미스트 포집: 기본 원칙 및 응용 분야

금속 가공 기업은 기계 도구에 미스트 콜렉터를 사용하여 공기를 깨끗하게 여과합니다. 이를 통해 금속 가공 유체에 노출되는 부작용을 줄이고, 실내 공기 질 표준을 준수하며, 유지 관리 비용을 절감하고, 시설 관리 비용을 절감하며, 부품 품질을 개선합니다. 미스트 포집의 이점은 매우 많지만, 미스트 콜렉터를 선택하는 것은 혼란스러울 수 있습니다. 본 기사/연구에서는 공기 흐름에서 미스트 방울을 분리하기 위한 기본 설계 원리를 바탕으로 다양한 유형의 미스트 콜렉터를 살펴봅니다. 다음과 같은 주제를 살펴봅니다.

• 미스트 및 연기 정의
• 가시적 효율
• 성능 특성
• 다양한 미스트 콜렉터의 기본 작동 원리
• 필터 최적화
• 콜렉터 효율 측정

미스트 및 연기

미스트는 일반적으로 직경 20 미크론 이하의 액체 방울로 정의할 수 있습니다. 본 기사/연구에서는 오일 기반 및 수용성 윤활유와 냉각수를 사용하는 응용 분야를 집중적으로 살펴봅니다. 이러한 윤활유 및 냉각수는 금속 절단, 금속 성형, 그라인딩, 부품 세척 등을 비롯한 많은 응용 분야에서 사용됩니다. 예를 들어, 수용성 금속 가공 유체를 사용하여 밀링 및 터닝 작업을 하는 경우 일반적으로 2 미크론~20 미크론의 미스트 방울이 생성됩니다. 오일 기반의 유체를 사용하는 동일한 작업에서는 일반적으로 0.5 미크론~10 미크론의 미스트 방울이 생성됩니다.

일반적으로 훨씬 더 크기가 작은 연기는 직경이 0.07 미크론~1 미크론이며, 과포화 증기¹의 응결 또는 불완전 연소로 인해 발생하는 고체 또는 액체 에어로졸일 수 있습니다. 이러한 연기는 종종 열로 생성된 미스트, 또는 오일 연기로 불립니다. 연기를 발생시키는 일반적인 작업에는 냉간 압조, 스트레이트 오일을 이용한 초경합금 가공, 대형 발전기의 윤활유 저장 탱크 사용, 열처리 등이 있습니다.

가시적 효율

일부 제조업체는 미스트가 보이지 않으면 미스트가 존재하지 않는다고 생각합니다. 이에 따라 1 미크론 미만의 미스트가 제조 환경에 미칠 수 있는 영향을 인지하지 못합니다. 이러한 영향에는 작업자 노출, 유지 관리 및 시설 관리, 실내 공기 질 또는 배출 표준 규정 준수가 포함됩니다. 사실 40 미크론 미만의 작은 물방울은 인간의 눈에 보이지 않지만, 많은 금속 가공 작업에서 이보다 작은 미스트 방울이 생성된다는 실질적인 증거가 있습니다. 눈에는 보이지 않을지 몰라도 냄새는 날 수 있습니다. 

성능 특성

미스트 콜렉터의 주요 기능은 여과된 공기에서 미스트와 연기 방울을 제거하는 것입니다. 이를 위해 미스트 콜렉터는 작은 방울을 큰 방울로 모아서, 포집한 냉각수가 필터를 막기 전에 필터에서 배수(Drain)합니다.

미스트 콜렉터의 성능은 측정 가능한 특성 3가지로 정의할 수 있습니다.

• 압력 강하: 미스트 콜렉터의 작동 압력 강하는 에너지 비용 방정식에서 중요한 역할을 합니다. 압력 강하가 높을수록 미스트 콜렉터를 통과하는 공기를 끌어당기는 데 필요한 에너지도 늘어납니다.
• 효율: 공기 흐름에서 미스트와 연기 방울을 제거하는 데 있어 미스트 콜렉터의 효율은 매우 중요합니다. 미스트 콜렉터를 빠져나가는 공기가 얼마나 깨끗한지를 결정하며, 해당 공기가 보통 실내 환경으로 방출되기 때문입니다. 미스트 콜렉터를 설치해야 하는 이유가 여기에 있습니다. 공기를 정화해야 하기 때문입니다. 효율은 공기가 미스트 콜렉터를 빠져나갈 때 얼마나 더 깨끗해지는지를 판단하는 중요한 척도입니다.
• 유량: 미스트 콜렉터의 유량은 얼마나 많은 공기를 여과할지를 결정하기 때문에 중요합니다. 유량이 너무 낮으면 미스트 또는 연기가 가득 찬 공기가 미스트 콜렉터로 적게 유입되며, 이를 포집해야 하는 시스템이 미스트 또는 연기를 포집하지 못합니다. 유량이 너무 높으면 미스트 콜렉터로 잉여 공기가 유입되므로, 에너지가 낭비됩니다. 일관된 방울 포집 효율을 유지하기 위해서라도 일정한 공기 유량이 바람직합니다.
  

