각종 다단 감압 조절밸브의 특징 및 선택

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각종 다단 감압 조절밸브의 특징 및 선택 방법에 대해, 다단 감압 조절밸브의 일반적인 구조 유형과 그 특징들을 체계적으로 소개하였다.압축성 매체의 작동 조건에 따른 구체적인 요구사항에 근거하여 사용자가 조절밸브의 CV값을 계산하는 일반적인 방법들을 정리하였으며, 이는 사용자가 다단 감압 조절밸브의 특성을 이해하고 합리적으로 선택하는 데 참고가 될 것이다. 1. 서론 현대 산업 생산 과정에서 조절밸브는 시스템 내에서 배관을 통과하는 유체의 유량을 제어하는 장치로서, 배관 시스템의 최종 제어 요소입니다. 이는 유체 매체를 분배하고 유량을 조절하는 등 매우 중요한 역할을 합니다.최근 몇 년간 산업 기술이 지속적으로 발전함에 따라, 실제 생산 현장에서 발생하는 고온, 고압과 같은 특수 작동 조건들이 조절밸브에도 더 높은 요구사항을 요구하게 되었습니다.특히 고압차 환경에 사용되는 조절밸브의 경우, 유속이 매우 높기 때문에 내부 스로틀 부위에서 침식 및 부식이 자주 발생합니다. 또한 캐비테이션 현상으로 인해 기포현상, 소음, 진동 등의 문제도 동반되어 안전한 생산에 심각한 위협이 됩니다.이에 따라 국내외의 일부 제조업체들은 고압차 조건에서 사용될 수 있는 다단계 강하형 구조의 조절밸브를 개발해냈습니다. 이 글에서는 일반적으로 사용되는 다양한 종류의 다단계 강하 조절 밸브의 구조, 작동 원리 및 특징을 각각 소개합니다.또한 압축 가능한 작동 조건에 대해, 사용자가 실제 요구되는 유량에 따라 조절 밸브의 CV 값을 계산하는 일반적인 방법들을 정리하였습니다.사용자가 다단계 강하 조절 밸브의 특징을 이해하고 적절히 선정할 수 있도록 참고 자료를 제공합니다. 二、다단계 강하 조절 밸브의 일반적인 유형과 특징 조절 밸브에서 발생하는 기공 카비테이션 현상의 근본적인 원인은 바로 밸브 앞뒤의 압력 차이가 너무 크기 때문입니다.일반적으로 Δp＞2.5MPa일 때, 유체 매질이 밸브 내부의 오리피스 부위로 들어가면 압력이 급격히 떨어지며, 유로 단면적이 가장 작은 지점에서 압력이 최저값을 나타냅니다. 이 압력이 해당 온도에서의 유체의 포화증기압보다 낮아지면 일부 액체가 기화되어 수많은 미세한 기포가 생성됩니다. 유체가 오리피스를 통과하면서 압력이 다시 상승할 때 이러한 기포들은 파괴되어 액체 상태로 돌아가는데, 이 과정에서 밸브 본체나 밸브 코어와 같은 부품에 충격을 주고 소음 및 진동과 같은 문제를 초래합니다.최근 들어, 국내외의 여러 밸브 제조업체들이 극한의 작동 조건에서도 사용할 수 있는 다양한 유형의 침식 방지형 다단계 압력 강하 조절밸브를 개발해 왔습니다.일반적인 다단계 강하 조절 밸브는 세 가지 유형으로 나뉩니다. 구조는 서로 다르지만, 모두 동일한 작동 원리를 가지고 있습니다. 즉, 구조를 변경함으로써 전체 압력 차이를 여러 단계로 나누어 강하시키는 것입니다. 이렇게 하면 각 단계에서의 압력 강하량 Δp1이 공동현상이 발생하는 임계 압력 차이보다 작아지므로, 기공 현상과 같은 문제를 효과적으로 방지할 수 있습니다. 1. 캐스케이드식 조절밸브
캐스케이드식 다단 감압 구조는 그림 1과 같습니다. 이 구조는 원래 하나의 통합된 감압 영역을 여러 개의 분리된 감압 영역들로 나누어 서로 직렬로 연결함으로써, 큰 압력차를 여러 개의 작은 압력차로 전환시킵니다. 그 결과 각 단계에서의 압력 강하 범위가 포화증기압 이상으로 유지되어 캐비테이션 현상이 발생하지 않게 됩니다.그림 1 계단식 조절밸브
