[논문]냉난방수배관시스템용 차압독립형 유량제어밸브의 유동특성 연구

민준기; 원보영; 정신규

doi:10.17664/ksgee.2017.13.3.009

냉난방수배관시스템용 차압독립형 유량제어밸브의 유동특성 연구
A Study of Flow Characteristics in Pressure Independent Control Valve for Hydronic System 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.13 no.3, 2017년, pp.9 - 15

민준기 (경희대학교 건축공학과) , 원보영 (경희대학교 기계공학과) , 정신규 (경희대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, set values of PICV(Pressure Independent Control Valve) were simulated according to the pressure distribution and velocity. The higher the set value and the open rate, as the lower the pressure in the neck. On the contrary, the lower the set value and open rate, as the higher the pressure in the neck. When the set value was small, the pressure was distributed sufficiently and confirmed that the pressure was generated by the VOF, confirming that it could generate a vapor pressure. When the set value 100 %, the lower corn open rate of the differential pressure was 46 % to 29 %, set value 100 % was 29 % to 19 %, and set value 6 % was 12 % to 6 % for the lower corn open rate percentile, it was limited to within 50 %. Thus, the results of this study on the correlation between open rate and differential pressure of the set value of the PICV will be beneficial to improve performance of flow control valves and contribute to their efficient operation used for a hydronic system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 냉난방수배관시스템 공기조화기의 냉온수코일 유량을 조절하는 PICV를 대상으로 Lower corn(밸브 내부의 유량조절부)의 개도율과 차압에 따른 유동해석을 통하여 설정치(Set value)세 대한 검증을 진행하였으며 유속, 차압 및 증기압 등의 유동특성을 비교 평가하여 차압유량제어밸브 선정과 성능 개선에 기초자료로 활용하는 것이 본 연구의 목적으로 진행하였다.

가설 설정

본 연구의 유동해석을 위한 물리모델은 유체를 Steady(정상상태), 비압축성의 유체로 가정하였으며 작동유체는 KS 유량계수(C_v) 측청기준인 20℃의 물로 설정하였다. 유체의 유동장은 난류로 가정하였으며 난류 해석모델은 일반적인 유체유동의 해석방식으로 사용하는 모델인 k-ε Turbulence model 을 사용하였으며, 해석결과의 신뢰도를 보장하기 위해서 Convection scheme을 2^nd order Upwind scheme을 사용하여 정확도가 높도록 하였다.

제안 방법

Table 11은 설정치 유량이 적어 개도율이 작은 Neck 부분에 강한 압력강하가 발생되는 부분에 Cavitation이 예상되어 유량 설정치가 30%, 차압 100 kPa 상태에서의 압력이 가장 많이 떨어지는 지점에서 Cavitation이 발생하는지를 VOF(Volume fraction of vapor)로 확인하여 Cavitation이 어느 정도 발생하는지 예측하였다. Neck 부근에서 압력이 증기압 이하로 떨어지는데, 해당 부분에서 VOF를 확인했을 경우 Cavitation이 발생하는 지점의 VOF는 최대 0.
본 연구에서는 냉난방수배관시스템의 공기조화기용 유량제어밸브에 대한 유동특성을 통하여 설정치 유량에서 개도율과 차압에 따른 압력분포 및 유속을 산출하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.

대상 데이터

본 연구의 대상 밸브는 업무시설 기준층(1,500㎡)의 공기조화기용 PICV이며 단면도는 Fig. 1이고 기본 제원은 Table 1과 같다. 유체의 흐름은 단면도의 Inlet으로 유체가 유입되어 Upper cone과 Neck를 통과하고 Lower cone과 Outlet으로 배출되는 구조이다.

이론/모형

) 측청기준인 20℃의 물로 설정하였다. 유체의 유동장은 난류로 가정하였으며 난류 해석모델은 일반적인 유체유동의 해석방식으로 사용하는 모델인 k-ε Turbulence model 을 사용하였으며, 해석결과의 신뢰도를 보장하기 위해서 Convection scheme을 2^nd order Upwind scheme을 사용하여 정확도가 높도록 하였다. Table 2는 시뮬레이션 조건으로 밸브의 입구에서의 압력(100~400 kPa)과 Upper corn의 개도율(100%, 60%, 30%)을 조합하여 총 12 cases 를 해석하였다.

