[논문]온수분배기용 유량제어밸브의 개발

권우철; 윤준용; 유선학

doi:10.5293/kfma.2010.13.4.011

[국내논문] 온수분배기용 유량제어밸브의 개발
Development of Flow Control Valves for Hot Water Distribution Manifolds 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.13 no.4 = no.61, 2010년, pp.11 - 17

권우철 (한양대학교 대학원 기계공학과) , 윤준용 (한양대학교 기계정보경영공학부) , 유선학 (신한콘트롤밸브(주))

Abstract ▼ AI-Helper

The developed control valves, installed on the hot water distribution manifolds for the floor heating system, consist of the balancing valves and the shut-off valves. The balancing valve was designed to improve the flow control performance and to reduce the noise emitted from the valve by modification of the general V port. The port of the shut-off valve was designed with two ceramic plates, working by rotating upper plate, to improve the duration and to reduce the noise. For the evaluation of the new valves, the flow rate was measured and noise level test was carried out. The test results showed that the error of the flow rate accuracy test for the flow balance of each manifold circuit was less than ${\pm}3%$ and the noise level was less than 35 dB(A).

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문제 정의

기존의 V형 포트의 경우 포트의 개구면적이 작을 경우 포트의 위쪽 각진 부분으로 유량이 통과하게 되어 소음의 원인이 되었다. 개발된 밸브의 유량포트의 경우 Fig. 5에서 보는 바와 같이 끝 부분의 설계를 변형하여 이와 같은 문제점을 개선하고자 하였으며, 기존 V형 포트의 직선형 형상을 등비형(6)의 형상으로 개발하여 비례제어 능력을 향상시키고자 하였다.
6은 개발된 유량개폐밸브이다. 유량개폐밸브역시 밸브의 디스크와 시트를 일체형으로 제작하여 기존의 분배기 몸통에 시트를 제작하던 방식에 비해 유지보수성을 향상시켰으며, 세라믹 재질을 사용하여 기존의 고무로 사용할 때 발생하는 노후화로 인한 누설을 방지하고자 하였다. 유량 유출부를 상하동작식에서 회전식 구조로 하였으며, 포트의 형상을 부채꼴형상으로 설계하여 유동의 소통을 원활하게 하여 유동 소음을 개선하고자하였다.
유량 유출부를 상하동작식에서 회전식 구조로 하였으며, 포트의 형상을 부채꼴형상으로 설계하여 유동의 소통을 원활하게 하여 유동 소음을 개선하고자하였다. 기존 제품이 분배기 몸통 관하부에서 개폐가 이루어짐으로 인해 이물질이 쉽게 쌓이는 문제점을 개발제품의 경우 분배기 몸통 관 중심부에서 작동이 이루어지도록 설계하여 이물질에 강한 구조로 제작하고자 하였다.
난방코일의 길이에 따라 설정된 정확한 유량을 분배하는 능력과 각 유량분배구가 차단될 경우 여분의 유량의 분배가 설정된 분배비율을 유지하는 가를 평가하기 위한 시험이다.

