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1. 서론
1.1 밸브의 역사
배관계통에 있어서 파이프, 밸브, 그리고 피팅류등은 기본적인 배관계의 구성부품으로써 거의 같은 시대에 발명되었을 것이라는 추측은 자명하다.
문명의 초기시대에는 파이프 재료로서 흙이나 돌, 혹은 나무, 가죽등이 주된 재료이었을 것이고 이후 청동기 시대부터는 보다 다루기 쉬운 납이나 구리등이 파이프의 주된 재로가 되었다.
특히 납으로 만든 파이프인 연관은 기록상으로 보아 아시아의 고대도시는 물론 이집트 및 그리스의 도시에서도 널리 사용되었다.
특히 납으로 만든 파이프인 연관은 기록상으로 보아 아시아의 고대도시는 물론 이집트 및 그리스의 도시에서도 널리 사용되었다. 그러나 16세기경 영국의 위대한 철공쟁이 Wilkinson이 연관을 대량으로 생산할 수 있는 조관기를 발명함으로써 파이프와 밸브의 대량 사용시대를 맞이하게 되었다. 이러한 증거의 하나로써 그림1과 같이 플러그밸브의 일종인 콕(Cock)을 가공하는 기계로 볼 수 있는 장치가 1629년경 로마출신의 장인에 의해 발명된 것을 보아도 잘 알수 있다.
사실 밸브로 보면 기원전 약 600년에서 400년즈음 그리스나 로마시대의 도시 관개시설등의 유물을 통해 상당히 성능 좋은 스톱밸브들이 사용된 것을 짐작할 수 있으며 그림2와 같은 청동제 콕밸브(이러한 유형의 밸브는 이태리의 나폴리나 런던의 대영박물관에 볼 수 있음)는 기원후 25년에 세워진 Tiberius 궁전의 유물중의 하나이다. 아무튼 17세기에 들어서면서 밸브기술이 괄목할만한 발전을 보이는데 1681년 Dennis Papin은 기록상 최초로 압력용기의 과압(Over Pressure)으로부터 용기를 보호하는 장치인 레버타입의 안전밸브(Safety Valve)를 발명했으며, 1781년 Jean Disaqulier는 이를 본격적으로 증기보일러에 적용하였다.
이후 증기기관의 발명자인 James Watt는 1769년 그의 증기기관에 현대적 형태의 밸브를 적용하였다. 그림3은 와트가 만든 장치로써 플러그 콕 밸브, 수동조작 리프트 밸브, 리프트 체크밸브, 일종의 Flap밸브인 스윙체크밸브가 조합되어 있으며 아울러 증기량을 조절할 수 있는 오늘날의 버터플라이밸브에 상당하는 밸브가 여기에 있다. 이때까지 즉 18세기 까지는 플러그 콕 밸브가 스톱밸브로써 주종이었으나 이후 Mandsley가 나사깍는 기계를 발명함으로써 밸브에서도 큰 변혁을 갖게된다.
그림4는 나사를 이용한 초기형태의 게이트 스톱밸브로써 1839년 James Nasmyth가 발명한 것이고 이를 계기로 1840년부터 1890년 사이에 이와 유사한 매우 다양한 형태의 밸브가 계속발명되었다. 즉 현재도 국제적인 명성의 Dowrance Valve사는 1875년 현대적인 플러그 밸브를 시초로 다양한 종류 및 규격의 밸브등을 생산하고 있으며, 1886년 영국의 Joseph Hopkinson씨는 Parallel Slide형식의 게이트 밸브를 발명하여 지금가지도 이 밸브를 홉킨슨사를 통해 100년이상을 계속 생산해오고 있다. 세계1차 대전을 전후해 괄목할만한 몇가지 일들이 있었는데 이때만 하더라도 대부분의 밸브는 플러그 타입의 밸브가 많아 대형의 경우 막 시판되고 있는 게이트 밸브에 비하여 과도한 내부 누설을 효과적으로 방지 못하고 아울러 구동토크가 매우 큰 이유로 대형 플러그밸브는 거의 생산이 되지 않았다.
마침 스웨덴의 기술자가 플러그밸브의 플러그면에 나선형의 홈을 파서 대형의 플러그밸브를 만들어 사용해보니 아주 부드럽고 내외부의 누설도 없는 좋은 밸브로 탄생되었고, 이 밸브를 윤활타입의 플러그 밸브라고 한다. 마찬가지로 다이아후램 밸브는 남아프리카의 금광채굴에 종사하던 한 기술자가 밸브의 그랜드 부위에 과도한 누설이 자주 발생하는 것에 착안하여 개발해낸 것으로 영국의 특허청에 정식 등록된 것은 1929년이었고 이 밸브는 현재 그랜드 부위의 과도한 누설을 방지하는 밸브 구조가 아닌 부식성 액체를 취급하는 유체라인에 플러그밸브와 함께 가장 널리 쓰이는 것중의 하나가 되었다.
또 이때에 볼 타입의 플러그밸브가 개발되었고 곧 이 밸브는 1930년부터 40년경 현재의 볼 밸브로 개량되었다. 이들이 주로 유럽을 중심으로 이뤄진 밸브기술의 성과라면 미국의 경우 다소 늦은 감이 있지만 세계2차대전 전후 미국을 중심으로 한 밸브공업은 극심한 공황의 끝에 살려낸 산업의 대량생산체계에 따라 제조공정의 자동화에 부응한 본격적인 의미의 자동제어밸브의 등장이라 할 수 있다.
1944년 미국 텍사스주 남부의 휴스턴 근교에 있는 Mansoneilan사는 밸브업계 최초로 밸브의 성능이라고 할 수 있는 밸브유량계수(Flow Capacity, Cv)를 도입하여 자사의 제어밸브에 적용하였고, 이는 특히 제어밸브의 차압과 유량과의 제반 물리적 특성을 가장 합리적으로 보여주는 파라미터로써 현재의 모든 밸브의 성능을 표시하는 잣대가 되고 있으며 미국 계장 협회에서도 이를 채택하고 있을 정도이다.
지금까지 밸브의 역사를 살펴보았는데 현재 가장널리 사용되는 7대밸브 즉, 게이트밸브 글로브밸브, 체크밸브, 버터후라이밸브, 플러그밸브, 볼밸브, 안전밸브 등은 까마득한 옛날부터 인류 역사상 가장 큰 기술적 관심사인 물의 관리에 있어서 밸브라 말할 수 있는 것들을 역사의 흔적에서 쉽게 발견 할 수 있다.단지 앞서 열거한 것은 그것들에 대한 구체적 사례들을 든 것 뿐이고 실제 우리나라에서도 유사한 종류들의 도구들을 적절히 활용해 왔을 것으로 믿고 싶다.
그러나 우리나라에 있어서 근대적 의미를 갖는 밸브의 등장은 아무래도 일본에 의해 지배를 받던 1910년경 이후로 볼 수 있다.
목포나 군산항을 통해 엄청난 양의 쌀이 일본으로 수탈되어 갔는데 당시 김제평야나 나주들녘의 논에 관개를 하던 양수장을 중심으로 5K급의 대구경(직경 100mm이상)게이트 밸브가 펌프의 전단에 설치되었으며 이들 게이트 밸브는 해방후에도 상당기간 적절히 이용되었던 것을 기억하고 있는 사람들이 있을 것이다. 그러면 우리나라 밸브의 본격적 시작은 결국 일제 말기 부산을 중심으로 일반 선박용의 포금제 밸브 및 일반 가정용 청동 수도꼭지를 만들기 시작한 우리나라 밸브업계의 첫 효시이자 현재 국내제일의 밸브업체인 범한금속공업(주)의 전신인 부산포금을 들 수 있다. 이들 청동제 수도꼭지 및 주철제 밸브들은 약 15년이상을 기술적인 큰 진전없이 만들어져 오다가1963년 7월 공업표준화법에 의해 KS 표시규격의 청동밸브(KS B-2301), 수도꼭지(KS B-2331), 및 수도용 제수밸브(KS B-2332)가 제정되면서 기술적, 품질적인 면에서 큰 진전이 있게 되었다.
이때는 제2공화국의 등장과 함께 울산을 중심으로 새로운 공업화의 태동이 있던 시기로 부산을 중심으로 한 영남권의 소규모 밸브업체가 다수 설립되던 시기였다. 이들 중 몇 개 업체는 이제 밸브업계의 중진으로 자리를 잡고 있으며 시기를 몇 년 지난 1972년부터 73년경 주철밸브 및 주강밸브가 KS규격으로 제자리를 잡았다.
이후 1970년대 중반부터 중화학공업육성정책에 따라 창원에 대규모의 기계공업단지가 들어서고 아울러 구미쪽에는 몇 년 앞서 섬유 및 전자단지가 들어서게 된다. 부산의 고성산업사, 국제밸브, 창원의 범한금속등이 비교적 큰 규모의 밸브 제작공장을 가동기키게되고, 대구에도 소규모의 밸브업체가 생겨났다. 아울러 경인지방 특히 인천은 일제시대부터 기계공업이 발달한 곳으로써 이 시기에 소규모의 밸브공장 즉, 지금의 서흥금속 전신인 고려특수밸브와(주)삼신의 전신인 삼신철공등이 부평을 중심으로 중저가의 밸브류를 만들고 있었다.
이 당시만 하더라도 석유화학공장에 대량으로 들어가는 플랜트 프로세스용 밸브등 대부분이 수입되던 시기로써 선도적 역할을 수행한 극히 일부분의 밸브 회사만이 미국석유공업협회의 API 인증 석유화학용 저가밸브를 생산하고 있었을뿐 고부가의 고온고압밸브에는 엄두도 못냈던 시기였다.
이후 1970년대 하반기부터 고리원자력발전소 3.4호기 및 영광원자력발전소 1.2호기가 순차적으로 건설되면서 수만대의 원자력용 밸브가 엄청난 고가로 수입되던차에 (주)삼신이 일본 오까노 밸브사와 기술제휴하여 1983년경 국내 최초로 원자력용 비안전계통의 2인치 이하의 단조밸브를 영광원자력 1.2호기에 납품하게 되면서 고온고압의 고부가가치밸브 생산에 들어가게 되었다. 이어 범한금속이 원자력용 대형 주강밸브를 국산화하고, (주)서흥금속이 삼신의 뒤를 쫒아 원자력용 단조밸브를 생산하게 되었다.
