Control Valve의 종류

조작부의 대표적인 조절밸브의 종류는 프로세스 요구에 따라 여러 형태의 것들이 만들어지고 있으며, 분류하는 방법은 일반적으로 모양, 압력, 재질 작동방법 등이 있으며, 이밖에도 개폐부의 움직이는 형태에 따른 분류와 제어 목적에 따른 분류, 조작 신호에 따른 분류 등이 있다.

 

 

 

Control Valve의 종류

이번 포스팅은 개폐부 모양(Trim)의 움직이는 형태에 따른 분류 밸브는 개폐부가 어떻게 움직이는가를 기준으로 하여 살펴보았다.

① 직선 운동형 (Linear motion Valve) : 게이트 밸브, Y Type 밸브, 다이야프램 밸브, 핀치 밸브, 앵글밸브, 글로브 밸브

② 회전 운동형 (Rotary motion Valve) : 버티플라이 밸브, 볼 밸브, 플러그 밸브, 세그먼트 볼 밸브

개폐부 모양(Trim)의 움직이는 형태에 따른 분류

 

 

 

▶ Globe Valve - Single seated type

 

Plug와 Seat를 1개씩 가지고 있다.

가장 기본적인 형식의 Control Valve로, 차단성능이 우수하고 허용 누설량(Seat leakage rate)이 정격 Cv값의 0.01% 이하이며, Soft-seat 사용 시 완전 차단에 가깝게 할 수 있다.

1개의 Valve plug에 전 차압을 받기 때문에 대구경이나 고차압의 경우 요구되는 Actuator가 커지게 된다. 때문에 주로 소구경 Valve에 사용되며, 차단성능이 우수하여 Shut-off Valve나 On-off Valve로 사용된다.

 

 

 

▶ Globe Valve - Double seated type

 

유체의 흐름을 개폐 또는 조절하는 Seat가 두 개로 구성되어 있다. Valve plug의 Top 측과 Bottom 측 두 곳에서 Guide 하고 있는 구조이므로 Top and bottom guided Control valve라고도 한다.

Inlet으로 유입된 유체의 압력이 두 개의 Plug로 분산되어 Actuator에 받는 힘이 작기 때문에 Single seated Control valve의 약점인 대구경이나 고차압인 경우에 사용된다. 하지만, 두 개의 Seat를 동시에 접촉시키는 것이 어려우므로 Single seat Control valve 보다 Seat부의 누설량이 많다.

 

 

 

▶ Globe Valve - Cage type

 

Cage 내에 습동하는 Plug를 설치한 Control Valve 로서 Cage가 Plug를 직접 Guide 하고, Guide 면적이 크기 때문에 Plug의 진동이 억제되어 고차 압에 대해서도 안정적인 동작이 얻어진다.

한편, 불순물을 포함하는 유체에는 적합하지 않다. 유량 특성은 원통 모양인 Cage의 창형상을 바꿈으로써 임의의 특성을 갖게 할 수 있으며, Unbalance type과 Balance type이 있다.

Unbalance type은 Single seated Valve, Balance type은 Single seated valve 형식을 채택하는 수가 많다. 저압에서 고압까지 사용이 가능하며, 점도가 많거나 고체 제어용으로는 좋지 않다.

일반적으로 점도는 200cP까지 무방하고, Port 위에 구멍이 있어 유체 압력의 균형을 이루어 주는 Balance Cage, 구멍이 없는 Unbalance cage, Port 수에 따라 Single 또는 Double port가 있다.

 

 

 

▶ Diaphragm Valve

 

Valve 본체의 중앙에 Weir를 두고 Diaphragm에 의해 유로를 개폐한다. 선더스 밸브(Thunders Valve) 라고도 한다.

유로가 단순하기 때문에 본체 내면으로의 라이닝이 용이하고 내식성을 쉽게 얻을 수 있고, Slurry유체·점성유체 등에도 적합하며, 동일한 Globe Valve의 Size보다 Cv Value가 크다.

