먼지를 먹지

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 버스용 도로 재비산 먼지 집진 장치 설계

영문 : Design of re-scattering dust collection device for bus

과제 팀명

먼지를 먹지

지도교수

박영권 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 김*일(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 김*형

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 윤*원

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 정*식

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

 현재 우리나라의 대표적인 환경오염 문제로 떠오르는 미세먼지. 그중 높은 비율을 차지하는 도로 재비산먼지는 일상생활에서 쉽게 노출될 수 있고 유해한 성분도 포함하고 있어 인체에 해가 되는 실정이다. 현재 지자체에서는 도로 살수차량과 분진 흡입차량 등의 도로 재비산먼지 저감 대책을 시행하고 있지만, 이는 한계점이 존재하고 실질적인 저감 효과도 증명되지 않았다.
 이에 우리는 본 과제에서 사이클론 및 여과 필터를 이용한 복합 집진 장치를 설계하여 기존의 청소 및 살수 차량의 단점을 해결하고 보다 높은 효율로 도로 재비산먼지를 제거하려 한다. 개략적인 구성으로는 도로 재비산먼지 흡입을 위한 흡입팬, 그리고 1차적인 처리를 위한 사이클론 집진기, 그리고 그 후단에는 여과 필터를 설치하여 최종 처리 후 배출하는 형태이다. 

개발 과제의 배경 및 효과

 1군 발암물질로 지정된 미세먼지는 호흡기, 심혈관계 질환 등 인체에 나쁜 영향을 미치고, 농작물 및 생태계에도 피해를 주는 등 우리나라의 대표적인 환경오염으로 떠오르고 있다. 이에 따라 노후 경유차 조기 폐차, 도로청소 차량 2배 확충, 차량 2부제 등 사회 전 분야에 걸쳐 미세먼지 저감 대책을 시행하고 있다. 

 미세먼지 배출원 중에서 44%를 차지하는 비산먼지, 비산먼지 중에서도 45%를 차지하는 도로 재비산먼지는 자동차 배기가스, 타이어 마모, 브레이크 패드 마모 등에 의해 도로 위에 침적된 먼지가 차량의 이동에 의해 대기 중으로 재비산되는 입자상 물질로서, 자연적 성분 외에 유해한 성분을 포함하고 있어 일반 먼지에 비해 더욱 해롭다.
 이러한 도로 재비산먼지 포집 및 처리를 위해 지자체에서는 도로 살수차량과 분진흡입차량 등을 가동하고 있지만, 진공흡입차량은 흡입된 토사나 분진류를 여과해 배출하는 기능이 원활하게 유지되기 위해서는 제작사가 제시하는 운전속도(10km/hr) 이하로 운행해야 하는 단점이 있다. 도로 살수차량은 분진흡입장비보다 고속으로 운행이 가능해 상대적으로 짧은 시간에 많은 도로에 적용이 가능하지만 중수도 사용에 따른 악취 민원이 발생하고, 수질오염에 대한 우려가 있다. 물을 뿌렸을 때에는 먼지가 날리지 않아 일시적으로 제거된 것처럼 보이지만, 습기가 마르면 다시 먼지가 공기 중에 날리는 등 실제 제거 효과를 보기는 어렵다. 그리고 실제로도 살수차로 물을 뿌린 후 미세먼지가 저감됐다는 과학적인 측정 데이터도 전무하다. 

 이렇듯 일상생활에서 쉽게 노출되어 있는 도로 재비산먼지를 저감하기 위한 효율적인 방안을 생각하던 중에 대중교통, 특히 버스에 부착하여 도로 재비산먼지를 포집, 처리할 수 있으면서 작은 크기와 무게를 가진 집진장치를 설계하고자 하였다. 뿐만 아니라 기존의 살수 및 분진 흡입 차량의 단점을 보완하기 위한 집진 방식을 고안하였다. 
 이를 통해 별도의 살수 차량, 먼지흡입차량의 운행을 줄일 수 있고, 보다 체계적이고 지속적인 미세먼지 제거 효과를 볼 수 있다. 또한 버스의 도로 운행 중에 가동하기 때문에, 현장에서 발생하는 먼지를 즉시 포집하여 확산하는 것을 방지할 수 있다. 

