"01분반 지구는못참지조"의 두 판 사이의 차이
(→관련 기술의 현황 및 분석(State of art)) |
(→분석 결과) |
||
| (같은 사용자의 중간 판 74개는 보이지 않습니다) | |||
| 33번째 줄: | 33번째 줄: | ||
====개발 과제의 배경==== | ====개발 과제의 배경==== | ||
| − | 2025년 현재 서울특별시를 비롯한 상당수의 지자체는 각 가정 및 사업장의 음식물 쓰레기를 음식물 전용 종량제 봉투에 담아 규격이 정해진 전용 수거 용기에 넣어 배출하도록 하고 있다. 음식물 수거 용기의 도입은 종량제 봉투로만 배출했을 때 음식물 쓰레기 침출수가 도로변에 쉽게 유출되는 문제를 | + | 2025년 현재 서울특별시를 비롯한 상당수의 지자체는 각 가정 및 사업장의 음식물 쓰레기를 음식물 전용 종량제 봉투에 담아 규격이 정해진 전용 수거 용기에 넣어 배출하도록 하고 있다. 음식물 수거 용기의 도입은 종량제 봉투로만 배출했을 때 음식물 쓰레기 침출수가 도로변에 쉽게 유출되는 문제를 차단하였으나, 침출수가 수거 용기에 고여 음식물 쓰레기 수거 시 악취가 발생하고 해충 번식의 온상이 되는 부가적인 문제는 해결되지 못하고 있다. 가정용 음식물 수거 용기의 경우 관리 주체인 배출자가 용기를 주기적으로 세척하는 등의 자체적 유지보수를 하여야 하지만, 미관 및 비위 상의 문제와 관리할 여유의 부재 등의 복합적인 요인들은 현실적으로 이와 같은 조치를 어렵게 한다. 음식점과 같은 사업장의 경우 대용량 수거 용기에 대하여 지자체가 용역을 통해 |
| − | 무상 세척 및 소독을 시행하는 시범 사업례가 있으나, 이러한 조치는 세척 비용을 배출자가 아닌 지자체 예산으로 충당하여 진행된다는 지적이 있다. 실제로 횡성군의 경우 음식물 쓰레기 수거 용기 세척 차량에 2억 2천만원을, 수거 용기 세척 시범 사업 용역에 1억 5천여만원의 | + | 무상 세척 및 소독을 시행하는 시범 사업례가 있으나, 이러한 조치는 세척 비용을 배출자가 아닌 지자체 예산으로 충당하여 진행된다는 지적이 있다. 실제로 횡성군의 경우 음식물 쓰레기 수거 용기 세척 차량에 2억 2천만원을, 수거 용기 세척 시범 사업 용역에 1억 5천여만원의 예산 배정이 추진된 바 있다. |
모든 사람들에게 쾌적하고 생활에 충분한 환경을 보장하기 위한 '환경복지'는 해당 범위가 넓은 만큼 실현에 큰 비용이 발생하므로 최소한의 비용으로 공공의 편익 극대화가 필수적이다. 환경복지 측면에서 음식물 쓰레기 수거 용기의 침출수 고임 문제는 환경복지 실현의 한계를 고려할 때 비용과 간편성(사용), 간단성(구조), 범용성을 동시에 만족해야 한다. | 모든 사람들에게 쾌적하고 생활에 충분한 환경을 보장하기 위한 '환경복지'는 해당 범위가 넓은 만큼 실현에 큰 비용이 발생하므로 최소한의 비용으로 공공의 편익 극대화가 필수적이다. 환경복지 측면에서 음식물 쓰레기 수거 용기의 침출수 고임 문제는 환경복지 실현의 한계를 고려할 때 비용과 간편성(사용), 간단성(구조), 범용성을 동시에 만족해야 한다. | ||
| 42번째 줄: | 42번째 줄: | ||
A. 외부 동력 없이 빗물의 유입으로 대기압과 중력만을 이용한 사이펀 원리를 통해 침출수를 자동 배출한다. | A. 외부 동력 없이 빗물의 유입으로 대기압과 중력만을 이용한 사이펀 원리를 통해 침출수를 자동 배출한다. | ||
| − | B. 경첩과 무게추를 이용한 메커니즘으로 빗물 유입을 불연속적으로 | + | B. 경첩과 무게추를 이용한 메커니즘으로 빗물 유입을 불연속적으로 제어하여 강우 시에만 용기가 개폐되도록 하며 악취의 확산을 방지한다. |
C. 빗물의 낙차를 이용해 저장 용기를 자동 세척함으로써 유지보수 비용을 줄인다. | C. 빗물의 낙차를 이용해 저장 용기를 자동 세척함으로써 유지보수 비용을 줄인다. | ||
| 49번째 줄: | 49번째 줄: | ||
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)==== | ====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)==== | ||
*국내 기술현황 | *국내 기술현황 | ||
| − | 국내에서 음식물 침출수를 처리할 수 있는 용기 혹은 시스템 특허와, 빗물 유입구 개폐에 관한 특허는 다음과 같이 | + | :국내에서 음식물 침출수를 처리할 수 있는 용기 혹은 시스템 특허와, 빗물 유입구 개폐에 관한 특허는 다음과 같이 찾아볼 수 있었다. |
| + | [[파일:지구못특허_1.png]] | ||
| + | |||
| + | |||
| + | |||
| + | [[파일:지구못특허_2.png]] | ||
| + | |||
| + | |||
| + | |||
| + | [[파일:지구못특허_3.png]] | ||
