐름을 제어하는 장치 또는 자동제어기기와 결합하여 작동하는 조절용 밸브로 간주되며, 조절용 밸브는 다음과 같이 분류할 수 있다.

① 액튜에이터형(actuator types)
② 2-방향 몸통(two-way bodies)
   [단좌 또는 복좌(single and double seat)]
③ 3-방향 몸통(three-way bodies)
   [혼합 또는 분배(mixing and diverting)]
④ 버터플라이 배열(butterfly arrangements)
   [2-방향과 3-방향(two-and three-way)]

 

1. 액튜에이터(Actuators)

밸브 액튜에이터란 전기 또는 공압신호와 같은 조절기기의 출력을 회전 또는 직선 운동으로 바꾸어 주는 장치이다. 즉, 액튜에이터는 최종 제어 요소(이 경우 자동밸브)가 작동하도록 제어 변수를 바꾸어 주는 장치이다.

(1) 크기(sizes)

액튜에이터의 크기는 소형 솔레노이드 또는 시계 모터, 정구공보다 작은 자동동작의 방열기형, 대형 공공기식 액튜에이터까지 있다.

(2) 형식(types)

자동밸브에 사용되는 액튜에이터의 가장 일반적인 형태로는 솔레노이드, 열동식 방열기, 공기압, 전기모터, 전자 그리고 유압으로 작동하는 것을 들 수 있다.

(3) 가능출력{Output (force) Capabities}

상업용 HVAC 및 주택용의 제어를 위한 가장 작은 형태의 액튜에이터는 단지 아주 작은 출력만으로도 가능하지만, 보다 큰 공기식 또는 유압식 액튜에이터는 큰 힘 또는 추력을 낼 수 있는 구조이다.
공기식 또는 다이아프램 밸브용 액튜에이터는 2000m㎡에서부터 0.13㎡까지의 크기를 갖는 다이아프램을 이용할 수 있다. 구조는 상부 및 하부 하우징 사이에 체결된 신축형 다이아프램으로 이루어져 있다. 그림6에 나타낸 정동작 액튜에이터(direct actuating)는 상부 하우징과 다이아프램이 하나의 밀폐공간을 만들어 내며, 다이아프램의 반발력으로 작용하는 스프링은 하부 하우징과 다이아프램 사이에 위치한다.

[그림6] 공기식 액튜에이터와 위치조정기를 가진 2방향, 정동작 조절밸브

다이아프램에 가해지는 공기압력이 증가하게 되면 밸브대가 하향으로 작용하여 정동작 밸브를 닫고 있는 스프링의 힘을 이겨내게 된다. 스프링은 밸브를 개폐하는데 필요한 공기압력변화를 나타내는 것으로서, 밸브에 따라서는 스프링의 특성을 조정할 수 있는 것도 있으며, 그렇지 않으면 스프링의 특성은 고정된다. 상업용 조절용 밸브의 스프링은 보통 ±10%의 허용오차를 갖는다.
역동작 밸브(reverse-acting)에 정동작 액튜에이터를 사용할 수도 있지만, 이 경우에는 역동작 밸브 몸통을 갖거나 또는 액튜에이터가 역동작하여 하부 하우징과 다이아프램간에 하나의 밀폐공간을 가지는 구조라야 한다. 제어장치에 있어서 두 개 이상 밸브들의 연속적인 제어는 단순히 액튜에이터 스프링의 조정으로 가능하다.
밸브의 완전 밀폐점은 밸브 시트 및 액튜에이터의 고정압력에 의하여 단좌 밸브를 통과하는 공급압력 및 차압이 증가함에 따라 이동한다. 제조 메이커의 완전 밀폐율(close-off rating : 밸브의 완전 밀폐상태에서 밸브 전후에 걸리는 최대허용 압력차) 표(table)은 액튜에이터의 크기 선정이 적절한지 또는 더 큰 액튜에이터나 공기식 위치조정 릴레이(positioner relay)가 필요한지를 결정하는 데 필요하다.
자동제어 밸브를 개폐하는데 필요한 부가적인 힘을 주기 위하여 액튜에이터에 공기식 위치조정 릴레이를 추가시킬 수 있다. 종종 상용의 위치조정기(positive positioner) 또는 파이로트 위치조정기(pilot positioner)라고도 불리는 공기식 위치조정기는 액튜에이터의 스트로우크의 위치(stroke position)와 관계된 액튜에이터에 공기를 가압 또는 배출하기 위한 고용량  릴레이로서, 이것은 공급공기압력을 이용하거나 또는 액튜에이터의 스프링에 의한 것으로 제한된다.