개발 과제의 목표와 내용

 본 과제는 도로 재비산먼지의 유해성과 기존 도로 청소차량의 한계를 인식하고, 효율적·효과적인 도로 재비산먼지의 제거를 위한 소형화 복합 집진장치의 공학적인 설계를 목표로 한다.
 우리나라에서 가장 많은 차량이 다니는 서울에서 운행하는 버스에 장착하는 도로 재비산먼지를 효과적으로 흡수하여 제거하는 장치를 제작하고자 한다. 대중교통은 정해진 구역을 주기적으로 운행할 뿐만 아니라, 서울시 전체에 걸쳐 넓게 분포되어 있기 때문에 효율적으로 비산먼지를 제거할 수 있을 것이다.
 도로상의 재비산먼지를 안정적으로 흡입하기 위한 흡입팬, 전처리 집진장치로서 설치하기 간단한 원심력 집진장치, 최종 집진 장치로서 효율이 높은 여과 필터를 이용할 것이다.
 현재 설계 단계에서는 집진 효율과 내구성 등 그 성능에 비중을 중요하게 두었으나, 실제 적용에 있어서는 소음이나 버스에서 차지하는 공간 비율 등의 문제도 현실적으로 고려해야 한다. 또한 가장 중요한 것은 이 제품이 보편화되기 위한 적절한 가격이다. 따라서 이러한 현실적인 문제들도 고려하여 최적의 제품을 설계할 것이다.
 집진 효율 및 제거효과, 소요 비용이 효과적일 경우, 대중교통뿐만 아니라 고속버스, 더 나아가 더 소형화 하여 택시 및 일반 승용차량에도 적용한다면 장기적인 미세먼지 저감에 매우 효과적일 것이다.

관련 기술의 현황

State of art

1. 전 세계적인 기술현황(State of art)

 ◇ 핀란드
 헬싱키의 REDUST 프로젝트 전통적인 진공 도로청소, 진공 청소 + 물청소, 고압 살수청소의 3가지 방식으로 도로청소 효과 조사한 결과, 전통적 진공 도로청소는 효과 없었고, 고압 살수청소가 가장 효과적임

 ◇ 북부 및 중부 유럽 
 도로먼지의 재비산을 제어하기 위해 2011년부터 먼지 억제제 CMA(Calcium Magnesium Acetate) 사용, 2014년부터는 35개 도로에 진공 청소 실시, PM10 농도 저감에 대한 진공 청소의 효과는 명확하지 않으나, 장기적 관점에서 효과가 있을 것으로 추정

 ◇ 미국 
 고효율 필터가 장착된 도로청소장비 운영, 도시의 특성에 맞는 도로청소 프로그램 계획, 도로청소 차량의 운행 스케줄, 이동 경로 등을 사이트에 공개, 청소 차량마다 GPS를 부착해 실시간으로 청소현황 파악

 ◇ 중국 
 상하이의 세계 최초의 무인 청소 차량, 자정부터 새벽 4시 사이에 무인 청소차가 도로청소를 실시, 길이 6m에 폭 3m의 중형 트럭을 개조 

2. 국내 기술현황 (State of art)

 우리나라에서는 지자체별로 도로 노면에서 발생하는 오염물질을 제거하여 쾌적한 도로환경을 조성하기 위해 도로청소를 수행하고 있으며, 효과적인 청소방법을 위해 다양한 청소방법을 도입하고 있다. 서울시에서는 지하철역에서 나온 지하수를 끌어올려 차량을 이용하지 않고 도로 중앙에 배관을 묻어 물을 양쪽으로 뿌려서 도로에 쌓인 먼지 등을 제거하는 클린 로드(Clean-Road) 사업을 실시하고 있다. 마지막으로 진공청소기로 먼지를 빨아들이고 필터로 걸러내는 ‘도로 분진 진공청소차’를 도입했다.

기술 로드맵

특허조사 및 특허전략

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

 먼지를 먹지는 분진 제거 차량과 비슷한 수준의 집진 효율을 가지며 평균 운행속도는 경쟁제품에 비해 2배 이상을 가진다.

마케팅 전략

 초기 투자비용이 필요하지만, 한 번 차량에 부착하면 필터 교체 비용을 제외하고는 추가적인 투자가 불필요하고, 기존의 청소 차량을 대체함으로써 인건비 및 운영비를 절감할 수 있으므로 장기적인 관점에서 보면 경제적이다.
 우리의 기술과 관련된 유사 특허는 다수 존재하지만, 소형화된 집진장치를 탑재한 차량은 아직 존재하지 않으므로 경쟁력을 키운다면 좋은 전략이 될 것이다.
 도로 주행 중 다른 이물질이나 기상 조건에 의한 제품 손상이 우려되나 유입부 방지망 설치를 통해 보완한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

 ◇ 포집 먼지 기준 98% 이상의 집진 효율을 가짐으로써 효과적인 도로 재비산먼지 제거를 기대한다.