미스트 콜렉터의 기본 설계 외에도, 미스트 콜렉터 성능에 영향을 미치는 여러 가지 특성이 있습니다.

• 미스트 농도 – 공기량에 포함된 미스트의 양은 응용 분야마다 크게 달라집니다. 현장 테스트에서 관찰된 미스트 농도는 최저가 3 mg/m³, 최고가 37 mg/m³입니다. 실제 작업에서는 훨씬 더 큰 범위의 미스트 농도가 나타날 수 있습니다. 공기 중의 금속 가공 유체에 대한 OSHA 제한은 미네랄 오일의 경우 5 mg/m³(8시간 노출 시), 다른 냉각수의 경우 15 mg/m³(8시간 노출 시) 등으로 다양합니다. NIOSH가 권장하는 제한은 최소 0.4 mg/m³로 더 낮습니다.² 일반적인 사무실 환경에서는 입자 농도 범위가 0.02~0.03 mg/m³로, 금속 가공 작업 주변의 미스트 농도보다 현저히 낮은 경향이 있습니다.
  
• 미스트 온도 – 고온 미스트가 식으면서 응결이 발생할 수 있으며, 이는 방울 크기 및 포집 방법에 영향을 미칠 수 있습니다. 수용성 냉각수의 경우, 물은 더 높은 온도와 더 낮은 상대 습도에서 증발하여 더 작은 방울 크기를 생성합니다. 미스트 또는 연기 포집 기술을 선택할 때는 필터 여과지 작동 온도 제한도 고려해야 합니다.
• 미스트 유형 – 미스트 방울의 유형에 따라 표면 장력과 점도의 특성이 달라져 미스트 콜렉터의 미스트 응집 및 배수(Drain) 기능에 영향을 미칩니다.
• 미스트 방울 크기 분포 – 일반적으로 더 큰 방울을 포집하는 것이 더 쉽지만 큰 방울은 미스트에 포함된 전체 액체의 질량에 큰 영향을 줄 수 있으므로, 결국 미스트 콜렉터에서 배출되어야 합니다. 그림 1은 가상의 미스트 및 연기 방울 크기 분포를 보여 줍니다.
  
• 함유물 – 미스트가 깨끗한 경우에는 건조한 입자를 함유하지 않으며, 따라서 액체를 모아 배수(Drain)하는 것만 신경 쓰면 됩니다. 그러나 더러운 미스트에는 반드시 공기 흐름에서 분리해야 하는 건조한 입자(파편)도 일부 함유되어 있습니다.

다양한 미스트 콜렉터의 기본 작동 원리

미스트 방울을 포집하는 방식은 몇 가지가 있습니다.

전기 집진

전기 집진기는 각 방울에 양전하를 주거나 음전하를 주는 이오나이저를 통해 미스트로 가득한 공기를 끌어당기는 방식으로 작동합니다. 이어서 집진 셀이 고전압과 접지된 플레이트를 번갈아 사용하여 전하를 띄는 방울을 플레이트 위로 밀거나 당기며 전하를 띄는 방울을 포집합니다. 이 방울이 플레이트에 모여 미스트 콜렉터 밖으로 배출됩니다. 전기 집진기는 필터를 교체할 필요가 없고, 에너지 사용량이 상대적으로 적으며, 새로 설치하거나 완전히 세척했을 때는 높은 효율을 제공하는 등 여러 가지 장점이 있습니다. 그러나 전기 집진기는 유지 관리가 매우 힘들고 이를 자주 수행해야 하기 때문에 더 이상 선호되지 않습니다. 전기 집진기 내부의 부품은 방울에 전하를 공급하고 방울을 포집하는 효율을 유지하기 위해 매우 청결하게 관리되어야 합니다. 정기적인 유지 관리가 이뤄지더라도 추가적인 어려움이 있을 수 있습니다. 집진 셀의 전하를 띄는 플레이트가 손상되면 아크 방전이 발생할 수 있습니다. 마찬가지로, 미스트 방울과 함께 금속 분진, 칩 또는 파편이 발생하는 작업에서도 전기 집진기 내부에 아크 방전이 발생할 수 있습니다. 마지막으로, 전기 집진기는 실내 공기를 오염시키는 것으로 알려진 오존을 생성합니다.

