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제2장 : 스팀의 사용
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2021.03.22 00:44
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9. 자동 제어 시스템

9.5 컨트롤 밸브(Control Valve)

가) 글로브 밸브(Glove Valve)
글로브 밸브는 유량을 조절하기에 적합하고 밸브의 개도와 밸브를 통해 흐르는 유량과의 관계인 유량 특성을 부여하기 쉽기 때문에 제어 응용 처에 널리 사용되고 있다.

 

그림 1은 단일시트(Single Seat) 2방 글로브밸브를 나타내는 것으로 몸체, 보닛, 밸브의 시트와 밸브 플러그, 밸브 스템(구동부와 연결하는 부분), 밸브 스템과 보닛 사이의 실링으로 구성되어 있다. 유체와 직접 접촉하고 제어되는 부분은 일반적으로 밸브 몸체의 재질과 상이한 재질을 사용하며, 특별히 이러한 부분인 플러그와 시트를 합하여 트림(Trim) 이라 부른다.

 

나) 볼 밸브(Ball Valve)

간단한 몸체 안에 있는 두 개의 씰링 링과 그 사이에 위치한 구형의 볼로 구성 된 볼 밸브이다. 볼은 유체가 통과할 수 있는 구멍을 가지고 있다. 배관과 일직선으로 정렬하였을 때 이 구멍은 배관 내경과 같거나 거의 같아서 유체는 압력 강하가 거의 없이 통과된다. 볼을 90도로 회전시키면 유로를 열거나 닫을 수 있다.

제어용으로 설계된 볼 밸브는 유량 패턴을 예측 할 수 있도록 유량 특성이 부여 된 볼 또는 시트를 가지고 있다. 볼 밸브는 쉽게 구동 할 수 있으며, 때로는 원거리 차단이나 제어용으로 사용한다. 중요한 제어 응용 처에서는 세그먼트 볼과 특별히 모양을 낸 구멍을 가진 볼을 사용하여 다른 유량 특성을 나타내기도 한다.

 

다) 버터플라이 밸브(Butterfly Valve)
그림 3은 버터플라이 밸브를 나타낸 것으로 열린 위치에서 디스크는 배관 벽면에 수평 위치로 회전하여 밸브를 통해 최대 유량이 통과할 수 있도록 한다. 닫힌 위치에서는 디스크는 시트에 맞닿도록 배관 벽면과 수직 방향으로 회전한다.

버터플라이 밸브는 사용하는 연질 시트의 내재적인 한계 때문에 낮은 압력과 온도에서만 사용하도록 제한되어 있다. 그러나 이런 약점을 보완하여 보다 높은 온도용의 시트나 고품질로 가공 된 메탈 시트가 공급된다. 일반적으로 버터플라이 밸브는 특별히 대구경이거나 제한적인 부하 조정비가 요구되는 단순한 제어응용 처에 사용되고 있다.

 

9.6 컨트롤 밸브의 폐쇄력

그림 4는 글로브 밸브의 단면을 나타낸 것으로 유체는 플러그를 계속 밀어 올려 밸브를 열려고 한다. 밸브의 1차 측과 2차 측 압력의 차이를 차압이라고 하는데 차압은 밸브의 폐쇄력에 대항하여 밸브를 열려는 힘으로 작용한다. 밸브 폐쇄력에 대항하는 최대 차압은 밸브의 형태와 구경, 그리고 구동부의 작용에 의해 결정되며 밸브 제조 회사는 이 값을 알고 있다.

개략적으로 볼 때 구동부의 구동력은 적어도 밸브의 불평형 력(플러그의 면적 x 차압)의 값과 실링의 마찰력 등의 구성 요소의 저항과 밀폐력(밸브 기밀도 0.01% 유지)을 합한 값보다 커야 밸브를 완전히 닫을 수 있다. 참고로 밸브 구경이 50mm(플러그의 면적은 약 20㎠) 이고 유체의 압력이 7kgf/㎠일 경우 불평형력은 140kgf(20㎠ x 7kgf/㎠ = 140kgf)가 된다.

 

9.7 컨트롤 밸브의 유량 특성

모든 자동제어 밸브는 일정한 차압 조건에서 밸브의 양정(Lift)과 유량과의 관계를 가지고 있는데 이것을 밸브의 “유량 특성”이라고 한다. 이것은 밸브의 개도에 따라 흐를 수 있는 유체의 통과 량과의 관계를 나타내는 것이다. 로타리형 밸브(볼 밸브 및 버터플라이밸브)는 단 하나의 유량 특성을 가지고 있으나 글로브형 밸브는 플러그의 형태에 따라 각기 다른 유량 특성을 갖는다. 글로브형 밸브는 3가지의 기본 형태를 가지고 있는데 급속개방형(Quick Opening), 선형비례식(Linear), 등가개방형(Equal Percentage)으로 구분된다.

 

가) 급속 개방형 유량 특성

급속개방형 밸브의 유량 특성은 등가개방형 밸브특성과 거의 반대로 밸브를 조금만 개방하여도 다량의 유체가 통과한다. 즉 밸브의 개도가 50% 열리면 전체 유량의 65%에서 90%가 통과한다. 급속개방형 밸브는 선형비례식이나 등가개방형 밸브와는 달리 유량 특성 곡선을 정확히 정할 수는 없다. 따라서 50%의 양정에서 60%의 유량이 흐르는 것이나 60%의 양정에서 90%의 유량이 흐르는 것은 모두 양정에서의 특징을 가지고 있는 것이다.

 

나) 선형 비례형 유량 특성

선형비례특성을 가진 밸브는 밸브 양정에 비례하여 유량도 변화하도록 설계되었다. 즉 밸브의 양정이 25%(개도가 25%)이면 최대용량의 25%의 유량이 통과한다. 밸브양정이 50%이면 50%유량이 통과하며 이와 같은 관계가 유지된다.

 

다) 등가 개방형 유량 특성
등가 개방형 밸브의 경우는 밸브의 개도에 따라 유량이 선형 비례하는 것이 아니고 밸브 양정이 증가하면 바로 앞의 유량에 대해 일정한 비율로 유량이 증가하도록 설계되었다.

 

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