이후 1987년 부터의 호경기와 더불어 특히 충남 서산의 대산지방을 중심으로 한 석유화학쪽의 대규모 신규시설 투자와 기존 석유화학플랜트의 신증설 및 일제히 보수기를 맞이하게 됨으로써 유래를 찾아볼수 없는 대호황을 누리게 된다. 이때에 플랜트용 주철, 주강제의 밸브를 생산하는 업체 또한 전국적으로 300여개나 될 정도로 우후죽훈격으로 생겨나기도 했던 시기였다.
이러한 호황의 격동기도 잠시뿐 현재 얼어붙은 불경기속에서 새봄을 기다리고 있는 심정이지만 냉정하게, 우리나라 밸브기술의 역사를 생각하면 언제 새봄이 올까 걱정이 앞선다.
실로 선진국들은 거의 100여년 이상의 기술적 역사를 가지고 있는 반면에 피부로 느끼는 우리의 밸브역사는 단지 30여년에 불과해 선진국과 최소한 10년 정도의 기술격차가 있다고 하겠다. 그리고 프로세스 플랜트 공정용의 제어밸브와 일부 특수공정에 쓰이는 고가의 밸브들은 경험이나 기술적 환경을 고려해 볼때 적어도 20년이상은 격차가 날것으로 생각된다.
1.2 밸브공학의 의미
밸브는 아주 오래 전부터 유체의 흐름을 제어하는데 사용되어 왔다.
여기서 말하는 제어란 뜻은 유체에서 물리적으로 표현되는 압력, 온도 및 유체의 속도 즉, 유량을 조정한다는 것이다.
이러한 밸브는 배관계의 유체흐름을 각각의 프로세스계에서 요구하는 유체의 물리적 조건과 양에 맞도록 각 제어단위의 마지막 단계에서 유체흐름을 제어하는 가장 일반적이고 가장 중요한 제어요소(Control Component)이다.밸브공학은 유체계통의 제어요소인 밸브를 공학적으로 다루는 것으로써, 밸브가 어느 프로세스계통에서 하나의 구성인자로 보아 그 기능과 목적을 다루는 능동적인 제어부품으로의 공학적 의미와 밸브 그 자체의 역학적인 거동을 프로세스계통의 운전조건에 비교하여 보는 공학적 의미가 있다.
프로세스 단위로 보면 파이프가 수송해야 할 유체 에너지는 프로세스계의 제어요소인 밸브나 오리피스에서 주로 유체 속도 또는 유체압력의 형태로 조정된다. 이를 유체량의 제어기능과 유체압력의 제어기능으로 구분할 수 있으며, 이 두 기능은 항상 유체에너지를 수송하는 프로세스 배관계통의 형평과 안전을 위하여 상호보완적인 관계로 제어기능을 수행한다.
이러한 제어기능에 최대의 관점을 두어 설계된 밸브가 제어밸브인 것이다.모든 밸브는 수송하는 유체의 압력, 온도 및 유량에 합당한 크기와 구조를 가지고, 유체에너지가 손실되지 않도록 외부와 불필요한 에너지 교류는 피하여야 한다. 따라서 밸브를 공학적으로 다루기 위해서는 유체역학이 가장 중요한 분야가 되고, 밸브의 원활한 기능 유지를 위해서는 구조적 안정성이 중요 설계인자가 된다.
밸브를 구성하는 재료등은 유체의 화학적 성상(性狀)과 온도, 압력등 물리적 특성에 크게 죄우됨으로 재료공학에 대한 지식이 요구된다. 아울러 제어를 정밀하게(Sophisticate)하기 위해서는 전기전자공학이 필요하다.
밸브가 수천년 이전의 아주 오래전부터 유체에너지의 수송과 제어에 핵심적으로 사용되어 오고 있지만, 밸브의 근본적 형태에 변화가 있었던 것은 아니다. 그러나 산업이 점차 거대화되고 고도화 되어가고 있는 현재의 산업현장의 밸브 운전 환경은 사용유체의 다양성은 물론 고온 고압등 고에너지의 유체제어가 산업의 안전과 더불어 고도로 요구되기 때문에 밸브의 중요성이 날로 부각되고 있다.
여기서는 이러한 밸브의 중요성을 밸브와 밸브를 포함한 프로세스계로 확대시켜 밸브에 대하여 보다 체계적인 공학적 접근을 시도하기 위해 밸브공학이라고 썼지만, 밸브공학을 학문적으로 체계화시켜 도입하기에는 다루는 분야가 협소한 듯하고 아울러 세부적인 사항이 다른 분야에서 깊이있게 다뤄지고 있어 따로 밸브쪽으로 분리해서 말할만한 학문적 일체성(Identity)도 갖고 있지 않다.
그러나 미국의 몇몇 대학의 수리학(水理學)교실등에서는 밸브의 유체학적 또는 유체에너지를 다루는데 있어 밸브구조의 동력학적인 거동을 연구하는데 매우 활발하며, 일부 대규모 밸브전문업체를 중심으로 이뤄지는 밸브의 구조, 제어기능, 유체동역학 및 재료부분 등으로 활발한 공학적인 접근을 일단 밸브공학이라는 용어로 정리하기로 한 것이다.
1.2-1 밸브의 설계조건
프로세스 계통에 있어서 계통의 원활한 운전과 기능 유지를 위해서는 제어요소인 각 밸브에서의 기능이 문제가 된다. 이들 밸브 기능의 문제는 프로세스 계통 설치시 충분하게 고려되어야 한다. 이 밸브의 기능 문제를 두고 기능을 설계 목표 이상으로 건전하게 유지시키는 것이 바로 밸브설계의 조건이다.
밸브가 프로세스 계통에서 과도한 하중이 계통 자체에서 뿐만 아니라 밖에서도 생기게 된다. 프로세스의 운전온도, 운전압력, 유체의 밀도, 유체의 수송속도등이 계통내의 하중이 되고, 프로세스에 가해지는 배관진동, 밸브 구동장체에서의 추력 및 자체하중, 지진등의 고려, 배관파단으로 생길 수 있느 배관떨림(Pipe Whhipping)등이 계통외의 하중이 될 것이다. 이러한 프로세스 계통내외에서의 과도한 하중으로 인하여 밸브의 일부가 손상되어 제어기능을 불안하게 할 경우라든가 운전에 지장을 초래한다면 전체 프로세스 계통의 기능 유지등 그 영향은 점차 매우 어려운 상태에 이를 수도 많다.
실제로 밸브 손상-주로 밸브의 가장 핵심적인 내부누설구조의 손상으로 인한 거대 프로세스 플랜트의 화재사고등은 어쩌면 사소한 장치로 볼 수 있는 밸브에서 기인된 경우가 많다. 따라서 밸브는 구조적으로 충분한 강도를 가지고 있어 내외부의 어떠한 하중이 가해지더라도 손상으로부터 안전하여야 하며 또한 구조적으로 각 밸브 구성부품의 형상이 기능 및 운전성 유지에 적합하여야 한다. 그리고 사용조건인 프로세스 계통의 운전환경,수송유체의 종류, 계통의 제어목적 및 공공의 안전에 관련된 설계 요구사항등에 밸브의 사용목적이 적합하여야 한다.
밸브에 관한 이러한 관점은 각국의 밸브에 관한 표준규격이나 고압가스협회등에서 밸브에 요구하는 법적인 규제 또는 설계요건사항들을 보면 이해가 잘 된다. 밸브는 계통의 한 부품으로서 그 역할은 계통설계자료의 치밀한 계통 밸런스에 대한 형평성추로써의 역할이다.
이 역할은 계통의 압력, 온도 및 유량에서 보면 이들 물리적 양을 제어하고자 하는 것이고, 프로세스 계통의 구조적 밸런스에 따르면 계통압력 및 온도에 충분한 구조강도를 갖는 밸브의 강도이다. 밸브를 프로세스 계통의 구조해석상(후자의)관점에서 그 역할을 구분하여 보면 다음의 세가지로 구분 설명할 수 있다.
(1)계통에 대한 능동적 부품(Active Component)으로써의 밸브
프로세스 계통의 일부 또는 전체 계통을 사고로부터 완화시키거나 정지시킬 때 필요한 계통의 한 부품으로서의 역할이다. 이는 프로세스 계통의 기능상 이 부품의 역할이 매우 중요함으로 밸브의 구조강도를 충분히 유지함은 물론 계통의 어떤 사고나 피로등에 의한 파괴로부터 더 이상의 연속적인 계통손상을 방지하기 위하여 계통의 한 구성부품인 밸브가 능동적으로 계통의 기능을 보호하는 역할을 수행하여야 한다.
통상 이러한 경우를 고려하여 실제의 밸브 운전조건이나 설계조건보다도 더욱 가혹한 비정상적인 프로세스를 고려하여 설계, 제작되는게 일반적이다.
(2)계통에 대한 밸브의 기능상의 능력(Functional Capability)
프로세스의 가혹한 운전조건하에서는 계통 및 밸브자체의 치수 안전성을 유지하며 계통운전이 원활히 되도록 정격 유량을 수송 또는 제어하는 능력을 갖고 있어야 한다.
(3)밸브 자체의 운전성으로 설계 및 사용조건
밸브 자체의 운전성으로 설계 및 사용조건하에서 규정된 안전 기능을 충족하면서 요구되는 밸브 그 자체는 30~40여개의 부품으로 조립되는 비교적 간단한 기기이지만 높은 압력과 온도 그리고 급격하 에너지의 변화가 밸브의 트림(밸브의 유체 접촉부로써 교환될 수 있는 밸브 구성부품)의 조작부에서 이뤄지게 됨으로 각 구성 부품들이 이러한 환경에 충분히 견딜 수 있는 구조로 되어 있어야 한다. 이와같이 밸브는 프로세스 계통에 대한 능동적인 역할과 밸브 자체의 기능 및 운전성의 유지로 계통의 기능 및 운전을 원활하게 수행할 수 있도록 하는 것이다.
