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유량 제어용 Cylinder-in-Ball 타입 밸브의 형상개념설계 및 유동해석을 통한 성능평가
한승호(S. H. Han),고한별(H. B. Ko),강효림(H. L. Kang),박형준(H. J. Park),정호(H. Jeong),최해룡(H. L. Chol) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4
제어 밸브는 다양한 공정라인에서 유량과 압력을 정교하게 조절하는 목적으로 다양하게 활용되고 있다. 그중 제어 밸브의 고유유량 특성에서 밸브의 개도율에 따라 등비율 특성을 갖는 글로브 밸브는 개폐가 신속하고 유량조절이 정교해 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 글로브 밸브의 경우 유로의 변화가 심한 단점을 갖고 있어, 유로와 구조가 단순한 볼 밸브가 제어밸브로 주목받고 있다. 볼 밸브는 개도가 유로의 측면에서 시작되어 유동 및 유속이 급격하게 변화하며 와류와 공동현상 등이 발생한다. 본 연구에서는 볼 안에 실린더가 삽입된 Cylinder-in-Ball 타입 밸브를 제안하여 개도 시 유로가 중앙에서 시작할 수 있도록 하였다. 또한 유동해석을 수행하여 밸브의 성능을 평가하였다. 해석 결과 밸브의 20%, 50% 및 100% 개방에서 유량계수가 1.05, 10.95 및 110.50 으로 나타났으며, 개방이 커질수록 유량계수가 지수함수적으로 증가하여 등비율의 고유유량특성을 갖는 것을 확인하였다. 아울러 기존의 V-Port 볼 밸브와의 유량계수 비교를 통해 제어 밸브로서 적합함을 검증하였다. The control valve is used for precisely controlling the flow rate and pressure in various process lines. Among the control valves, globe valve is widely used because it allows quick opening and closing and precise flow control. The globe valve has inherent flow characteristics such as an equal percentage of flow coefficient that are found in typical control valve. However, during operation, the flow path changes rapidly due to the complex internal structure of the valve, which can cause severe vortex and cavitation. For this reason, the use of ball valves with a relatively simple internal structure and flow path as control valves is increasing. When the opening angle is small, however, the opening starts at the side of flow path so that the flow changes severely, and the vortex, vibration and cavitation can occur. In the present study, a Cylinder-in-Ball type valve was proposed, which was capable opening starts at the center of flow path. This valve was implemented by using the outer ball and inner cylinder rotating in opposite directions. The CFD analysis was carried out to evaluate the flow performance, in which the flow coefficient C<sub>v</sub> at the opening ratio of 20%, 50% and 100% were estimated as 1.05, 10.95 and 110.50, respectively. The opening rate of the Cylinder-in-Ball valve increased, and then the C<sub>v</sub> increased exponentially. These showed that the Cylinder-in-Ball valve provided equal percentage inherent flow characteristics. In addition, the comparison of experimental results obtained from a commercially used V-port ball valve provided that the Cylinder-in-Ball type valve can be available for the purpose of precise flow control.
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