| + | |||
| + | |||
| + | *기존 제품 분석 | ||
| + | :국내에서 기존에 판매 및 사용되고 있는 다양한 음식물 쓰레기 수거 용기는 다음과 같이 찾아볼 수 있었다. 수거 용기에서 침출수를 따로 모아 배출한다는 아이디어는 쉽게 많은 시중 제품에 적용되어 있었지만, 동력없이 자동적으로 배출하는 구조는 존재하지 않았다. 그밖에 RFID를 활용한 수거 용기 제품이 시중에 나와 있었는데, 해당 제품은 아파트와 같은 공동주택의 대용량 배출에 적합한 방식으로 판단되어 일반 주택의 소형 수거 용기 적용을 목표로 하는 우리 조의 설계품이 경쟁력이 있다고 예상하였다. | ||
| + | |||
| + | [[파일:기존제품1.png]] | ||
| + | |||
| + | |||
| + | |||
| + | |||
| + | [[파일:기존제품2.png]] | ||
| + | |||
| + | |||
| + | |||
| + | |||
| + | |||
| + | [[파일:기존제품3.png]] | ||
*마케팅 전략 제시 | *마케팅 전략 제시 | ||
| − | + | :동력원없이 우수만으로 음식물 쓰레기 수거용기의 관리가 가능하다는 점을 강조한다. 본 설계의 SWOT 분석은 아래와 같다. | |
| + | |||
| + | [[파일:swot.png]] | ||
===개발과제의 기대효과=== | ===개발과제의 기대효과=== | ||
| 82번째 줄: | 110번째 줄: | ||
====구성원 및 추진체계==== | ====구성원 및 추진체계==== | ||
| − | + | =====1) 공통 분담===== | |
| + | 가) 과제 주제 선정 및 자료조사 | ||
| + | |||
| + | 나) 기존 기술 및 경쟁력 분석 | ||
| + | |||
| + | 다) ppt 제작 등 발표 준비 | ||
| + | |||
| + | 라) 개념설계 및 상세 설계 | ||
| + | |||
| + | 마) 프로토 타입, 최종 시제품 제작 | ||
| + | |||
| + | =====2) 개인 분담===== | ||
| + | [[파일:지구는못참지조_개인분담.png]] | ||
==설계== | ==설계== | ||
| 96번째 줄: | 136번째 줄: | ||
====설계 사양==== | ====설계 사양==== | ||
| − | 수집통 : 내식성 소재로 제작하며, 용적은 28.672 | + | 수집통 : 내식성 소재로 제작하며, 용적은 28.672 L로 한다. 이는 일반적인 가정용 음식물류 폐기물 수거 용기인 20 L와 25 L와 유사한 크기이다. 수거용기 하단부에는 사이펀 관과 연결되는 배출구(318 mm²)를 설치하며, 상단부는 경첩을 이용한 여닫이 형태로 음식물류 폐기물이 수거될 때만 열리는 형태로 제작되어 악취의 외부 발산과 해충의 유입을 차단한다. |
| − | 사이펀 관 : | + | 사이펀 관 : 음식물 쓰레기로부터 발생한 침출수와 빗물의 혼합액을 대기압과의 압력 차와 물의 응집력을 통해 외부로 배출시킨다. 제작 편의성과 침출수 저장 용량을 고려해 규격은 직경 6 mm로 설계하였다. |
중량 추 : 빗물 유입구를 통해 유입되는 우수를 조절하는 핵심 장치로 무게는 150 g이다. 이는 표준상태에서의 물의 밀도를 적용하여 150 mL의 빗물이 유입될 수 있도록 한 것으로, 중력을 활용한 기계적 메커니즘에 의해 불연속적으로 침출수 저장 용기 하부로 빗물이 유입되게 된다. | 중량 추 : 빗물 유입구를 통해 유입되는 우수를 조절하는 핵심 장치로 무게는 150 g이다. 이는 표준상태에서의 물의 밀도를 적용하여 150 mL의 빗물이 유입될 수 있도록 한 것으로, 중력을 활용한 기계적 메커니즘에 의해 불연속적으로 침출수 저장 용기 하부로 빗물이 유입되게 된다. | ||
===개념설계안=== | ===개념설계안=== | ||
| − | A. 기준 강우량 : 기상청에서 2022년~2024년 서울시의 3월부터 11월까지의 강우량 자료를 수집하였다. 비가 적게 오는 날에도 저장되어 있는 침출수가 배출될 수 있도록 제 1사분위수(1.6 mm)를 기준으로 제품을 설계하였다. | + | A. 기준 강우량 : 기상청에서 2022년~2024년 서울시의 3월부터 11월까지의 강우량 자료를 수집하였다. 비가 적게 오는 날에도 저장되어 있는 침출수가 배출될 수 있도록 '''제 1사분위수(1.6 mm)'''를 기준으로 제품을 설계하였다. |
| + | |||
| + | [[파일:3년간 일강우량 자료.png]] | ||
| + | |||
