소형 자가제작 제어밸브의 성능

함 태 원, 김 영 한

동아대학교 화학공학과

Performance of a Home Made Mini Control Valve

Tae Won Ham and Young Han Kim

Department of Chemical Engineering, Dong-A University, Pusan 604-714, Korea

1. 서론

실험실에서의 제어실험 뿐 만 아니라 분리공정, 반응공정, 생물공정, 열역학실험 등의 여러 가지 실험에서 유체의 흐름 조절용으로 제어밸브를 사용하여야 할 일이 많이 있으나 실험실용의 소형밸브를 구하기가 쉽지않다. 기존의 공기압식 다이아프램 밸브가 있으나 값이 비싸고 쉽게 구할 수가 없으며 구조적으로 문제가 있어 유체에 소량의 고체찌꺼기가 혼입된 경우에는 밸브의 유체통로가 쉽게 막혀 전혀 예측치 않은 문제를 종종 경험할 수가 있다. 이것은 원형의 구멍을 가진 밸브시트에 플러그가 구멍을 적절히 막아서 유량을 조절하는 형태이기 때문이다. 게이트밸브를 사용하면 이러한 문제를 해결할 수 있는 데 게이트밸브에 모터를 연결하여 압력조절에 사용한 연구[1]가 발표된 바 있다. 또 최근에는 다이아프램 밸브의 성능을 개선하기 위하여 플러그의 위치를 측정하는 포지셔너에 위치측정장치를 따로 부착하여 밸브의 동적 움직임을 관리하는 지능형 포지셔너 부착 제어밸브[2,3]가 소개된 바 있다.

그러나 새로 개발된 밸브 역시 대형밸브 들 뿐이기 때문에 실험실에서 필요한 소형이면서 앞에서 지적한 고체찌꺼기에 의한 밸브막힘이 없는 밸브는 아직 소개된 바 없다. 그러므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 기존의 1/4인치 볼밸브를 이용하여 실험실에서  간편하게 사용할 수 있는 제어밸브를 제작하고 유량실험을 통하여 그 성능을 검증함으로써 여러 가지 용도의 유체흐름 조절용 밸브로 사용 가능함을 제시하고 자 한다. 아울러 제작에 필요한 여러 가지 구체적인 사항을 소개하여 차후의 제작 사용자가 큰 어려움 없이 사용할 수 있도록 자세히 설명하였다.

2. 밸브의 구조 및 제작

실험에 사용한 밸브는 시중품의 1/4 인치 스텐레스스틸 볼밸브이고 여기에 정역회전이 가능한 분 당 6 회전의 기어드 모터를 연결하였다. 모터는 100 v 용 3 w 용량의 유도식이고 기어박스가 연결된 것으로 시중에서 쉽게 구할 수 있는 제품이다.

그림 1에 밸브와 모터가 연결된 전체구조의 그림이 나타나 있다. 밸브의 축과 모터의 축이 커플링으로 연결되어 있고 밸브와 모터는 철판으로 제작된 구조물에 고정되어 배관에 밸브가 설치되었을 때 따로 모터를 고정할 필요가 없다. 볼밸브는 작동범위가 90 도이므로 그 범위 밖으로 움직이면 모터에 공급되는 전기가 끊어지도록 두 개의 푸쉬버튼 스위치가 리미트스위치로 부착되어 있다.

볼밸브는 열리는 구멍이 하나로 되어 있어 통과하는 유체에 고체입자가 섞여 있어도 쉽게 흘러갈 수 있는 장점이 있다. 그러나 회전하는 각도와 구멍 단면적의 증가량사이에 비선형적인 관계가 있어 유량조절에 문제를 일으킬 수 있다. 즉 처음 열릴 때와 마지막 열릴 때는 밸브의 같은 회전량에 대해 흐름단면적이 적게 증가하는 데 반해 중심부근에서는 많이 증가하는 문제점이 있다. 이를 개선하기 위하여 밸브의 구멍을 황동봉을 잘라서 메우고 대신 옆으로 길게 구멍을 다시 파서 구멍의 양쪽 갓부분과 가운데 부분이 일정한 회전각도에 대해 흐름구멍 단면적이 유사하도록 하였다.

Figure 1. Schematic diagram of a

home-made valve

모터의 회전속도는 6 rpm 으로 밸브가 완전히 닫힌상태에서 완전히 열릴 때까지 2.5초가 소요되나 실제 사용할 때는 미량의 조절이 되어야 하므로 모터회전의 시간은 밀리초 단위로 조절이 가능하여야 한다. 그리고 PC에서 계속 신호가 나와도 밸브에 부착된 리미트 스위치가 작동하면 밸브의 동작범위 밖으로는 더 열리거나 닫히지 않기 때문에 PC에서는 이를 고려할 필요가 없다.

