에어벤져스

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 타이어 분진 흡수기둥

영문 : Tire　dust　Exhausting column

과제 팀명

에어벤져스

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 이**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 강**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 김**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 개발과제에서 타이어 마모 비산먼지, 브레이크 마모 비산먼지, 도로 마모 비산먼지 이 세 가지를 총칭하여 ‘도로 재비산먼지’라 정의하였다. 자동차는 일반적으로 디스크 방식의 브레이크를 사용하고 있으며 브레이크 패드와 디스크의 기계적인 마찰에 의하여 제동 작업을 수행한다. 이 과정에서 다양한 크기의 도로 재비산먼지가 생성된다. 이러한 도로 재비산먼지는 농작물과 생태계 피해, 산업 활동, 인체에 피해를 입힌다. 이러한 피해를 줄이고자 먼지의 농도를 감소시킬 방안을 고안하고자 했다. 도로 재비산먼지는 차량 속도, 제동 빈도 및 제동력에 의해서 발생량이 다르며, 자동차 제동 과정에 의해 특히 교차점, 신호등, 코너 부분에서 농도가 높게 관찰된다. 이러한 특성을 이용하여 도로 재비산먼지가 높게 측정되는 부분에 도로 재 비산먼지 제거장치를 설치 및 개발하는 프로젝트를 실행한다.  

개발 과제의 배경

1) 주제 선정 배경 정부의 지속적인 대기오염물질 저감 대책에도 불구하고 미세먼지에 의한 대기오염은 악화되고 있으며 특히 인구와 산업, 교통량이 밀집한 수도권의 경우 일반적인 선진국 대도시 보다 대기오염이 높은 실정이다. 도심지의 대기오염 현상의 주범 중 하나인 자동차의 증가로 인해 도로 발 비산먼지가 지속적으로 증가하고 있다. 도로 발 비산먼지중 하나인 타이어 마모로 인해 발생하는 타이어 재료 성분(Cd, Cr, Pb 등 인체에 유해한 중금속이 일부 함유) 특성상 일반먼지에 비해 유해성이 큰 것으로 알려져 있다. 또한 브레이크 패드에서 발생되는 미세먼지는 입자 크기가 작아 건강에 직접적인 영향을 미칠 것으로 환경부에서 추정하고 있다. 이러한 인체에 직접적이고 위해성이 큰 도로 발 미세먼지를 줄이기 위한 방법을 모색해 보던 중, 도로 발 미세먼지의 직접적인 제거를 위해 이번 설계를 추진하게 되었다.

<수도권의 대기오염물질 배출량 통계 자료(2012)>

2) 미세먼지로 인한 환경문제

- 농작물과 생태계에 미치는 영향 [환경부 소책자] 미세먼지 도대체 뭘까, 2016

미세먼지는 농작물과 생태계에도 피해를 줄 수 있다. 대기 중 이산화황(SO2)이나 이산화질소(NO2)가 많이 묻어 있는 미세먼지는 산성비를 내리게 해 토양과 물을 산성화 시키고, 토양 황폐화, 생태계 피해, 산림 수목과 기타 식생의 손상 등을 일으킬 수 있다.
공기 중에서 카드뮴(Cd) 등의 중금속이 미세먼지에 묻게 되어도 농작물, 토양, 수생생물에 피해를 줄 수 있다. 또한 식물의 잎에 부착되면 잎의 기공을 막고 광합성 등을 저해함으로써 식물의 생육을 지연시킨다.

- 산업 활동에 미치는 영향

반도체와 디스플레이 산업은 가로 · 세로 높이 30cm 공간에 0.1㎍의 먼지입자 1개만 허용될 정도로 먼지에 민감한 분야이다. 미세먼지에 노출될 경우 불량률이 증가하기 때문이다. 또한 자동차 산업은 도장 공정에서 악영향을 받을 수 있고 자동화 설비의 경우에도 미세먼지로 인한 오작동 등의 피해를 입을 수 있다. 이러한 피해 이외에도 가시거리를 떨어뜨리기 때문에 비행기나 여객선 운항도 지장을 받는다.
미세먼지는 비단 오늘날의 문제만이 아니다. 과거에 무풍상태, 기온역전, 짙은 안개가 발생한 기상조건 하에서 화석연료를 태워서 발생한 런던형 스모그와 그리고 무풍상태, 정체성 고기압하의 기온역전과 해안성 안개가 존재하는 기상조건 하에서 자동차 배기가스에 의해 발생한 LA형 스모그에 의해 수많은 사람들이 사망하였다. 최근 환경부 조사 결과, 타이어 마모, 브레이크 마모, 도로 마모 등이 우리나라 전체 경유 차량의 배기가스의 80% 이상 TV조선 이주일 기자, 타이어·브레이크 초미세먼지, 배기가스의 절반, 