B. 침출수 저장조 용적 : 본 설계의 적용대상은 서울시립대학교 후문에서 학생들이 주로 거주하는 주택∙빌라의 음식물 쓰레기 수거 용기이다.. 두 차례의 현장조사 결과, 2~3일동안 배출되지 않은 음식물 쓰레기 수거 용기의 내부 침출수 양은 대략 0.1~0.12 L로 확인되었으며, 후문의 음식물 쓰레기 수거 용기 용량은 20~25 L로 파악되었다. 강우 시 짧은 주기로 침출수 저장조에 모인 음식물 쓰레기 침출수를 배출해야 하고, 강우가 없는 맑은 날에는 음식물 쓰레기 침출수가 역사이펀의 최대 높이를 넘을 정도로 쌓여 외부로 배출되는 사태를 방지해야 한다. 이에 현장조사 결과값보다 약간의 여유 용적을 두어 0.15 L가 되도록 침출수 저장조 용적을 설계하였다. | B. 침출수 저장조 용적 : 본 설계의 적용대상은 서울시립대학교 후문에서 학생들이 주로 거주하는 주택∙빌라의 음식물 쓰레기 수거 용기이다.. 두 차례의 현장조사 결과, 2~3일동안 배출되지 않은 음식물 쓰레기 수거 용기의 내부 침출수 양은 대략 0.1~0.12 L로 확인되었으며, 후문의 음식물 쓰레기 수거 용기 용량은 20~25 L로 파악되었다. 강우 시 짧은 주기로 침출수 저장조에 모인 음식물 쓰레기 침출수를 배출해야 하고, 강우가 없는 맑은 날에는 음식물 쓰레기 침출수가 역사이펀의 최대 높이를 넘을 정도로 쌓여 외부로 배출되는 사태를 방지해야 한다. 이에 현장조사 결과값보다 약간의 여유 용적을 두어 0.15 L가 되도록 침출수 저장조 용적을 설계하였다. | ||
| + | |||
| + | [[파일:후문 수거용기 조사.png]] | ||
===이론적 계산 및 시뮬레이션=== | ===이론적 계산 및 시뮬레이션=== | ||
| − | A. | + | A. 빗물 유입 제어부: 빗물 유입 제어부는 경첩과 무게추를 이용한 기계적 메커니즘으로, 일정량 이상의 빗물이 모였을 때만 침출수 저장조로 빗물이 불연속적으로 유입되도록 한다. 이 장치의 설계 원리는 다음과 같다. 앞선 강우량 선정과정에서 도출한 제1사분위 통계 값인 1.6 mm/m²을 기준으로 빗물 유입부의 면적을 설계하였다. 빗물이 유입되는 면적은 음식물쓰레기 '''(1)수거 용기 윗부분의 경사로(◺↘)'''와, 빗물 유입이 이뤄지는 '''(2)유입구(↙◸)''' 두 부분으로 구성되어있다. 빗물 유입구의 면적을 넓히게 되면 음식물 쓰레기 침출수가 저장되는 저장조 윗부분인 받침대의 면적이 비대해지는 문제가 있어, 수거 용기 윗부분(여닫이)에 경사를 두어 빗물이 경사면을 타고 빗물 유입구로 이동할 수 있도록 설계하였다. 수거 용기 윗부분의 경사는 0.253 radian으로 설정하였으며 그 근거는 다음과 같다. 먼저, 일정한 강우강도 범위에서 균일한 크기의 강우 입자가 경사면을 탄성 충돌한다고 가정한다. 질량이 m인 물체가 마찰이 있는 고정면(경사면)과 속도 V로 비스듬히 충돌한 후 속도 V’로 튀어 나간다고 가정할 때, 수직방향으로는 정면 충돌하는 경우와 같기에 Vy’ = -eVy로 서술할 수 있다. 반면, 수평방향으로는 마찰력의 영향을 고려해야 한다. 충돌 중 물체는 경사면과 수평한 방향으로 속도 성분을 가지고 있으므로 짧은 순간이지만 x축 방향으로 미끄러진다. Δt 동안 물체는 수평면으로부터 운동 마찰력을 받으므로 운동마찰계수를 𝛍라 하고, 물체는 정면충돌의 경우와 같이 경사면으로부터 수직 항력을 받으므로 물체에 대한 충격량과 운동량의 관계를 정리하면 아래와 같다. |
| − | 앞선 | + | ① 면과 평행한 x축 방향의 운동량 (-𝛍N)Δt = mVx’– mVx |
| − | ① 면과 평행한 x축 방향의 운동량 (-𝛍N)Δt = | + | ② 면과 수직한 y축 방향의 운동량 NΔt = mVy – m(-Vy) |
| − | ② 면과 수직한 y축 방향의 운동량 NΔt = | ||
| − | + | 앞선 관계식을 이용해 충돌 후 속도의 수평성분인 Vx’를 구하면 | |
| + | Vx’= Vx – 𝛍(1+e)Vy | ||
초기조건으로, 빗물이 자유 낙하 운동을 한다고 가정했으므로, 경사로가 빗면방향으로 받는 힘은 Vx = mg*sin𝚯이고, 수직방향으로 받는 힘은 Vy = mg * cosθ이다. 이에 최종적으로 다음과 같은 관계식을 얻는다. | 초기조건으로, 빗물이 자유 낙하 운동을 한다고 가정했으므로, 경사로가 빗면방향으로 받는 힘은 Vx = mg*sin𝚯이고, 수직방향으로 받는 힘은 Vy = mg * cosθ이다. 이에 최종적으로 다음과 같은 관계식을 얻는다. | ||
| − | ③ Vy’ = -e * mg * cosθ, | + | ③ Vy’ = -e * mg * cosθ, |
| − | ④ Vx’ = mg * sinθ – 𝛍(1+e) * mg * cosθ | + | ④ Vx’ = mg * sinθ – 𝛍(1+e) * mg * cosθ |
| + | |||
| + | 이 두 힘 성분에서 중점적으로 고려할 부분은 빗물이 경사로에 탄성 충돌한 이후 경사로에 수평한 힘의 성분인 Vx’값을 크게 하는 것이며, 해당 힘이 클수록 빗물이 빗물 유입구에 더 많이 모이게 할 수 있다. 이에 θ 값을 최대한 늘리는 것이 좋으나, 이 경우 음식물 쓰레기 수거 용기 내부 용적이 지나치게 감소하는 문제가 있어 적당한 경사도인 '''0.253 radian'''으로 수거 용기 윗부분의 경사를 설정하였다. | ||