모터의 움직임을 보다 정밀하게 조정하기 위하여 펄스당 1.8 도의 회전을 하는 스텦핑 모터에 1/60 감속의 기어를 부착하여 유량조절 시험을 하였으나 스텦핑모터에 적은 회수의 펄스가 가해질 때 펄스 수에 비례하는 회전이 얻어지지 않아 모터의 회전을 원하는 대로 얻을 수 없는 문제점이 발생하였다. 결국 이러한 방법으로 유량조절을 하는 것이 여기서 제안하는 방법에 비해 훨씬 나쁜 결과를 얻었다.

3. 실험

그림 2에 유량실험을 하는 전체장치의 장치도가 나타나 있다. 수조에 있는 물을 펌프로 공급하여 압력계를 보면서 필요한 압력이되게 밸브를 조절하여 나머지는 수조로 순환시킨다. 펌프에서의 물은 오리피스를 거쳐 제어밸브를 지나고 마지막 조절밸브를 거쳐 수조로 들어가게 되어 있다.

오리피스 판을 설치하기 위하여 3/8 인치 1/4 인치 황동 레듀서의 양쪽에 1/4 인치 유니언이 연결 가능하도록 탶을 사용하여 나사를 내고 직경 11 mm, 두께 3 mm의 오리피스판의 한가운데 2 mm의 구멍을 낸 다음 양쪽에 두께 1 mm의 실리콘 고무판을 잘라 가스켙으로 사용하였다. 이렇게 하면 오리피스의 설치가 쉽고 언제든지 교체가 가능하며 간단히 자체제작을 할 수가 있다.

Figure 2. Experimental setup.

오리피스의 양단에서 압력탭을 내어 차압전송기(Konics 사, 모델 LD301)에 연결하였다. 차압전송기의 전류신호(4-20 ma)는 100 옴의 저항을 사용하여 전압신호로 변환하고 이를 A/D 카드가 내장된 PC로 보내어 측정치가 PC에 입력되도록 하였다.

4. 결과 및 고찰

유량의 보정을 위하여 0.45, 0.53, 0.62 kg/cm2의 3가지 압력에서 오리피스 양단 간의 압력과 유량과의 관계를 다음의 2차식으로 표시할 수 있다.

[eqn: DELTA p ~=~59990 { u}^{2 }~ + ~153.5 ~u]	(1)

여기서 □p는 kPa 단위의 압력차이고 u는 L/s 단위의 유량을 나타내었으며 실험자료와 일치하였다.

제작한 밸브의 위치에 따른 유량의 변화를 그림 8에 표시하였다. 밸브의 위치는 상대적인 값으로 완전히 닫혔을 때를 200 완전히 열렸을 때를 1000으로 표시한 것이다. 밸브는 시중에서 구한 밸브를 그대로 사용하였을 때와 밸브의 구멍을 가로로 다시 파서 제작한 밸브로 실험한 결과 밸브위치 400에서 800사이의 유량변화를 보면 시중에서 구한 밸브를 그대로 사용하였을 경우 직선적인 관계가 없으나 그림 8의 경우에는 거의 직선적인 관계가 있음을 알 수 있다. 그러므로 밸브의 움직임에 따라 유량을 직선적으로 변화시킬 필요가 있는 경우에는 밸브의 구멍을 다시 파서 사용하면 직선적인 유량변화를 얻을 수 있어 유량조절이 훨씬 쉬워진다.

Figure 3. Variation of flow rate at different position of valve with

a modified hole.

감사

본 연구를 위해 포항공대 공정산업의 지능자동화 연구센터를 통해 재정적 지원을 해 주신 한국과학재단에 감사를 드립니다.

참고문헌

1. Barshilia, H. C., Kalmar, B., Winsor, N. R. and Kershmann, G.: Rev. Sci. Instr., 69, 496  (1998).

2. Reeve, A.: C & I, 1, 27(1995).

3. Omidbakhsh, S. and Paul, B. O.: Chem. Proc., 59(11), 24(1996).

4. Mahoney, J.: Chem. Proc., Fluid Flow Ann., 24(1996).

5. ISA, Chem. Proc., 61(11), 31(1998)

6. Kim, Y. H. and Luyben, W. L.: Chem. Eng. Commun., 128, 65(1995).