http://news.tvchosun.com/site/data/html_dir/2017/04/10/2017041090173.html 을 차지하였고, 자동차 수요가 증가함에 따라 미세먼지에 따른 환경문제는 더욱 심각해질 것이다.

3) 미세먼지로 인한 인체피해

도로 발 비산먼지는 자동차 배기가스, 타이어 마모, 브레이크 패드 마모 등에 의해 도로 위에 침적된 먼지가 차량의 이동에 의해 대기 중으로 재 비산되는 입자상 물질이다. 입자가 미세하여 코 점막을 통해 걸러지지 않고 폐(뇌)까지 직접 침투해 천식과 폐암 등의 호흡기질환을 유발하며 교통·산업·건설 활동이 많은 대도시에서 발생하여 인체 건강에 큰 피해를 준다. 도로 재비산먼지 관리시스템, https://www.cleanroad.or.kr/intro/roadDust/info.do

그림 1. 미세먼지 크기

그림 2. 인체에 미치는 영향

도로 발 비산먼지의 경우 차량 주행 중에 쉽게 비산되기 때문에 도로 발 비산먼지에 포함된 독성 금속, 비금속, 유기 화합물 등을 대기 중으로 배출시키는 역할을 하게 된다. 여러 논문에서 도로에서 발생하는 입자상 물질 배출이 건강 위해성 및 호흡성 질병과 연관이 있음을 지적하고 있다. 또한, 도로 배출원 등에서 발생한 조대입자가 염증효과를 유발하는 것으로 제시되고 있다. 자동차에 의한 도로재비산먼지의 성분 및 환경성 평가를 위한 기초연구, 국립환경과학원, 2010, 4p

개발 과제의 목표 및 내용

차량 운행수가 많은 도로의 인도의 사람들에게 미치는 타이어 및 브레이크 패드 마모에 의한 도로 발 비산먼지를 효과적으로 흡수하여 제거하는 장치를 제작하고자 한다. 앞서 언급했듯이 이러한 도로 발 비산먼지는 교차점, 신호등, 코너 등에서 주로 발생한다. 우리는 기둥(column)형태의 흡진 장치를 제작해 차도의 중앙 분리대나 인도의 경계부분에 일정 거리마다 설치하여 보행자에게 미치는 미세먼지의 영향을 줄일 것이다. 흡진 기둥 한 개당 유효 범위를 구하여 해당 범위 당 필요 되는 기둥 집진기의 수를 구해 설치하고자 한다. 또한, 집진기의 원리는 공기청정기의 작동 원리를 기반으로 하여, 동력으로는 태양력과 풍력으로 에너지를 사용 할 수 있도록 설계할 것이다. 집진필터의 재료는 활성탄이나 제올라이트 등 초미세 먼지까지 흡착 할 수 있는 재료를 비교 분석하여 최종 채택할 것이다. 마지막으로 필터의 교체나 세척의 경우, 도로변의 돌출된 특성으로 강우에 의한 자연 세척 또는 살수차의 세척으로 해결할 것이다.

1) 목표 a. 도심지의 유동인구와 차량이동이 많은 부분의 자동차 타이어 비산먼지에 의한 대기오염 피해 방지 b. 필터교체 없이 반영구적 필터와 작동 동력을 스스로 얻을 수 있는 장치 개발 c. 도로변 실외 공기청정기 개발 d. 최종적으로 전체 도로에서 발생하는 도로 발 비산먼지 억제

2) 내용

중국 시안 시에서 100m 높이의 실외 공기청정기를 만들어 10km2 지역에서 매일 1000만m3의 정화된 공기를 생산 하여 15%의 미세농도를 줄이고 있다고 발표했다. 우리는 공기청정을 위한 대상으로 실외 전체대기먼지가 아닌 도로 발 비산먼지를 줄이는 것을 선택했다. 