1.2-2 밸브의 설계
밸브 설계의 기본적 입력데이타는 온도와 압력이다. 프로세스 유체의 화학적성상에 따라 밸브의 재질은 달라지지만 소위 밸브 크기를 정하는 기본 단위는 우선 압력과 온도이다.
밸브의 구조상 밸브의 내압부는 다른 어떤 압력용기 보다도 구조적으로 매우 취약한 구조적인 불연속부(Structural Discontinuity)를 갖고 있어 압력에 대한 복잡한 구조적인 거동으로 인한 국부 응력의 증가와 더불어 열에 의한 굽힘응력과 변형이 밸브의 내부에 복잡하게 생기므로 밸브 설계시 이들 효과를 고려하여야 한다. 특히 고온고압으로 갈수록 이의 영향은 매우 크게 되므로 고난도의 설계가 된다.
아울러 모타구동장치나 제어밸브의 액츄에이터를 장착한 밸브의 경우 이들 구동장치의 무게로 인한 밸브 구조의 불안정성이 고조된다. 다음의 그림6은 미국 기계학회에서 정한 원자력 발전소용 밸브의 설계요건을 항목별로 요약한 것으로 일반 프로세스용의 밸브 설계와 크게 다를 것이 없다. 단지 특별히 더욱 강조한 사항은 밸브구조의 구조적 강도유지를 설계의 핵심으로 한 것이고 여기에 열이나 기계적 교번하중으로 인한 피로상도를 강조하고 있다. 프로세스 계통의 유체역학적 천이(Transient)현상에 의해 밸브 구종의 불안정성은 더욱 고조되어 심한 경우 밸브 구조가 파손되는 사례도 적지 않게 발생한다.
다음의 그림 7과 그림8(차호에 소개)은 밸브의 구조적 불연속부에서의 열에의한 굽힘특성을 보여주는 좋은 예이다. 그림9(차호에 소개)는 밸브의 내압에 의한 밸브몸체의 응력구동을 설명하고 그림10은 밸브의 구동장치의 무게중심이 밸브몸체에서 멀리 떨어져 있는 경우 밸브의 본네트면에 작용하는 모멘트와 간단한 밸브의 고유진동수를 설명하는 그림이다.
이외에 배관계에서 전달되는 배관작용력(열팽창에 의한 축방향 힘과 굽힘모멘트 및 토오크)에 안전하게 밸브의 치수 보전과 강도를 유지하도록 설계한다.
밸브는 유체 수송의 직접 제어부인 디스크(프러그)와 시트(케이지)부를 구조적으로 안정하게 유지하기 위하여 어느정도의 불용(不用)공간이 생긴다. 이 공간들을 공동부(Cavity)라고 하는데 이 케비티에서 밸브 기능상 많은 문제점이 생긴다. 이곳에 유체가 차 있다가 온도 상승으로 밀폐된 유체가 팽창하여 디스크의 원활한 운동을 방해하기 때문이다.
밸브 설계시 이러한 불용공간을 최대로 줄이는 것이 밸브의 기능보장을 위해서도 매우 중요한 설계요소이다. 아울러 밸브에서 유체를 제어할 때 유체의 흐름속도 및 밸브면에서의 마찰, 그리고 유로면의 넓고 좁음에 따른 압력손실등으로 밸브의 유체수송(유체에너지수송)능력이 저하하게 된다.최근들어 프로세스 플랜트가 거대화되고 고도화함에 따라 밸브에서의 이러한 유체수송능력의 저하를 가급적으로 줄 이기 위한 밸브의 유로형상(Flowpath)을 설계해야 한다.
같은 크기의 밸브라 할지라도 밸브의 유량계수가 많고 적음은 이러한 유로형상의 설계기술의 차이에서 기인된다고 볼 수 있다. 유로형상의 설계는 이론적으로 설계하기란 거의 불가능하여, 각기 다른 유로형상을 가진 시험원형(Proto Type)의 밸브들을 일일이 시험하여 최적의 유로형상을 찾는다.
물론 여기에 중점적으로 설계입력이 되는 것은 압력항, 온도항, 그리고 유체의 흐름속도 이다.밸브설계에서의 가장 핵심은 누설방지에 있다. 누설은 시트와 디스크간에서 발생되는 내부 누설과 그랜드 패킹 또는 본네트 가스켓에서 생기는 외부 누설로 구분된다. 이중 가장 문제가 되는 것은 그랜드 패킹에서의 누설이다. 밸브 설계에서 심도 있게 다뤄지는 부분이 그랜드 패킹의 재질, 편조 및 성형방법, 조합방법, 크기 및 체결방법이며 상당수의 밸브관련 연구논문중 30%이상이 이에 대한 것으로 앞으로도 깊이 다뤄야 할 기술적 당면과제이다.
1.2-3 밸브의 기능
밸브의 기능은 밸브공학적 의미에서 두가지 축면으로 고려된다. 하나는 밸브자체의 구조적 강도에 관련하는 기능이고 다른하나는 유체 수송 및 제어의 기능이다.
이 두가지 기능은 서로 불가분의 관계를 가지고 있다. 물론 전자의 경우는 밸브의 재료가 갖고 있는 금속학적 특성과 재료자체의 강도 특성, 그리고 이들을 밸브의 사용환경에 맞도록 상호 기구학적으로 결합하여, 원활하게 밸브로써 운전될 수 있도록 충분한 구조강도를 유지해야 하므로 밸브의 하드웨어(Hardware)적 기능이고, 후자는 밸브의 운용상 특히 프로세스의 운전목적의 달성을 위하여 밸브가 수행해야 할 제어기능 즉, 유로개폐(ON-OFF)나 유로 또는 유체에너지량의 조절(Throttling)을 원활하게 해야 하므로 밸브의 소프트웨어적 기능이다.
이러한 밸브의 기능을 전자의 경우 밸브의 구조기능이라고 하고 후자를 밸브의 제어기능이라고 정한다. 이러한 밸브의 기능에 문제가 생기는 원인도 아울러 구분이 된다.
제어기능에 문제가 생기는 경우 통상 프로세스 계통의 설계과정에서의 오류보다는 시운전이나 실제 운전시에 많이 발견된다. 시운전시에는 계통이 전반적으로 불안전하고 불규칙한 운전모드가 설계조건과는 다르게 발생된다. 전반적으로 프로세스 계통에서의 밸브문제는 80%이상이 시운전시에 발견된다.
프로세스의 운전시에는 거의 아무런 문제도 생기지 않다가 계통의 기동 또는 정지시에 밸브에 문제가 생겨있음을 발견하는 경우도 앞서의 경우와 같다. 이러한 예로써 복수기(Condenser), 복수배관(Feed Water Extraction Drains)의 제어 밸브와 같은 경우 밸브에서의 유체제어시 생길 수 있는 일반적 현상은 후라싱현상이 예측되지만 계통이 장기간 정지하여 있다가 다시 기동될 때는 배관내의 드레인에 의한 수격현상이 생겨 밸브의 제어기능에 악영향을 주는 사례가 있다.밸브의 구조기능은 앞서 계속 언급한 대로 밸브가 어떠한 하중 조건하에서도 제어기능을 유지할 수 있도록 밸브 그 자체는 튼튼해야 한다는 것이다.
2.0 밸브공학 기초
밸브는 기본적으로 유체를 제어하는 부품과 이들 제어부품들을 구조적으로 안전하게 유지시키는 몸체로 구성되어 있다. 따라서 밸브공학의 목표는 유체제어 기능으로서의 완전한 유체제어를, 다양한 하중조건하에서 밸브가 거전하게 운전 되도록 구조적으로 튼튼하게 결함없이 만들어야 한는데 있다.
따라서 밸브의 이 두가지 목적에 맞는 배관계통의 제어요소(Control Component)로써, 또한 배관계의 신뢰성에 가장 핵심적인 역할을 수행하는 부품으로써, 프로세스의 운전건전성 즉, 장기간 문제없이 제어요소로서 밸브 기능을 뒷받침 할 수 있는 강도를 유지하여야 한다.
본 절에서는 밸브공학의 기초로서 밸브의 구조, 밸브에 있어서 밸브 유체역학의 기초와 밸브의 재료학을 중심으로 설명한다.
2.1 밸브의 구조
밸브의 구조는 유체제어의 구조 및 특성, 유체의 물리화학적 성상, 운전조작의 방법에 따라 매우 다양하다. 따라서 밸브 구조는 유체제어의 구조 및 특성에 따라 물리화학정 성상에 따라 밸브의 구조가 달라지기도 한다. 밸브 구조에서 가장 핵심적인 사항은 압력 유지부분(Pressure Retaining Part) 및 유체와 직접 접촉하면서 밸브의 기능을 수행하는 밸브 트림, 그리고 트림부를 조작하는 구동부로 나눈다.
따라서 밸브의 종류를 구분하는 일반적인 방법은 밸브의 압력유지부의 형태 또는 형식과 트림의 형상또는 형식에 따라 구분한다. 다음에 앞서의 밸브 구분 방법에 따른 밸브 종류를 나타내었다. 특히 여기서 밸브 기술자가 알아야 할 매우 중요한 밸브 용어는 트림(Trim)으로써 "밸브의 유체제어 과정에 있어서 유체와 직접 접촉하면서 유체력에 의하여 직접적인 마모 또는 노화되는 부품으로 교환될 수 있는(Replacible)밸브 부품"이라고 정의 한다.