2. 전기식 액튜에이터(Electric Actuators)

전기식 액튜에이터는 그림7과 같이 보통 캠(cam) 또는 래크와 피니언(rack and pinion) 치차로 결합되어 밸브대에 연결된 기어장치 및 출력축과 연결된 복권 전동기로 구성된다. 밸브를 기동하는 경우, 모터축은 160。회전을 한다.
기어장치는 밸브의 과도한 이동을 막고, 회전력을 증가시키기 위한 밸브 스트로우크의 정시이동을 위하여 전기식 액튜에이터와 내부적으로 연결되어 있으며, 또한 추가적인 시스템 제어기능을 위해 위치 지시계(position indicator) 및 피드 백(feed back)을 대비하여 기어장치를 리미트 스위치와 보조 포텐셜 미터 등과 함께 설치할 수도 있다. 대다수의 경우, 회전운동을 제어밸브를 구동하는데 필요한 직선운동으로 바꾸어 주기 위해서는 링크 기구가 필요하다. 전기식 밸브 액튜에이터는 2위치제어 시스템, 플로팅제어 시스템, 비례전기제어 시스템 및 전기제어시스템에서 사용된다.
액튜에이터는 보통 24V(AC)의 저전압 제어회로로 작동하며, 액튜에이터의 회전속도(또는 전스트로우크 구동속도)는 30초~4분정도(대부분의 경우 액튜에이터의 속도는 60초)이다.
전기식 액튜에이터는 구동실패시에 밸브를 정상위치로 되돌려주기 위한 스프링 귀환장치(spring retum)가 필요하거나 또는 전기 릴레이(electric relay) 및 보조 동력원으로 구동할 수도 있다. 모터는 항상 귀환스프링에 대해 한쪽 방향으로만 구동해야 하며, 스프링 귀환식 전기 액튜에이터의 구동력은 일반적으로 비스프링 귀환식 액튜에이터 회전 출력의 1/3정도면 된다.

[그림7] 전기식 액튜에이터를 가진 2방향 조절밸브

3. 전기유압식 액튜에이터(Electrohydraulic Actuators)

전기유압식 액튜에이터는 전기 및 공압 액튜에이터의 특성을 결합한 것으로서, 이 액튜에이터는 유압용 유체가 들어있는 밀폐 하우징, 펌프 및 계측 또는 제어(피스톤이나 피스톤/다이아프램을 통한 압력제어) 장치로 구성되어 있다.
저전압에서부터 중간정도까지의 전압(DC)에 의해 제어되는 코일로서 보통 압력제어장치를 작동시킨다.
솔레노이드(Solenoid) : 솔레노이드 밸브는 솔레노이드 코일에 전압을 가하여 밸브를 개폐하는 전기기계식 제어요소이다. 솔레노이드 밸브는 6~50mm 배관에 흐르는 온수, 냉수 및 수증기의 유량을 제어하는데 사용된다. 솔레노이드 액튜에이터는 2위치 제어장치로서 이것을 구동하는데는 직류 뿐만 아니라 교류(50Hz 및 60Hz) 전압을 사용할 수도 있다.
그림8에는 간단한 2방향 작동 솔레노이드 밸브에 전압이 가해진 상태 및 가해지지 않은 상태를 나타내었다.

[그림8] 전기식 솔레노이드 밸브

4. 열동식 방열기(Thermostatic Radiator)

열동식 방열기 밸브는 외부의 에너지원이 필요없는 자력구동식이다. 이 밸브는 방열기, 콘벡터 또는 베이스보드 히터를 통한 온수 또는 수증기 유량을 조정하여 실내온도를 제어하는데 사용된다. 이 열동식 방열기 밸브는 그림9에 나타낸 바와 같이 원격 센서 또는 감지기 일체형 및 원격 및 적산조정기를 이용하여 다양한 요구장소에 설치할 수 있다.