제안 방법

개발된 밸브가 장착된 온수분배기는 각 실별에 연결된 난방 코일의 길이차이로 인한 유동 저항의 차이에도 각 실별로 설정된 정확한 유량을 분배하는 제품을 개발하여 유량정확도를 설정유량기준 ±3 % 이내, 난방 소음을 기존의 40∼45 dB(A)에서 35 dB(A)로 감소시킨 밸브를 개발 하였다.
밸브의 디스크와 시트를 밸브 몸체에 제작하여 기존의 분배기 몸통에 시트를 제작하던 방식에 비해 유지보수성을 향상시켰으며, 유량밸런싱밸브의 유량포트를 일반적인 V형 포트를 독창적으로 변형, 설계하여 조절눈금별 유량특성곡선의 선형성 및 재현성을 확보하여 유량의 비례제어가 가능하게 개발하였다. 개발된 밸브가 장착된 온수분배기는 각 실별에 연결된 난방 코일의 길이차이로 인한 유동 저항의 차이에도 각 실별로 설정된 정확한 유량을 분배하는 제품을 개발하여 유량정확도를 설정유량기준 ±3 % 이내, 난방 소음을 기존의 40∼45 dB(A)에서 35 dB(A)로 감소시킨 밸브를 개발 하였다.
4는 개발된 유량밸런싱밸브이다. 그림에서 보는 바와 같이 밸브 디스크와 시트를 일체형으로 제작하여 기존에 밸브 시트를 분배기 몸통배관에 설치하던 방식에 비하여 유지보수성을 향상시켰다. 유량 조절부의 작동을 개선하여 유량의 재설정시에도 포트의 방향이 원래의 유동방향으로 설정된 채로 유지하도록 제작하였다.
그림에서 보는 바와 같이 밸브 디스크와 시트를 일체형으로 제작하여 기존에 밸브 시트를 분배기 몸통배관에 설치하던 방식에 비하여 유지보수성을 향상시켰다. 유량 조절부의 작동을 개선하여 유량의 재설정시에도 포트의 방향이 원래의 유동방향으로 설정된 채로 유지하도록 제작하였다. 포트는 Fig.
유량 조절부의 작동을 개선하여 유량의 재설정시에도 포트의 방향이 원래의 유동방향으로 설정된 채로 유지하도록 제작하였다. 포트는 Fig. 5와 같이 기존의 일반적인 V형 포트를 개선하여 적은 유량에도 정확한 비례제어가 가능하도록 설계하였다. 기존의 V형 포트의 경우 포트의 개구면적이 작을 경우 포트의 위쪽 각진 부분으로 유량이 통과하게 되어 소음의 원인이 되었다.
유량개폐밸브역시 밸브의 디스크와 시트를 일체형으로 제작하여 기존의 분배기 몸통에 시트를 제작하던 방식에 비해 유지보수성을 향상시켰으며, 세라믹 재질을 사용하여 기존의 고무로 사용할 때 발생하는 노후화로 인한 누설을 방지하고자 하였다. 유량 유출부를 상하동작식에서 회전식 구조로 하였으며, 포트의 형상을 부채꼴형상으로 설계하여 유동의 소통을 원활하게 하여 유동 소음을 개선하고자하였다. 기존 제품이 분배기 몸통 관하부에서 개폐가 이루어짐으로 인해 이물질이 쉽게 쌓이는 문제점을 개발제품의 경우 분배기 몸통 관 중심부에서 작동이 이루어지도록 설계하여 이물질에 강한 구조로 제작하고자 하였다.
는각 난방코일을 통과하는 유량을 나타낸다. 물의 물성치는 온도를 측정하여 측정된 온도를 기준으로 구하였다.
온수분배기의 공급관에 45∼60 ℃의 물을 사용하여 난방용 코일 길이를 58 m, 65 m, 66 m, 76 m(또는 건설사의 구체적 시방이 있을 경우 그 기준을 따름)로 차등적으로 동시에 설치한 후 사용 차압 범위(0∼0.29 MPa)에서 분배구를 1구, 2구 차단 시 각 난방 코일을 통과한 유량을 측정하여 여분 유량의 정확도를 측정한다.