가. 개폐용(ON-OFF제어)밸브
게이트 밸브(Gate Valve),일반 게이트 밸브(General Gate Valve),솔리드 왯지(Solide Wedge),후렉시블 왯지(Flexible Wedge),스플릿트 왯지(Split Wedge)
더블디스크 패러럴 시트(Doubble Disc Parallel Seat),스프링 패러럴 스라이드(Spring Parallel Slide),볼 앤드 소켓 로테이팅 디스크(Ball and Socket Rotating Disc),벨로우즈 씰 게이트 밸브(Bellow Seal Gate Valve)
나이프 게이트 밸브(Knife Edge Gate Valve),콘디트밸브(Conduit Valve)
그로브타입 스톱 체크밸브(Globe Type Stop Check Valve)
T-그로브 타입(T-Type Stop Check Valve),앵글타입(Angle-Type Stop Check Valve),Y-타입(Y-Type Stop Check Valve),글로블 밸브(Globe Valve)
팩레스 그로브 밸브(Packless Hermetic Diaphragm Globe Valve)
T-타입 팩레스 밸브(T-Type Packless Valve),Y-타입 팩레스 밸브(Y-Type Packless Valve),앵글 타입 팩레스 밸브(Angle-Type Packless Valve)
벨로우즈실 그로브 밸브(Bellows Seal Glove Valve),체크밸브(Check Valve)
스윙 체크밸브(Swing Check Valve),밸런스드(중추)체크밸브(Counter Weight Balanced Check Valve),홀딩 디스크(듀오)체크밸브(Folding Disc Check Valve)
리프트 체크밸브(Lift Check Valve),T-타입(T-Type Lift Check Valve)
Y-타입(Y-Type Lift Check Valve),볼 타입(Ball Type Check Valve)
스프링 로디드 타입(Spring Loaded Lift Check Valve)
수평형(Horizontal),티형(T-Type),와이형(Y-Type),틸팅 디스크 체크밸브(Tilting Disc Check Valve),인라인 디스크(푸트)체크밸브(In-Line Disc Check Valve)
볼 타입(Ball Type),디스크 타입(Disc Type),푸트 타입(Foot Type)
백 후로우 프리벤터(Backflow Preventer),고무 튜브 체크밸브(Rubber Tube Check Valve),다이아후램 체크밸브(Diaphragm Check Valve)
버터후라이밸브(Butterfly Valve)
ANSI 규정(산업용)(For Industrial Purpose)
메탈 시티드(Metal Seated High Performance Butterfly Valve, HPBV)
프랜지 타입(Flange Type)
크로스 볼티트 웨이퍼 타입(Cross Bolted Wafer Type)
웨이퍼 타입(Wafer Type)
소프트 시티드(Soft Seated)
프랜지 타입(Flange Type)
크로스 볼티드 웨이퍼 타입(Cross Bolted Wafer Type)
웨이퍼 타입(Wafer Type)
AWWA 규정(수도관개용)(For Water Works Purpose)
프렌지 타입(Flange Type)
크로스 볼티드 웨이퍼형(Cross Bolted Wafer Type)
프러그 밸브(Plug Valve)
테이퍼드 프러그(Tapered Plug Valve)
루브리케이트 타입(Lubricated Plug Valve)
논 루브리케이트 타입(Non-Lubricated Plug Valve)
실린드리컬 프러그(Cylinderical Plug Valve)
엑씬트릭 프러그(Eccentric Plug Valve)
볼 밸브(Ball Valve)
프로팅 볼(Floating Type Ball Valve)
톱 엔츄리(Top Entry Floating Type Ball Valve)
엔드엔츄리(End Entry Floating Type Ball Valve)
트러니온 볼(Trunnion Type Ball Type)
싱글 터러니온(Single Trunnion Type Ball Type)
더블 트러니온(Double Trunnion Type Ball Type)
싱글 시티드 오 에스 앤 와이(Single Seated Outside Screw and Yoke Type Ball Valve)
소프트 다이아프램밸브(Soft Diaphragm Valve)
웨어형(Weir Type Soft Diaphragm Valve)
관통형(Straight-Through-Flow Type Soft Diaphragm Valve)
핀치형(Pinch Type Soft Diaphragm Valve)
나. 유량조절용(Flow Throttling)밸브
게이트 밸브(Gate Valve)
유량조절이 가능한 게이트 밸브(Throttable Sliding Gate Valve)
브이 오리피스 게이트 밸브(V Orifice Gate Valve)
그로브 밸브(Globe Valve)
디스크 형상에 따른 그로브밸브(Globe Valve Classified by Disc Type)
급개형 디스크(Quick Opening Type Disc)
디스크-시트 구조(Disc and SEAT)
톱 가이드형(Top Guide Type)
바디 가이드형(Body Guide Type)
바텀 가이드형(Bottom Guide Type)
케이지-프러그 구조(Cage and Plug)
선형 디스크(Linear Flow Type Disc)
디스크-시트 구조(Disc and Seat by GUide Type)
싱글 포트 디스크-시트(Singer Port Disc-Seat)
톱 가이드형(Top Guide Type)
일체형(Singer Body)
멀티오리피스 레스트릭숀(Multi-Orifice Restrication)
멀티벨로시티 헤드로스형(Multi-Velocity Head Loss Type)
분리형(Split Body)
바디 가이드형(Body Guide Type)
케이케이드형(Turbo-Cascade Type)
바텀 가이드형(Bottom Guide Type)
더블 포트 디스크-시트(Double Port Disc-Seat)
톱 앤 바텀 가이드형(Top & Bottim Guide Type)
디스크-시트 구조(Disc and Seat by Disc Type)
일반형(General Type)
멀티 브이 포트 디스크(Multi V-Port Disc)
케이지-프러그 구조(Cage and Plug)
밸런스트 프러그(Balanced Plug)
일반형(General Type)
레비린스 형(Labyrinth Type)
슬롯티드 케이지(Slotted Cage)
멀티 퍼포레이트 케이지(Multi-Perforated Cage)
멀티 오리피스 케이지(Multi-Orifice Cage)
언밸런스트 프러그(Unbalanced Plug)
일반형(General Type)
레비린스 형(Labyrinth Type)
슬롯티드 케이지(Slotted Cage)
멀티 퍼포레이트 케이지(Multi-Perforated Cage)
멀티 오리피스 케이지(Multi-Orifice Cage)
스템-디스크 일체형 구조(니이들 밸브:Niddle Valve)
등비율형 디스크(Equal Percentage Flow Type Disc)(선형 디스크 구조 체계와 동일)
혼합용 그로브 타입 제어밸브(Mixing Control Valve)
밸브 몸체 형상에 따른 구분(Globe Valve Classified By Body Type)
일반 티 그로브(General T-Type Globe Valve)
와이 그로브(Y-Type Globe Valve)
앵글 그로브(Angle Type Globe Valve)
와이 앵글 그로브(Y-Angle Type Globe Valve)
버터후라이밸브(Butterfly Valve)몸체 구성은 앞의 "가"항과 동일
정규 로타리 운동 버터후라이 밸브(Regular Rotary Butterfly Valve)
오프셋 디스크 버터후라이밸브(Offset Disc Butterfly Valve)
캔티드 디스크 버터후라이밸브(Canted Disc Butterfly Valve)
프러그밸브(Plug Valve) -몸체 구성은 앞의"가"항과 동일
엑쎈트릭 실린드리컬 프러그(Eccentric Cylindrical Plug)
엑쎈트릭 디스크 프러그(Eccentric Disc Plug)
스로틀링 프러그(Throttling Plug)
실린드리컬 프러그(Cylindrical Plug)
테이퍼드 프러그(Tapered Plug)
케이지 프러그(Cage Plug)
볼밸브(Ball Valve)-몸체 구성은 앞의"가"항과 동일
유량특성별 세크멘티드 볼밸브(Characterized Segmented Ball Valve)
급개형(Quick Openning Type)
선형(Linder Type)
등비율형(Equal Percentage Type)
브이 포티드 볼밸브(V-Ported Ball Valve)
선형(Linder Type)
등비율형(Equal Percentage Type)
소프트 다이아프램밸브(Soft Diaphragm Valve)
웨어형(Weir Type Soft Diaphragm Valve)
관통형(Straight-Through-Flow Type Soft Diaphragm Valve)
핀치형(Pinch Type Soft Diaphragm Valve)
다음으로 밸브의 유체제어를 위한 밸브 구동부의 구동특징 즉, 밸브의 스템 및 스템 조작 특징에 의한 밸브를 구하면 다음과 같다.
밸브 스템은 밸브를 열고 닫을 때 그 조작력을 전달하는 매우 중요한 밸브의 구성부품이다.일반적으로 디스크의 상하운동에 의하여 유체를 제어하는 구조를 가진 게이트 및 그로브 밸브는 스템의 길이가 길며, 디스크의 조절을 원활하게 하기 위하여 일부 특수한 장치(거의 선형운동을 하는)를 가진 자동 구동장치부의 제어밸브류와 같은 것을 제외한 수동조작 모타구동장치부의 밸브 스템은 사각의 나사를 채용하고 있다.
이 스템 즉, 밸브 핸드휠의 조작렬에 대한 사항은 추후에 자세히 설명하기로 하고 여기서는 스템의 구분(구동부의 구동특징)조작특성을 밸브 종류별로 구분한다. 밸브 디스크의 상하운동에 의하여 유체를 제어하는 구조의 밸브는 통칭하여 "Quater Turn"밸브라고 한다. 이외에 체크밸브와 같이 자체적으로 유체력에 의해 계폐동작을 하는 "Self Actuating"밸브가 있다.
<표> 생략
2.1.1 밸브의 구조형식
(1)게이트 밸브
개폐용(ON-OFF제어)밸브의 대표적 밸브이다. 게이트 밸브는 호칭직경 3/8″부터 36″까지(또는 이 이상도 제작가능하다.) 압력-온도 등급도 ANSI CLASS로 150LBS에서 4500LBS까지 선택의 폭이 매우 넓다.
밸브의 구조 형식 및 형태는 다음과 같다.
솔리드 또는 홀로우 형식의 디스크(SOLID OR HOLLOW GATE VALVE)
밸브의 시팅 구조상 가장 튼튼한 구조이나 밸브의 열 팽창과 배관작용력에 대한 디스크에서의 흡수 여유가 없기 때문에 밸브 디스크가 상온 이외의 사용에서는 고착 또는 누설 가능성이 높아진다. 따라서 이러한 구조의 게이트 밸브는 통상 호칭직경 4″이하, 사용온도 100″이하의 수동 소형 게이트밸브에 적용된다.
일반적으로 ANSI CLASS 2500까지 제작가능하지만 고압.고온 서비스인 경우 밸브 몸체에서의 열변형에 의한 고착 또는 누설에 각별히 유의 하여야 한다.
현재 국내 밸브제작사중 극히 일부 회사만이 ANSI CLASS 4500급까지 제작경험이 있으나 스프링 LOADED PARALLEL DISC TYPE에 비하여 수명이 떨어진다.