유량 특성은 Linear에 가깝다. 낮은 개도의 제어성은 좋지 않아 Range ability는 10∼15:1 정도이다. 따라서 유체가 점액이거나 유체 속에 고형물질 또는 덩어리 등이 들어 있는 유체를 제어하는데, Diaphragm Valve를 사용한다.

 

 

 

▶ Gate Valve

 

Disc가 유로를 수직으로 칸막이를 하여 개폐하는 형식의 Valve이다.

이 Valve는 전개 시 개구부가 배관 안 지름과 거의 같기 때문에 압력 손실이 작고, 또한 높은 차단 능력을 가지고 있으므로 차단 Valve로 사용하는 경우가 많다. Control Valve로 사용될 경우에는 Seat-ring을 V형 Orifice로 하여 특성 및 Range ability의 개선을 도모하는 연구가 진행되고 있다.

Gate Valve는 유량 조절용으로는 사용하지 않으며, 차단 Valve로 고온 고압의 여러 종류의 유체에 사용되지만, Slurry 나 고점도의 유체에는 사용되지 못한다. 따라서 완전히 열렸을 때 압력 강하가 적고, 외관상 On-off 식별이 용이하며, Material 선정 폭이 넓다.

단점으로는 열리기 전에 진동이 생기기 쉽고, Seat와 Disc 마모가 생기고 열릴 때 큰 힘이 필요하며, 미세한 유체 Leak가 발생된다.

Gate Valve의 종류로는 일반적으로 사용되는 것으로 Disc가 쐐기 모양인 Wedge type, 두 개의 다공관으로 되어 있어 열팽창과 압력 변화의 영향을 최소한으로 줄일 수 있어 가스, 증기 액체의 량을 조절하는 데 사용되는 Parallel slide type과 Gate의 Disc 끝이 칼날과 같이 날카로워 점도가 높은 물질이나 구형과 같은 고체, 고형 물질이 포함된 유체에 좋은 Knife gate type이 있다.

 

 

 

▶ Angle Valve

 

Valve 본체의 입구와 출구의 중심선이 직각이어서 유체의 흐름방향이 직각으로 변하는 형식의 Control Valve이다.

보통 유체를 옆으로부터 아래로 90도 방향 전환하며, Slurry유체·점성 유체 등이 쉽게 흐르게 하는 것을 목적으로 하는 용도에 사용 또는 출구 측에 Drain이 허용되지 않는 경우에 사용한다. 내부구조는 Globe Valve와 거의 같고 Single seated type, Cage type이 있으며, Globe Valve에 비하여 와류현상과 압력 손실이 적다. 따라서 유체 압력차가 큰 곳에 사용한다.

 

 

 

▶ 3-Way Valve

 

재질 및 구조는 일반 Ball Valve와 거의 같으나, 유체 흐름의 길을 바꿀 수 있는 구조의 밸브이다.

3-Way Valve는 유체 출입구가 3개 있는 형식의 Control Valve로서 두 가지 종류가 있는데, 유체 혼합 시 사용되는 T 형태는 2가지의 유체를 혼합 후 한 방향으로 보내거나, 한 방향의 유체를 2방향으로 나눠 보낼 수 있다. L 형태는 유체의 방향을 어느 한쪽으로 바꾸는 데 사용된다.

4개 Seat 디자인은 Inlet을 어느 쪽이나 쓸 수 있는 반면, 2개 Seat 디자인은 Seat가 2개로서 Seat가 없는 쪽이 언제나 유체의 입구 측이 된다.

유량 특성은 그 목적이 일정 유량을 혼합 또는 분류하는 것이어서 보통 Linear 특성으로 하며, 어떤 개도에서나 합계 유량이 동일하게 되도록 한다.

 

 

 

▶ Butterfly Valve

 

Valve 본체 내에서 Disc가 회전하여 개폐하는 형식의 대표적인 Valve다. 비교적 저가이며 대구경, 낮은 차압에 적합하다. 유체 압력에 의하여 움직이는 Torque는 70도 부근에서 최대로 되며, 그 위치를 초과하면 급격히 감소한다.

