CFD Analysis on the Flow Characteristics with Flow Coefficient in a PFA Lined Ball Valve for Different Opening Degrees

PFA fluoropolymer lined technology revolutionized ball valve development and design decades ago and continues to be pivotal for many products and valve solutions in diverse industries and applications, such as chemical process, semiconductor/LCD manufacturing processes, pharmaceutical and others. Because of the extreme operating conditions such as high-temperature (∼120C) and high-pressure (∼10 bar), the reliability of the valve is very important for minimizing in-line leakage and fugitive emissions of strong corrosive chemicals (hydrochloric acid, hydrofluoric acid, nitric acid, etc.) transported through the lines. In this study, we investigated the flow characteristics with flow coefficient in a PFA lined ball valve for different opening degrees using CFD analyses. The results should be the guidance for a new PFA lined ball valve design that will incorporate all the acclaimed and demonstrated benefits of the current design approaches. 1. 서 론 PFA 라이닝 볼밸브(PFA lined ball valve)는 내식성, 비 점착성, 내열성 향상을 위해 내면부에 불소계 수지 PFA가 가공되어 있는 볼밸브로 고순도 화학약품의 제조공정 및 고 순도 화학약품을 이용한 반도체/LCD 제조 공정에 가장 많이 쓰이고 있으며, 석유화학, 제철, 제약분야에서도 사용되고 있다(1). PFA 불소수지는 녹을 수 있는 플라스틱이기 때문에 쉽게 밸브 바디의 모든 공간으로 한 번의 프로세스로 흘러 들어갈 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이와는 다르게 다른 불소수지인 PTFE 또는 TFM를 라이닝 재료로 사용하면 몇 가지 단계가 더 요구되는 단점을 갖게 된다(2). PFA 라이닝 볼밸브는 고온(∼120 °C), 고압(∼10 bar)의 작동 조건에서 강한 부식성을 갖은 화학물질(염산, 황산, 질 산 등)을 이송시켜야 하는 극한 조건에 노출되기 때문에 라 인내 누출(in-line leakage)와 외부로의 방출(fugitive emission) 에 관한 신뢰성이 매우 중요하다. 따라서 고온/고압의 강한 부식성을 갖은 화학물질이 이송되는 작동조건에서 밸브의 열유동 상태, 구조적 변형 그리고 화학적 물질의 누설 여부 를 예측하기 위해서는 몇 가지 물리적 현상을 동시에 고려할 수 있는 멀티피직스 해석이 요구된다(3). 본 연구에서는 멀티피직스 해석을 수행하기 앞서 PFA 라 이닝 볼밸브의 유체역학적 설계를 검토할 수 있도록 볼밸브 개폐각도에 따른 유동 특성과 유량계수를 수치해석을 통해 고 찰하였으며, 이러한 결과들은 현재 설계안의 우수한 점을 살 리고 제약조건을 완화시킬 수 있는 아이디어를 제시함으로써 새로운 PFA 라이닝 볼밸브 설계에 기준이 될 수 있을 것이다. * 강릉원주대학교 대학원 자동차공학과(Graduate School of Automotive Engineering, Gangneung-Wonju National University) ** (주)케이투앤(K2N Co.,Ltd.) *** 강릉원주대학교 기계자동차공학부(School of Mechanical and Automotive Engineering, Gangneung-Wonju National University) † 교신저자(Corresponding Author), E-mail : jclee01@gwnu.ac.kr 개폐각도에 따른 PFA 라이닝 볼밸브의 유동특성 및 유랑계수 전산해석 한국유체기계학회 논문집: 제17권, 제4호, 2014 77 2. 수치해석방법 2.1. 모델생성 Fig. 1 3D configuration of a PFA lined ball valve 본 연구의 수치해석에 사용된 모델은 Fig. 1에 나타낸 3차 원 도면과 같이 현재 (주)케이투앤에서 생산⋅판매 중인 PFA 라이닝 볼밸브(40A)를 기준으로 작성하였다. 볼밸브가 모두 열린 상태를 개폐각도 0로 지정하여, 개폐각도 15, 30 , 45 등 총 4가지 경우에 관하여 유동해석을 위한 모델 및 격 자를 생성하였다. Density 1.179 [kg/L] Viscosity 1.99[mPa⋅s] Table 1 Material property of 36% HCL 2.2. 해석조건 전술한 바와 같이 볼밸브를 개폐각도 0 , 15 , 30, 45로 각각 변화시킨 형상에 관하여 유동영역을 추출하였으며, 정 확한 해석을 위하여 밸브 입구와 출구 쪽에 각각 3D(밸브 직 격), 4D만큼의 유로를 추가하여 모델링을 하였다. 개폐각도 변화에 따른 격자형상은 Fig. 2와 같다. 실제 유량계수 측정 조건과 일치시키도록 경계조건을 부여하였으며, 입구측에 1 bar 및 출구측에 대기압을 적용시켰다. 또한 밸브 내부 유동 은 레이놀즈수가 4,000을 넘는 난류유동이기 때문에 난류모 델링을 위한 k-є 모델을 적용하였으며(난류강도 5%), 벽면 에는 점착조건(no-slip condition)을 적용하였다(4,5). 내부 작동유체는 40C의 36% HCL수용액을 사용하였다. Table 1에 물성치를 나타내었다(6,7). opening degree 0 15 30 45 Max. Pressure [bar] 1.01 2.17 1.28 1.07 Table 2 Maximum pressure for different opening degrees opening degree 0 15 30 45 Max. Velocity [m/s] 39.37 29.01 23.18 19.18 Table 3 Maximum velocity for different opening degrees 3. 해석 및 결과 3.1. 개폐각도에 따른 압력분포