https://control.com/textbook/control-valves/valve-positioners/?utm_source=chatgpt.com

{
  "document": {
    "title": "Control Valve Handbook 5.11 글로브밸브 액추에이터 사이징",
    "language": "ko",
    "purpose": "산업계측제어기술사 답안 및 제어밸브 액추에이터 선정 개념 정리",
    "scope": [
      "globe valve actuator sizing",
      "valve-side required force",
      "pneumatic actuator available force",
      "actuator spring force",
      "bench set",
      "fail-safe verification"
    ]
  },
  "core_principle": {
    "statement": "밸브 측 요구 추력과 액추에이터 측 가용 추력을 분리하여 계산하고, 개방, 폐쇄, 전 스트로크 및 Fail-Safe 조건에서 가용 추력이 요구 추력 이상인지 검증한다.",
    "equation": "F_actuator_available(x) >= F_valve_required(x) for all x"
  },
  "force_domains": {
    "valve_side": {
      "description": "밸브 본체, 트림, 패킹 및 공정 유체로부터 발생하거나 요구되는 힘",
      "components": [
        "unbalance force",
        "seat load",
        "packing friction",
        "additional force"
      ],
      "equation": "F_valve_required = F_unbalance + F_seat + F_packing + F_additional"
    },
    "actuator_side": {
      "description": "액추에이터가 공압력과 내부 스프링력으로 생성하는 순 가용 추력",
      "components": [
        "diaphragm or piston air force",
        "actuator spring force"
      ],
      "equation": "F_actuator_net = F_air plus_or_minus F_spring"
    }
  },
  "valve_force_components": {
    "A_unbalance_force": {
      "symbol": "F_unbalance",
      "definition": "플러그 양측의 순 압력차가 순 불평형 면적에 작용하여 발생하는 공정력",
      "equation": "F_unbalance = deltaP_net * A_unbalance",
      "units_us": "lbf = psi * in^2",
      "units_si": "N = Pa * m^2",
      "direction_rule": "요구 작동 방향을 방해하면 더하고, 도우면 뺀다.",
      "important_note": "Handbook의 기본 사이징에서는 주로 shutoff pressure differential을 사용하지만, 이동 중 유체력은 개도와 트림에 따라 달라질 수 있다."
    },
    "B_seat_load": {
      "symbol": "F_seat",
      "definition": "요구 누설등급을 확보하기 위해 플러그와 시트 사이에 최종적으로 형성해야 하는 접촉 압착력",
      "not_definition": "시트의 무게가 아니다.",
      "equation": "F_seat = L_seat * C_port = L_seat * pi * d_port",
      "existence_by_travel": {
        "plug_not_in_contact": 0,
        "first_contact": "seat load begins to develop",
        "final_shutoff": "required seat load is maintained"
      },
      "force_character": "극복해야 하는 외부 저항력이 아니라 최종적으로 남겨야 하는 목표 힘"
    },
    "C_packing_friction": {
      "symbol": "F_packing",
      "definition": "패킹이 밸브 스템의 이동을 방해하는 힘",
      "types": [
        "static friction or breakaway friction",
        "dynamic or running friction"
      ],
      "direction_rule": "항상 스템 이동 방향의 반대 방향으로 작용한다.",
      "dependent_variables": [
        "stem diameter",
        "packing material",
        "packing compression",
        "process pressure",
        "process temperature",
        "live-loaded packing configuration"
      ]
    },
    "D_additional_force": {
      "symbol": "F_additional",
      "definition": "특수 밸브 구조에 의해 추가되는 힘",
      "examples": [
        "bellows stiffness",
        "special seal friction",
        "miscellaneous mechanical resistance",
        "stem and plug weight where applicable"
      ],
      "data_source": "manufacturer product data"
    }
  },
  "actuator_force_components": {
    "air_force": {
      "symbol": "F_air",
      "definition": "부하 압력이 다이어프램 또는 피스톤 유효면적에 작용하여 발생하는 힘",
      "equation": "F_air(x) = P_loading(x) * A_effective(x)"
    },
    "spring_force": {
      "symbol": "F_spring",
      "definition": "액추에이터 내부 스프링의 초기 압축력과 스트로크 압축에 의해 발생하는 힘",
      "equation": "F_spring(x) = F_preload + k*x",
      "role": [
        "공압 작동 방향에 저항",
        "공기압 감소 시 반대 방향 작동",
        "공기 상실 시 fail-safe 동작 제공"
      ],
      "classification": "actuator-side force",
      "not_classification": "A, B, C, D에 포함되는 valve-side load가 아님"
    }
  },
  "bench_set": {
    "definition": "무부하 조건에서 스프링 조절기로 설정한 액추에이터 스프링의 초기 압축 및 정격 스트로크 압력 범위",
    "approximate_relation": "P_bench(x) * A_effective(x) approximately equals F_spring(x)",
    "lower_limit_meaning": "스프링 초기 압축력을 이기고 최초 이동하는 압력과 관련",
    "upper_limit_meaning": "정격 스트로크에서 증가한 스프링 압축력과 관련",
    "important_note": "Bench Set은 밸브 요구 힘이 아니라 액추에이터 스프링 특성을 압력으로 표현한 값이다."