· 제원: 사각/ 원통 기둥형태. 지름 50cm, 높이 1.2m 동출형 · 방식: 정전기 유도방식, 강제유도 흡입방식 · 공기유통: 풍량 – 5~7cmm/ 정압- 35~40mmAq · 유지: 우수세척, 살수세척, 필터교체

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

도로 재비산먼지를 줄이기 위한 기술의 종류는 다양하다. 현재, 도로 재비산먼지 제거용 살수장치에 의한 도로세척 방법, 먼지 청소 차량을 이용한 도로비산먼지 흡입 청소 방법 등 다양하게 연구, 사용되고 있다.

• 전 세계적인 기술현황

1) 국내 기술 동향

1.1. 도로변 자동 살수 장치

2014년까지 서울, 대구, 포항, 광주 등 일정 구간 도로먼지 제거를 위해 설치한 클린 로드 시스템 사례가 있다. 

1.2. 이동식 청소차량 운영

도로 청소 차량은 주어진 구간과 시간, 차량 수와 종류에 따라 효율적으로 선정하여 운영된다. 청소 방법은 상시 운영과 특별운영으로 구분되다. 차량의 종류로는 분진흡입 청소, 노면 청소차, 고압 살수차가 있다.

2) 해외 기술 동향

2.1. 버스정류장 공기청정기

다음과 같은형태의 공간에 옷이 젖지 않을 아주 미세한 미스트를 분사하여 미세먼지의 유입차단과 열섬효과를 저감하는 버스정류장을 2016년부터 설치하여 시험 운영 중이다.

2.2. 초대형 공기 청정기

중국 시안에서 2015년부터 진행한 프로젝트로 2017년 건설 완공하여 운영결과 탑 주변 12곳의 공기 질 측정소에서 효과를 살핀 결과 10㎢ 지역에 매일 1000만㎥의 깨끗한 공기가 생산됐으며, 특히 대기 오염이 심각한 날 초미세먼지(PM 2.5) 평균 농도가 15% 줄었다고 제시했다. 

• 특허조사 및 특허 전략 분석

1. 특허조사

1) 나선형 포켓부가 구비된 사이클론 집진기

사이클론 본체의 외측에 인입기관에서부터 정해진 각도만큼 하부방향으로 기울어지게 하여 내부 면적을 외측으로 확대하고, 내부로 유입된 분진의 이동방향을 나선형상으로 원활하게 유도하여 분진을 효과적으로 집진할 수 있다.

2) 내구성 강화 기술

2.1. 도로시설물의 보호 기둥커버

본 고안은 도로시설물의 기둥 보호커버에 관한 것으로서, 가로변 및 보도 상에 설치된 가로등, 교통신호등 기타 도로시설물의 기둥 하단부를 덮어줌으로서 미관을 향상시키고, 방수효과를 높혀 우천시 감전위험을 줄여주는 동시에 자동차 등과의 충돌시 완충효과를 구비토록 하는 도로시설물의 기둥 보호커버에 관한 것이다. 본 고안은 통상의 보호 커버 상단에 고무재질의 방수팁을 끼워 방수효과를 높이고 보호커버 내측에는 충돌시 완충효과를 극대화할 수 있도록 다수개의 격실구조를 가진 것을 특징으로 한다.

2.2. 원형 고무틀을 이용한 충격흡수형 도로 중앙분리대

본 발명은 도로의 중앙선상에 설치되어 차량이 중앙선을 침범하지 못하도록 도로를 진행방향별로 구획해주는 중앙분리대에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 FRP소재의 원기둥형상의 포스트 외주면에 탄성을 갖는 고무재가 적층형성된 구조로서, 도로 중앙선의 필요한 부분에 분리 설치가 가능하여 분리대의 시공이 간편하고 공사기간의 단축을 가져올 수 있으며, 차량충돌시 완충작용에 의해 차량의 파손 및 탑승자의 상해를 최소화할 수 있는 것이다. 또한, 계절에 상관없이 항시 중앙분리대의 기능을 최적화할 수 있어 항시 인명피해나 차량의 파손을 최소화할 수 있는 원형 고무틀을 이용한 충격흡수형 도로 중앙분리대에 관한 것이다.