관성 분리

관성 분리를 주로 활용하는 미스트 콜렉터는 다음과 같은 방식으로 공기 흐름에서 운반되는 방울을 분리합니다. 공기가 표면에서 우회하는 동안 방울은 가속도를 지닌 채 이동 경로를 계속 따라가며, 표면에 영향을 미치고 궁극적으로 다른 방울과 결합하여 배수(Drain)됩니다. 관성 분리 방식의 유형과 스타일은 다양하지만, 모두 몇 가지 공통점을 가지고 있습니다. 첫째, 관성 세퍼레이터는 장벽 필트레이션 메커니즘 없이 작동할 수 있습니다. 일반적으로 관성 세퍼레이터는 교체해야 할 기본 필터가 없습니다. 그러나 일반적으로 오염물을 정화하기 위해서는 정기적으로 유지 관리가 이뤄져야 합니다. 또한 관성 분리는 큰 방울에 더 효과적입니다. 이는 방울이 공기 흐름을 따라가지 않아야 포집이 가능하기 때문입니다. 방울이 클수록 질량이 커지고, 가속도가 증가하며, 포집 표면에 영향을 미치는 성향이 증가합니다. 관성 세퍼레이터는 직경 1~2 미크론보다 작은 방울의 경우 효율이 떨어지는 경향이 있습니다. 마지막으로, 회전하는 전동식 관성 세퍼레이터의 경우 고체 물질이 회전하는 부품에 쌓여 낄 수 있습니다. 이는 결국 기계 도구에 진동을 주는 불균형 상태를 초래하여 가공된 부품의 허용 오차에 영향을 미칠 수 있습니다.

필터 여과지

섬유 필터 여과지를 사용하는 미스트 콜렉터는 공기 흐름에서 미스트와 연기 방울을 제거하기 위해 네 가지 필트레이션 메커니즘을 활용합니다(그림 2 참조).

1. 체질은 10 미크론 이상의 큰 방울을 포집하는 주요 필트레이션 메커니즘입니다. 체질은 방울이 물리적으로 너무 커서 둘 이상의 섬유 사이를 통과할 수 없는 경우에 발생합니다. 체질은 날아다니는 곤충이 창문을 통과하지 못하게 막는 것과 같습니다. 방울이 섬유에 닿으면 표면에 달라붙고, 다른 방울과 결합하며, 미스트 콜렉터에서 배수됩니다.
   

2. 관성 충돌은 대부분의 1 미크론 이상의 방울을 포집하는 필트레이션 메커니즘입니다. 관성 충돌은 방울이 질량으로 인해 원래 경로로 계속 이동하는 동안 여과지 섬유가 공기를 배출하는 경우에 발생합니다.
   

3. 차단은 주로 0.1~1 미크론의 방울을 포집하는 필트레이션 메커니즘입니다. 차단은 방울이 공기 흐름을 따라가면서도 여전히 섬유에 들러붙을 수 있을 만큼 충분히 근접하는 경우에 발생합니다.
   

4. 확산은 크기가 0.1 미크론 미만인 매우 미세한 방울을 주로 포집하는 필트레이션 메커니즘입니다. 방울이 너무 작기 때문에 공기 흐름 내에서 분자력에 영향을 받습니다. 이로 인해 방울이 일반적으로 공기 흐름과 같은 방향으로 움직이면서도 독립적으로 움직이게 됩니다.

필터 여과지의 섬유에 달라붙은 방울은 섬유에 있는 다른 방울들과 결합합니다. 결합한 방울이 충분히 커지면 중력이 섬유를 따라 방울을 아래로 끌어당겨서 배수(Drain)되게 합니다. 미스트 필트레이션에서 가장 큰 절충점 중 하나는 물방울 배수(Drain)의 필요성과 고효율의 필요성 사이에 균형을 맞추는 것입니다. 더 작은 섬유를 사용하면 더 높은 필트레이션 효율을 얻을 수 있습니다. 그러나 작은 섬유는 여과지를 서로 고정하기 위해 수지가 필요하며, 수지는 결합된 액체가 효과적으로 배수(Drain)되는 것을 방해합니다(그림 3 참조). 사전 분리 없이 HEPA 필터를 사용하는 것과 마찬가지로, 작은 섬유로 만들어진 필터 여과지도 포집된 액체 때문에 쉽게 막히는 경향이 있습니다(그림 4). 큰 섬유로 필터 여과지를 만들면 배수(Drain) 특성은 크게 개선되지만, 미스트 방울(특히 작은 방울)을 포집하는 여과지의 성능은 심각하게 저하됩니다.