후렉시블 왯지 디스크(FLEXIBLE WEDGE GSTE VAVE)
디스크의 시팅(SEATING)면에서 어느 정도의 유연성을 갖고 있음으로 팽창 및 배관의 작용력에 대응할 수 있으며 아울러 다스크가 쐐기 형식으로 시트면에 작용함으로써 내누설 특성이 좋다.따라서 FLEXIBLE WEDGE게이트 밸브는 이러한 시팅 구조상12"를 넘는 대형일 경우에는 동력에 의한 밸브 계폐장치(POWER ACTUATOR)가 권고되며 통상 사용온도200℉(93℃)이하의 호칭직경 4″를 넘는 중대형 밸브에 적용된다. 이 밸브는 ANSI CLASS로 150~2500까지 제작되며 현재 국내에서는 특히 고온 고압용(ANSI CLASS 1500 이상)밸브는 단 2개사 만이 제작할 수 있다.
분리형 디스크(SPLIT WEDGE GATE VALVE)
FLEXIBLE WEDGE디스크와 유사하나 디스크가 완전히 분리되는 구조이다. 디스크의 연결은 단순히 기계적인 고리를 이용하거나 스프링등의 보조를 받아 구성된다. 이러한 밸브는 FLEXIBLE WEDGE게이트 밸브와 같은 범주로 취급되나 배관의 굽힘등 배관작용력에 보다 신축성 있게 대응할 수 있어서 비교적 높은온도(90℃~)에 사용되며, 밸브의 크기는 통상호칭직경 4"이상의 중형밸브에 적용된다. 그러나 이러한 밸브는 다음의 더블 디스크 게이트 밸브의 장점에 비하면 적용사의 잇점이 적기 때문에 널리 쓰이지 않는다.
더블 디스크( DOUBLE DISC GATE VALVE)
통상 DOUBLE DISC게이트 밸브는 디스크가 평행한 구조를 가진 것을 특징으로 한다. 따라서 대형의 고온 고압용 밸브는 이러한 구조를 많이 갖고 있으며 일명 DOUBLE DISC PARALLEL 케이트 밸브라고도 한다. 주로 대형 밸브에서 많이 채용되며 사용온도가 100℃를 넘는 경우에 사용된다.
이 밸브는 시팅 구조상 계통이 가압상태이어야 밸브의 내누설 특성이 좋아지는 구조 즉, 계통압력이 한쪽면을 가압함으로써 이 가압력에 의하여 기밀이 유지되는 구조임으로 계통압력이 낮은 경우에는 상대적으로 시팅 효과가 떨어진다. 따라서 이의 보완책으로 평행된 두 디스크사이에 스프링을 이용 가압력을 보완하는 경우도 많다.
밸브 운전시 유의할 사항의 하나는 닫을 때보다 열릴 때가 보다 많은 힘을 필요로 하는 경우가 았음으로 계통의 운전 상태를 고려한 밸브 선정이 필요하다.
따라서 고온의 운전상태하에서는 가능한 한 고온상태에서 밸브를 열고 닫아야 한다. 아울러 두 개의 평형된 디스크는 정밀하게 가공되어야 하며 계통압력이 높아질수록 디스크면에 작용하는 면압의 효과를 극대화할 수 있도록 두 시트면의 평행도 및 가공 정밀도는 엄격하게 관리되어야 한다.
현재 국내에서는 아직 미개발 분야이다. 나이프 게이트 밸브(KNIFE GATE VALVE)디스크의 형태가 날카로운 칼날 모양의 원형구조이다. 따라서 설계는 매우 콤팩트(COMPACT)한 구조로 설계되며, 배관계통에 있어서도 설치 및 보수 운전공간을 절약할 수 있다. 주로 상온의 낮은 압력하에서 스러리(SLURRY:찌거기)등이 있는 유체를 제어할 때 많이 쓰인다.따라서 KNIFE GATE VALVE에서의 엄밀한 내누설을 요구할 수 없다.
(2)그로브 밸브(GLOBE VALVE)
그로브 밸브는 유로의 차단 또는 유량의 조절용으로 사용된다. 게이크 밸브에 비하여 유체의 제어적인 즉, 압력조절, 유량조절, 유로 차단등이 우수하나 밸브구조의 복잡함과 이에 따른 구조적 불안정으로 인하여 밸브 크기는 기술적, 경제적으로 제한을 받는다. 따라서 글로브 밸브는 통상적으로 특수한 경우를 제외하고는 호칭직경 12″를 넘는 대형의 그로브 밸브는 수동 조작의 경우가 매우 드물고 대부분 모타 구동 또는 유공압을 이용한 동력 구동밸브이다.
그러나 호칭직경 2″이하의 그로브 밸브는 유로차단(ON-OFF)과 스로틀링(THROTTLING)이 가능하며 특별히 비록 ON-OFF라 할지라도 계통 특성이 고압의 경우에는 소형 게이트 밸브보다 그로브 밸브를 선택하는 것이 합리적이다.
그러나 그로브 밸브 유로 차단용(SHUT OFF)으로 사용할 때는 밸브의 디스크 하부로부터 계통 압력이 작용함으로 닫힘에 요하는 힘이 게이트 밸브의 4~5배 이상에 이르며, 내부 구조가 복잡하여 온도가 변화하는 상태하에서는 열팽창의 비 대칭성으로 인하여 내부 누설의 가능성이 있음으로 보다 큰 힘의 밸브 개폐력 즉, 구동장치의 크기가 커야 한다. 그로브 밸브는 통상 호칭직경 3/8″~12″범위로 제작되며 압력-온도 기준으로 4500LBS까지 제작된다.
밸브의 형식 및 형태는 외양으로서 T, YDIDRMF 및 Y-앵글 형태가 있으며 스템의 구성 형식상 특수하게 스템 패킹으로부터의 누설을 방지하기 위한 팩레스(PACKLESS-HERMETICALLY SEALED, BELLOWS SEALED)밸브등이 있으며, 아울러 그로브 밸브의 디스크 및 시트의 설계방식에 따라 스템과 디스크 및 시트의 설계방식에 따라 스템과 디스크의 일체형과 분리형이 있으며 대부분이 분리형 구조를 체택하고 있다. 또한 디스크의 형상은 BALL TYPE, 조립식, PLUG TYPE, NEEDLE TYPE등이 있으며 디스크 및 스템의 안내방식에 따라 TOP GUIDED(고압용), BODY GUIDED(고형, 소형용) 및 BOTTOM GUIDED(저압용 -150LBS~300LBS)가 있다. 다음의 그림 16, 17, 18 및 그림 19에 대략적인 글로브 밸브의 구조형상을 표시하였다.
(3)체크밸브
체크 밸브는 배관계통 구성에 있어서 계통의 운전 상태에 따라 자력으로 계폐하는(SELF ACTUATING)유일한 밸브이다. 따라서 다른 밸브와는 달리 한번 설치하면서 유지, 보수 등의 문제를 간과하기 쉬운 밸브이므로 최초선정에 주의를 요한다. 체크밸브는 외양 및 작동 측성별로 스윙체크, 리프트체크, 틸팅 디스크 체크, 홀딩디스크 체크, 인라인 체크, 스톱 체크로 대별할 수 있으며, 가장 대표적인 체크 밸브는 스윙 체크 밸브이다. 밸브의 크기는 거의 제한이 없으며 설계 형식 또한 매우 다양하다.체크 밸브 선정에 있어서 무엇보다도 중요한 것은 밸브에 있어서 압력 강하량의 크기문제, 체크밸브 사이의 유체흐름 속도의 문제, 밸브의 설치 위치와 누설한계 등의 문제 및 계통 특성상 체크밸브의 닫힘 시간의 문제를 고려한 후에 체크밸브의 형식을 결정하여야 한다. 이에 대한 보다 구체적인 설명은 추후 기술하기로 한다.
스윙체크밸브(SWING CHECK VALVE)
체크 밸브중에서 가장 널리 많이 쓰이고 있는 형식으로서 간단한 구조와 신뢰성 있는 동작을 특징으로 한다. 외양에 따른 형태는 T형, Y형 및 웨이퍼(WAFER)형이 있으며 T형이 대부분이다. 디스크와 시트의 접촉 형식은 금속 대 금속, 금속 대 탄성질의 합성고무, 금속 대 합성고무링이 삽입된 금속판으로 접촉된다.
스윙의 각도는 0。~45。로 설계되며 수평 설치시를 고려하여 5。~7。만큼 전방행으로 경사시켜야 한다. 유체의 역루에 의한 순간 닫힘시(SLAMMING)디스크의 운동량을 적게하면 급폐가 용이하여 수격현상을 감소시킬 수 있으므로 스윙의 각도는 밸브에서의 마찰로 인한 압력손실이 허용하는 범위내에서 적게하면 좋다. 단점으로는 슬램(SLAM)현상과 불규칙한 유체흐름시 디스크의 빈번한 운동으로 힌지 핀의 마모가 예상되며 밸브 구조상 완벽한 기밀 유지가 곤란하다는 점이 있다. 스윙 체크 밸브에서의 입력 강하량은 계통 설계 측면에서 낮을수록 좋지만 대략 다음식으로 압력강하량 정도를 예측한다.
ΔP=3228(1/ρ)(M/Cv)2=2.238(1/ρ) (m/Af)2
여기서 ΔP=Psi
ρ=유체의 밀도(1b/ft3)
m=질량유량(1b/sec.)
Cv=밸브의 유량 계수(gpm/√psi)
또한 스윙 체크 밸브에서 원활한 운전을 위하여 요구되는 최소 흐름속도는 이론적으로 다음과 같은 식으로 표시된다.
Vmin=45.68(w.cosθ)/(P.A.sin2θ)0.5
여기서 W=디스크 아암 무게의 0.5배와 디스크 무게를 합한 값(1bf)
A=디스크의 면적(inch2)
θ=유로 충돌면의 각도
리프트 체크 밸브(LIET CHECK VALVE)
스윙 체크 밸브에 비하여 유체의 속도가 비교적 빠른 조건에서 사용하며 내누설 특성이 양호하다. 그로브 밸브의 외양과 비슷하며 디스크 모양에 따라 피스톤(or POPPET)형식과 볼 형태의 것이 있다. 그러나 단점으로는 디스크와 안내면에서의 고착 가능성 과 디스크의 빠른 자전(SPINNING), 그리고 대구경의 경우에는 평형관이 필요하게 된다.