 ◇ 기상이나 속도 조건에 따른 흡입 시스템의 반자동 제어 시스템을 확립한다.

 ◇ 집진장치의 소형화를 통해 대중교통뿐만 아니라 일반 승용차, 더 나아가 다른 분야에서도 사용이 가능하다.

경제적 및 사회적 파급효과

 ◇ 생활과 밀접한 대중교통에서 직접적인 미세먼지를 포집함으로써 국민들에게 환경 개선에 대한 긍정적인 인식을 제고한다.

 ◇ WHO(세계 보건 기구)에서는 PM10의 연평균 농도를 20μg/m3으로, PM2.5의 연평균 농도를 10μg/m3으로 권고하고 있는데, 우리의 기술을 통해 이 기준을 만족할 정도로 미세먼지를 저감한다면, 65세 이상 인구 기준 10만 명당 급성 조기사망을 1.28명 줄일 수 있다.

구성원 및 추진체계

 ◆ 김건형 : 기술현황조사, 회의록 작성. QFD, 논문자료 조사, 보고서작성, 모형제작, 기술로드맵 
 ◆ 김현일 : 3D설계, 사업비 총무, 포스터편집, 효과성계산, 보고서작성, 모형제작, 특허조사
 ◆ 정민식 : 3D설계, 경제성평가, 장치효율계산, 제품평가, 보고서작성, 모형제작, SWOT분석
 ◆ 윤지원 : 배경조사, 보고서작성, 모형제작

설계

설계사양

가. 제품 요구사항

나. 평가 항목 및 방법

 1. 장치 효율(20%)
본 설계 제품인 “먼지를 먹지” 장치 개별의 효율을 기존 살수차 및 흡입차와 비교해 평가하도록 한다. 살수차의 경우 효율에 관한 명확한 조사 자료가 없으므로, 진공흡입차의 효율에 초점을 맞추어 평가할 수 있도록 한다. 현재 운영되는 진공 흡입차의 효율이 약 98%로 보도되고 있으므로, 본 설계에서는 PM10기준 총 먼지 제거 효율 98% 이상을 확보할 수 있는 장치를 설계하도록 한다. 효율의 계산은 분진 함유 유입 가스의 농도와 유출 가스의 분진 농도를 비교해 계산 할 수 있도록 하며, 사이클론과 여과 장치의 개별 효율 또한 계산한다. 

 2. 효과성(40%)
“먼지를 먹지”를 시내버스에 부착했을 때의 재비산먼지 제거의 효과성을 평가하도록 한다. 우선, 서울시 기존 청소차량이 연간 수거하는 미세먼지량을 구한다. 이를 현재 서울시에서 운행 중인 버스 대수 및 버스의 하루 운행량 자료를 구해 ‘먼지를먹지’를 부착한 버스 1대의 목표 미세먼지 제거량을 설정한다. 설정한 목표량 이상의 미세먼지가 제거됨을 입증한다면, 기존 청소 차량보다 효과적이라는 결론이 도출될 것이다. 
이를 위해 도로 표면의 재비산먼지 농도 자료를 구하고, ‘먼지를먹지’의 최종 효율 및 유량, 운행시간 등을 구한다면 ‘먼지를먹지’ 1대의 실제 미세먼지 제거량을 구할 수 있을 것이다. 이를 기준으로 ‘먼지를먹지’의 효과성을 평가한다.

 3. 필터 교체 주기(10%)
“먼지를 먹지”에서 고효율의 재비산먼지 제거를 위한 가장 중요한 부분은 여과 필터이다. 여과필터의 먼지부하가 커지면 압력 손실이 커지게 되고, 제거효율 또한 감소한다. 따라서 여과 필터의 지속적인 먼지 제거 효율을 유지하기 위해 먼지 부하에 내구성이 있는 여과 필터를 설정할 수 있도록 한다. 내구성은 여과 필터 내의 탈진 주기와 필터 교체 주기의 계산을 통해 평가한다. 기상상황에 따라 장치 내 먼지 부하 변동이 발생하나, 교체 주기는 2~4주 정도가 이상적이라 판단되므로, 2~4주를 기준으로 내구성을 평가할 수 있도록 한다.

