1. 서론
밸브 Size는 On-Off 밸브일때는 유체의 압력 손실을 적게 하기 위해서 파이프 크기에 맞추어 같은 크기로 하면 되기 때문에 별 문제가 없지만 유량을 제어하기 위해서는 알맞는 크기를 계산하여 결정하지 않으면 안된다. 너무 작은것을 선택하면 압력 손실이 크고, 유속이 빨라져 캐비테이션 이나 플라싱 현상이 일어나 소음이 심하게 나고 진동이 심하여 밸브 및 주변기기에 막대한 영향을 주고, 너무 크면 유량 조절범위를 벗어 나거나 조절범위중 최소부분에 치우쳐 조금만 열어도 유량이 크게 증가하여 미세한 조절이 불가능하게 된다. 따라서 알맞는 크기의 밸브를 선정하는 것이 정확한 제어를 하기 위해서는 필수적인 요건이다.
⑴ Size 선정 요건
밸브 크기를 결정하기 위해서는 이에 관계되는 다음과 같은 여러가지 조 건을 충분히 검토하여야 한다. 이 조건들은 정상적인 운전상태일때는 물론 최악의 운전조건, 시운전등 특수조건도 고려해야 한다.
⒜ 유량조건(Flow Application Data)
① 유량(Flow Quantity) - 최대, 정상, 최소운전시 유량
② 압력(Pressure) - 최고, 정상, 최저 유량일때 In/Outlet 압력, 차압
③ 온도(Temperature) - 최고, 정상, 최저 운전상태의 온도
⒝ 유체 특성(Fluid Data)
① 유체의 상태 - 액체, 가스, 스팀, 혼합 유체등
② 비중(Density)
③ 점도(Voscosity) - 액체일때
④ 수증기 압력, 특정압력
⒞ 배관조건(Pipe Condition)
밸브 전후 배관 크기, 레듀서 또는 유체에 영향을 주는 기구의 유무
⒟ 공정상의 영향
① 공정상 제어의 정도
② 안정성
⒠ 경제성
① 밸브의 가격
② 수리 및 교환의 용이성
⒡ 밸브 형식
① 밸브용량 - 같은 크기일지라도 밸브 형태에 따라 용량이 다름
② 조절범위 - 조절범위가 밸브에 따라 다르기 때문에 주의해야 함.
③ 부식 - 화학적인 재질의 변화
④ 침식 - 물리적인 마모
⑤ 밀폐성 - 밀폐 정도에 따라 누수가 결정
⑥ 소음
⒢ 크기 계산(Size Calculation)
① 크기 계산식에 따라 계산하거나 컴퓨터를 이용 계산
② 제조업자의 밸브 Spec'에 따른 Cv 확인.
○ 밸브에 관한 용어
1. 압력의 변화와 현상
계장 프로세스의 시작은 액체의 경우 펌프에서 부터 시작하며, 가스의 경우는 블로와, 공기의 경우는 콤퓨레샤에서 시작된다. 이와 같은 유체의 흐름은 배관을 통해 각종 공기압 기기로 운송되는데 이때 압력의 변화는 배관 및 밸브 기타 마찰 저항 성분을 가진 것들로 인해 압력이 떨어지게 된다. 밸브의 예를 보면은 밸브 전단의 1차측 압력과 출구 압력을 2차측 압력이라 하며, 밸브 전후의 압력차를 차압(ΔP)이라 표시하며, 밸브에서 생기는 압력차는 프로세스에 직접적으로 영향을 미치므로 차압이 적게 되도록 해야한다.
가. 캐비테이션(Cavitation)
유체에는 증기나 공기가 녹아 있으며, 압력이 높을때는 유체속에 녹아 있으나 압력이 떨어지게 되면 증기나 공기가 발생한다. 유체중 물을 예로 들면,물에는 공기가 녹아 있다. 공기는 밸브 1차측압력이 높으므로 그대로 있으나 유체가 밸브를 통과하여 압력이 떨어지게 되면 기포가 발생한다.
