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_v 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_v 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.

동축 반전 볼 밸브의 형상개념설계 및 유동특성 분석

고한별(Han Byeol Ko),강효림(Hyo Lim Kang),한승호(Seung Ho Han) 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集B Vol.46 No.4

다양한 공정 라인에서 유량 및 압력을 조절하는 목적으로 제어 밸브가 활용되고 있다. 글로브 밸브는 제어 밸브의 고유유량특성에서 밸브의 개도율에 따라 유량계수가 등비율로 나타나며 개폐의 신속성은 물론 정교한 유량조절도 가능하여 광범위하게 사용되고 있으나, 낮은 개도율에서 유로의 변화가 심한 단점을 갖고 있다. 이를 보완하기 위해 구조가 단순하고 스템의 1/4 회전으로 완전 개폐가 기능한 볼 밸브가 제어 밸브로 주목받고 있다. 그러나 볼 밸브는 개도가 유로의 측면에서 시작되고, 고유유량 특성이 등비율로 나타나지 않아 정교한 유량조절이 어렵다. 본 연구에서는 동축 반전 장치가 삽입된 볼 밸브를 제안하였으며, 형상개념설계를 통해 개도 시 유로가 중앙에서 시작할 수 있도록 하였다. 아울러 전산유체해석을 통해 제어 밸브에서 요구되는 개도율에 따른 등비율의 고유유량특성을 만족하는지 여부를 확인하였다. 해석 결과 개도율 20~100% 변화에 따라 유량계수 C<SUB>v</SUB>는 1.05~110.49 범위에서 지수함수적으로 증가하여 등비율 특성이 나타났다. 또한 유량제어용으로 사용되는 기존의 V-port 볼 밸브와의 C<SUB>v</SUB> 비교를 통해 유량제어 밸브로서의 가능성을 검토하였다. A control valve that can precisely control flow rate and pressure is used in various process lines. The globe valve has been widely applied as a control valve owing to fast opening, closure, and precise flow control. Furthermore, an equal flow coefficient percentage of a globe valve can be provided as the inherent flow characteristics required for a typical control valve. The flow path, however, changes rapidly at a low opening rate. Recently, a ball valve was considered as a control valve owing to its simple structure and requires only a quarter-turn of the stem to be fully opened and closed. There are disadvantages to these characteristics, such as opening starting at the side of the flow path, and the inherent flow characteristics do not appear in an equal flow coefficient percentage. In the present study, a coaxial counter-rotating ball valve was proposed through a structure conceptual design, in which opening can start at the center of the flow path. The computational fluid dynamics analysis was carried out to assure whether the equal percentage of flow coefficient was satisfied due to change of the opening rate. The flow coefficient C<SUB>v</SUB> with a range of 1.05~110.49 was increased exponentially at the opening rate of 20~100%. In addition, the availability of the proposed vale as a flow control valve was reviewed by comparing C<SUB>v</SUB> with a V-port ball valve commercially used.

PFA 라인드 볼밸브의 시트 누설 측정

김현준,이원호,이종철 한국진공학회 2021 한국진공학회 학술발표회초록집 Vol.2021 No.2

PFA 라인드 볼밸브(PFA lined ball valve)는 고온(~120℃), 고압(~10bar)의 환경에서 위험도가 높고 강한 부식성을 갖는 염산, 황산, 질산 등의 화학물질 이송이 필요한 반도체, LCD 및 화학제품 제조공정의 배관 시스템에 주로 적용되고 있다. 시트 누설(seat leakage)은 볼밸브가 닫혀 있는 상태에서 PFA 라인드 볼과 PTFE 시트링(seat ring) 사이의 틈새를 통한 밸브 전후로의 누설이다. 본 논문에서는 기포 관측(bubble observation), 가스 유량 측정, 헬륨 질량 분석 등 3가지 방법을 PFA 라인드 볼밸브의 시트 누설 측정에 적용하였고, 각각의 누설률(leak rate) 측정 결과를 동일한 단위로 환산하여 검토하였다.

수소 충전소용 105MPa 급 고압 수소용 밸브의 유동특성평가

강효림(Hyo Lim Kang),이현호(Hyeon Ho Lee),김명진(Myeong Jin Kim),한승호(Seung Ho Han) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