 4. 안전성 (10%)
“먼지를 먹지”는 도로에 운행하는 차량에 부착되어 가동하기 때문에 여러 종류의 비산물에 쉽게 영향을 받을 수 있다. 또한 기상상황에 따라 눈 또는 비바람의 영향을 받기 쉽다. 이를 방지하기 위해 흡입팬  유입구에 비산물 방지망을 설치하고 이물질의 유입을 방지하도록 한다.

 5. 경제성 (10%)
“먼지를 먹지”는 정부 및 시에 판매해 미세먼지 관리 대책 사업의 일환으로 판매를 계획하고 있는 제품이다. 본 제품이 경제적 경쟁력을 지니기 위해서는 기존 도로 재비산먼지 저감을 목적으로 사용되고 있는 살수차 및 흡입차의 구매비용, 운영비용에 대한 효과성에 대해 우위를 가질 수 있어야한다. 살수차와 진공흡입차는 미세먼지 실질적 저감의 효과성이 전무하다고 평가할 수 있었고, 따라서 “먼지를 먹지”가 비용적 측면에 대해 강점을 가질 수 있다면 보다 경쟁력 있는 제품이라고 평가 할 수 있다. 본 제품의 효과성을 계산할 때, 도로 재비산 먼지 제거를 바탕으로 발생하는 사회적 편익과, 구매비용 및 운영비용의 장기적 B/C분석을 통해 경제성을 판단할 수 있도록 한다. 다만, 이 제품은 경제적인 판매 이익 보다는 사회적 편익의 증가를 목적으로 설계를 진행하였기 때문에 제품의 총괄적 평가에서 경제성의 비율은 10%로, 비교적 낮게 설정한다.

 6. 사용성 (조작 난이도) (10%)
“먼지를 먹지”는 지자체 직원 또는 버스 기사가 장치 점검, 필터교체 등의 관리를 실시할 때 쉽게 조작하고 사용할 수 있어야 한다. 설계에 있어 장치가 직관적인지, 교체가 용이한지, 교체 주기의 판단이 쉬운지, 고장 시 점검이 용이한지 등을 판단한다. 사용하는 사람에 따라 평가가 주관적일 수 있으나 설문조사 등과 같은 최대한 합리적 평가 방법을 통해 사용성과 조작 난이도를 평가 할 수 있도록 한다.

다. 목적 계통도

라. QFD(Quality Function Deployment)

 QFD는 신제품 개념정립, 설계, 공정계획에서부터 판매까지 모든 단계에서 고객의 요구가 최종 제품과 서비스에 충실히 반영되도록 하여 고객을 만족시키는 데 초점을 두는 품질 관리 기법이다. 이는 고객의 요구사항과 설계변수의 상관관계를 도출하는 것으로, HOQ(House Of Quality)를 통해 효과적이고 체계적인 제품 설계를 할 수 있다.
 본 평가에서는 아래 5가지의 Step을 통해 QFD를 작성하였다.

  Step 1. 고객의 요구사항
 - 주 고객층은 시내버스를 운영하는 서울시다. 해당 고객층에 맞는 요구사항을 작성한다.
  Step 2. 중요도
 - 제품 요구사항 항목을 1(낮음)부터 5(높음)까지 수치화하여 중요도를 나타낸다.
  Step 3. 설계변수 설정
 - 본 기술과제에 요구되는 설계변수들을 설정한다.
  Step 4. 고객의 요구사항과 설계변수와의 관계
 - 고객의 요구사항과 설계변수와의 상관관계를 기호로써 설정한다. 기호는 ◎(높음), ○(보통), △(낮음)이다.
  Step 5. 설계변수 간의 관계
 - HOQ의 지붕에 해당하며, 각 설계변수 간의 관계를 위와 같은 기호로 설정한다.