3) 미세먼지 제거기술

3.1. 사이클론 집진장치의 세척액 공급구조

사이클론에 집진된 미세먼지는 그 자체 중량이 극히 미미한 관계로 원심력에 의한 분리가 원활하게 이루어지지 않아 사이클론 몸체의 저부로 유동하지 못하고 상기 사이클론 몸체 내부의 상부측에서 계속적으로 축적되어 상기 미세 먼지와 사이클론 몸체와의 마찰이 계속적으로 일어나 정전기의 발생이 심화되는 문제가 발생한다. 이 정전기로 인해 상기 사이클론 몸체 내벽면을 따라 선회하는 미세 먼지의 선회 유동이 저하되어 결과적으로 집진효율이 저하되는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 종래 기술에 따른 사이클론 집진장치는 세척액 공급장치가 구비되어 있다. 세척액을 공급함에 의해 사이클론 몸체 내부의 미세먼지를 고중량화 시켜 미세 먼지에 큰 원심력을 부여함으로써, 용이하게 포집이 가능하도록 하였다.

2. 특허 전략 분석

1) 도로용 차선규제봉 – 특허출원 번호(10-2017-0005178)

몸체부가 풍압이나 외부충격을 방어하고, 침입한 빗물을 수월하게 배출시켜 내부 구성요소를 보호토록 함과 동시에 도로를 주행하는 차량으로부터 배출되는 매연이나 주변의 미세먼지를 포집하여 유해물질을 흡착제거하게 하는 장치이다.

2) 적용방안

선행 기술 중 국내 특허출원 번호(10-2017-0005178) 김용철, 도로용 차선 규제봉, 10-2018-0083121, 2017년01월12일, 2018년07월20일

가 자사가 계획하는 장치와 특성이 비슷하므로, 기술로드맵을 참고하여 흡입기술, 물질분류, 오염제어와 소형화, 소음저감 등 새로운 기술들을 더 접목시켜 신규성을 확보할 계획이다.

• 기술 로드맵

1) 에어벤저스팀_기술로드맵 – 사이클론 기둥 집진기 핵심기술별로 전개

2) 비교 제품군에 따른 목표 제품의 핵심 전략

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

1) 비교 제품군 - 도로 살수장치

도로 살수장치의 경우 도로 노면의 비산먼지를 제어하기 위함에 있어 우리 팀의 목표 제품과 비교하였다. 2012년부터 시험 설치, 운영하고 있다. 200m~ 1000m 구간을 간격으로 설치되어 보통 하루에 2번 차량이 많이 다니지 않는 새벽5시와 밤 11시에 5분 간격으로 가동하였다. 200m 구간에 67개의 분사 판이 설치되어 5분간 설치, 사용되는 물의 양은 7m3이다. 유지/관리 부문에선 매우 효율적이나, 우리가 생각하는 기준에서 도로 살수 장치는 도로변에 자주 다니는 사람에 대해 큰 영향이 없다. 효율 면에서 2014년 보건환경연구원 리포트에서 발표한 결과 도로 차선이 멀어질수록 살수장치 의한 미세먼지 저감 효과는 낮아지거나 오히려 미세먼지가 많아지는 결과를 보이기도 하였다.

- 청소차량

도로분진 청소차량은 국내에서 활발하게 진행되고 있는 작업이다. 2018년 도로분진청소 종합계획 자료에 따르면 2018년 분진청소장비 265대, 인력 219명, 작업 대상 도로 24,252km로 상당히 방대하다. 도로 물청소 용수비로 합 731개소에서 43억7천만 원이 사용된다. 유지와 관리 부분에서 국가의 체계적으로 운영되고 있다. 다만 우리가 생각하는 사람에 대한 접근성은 현장부합 시스템으로 기능개선을 하는 추세이다. 비용부분 또한 방대한 사업계획으로 국가적인 예산이 사용된다. 2005년 Geles의 청소차량 종류별 청소효율 분석 자료에서 평균적으로 80%정도의 효율을 보이고 있다.

- 버스 정류장 공기 청정기

해외 사례로 홍콩이나, 중국, 두바이, 일본 등에서 사람의 왕래가 많은 버스정류장에 공기청정기를 설치해 미세먼지의 피해를 줄이고 있다. 우리나라도 2016년 경기도에서 23억 2천만 원의 예산으로 2018년까지 200개의 버스정류소에 적용하기로 했다. 지자체 단위의 유지/관리, 사용 시 50%미만으로 버스정류장 주변 농도를 낮출 계획이다. 우리의 목표 제품과 같은 목표로 접근성이 많은 부분에 설치한다는 점을 포함해서 목표 제품의 벤치마크가 될 것이다.

