[논문]압축성 유체용 글로브 밸브의 유량특성 향상에 관한 연구

배지원; 정우영; 장지성

doi:10.7839/ksfc.2019.16.4.032

압축성 유체용 글로브 밸브의 유량특성 향상에 관한 연구
A Study on the Improvement of Flow Characteristics of the Glove Valve for Compressible Fluid 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.16 no.4, 2019년, pp.32 - 37

배지원 (Department of Mechanical System Engineering, Pukyong National University) , 정우영 (Ebara Precision Machinery Korea INC.) , 장지성 (Department of Mechanical System Engineering, Pukyong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Glove valves are used for various purposes in the process control field because such valves enable easy control of temperature and pressure. However, such valves are associated with significant loss of pressure and also have the disadvantage of complicating the shape of the cage or plug to facilitate linear flow rate change. In this paper, the shape of the plug, one of the valve flow control elements, was designed to improve the flow characteristics of the glove valve, and then CFD analysis was performed using compressible fluid. The numerical analysis results of the glove valve were analyzed according to the opening ratio and the pressure ratio of the valve. From these results, it was found that the proper notch on the side of the plug contributed to reducing the energy loss of the fluid through the valve and improving the linearity of the valve.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Structure of a globe valve
그림 Fig. 2 Designed shape of plug
그림 Fig. 3 Flow area modeling
표 Table 1 Physical parameters of the designed valve
표 Table 2 Modeling constants
그림 Fig. 4 Mesh generated in the flow area
그림 Fig. 5 Analysis results of velocity distribution and vortex development by plug shape
표 Table 3 Domain conditions
표 Table 4 Vortex numbers by plug shape described in Fig. 5
그림 Fig. 6 Variation of flow rate by plug shape according to the opening ratio and pressure ratio
그림 Fig. 7 Variation of sonic conductance C by plug shape according to the opening ratio
표 Table 5 RMS error according to plug shape

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 압축성 유체용 글로브 밸브의 유량특성을 향상시키기 위하여 밸브 유로 조절 요소 중 하나인 플러그의 유로 형상을 설계 한 후 CFD해석을 수행하였다. 본 논문에서 얻어진 성과는 다음과 같다.
본 연구에서는 글로브 밸브의 유로 조절 요소 중 하나인 플러그의 유로 형상을 설계 한 후 압축성 유체를 이용한 CFD(Computational Fluid Dynamics)해석을 수행하여 개도율 및 밸브 입·출구 압력비에 따른 글로브 밸브의 유동해석 결과를 분석하였고, 이러한 수치해석 결과를 토대로 글로브 밸브의 유량특성을 향상시킬 수 있는 유로 형상 설계 방안을 제시하고자 한다.

가설 설정

4는 유동장에 생성한 매시(mesh)를 나타낸다. 압축성 유체의 유동해석 시에는 내부 벽 벽면의 인플레이션(inflation)이 유체의 유동에 크게 영향을 끼치지 않는다. 그러므로 격자 품질을 향상하기 위해서 벽면의 인플레이션을 최소화하여 매시를 생성하였다.

제안 방법

작동 유체는 이상기체 상태인 공기로 설정하였으며 열전달 모델은 압축성 유동의 해석을 위해 운동에너지 효과를 고려하는 총 에너지(Total energy)로 설정하여 진행하였다.

이론/모형

밸브 내부 유동 수치 해석에는 압축성 NavierStokes 방정식을 적용한 2차원 압축성 정상상태 지배방정식5-6)을 사용하였다. 사용한 지배방정식은 다음과 같다.
글로브 밸브는 내부 유로의 형상이 복잡하기 때문에 와류가 많이 발생하며 유선이 복잡하다. 이러한 영역에서는 와류가 발생하는 영역에서의 예측이 정확하고 복잡한 유선에 대한 수치안정성이 뛰어난 k-ω SST 난류모델⁷⁾을 사용하였다. 지배방정식은 식 (4), (5)와 같다.

성능/효과

2. 플러그 형상 별 밸브의 개도율 및 압력비에 따른 질량 유량 변화를 분석한 결과 V자형 노치를 가공한 플러그를 사용할 때 동일한 압력비 및 개도율에서 가장 큰 질량 유량을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
플러그 형상에 따른 속도 벡터 분포를 통해 와류 발생위치 및 발달 정도를 확인하였다. 그 결과 설계한 플러그 형상 중 V자형 노치를 형성한 플러그를 이용할 때 와류 개수가 가장 적고 완전 발달이 덜 이루어지는 것을 확인하였다.
3. 소닉컨덕턴스에 대한 RMS 분석결과 플러그에 V자형 노치를 형성한 밸브의 선형성이 가장 좋음을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로부터 플러그의 측면에 적절한 노치를 구성하면 유체가 밸브를 통과할 때의 에너지손실 저감과 선형성 향상에 의한 밸브의 유량특성 향상이 가능함을 확인할 수 있었다.
소닉컨덕턴스에 대한 RMS 분석결과 플러그에 V자형 노치를 형성한 밸브의 선형성이 가장 좋음을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로부터 플러그의 측면에 적절한 노치를 구성하면 유체가 밸브를 통과할 때의 에너지손실 저감과 선형성 향상에 의한 밸브의 유량특성 향상이 가능함을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	밸브는 어떤 부품인가?	밸브는 유체의 압력, 온도, 속도 및 이동방향을 제어하기 위한 부품이며 사용용도, 기능, 동작형태에 따라 여러 가지 종류로 분류된다.
	글로브 밸브의 적용 분야는 무엇인가?	그 중 프로세스 제어 분야 등에서 다양한 제어용 부품으로 사용되고 있는 글로브 밸브는 밸브 디스크를 밸브시트에 누르는 동작을 통해서 유로의 크기를 조절하는 밸브로서 구조가 간단하고 정비가 용이하며 광범위한 온도와 압력을 제어할 수 있고, 유로 형태의 설계에 따라 유량 특성을 원하는 형태로 조절할 수 있다. 그러나, 글로브 밸브는 유체가 밸브를 통과할 때의 에너지손실이 크므로 다른 유형의 밸브와 비교하여 동일한 유량을 제어할 때 밸브 외형 사이즈가 커지거나, 압력손실이 크고, 또한, 글로브 밸브의 디스크 변위에 따른 유량 변화를 선형적으로 만들기 위해서는 글로브 밸브 유로를 구성하는 케이지 또는 플러그의 유체 통과 부분 형상을 복잡하게 가공해야 하는 단점이 있다.
	피스톤, 스템 (stem), 플러그(plug) 및 플러그 헤드로 구성된 액추에이터의 상·하 이동으로 발생하는 것은 무엇인가?	1에 나타낸 글로브 밸브는 단일 시트 형태로서 피스톤(piston), 플러그(plug) 및 플러그 헤드(plug head) 상·하부의 압력차에 의한 힘과 피스톤 하부에 설치한 스프링의 스프링력에 의하여 피스톤, 스템 (stem), 플러그(plug) 및 플러그 헤드로 구성된 액추에이터를 구동하는 구동력이 발생하므로 액추에이터가 상·하로 이동한다. 이 때 케이지(cage)와 플러그 사이에 형성된 유로를 통해 입구부에서 출구부로 유체가 흘러가게 된다. 구동력이 0(zero)인 초기 상태에서는 플러그 헤드가 케이지 하부에 밀착되어 유로가 폐쇄된다.

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