발생된 기포는 압력이 회복이 되는 부분까지 이동을하여 기포가 터지게 되는데 이때 기포의 폭발로 압력이 상승하여 소음발생이 일어나며 이 현상으로 배관의 진동과 배관 내부의 침식, 부식,마식현상이 발생한다. 따라서 캐비테이션을 방지하기 위해서는 가능한한 차압을 적게 해야 하는데 이를 위해 계산치보다 큰 구경의 밸브를 선정하거나 또는 밸브를 여러개 설치하여 차압을 순차적으로 낮게 하는 방법, 1차측 압력이 일정하면 밸브를 가능한 낮은 장소에 설치하여 2차압력을 크게하는 방법등이 있다. 또 다른 방법으로는 차압이 일정하면 압력 회복이 낮은 밸브를 사용하는 것도 대책 중의 하나라고 볼 수 있다. 밸브전후 압력 변화로 인한 현상은 캐비테이션뿐만 아니라 플라싱이라는 현상도 발생하는데 플라싱은 유체중에서 액체에만 나타나는 현상으로 액체가 밸브를 통과하면 압력이 가장 낮은 지점에서 액체의 일부가 증발하는 현상을 말한다.
나. 레인지어빌리티(Rangeability)
조절밸브에 있어서 실용상 만족시켜야 할 유량 특성을 나타내는 범위의 최대와 최소와의 밸브 용량비를 레인지어빌리티라 하는데 제대로 맞지 않을때는 유량이 헌팅하여 제어가 곤란한 현상으로 나타난다.
레인지어빌리티는 제어가능범위 또는 턴다운 레시오(Turn down ratio)라 부르기도 하며, 개념은 밸브전후 차압을 일정하게 유지하고 계산하는 고유 레인지어빌리티는 유량의 최대치를 최소치로 나눈 것으로 제어용으로 사용 되는 글로브 밸브의 경우 R= 30∼50, 버터플라이 밸브는 R=20 정도가 일반 적이다. 예를들어 밸브개도가 최소 2.9％가 되었을때 유량이 3.0％ 흐르고 계속해서 밸브가 95％ 열었을때 유량이 96％ 까지는 개도와 유량이 비례 관계를 가지는 밸브가 있다고 했을때 제어 가능 최소 유량은 3.0％이고, 제어가능 최대 유량은 96％가 된다. 따라서 고유 레인지어빌리티는 96 /3 이므로 32 이다. 그러나 밸브를 배관속에 설치 했을때의 경우는 유효 레인지어빌리티로서 나타낸다. 유효 레인지어빌리티는 밸브가 설치된 상태에 따라서 변화 한다 따라서 밸브를 설치할 때에는 압력 배분이 유량과 직접적으로 관계하므로 주의해야 한다. 레인지어빌리티는 클수록 고가이나 가능한 한 큰것을 선택해야 하는데 그 이유는 제어능력이기 때문이다.
2. 밸브 Size 계산방법
밸브 크기를 국제적으로 많이 쓰는 단위로는 Cv, Kv, Av가 있다.
① Cv (Coefficient Value)
조절밸브 용량을 표시하는 수치로 1940년 미국 Rokwel씨가 발표하였으며 15.6 ℃의 맑은 물이 밸브 입구와 출구 압력차가 1 PSI로 흘렸을때 1분당 유량(Gallon/Min)을 US Gallon (3.7853ℓ)으로 표시한 단위가 CV이다.
② KV
독일이 사용하는 밸브용량 계산식으로 5∼30 ℃의 물이 밸브입구와 출구 압력차가 1 kg/㎠ 일때의 유량을 ㎥/h로 표시한 단위이다. 다른 단위로의 환산 관계는 Cv = 1.167 Kv 이다.
③ Av
국제단위계(SI Units)로 표시한 것으로서 Av = (24/10)Cv 로 표시한다