[논문]가스 파이프라인용 볼 밸브 내부유동의 실험적 연구

김철규; 이상문; 장춘만

doi:10.7316/khnes.2016.27.3.311

[국내논문] 가스 파이프라인용 볼 밸브 내부유동의 실험적 연구
Experimental Study on the Internal Flow of a Ball Valve used for a Gas Pipeline 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.27 no.3, 2016년, pp.311 - 317

김철규 (한국건설기술연구원) , 이상문 (한국건설기술연구원) , 장춘만 (한국건설기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the flow characteristics of a ball valve used for a gas pipeline. Understanding of the internal flow of a ball valve is an important to analyze the physical phenomena of the valve. Present experimental study was performed by IEC 60534-2-3, the international standard for an industrial control valve testing procedure. Pressure measured at upstream and downstream of the valve, flow-rate and gas temperature passing the inside of the gas pipeline were measured with respect to valve opening rates. Throughout the experimental measurement of the ball valve, empirical equation of the pressure drop between the ball valve according to the mass flow rates is successively obtained using a polynomial curve fitting method. In addition, flow coefficient for determining the valve capacity is also analyzed with respect to valve opening rates using the curve fitting method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 42인치 볼 밸브 설계를 위한 예비 단계로 1인치 볼 밸브 축소모델을 이용하여 실험적으로 볼 밸브 성능특성을 분석하였다.

가설 설정

N₉ : numerical constant depend on unit

제안 방법

5도에서의 압력강하를 정량적으로 평가하였다. 또한 볼 밸브 후류에서 발생하는 유동박리(separation) 현상을 고찰함으로써 개폐각도에 의한 내부 유동특성을 연구하였다. 그러나 볼 밸브의 유동특성에 관한 체계적인 실험적 연구가 전무하여 보다 정확한 설계 전 성능 예측 및 수치해석 연구를 위한 검증 데이터가 필요한 실정이다.
본 연구는 42인치 볼 밸브 설계를 위하여 국제표준 IEC 60534-2-3을 참고하여 1인치 볼 밸브 축소모델의 성능실험을 수행하여, 밸브 개도율에 따른 압력 강하, 질량유량, 유량계수 등의 유동특성을 분석하였다. 또한 실험결과를 이용한 상관식이 실험결과와 유사하게 잘 일치함을 알 수 있었다.
본 연구는 가스 파이프라인용 42인치 볼 밸브 설계를 위해 수행되었으며, 볼 밸브의 축소모형을 이용한 예비실험을 통하여 밸브 개도율에 따른 유량계수 및 압력강하 등의 특성을 정량적으로 분석하였다. 볼 밸브의 크기에 따른 상사성(similarity)을 고찰하기 위하여 다항함수 커브피팅 방법(polynomial curve fitting) 을 이용하여 실험관계식을 도출하였다.

이론/모형

Table 1은 실험 조건을 나타낸다. 본 연구의 실험 조건은 국제 표준 IEC 60534-2-3¹⁰⁾명시되어 있는 가스를 이용한 실험방법을 참고하여 수행하였다. 볼밸브의 개도율 조건은 10 %부터 100 %까지 10 %씩 증가시켰다.
본 연구는 가스 파이프라인용 42인치 볼 밸브 설계를 위해 수행되었으며, 볼 밸브의 축소모형을 이용한 예비실험을 통하여 밸브 개도율에 따른 유량계수 및 압력강하 등의 특성을 정량적으로 분석하였다. 볼 밸브의 크기에 따른 상사성(similarity)을 고찰하기 위하여 다항함수 커브피팅 방법(polynomial curve fitting) 을 이용하여 실험관계식을 도출하였다.
일반적으로 유량계수는 유량과 압력의 함수로 표현되며, 무차원화한 유량계수를 고유 유량계수(inherent flow coefficient)^7,10)라고 부르기도 한다. 이러한 유량계수를 실험에 의해 산정하는 식은 IEC 60534-2-3에 자세하게 설명되어 있으며, 본 연구 또한 이를 근거로 하여 유량계수를 평가하였다. 유량계수는 식 (1)과 같이 정의된다.