성능/효과

1) 설정치 유량의 많을수록 개도율이 높아 Neck 부분의 압력이 낮게 나타났다. 반면에 설정치 유량이 작을수록 개도율이 낮아 Neck 부분의 압력이 높게 나타났다.
2) 설정치 유량이 작을 경우 Neck부분에 압력이 높게 분포되었으며 VOF를 통하여 확인한 결과 증기압이 발생되어 Cavitation이 발생될 수 있음을 확인하였다.
4) 설정치 유량이 100%일 경우 차압에 따른 개도율은 46%~29%, 60%일 경우 29%~19%, 30%일 경우 12%~6%로 나타났으며 Lower corn에 대한 개도율이 50% 미만으로 제한되었다.

후속연구

따라서, 차압유량제어밸브의 설정치 유량과 차압에 따른 개도율의 상관관계를 통하여 유량제어밸브 선정 시 그리고 성능개선을 통한 효율개선과 냉난방수배관 시스템의 효율적인 운전에 기초 자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PICV란?	밸브를 완전히 혹은 부분적으로 여닫는 방식으로 유량을 제어하는 Control valve(컨트롤밸브), 각 설비시설마다의 부하조건에 맞게 균형이 맞도록 유량을 조절하는 Balancing valve(발란싱밸브), 그리고 필요이상의 차압을 흡수하거나 일정하게 유지하는 Pressure differential valve(차압유량조절밸브)가 중요한 밸브로서 자리 잡고 있었다. 최근 냉난방 수배관시스템의 유량조절밸브로 주목을 받고있는 PICV (Pressure independent control valve, 차압독립형 유량제어밸브)는 위에서 설명한 밸브에서 컨트롤밸브와 발란싱밸브의 기능을 통합한 자동유량조절밸브이다. 기존 냉난방시스템에서 요구되었던 두 밸브의 기능이 한 밸브로 통합되면서 설치비용과 공간이 절약된다는 점과 냉난방 시스템의 최적의 환경을 맞추기 위해서 발란싱과 유량을 설정해야하는 시간과 비용을 절감시킬 수 있는 장점이 있다.
	중대형 건물 에너지사용량에서 에너지 효율에 크게 영향을 미치는 것은?	최근 4차 산업 물결이 중심이 되고 있는 요즘 지능정보기술분야 관련하여 건물에 IoT(Internet of Things, 사물인터넷)을 적용하여 건물에너지 사용량을 절감하는데 관심이 집중되고 있다. 중대형 건물 에너지사용량의 많은 비중을 차지하고 있는 냉난방 시스템은 부하에 따른 냉수 및 온수를 각 층별 또는 조닝별로 공급되는 과정에서 적절하고 일정한 유량으로 공급하는 것이 에너지 효율에 큰 영향을 주는 중요한 요소이다. 이러한 건물의 효율적인 냉난방수배관시스템운영을 위하여 각 조닝별 부분부하에 요구되는 유량을 적합하게 공급하기 위한 유량조절밸브를 사용하다.
	냉난방 수배관시스템의 사용되는 유량조절밸브를 구성하는 3가지는?	냉난방 수배관시스템의 사용되는 유량조절밸브는 주로 세가지로 구성되어있다. 밸브를 완전히 혹은 부분적으로 여닫는 방식으로 유량을 제어하는 Control valve(컨트롤밸브), 각 설비시설마다의 부하조건에 맞게 균형이 맞도록 유량을 조절하는 Balancing valve(발란싱밸브), 그리고 필요이상의 차압을 흡수하거나 일정하게 유지하는 Pressure differential valve(차압유량조절밸브)가 중요한 밸브로서 자리 잡고 있었다. 최근 냉난방 수배관시스템의 유량조절밸브로 주목을 받고있는 PICV (Pressure independent control valve, 차압독립형 유량제어밸브)는 위에서 설명한 밸브에서 컨트롤밸브와 발란싱밸브의 기능을 통합한 자동유량조절밸브이다.

참고문헌 (7)

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STAR-CCM +9.06.011-R8, User's Guide, CD- $adapco^{TM}$

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