개발된 밸브는 겉모양, 구조, 내압ㆍ누설시험, 내열성시험, 내한성시험, 내충격시험, 밸브콘의 누설시험, 밸브 몸체의 굽힘변형시험, 내구성시험을 수행하였다.^(1),(7) 유량분배성능 및 소음측정을 위하여 유량분배정밀도 시험, 유량조절눈 금별 유량특성시험 및 소음시험을 수행하였다.
(1),(7) 유량분배성능 및 소음측정을 위하여 유량분배정밀도 시험, 유량조절눈 금별 유량특성시험 및 소음시험을 수행하였다.
온수분배기 유량밸런싱밸브의 비례제어 성능을 평가하기 위하여 유량밸런싱밸브의 눈금을 일정한 간격으로 변화시키면서 통과되는 유량을 측정한다. 차압을 일정하게 유지하면서 밸브의 눈금을 증가시키면서 유량을 측정하고 밸브의 눈금을 감소시키면서 유량을 측정한다.
온수분배기 유량밸런싱밸브의 비례제어 성능을 평가하기 위하여 유량밸런싱밸브의 눈금을 일정한 간격으로 변화시키면서 통과되는 유량을 측정한다. 차압을 일정하게 유지하면서 밸브의 눈금을 증가시키면서 유량을 측정하고 밸브의 눈금을 감소시키면서 유량을 측정한다.
소음의 측정은 반무향실에서 측정하며, 소음계의 청감보정회로는 A특성을 사용한다. 반무향실 바닥에 측정 시료 밸브를 놓고 시료의 전면으로부터 수평거리 20, 30, 100 ㎝로 지정된 거리에서 시료의 중간높이로 방향은 마이크로폰이 시료를 향하게 설치하여 측정한다. 소음 측정 시 실제 사용 조건과 유사하게 하기위해 보일러 및 유체를 순환시켜 밸브의 조작 유무에 따라 발생하는 소음을 거리별로 측정한다.
반무향실 바닥에 측정 시료 밸브를 놓고 시료의 전면으로부터 수평거리 20, 30, 100 ㎝로 지정된 거리에서 시료의 중간높이로 방향은 마이크로폰이 시료를 향하게 설치하여 측정한다. 소음 측정 시 실제 사용 조건과 유사하게 하기위해 보일러 및 유체를 순환시켜 밸브의 조작 유무에 따라 발생하는 소음을 거리별로 측정한다. 소음은 10초간 평균값을 표시한다.
각 실별에 연결된 난방 코일의 길이차이로 인한 유동 저항의 차이에도 각 실별로 설정된 정확한 유량을 분배하는 제품을 개발하여 유량정확도 시험에서 오차가 ±3 % 이내로 제어가 가능한 제품을 개발하였다.
유량밸런싱밸브 눈금별 유량특성 시험의 경우 차압을 각각 0.05, 0.08, 0.1 MPa로 유지하면서 유량밸런싱밸브의 눈금을 단계적으로 증가시키면서 유량을 측정한 후, 다시 눈금을 단계적으로 감소시키면서 통과하는 유량을 측정하였다. 유량밸렁싱밸브 눈금별 유량특성 시험의 결과는 Fig.
본 논문을 통하여 개발된 제품은 지역 및 중앙 난방시스템에서 난방을 위해 각 세대로 공급된 난방수를 각 실(방)별로 적정 비율로 분배하여 공급하는 유량밸런싱밸브와 구동기의 개폐 동작에 의해 유량밸런싱밸브를 통하여 나오는 유량을 소통시키는 유량개폐밸브로 구성된 가정용 온수분배기용 유량제어밸브로서, 밸브 디스크와 시트를 일체화시키고, 유량 밸런싱밸브의 포트를 기존의 V형 포트에서 등비형 포트로 형상을 개선하여 개발하였다.
특히, 유량제어밸브의 포트를 개선하여 난방 소음을 감소 시켜 주거평균 소음 50 dB(A)보다 낮은 취침 시 영향을 주지 않을 정도인 35 dB(A) 이하의 제품을 개발하였다.