 시내버스를 운영하는 서울시의 입장에서 필요한 사항을 나열해보면, 우선 ‘먼지를 먹지’가 시장에서 거래 되어야 하므로 ①판매가격이 적절하여야 한다. 설계변수와의 상관관계를 분석해보면 평균 제거 입자 (㎍), 유량 (m3/min), 유입속도 (m/s), 압력손실 (100 ㎜H2O)과는 상관관계가 낮고, 사이클론 직경(m)은 직경에 따라 설치비용이 증가할 수 있고 처리 효율을 결정하므로 높은 상관관계를 가진다. 여과속도(m/min) 역시 여과 면적 및 처리 효율을 결정하므로 높은 상관관계를 가진다.
② 여과 필터의 교체 주기 또한 적절하여야 하는데, 설계 변수와의 상관관계를 분석해보면 동력과는 상관관계가 낮고, 평균 제거 입자(㎍)의 크기 및 유량(m3/min)에 따라 여과 필터의 손상 정도가 결정되므로 보통의 상관관계를 가진다. 또한, 압력손실이 크면 클수록 손상 정도가 확연하게 차이가 나므로 높은 상관관계를 가진다,
③ 장치의 처리 효율이 높아야 한다. 설계 변수와의 상관관계는 동력, 유량과는 보통의 상관관계를 가진다. 평균 제거 입자의 크기 및 유입속도, 사이클론 직경(m), 압력손실, 여과속도(m/min)에 따라 처리 효율이 달라지므로 높은 상관관계를 가지고 있다. 
④ 처리 효과성 또한 높아야 한다. 설계 변수와의 상관관계는 동력, 유량과는 보통의 상관관계를 가진다. 평균 제거 입자의 크기 및 유입속도, 사이클론 직경(m), 압력손실, 여과속도(m/min)에 따라 처리 효율이 달라지므로 높은 상관관계를 가지고 있다. 
⑤ 일반 직원이 조작하기에 용이해야 한다. 이는 설계 변수와의 상관관계는 없었다.
⑥ 장치를 오래 사용하기 위해서는 내구성이 좋아야 한다. 동력과 유입속도는 집진 장치의 내구성에 영향을 줄 수 있으므로 보통의 상관관계를 가지고, 압력손실 또한 보통의 상관관계를 가진다.
⑦ 일반 버스에 부착하기 위해서는 적당한 크기를 가지고 있어야 하는데, 사이클론의 직경 및 여과 속도는 장치의 용량을 결정하므로 높은 상관관계를 가지고 있다.

 설계 변수 간의 상관관계를 분석해보면 ①유량(m3/min)은 유입속도 및 여과속도와 높은 상관관계를 가진다. 압력손실이 유량과 비례하므로 압력손실과도 높은 상관관계를 가질 것이다. ②압력손실은 유입속도와도 비례하기 때문에 높은 상관관계를 가진다. 또한, ③여과속도는 압력손실과 높은 상관관계를 가진다.

마. 설계사양

개념설계안

가. 구조

 (1) 흡입팬에서 도로 재비산먼지가 흡입된다. 흡입팬의 유입부에는 돌, 자갈 등 지름이 크고 기계의 손상을 유발하는 입자의 유입을 방지하는 거름망을 설치한다.
 (2) 흡입팬을 거친 공기는 사이클론 집진기의 내부로 들어간다. 이후 미세먼지 입자들은 원심력에 의해 분리되어 사이클론의 벽면을 따라서 바닥 쪽으로 미끄러져 내려온다. 이후 입자들은 집진기 하부에 포집되고, 공기는 상부로 운반된다. 
 (3) 사이클론 집진기에서 배출된 공기는 통로관을 통해 운반되다 여과 집진필터에 도달한다. 여러 개의 폴리에스터 여과재를 차례로 거쳐 먼지가 포집되며, 깨끗한 공기는 외부로 배출된다.

나. 흡입팬

 설계 용량에 맞는 유량을 흡입할 수 있는 규격의 흡입팬을 설치한다. 이물질에 대해 어느 정도 견딜 수 있는 내구성 또한 갖추어야 한다. 또한, 너무 과도한 전력을 소모하지 않아야 한다는 점도 고려해야 한다.

다. 사이클론 집진

 사이클론 장치는 제작이 쉽고, 경제적인 장점이 있는 전처리장치로서, 본 설계에서는 분진함유 기체가 여과포를 통과하기 전에 사이클론을 통해 1차적 분진 제거가 가능하도록 했다. 본 설계에서 사용할 사이클론의 충족 요건은 소형화와 적절한 효율 두 가지로 정리할 수 있으며, 소형 사이클론의 분리 효율에 관한 공학적 수치를 정량화하기 위해 [미립 물질 제거를 위한 소형 사이클론 분리기의 이론적 연구 및 실험적 검증, 고한결, 김홍석] 참조해 적절한 치수 및 효율을 결정하였다. 사이클론 치수 및 비율은 표준화되어 사용되고 있는 수치를 사용했으며 표 8을 이용해 수치를 결정하였다. 버스에 부착이 용이한 크기인 높이 400mm, 사이클린 직경 200mm의 사이클론을 사용할 때의 PM10의 분리 효율이 약 60%이고, 사이클론 이후 고효율 처리장치로 사용하는 여과포의 효율이 95% 이상이므로 장치의 목표 효율인 98%를 충족할 것으로 계산될 수 있다.