- 중국 거대 공기청정기

중국에서 초대형 공기정화 탑을 설치하고 1년 정도의 사용기간을 가졌다. 설치비용 대당 20억 원, 운영비는 연간 3400만원이다. 거대 타워의 특성상 유지/관리 부분에서 상당히 많은 비용과 인력이 필요해 보인다. 또한 광범위한 지역의 공기를 정화함으로 주민들에 대한 접근성은 떨어질 것이다. 

2) 요소별 경쟁력 비교

비교대상 비교 요소 도로 살수장치 가격 청소 차량 접근성 버스 정류장 공기 청정기 유지/관리 대형 공기청정기 효율

위의 비교 요소를 기준으로 하여 각각 비교대상을 설계 목표 제품과 비교하였다.

목표 제품은 국가에서 운영하는 도로 재비산먼지 저감 방법과 비교 했을 때 비슷한 비용으로 운영될 수 있을 거라 판단된다. 목표 제품은 접근성에 가장 중요성을 두고 설계할 것이며, 목표 제품의 접근성을 고려했을 때 우리는 전국적인 운용이 아닌 특정 위치와 시간을 고려하면 경제적인 면에서 다른 제품들 보다 유동적인 가치를 가져 우위에 설 수 있을 것이다. 또한 버스정류장 공기청정기에 대비해 충분한 효율을 목표로 설계할 것이다.

• 마케팅 전략 제시

1) STP (Segmentation, Target, Position) 경기도(2013). 경기도 생활환경복지 지표 개발 연구

1.1 Segmentation(시장의 세분화)
 1.1.1 미세먼지 민감군 : 유아동층, 노년층 등으로 판단된다.
㉠ 미세먼지(PM10)와 초미세먼지(PM2.5)는 사망 발생 위험을 통계적으로 유의하게 높이고 있었다. 전체 연령 집단과 65세 이상 연령집단에서, 미세먼지(PM10) 10 ㎍/㎥ 증가 시 전체 원인 사망 발생위험은 0.44%(95% CI : 0.25~0.63%)과 0.64%(95% CI : 0.41 ~ 0.87%) 높였다. 또한 초미세먼지(PM 2.5) 10 ㎍/㎥ 증가 시 전체원인 사망 위험은 0.95%(95% CI : 0.57 ~ 1.34%)과 1.37%(95% CI : 0.90 ~ 1.84%) 높였다.  

㉡ 경기도 생활환경복지 지표 개발 연구에 따르면 산업국가 질병의 25~33% 정도가 환경위해 요인에 의해 발생하며, 유럽에서는 오염된 공기로 연간 약 31만명이 조기사망 추정, 유럽 어린이 7명 중 1명이 천식이 우려, 영국에서만 연간 치료비 39억 유로가 소요된다. 특히 환경오염에 따른 건강피해는 생물학적 약자인 어린이들에게 집중되는 경향이 있는데 국민건강영양조사에 따르면 의하면 2013년 기준 최근 10년동안 천식은 1.2%(‘98)에서 3.3%(‘09)로 약 3배, 알레르기비염은 1.2%(‘98)에서 11.9%(‘09)로 증가 하였고 2010년 천식, 아토피 피부염, 알레르기 비염 등 주요환경성질환자는 약 909만명이고, 9세 미만 아동은 전체 질환의 약 30%를 차지한다. 

㉢ 2018년 10월 9일 기준 미세먼지, 아이, 건강 모두와 관련된 구글 검색 결과의 개수는 6,300,000개, 미세먼지 대책 촉구와 관련된 30,40대 주요 연령대의 네이버 카페의 경우 86,934명으로 확인되었다. 이를 통해 미세먼지와 아이의 건강을 걱정하는 층이 존재한 다는 것을 확인할 수 있다.