| + | |||
| + | 빗물유입구의 면적은 0.33 m * 0.20 m로 3~11월 사이 평균강우량 제1사분위 통계값인 1.6 mm/m²를 사용한다면, 강우시 대략 0.106 L정도의 빗물을 수집할 수 있다. 또한, 수거 용기 윗부분의 경사로 인해 이론상 0.104 L를 추가적으로 수집 가능하며, 빗물 유입구로 이동하는 과정에서의 손실률을 고려하더라도 0.15 L의 빗물을 모으기 충분하다. | ||
| + | |||
| + | |||
| + | [[파일:빗물경사로 식.png]] | ||
| + | |||
| + | |||
| − | + | B. 사이펀 관을 활용한 배출 시스템 : 저장한 침출수를 한번에 모두 배출시키기 위하여 사이펀의 원리를 활용한다. 사이펀의 원리란 대기압과 중력을 이용하여 높은 곳의 액체는 낮은 곳으로 이동시키는 작용 현상을 말한다. 사이펀의 원리가 작동하기 위해서는 구부러진 관 안에 유체가 가득 차 있어야 하는데, 이는 유체가 연속적으로 이동해야 베르누이 방정식과 연속 방정식이 유의미하기 때문이다. | |
| + | 사이펀 관의 최대높이까지 유체로 채워지게 되면, 중력에 의해 유체가 아래로 이동한다. 또한 물 분자간 응집력에 의해 유체는 연속적인 흐름을 만들어내게 된다. 베르누이 방정식에 따라 연속적으로 이동하는 유체는 압력이 감소한다. | ||
| + | 베르누이 방정식: P+(1/2)*ρv^2+ρgh = Constant(일정) | ||
| − | + | 위 식에 따라 관 안의 압력이 대기압보다 감소하고 저장조에 있는 침출수의 압력(대기압)이 상대적으로 높기 때문에 침출수는 관 안으로 빨려 들어간다. 따라서 관이 모두 비워질 때까지 침출수가 배출된다. 본 설계에서는 침출수 저장 용적을 정하는 과정에서 설명한 것과 같이 저장조에서 용량 0.15 L 초과 시 비워지도록 사이펀 관의 높이를 설계하였다. | |
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | + | [[파일:사이펀원리.png]] | |
===상세설계 내용=== | ===상세설계 내용=== | ||
A. 사이펀 관의 설계 사양 | A. 사이펀 관의 설계 사양 | ||
| − | 1) 관의 직경 : 내경 7 mm, 외경 7 mm | + | :1) 관의 직경 : 내경 7 mm, 외경 7 mm |
| − | 2) 관의 총 길이 : 약 200 mm | + | :2) 관의 총 길이 : 약 200 mm |
| − | 3) 최고 높이 : 저장조 하단에서 약 30.3mm | + | :3) 최고 높이 : 저장조 하단에서 약 30.3mm |
| − | 4) 배출구 높이 : 지면으로부터 약 20 mm | + | :4) 배출구 높이 : 지면으로부터 약 20 mm |
B. 침출수 저장조의 강도 검증 : 침출수 저장조는 최대 150 mL의 침출수 및 우수의 혼합액을 보관하므로, 최대 정수압을 계산하여 벽체의 강도를 검증한다. 이때, 최대 정수압은 다음의 식으로 표현된다. | B. 침출수 저장조의 강도 검증 : 침출수 저장조는 최대 150 mL의 침출수 및 우수의 혼합액을 보관하므로, 최대 정수압을 계산하여 벽체의 강도를 검증한다. 이때, 최대 정수압은 다음의 식으로 표현된다. | ||
| − | P =ρgh | + | P =ρgh |
| − | + | 여기서 ρ = 침출수의 밀도(약 1 kg/m³), g = 9.81 m/s², h = 저장조의 최대 높이(0.03m)을 가정하면, 최대 정수압 P는 '''0.294 N'''이다. | |
위 결과를 이용해 SUS304 스테인리스 스틸을 침출수 저장조 용기로 사용했을 때 접목해 보자면, SUS304 의 항복 응력은 약 205~210 MPa이므로 벽체 두께 1.5 mm 이상일 때 충분한 구조적 안전성을 확보 가능함을 확인가능하다. 또한 스테인리스 스틸은 표면에 Cr₂O₃ 스케일을 형성해 음식물류 폐기물 내 침출수와 다른 금속성분이 직접 반응하는 것을 막으므로 내부식성 부분에서도 탁월한 효과를 보인다. | 위 결과를 이용해 SUS304 스테인리스 스틸을 침출수 저장조 용기로 사용했을 때 접목해 보자면, SUS304 의 항복 응력은 약 205~210 MPa이므로 벽체 두께 1.5 mm 이상일 때 충분한 구조적 안전성을 확보 가능함을 확인가능하다. 또한 스테인리스 스틸은 표면에 Cr₂O₃ 스케일을 형성해 음식물류 폐기물 내 침출수와 다른 금속성분이 직접 반응하는 것을 막으므로 내부식성 부분에서도 탁월한 효과를 보인다. | ||
B. 시스템 작동 메커니즘 : | B. 시스템 작동 메커니즘 : | ||