최근 차량의 충전시간 단축과 항속거리 증진을 위해 최대허용압력 105MPa 이상의 환경에서 사용 가능한 충전소 시스템의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 그중 밸브는 전체 충전소 시스템 구성 장치의 약 20%을 차지하고 있으며, 이에 따라 최대허용압력 105MPa의 환경에서 작동이 가능한 밸브의 개발이 요구되고 있다. 본 연구에서는 수소충전소용 105MPa 급 볼 밸브를 대상체로 하여 전산유동해석을 수행하였으며, 물과 액상 수소 두 가지 작동 유체를 고려하여 개방률에 따른 유량특성을 분석하였다. 작동 유체가 물인 경우, 상온 하에서 상용되고 있는 밸브와의 유동성능 평가가 이루어졌다. 이때 밸브의 개방률 100, 75, 50 및 10%에서 유량계수 C_v 는 3.54, 2.38, 1.17 및 0.175 로 산출되어, 고유유량특성이 등비율로 나타나 정교한 유량제어가 가능함을 확인하였고, 기존의 상용화된 밸브와 유사한 유량성능을 보이고 있다. 한편 액상 수소인 경우, 압력과 온도가 각각 105MPa 및 -190oC에서 나타나므로 이의 물성치를 고려한 전산유동해석이 이루어졌다. 작동 유체가 물인 경우와 동일한 밸브의 개방률 조건에서 액상 수소의 C_v 는 각각 0.135, 0.075, 0.035, 0.005 로 나타났다. 액상 수소의 C_v 가 유체가 물인 경우에 비해 대폭 작게 나타나는 이유는 액상 수소의 비중이 물 대비 15 배 이하이기 때문이다. 아울러 액상 수소의 환경인 초고압 및 초저온 상태에서 열유체-구조연성해석을 수행하여 누설방지를 위한 볼 밸브의 구조안전성을 평가하였다. Currently, demand of a hydrogen charging station has been growing which can be used in an environment with a maximum allowable pressure of 105MPa or more, in order to shorten the charging time and improve the cruising range of hydrogen fuel cell cars. Among the components of the hydrogen charging station system, valves are occupied up to 20%. Therefore, it is necessary to develop the valves that meet the requirement of safe operation in a high pressure of 105MPa. In the present study, the flow characteristics of the 105MPa-class ball valve for a hydrogen charging station was evaluated by computational fluid dynamics (CFD) analysis, in which two working fluids such as water and liquid hydrogen were taking into account. In the case of the water, the flow performance evaluation was conducted at room temperature. The flow coefficients C_v were estimated as 3.54, 2.38, 1.17 and 0.175 at the valve opening rates of 100, 75, 50, and 10%, respectively. These results showed that the 105MPa-class ball valve provided equal percentage inherent flow characteristics and availability for a precise flow control. Its flow performance was quite similar to that of the products commercially applied in related industries. Meanwhile, the liquid hydrogen was found at a very low temperature of -190°C under high pressure of 105MPa, so that the CFD analysis was carried out in consideration of the material properties corresponding to these environments. Under the same valve opening rates in the case of the water, the C_v-values of 0.135, 0.075, 0.035, and 0.005 were obtained. These relatively small C_v-values were caused by a specific gravity of the liquid hydrogen, which is 15 times less than that of water. In addition, thermal fluid-structure interaction analysis was carried out to secure a seat tightness and structural safety of the 105MPa-class ball valve applied in the environment of the hydrogen charging station.

천연액화가스 제어용 볼밸브에 대한 구조적 연구

유찬욱(Chan-uk Ryu),박재현(Jae-hyoun Park),배기화(Ki-hwa Bae),김정렬(Jeong-ryul Kim) 한국유체기계학회 2007 유체기계 연구개발 발표회 논문집 Vol.- No.-

This paper is about structural analysis of ball valve for controling cryogenic LNG's flow or stop in normal temperature. The used valve is demanded safety resist inner pressure and temperature variation cause it uses in cryogenic, high pressure surrounding. This study evaluates for safety resist inner pressure and temperature variation by heat transfer analysis in cryogenic surrounding, heat stress analysis in temperature variation and deformation analysis in high pressure.

볼-박판 스프링 형 체크밸브가 적용된 압전유압펌프의 가압 특성

황용하,황재혁,배재성,Hwang, Yong-Ha,Hwang, Jai-Hyuk,Bae, Jae-Sung 항공우주시스템공학회 2018 항공우주시스템공학회지 Vol.12 No.2

본 연구에서는 소형 압전유압펌프가 적용된 브레이크 시스템의 부하압 개선을 위해 체크밸브에 대한 연구를 수행하였다. 가압 과정에서 부하의 정상상태 압력은 챔버압과 부하압이 체크밸브에 작용하는 단면적 비에 영향을 받는다. 체크밸브 유로 덮개는 역류 방지를 위해 유로의 단면적보다 넓게 제작되었기 때문에 단면적 비 조절을 위해 박판 스프링 형 체크밸브에 부가질량을 부착하는 방식을 제안하였다. 부가질량 부착에 의한 부하압 개선 효과를 확인하기 위해 상용코드를 이용하여 소형 압전유압펌프가 적용된 단순 브레이크 시스템의 모델링을 수행하였다. 모델링의 검증을 위해 부가질량이 부착되지 않은 박판 스프링 형 체크밸브를 적용한 펌프의 가압 실험결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 검증된 아메심 모델링에 부가질량을 추가하였고 시뮬레이션을 통해 단면적 비 조절에 의한 고 부하압 형성 효과를 확인하였다. 부가질량 추가에 따른 소형 압전유압펌프 구성품을 새롭게 설계/제작한 후 브레이크 시스템의 가압 성능 실험을 수행하여 부하압 35% 의 성능 개선을 확인하였다. In this study, a new check valve was studied to improve the load pressure of a brake system with a small piezoelectric-hydraulic pump. During the pressurization process, the steady-state pressure at the load is affected by the ratio of the cross-sectional area of the check valve the chamber pressure and load pressure. Since the flow path cover of the check valve is made wider than the cross-sectional area of the output flow to prevent backflow, a method of reducing the area ratio is proposed for a higher load pressure by mounting an additional mass to a thin plate spring type check valve. To identify the effect of mounting an additional mass to the existing check valve on the load pressure, a simple brake system with a small piezoelectric-hydraulic pump was modeled using a commercial code AMESim. The AMESim modeling was verified by comparing the simulation results with the experimental results of the pump the existing check valve. The additional mass was added to the verified AMESim modeling and higher load pressure was able to be obtained through simulation. The 35% performance improvement in load pressure identified by carrying out pressurization test of the brake system after adopting the new check valve the small piezoelectric-hydraulic pump.

