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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.15 No.2 pp.31-37
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.15.2.031

Study of Performance Properties and Steam Condensate Capacity by Orifice Diameters of Free Float Steam Trap Valve

In-Kyou Choi*, Jung-Ho Kang*#
*School of Mechanical Engineering, Dong-A UNIV.
Corresponding Author : kangjh@dau.ac.kr+82-51-200-5716, +82-51-200-7656
December 16, 2015 January 13, 2016 January 14, 2016

Abstract

In the steam system, a stream trap valve discharges a condensate and a non-condensable gas. It also prevents stream from being leaked. The free float stream trap valve is a mechanical type of stream trap. The valve is opened when a hallow ball is floated due to the density of the condensate through the condensate flows into the valve. On the other hand, when the flow of the condensate is completed, the valve is closed as the float subsides due to the weight of the structure and the stream is blocked. In addition, the bimetal lifts the hallow ball, which discharges the non-condensable gas. In this study, the performance of the properties of the free float stream trap valve, the method of support for three points, and the orifice design are researched. Moreover, the condensate discharge capacity of the free float stream trap valve is calculated from the experiment.


프리 플로우트 스팀트랩 밸브의 오리피스 지름 변화에 따른 작동 원리 및 응축수 배출량에 관한 연구

최 인규*, 강 정호*#
*동아대학교 기계공학과

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    스팀트랩 밸브란 스팀 시스템에서의 응축수를 제 거하고, 스팀이 외부로 누출되지 않도록 하며, 시스 템 내의 비응축성 가스를 제거하는 일종의 자동밸 브 이다. 증기 시스템에서 응축수를 원활히 제거시 키지 못할 경우 열전달 효율이 저하되어 가열시간 이 길어지고 생산성이 저하되며, 워터해머(수격현 상)를 일으켜 설비와 배관을 손상시키고, 가열온도 의 불균형으로 인한 제품의 불량을 초래하고, 증기 관과 사용설비의 부식 또는 재질의 노화를 촉진시 킨다. 스팀트랩 밸브는 공학적 원리 및 내부구조에 의하여 구별되며 통상적으로 열역학식 트랩, 온도 조절식 트랩, 기계식 트랩 밸브로 나뉘어진다.[1][2][3]

    기계식 스팀트랩 밸브 종류 중 하나인 볼 플로우 트 스팀트랩 밸브는 볼 플로우트와 레버가 연결되 있으며 응축수가 밸브로 들어오면 부력에 의해 플 로우트가 떠오르는 동시에 플로우트와 연결되있는 레버에 의해 밸브가 열려 응축수가 배출되는 원리 로 작동된다.

    볼 플로우트 스팀트랩 밸브는 다음과 같은 장점 이 있다. 첫째, 응축수 부하변동에 관계없이 원활하 게 응축수를 배출한다. 둘째, 갑작스런 압력변동에 도 작동이 원활하다. 셋째, 응축수가 유입되는 대로 배출시키고 응축수유입이 전혀 없으면 증기누출이 없다. 넷째, 동일 구경에서 상대적으로 대용량이다. 하지만 볼 플로우트 스팀트랩 밸브는 플로우트와 레버가 용접되어있는 형태로 워터해머로 인한 용접 부위 내부손상을 입을 수 있는 단점이 있다.[4]

    프리 플로우트 스팀트랩 밸브는 위와 같은 볼 풀 르우트의 단점을 보완한 밸브로 레버 없이 볼이 자 유롭게 부유하며 밸브를 열고 닫는 형태이며 현재 밸브의 작동원리와 제작 방법이 확립되지 않아 전 량 수입을 하고있는 실정이다.

    본 연구에서는 플로우트 스팀트랩 밸브의 역설계 를 통한 국산화 개발을 위해 밸브의 작동원리에 대 한 고찰, 증기가 누출되지 않기 위한 3 지지점 설 계 방법, 주요 설계변수인 허용 오리피스 지름 설 계 방법을 제시하였으며, 실험을 통한 오리피스 지 름에 따른 배출량을 통해 성능 평가하여 기존의 밸 브와 비교해 보았다.

    2.작동원리 및 관련 변수

    2.1작동원리

    프리 플로우트 스팀트랩 밸브는 볼 플로우트 스 팀트랩에는 있는 레버가 없는 밸브로 플로우트가 부력에 의해 자유롭게 뜨고 가라앉으며 응축수를 배출하고 증기 누출을 막음으로써 상대적으로 볼 플로우트 스팀트랩에 비해 내구성이 뛰어난 장점이 있다.

    프리 플로우트 스팀트랩 밸브는 스팀과 응축수의 밀도차를 이용한 밸브로 부력에 의해 플로우트가 뜨고 가라앉으면서 밸브가 열리고 닫히며, 또한 바 이메탈에 의해 밸브가 열리고 닫힌다.