계단식 조절밸브는 주로 액체 매체가 사용되는 환경에서 사용됩니다. 이 밸브의 특징은 다음과 같습니다: 1) 개폐 과정에서 지속적인 압력 차이를 줄일 수 있습니다. 각 단계의 저항부의 작동은 이전 단계보다 늦게 일어나므로, 개폐 과정에서 밸브에 가해지는 높은 압력을 단계적으로 줄일 수 있으며, 이를 통해 첫 번째 저항부에 가해지는 압력도 분산됩니다. 2) 유동 저항이 작아, 유체의 청정도가 낮거나 고형물과 액체가 섞인 유동 환경에서도 사용할 수 있습니다. 3) 직렬식 밸브 코어는 일반적으로 텅스텐 카바이드 스프레이 경화 처리를 거쳐 내마모성과 내침식성이 우수합니다. 4) 제조 공정은 다른 다단계 강하 조절 밸브에 비해 공정이 상대적으로 간단하고 가공이 용이하며, 제조 비용도 비교적 저렴합니다. 5) 직렬식 조절밸브는 일반적으로 강하 단계의 수가 제한되어 있으며, 대부분 3~4단계이기 때문에 압력 차이가 너무 큰 경우에는 사용할 수 없습니다. 2. 다층 슬리브식 조절밸브 다층 슬리브식 다단 감압 구조는 그림 2와 같으며, 주로 발전소나 화학공업 등의 산업 분야에서 사용됩니다.그림2 다층 슬리브식 조절밸브 다층 슬리브식 조절밸브의 전형적인 구조적 특징은 밸브 코어 부분의 스로틀링 요소가 여러 층으로 구성된, 작은 구멍들이 뚫린 슬리브들로 이루어져 있다는 점입니다. 각 층의 슬리브 사이에는 일정한 간격이 유지되어 있어, 유체가 슬리브를 통과할 때 완충 효과가 발생함으로써 유체의 속도를 일정 범위 내로 제어할 수 있습니다. 그 특징은 다음과 같습니다: 1) 다단계 슬리브형 조절밸브의 압력 강하 단계 수를 크게 설계할 수 있어, 계단식에 비해 압력 강하 능력이 우수하며 고압 차이가 있는 환경에서도 사용할 수 있습니다. 2) 다층 슬리브형 구조는 높은 압력 강하 요구사항을 충족시킬 수 있을 뿐만 아니라, 작동 시에도 큰 유량을 보장할 수 있다. 3) 기공 방지 성능이 우수하여, 액체 매체가 사용될 때 유체는 가장 바깥쪽 슬리브에서 가장 안쪽으로 흐릅니다. 액체 매체는 슬리브 내에서 단계적으로 압력이 낮아지면서 기공 현상이 발생하는 것을 줄입니다. 그리고 유체는 결국 안쪽 슬리브에 있는 작은 구멍을 통해 중앙 밸브 공간으로 분출되어, 슬리브 중앙 부분에서 기포가 파괴됩니다. 이로 인해 밸브의 금속 표면에 직접적인 손상이 가지 않습니다. 4) 소음 및 진동에 대한 내성이 뛰어납니다. 기체 매질을 사용할 경우, 가스는 슬리브의 안쪽에서 바깥쪽으로 흐르게 되는데, 바깥쪽 슬리브의 구멍 크기와 틈새가 안쪽 슬리브에 비해 더 커지므로 기체 매질이 단계적으로 압력이 낮아지는 과정에서 계속 팽창하게 됩니다. 이를 통해 소음과 진동으로 인한 해로운 영향을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 5) 슬리브 가공 과정은 비교적 복잡하며, 비용이 높습니다.하지만 설치와 유지보수가 간편하며, 교체도 쉽습니다. 3. 미로형 조절밸브: 미로형 디스크식 다단계 강하 구조는 그림 3에 나타나 있으며, 그 핵심인 유량 조절 부분은 미로형 홈이 있는 여러 금속 디스크들이 층층이 쌓여서 구성됩니다.유체가 미로형 유로를 통과하면서 여러 번 충돌하고 방향을 바꾸어 에너지를 소모하며, 단계적으로 압력이 감소하는 과정에서 유속도 제어된다.