| − | 1) 침출수 축적 | + | :1) 침출수 축적 |
| − | 음식물 쓰레기 수거 용기 하부의 받침통에 침출수가 모이기 시작한다. 침출수는 격자판을 통과하여 저장조로 흘러든다. | + | :음식물 쓰레기 수거 용기 하부의 받침통에 침출수가 모이기 시작한다. 침출수는 격자판을 통과하여 저장조로 흘러든다. |
| − | 2) 빗물 유입 | + | :2) 빗물 유입 |
| − | 강우 시 빗물이 수거 용기 상부의 경사로에 떨어지며, 수거 용기 상단부의 경사로를 따라 유입구로 빗물이 모이게 된다. | + | :강우 시 빗물이 수거 용기 상부의 경사로에 떨어지며, 수거 용기 상단부의 경사로를 따라 유입구로 빗물이 모이게 된다. |
| − | 3) 덮개 개방 | + | :3) 덮개 개방 |
| − | 유입된 빗물의 무게가 기준 값(약 0.15 kg)에 도달하면, 무게추가 들어올려지며, 경첩이 회전하게 되고 빗물 유입을 막고있던 덮개가 열린다. | + | :유입된 빗물의 무게가 기준 값(약 0.15 kg)에 도달하면, 무게추가 들어올려지며, 경첩이 회전하게 되고 빗물 유입을 막고있던 덮개가 열린다. |
| − | 4) 혼합액 배출 | + | :4) 혼합액 배출 |
| − | 열린 덮개를 통해 빗물이 저장조로 유입되고, 저장조 내 침출수와 빗물이 혼합된다. 혼합액의 수위가 사이펀 관의 최고점에 도달하면 중력에 의해 사이펀 관 내부로 유체가 이동하고, 이후 관 내 압력과 대기압과의 차이에 의해 혼합액 수위가 사이펀 관의 입구에 도달할 때까지 외부로 자동 배출된다. | + | :열린 덮개를 통해 빗물이 저장조로 유입되고, 저장조 내 침출수와 빗물이 혼합된다. 혼합액의 수위가 사이펀 관의 최고점에 도달하면 중력에 의해 사이펀 관 내부로 유체가 이동하고, 이후 관 내 압력과 대기압과의 차이에 의해 혼합액 수위가 사이펀 관의 입구에 도달할 때까지 외부로 자동 배출된다. |
| − | 5) 배출 완료 및 복귀 | + | :5) 배출 완료 및 복귀 |
| − | 저장조가 대부분 비워질 때까지 혼합액 배출이 지속되고, 빗물유입구의 덮개는 무게추의 하중에 의해 자동으로 닫힌다. | + | :저장조가 대부분 비워질 때까지 혼합액 배출이 지속되고, 빗물유입구의 덮개는 무게추의 하중에 의해 자동으로 닫힌다. |
C. 제조 공정 : | C. 제조 공정 : | ||
| − | 1) 침출수 저장조 | + | :1) 침출수 저장조 |
| − | 판을 전개도 형태로 절단한 후 용접으로 결합한다. 용접 부위는 연마하여 거칠기를 최소화한다. 내부 표면은 SUS304 특성상 자연 상태에서 Cr₂O₃로 산화막을 형성하므로 높은 내부식성을 확보 가능하다. | + | :판을 전개도 형태로 절단한 후 용접으로 결합한다. 용접 부위는 연마하여 거칠기를 최소화한다. 내부 표면은 SUS304 특성상 자연 상태에서 Cr₂O₃로 산화막을 형성하므로 높은 내부식성을 확보 가능하다. |
| − | 2) 사이펀 관 | + | :2) 사이펀 관 |
| − | 상용 PP 또는 PVC 재질의 파이프를 구매하여 필요한 길이로 절단한 후, 연결부는 접착제(PVC 전용 접착제) 또는 열 용접으로 연결한다. | + | :상용 PP 또는 PVC 재질의 파이프를 구매하여 필요한 길이로 절단한 후, 연결부는 접착제(PVC 전용 접착제) 또는 열 용접으로 연결한다. |
| − | 3) 경첩 및 덮개 | + | :3) 경첩 및 덮개 |
| − | 아크릴 판재를 절단기 등을 통해 정확한 형상으로 절단하고, 스테인리스 강 경첩을 볼트로 조립한다. 무게추는 스테인리스 강봉을 가공하거나 조정 가능한 추 조립체, 또는 완제품을 사용한다. | + | :아크릴 판재를 절단기 등을 통해 정확한 형상으로 절단하고, 스테인리스 강 경첩을 볼트로 조립한다. 무게추는 스테인리스 강봉을 가공하거나 조정 가능한 추 조립체, 또는 완제품을 사용한다. |
| − | 4) 경사로 판 | + | :4) 경사로 판 |
| − | 강화 플라스틱 또는 투명 아크릴을 경사각 0.253 radian을 이룰 수 있게끔 절단하고, 안정성 확보를 위해 지지대와 결합한다. | + | :강화 플라스틱 또는 투명 아크릴을 경사각 0.253 radian을 이룰 수 있게끔 절단하고, 안정성 확보를 위해 지지대와 결합한다. |
| − | 5) 외통과 내통 | + | :5) 외통과 내통 |
| − | HDPE 플라스틱 원료에 열을 가해 녹인 후, 고압을 이용해 원하는 형상의 틀(금형)에 주입 후 냉각시켜 성형한다. | + | :HDPE 플라스틱 원료에 열을 가해 녹인 후, 고압을 이용해 원하는 형상의 틀(금형)에 주입 후 냉각시켜 성형한다. |
D. 조립 순서 : | D. 조립 순서 : | ||