성능/효과

1) 볼 밸브의 밸브 개도율에 따른 압력강하 및 질량 유량은 비선형적인 특성을 나타내며, 개도율 20~60% 사이에서 상대적으로 큰 변화를 나타냄을 알 수 있었다.
2) 질량유량에 따른 압력강하의 2차함수 상관식을 도출하였으며, 이는 실험 결과와 약 ±0.4%내의 오차를 나타냄을 알 수 있었다.
3) 밸브 개도율에 따른 유량계수는 비선형적인 곡선 특성을 나타내며, 버터플라이 밸브와 유사한 등비 곡선 특성을 갖음을 알 수 있었다. 또한 밸브 개도율에 따른 유량계수의 3차함수 상관식을 도출하였으며, 이는 실험 결과와 약 ±0.
4) 낮은 개도율에서의 밸브 출구유속은 압축성 유동으로 천이되는 마하수 0.35~0.40를 보였으며, 이러한 결과를 통해 수치해석 시 압축성 유동을 고려함이 필요한 것을 확인할 수 있었다.
3) 밸브 개도율에 따른 유량계수는 비선형적인 곡선 특성을 나타내며, 버터플라이 밸브와 유사한 등비 곡선 특성을 갖음을 알 수 있었다. 또한 밸브 개도율에 따른 유량계수의 3차함수 상관식을 도출하였으며, 이는 실험 결과와 약 ±0.3%내의 오차를 나타냄을 알 수 있었다.
본 연구는 42인치 볼 밸브 설계를 위하여 국제표준 IEC 60534-2-3을 참고하여 1인치 볼 밸브 축소모델의 성능실험을 수행하여, 밸브 개도율에 따른 압력 강하, 질량유량, 유량계수 등의 유동특성을 분석하였다. 또한 실험결과를 이용한 상관식이 실험결과와 유사하게 잘 일치함을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 도출된 결과는 다음과 같다.
4는 밸브 개도율에 따른 압력강하 특성을 나타낸다. 볼 밸브에서의 압력강하 특성은 밸브 개도율에 따라 비선형적인 특성을 보이며, 밸브 개도율 10%인 경우보다 20 %일 때 압력강하가 약간 증가하는 특성을 나타낸다. 이러한 특성은 Eom¹¹⁾의 연구인 버터플라이 밸브에서도 유사하게 나타났다.
7은 밸브 개도율에 따른 유량계수 특성을 나타낸다. 볼 밸브의 유량계수은 밸브 개도율에 따라 비선형적인 특성을 보이며, 낮은 개도율 구간에서는 거의 변화가 없다가 밸브 개도율 30%부터 급격하게 증가하는 것을 볼 수 있다. 이러한 특성을 등비 특성(equal percentage characteristics)¹²⁾이라 하는데 이것은 버터플라이 밸브의 유량계수 특성과 유사하다.

후속연구

5) 도출된 실험식의 검증을 위한 다양한 직경 크기를 갖는 볼 밸브의 실험이 필요하며, 추후 상사법칙을 이용하여 42인치 볼 밸브의 유동특성을 예측하고, 수치해석과 비교를 통해 보다 정확한 예측 곡선을 도출할 예정이다.
4%내의 오차를 보이며, 직경 1인치 볼 밸브에서는 비교적 잘 예측함을 보였다. 그러나 볼 밸브의 직경증가에 따른 예측 결과의 정확성에 한계가 있을 것으로 사료되며, 추가적으로 다양한 볼 밸브 직경 크기에 따른 실험결과와의 비교를 통한 검증이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 미국, 캐나다, 러시아 등 선진국들의 자원 개발을 위하여 무엇을 하고있는가?	최근 미국, 캐나다, 러시아 등 선진국들은 자원 개발을 위하여 영구동토지역(permafrost region)에서도 오일(oil) 및 가스(gas) 등을 개발하고 있다. 채굴된 자원을 소비지까지 이송하는 에너지의 손실을 최소화 하는 것이 중요하다.
	채굴된 자원의 분배란 무엇인가?	수집은 자원을 채굴하여 저장하는 과정이며, 이송은 채굴 및 저장된 자원을 1차 가공지나 최종 소비지로 파이프라인을 이용하여 이송하는 것을 말한다. 마지막으로 분배는 소비자들에게 사용 목적에 따라 이송하는 것이다. 이 과정에서 이송은 주로 대구경 파이프라인을 통해 이루어지며, 이송에 따른 손실 최소화를 위하여 대구경 파이프라인이 주로 이용한다.
	영구동토지역에서 채굴된 자원을 소비지까지 이송 시 중요한 것은 무엇인가?	최근 미국, 캐나다, 러시아 등 선진국들은 자원 개발을 위하여 영구동토지역(permafrost region)에서도 오일(oil) 및 가스(gas) 등을 개발하고 있다. 채굴된 자원을 소비지까지 이송하는 에너지의 손실을 최소화 하는 것이 중요하다. 즉 수집(collection), 이송(transportation) 및 분배(distribution)의 단계를 거친다.

참고문헌 (12)

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S. M. Lee and C. M. Jang, "Internal Flow Analysis for a 10 inch Ball Valve using Flow Similarity", Trans. of the Korean hydrogen and New Energy Society, Vol. 26, No. 4, 2015, pp. 386-392.

원문보기 상세보기
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상세보기
T. D. Kristopher, "Valve piping and pipelines handbook, 3rd edition", Elsevier Science Inc., New York, 1999.

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