틸팅디스크밸브(TILTING DISC CHECK VALVE)
스윙체크밸브가 밸브 디스크의 개폐 속도 및 유량 변화에 신속히 대응하는데 부족한 반면 리프트 체크 밸브는 아에 비교적 양호한 특헝을 갖고 있다. 그러나 압력손실의 정도, 보수성 및 내수설에 대한 구조로 보아 스윙 체크밸브는 매우 양호한 특성을 갖고 있음으로 스윙 체크 밸브와 리프트 체크밸브의 장버을 절충하고 아울러 슬램(SLAM)에 의한 영향을 최소화시킨 구조의 밸브
가 틸팅 디스크 체크밸브(TILTING DISC CHECK VALVE)이다. 이 체크밸브도 가능한한 균일한 흐름이 예상되는 곳에서의 사용을 권장한다.
홀팅디스크 체크 밸브(FOLDING DISC CHECK VALVE)
홀딩 디스크 체크 밸브의 가장 큰 특징은 밸브가 매우 콤팩트하다는 것이다.
디스크를 스프링의 힘으로 유지하므로 스프링의 상수를 조절하면 디스크의 열림 최소요구 속도를 조절할 수 있으며, 또한 매우 미세한 차압상태에서도 개폐를 할 수 있어서 계통의 요구사항대로 설계가 가능하다. 물론 스프링의 힘을 이용하기 때문에 디스크의 급폐(急閉)성이 양호하다. 기타 앞에서 설명한 체크 밸브 이외의 것으로는 리프트 체크 밸브 형식의 인-라인(IN-LINE)체크 밸브와 스톱 밸브와 리프트 체크 밸브를 결합한 스톱 체크 밸브가 있다.
체크 밸브의 설치 위치 및 유로 방향이 밸브 기능에 미치는 영향은 다음과 같이 요약한다. 스윙 체크밸브:수평 또는 수직, 수직배관에 설치시에는 밸브의 최소 흐름 속도에 디스크의 최대 열림각도(45。이하)만큼을 고려한다.
즉,Vmin, vert.=( Vmin.horize.)(tamθ)0.5
또한 밸브의 힌지핀에 중추(COUNTERWEIGHT)를 이용하면 계통 특성에 따라 디스크의 열림 최대흐름 속도를 조절할 수 있다.
.리프트 체크 밸브
TEE TYPE-수평
WYE TYPE-수평/수직, 수직설치시 스프링을 사용하면 효과
ANGLE TYPE- 밸브입구는 필히 수직 배관
.틸팅 디스크 체크 밸브:수평
.홀딩 디스크 체크 밸브:수평/수직, 그러나 한지핀은 필히 수직방향
.인-라인 체크 밸브:수직(드물게 수평), 내부 점검을 위한 배관분리가 요구됨
.스톱체크밸브
TEE TYP
E-수평
ANGLE TYPE- 밸브 입구는 필히 수직 배관
WYE TYPE-수평/수직
경사형(INCLINED)-수평
그림8.9생략
볼 밸브의 설계
볼 밸브의 구조에 있어서 가장 유의할 부분은 내누설 구조를 위한 밸브 시팅 및 씰링구조이다. 이 시팅구조는 볼을 감사는 볼 시팅의 씰링과 스템의 씰링이 있다. 특히 밸브 내부누설을 완벽히 방지하기 위해서는 볼 씨팅의 씰링과 스템의 씰링이 있다. 특히 밸브 내부누설을 완벽히 방지하기 위해서는 볼 씰링재료의 물성 즉, 탄성력(Resilient)와 윤활성 및 내온도성이 중요시되며, 씰링재료가 합성수지일 경우에는 밸브의 사용온도가 800℉ 이하로 제한된다.
다음은 볼 밸브의 선정에 있어서 가장 유의깊게 검토하여야 할 볼 씨팅 실링 재료의 허용 최고 사용온도표이다.
(6)프러그 밸브(PLUG VALVE)
프러그 밸브는 구조가 간단하고 조작의 간편성으로 밸브의 발명이래 현재까지 가장 널리 쓰이는 밸브중의 하나이다. 프러그 밸브라는 명칭은 밸브 구조가 테이퍼진 원통 모양의 프러그로서 이 프러그에 원형 또는 사각형의 구멍의 프러그로서 이 프러그에 원형 또는 사각형의 구멍을 내고 이 프러그를 90℃회전함에 따라 유체의 흐름을 차단 또는 조절하는데에서 유래하였으며 매우 광법위하게 사용되고 있는 밸브이다. 다음의 그림은 전형적인 프러그 밸브의 구조를 보여주고 있다.
프러그 밸브는 거의 밸브 크기에 제한을 받지않고 생산이 가능하다. 즉, 크기로 보아 1/2〃부터 30〃까지 다양한 재질로 제작되고 있으며, 구조상 12 〃를 초과하는 대형의 프러그 밸브의 프러그 구동상 윤활이 요구되고 있는게 특징이다. 압력 등급기준으로서 상온 상태하의 압력으로는 175psig~1500psig(12~103Bar)까지 제작 가능하다. 그러나 밸브의 트림 구조상 씨링이 절대 필요함으로 고온에서의 사용은 통상400℉이하이어야 한다.
프러그 밸브는 기본적으로 다음의 두가지 방식으로 제작된다.
①윤활 형식(lubricated type)
②비윤활 형식(non lubricated type)
또한 프러그 밸브의 테이퍼 모양에 따라 프러그의 조립 및 보수를 밸브 상단에서 하는 경우 테이퍼가 아래쪽으로 된 하향경사형의 프러그 밸브와 반대로 프러그 밸브 하부에서 조립/보수를 하도록 설계된 상향경사형의 프러그 밸브가 있다.
그러나 중소형의 대부분 프러그는 하향경사형의 프러그 밸브이다. 윤활형식의 프러그 밸브는 윤활이라는 용어로 인하여 밸브에 정말 윤활유를 주입하는 것으로 혼돈하기 쉽다. 그러나 실상은 별도의 윤활유의 주입을 필요로 하는 밸브가 아니라 밸브 구조상 프러그와 밸브 몸체간의 내부 누설, 밸브 트림과 스템간의 외부 누설을 방지하기 위하여 프러그와 밸브 몸체와의 원형 홈(그루브:groove)에 O-링(O-RING)과 같은 씰란트(SEALANT)를 삽입시킨 것으로 이 실란트가 프러그와 몸체간의 금속 마찰을 피하면서 부드럽게 작동함으로 이를 윤활 형식(lubricated type)이라고 한 것 이다. 씰란트는 대부분 엘라스토머(ELASTOMER)로 튜브형 또는 스틱(STICK)형으로 제작되며 약 400℉까지는 안전하게 사용할 수 있다. 이와 반대로 배윤활 형식은 매끄럽게 가공된 프러그와 밸브 몸체사이의 마찰을 엘로스토머 라이너(LINER)또는 씰 재로로서 자체적으로 해결하는 구조로서, 밸브의 크기가12〃까지 제한된다.
밸브가 12〃가 넘는 대형의 프러그 밸브는 윤활 형식의 구조를 가져야 한다. 프러그 밸브의 몸체 형식은 다양한 설계형식을 갖고 있다. 즉, 밸브 외관으로 보아
·SHORT PATTERN
·REGULAR PATTERN
·VENTURI PATTERN
·MULTIPORT PATTERN:2-WAY, 3-WAY, 4-WAY, 5-WAY
등으로 구분할 수 있으며, 접속단 형식도 다른 밸브와 같이 다양한 형식을 갖고 있다. 단, 프러그 밸브를 용접 설치할 때는 볼 밸브와 마찬가지로 프러그를 제거한 후에 용접하는 것이 바람직 하다.
프러그 밸브의 설계상 주요관점
프러그 밸브에 있어서 설계상 주요 관점은 볼 밸브와 마찬가지로 시팅 및 스템의 씰링 문제이다. 그러나 프러그 밸브의 프러그와 밸브 몸체간의 시팅은 이차적인 시팅구조를 만들 수 없기 때문에 비윤활 형식의 프러그 밸브는 시팅 구조를 만들 수 없기 때문에 비윤활 형식의 프러그 밸브는 시팅 구조로 탕성이 좋은 엘라스토머등으로 라이닝 한 구조로 구성되며 따라서 밸브의 크기는 12〃까지로 제한한다. 아울러 이러한 시팅 구조로 인하여 밸브 개폐에는 많은 토오크가 소요되어 통상적으로 4〃이상의 프러그 밸브는 기어열의 도움을 받는 작동기 (Geared Actuator)가 필요하다. 탄성이 좋은 엘라스토머(Resilient Material)는 소형의 비윤활형 프러그 밸브에서 스리이브라이너로서 TFE(350), FEP(300)가 널리 사용되고 씰 및 와샤 재료로서 TFE, TEFLON(400) 및 VITON(400)가 쓰인다. 스템 씰링은 프러그 밸브의 형식에 따라
·O-Ring Seal
·가압형 씰란트 챔버(Pressure Packed Sealant Chamber)
·금속/TFE조합 다이아 후람(Combination Metal/TFE Diaphragm)등이 많이 쓰인다.
프러그 밸브의 응용
일반의 프러그 밸브는 양방향의 유체 흐름을 허용 하지만 3-WAY, 4-WAY, 5-WAY 프러그 밸브는 제작가사 흐름 방향을 지정한다, 프러그 밸브는 공기, 가스, 기름은 물론 기름 혼합물과 같은 액체 스러리(Liquid Slurries)까지도 완전한 기밀(Bubble Tight)을 유지하며 개폐조작이 가능한 밸브로서 매우 다양하게 사용된다. 특히 프러그 밸브는 스러리의 집적을 도모하지 않는 구조이기 때문에 불순물이 개제된 액체계통에 널리 쓰인다. 이는 프러그의 개폐동작 자체가 집적된 불순물을 자동적으로 제거하기 때문이다.