라. 여과 집진

 분진 여과 장치는 사이클론 집진을 통해 1차 집진된, 도로 재비산먼지를 함유하는 가스가 나란히 설치된 여러 개의 여과포를 통해 중력침강(Gravitational Settling), 관성충돌, 차단 및 확산 등에 의해 여과포에 포집되는 장치이다. 전 처리된 가스가 여과 집진 장치에 유입될 때 유입속도가 크다면 여과포의 파손 등 수명 단축에 직접적인 영향을 미치게 된다. 그 영향을 줄이기 위해 여과포 앞에 속도를 낮추는 판을 설치하여 여과 집진 효율을 높이고자 하였다. 여과포의 배열은 기존의 백필터가 아닌 사각형 모양의 여과판으로 설정하였다. 여과판으로 설정 시, 여과횟수가 늘어나 효율이 높을 것이다. 또한 집진된 먼지를 보관하기 위한 공간을 하부에 배치한다.
 여과재의 재질은 폴리에스터로 선정하였다. 폴리에스터는 내마모성에 강하고, 집진시스템에 다양한 용도로 가장 광범위하게 사용되며, 비용 면에서도 저렴하기 때문이다. 도로 재비산먼지에 적용하기 때문에 내열성이나 내화학성보다는 내마모성과 비용 측면에서 보았을 때 폴리에스터가 가장 적합하다.
여과 집진기에 있어 가장 중요한 인자는 여과 속도이다. 이는 공기 / 여재비라고도 하며, 전체 유량 대 여과 면적의 비율인데 Fv = Q / A로 나타낸다. 여과 속도에 따라 여과식 집진기의 성능이 좌우되며 제작비용에도 큰 영향을 미친다. 적절한 여과 속도를 정한 후에는 전체 여과 면적을 결정할 수 있다.
 여과 집진 기술을 이용한 장치 설계에서 중요한 변수 중 하나는 ‘압력손실’이다. 압력손실은, 먼지를 함유한 기체가 여과포를 통과할 때 발생하는 저항으로, 여과 시간이 경과하면서 분진 층에 퇴적되는 분진 입자들의 두께가 두꺼워짐에 따라 압력손실도 증가하게 된다. 또한, 압력손실은 기체의 유입 속도 및 유량, 여과 속도 등에 비례한다.

마. 부착 위치

 본 집진 장치의 부착 위치는 버스 엔진 옆 비어있는 공간이다. 높이는 약 70cm 정도이므로 여유를 두고 설치가 가능하다. 엔진과 가까워 흡입팬을 구동하는 전력을 수급하기 용이하다. 또한, 바닥면과도 가까워 재비산먼지의 발생과 동시에 포집이 용이하다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

가. 먼지를 먹지 장치 효율 계산

 <사이클론>

 ◇ 가정
 

 ◇ 유효회전수
 

 ◇ 절단입경
 

 ◇ 제거효율
 

 <여과필터>

 ◇ 가정
 

 ◇ 여과포의 사용개수
 

 ◇ 탈진주기
 
 따라서 1일 버스 운행 시간인 15hr와 비교하였을 때, 먼지 부하에 의해 여과필터의 성능이 저하될 우려가 적으며, 1일 1회 점검할 시 해당 필터를 무리 없이 사용 가능하다고 판단하였다.

 ◇ 필터 교체 주기
 필터의 교체 주기에 대해서는 필터의 종류마다 다르며, 처리 가스 종류 및 유량 등의 여러 가지 변수가 존재하여 정확한 값을 제시하기가 어렵다. 따라서 실제 테스트를 통해 평가하여야 하는데 이번 과제에서는 시간적인 제약 등으로 인해 현실적으로 어렵다고 판단했다. 따라서 진공청소기에 사용되고 있는 폴리에스터 필터의 교체주기와 비교하여 개략적인 교체 주기를 제시하고자 한다. 경험적으로 진공청소기의 필터 교체 주기는 대략 6개월에서 1년 정도이므로, 보수적으로 가정하여 먼지를 먹지의 최종적인 필터 교체 주기는 약 2 ~ 3개월 정도로 확보할 수 있을 것이라고 판단하였다.