대상 데이터

본 논문의 성능 시험에 사용된 난방코일의 길이는 총 265 m, 설정유량은 7.074×10-1 m3/h이다.

이론/모형

유량정확도 시험의 경우 난방수의 온도를 실제 난방시의 온도로 맞추기 위하여 일반 가정용 가스보일러를 사용하였다. Table 1은 설정유량에 대하여 유량조절밸브의 눈금을 조절하여 유량분배구를 모두 개방하였을 때의 결과이며, Table 2와 3은 유량분배구를 한 구씩 차단하면서 측정한 결과이다.

성능/효과

결과에서 알 수 있듯이 유량분배구수를 차단하면서 측정한 유량정확도가 기준분배율에 잘 일치함을 알 수 있으며 개발 당시 목표로 하였던 ±3 % 이내로 제어가 됨을 확인할 수 있다.

후속연구

최근 들어 원유 및 천연가스 등의 에너지 자원의 가격 급등과 이산화탄소 배출로 인한 지구 온난화 등의 환경문제로 인하여 전 산업분야에 걸쳐 에너지 절감이 절실히 요구되고 있는 상황을 감안할 때 본 연구를 통하여 개발된 제품은 난방에너지 절감에 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 난방소음의 개선으로 쾌적한 난방 환경에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지역난방 및 중앙난방시스템에서 사용하는 온수분배기란 무엇인가?	지역난방 및 중앙난방시스템에서 난방을 위하여 사용되는 온수분배기는 각 세대별로 정유량조절밸브에 의하여 일정하게 들어온 난방수를 각 실별로 난방코일의 길이와 방의 위치 등을 고려하여 설정된 유량으로 분배하여 공급하는 장치이다. 현재 중앙난방 및 지역 난방식 공동주택의 세대별 난방 시스템은 기계실에서 각 세대로 공급된 난방수를 온수분배 기를 사용하여 세대의 각 실별로 설정된 난방유량을 공급하여 실별로 온도의 제어가 가능하게 제작되고 있다.
	기존의 온수분배기의 단점은 무엇인가?	기존의 온수분배기는 Fig. 1과 같이 유량제어밸브의 유량 제어방식이 볼 밸브 방식으로 각 방의 난방코일의 길이에 따른 정확한 유량분배가 어려운 단점이 있다.(1)
	유량밸런싱밸브의 특징은 무엇인가?	4는 개발된 유량밸런싱밸브이다. 그림에서 보는 바와 같이 밸브 디스크와 시트를 일체형으로 제작하여 기존에 밸브 시트를 분배기 몸통배관에 설치하던 방식에 비하여 유지보수성을 향상시켰다. 유량 조절부의 작동을 개선하여 유량의 재설정시에도 포트의 방향이 원래의 유동방향으로 설정된 채로 유지하도록 제작하였다.

참고문헌 (8)

권우철, 윤준용, 이병휘, 2006, “난방용 온수분배기의 성능 평가 방법,” Proceedings of The Fourth National Congress on Fluids Engineering, August 23-25, 2006, Kyungju, Korea, pp. 1169-1172.
권우철, 강승덕, 유선학, 윤준용, 2008, “난방용 시스템온수분배기의 소음 절감 방법에 관한 연구,” 2008 유체기계 연구개발 발표회 논문집, 제주, pp. 623-624.
조성환, 2005, “온수분배기의 유량조절 및 밸런싱,” 설비저널, 제34권, 제8호, pp. 49-55.
윤준용, 권우철, 2007, “Y 스트레이너형 자동 정유량 조절 밸브의 개발,” 유체기계저널, 제10권, 제1호, pp. 49-55.

원문보기 상세보기
이태원, 김용기, 2004, “공동주택에서의 효과적인 난방열량제어 관리방안,” 설비저널, 제33권, 제2호, pp. 11-21.

원문보기 상세보기
W. L. Scull, "Control valve noise rating: predition versus reality," ISA Handbook of Control Vlave 2nd edition, pp. 45-133.
한국산업규격, “KS B 2304-밸브의 검사통칙,” 한국표준협회.
Bruce R. Munson, Donald F. Young, and Theodore H. Okiishi, "Fundamentals of fluid mechanics," 2nd edition, WILEY.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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