1.2 Target(목표시장 선정) 

- 미세먼지에 취약한 아동을 대상으로 주 활동 반경인 등하교길을 대상으로 도로변 미세먼지 제거기를 설치한다

1.3 Position(시장에서의 위치)

- 미세먼지에 대한 아동의 취약성을 강조하고, 자동차를 많이 접하는 등하교 길에 주로 설치하여 목표 대상의 안전성을 획득함과 동시에 기초 자료의 수집을 목표로 한다. - 민감군을 위해 시장에서의 목표제품의 목표를 아래와 같이 설정한다. · 집진효율 : 80~90% · 주변 공기 정화율 : 50%(변동 가능성 있음) · 설치 구역 : 자동차의 수가 많은 곳 / 아동 인구가 많은 곳 / 학교 근처 도로

2) SWOT 분석

- Strength, Weakness, Opportunity, Threat의 머리글자를 모아 만든 단어로 경영 전략을 수립하기 위해 SWOT분석을 진행하였다.

Strength

1. 우천 시 반자동 세척 가능 2. 취약계층의 환경성 질한 예방 가능 3. 인도와 도로의 경계로 부가적 역할 수행

Weakness 1. 제품군 협소 2. 연구개발 부족 3. 브랜드 이미지 미 확립 4. 시민들의 공공의식 확립

Opportunity 1. 취약계층의 환경성 질한 예방 가능 2. 관련기술이 미비함 3. 도로 재비산먼지에 대한 관심 향상

Threat 1. 외부위협에 의한 제품 손상 2. 작은 시장 3. 제품의 효과에 대한 체감이 어려움

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

– 본 프로젝트에서 제작하고자 하는 제품은 사이클론 기술, 내구성 강화 기술, 축적된 미세먼지 제거 기술을 사용하여 미세먼지 PM10을 기준으로 약 90% 미세먼지 제거율을 목표로 하여 주변 공기의 미세먼지 농도를 50%이상 감소시키려한다. - 축적된 미세먼지를 우수를 통해 처리함으로서 유지, 관리에 의한 인건비와 운영비를 줄일 수 있으며, 우수를 통한 자연 세정을 통해 사이클론 내의 정전기 발생문제를 해결하고 미세먼지 집진효과를 높이는 효과가 있다. - 국내 시장에서 실외 미세먼지 집진기는 거의 없으며 가장 비슷한 제품군인 버스정류장 공기청정기는 특정 공간 내에서는 높은 효율을 가지지만, 그 외 공간에서는 본 프로젝트에서 제작하는 제품의 경쟁력이 더 높을 것으로 보인다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

- 한국 환경공단은 전국 실시간 대기오염도 공개 홈페이지 Air Korea를 운영하여 전국 97개 시, 군에 설치된 323개의 도시대기 측정망, 도로변 측정망, 국가배경 측정망, 교외대기 측정망에서 측정된 대기환경기준물질의 측정자료를 다양한 형태로 표출하여 실시간 제공하고 있다. 그 중 도로변 대기 측정망은 17개 시에 37개가 있는데 측정 항목, 개수 등이 제한적이다. 현재 제작할 제품의 경우 필요한 측정 항목, 개수에 제한을 두지 않아도 되고 측정 개수를 늘려 정확성을 늘릴 수 있어 데이터 수집에 효과적이라 할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

개념설계안

1) 사이클론 집진기 설계 사양 본 프로젝트에서는 PM10의 80%이상의 집진률을 위해 고효율 사이클론(High efficiency)을 설계하고자 한다.

2) 확정 TYPE

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 사이클론 집진기 설계를 위해 집진률을 구하기 위해 이론적 계산을 진행하였다.

가. 가정사항

◇ 사이클론 집진기가 가동되면서 사이클론 내부가 가열되어 온도가 올라가는데 본 조에서 가정한 온도 온도 : 30℃ 공기의 밀도 : 1.163 [kg/m3] 점도 : 0.0000183

나. 미세먼지 성상

- 선행 논문을 바탕으로 하여 같은 미세먼지를 사용한다고 가정을 하였다. - 선행 논문은 Pilot 실험이기 때문에 본 팀에서 모형으로 제작하는 것보다 경제적 이유로 인하여 높은 사양으로 진행되었으며, 가장 큰 차이점은 집진률에 가장 크게 영향을 미치는 유입속도이다. 선행 논문은 16m/s 이며 본 팀의 유입속도는 10m/s라고 가정하였다.