 <먼지를 먹지의 최종 pm10 제거 효율>
 1-(1-0.7)(1-0.9) = 0.97, 즉 97%의 제거 효율을 가진다.

나. 먼지를 먹지의 도로 표면 재비산먼지 제거 효과성

 <재비산먼지 발생량> (EPA AP-42의 경험식)
 

 <「먼지를 먹지」의 미세먼지 목표제거량 계산>
 

 <먼지를 먹지의 효과성 추정>
 

조립도

가. 흡입팬부

나. 사이클론

다. 여과필터부

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

가. 흡입팬

나. 사이클론

다. 여과필터

라. 먼지를 먹지(전체)

포스터

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

 1. 장치의 효율
 기존에 운영 중인 진공흡입차의 효율인 98%와 비교한다. 1차 처리 장치인 사이클론 집진 장치의 효율이 약 70%, 최종 처리 장치인 여과필터의 효율이 90%로 계산되어 총 집진효율은 97%이다. 이는 초기에 목표로 한 98%보다 부족한 수치이지만 거의 근접한 수치이기에 90점으로 평가하였다.

 2. 효과성
 자료 조사를 통해 기존 청소차량의 연간 미세먼지 제거량을 계산하여 g/km 단위로 표현하였을 때, 0.3g/km를 제거하는 것으로 판단했다. 이를 기준으로, 정상 상태의 silt loading과 버스의 평균 속력, 운행량 등을 고려하여 같은 방법으로 연간 미세먼지 제거량을 계산했을 때 0.45g/km로 계산되어 기존 설정 목표인 0.3g/km보다 약 1.5배 높을 것으로 예상된다. 따라서 100점으로 평가하였다.

 3. 필터 교체주기 
 진공청소기에 사용되고 있는 폴리에스터 필터의 교체주기와 비교하여 개략적인 교체 주기를 판단하였다. 경험적으로 진공청소기의 필터 교체 주기는 대략 6개월에서 1년 정도이므로, 보수적으로 가정하여 먼지를 먹지의 최종적인 필터 교체 주기는 약 2~3개월 정도로 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 이는 초기에 설정한 기준인 2~4주보다는 여유있지만, 실제 실험을 수행하기에는 현실적인 제약이 있어 경험적으로 도출한 수치이기 때문에 90점으로 평가하였다. 

 4. 안정성
 마모 내구성 또한 실제 실험을 수행하기에는 현실적인 제약이 있기 때문에 팬의 거름망 설치 등의 설계요소를 추가하여 보완하였다. 여과 필터 또한 내마모성이 좋은 폴리에스터 소재를 사용하여 손상의 정도를 최소화하였다. 그러나 정량적인 손상의 정도를 판단하기 어려워 60점으로 평가하였다. 

 5. 경제성
 초기투자비용, 인건비, 유지비 등의 항목을 기존 청소차량과 비교하여 경제성을 평가하고자 하였다. 기존에 운영 중인 청소차량은 초기투자비용을 제외하였고, 연간 인건비 및 유지비를 계산하였다. 연간 인건비는,  각각 약 97억 5천만원, 23억 3천만원으로 상당히 많이 소요됨을 알 수 있었다.
반면에, ‘먼지를먹지’는 약 23억 6천만원의 초기투자비가 요구되지만 인건비가 거의 소요되지 않고, 유지비 또한 연간 약 9억 9천만원으로 예상되기 때문에 기존 청소차량보다 훨씬 경제적임을 알 수 있다. 그렇기 때문에 100점으로 평가하였다.
 

 6. 사용성
‘먼지를먹지’가 원활히 운영되기 위해서는 조작 및 점검 난이도가 용이해야 할 것으로 판단하였다. 따라서 5가지 항목을 통해 총 20명을 대상으로 설문 조사를 수행하여 평가한 결과, 100점 만점 기준 70.8점을 획득하여 70점으로 평가하였다.
 