| − | 1) SUS304로 제작된 침출수 저장조를 HDPE로 성형된 음식물류 폐기물 수거 용기 하단부 맞춤 홈에 맞물리게 하여 설치한다. | + | :1) SUS304로 제작된 침출수 저장조를 HDPE로 성형된 음식물류 폐기물 수거 용기 하단부 맞춤 홈에 맞물리게 하여 설치한다. |
| − | 2) 사이펀 관을 침출수 저장조의 배출구(구멍)에 연결한다. | + | :2) 사이펀 관을 침출수 저장조의 배출구(구멍)에 연결한다. |
| − | 3) 빗물 유입 제어 장치(경첩, 덮개, 무게추)를 음식물류 폐기물 수거 용기 하단부 위쪽에 조립한다. | + | :3) 빗물 유입 제어 장치(경첩, 덮개, 무게추)를 음식물류 폐기물 수거 용기 하단부 위쪽에 조립한다. |
| − | 4) 빗물 유입 경사로를 HDPE로 성형된 음식물류 폐기물 수거용기 상단부 위쪽에 부착하고, 각 부품의 정렬을 확인한다. | + | :4) 빗물 유입 경사로를 HDPE로 성형된 음식물류 폐기물 수거용기 상단부 위쪽에 부착하고, 각 부품의 정렬을 확인한다. |
| − | 5) 침출수 저장조의 배출구(구멍)에 연결했던 사이펀 관을 지정된 위치로 빼내고 지지대로 고정한다. | + | :5) 침출수 저장조의 배출구(구멍)에 연결했던 사이펀 관을 지정된 위치로 빼내고 지지대로 고정한다. |
| − | 6) 모든 볼트와 나사가 적절한 토크 값으로 조여졌는지 확인하고, 누수 테스트를 실시한다. | + | :6) 모든 볼트와 나사가 적절한 토크 값으로 조여졌는지 확인하고, 누수 테스트를 실시한다. |
E. 현장 적용 시험 : | E. 현장 적용 시험 : | ||
| − | 1) 악취 발생 빈도 및 강도의 변화 | + | :1) 악취 발생 빈도 및 강도의 변화 |
| − | 2) 해충(파리, 모기) 번식 현황 | + | :2) 해충(파리, 모기) 번식 현황 |
| − | 3) 침출수 배출 주기 및 안정성 | + | :3) 침출수 배출 주기 및 안정성 |
| − | 4) 사용자 만족도 및 편의성 | + | :4) 사용자 만족도 및 편의성 |
| − | 5) 유지보수 필요 시간 및 비용 | + | :5) 유지보수 필요 시간 및 비용 |
| − | 6) 환경 개선 효과의 정성적/정량적 평가 | + | :6) 환경 개선 효과의 정성적/정량적 평가 |
==결과 및 평가== | ==결과 및 평가== | ||
===완료 작품의 소개=== | ===완료 작품의 소개=== | ||
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면==== | ====프로토타입 사진 혹은 작동 장면==== | ||
| − | + | [[파일:1231332.mp4]] | |
| + | [[파일:KakaoTalk_20250923_152804491.png]] | ||
| + | 간단 모식도 | ||
| + | [[파일:지구는못참지 프로토타입.png]] | ||
| + | 프로토타입(우드락) | ||
| + | [[파일:KakaoTalk_20251216_183400342_02.jpg]] | ||
| + | 시제품(아크릴) | ||
| + | [[파일:빗물유입.gif]] | ||
| + | [[파일:사이펀작동.gif]] | ||
| + | 시제품 시연 | ||
| + | |||
====포스터==== | ====포스터==== | ||
| − | + | [[파일:스크린샷_2025-12-27_125315.png]] | |
| − | === | + | ===시제품 제작 경비=== |
| − | + | [[파일:작품제작 경비2.png]] | |
===완료작품의 평가=== | ===완료작품의 평가=== | ||
| − | + | [[파일:평가항목3.png]] | |
| + | |||
| + | ===경제효용성 분석=== | ||
| + | ====분석을 위한 가정 사항==== | ||
| + | 본 설계품의 경제효용성을 분석하기 위한 수치는 용기의 유지보수 비용으로 대표될 수 있다. 고려하는 유지보수 비용은 용기 교체 비용과 용기 세척 비용으로 나뉜다. 유지보수 비용을 산정하여 현행 비용과 설계 적용 비용을 비교하여 시간이 경과함에 따라 비용 발생의 변화를 알아보았다. | ||
| + | |||
| + | A. 용기 교체 비용: 현행 교체 비용에 대하여, 지자체 사업예산서에 기재되어있는 수거 용기 단가를 참고하였다. 본 설계품의 단가는 재질과 기존 제품 대비 설계 복잡성을 고려해 보수적으로 가정하였다. | ||
| + | |||
| + | B. 용기 교체 주기: 음식물 수거 용기의 교체 주기에 대한 명확한 규정은 찾을 수 없었다. 다만 특정 지자체의 평균 교체 주기를 준용하여 10년으로 하였다. | ||
| + | |||
| + | C. 용기 세척 비용: 현재 많은 곳의 지자체가 음식물 쓰레기 수거 용기에 대하여 용역을 통해 세척 사업을 시행하고 있다. 따라서 2024~2025년 동안의 음식물 쓰레기 수거 용기 세척 용역 입찰공고를 살펴본 뒤, 세척 비용과 연간 세척 횟수가 명시된 공고만 선별 후 집계하여 그 수치를 준용하였다. | ||