    Fig. 1은 증기 시스템에서 증기를 생산하기 위 한 보일러 초기 가동 시 배관에 존재하는 공기 등 의 비응축성 가스 및 차가운 응축수를 배출하는 과정을 묘사한 그림이다. 기준 온도 이상이 되었 을 때 수축되는 바이메탈은 기준 온도(90°C)보다 낮은 비응축성 가스 및 차가운 응축수에 의해 이 완되면서 플로우트를 들어올리게 되고 이때 밸브 가 열려 비응축성 가스 및 차가운 응축수가 배출 되게 된다.[5]

    Fig. 2는 일반적으로 90°C 이상의 응축수가 유 입되었을 때의 상태를 묘사한 그림이다. 응축수의 온도가 90°C 이상이 되면 바이메탈이 수축이 되 고 부력에 의해 플로우트는 상승하게 된다. 이때 밸브가 열리게 되며 응축수가 배출이 된다.

    Fig. 3는 응축수의 유입이 끝났을 때 밸브가 닫 히는 상태를 묘사한 그림이다. 응축수 유입이 끝 나면 플로우트는 부력을 잃고 내려앉으면서 밸브 가 닫히게 된다. 이때 밸브 입구는 내려앉은 플로 우트와 워터 실(water seal)이 형성되어 증기의 누 설을 방지한다.

    2.2관련 변수

    프리 플로우트 스팀 트랩 밸브 설계시 주요 설 계변수는 밸브의 개폐력에 관련하여 입구, 출구 압력차이, 오리피스 지름, 플로우트 반지름 및 두 께 등이 있다.

    밸브의 개방력은 밸브가 열리는 힘으로 플로우 트의 부력에 의존한다. 따라서 플로우트의 반지름 및 두께에 의해 개방력의 크기가 결정된다. Fig.4 을 통해 개방력과 폐쇄력을 그림으로 묘사하였 다.[6]

    B = ρ c V c g ρ f V f g
    (1)

    부력을 구하는 식 (1)에서 ρc 는 포화증기표에 따라 입구, 출구의 압력 차이에 의한 압력에 따른 포화증기온도에 따라 달라진다.[7]ρf 는 STS316L 의 밀도로 7.97g/cm3이다.[8]

    Vc, Vf 는 플로우트의 반지름 및 두께에 의존된 다.

    V c = 4 3 π r f 3
    (2)

    V c = 4 3 π ( r f 3 ( r f t f ) 3 )
    (3)

    F c = P d · π 4 D o 2 · cos ( x o )
    (4)

    D o = ( ρ c · 16 3 r f 3 · g ) ( ρ f · 16 3 ( r f 3 ( r f t f ) 3 ) · g ) P d · cos ( x o )
    (5)

    밸브의 폐쇄력은 밸브가 닫히는 힘으로 입구, 출 구 압력차이와 오리피스 지름에 의존한다.

    식 (1)~(4)를 이용하여 최종적으로 오리피스 지름 은 식 (5)에 의해 구해진다.

    본 연구는 기존의 프리 플로우트 스팀 트랩 밸 브를 역설계 하여 국산화 개발을 위한 것으로 오 리피스 지름 설계를 위해 기존의 플로우트 반지름 (25mm)과 두께(0.5mm)를 이용하였고, 오리피스 설 치 각도는 45°로 설정하였다.

    Table 1, Table 2는 밸브의 개방력을 계산하기 위해 부력과 플로우트의 무게를 계산한 것을 나타 낸 것이고, Table 3을 통해 앞서 계산한 개방력을 이용한 허용 폐쇄력을 통하여 허용 오리피스 지름 을 나타내었다.

    Fig. 5, 6, 7은 입구 출구 차이압력이 2bar, 5bar, 8bar일 때 각각의 개방력과 폐쇄력을 그래프로 나 타낸 것이다 이 때 두 힘의 교차점을 통해 허용 오리피스 지름이 계산되어 진다

    3.3지지점 설계법

    3.13지지점 원리

    볼 플로우트 스팀트랩 밸브는 플로우트에 레버 가 용접되어 플로우트가 응축수에 의해 부유하고 가라앉면서 레버에 의해 밸브가 열리고 닫히는 밸 브이다 프리 플로우트 스팀트랩 밸브는 볼 플로 우트 스팀트랩 밸브를 개선한 밸브로 레버 없이 플로우트가 자유롭게 부유하고 가라앉으면서 밸브 를 직접 열고 닫는다 응축수의 유입이 없을 때 플로우트는 가라앉으며 이 때 플로우트가 오리피 스를 정확하게 막지 않으면 증기가 누출이 된다.