[그림9] 열동식 밸브

5. 단좌 및 복좌 2방향 밸브(two-Way Valves)

2방향 자동밸브에서 유체는 유입구(inlet opening)로 들어가서 100%의 유량 또는 소정의 유량으로 배출구(outlet port)로 나간다. 이때의 유량변화는 밸브 시트뿐만 아니라 디스크와 밸브대의 위치에 따라 좌우된다.
2방향 밸브에는 단좌 또는 복좌형이 있다. 첫째, 단좌 밸브의 경우는 하나의 시트와 하나의 플러그-디스크가 흐름을 차단한다. 그런데 플러그-디스크의 형태는 설계자에 따라 또는 시스템 적용에 필요한 조건에 따라 변화시킬 수 있다. 둘째, 복좌 밸브는 두 개의 시트, 플러그 및 디스크를 가지며 2방향 밸브를 특수하게 적용한 것이며, 일반적으로 단좌 밸브에서 완전히 닫혔을 때의 밸브 전후의 압력이 너무 클 때 사용한다. 즉, 유체의 압력이 너무 커서 단좌밸브로는 흐름을 차단할 수 없는 경우에 사용되며, 완전차단이 필요한 곳에는 사용할 수 없다.
그림10에 단좌 밸브와 복좌 밸브의 밸브 몸통을 비교하여 나타내었다.

[그림10] 2방밸브 방향

6. 3방향 밸브(Three-Way Valve)

3방향 혼합밸브는 2개의 입구와 하나의 출구 및 두 개의 시트사이에서 작동하는 양면 디스크로 이루어져 있으며, 이 밸브는 입구부로 유입되어 공통출구로 유출되는 두 유체를 적절히 혼합하는데 사용된다. 이때의 혼합비는 밸브대 및 디스크의 위치에 따라 좌우된다.
이 밸브는 HVAC시스템에서 냉수 또는 온수를 혼합하는데 일반적으로 사용되는데, 사용목적은 혼합 밸브에서 유출된 유체의 온도를 제어하기 위한 것이다. 하나의 응용 예로서 그림11에 나타낸 바와 같이 코일내로 유입되는 냉수와 보다 따뜻한 환수를 혼합함으로써 코일의 하류측 냉수코일에서의 공기온도를 조절하는 것을 들 수 있다. 온수코일에도 동일한 방법으로 적용할 수 있다.
3방향 밸브는 유체의 흐름을 혼합 또는 분할하는데 따라 서로 다르게 작동하며, 이것은 밸브의 상부시트와 하부시트에 관계하여 밸브 플러그의 위치에 따라 두 흐름을 하나의 흐름으로 혼합한다. 반면에 3방향 분할 밸브 또는 바이패스 밸브는 온도제어를 위해 하나의 흐름을 두 개의 흐름으로 분할하는 곳에 사용하며, 이 밸브는 하나의 유입구, 두 개의 유출구 그리고 2개의 분리디스크 및 시트로 구성된다. 쿨링타워(냉각탑)제어와 같은 특이한 경우에는 혼합 밸브 대신에 분할 또는 바이패스 밸브를 사용해야 한다. 대부분의 경우에 있어서 혼합밸브는 배관이 혼합밸브에 적합하도록 재배치된다면 분할 또는 바이패스 밸브와 동일한 기능을 할 수 있다.

[그림11] 3방향 제어의 적용

7. 특수 목적의 밸브

특수한 경우에 사용하는 특수목적 밸브에는 보일러 회로의 가열 영역에서 순환수의 분리 및 혼합에 사용하는 4방향 밸브가 있으며, 다른 하나의 4방향 밸브는 열펌프(heat pump) 장치에서 증발기와 응축기의 기능을 바꾸어 주므로서 냉·난방을 전환하는데 사용한다. 한편, 보일러의 급수탱크와 저탕조의 액면을 일정한 수위로 유지하기 위하여 사용하는 특수목적 밸브에는 플로트 밸브(float valve)가 있다.(그림12)

[그림12] 보일러의 플로트밸브 적용 예

8. 버터플라이 밸브(Butterfly Valves)

표준 3방향 혼합밸브 또는 바이패스 밸브를 설치 제약조건(설치공간 또는 치수 제한)상 사용할 수 없는 경우에는 그림13과 같은 버터플라이 밸브 2개를 3방향 혼합 또는 3방향 바이패스 밸브로서 작동시키기 위하여 배관 티(Tee)나 교차배관에 설치하여 사용한다. 버터플라이 밸브의 유량 특성은 표준 시트 및 디스크 형태의 밸브와는 다르므로 그들의 유량특성을 충분히 충족시킬 수 있는 곳에만 사용해야 한다.