| + | |||
| + | D. 용기 세척 주기: 선별한 세척 용역 공고에서는 현행 평균 세척 주기는 연 11회로, 달에 한번 꼴이었다. 본 설계품은 빗물의 흐름으로 인하여 침출수가 집수되는 공간이 일정 부분 세척될 수 있는 부수적인 효과도 기대할 수 있기에 설계품의 평균 세척 주기는 그 횟수가 감소된 연 6회, 설계 향상 시 기대 수치인 연 4회 두 가지로 가정하였다. | ||
| + | |||
| + | E. 그 외: 그 외 가정한 수치와 A~E까지 정리한 표는 아래와 같다. | ||
| + | |||
| + | [[파일:지구못경제가정1.png]][[파일:지구못경제가정2.png]] | ||
| + | |||
| + | ====분석 결과==== | ||
| + | A. 총 유지보수비용 비교: 교체 주기 1회(10년)에 대하여 어떠한 연간 교체율(5-10%) 조건 하에서도, 본 설계품은 기존 제품에 비하여 큰 폭으로 비용의 절감이 예상되며 기존 제품의 가격 경쟁력이 가장 높은 상황에서도 '''약 30.56%'''의 유지보수비용 절감이 가능하다고 추정되었다. | ||
| + | |||
| + | [[파일:지구못경제표1.png]] | ||
| + | |||
| + | B. 누적 유지보수비용 비교: 연간 교체율이 고정(10%)된 교체 주기 1회(10년) 동안의 누적 유지보수비용에 대하여, 1-2년차에는 수거 용기의 초기구매비용(단가) 요인의 효과로 기존 제품이 더 우위로 예상되었다. 그러나, 3년차 이후부터는 세척 횟수 감소로 인한 세척 비용 절감 요인의 효과가 더 커져 본 설계품이 경제적으로 더 우수하였다. 특히 설계품의 개선을 가정한 세척 주기 연 4회의 경우에는 기존 제품 대비 '''약 47.96%'''의 비용 절감이 예상되었다. | ||
| + | |||
| + | |||
| + | [[파일:지구못경제표2.png]] | ||
| + | |||
| + | C. 종합: 본 설계품은 현행 대비 교체 주기 1회 내 유지보수비용(교체, 세척 비용)에 대해 초기 년차부터 경제 효용성을 체감할 수 있을 것으로 예상된다. | ||
===향후계획=== | ===향후계획=== | ||
| − | + | 본 "음식물류 폐기물 침출수의 자동 배출화 용기"는 필수재로써 퇴출장벽이 높은 상품이기에 초기 많은 경쟁업체가 존재할 것으로 생각된다. 시장진입을 위해서는 R&D를 통한 제품 개선이 최우선 과제가 될 것으로 전망되고 이를 위해 린스타트업 전략으로 시장반응을 조사하고, 제품의 개선을 이뤄낼 전망이다. | |
| − | + | 초기 자본금으로 한국환경 산업기술원의 중소환경기업 사업화 지원사업을 활용가능하며, 3~6억 원 이내의 지원금을 조달받을 수 있다. 또한 각 지자체에서는 도시환경 미화 및 음식물류 폐기물 저감 사업 예산을 책정하고 있는데 동대문구의 경우 2025년 세출 예산 중 1억 4천만 원이 음식물류 폐기물 저감 사업에 배정되었다. 본 제품은 지자체 예산 절감에 큰 도움을 줄 수 있는 상품으로써 정부의 지원사업에 참여하기 용이하며, 사업규모가 확장되면 특허를 바탕으로 라이센싱 전략을 펼치거나, VC투자를 통해 경영진과 외부 인력을 확보해 장기적인 사업전략을 꾸릴 수 있을 것이다. | |
| − | |||
| − | |||
2025년 12월 30일 (화) 22:55 기준 최신판
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 사이펀 구조를 활용한 음식물 쓰레기 침출수의 배출 자동화
영문 : Automation of discharge of food waste leachate using siphon structure
과제 팀명
지구는못참지조
지도교수
박승부 교수님
개발기간
2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 환경공학부·과 2019890046 이재원(팀장)
서울시립대학교 환경공학부·과 2022890082 김선준
서울시립대학교 환경공학부·과 2021890078 한유상
서울시립대학교 환경공학부·과 2022890001 강석호
서울시립대학교 환경공학부·과 2020890027 박동진
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
본 최종 설계는 음식물 쓰레기 수거 용기에서 발생하는 침출수를 빗물을 이용하여 무동력으로 안정적으로 배출하는 자동 시스템을 개발하는 것이다. 개념 설계와 경제성 분석, 상세 설계를 바탕으로 침출수를 안전하게 배출하기 위해 사이펀 원리와 기계적 원리의 빗물 유입 제어 장치를 결합한 구조를 갖고, 기존 음식물 쓰레기 수거 용기에 모듈 형태로 쉽게 부착·분리할 수 있도록 하고자 한다.
