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제2장 : 스팀의 사용
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2021.04.11 13:13
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9. 자동 제어 시스템

9.8 밸브의 통과 유량

컨트롤 밸브는 제어 능력으로 공정에 영향을 줄 수 있어야 한다. 배관의 구경 또는 재질을 가지고 컨트롤 밸브는 공정에 영향을 줄 수는 없다.그러나 컨트롤 밸브는 순간 유량을 제어하고 차압을 조절하므로 공정에 영향을 줄 수 있다. 이 순간 유량과 차압은 유량 계수와 밀접한 관계를 갖고 있다.

유량 계수는
가) 밸브의 성능 비교
나) 주어진 유량에 의해 밸브에서의 차압 계산
다) 주어진 차압에 의해 밸브에서의 유량 계산

그림 1 밸브에서의 차압

컨트롤 밸브의 유량 계수 Kvs는 컨트롤 밸브의 구경 선정을 위해서 반드시 필요한 정보이며, 각 컨트롤 밸브 제조사들은 기본적 밸브 관련 데이터에 밸브 유량 계수를 명시한다. 컨트롤 밸브 제조사들은 보통 다수의 트림(플러그와 시트의 조합) 구경을 제공한다. 이렇게 하므로 배관에 레듀서를 사용 할 필요 없이 배관을 단순화하고, 소음을 감소시킨다.

 

9.9 컨트롤 밸브의 압력 강하(차압 : △P)

가) 압력 강하
유체가 밸브를 통과하려면 펌프에 의한 수압이나 증기 압력과 같은 힘을 가져야 한다. 또한 밸브를 통과할 때는 밸브자체의 저항 때문에 밸브의 출구 압력(2차 압력)은 입구 압력(1차 압력) 보다 낮다. 우리가 자동차를 운전할 때 자동차의 형태에 따라 공기의 저항을 받게 되며 속도가 빨라지면 빨라질수록 저항이 커지게 된다.
 

컨트롤 밸브도 마찬가지로 밸브 구조에 따라 밸브가 완전히 개방된 상태에서도 흐름에 따라 저항이 생기게 된다. 유체에 대한 저항은 밸브를 닫을 때 더욱 증가하고, 유량이 증가될 경우에도 저항이 증가된다. 밸브에서의 1차 압력과 2차 압력과의 변화된 압력을 압력강하라 하는데, 이는 밸브의 구경 및 형태, 유체의 종류, 1차 압력과 유량에 따라 변한다.
 

나) 밸브의 영향도(Valve Authority)
 

액체 배관 시스템에서의 밸브 선정은 시스템 전체 압력 손실과 완전 개방된 컨트롤 밸브에서의 압력손실의 비율 즉, 밸브의 영향도(Valve Authority)를 감안하여 밸브 구경을 선정하여야 한다.밸브 영향도는 다음과 같은 식으로 표시할 수 있다.
 

N = P1/P3 = P1/(P1+P2)
여기서 N : 밸브의 영향도
P1 : 밸브의 압력손실
P2 : 나머지 시스템에서의 압력 손실(P1 제외)
P3 : 시스템 전체의 압력 손실(P1+P2)

그림 2 밸브 영향도

액체용 컨트롤밸브의 구경을 선정하는 경우에는 밸브 영향도를 고려하여야 하는데 일반적으로 밸브 영향도가 0.2에서 0.5의 값을 가져야 한다. (0.5에 가까울수록 밸브 구경은 커지고 반대로 0.2에 가까울수록 밸브 구경은 작아지고 밸브 내 유체의 유속은 빨라져서 밸브에 무리를 가져 올 수 있다. 경험상 밸브 영향도 N은 0.25에서 0.3이 가장 적당하다.

 

9.10 컨트롤 밸브의 임계 압력

컨트롤 밸브의 구경이 크면 밸브를 통과하는 유속이 낮게 되며 압력 강하도 적게 된다.
그러나 컨트롤 밸브의 구경이 작아지면 밸브를 통과하는 유속이 빨라지게 되고 2차 측 압력은 더욱 더 낮아져 밸브에서의 압력 강하가 더 이상 발생하지 않는 임계 압력 강하점까지 증가하게 되는데 포화 스팀에서는 2차 압력이 1차 압력의 58%에서 발생한다. (압력강하가 1차 압력의 42%에서 발생하며 이는 절대압력 기준이다.)

계속하여 유속이 증가하더라도 밸브를 통과하는 유속은 더 이상 증가할 수가 없다. 임계 압력 강하라는 말은 잘못된 말이며 임계 속도의 조건에 도달 하였다고 하는 것이 맞으며 유체는
임계속도 즉 음속으로 밸브의 플러그와 시트 사이를 통과하게 된다.

결론적으로 많은 열량을 요구하는 부하에 작은 구경의 밸브를 사용하면 임계 압력 강하, 임계속도 등의 이유로 요구되는 열량(증기)을 부하에 전달할 수 없는 결과를 초래한다.
높은 차압 조건에서 스팀이 밸브 시트와 플러그 사이를 통과할 경우 빠른 속도로 인한 영향을 고려해야 한다. 즉 빠른 속도로 습증기가 시트 면과 플러그 사이를 통과할 경우 유체 접촉면은 습증기로 인하여 심하게 손상될 것이다.

더구나 임계속도로 통과할 경우에는 빠른 기간 내에 마모가 발생되어 밸브의 기능을 발휘하지 못할 것이다. 따라서 스팀에 밸브를 사용할 경우에는 이러한 영향을 고려하여 트림의 재질을 높은 강도를 가진 재질을 사용하고, 밸브 1차 측의 적절한 배관 위치에 기수분리기를 설
치하여 대비책을 마련해야 한다.

 

9.11 물에서의 컨트롤 밸브의 통과 유량

비압축성의 물이 컨트롤 밸브 통과 할 경우 그 유량 계수 Kv의 단위는 ㎥/hr 이고

Kv = Q √G/△P 로 표시 할 수 있다.
여기서 Q : 물의 유량 ㎥/hr
G : 물의 비중
△P : 차압
그러므로 Q = Kv √△P/G
물의 비중 G = 1이므로 식을 바꾸면
Q = Kv √△P 이 된다.

한국에너지정보센터  kecenter@hanmail.net

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