따라서, Control Valve로 사용할 경우에는 0도에서 60도 사이에 사용하는 것이 일반적이다. 유량 특성은 Equal Percent 특성에 가깝고, Range ability는 20 ∼30:1 정도이다. 보통의 Butterfly Valve는 Seat가 없고 전폐 시의 누설량은 1∼3％이지만, 누설량을 감소시키기 위해 여러 종류의 Seal 방식이 채택되고 있다.

누설을 막는 방법으로 고무, Teflon 등을 사용하면 누수를 막을 수는 있으나, 고온에는 견디지 못하여 저온에서 사용한다. 그러나 Metal seat가 개발되어 고온에도 사용되나, 고압에는 적합하지 않은 문제점이 있다. 또 구조적 특성으로 인해 2"(50A) 이하의 작은 Valve에는 설계 제조가 곤란한 단점이 있다.

Butterfly Valve는 유량조절 또는 On-Off용으로 사용할 수 있으며, On-Off일 때는 90도, 유량 조절일 경우에는 60도 회전 변을 사용하는데, 60도 이상이 되면 유체 증가가 기하급수적으로 변하고 많은 힘이 필요하며, 70도 이상에서는 유량조절로는 적합하지 않다.

이 Valve의 장점은 대구 경일 때 다른 Vlave에 비하여 가격이 저렴하고 설치하기가 좋고 유량 조절이 가능하다.

 

 

 

▶ Ball Valve

 

Valve 본체 내에 유로로서 관통 구멍을 가진 Ball을 넣고 회전시키는 형식의 Valve이다.

차단 성능은 Soft Seat의 경우는 대단히 양호하며, 완전 차단이 가능하다. Metal seat는 내열성이 우수하지만 차단성능은 Soft Seat에 비해 떨어진다. 제어용으로 사용하는 Ball Valve는 V-Notch를 넣은 부분을 구체로 하여 특성 개선을 도모하고 있다.

이러한 형식에서의 유량 특성은 Equal Percent 특성에 가까우며, Range ability는 100∼300:1 정도로서 온도, 압력 등 사용조건이 완만한 범위에서 사용되고 Slurry 유체에 적합하다.

Ball Valve는 점점 Control Valve로 사용되는 추세에 있는데, 지금까지 문제는 Seat의 재질 때문에 고온 고압에 사용이 제한이 왔으며, Ball과 Stem이 분리되어 Actuator와의 동력 전달이 미세한 부분에서는 잘 조절되지 않는 Dead band zone이 있었으나, Seat 재질을 향상해 Metal seat가 개발되고 Ball도 Seat와 같이 붙여 있는 One piece Ball이 나와 Globe Valve보다 가격이 저렴하고 Range ability가 큰 유리한 점들이 많아 Control Valve로 사용되고 있다. 단지 Ball은 회전각도에 따라 심하게 유량이 변하여 미세한 유량과 압력 제어에는 적합하지 않다. 또한 Valve를 통과하는 유체의 손실 계수인 Valve 회복 계수가 낮아 Control Valve로 사용 시 와류 현상이 일어나고 소음이 심하게 발생한다. 

 

 

▶ Eccentric rotary valve

 

Eccentric rotary valve는 Plug가 편심축을 중심으로 회전되어 개폐하는 Valve다.

구조적으로는 제어용 Ball Valve와 비슷하지만 편심축으로 되어 있다는 점이 특징이다. 편심축으로 되어있기 때문에 Seat와 Plug가 차단 시 외에는 접촉되지 않아 Torque의 감소와 차단 성능의 향상이 도모되고 있다.

유량 특성은 Linear 특성에 가깝고, Range ability는 100:1로 크다.

 

 

Reference : 월간계장기술, Control Valve의 개요 및 구조, 정승헌, 2010.10