[그림13] 버터플라이 밸브

9. 제어 밸브의 유량 특성(control valve flow characteristics)

일반적으로 제어밸브의 유량제어는 각종 형상의 플러그가 부착된 밸브대를 움직이는 액튜에이터로 한다. 이 때의 유량특성은 플러그의 형상에 따라 다음과 같이 3가지로 분류할 수 있다.(그림14)

[그림14] 제어밸브 유량특성

(1) 퀵 오프닝 특성(quick opening) : 밸브가 완전히 닫힌 상태에서 밸브를 열어갈 때 밸브대의 이동 거리가 짧아도 상당량의 유량을 통과시키는 특성을 가지며, 밸브대의 이동거리에 대한 유량 증가 비율은 비선형적으로 감소한다. 이 특성은 2위치 제어 또는 ON/OFF 제어밸브에 사용된다.

(2) 선형 특성(linear) : 선형 특성을 갖는 밸브는 밸브대의 이동거리에 대한 유량증가율이 동일하다. 이 특성은 3방향 밸브의 바이패스 배출구 측 또는 증기코일의 말단부에 사용된다.

(3) 등비율 특성(equal percentage) : 이 형태의 밸브는 닫힌 상태에서 밸브를 열어갈 때, 즉 밸브대가 이동할 때 지수 함수적으로 유량이 증가한다. 등비율(equal percentage)이라는 용어는 밸브대의 이동거리 증가율당 유량변화율이 동일함을 나타낸 것이다. 이 특성을 갖는 밸브는 냉온수 배관 말단부에 사용된다. 제어 밸브는 보통 배관회로내에서의 제어를 위해 다른 밸브 및 코일과 함께 사용된다. 보다 효율적인 시스템을 설계하고 제어시의 문제점을 최소화하기 위하여, 설계자는 시스템내의 실제 유량 특성은 코일(가열 또는 냉각) 성능곡선과 결합될 때 밸브대의 이동거리에 대한 배관내 에너지 출력과 서로 관계가 있다는 사실을 인지하여야만 한다.
그림15에 나타낸 바와 같이 밸브의 유량특성과 코일의 방열값을 취하여 밸브의 개도(즉, 유량)와 비교했을 때, 방열량이 향상되는 새로운 곡선이 얻어짐을 알 수 있다. 전형적인 가열 또는 냉각 코일과 등비율(equal percentage) 특성을 갖는 밸브의 경우, 선형변화에 가장 근접한 결과를 나타내므로, 가장 효율적인 제어가 가능하다.
상기 3가지의 유량특성은 제어밸브 통과 전후의 압력강하를 일정하게 하여 구한 것이지만, 실제조건에서는 밸브 통과 전후의 압력강하는 일정하지 않고, 최대값(밸브를 제어할 때의 값)과 최소값(밸브가 완전히 열린 상태에 가까울 때의 값)사이에서 변화한다. 그리고, 이들 두 개의 압력 강하율은 경험으로 알고 있는 허용값(authoritry)이다.
그림16과 그림17은 각각 선형 및 등비율 유량특성을 갖는 제어밸브의 허용값을 감소시켰을 때(즉, 최대 및 최소 압력강하율이 작은 밸브를 선정하였을 때), 그들 특성이 각각 어떻게 변형되는가를 나타낸 것이다. 별도로 그림에 나타내지는 않았지만 퀵 오프닝 특성은 2위치 또는 on/off 제어에 접근할 때까지 변형(찌그러짐)이 일어난다.
제어밸브를 선정할 때, 압력강하는 밸브의 허용값에 직접적인 영향을 미치므로, 적어도 시스템 전체 압력강하(펌프토출 플랜지, 공급주관, 공급입상관, 공급지관, 열교환 코일, 환수지관, 이음쇠류, 밸런싱 밸브 및 환수주관으로부터 펌프흡입 플랜지까지의 압력강하)의 25%~50%정도는 되어야 한다. 각 제어밸브에 대한 압력강하 선정의 유일한 방법으로 제어 밸브의 위치선정을 들 수 있다. 그리고 밸브의 압력강하가 클수록 밸브 치수는 작아지며, 제어성이 더 향상된다.

[그림15] 같은 밸브 개도율에 있어서의 방열, 유량 특성

[그림16] 선형 유량특성의 허용곡선           [그림17] 등비율 유량특성의 허용곡선

10. 제어 밸브의 치수(Control Valve Sizing)

밸브는 배관 시스템내에서 유체 저항을 일으키며, 이 때의 배관계내의 압력강하는 다음 식으로 표현할 수 있다.