    플로우트가 가라앉았을 때 정확하게 오리피스를 막으려면 3지지점 원리가 요구된다. 3지지점이란 오리피스, 받침부 2군데가 3개의 지점이 되어 플 로우트를 받치는 형태를 말한다. 이 때 플로우트 와 오리피스, 받침부 2군데가 닿는 점의 접선에 수직된 가상의 선이 플로우트의 원점을 지나야 한 다. 역설계 대상인 기존의 프리 플로우트 스팀트 랩 밸브는 Fig. 8과 같으며 역설계 대상 밸브의 3 개의 지지점은 정밀주조, 후가공을 통해 제작 되 어 기술력, 경제성의 이유로 전량 수입을 하고 있 는 실정이다. 본 연구를 통해 개발된 시작품은 둥 근머리 볼트를 이용하여 보다 용이하게 제작이 가 능하도록 설계하였다.

    3.23지지점 모델링

    3지지점 설계를 위해 3-D 모델링 소프트웨어를 사용하여 Fig. 9와 같이 가상의 플로우트, 오리피 스, 받침부 2군데를 스케치 하였다. Fig. 10은 각 파트를 어셈블리 한 상태를 나타낸 것이며, 플로 우트와 받침부 2군데를 tanget 구속을 가했을 때 오리피스를 정확히 막는 것을 확인 할 수 있었다.

    4.밸브 배출량 시험

    4.1밸브 제작

    3-D 모델링 소프트웨어를 통하여 설계된 3지지 점을 바탕으로 밸브를 제작하였고 프리 플로우트 스팀트랩 밸브의 작동 과정을 관찰하기 용이하도 록 밸브 재질은 아크릴을 사용하였다. Fig. 11은 위 설계방법으로 제작된 3지지점을 나타낸 것이 며, Fig. 12는 차가운 공기 및 응축수가 유입 되었 을 때 바이메탈에 의해 밸브가 열리는 모습을 나 타낸 것이다.

    Fig. 13은 고온의 응축수, 증기가 유입되었을 때 바이메탈이 수축하여 역할이 없어진 상태에서 플 로우트에 의해 밸브가 열리고 닫힐 수 있는 상태 를 나타낸 것이다.

    4.1밸브 유량 시험

    스팀트랩 밸브의 역할 중 하나는 응축수를 배출 하는 것으로 응축수 배출 능력이 우수해야 한다. 따라서 밸브 유량 시험을 통해 본 연구를 통해 설 계 제작된 프리 플로우트 스팀트랩 밸브의 응축 수 배출능력을 알아보았다.[9]

    밸브의 출구는 대기로 게이지 압력 0bar이며 Fig. 14의 실험 장치를 이용하여 펌프와 압력조절 밸브를 통해 물을 시료 밸브로 흘려 보내었다. 3 분 동안의 평균압력, 전자저울에 나타나는 응축수 배출 무게를 측정한 뒤 시간 당 응축수 배출량을 계산하였다. 밸브 유량 시험의 개략도는 Fig. 15에 나타내었고, 측정 장치의 사양은 Table 4와 같다.

    Table 3에서 제시한 입구, 출구 압력차이에 따른 허용 오리피스를 각각 조립하여 시험을 하였다. 오리피스가 지름이 1.7mm일 때 입구압력 1.0bar, 1.3bar, 1.6bar, 2.0bar로 설정하였다. 오리피스 지름 이 1.0mm일 때 입구압력 1.0bar, 2.0bar, 3.0bar, 4.0bar로 설정하였고, 오리피스 지름이 0.8mm일 때 입구압력 2.0bar, 4.0bar, 6.0bar, 8.0bar로 설정하 여 각각 시험하였다.

    5.결 과

    Fig. 15에서는 오리피스 지름이 각각 1.7mm, 1.0mm, 0.8mm 일때의 입구압력별 최대 응축수 배 출량을 나타내고 있다.

    오리피스 지름이 가장 큰 1.7mm를 조립하였을 때 허용 배압 2bar, 최대 응축수 배출량은 184.914kg/h로 나타났으며 오리피스 지름 1.0mm를 조립하였을 때 허용 배압 4bar, 최대 응축수 배출 량이 130.656kg/h, 오리피스 지름 0.8mm를 조립하 였을 때 허용 배압 8bar, 최대 응축수 배출량은 140.694kg/h로 나타났다. Fig. 16

    184.914kg/h, 130.656kg/h, 140.694kg/h의 측정 불 확도는 각각 ±0.00078, ±0.00055, ±0.00060 이며 신 뢰수준은 약 95% 이다0.