그림 3 미로형 조절밸브는 주로 원자력, 발전소와 같은 산업 분야에서 고온 고압의 특수한 환경에 사용됩니다. 작동 매체는 대부분 과열된 증기이지만, 액체 매체에도 사용될 수 있습니다.그 특징은 다음과 같습니다. 1) 미로형 유로의 꺾임 횟수는 미로식 조절밸브의 압력 강하 단계 수를 의미하며, 일반적으로 10단계에서 20단계 정도에 이릅니다. 따라서 미로형 다단계 압력 강하 구조는 일반적인 다단계 압력 강하 조절밸브 중에서 가장 강력한 압력 강하 능력을 가집니다. 해외 제품의 경우 최대 40MPa까지 가능합니다. 2) 뛰어난 캐비테이션 내성 및 소음·진동 감쇠 성능을 갖추고 있으며, 다단 굽은 형태의 미로식 유로는 유체 속도를 효과적으로 제어하여 캐비테이션, 소음, 진동과 같은 불량 현상의 발생을 방지할 수 있다. 3) 서로 다른 형태의 미로형 디스크를 조합함으로써, 미로형 조절밸브는 다양한 유량 특성 조절 곡선을 얻을 수 있다. 4) 미로형 디스크의 제조 정밀도는 매우 높아야 하며, 일반적으로 스테일리드 합금을 사용하여 증착되어 긴 수명을 가집니다；설치 및 유지보수가 비교적 간편하고, 디스크 교체도 용이합니다. 5) 미로형 유로는 유체 매체의 청결도에 높은 요구사항이 있으며, 그렇지 않으면 미로형 유로가 쉽게 막힙니다. 3. 다단 감압 조절밸브의 CV값 계산
유량계수(CV)는 일반적으로 밸브의 유로 용량을 나타내는 지표입니다. 적절한 조절밸브를 선택하기 위해서는 사용 조건에 따라 필요한 CV값을 계산한 뒤, 그 값에 맞는 정격 유량계수를 가진 조절밸브 모델을 선택해야 합니다.압축 가능한 상황에서는, 유체가 저항을 통과할 때 압력이 낮아지고 부피가 팽창하여 밀도가 감소하며, 밸브 내부의 유동 상태는 비압축성 유체에 비해 훨씬 복잡해집니다.따라서 일반적으로 압축 가능한 작동 조건에서 주로 사용되는 다단 감압 조절밸브의 경우, 그 유량 계수를 계산하는 방법도 다소 특별합니다. 대표적인 압축 가능한 작동 조건에서 CV값을 계산하는 방법으로는 압축 계수법과 팽창 계수법이라는 두 가지 일반적인 방법이 있습니다. 1. 압축계수법 압축계수법은 1950년대에 소련에서 제안된 것으로, 압축 가능한 조건 하에서 유량 계수를 계산하는 초기 공식 중 하나입니다.압축계수법은 기체의 압축성을 고려하여, 일반적인 액체 계산 공식에 기체 압축계수 ε를 추가함으로써 액체 계산 공식을 보정한다.이 방법은 계산 모델을 상당히 단순화시킵니다. 다양한 형태의 조절 밸브들을 모두 동일한 유량 노즐로 간주하고, 노즐 내에서 기체가 흐르는 과정을 단열 과정으로 가정합니다. 그런 다음 에너지 평형 방정식을 이용하여 계산 공식을 도출하는데, 그 공식은 다음과 같습니다: (1) 여기서 γN은 표준 상태에서의 기체의 비중으로, 단위는 kgf/m3입니다(1kgf = 9.8N)； Q——표준 상태에서의 부피 유량, 단위는 m3/h； T——가스 온도, 단위는 K； p1——밸브 앞의 압력, 단위는 kgf/m2 (1kgf=9.8N)； ∆p——밸브 양단의 압력 차이로, 단위는 kgf/m2입니다. 압축 계수 ε는 실험을 통해 측정할 수 있으며, 일반적으로 공기를 대상으로 한 실험을 통해 다음과 같은 값을 얻을 수 있다: (2) 압축 계수법 외에도, 초기에는 밸브 전의 밀도법, 밸브 후의 밀도법, 평균 밀도법과 같은 방법들도 사용되었다.초기 공식은 압력 회복 정도가 낮은 경우에만 적용될 수 있으며, 비임계 흐름 영역에서는 양호한 계산 정밀도를 보장할 수 있다.