          ΔP = R Qⁿ(ρ/ρ_w)                                    (1)
여기서 ΔP : 압력강하
            R : 저항
            ρ : 유체 밀도 [kg/㎥]
            ρ_w : 물의 밀도 (4~15℃) [kg/㎥]
            Q : 체적 유량[㎥/s]
난류인 경우 지수 n을 2로 가정하므로, 밸브의 경우 n=2로 가정하면, 식(1)은
                                   (2)
을 유량계수 및 ρ/ρ _w =1(120℃ 이하인 물의 경우)로 놓으면, (2)식은 다음과 같이 된다.
                                                   (3a)
여기서 Q : 체적유량 [㎥/s]
        ΔP : 밸브전후의 압력강하
        Av : 유량계수( 이 값은 밸브 전후의 압력 강하가 1Pa일 때, 단위시간당 체적 유량(㎥/s]에
               기초한 값) 또는
                                                   (3b)
여기서 Q : 체적유량 [㎥/h]
        ΔP : 밸브전후의 압력강하 [100kPa]
        Kv : 유량계수(이 값은 밸브 전후의 압력 강하가 100kPa 일 때, 단위시간당 체적 유량[㎥/h]에
               기초한 값)
                                        (3c)  
          Q : 체적유량 [ℓ/s]
        ΔP : 밸브전후의 압력강하 [kPa]
제어밸브의 사이즈는 압력강하의 가정값 P에서 설계유량을 얻는데 필요한 유량계수를 계산하여 선정하여야 한다. 이 때 압력강하의 가정치는 공급 및 환수 수직관간의 유효 압력의 25 50%정도가 되도록 하여 제어밸브를 선정해야 한다. 이와 같은 압력강하 값에서 제어 밸브의 유량 특성 항에서 설명한 바와 같이 최적유량특성을 나타낸다.
점성보정계수가 Vf인 유체의 경우, 사용되는 유량계수 Av 및 Kv에 따라 다음 식 중의 하나로 된다.

또는                          (3d)

11. 제어밸브의 응용

자동제어밸브는 각종 변화량을 조절하는데 사용된다. 가장 일반적인 예로서 온도, 습도, 유량 및 압력을 들 수 있다. 그러나 밸브는 단지 유량 또는 압력을 조절하는 경우에만 사용할 수 있다. 유량을 조절할 때는 압력강하가 일어나는 것은 당연하며, 또한 압력을 조절한다는 것은 최대 유량을 의미하므로, 제어밸브를 선정할 때 이들 두 요소를 고려해야만 한다.
본 고에서는 온수, 냉수 및 증기에 적용하는 경우에 대해서만 언급하였지만 제어 밸브는 어떤 유체에라도 사용할 수 있다. 이 경우에는 밸브의 재질선정시 유체특성을 고려해야만 한다. 특히 고온 유체나 고압증기에 사용하는 경우에는 보다 엄격한 조건이 요구되며, 고압증기의 제어법에는 다음과 같은 두가지가 있다.

(1) 특정한 용도에 증기를 사용하는 경우 압력이 너무 높으면 가압밸브(pressure-reducing valve, PRV)를 사용하여 감압시켜야 한다. 이 경우 글로브 타입 밸브를 사용하는데, 그 이유는 순차적인 제어를 요구하기 때문이다. 밸브는 내부적 또는 외부적으로 조정(pilot)되며, 보통은 부하가 변할 수 있기 때문에 보다 정확한 제어를 위해서는 순차적으로 개방되도록 조정된 2개 이상의 밸브를 병렬로 사용하는 것이 바람직하다.

(2) 열교환기로 흐르는 증기 유량은 온도 및 습도조건에 따라 제어될 수 있다. 이 경우, 외부제어 시스템은 증기 밸브를 제어장치로 사용하며, 증기 밸브를 선정할 때에는 밸브의 최대유량과 수증기 압력을 고려해야만 한다. 이들 요인은 한계흐름인 임계압력강하(critical pressure drop)로부터 결정된다. 냉온수는 보통 온도 또는 습도 요구조건에 따라 제어된다. 유량조절을 위한 밸브선정시 밸브를 적절히 제어할 수 있을 정도의 충분히 큰 압력강하를 지정해야 한다.
열교환 코일의 유량변화에 대한 응답성은 선형적이지는 않기 때문에 등비율 플러그를 사용해야 하며, 공급수의 온도는 부하조건에 요구되는 만큼 높거나(온수) 또는 낮아야(냉수)만 한다.

참고문헌

● ASHRAE HANDBOOK (1992)
● 공기조화·냉동·위생공학 편람 (1988)

[덕트사랑]

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