기계 가공에서 액체 이산화탄소(Liquid CO2, LCO2) 기반 극저온 냉각은 고온 소재 가공 시 마모 감소, 생산성 향상, 에너지 효율 개선에 효과적임이 입증되었습니다. 그러나 CO2 예비 냉각이 기계 가공 공정의 극저온 냉각 성능에 미치는 영향이 안정적으로 액체 상태를 유지하면서 공정 구역을 효과적으로 냉각하려면 공급 라인에서 기체화된 CO2를 다시 액화 상태로 전환하는 기술이 필요합니다. 본 연구는 CO2 예비 냉각 시스템의 성능을 평가하고, 에너지 효율성과 냉각 용량을 비교 분석하여 공정 개선 방안을 제시합니다.
1. CO2 예비 냉각이 기계 가공 공정의 극저온 냉각 성능에 미치는 영향
1.1. 액체 CO2 기반 극저온 냉각의 필요성
LCO2는 저장 상태에서 기체와 액체가 혼합된 형태로 존재하며, 안정적인 냉각을 위해 액체 상태를 유지하는 것이 필수적입니다. 이를 위해 예비 냉각 시스템을 도입하면 LCO2의 냉각 용량을 증대할 수 있습니다.
1.2. 예비 냉각의 이점
CO2를 예비 냉각하면 공급 라인에서 발생할 수 있는 기체 상태 CO2를 다시 액화 상태로 전환하여, 공정의 안정성과 에너지 효율성을 동시에 개선할 수 있습니다.
2. 연구 방법 및 주요 결과
2.1. CO2 냉각 용량에 영향을 미치는 요인
- 노즐 거리(h):
- 노즐과 대상 간의 거리가 증가하면 냉각 용량이 감소합니다.
- 그러나 h = 0.5cm와 h = 2cm 사이의 차이는 미미하여 실제 공정에서 큰 영향을 주지 않습니다.
- 예비 냉각 시스템의 역할:
- CO2를 예비 냉각하면 기체 CO2를 재액화하여 안정적으로 공급할 수 있습니다.
- 예비 냉각 온도를 조절하여 CO2의 밀도(ρ)와 유량(m˙)을 최적화할 수 있습니다.
2.2. 예비 냉각의 냉각 용량 증가 효과
- 예비 냉각은 CO2의 냉각 용량을 증대시키지만, 냉각 온도와 용량 사이의 관계는 선형적이지 않습니다.
- 특정 임계점(예: ϑ = 16°C, ρ = 780kg/m³) 이후에는 냉각 용량 증가 효과가 감소합니다.
2.3. 압력 증가와 비교
- CO2 압력을 증가시키는 방식은 냉각 용량을 더 크게 증가시키지만, CO2 소비량도 급격히 증가하여 에너지 효율이 낮아집니다.
3. 연구 한계 및 향후 과제
3.1. 예비 냉각의 비정상적인 결과
- ϑ = 10°C에서 예비 냉각된 CO2의 냉각 용량이 예상보다 낮게 나타났으며, 이는 추가 연구가 필요한 부분입니다.
3.2. 실험 환경의 제한
- 노즐의 작은 직경과 히팅 플레이트 표면 간의 열전도 및 환경 열 방출로 인해 측정 정확도에 영향을 줄 수 있는 요소가 존재합니다.
- 따라서 본 연구의 결과는 상대적인 비교에는 유효하지만, 기존 문헌과의 정량적 비교에는 한계가 있습니다.
4. CO2 예비 냉각의 실제 적용 가능성
예비 냉각된 CO2는 CMQL(저량 냉각 및 윤활 혼합) 공정에서 오일 분무를 더 균일하게 만들어 가공 품질을 개선합니다.
5. 결론: CO2 예비 냉각의 가치와 전망
CO2 예비 냉각은 냉각 용량을 효과적으로 증대시키는 동시에 에너지 효율성을 유지하는 데 중요한 기술입니다.
- 압력 증가와 비교할 때, 예비 냉각은 CO2 소비량을 절감하면서 냉각 효율을 높이는 장점이 있습니다.
- 본 연구는 CO2 기반 냉각 시스템의 설계와 공정 최적화에 중요한 기초 데이터를 제공합니다.
향후 연구 방향
- 예비 냉각의 최적 온도를 규명하여 에너지 효율성을 더욱 향상시키는 방법 모색.
- CO2의 상태와 냉각 용량 간의 비정상적인 결과에 대한 추가 실험 수행.
CO2 예비 냉각은 극저온 냉각 기술의 새로운 가능성을 열며, 지속 가능한 공정을 구현하는 데 기여할 것입니다.
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