그러나 공식이 계산 모델을 단순화하기 때문에, ∆p/p1이 임계 압력비에 도달하면 큰 오차가 발생하여 전이 영역과 임계 영역에서는 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 2. 팽창계수법 초기의 계산 공식들은 밸브의 압력 회복 특성이 계산에 미치는 영향을 고려하지 않았습니다. 1970년대에 일부 해외 제조업체들은 팽창계수법, 다항식법, 사인법 등을 대표로 하는 일련의 새로운 공식들을 제안함으로써 초기 공식들을 개선했습니다. 이를 통해 비임계 영역에서 임계 영역까지의 계산 정확도를 보다 잘 확보할 수 있게 되었습니다.초기 공식과 비교했을 때, 팽창계수법을 대표로 하는 후기 공식의 계산 결과는 더욱 경제적이어서 불필요한 낭비를 줄일 수 있다.그중 팽창계수법은 계산이 간편하다는 점에서 IEC에 의해 표준 공식으로 권장되고 있습니다.팽창계수법은 액체 상태에서의 계산 공식에 팽창계수 Y를 도입하여 보정함으로써 얻어지며, Y=1일 때는 팽창계수법이 비압축성 액체의 작동 조건에도 적용될 수 있다. (3) 식에서 ρN은 표준 상태에서의 기체 밀도로, 단위는 kg/m3입니다； Q——표준 상태에서의 부피 유량, 단위는 m3/h； T1 —— 가스 입구 온도, 단위는 K； p1——밸브 앞의 압력, 단위는 kPa； X——압력차 비율, X＝∆p/p1； Z——압축계수. 팽창 계수 Y는 동일한 레이놀즈 수에서 압축 가능한 매질의 유량 계수와 압축 불가능한 매질의 유량 계수의 비를 나타냅니다.이는 유체가 밸브 입구에서 흐르다가, 제한 구멍 하류에 위치한 유동 면적이 가장 작은 수축 단면부에 도달했을 때의 밀도 변화, 그리고 압력 차이가 변할 때 수축 단면부의 면적이 어떻게 변하는지를 나타냅니다. (4) 식에서 FK는 비열비 계수이며, FK＝K/1.4입니다. 계산 공식 자체에는 상류 조건 하에서의 유체의 실제 밀도가 포함되어 있지 않기 때문에, 팽창 계수법에서는 특정 조건 하에서의 실제 기체와 이상 기체 간의 차이를 보정하기 위해 압축 계수 Z를 도입합니다.팽창 계수 Y는 밸브 입구부터 목부까지의 가스 밀도 변화를 보정하는 데 사용되며, Y는 목부의 면적과 입구 면적의 비, 채널 형상, 압력 차이비 X, 레이놀즈 수, 그리고 비열비 계수 FK와 같은 요인들과 관련이 있습니다.팽창계수법은 압축성 유체의 흐름에 영향을 미치는 다양한 요인들을 모두 고려하기 때문에, 모든 흐름 범위에서 높은 계산 정밀도를 보장할 수 있습니다. 또한 다양한 유형의 밸브에 적용될 수 있어 널리 사용되고 있습니다. 넷째, 결론. 높은 압력 차이가 있는 환경에서 사용되는 다단계 강하 조절 밸브는 배관 시스템 내의 핵심적인 장비로서, 제어 과정에서 매우 중요한 역할을 합니다.이 글에서는 일반적으로 사용되는 세 가지 유형의 다단계 강하 조절 밸브 제품들의 작동 원리, 핵심 구조, 특징, 그리고 각각 적합한 용도에 대해 체계적으로 설명합니다. 이를 통해 독자들은 다단계 강하 조절 밸브의 기본적인 유형과 특징을 이해할 수 있습니다.또한, 다단계 강하 조절 밸브는 압축 가능한 작동 조건에서 자주 사용되기 때문에, 본 논문에서는 압축 가능한 작동 조건 하에서의 유량 계수를 계산하는 일반적인 방법들을 정리하고 요약했습니다. 이를 통해 사용자들은 올바른 계산 방법을 바탕으로 적절한 조절 밸브 모델을 선택할 수 있습니다.요약하자면, 본 논문은 고압 차동 환경에 특화된 다단계 강하 조절 밸브의 특성을 이해하고 이를 적절히 선정하는 데 일정한 참고 자료가 됩니다.