미분탄 재순환 시스템을 이용한 메탈 코팅 볼밸브 내구성 성능시험

류상오(Ryu Sang Oh),윤성필(Yoon Sung Pill),권인구(Kwon In Goo),정우현(Jung Woohyun) 한국에너지기후변화학회 2017 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2017 No.11

고압용 볼 밸브의 토크 저감 설계

강효림(Hyo Lim Kang),박형준(Hyung Joon Park),황해성(Hae Seong Hwang),한승호(Seung Ho Han) 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.4

수소 충전소는 고압, 극저온의 환경에서 운용되기 때문에 기존의 산업에서 사용되고 있는 부품을 이용하기에는 한계가 있다. 특히 수소 충전소의 20%를 이루고 있는 밸브의 경우, 수소 가스 누출 시 폭발을 방지하기 위한 정교한 유량 제어 및 기밀성을 충족해야 하는 고도의 설계 기술을 요구하고 있다. 본 연구에서는 고압 및 -253°C의 초저온 환경에서 운용 가능한 수소 충전소용 105 MPa급 볼 밸브를 대상으로 성능 평가를 수행하였다. 유량 특성 평가는 유사한 형상을 갖는 기존 밸브와의 성능 비교를 위하여 상온의 물을 작동 유체로 고려한 경우와 실제 밸브의 작동 환경을 고려한 -253°C의 액상 수소를 적용하여 진행되었다. 유체-구조 연성 해석을 통하여 밸브 트림 부의 구조 안전성 평가 및 구동 토크의 변화를 확인하였으며, 아울러 시트의 치수 최적화를 통하여 토크 저감 설계를 실시하였다. 토크 저감 설계의 결과 최대 토크 값의 경우 44.00에서 35.23 N·m으로 약 20% 수준의 토크 저감이 이루어진 것을 확인하였다. Hydrogen charging stations operate in high-pressure and cryogenic environments, requiring limitations for components applied in conventional industries. In particular, the valves composed about 20% in hydrogen charging stations require sophisticated flow control and seat tightness which meet the requirement to prevent leakage and risk of explosion. In this study, a performance evaluation of the 105 MPa-class ball valves for hydrogen charging stations was performed, which are operated at this high pressure and at a cryogenic temperature of -253°C. To estimate the flow characteristics, the working fluid was considered to be water at room temperature, and the obtained results were compared with the existing valves characteristics. Subsequently, liquid hydrogen at -253°C was applied as the working fluid considering the actual hydrogen charging station operational environment. A fluid-structure interaction analysis was conducted to estimate the structural safety of trim parts and the driving torque changes owing to the rotation of the ball valve stem. In addition, a size optimization for three shape design variables of the seat was performed to minimize the driving torque. The results demonstrated that the driving torque was decreased by approximately 20% in comparison with the initial design model.

분체용 고압 메탈시트 볼밸브 내구성능 시험 후 Inspection 결과

권인구(Ingoo Kwon),오승천(Seung cheon Oh),정우현(Woohyun Jung),이종경(Jong Kyung Lee) 한국에너지기후변화학회 2017 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2017 No.11

극저온 환경 하에 운용되는 볼밸브의 구조적 안전성 평가

유찬욱(Chan-Uk Ryu),박재현(Jae-Hyoun Park),박형욱(Hyung-Wook Park),임재익(Jae-Ik Lim),김정렬(Jeong-Ryul Kim) 대한기계학회 2008 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2008 No.5

This paper is about structural analysis of ball valve for controling cryogenic LNG's flow or stop in normal temperature. The used valve is demanded safety resist inner pressure and temperature variation cause it uses in cryogenic, high pressure surrounding. This study evaluates for safety resist inner pressure and temperature variation by heat transfer analysis in cryogenic surrounding, heat stress analysis in temperature variation and deformation analysis in high pressure.