    Table 5를 역설계 대상의 밸브와 본 연구를 통 해 설계된 밸브의 응축수 배출량을 비교하였다.역설계 대상의 밸브의 응축수 배출량은 허용 배 압이 5bar로 허용 배압이 4bar로 설계 된 밸브의 오리피스 지름보다 큰 오리피스를 사용함으로써 설계된 밸브보다 많은 응축수 배출량을 나타내고 있다. 허용 배압이 5bar로 오리피스 지름을 설계 한다면 역설계 대상의 밸브의 응축수 배출량과 큰 차이가 없을 것이라고 예상된다.

    따라서 본 연구에서 제시한 스팀 트랩 설계법은 역설계 대상의 밸브와 비슷한 응축수 배출량을 가 지면서 제작이 보다 용이하다는 것을 나타낸다.

    허용 입구, 출구 압력차이별 응축수 배출능력은 실제 스팀트랩 밸브 사용 시 밸브 선택의 중요한 척도이다. 최대 입구출구 압력차이가 8bar라면 지 름이 0.8mm인 오리피스를 사용해야 하며, 최대 입구출구 압력차이가 4bar라면 지름이 1.0mm, 0.8mm인 오리피스 모두 사용 가능하지만 지름이 1.0mm인 오리피스를 사용하는 것이 효율적인 선 택이 될 수 있다.

    만약 최대 입구출구 압력차이가 8bar 보다 크다 면 오리피스의 지름을 줄여야 하며 이때 오리피스 의 작은 직경에 의해 응축수의 배출량이 적을 경 우 플로우트의 부피를 넓히면 부력이 커져 허용 오리피스 지름을 크게 설계할 수 있고 응축수의 배출량 확보가 가능해진다.

    6.결 론

    프리 플로우트 스팀트랩 밸브의 작동원리를 이해 하고 설계변수인 허용 입구출구 압력에 따른 최대 오리피스 지름을 계산, 설계된 오리피스에 대해 유 량 시험을 통하여 실제 응축수 배출량을 얻은 것에 대한 결론은 다음과 같다.

    1. 프리 플로우트 스팀트랩 밸브는 플로우트가 자 유롭게 부유하며 밸브를 열고 닫는 원리로 부력 을 방해하는 오리피스에서의 Suction force가 부 력보다 크면 밸브가 닫히므로 오리피스 지름이 주요 설계변수이다.

    2. 밸브의 입구 출구 압력 차이 포화증기온도에 따른 응축수의 밀도 플로우트의 두께 지름 밀 도 오리피스 설치각도를 모두 고려하여 오리피 스 지름을 계산할수 있는 식을 제시하였다.

    3. 유량 시험을 통해 설계된 오리피스 지름에 따른 응축수 배출량을 얻어냄으로써 실제 밸브 사용 시 허용 입구출구 차이 압력에서 사용 가능한 오리피스 중 가장 효율적인 오리피스 선택을 할 수 있다.

    4. 프리 플로우트 스팀트랩 밸브 설계 시 최대 입 구, 출구 차이압력에서 유량 실험값 보다 더 많 은 응축수 배출능력이 요구된다면 플로우트의 크기를 더 크게 설계하여 오리피스지름을 넓혀 야 한다.

    후 기

    본 연구는 산업통상자원부 지정 지역혁신센터사업 (RIC) 고기능성밸브기술지원센터 지원으로 수행되었 음.

    Figure

    KSMPE-15-31_F1.gif
    Initial air / cold condensate removal
    KSMPE-15-31_F2.gif
    Condensate removal
    KSMPE-15-31_F3.gif
    Steam trapping
    KSMPE-15-31_F4.gif
    Opening and closing force in free float steam trap valve
    KSMPE-15-31_F5.gif
    Opening and closing force when differential pressure is 2bar
    KSMPE-15-31_F6.gif
    Opening and closing force when differential pressure is 5bar
    KSMPE-15-31_F7.gif
    Opening and closing force when differential pressure is 8bar
    KSMPE-15-31_F8.gif
    Motivated 3-supporting point system
    KSMPE-15-31_F9.gif
    Sketching for 3-supporing point system
    KSMPE-15-31_F10.gif
    Modeling for 3-supporing point system
    KSMPE-15-31_F11.gif
    Manufacturing of 3-Supporing point system
    KSMPE-15-31_F12.gif
    Float ascent at cold temperature
    KSMPE-15-31_F13.gif
    Float descent at hot temperature
    KSMPE-15-31_F14.gif
    Test equipment
    KSMPE-15-31_F15.gif
    Flow testing diagram
    KSMPE-15-31_F16.gif
    Discharge capacitiy with differential pressure

    Table

    Calculating of buoyancy
    Calculating of float weight
    Measurement device specifications
    Design of orifice diameter
    Discharge capacity comparing motive valve with designed valve

    Reference

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