프러그 밸브는 원칙적으로 유량조절용으로는 부적합하지만 프러그의 유로 통과 부분의 형상을 개선하여 유량조절이 가능하도록 한 프러그 밸브도 있다. 그러나 통상의 프러그 밸브도 유량조절의 정밀도가 그다지 중요하지 않을 경우에는 유량 조절도 가능하다. 단지 윤활 형식의 프러그 밸브는 절대로 유량 조절용으로 사용해서는 안된다. 왜냐하면 프러그 포트큰처의 씰란트가 유로에 노출될 수 있으며, 아울러 노출된 씰란트가 유체속도에 의하여 점진적으로 씰란트의 기능을 상실하게 할 우려가 있기 때문이다.
다이아후람 밸브는 탄성력이 매우 좋은 합성수지 또는 금속으로 다이아후람을 만들고 이를 밸브 몸체의 유로를 수직의 선형 운동으로 차단하여 유체의 흐름을 제어하는 밸브로서 밸브의 주요 트림 재료로서 다이아후람을 채용하였기 때문에 다이아후람 밸브라고 부른다.
이 다이아후람 밸브는 기본적으로 3가지 구성요소(Part)로 구성되어 있는데 밸브 몸체, 다이아후람 및 밸브 본네트로 구성된다. 이 밸브는 구조가 매우 간단하고 밸브 몸체 및 트림부의 금속부를 유체로부터 완저히 격리시킬 수 있어 부식성 액체를 많이 취급하는 화학공장(Chemical Plant)에 많이 쓰인다.
그러나 트림을 구성하는 다이아후람이 구조 및 재질상의 제한 때문에 고온고압 계통에의 적용은 곤란하며 운전중의 제반 피로와 다이아후람 재질의 열화에 따른 강도 저하로 주기적인 다이아후람 교체가 요구되는 밸브이다. 아울러 다이아후람 밸브는 밸브의 구성 형식에 구애받지 않으므로 Y-형, T-형, ANGLE형 및 공기압 작동식의 다이아후람 액츄에이터를 장착할 수 있다, 이러한 밸브형식의 다양성가 아울러PTFE(Non-Elastic Fluoropolymer)등으로 밸브 내부를 초청정상태로 유지할 수 있어 반도체공장용의 순수 가스 및 물라인, 제약회사등의 고순도 유체관리가 필요한 프로세서에 핵심적인 밸브로 사용된다.
다음 그림은 기본적인 다이아후람 밸브의 외관이다. 다이아후람 밸브의 크기는 현재1/4〃에서 20〃범위까지 생산이 가능하다.
일반적으로 가능한 다이아후람 밸브의 크기는 다음과 같다.
밸브의 접속다 형식
나사 체결식
나사 체결식
소켓용접형
맞대기 용접형
프랜지 체결식
다이아후람 밸브의 크기
1/4〃THUR.3〃
1/2〃THUR.2〃(프라스틱제)
1/2〃THUR.2〃
1/2〃THUR.8〃
1/2〃THUR.20〃(주철제)
1/2〃THUR.8〃(가단주철 및 청동)
1/2〃THUR.10〃(주강제)
다이아후람 밸브의 몸체 형식
다이아후람 밸브는 유로 흐름을 양방향으로 할 수 있으며 다음의 기본적인 두가지 형식으로 제작된다.
·웨어형(Weir-Type):밸브 몸체 하부에 웨어를 만들어 다이아후람의 운동량을 적게하고 아울러 다이아후람의 구조적 건전성을 높인 것으로 밸브가 비교적 콤팩트하다. 따라서 다이아후람 밸브의 대부분은 웨어형이고 특히 2〃가 넘는 밸브는 거의 모두가 웨어형을 채택하고 있다.
·관통형(Straight-through-Flow):밸브몸체의 유로부가 어떠한 간섬이 없는 관통형으로서 밸브에서의 압력 손실을 국소화한 구조이나 밸브 개폐에 필요한 다이아후람의 운동량이 많고 따라서 밸브의 본네트가 웨어형에 비하요 크게 됨으로 상대적으로 2〃이하의 소형에 사용된다 밸브의 건전성이 떨어짐으로 제한된 규모로 사용(제작)된다.
밸브 몸체의 모양은 T형과 앵글형이 있으며 접속단 형식 또한 다른밸브와 마찬가지로 다양한 접속단 형식을 갖고 있다.
설계상 주요 관점
다이아후람 밸브에 있어서 가장 중요한 구성요소는 다이아후람이다. 다이아후람은 밸브 트림의 핵심으로서 내부 누설이 없는 완벽한 유로차단(Bubble Tight Shutoff)과 다이아후람의 파손이 없는 즉, 외부 누성이 없는 구조 및 재질이어야 한다. 특히 여타 밸브와는 달리 다이아후라의 재질은 매우 중요한 것으로서 밸브의 건전한 운전을 위하여 수명기간동안 충분한 신뢰를 가져야 한다. 다이아후람의 재질로 보아 제작 가능한 다이아후람밸브의 크기는 다음과 같다.
다이아후람 밸브의 몸체는 PVC등과 같은 합성수지로부터 고가의 티타늄가지 매우 다양한 재질을 응용할 수 있으며 특히 밸브내부를 라이닝하기가 그 어떤 밸브보다도 용이한 것을 특징으로 한다.
다이아후람 밸브의 응용
다이아후람 밸브는 배관계통에서 거의 대부분을 스톱밸브로 사용된다. 또한 밸브 몸체의 구성재료의 선택이 자유롭기 때문에 반도체 산업에서 쓰이는 순수(Pure Water)에서부터 찐득찐득한 오염액체, 불순물을 다량 포함하고 있는 부식성액체의 수송용 밸브는 물론 개스 수송용 밸브에까지 선택의 폭이 넓다. 그러나 사실 이 밸브는 상대적으로 좋은 유체제어 특성을 가질 수 있어 적절한 재질의 다이아후람을 사용할 경우에는 유량제어용 밸브로도 사용할 웃 있다.
그러나 다이아후람의 재질상 사용 가능한 압력은 다른 밸브류에 비하여 매우 낮으며, 밸브의 크기가 커질수록 다이아후람에서 부담해야 하는 유체압려게 의한 힘은 거의 지겨의 제곱에 비례하기 때문에 이 밸브를 배간계통에 적용하고자 할 때는 계통설계자(System Engineer)와 밸브제작자의 충분한 협의가 필요하다.
이는 고온운전시 뿐만아니라 저온운전시에도 배관계통의 압력이 200Psia를 넘을 때에는 필히 밸브제작사와 협의하여 밸브를 선정하고 가능하면 운전상 유의사항도 자문하여 주어야 한다. 한 예로 미국의 유명 다이아후람 밸브 제작사인 ITT-Grinnell사의 기준은 다음의 표와 같다. 표에서 박스안의 값 단위는 psia 이다.
(8)기타 밸브류
기타 밸브로는 일반적으로 유체제어에 널리 사용되지 않지만 특수 목적 또는 제작 및 사용상의 요구가 매우 간단한 경우에는 그 경제성 때문에 일부 사용되는 밸브로서 전자와 같은 경우에는 앞서 언급된 게이트 밸브등 7종류의 밸브를 일부 변형하여 제한된 특수 목적에 사용하는데, 특수 목적의 대부분은 유체제어의 방법과 내부 기밀유지로 요약된다.
특히 프러그 밸브의 경우 트림의 모양을 원형(Prototype)의 프러그를 완전히 변형한 형식인 에센트릭(Eccentric)프러그 밸브를 대표로 들 수 있다.
이 밸브는 에센트릭 프러그의 모양에 따라 유체 르므의 특성을 사용자 요구에 맞게 제어할 수 있다. 다음 그림은 에센트릭 밸브의 운전형식을 보여주고 있다.
핀치(Pinch)밸브는 원통형상의 엘라스토머(Elastomer)로 구성된 스리이브를 금속제의 밸브몸체에 끼우고 몸체 중간에서 스리이브를 누름으로 스리이브를 통하여 흐르는 유량을 제어할 수 있다. 스리이브를 누르는 형상이 영어로 PINCHING이라고 함으로 이러한 밸브를 핀티밸브라고 한다.
밸브 구조가 너무 간단하고 유로 부분이 자연스럽게 교축됨으로 밸브에서의 저항 즉 압력손실이 적다. 밸브 구조상 사용온도는 엘라스토머의 재질에 제한받게 마련이며 스리이브의 코아를 강철코드(steel cord)나 화이바그라스(유리섬유:fiber glass)로 보강되었을 경우 40℉까지 가능하나 사용 압력은 밸브 사이즈에 따라 다르게 됨으로 밸브제작사의 자문을 받아야 한다.
그러나 사용온도는 아무래도 200℉이하인 대기압에서의 물의 비드점 이하에서 사용하는 것을 추천한다. 다음 그림은 핀치 밸브의 운전 모양을 보여주고 있다. 이스라엘 MIL사는 1976년부터 핀치밸브의 스리이브내에 코아형의 지지대를 설치하고 배관계통의 유체압력평형(Balance)를 이용하여 밸브를 손쉽게 개폐조작하느느 상품명 INBAL 밸브를 소개하고 있다.
이 밸브는 특별히 소방배관과 같은 경우에는 계통의 압력응답이 좋기 때문에 해외에서는 청수의 소방배관, 농장의 스프링쿨러 배관 및 공공시설의 급수배관의 주 조작밸브로 사용하는 사례가 적지 않다. 다음 그림은 INBAL밸브의 운전조작 특성을 보여주고 있다. 다음의 밸브는 피스톤 또는 변위형밸브(Displacement Valve)로 알려져 있는 미국 Fetterolf사의 특수 밸브이다. 이 밸브는 일반적으로 램 밸브(Ram Valve)로 알려려 있는데 탱크의 바닥이나 배관라인에 밸브 디스크(디스크 형상이 Piston 식임)안내면이 직각으로 되게 설치된다. 이 밸브는 특히 배관라인이나 탱크의 배수에 탁월한 효과를 가진다.
2.2 밸브에 있어서 유체역학
밸브는 유체계통은 제어하는 최종의 제어요소(FINAL CONTROL ELEMENT)로써 계통의 압력, 온도 및 유량을 바로미터로 하여 유체계통을 능동적인 형태로 제어한다.