  },
  "actuator_action_modes": {
    "air_to_open_spring_to_close": {
      "normal_open_available_force": "F_available_open = F_air - F_spring",
      "normal_close_available_force": "F_available_close = F_spring - F_air",
      "air_failure": {
        "F_air": 0,
        "available_force": "F_available_fail_close = F_spring",
        "fail_action": "fail-close"
      },
      "verification": "Spring force at the fail condition must overcome closing resistance and provide the required seat load."
    },
    "air_to_close_spring_to_open": {
      "normal_close_available_force": "F_available_close = F_air - F_spring",
      "normal_open_available_force": "F_available_open = F_spring - F_air",
      "air_failure": {
        "F_air": 0,
        "available_force": "F_available_fail_open = F_spring",
        "fail_action": "fail-open"
      },
      "verification": "Spring force at the fail condition must overcome opening resistance."
    }
  },
  "required_force_by_operation": {
    "open": {
      "equation": "F_required_open = F_process_open + F_packing + F_additional",
      "seat_load": 0,
      "note": "공정력이 개방을 도우면 공정력은 요구 추력에서 뺀다."
    },
    "close_process_resists": {
      "equation": "F_required_close = F_unbalance + F_packing + F_additional + F_seat"
    },
    "close_process_assists": {
      "equation": "F_required_close = F_packing + F_additional + F_seat - F_unbalance"
    },
    "travel": {
      "equation": "F_required_travel(x) = F_process(x) + F_packing(x) + F_additional(x)",
      "seat_load": 0,
      "note": "유체력과 스프링력은 스트로크에 따라 변할 수 있다."
    },
    "fail_safe": {
      "equation": "F_spring_available_fail >= F_valve_required_fail",
      "note": "공기 상실 조건에서 스프링만으로 요구 안전위치를 확보해야 한다."
    }
  },
  "travel_force_story": [
    {
      "stage": "open or mid-travel",
      "seat_load": 0,
      "main_forces": [
        "process force",
        "packing friction",
        "additional force",
        "air force",
        "spring force"
      ]
    },
    {
      "stage": "approaching seat",
      "seat_load": 0,
      "main_change": "process force changes as flow area and pressure distribution change"
    },
    {
      "stage": "first seat contact",
      "seat_load": "begins",
      "main_change": "travel change becomes small"
    },
    {
      "stage": "seating profile",
      "seat_load": "increases",
      "main_change": "additional actuator force is converted mainly into contact load rather than travel"
    },
    {
      "stage": "final shutoff",
      "seat_load": "required final value",
      "main_change": "other valve loads are balanced and the remaining force is maintained as seat load"
    }
  ],
  "selection_condition": {
    "required_max_equation": "F_required_max = max(F_required_open, F_required_close, F_required_travel, F_required_fail_safe)",
    "stronger_condition": "F_actuator_available(x) >= F_valve_required(x) for every relevant travel position and action direction",
    "reason": "액추에이터 가용 추력과 밸브 요구 추력은 모두 스트로크에 따라 변할 수 있기 때문"
  },
  "selection_procedure": [
    "밸브 형식, 트림, 유동 방향 및 Fail Action을 결정한다.",
    "최대 차단 차압과 순 불평형 면적을 결정한다.",
    "개방 및 폐쇄 방향에서 불평형력의 부호를 결정한다.",
    "요구 누설등급에 따른 시트 하중을 계산한다.",
    "제조사 자료에서 패킹 마찰력을 확인한다.",
    "벨로즈 및 특수 구조의 추가 힘을 반영한다.",
    "개방 및 폐쇄 요구 추력을 각각 계산한다.",
    "액추에이터의 공압력 곡선과 스프링력 곡선을 확인한다.",
    "최소 공급압력에서 정상 작동을 검증한다.",
    "공기 상실 시 스프링의 Fail-Safe 능력을 검증한다.",
    "최대 공급압력에서 스템과 트림 허용하중 초과 여부를 확인한다.",
    "모든 조건을 만족하는 가장 작은 적합 액추에이터를 선정한다."
  ],
  "common_misconceptions": [
    {
      "incorrect": "스프링 힘은 A, B, C, D에 더하는 다섯 번째 밸브 하중이다.",
      "correct": "스프링 힘은 액추에이터 측 가용 추력을 결정하는 힘이다."
    },
    {
      "incorrect": "A, B, C, D는 전 스트로크에서 항상 동시에 작용한다.",
      "correct": "각 힘의 크기와 존재 여부는 개도와 작동 상태에 따라 달라진다."
    },
    {
      "incorrect": "Seat Load는 개방 중에도 극복해야 한다.",
      "correct": "Seat Load는 최종 폐쇄 시 확보해야 하는 압착력이며 시트 이탈 후에는 0이다."
    },
    {
      "incorrect": "최종 폐쇄 추력이 항상 최대이다.",
      "correct": "개방, 폐쇄, 전 스트로크 및 Fail-Safe 조건을 각각 검토해야 한다."
    },
    {
      "incorrect": "공압력 전체가 밸브 추력으로 전달된다.",
      "correct": "스프링이 반대 방향이면 공압력에서 스프링력을 제외한 순힘이 밸브에 전달된다."
    }
  ],
  "source_basis": [
    {
      "source": "Emerson Control Valve Handbook",
      "sections": [
        "3.8.1 Diaphragm Actuators",
        "5.11 Actuator Sizing",
        "5.11.1 Globe Valves",
        "8.5.5 Bench Set"
      ]
    },
    {
      "source": "Philip L. Skousen Valve Handbook, Third Edition",
      "section": "Chapter 8 Actuator Sizing"
    }
  ]
}