◇ Material used : Fly ash로 구성 됨 품명 : JIS TEST POWDERS1(JIS Z 8901) (Class 5,10 Flyj ash)

◇ 입자밀도(Particle density) = More than 1.95 (2.0 ~ 2.3 normally) 입자밀도 가정 : 21.5g/cm^3

◇ Chemical compositon (%) 화학적 조성은 최소 45%의 SiO, 최대 1%의 수분량으로 구성되어 있으며, 강열 감량(Ignition loss)은 최대 5%이다.

다. 계산과정 1) 사이클론 압력손실 및 동력(HP)

일반적인 유입 기체의 속도()는 10~15m/sec 로 규정되어 있기 때문에 10m/sec로 가정하였다.

2) 유효회전수

3) 총 집진 효율 구하기

PM10 집진률 : PM8의 집진률이 79%라고 결론적으로 계산되었으며, PM16은 88%의 효율을 갖는다.

4) 결론

- 위와 같은 계산과정으로 사이클론 집진기의 효율을 구할 수 있다.

- 위에서 사용한 실험용 미세먼지인 JIS TEST POWDERS1(JIS Z 8901) (Class 5,10 Flyj ash)로 실험을 진행하였을 때, PM10의 집진률이 약 77%가 나온다면 본 프로젝트에서 설계한 사이클론 집진기가 효과적임을 알 수 있다.

- 실제 선행 실험 사이클론의 vortex finder 구조에 따른 미세먼지 집진효율에 관한연구, 아주대학교, 2017 에서도 여러 실험 조건에서 PM10의 집진률이 입구 유속 15.48 ~ 16.03m/sec에서 85.60% ~ 92.97%로 결과가 나와, 본 팀에서 유속조건이 10m/sec와 비교하였을 때 옳게 계산되었음을 알 수 있고, 유속조건이 선행실험과 비슷하게 가정하였을 때 역시 집진률 값이 비슷하게 나왔다.

- 계산을 통한 이론 집진률은 선행 논문결과와 비슷하게 나와 이론적으로 충분히 가능성 있는 설계임을 알 수 있고, 계산 역시 바르게 진행되었음을 알 수 있다.

상세설계 내용

설계하고자 하는 제품인 사이클론 집진기를 보호부, 중심부, 하부로 나누어 기능을 설명하고 각 구분에 해당하는 세부설계와 역할을 구체화 하였다. 위 설계사양의 제품 요구사항에서 판단된 D (요구사항) 와 W (필수사항)을 해당 세부설계에 다시 표시하였다. 이를 바탕으로 제품을 개발할 것이다.

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부품도

제어부

결과 및 평가

완료 작품의 소개

1) 장치 세부사항

1-1) 흡입 사항

- 흡입 구경의 면적을 조절하여 요구 흡입량을 만족시킨다.

- 흡입 시 원심력 송풍기 또는 축방향 송풍기를 사용하여 외부의 공기를 흡수할 계획이다.

1-2) 송풍기 위치

- 원심력 송풍기

 기존 사이클론이 사용하는 원심력 송풍기를 사용한 제품설계이다. 
 일반 사이클론 집진기의 원리로 미세먼지를 포집한 뒤의 공기는 사이클론의 중앙 유출 부를 통해 배출된다.

2) 우수 처리 시스템

2-1) Spiral flow system

- 사이클론 내부 몸체에 나선형 슬라이드를 제작한다.

- 나선형 내부로 인해 난류가 생성되어 미세먼지가 일정한 방향으로 더스트 박스에 유입되게 한다. 이를 통해 집진효율증가를 도모한다.

- 우수 시 나선형 슬라이드의 도움으로 사이클론 내부와 송풍기 프로펠러를 세척하고 일정 방향으로 방류를 유도한다.

프로토타입 사진 혹은 작동 장면=

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

1. 문제점 또는 보완이 필요한 점

동력 프로토타입의 흡입동력이 미흡 친환경 에너지 적용 미흡

유지 관리 내, 외부 고장 시 확인 및 수리 방법

설치 지점 설치 구역에 필요한 기둥 개수 실험 미흡

2. 개선점

동력 송풍기의 동력개선이 필요 재정, 기술 문제로 에너지하베스팅 적용에 어려움 실물 제작시 적용 방안 필요

유지 관리 센서 설치 및 인원 충당

설치 지점 시간& 예산부족으로 실시 못함. 차후 진행