따라서 주요 제어목표는 당연히 물리적인 양인 압력과 유량으로 단순화되어야 할 것이다. 물론 온도의 영향은 필히 고려 되어야 한다. 아울러 유체의 물성(物性) 및 제어환경의 영향이 고려된다. 기본적으로 제어밸브의 유량특성은 유체가 공학적 측면으로 압축성 유체와 비압축성 유체로 대별하여 설명할 수 있으며 또하 여기에 이 두가지 유체가 혼합되어 배관계를 흐르는 이상 유체도 공학적인 측면에서 매우 중요하다.
따라서 현재와 같이 고도화되는 프로세스 플렌트에서는 배관계통의 문제점 대부분이 제어하는 부분에서 유체의 급격한 성질변화-균일 해석가능한 유체에서 불균일하고 해석이 곤란한 二上유체화 등-에 기인한다고 해도 과언이 아니다. 대표적인 사례로써 오리피스후단이나 밸브후단에서의 유체천이현상 등이 있다.
일단 여기서는 우선 제어요소인 밸브의 기본 유체이론으로써 유량특성의 물리적 의미를 간단히 수식으로 표현하요 밸브의 유량제어관계를 이해하고자 하는데 목적이 있다. 밸브에 있어서 제어요소가 구성되는 곳은 밸브의 디스크와 시트이다. 이 디스크와 시트부분은 교축되어 있으며, 이곳의 교축점의 유로 단면적을 인위로 조절함으로써 배관계의 유량과 압력을 조절할 수 있다. 지금 이상적인 유체가 이 교축점을 지날대 m유체의 에너지 방정식을 적용하면 그림 37에서와 같이 V12/2g+H1=V22/2g+H2, V22-V12=2g(H1-H2) 여기서 V1,2=배관계 내의 유체속도, 첨자1은 입구배관, 첨자2는 교축지점 g=중력가속도 H1,2=기준선으로 부터의 위치 에너지의 양(압력수두)
그리고 배관계 내를 흐르는 유량 Q는 일정하므로
Q=A1V1=A2V2
A1,2=첨자1,2지점의 유로단면적
V1=(A2/A1)V2=mV2
따라서 V22-m2V22=2g(H1-H2)
V2=√V2=2g(H1-H2)/1-m2
결론적으로 제어유량은
Q=A2V2=A2√V2=2g(H1-H2)/1-m2
그러나 이 경우는 배관 내를 흐르는 유체의 압력 손실을 전혀 고려하지 않은 이상적인 경우임으로 실제와는 상당한 차이가 있다. 그림 38은 배관계통에서의 손실을 고려한 것으로써 이 손실에 대한 양은 유체출구으 l형상 및 배관내의 제반손실요소에 따라 실험적으로 결정되므로 이론적으로의 접근은 매우 복잡하고 아울러 어렵다. 이 손실의 정도를 손실계수 C1이라고 정의하고 F=1~m3라고 하면 출구의 제어유량은 Q=C1FA2√2g(H1-H2)가 된다.
2.2밸브에 있어서 유체역학
일반적으로 유체역학에서 오리피스의 적용은 전호에서 간단하게 언급했듯이 교축관에서의 수력구배와 급격한 유로단면적의 변화로 생기는 소용돌이 마찰 손실등 에너지 손실을 적극적(Positive)으로 이용한 것이다.
실제로 밸브 디스크와 시트는 분명한 오리피스의 교축과 유사하며 이를 그림으로 표시하면 그림 39와 같다. 오리피스의 목(Throat)바로 하단에 생성되는 유로의 최소단면을 Vena Contracta라고 하는데 이곳에서의 에너지랭을 Hvc라고 하고, 또한 이곳에서의 급격한 교축으로 인하여 소용돌이로 인한, 손실, 속도천이로 인한 속도에너지의 손실 등 많은 손실이 이곳에서 일어난다. 이러한 오리피스에서의 손실의 정도를 계산하기 위하여 새로운 계수 C를 도입하여C=C1(AVC/A0)로 한다. 실제로 Vena Contracta에서의 유속 Hvc 및 단면적 Avc의 계산은 실험적으로 C를 측정하여 정할 수 밖에 없다. H1, HVC, H2의 관계를 압력회복계수 FL로 표현하면 FL=√H1-H2/H1-HVC 이다.
이 FL을 적용하여 제어유량의 식을 정리하면
Q=CFAO/FL√2g(H1-H2)가 된다.
이식을 공학단위로 바꾸면
Q=갤론/분,A0=inch2, H1-H2=ΔP/G 이므로
Q=38.0CFAO/FL라고 정의하면
Q=CV√ΔP/G 가 된다.
이러한 밸브에서의 유량과 CV의 관계신은 1945년경 미국의 유명 제어밸브회사인 MANSONEILAN에서 제시한 아이디어를 구체하시킨 것으로 지금은 ISA(Instrument Society Of America)에서 제어밸브의 기준 Paramerter로 사용되고 있다. CV는 ISA에서 규정한 절차에 따라 실험적으로 측정된다. 이 CV의 특정방법조직은 다음의 그림40과 같다.
이 CV의 의미는 밸브전후의 차압(ΔP)이 1psi에서 1분당 흐르는 유량을 US갤론으로 표시한 값이고 이를 미터단위(유량:m3/Hour, 비중:물=1, 차압:kgf/cm2로 표시하려면 보정계수 1.17를 곱하면 된다.그러나 실제로 Q=CV√Δp/G 의 식은 유체의 속도가 어느정도 이상인, 그리고 밸브 전후의 배관계의 형상은 유체의 흐름에 직접적인 영향을 주게됨으로 밸브를 통한 유량 Q는 다음의 배관형상계수 FP를 도입하여 보정되어야 한다. 즉.
Q=FP CV√Δp/G(us gallon 단위)
Q=0.865FP CV√Δp/G(미터 단위)가 된다.
만약 밸브내의 유동이 비난류로 판정되면 FP의 계산은 더욱 쉬워 진다.
즉 레이놀즈 수를 계산하여 밸브의 FP값을 적용할 수 있다.
자세한 사항은"How Equations for Siging Control Valves ISA-S75.01"를 참조한다. 밸브에서의 통과 유체가 증기나 가스인 경우 계통압력의 변동에 따라 압축되거나 팽창될 수 있어 밸브유량계수의 논리적 설명은 더욱 힘들어 진다.
특히 가스의 경우 압력이 저하되면 팽창이 되므로 팽창계수 Y를 고려한다. 이 Y의 값은 밸브 입구와 포트의 면적비, 밸브내브의 유로 형상, 압력강하비, 비열비 및 리에놀즈 수에 크게 영향을 받는다.
다음의 그림 41은 밸브 및 배관계에 있어서 에너지 구배정도를 설명하는 매우 좋은 예이다. 이 그림에서 각 기호는 물리적량을 표시한 것으로 모두 에너지량이다. 배관계통에 있어서 밸브는 없어서는 안될 중요한 제어요소이다.유량을 조절하거나 차단하고 유체가 정상적으로 흐르는가를 확인하기도 한다.그러나 밸브는 배관계통상에서 원활한 유체 흐름을 방해하는 일종의 저항요소로서의 작용은 피할 수 없다.
이것은 밸브에서의 압력손실을 밸브에서의 압력 손실을 KV로 표시하면
KV=144Δp/ρV2/2g
ΔP=1bf/inch2, V=bf/sec
ρ=유체의 밀도(16m/ft3)
그런데
Cv=Q√G.ΔP이므로
ΔP=KV/144·GV2/2G=G·(Q/CV)2
또는
CV=√G.2G/ρ·(Q/V)12/√KV
그런데
Q(231in3/gal ×1min/60sec ×1f3/1728in3)=AV=πD2V/4×144
여기서
D=배관의 직경 inch
V=배관내 유체속도(ft/sec)
앞의 CV 항과 배관내의 유체유량 (Q)를 한데 묶으면
CV=29.8395 D2/√KV
따라서 우리는 밸브응용에서 중요한 사실 한가지를 여기서 알아낼 수 있게 한다.
즉 밸브제작자로부터 4″의 CV=236인 밸브를 구매하였다면 밸브에서의 압력손실계수는 다음과 같이 계산된다.
KV=29.842(4)4/2362=4.093~4.1이 된다.
물론 배관계통내의 압력, 유속과 유체의 밀도에 따라 KV의 값은 변화하게 되나 일반적 공학응용에서의 완권 개방된 밸브의 형태별 KV 값은 대략 다음과 같다.만약 배관내의 유체가 압축성 유체 즉, 가스라면 CV는 여기에 맞게 보정되어야 한다.
Q=√520/T C1·CV.P1 Sin(3417/C1√ΔP/P1)로 나타낸다.
여기서C1·CV=Cg로 표현하고 실험적으로 Cg의 값은 개략적으로 32-36정도의 값을 갖는다.
다른 방법으로는 밸브의 형상계수(Configurationfactor)와 등가오리피스 방법을 사용하여 밸브의 P를 구하는 방식이 있다. 즉 밸브크기의 결정에 있어서 밸브의 유체 교축부를 등가의 오리피스 직경으로 고려하며 손실 계수 KV를 구하는 것이다.
KV=b1(dL/dEO)4 여기서,
dL=밸브 입구의 직경(Inch) dEO=C(dL)1.07
C=밸브의 트림형상에 따라 결정되는 형상계수
b1=계수(액체의 경우 2.786공기의 경우 3.084)따라서, 밸브에서의 압력손실량은
ΔP=KV·ρ·V2/288g , g=386.4 inch/sei2=0.0837 kv·ρ·Q/dL4·g
여기서 Q=US gaL/min(GPM)이다.
다음의 그림 42는 밸브의 완전열림상태(Full Ported)를 기준으로 하는 밸브 형상 계수 C이다. 그림 43은 밸브의 등가 오리피스 지경과 밸브 입구 내경에 대한 형상계수의 관계이고 그림44는 밸브 입구내경과 형상계수 C에 따른밸브에서의 손실계수의 K의 관계이다. 그림45, 46, 47은 볼 밸브, 버터플라이 밸브 및 게이트 밸브의 밸브 개도에 따른 밸브의 손실 계수 값을 보여주고 있다.
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