향후평가

 본 설계를 통해 이루고자 하는 목표는 ‘버스에 부착하는 소형 집진 장치의 공학적인 설계를 통한 도로 재비산먼지 저감’이다. 우리는 이러한 목표를 달성하기 위해 충분한 유량을 가진 흡입팬과 적절한 효율을 가진 집진장치들을 연결하여 ‘먼지를먹지’라는 장치를 개발하였다. 자체적인 평가를 통해 실제적 적용 가능성을 판단해보았다. 그 결과, 총 100점 만점에 90점으로 평가되어 실제로 적용했을 때도 만족할 만한 기능을 수행할 것으로 예상된다. 
 또한, 시내버스 등에 장치를 설치하여 운행한다는 점에서 시민들에게 미세먼지를 저감 노력 등을 홍보할 수 있다. 그리고 시내버스뿐만 아니라 고속버스, 일반 승용차, 택시 등에 설치한다면 장기적인 미세먼지 저감에 매우 효과적일 것이다. 
‘먼지를먹지’를 버스 설계 단계부터 일체화한다면 기존 남는 공간에 장치를 설치하는 것보다 여유 있는 크기로 설계할 수 있을 것이다. 그렇다면 처리 유량을 늘릴 수 있어 더 많은 미세먼지를 처리할 수 있다. 
 최근 도로 재비산먼지를 포함한 미세먼지의 심각성과 이를 저감하자는 사회적 목소리가 커지고 있다. 이러한 상황에서 ‘먼지를먹지’가 실제로 적용된다면, 이는 도로 재비산먼지를 저감하는 확실한 방법임과 동시에 경제적인 효과를 누릴 수 있을 것이다. 정책 및 제도적인 개선과 지자체와의 협력 등의 추가적인 노력이 수반된다면 본 장치가 대기질에 미치는 긍정적인 영향은 더욱 커질 것이다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

1) 도로 중 미세먼지 재비산 억제를 위한 기초연구, 유은철 외 2인, 보건환경연구원보, 2009

2) 이동측정차량을 이용한 도로 표면 먼지부하량(silt loading)의 측정, 장기원 외 4명, 2004

3) 미립 물질 제거를 위한 소형 사이클론 분리기의 이론적 연구 및 실험적 검증, 고한결 외 1인, 2013

4) 사이클론과 관성충돌 및 백필터의 제진원리를 일체화한 고효율 멀티 집진기 개발에 관한 연구, 홍성길, 2013

5) 미세먼지 저감 위한 도로청소 개선방안, 2019, 서울연구원, 최유진 외 1인

6) 미세 입자 제거 기술, 2000, 한국과학기술원, 김경태 외 1인

7) 고효율 정전여과 집진장치 기술개발동향, 2004 ,㈜제이텍, 장두훈

8) 도로에서 발생하는 오염원 저감을 위한 청소방안 연구, 2011, 호남대학교 대학원, 김 철

9) 초미세먼지(PM2.5)의 건강영향 평가 및 관리정책 연구Ⅰ, 공성용, 2012

10) Micro-One, Polyester, http://www.micro-one.kr/product/product_13.php

11) 서울시, ‘분진흡입차량’ 도로 위 미세먼지 잡는다, http://www.mdtoday.co.kr/mdtoday/index.html?no=281309, 메디컬투데이 ,2017-03-16

12) 서울특별시 생활환경과

13) 서울특별시 도시교통본부

14) 환경부 수도권대기환경청

15) 미세먼지 줄여야 하지만… 지자체 ‘분진 진공흡입차량’ 난색, 경기일보, 2017.07, 허현범 기자

16) 10부제 이후 버스 주행속도 두倍로, 중앙일보

17) 대기오염제어 설계공학 (Fourth Edition), C.D. Cooper, 2012

18) 유체역학 – 3판, Cengel Cimbala, 2014

19) 비산먼지 관리 매뉴얼, 환경부, 2006

20) 도로재비산먼지 관리시스템

관련특허

1) 공개특허공보 제10-2009-0075634호(2009.08.17.) “백필터 장치가 구비된 도로 분진 청소차”

2) 공개특허공보 제10-2011-0129688호(2011.11.06.) "도로분진청소장비“

3) 공개특허공보 제10-1999-0013446호(1999.04.16.) "흡입팬, 직류형 싸이클론, 표준형 싸이클론 및 캔들형 필터를 일체화한 통합형 고효율 분진제거 장치“

4) 공개특허공보 제10-2015-0143251호(2015.10.14.) "분산부를 구비하는 사이클론형 백필터 집진기“

5) 공개특허공보 제10-2017-0077801호(2017.06.20.) "습식형 무동력 집진장치“