개발 과제의 배경
2025년 현재 서울특별시를 비롯한 상당수의 지자체는 각 가정 및 사업장의 음식물 쓰레기를 음식물 전용 종량제 봉투에 담아 규격이 정해진 전용 수거 용기에 넣어 배출하도록 하고 있다. 음식물 수거 용기의 도입은 종량제 봉투로만 배출했을 때 음식물 쓰레기 침출수가 도로변에 쉽게 유출되는 문제를 차단하였으나, 침출수가 수거 용기에 고여 음식물 쓰레기 수거 시 악취가 발생하고 해충 번식의 온상이 되는 부가적인 문제는 해결되지 못하고 있다. 가정용 음식물 수거 용기의 경우 관리 주체인 배출자가 용기를 주기적으로 세척하는 등의 자체적 유지보수를 하여야 하지만, 미관 및 비위 상의 문제와 관리할 여유의 부재 등의 복합적인 요인들은 현실적으로 이와 같은 조치를 어렵게 한다. 음식점과 같은 사업장의 경우 대용량 수거 용기에 대하여 지자체가 용역을 통해 무상 세척 및 소독을 시행하는 시범 사업례가 있으나, 이러한 조치는 세척 비용을 배출자가 아닌 지자체 예산으로 충당하여 진행된다는 지적이 있다. 실제로 횡성군의 경우 음식물 쓰레기 수거 용기 세척 차량에 2억 2천만원을, 수거 용기 세척 시범 사업 용역에 1억 5천여만원의 예산 배정이 추진된 바 있다.
모든 사람들에게 쾌적하고 생활에 충분한 환경을 보장하기 위한 '환경복지'는 해당 범위가 넓은 만큼 실현에 큰 비용이 발생하므로 최소한의 비용으로 공공의 편익 극대화가 필수적이다. 환경복지 측면에서 음식물 쓰레기 수거 용기의 침출수 고임 문제는 환경복지 실현의 한계를 고려할 때 비용과 간편성(사용), 간단성(구조), 범용성을 동시에 만족해야 한다. 본 종합 설계는 따라서 음식물 수거 용기 내부 침출수로 인한 악취와 위생 문제, 해충 번식을 방지하기 위해 수거용기 시스템의 무동력·단순 구조와 모듈화로 사전에 차단하여 도시 환경과 공중 보건 수준을 크게 향상하고, 에너지 소비와 고장률, 유지보수 비용을 낮추며 기존 인프라를 그대로 활용하면서 넓은 지역에 빠르게 적용하고자 한다.
개발 과제의 목표 및 내용
A. 외부 동력 없이 빗물의 유입으로 대기압과 중력만을 이용한 사이펀 원리를 통해 침출수를 자동 배출한다.
B. 경첩과 무게추를 이용한 메커니즘으로 빗물 유입을 불연속적으로 제어하여 강우 시에만 용기가 개폐되도록 하며 악취의 확산을 방지한다.
C. 빗물의 낙차를 이용해 저장 용기를 자동 세척함으로써 유지보수 비용을 줄인다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 국내 기술현황
- 국내에서 음식물 침출수를 처리할 수 있는 용기 혹은 시스템 특허와, 빗물 유입구 개폐에 관한 특허는 다음과 같이 찾아볼 수 있었다.
- 기존 제품 분석
- 국내에서 기존에 판매 및 사용되고 있는 다양한 음식물 쓰레기 수거 용기는 다음과 같이 찾아볼 수 있었다. 수거 용기에서 침출수를 따로 모아 배출한다는 아이디어는 쉽게 많은 시중 제품에 적용되어 있었지만, 동력없이 자동적으로 배출하는 구조는 존재하지 않았다. 그밖에 RFID를 활용한 수거 용기 제품이 시중에 나와 있었는데, 해당 제품은 아파트와 같은 공동주택의 대용량 배출에 적합한 방식으로 판단되어 일반 주택의 소형 수거 용기 적용을 목표로 하는 우리 조의 설계품이 경쟁력이 있다고 예상하였다.
- 마케팅 전략 제시
- 동력원없이 우수만으로 음식물 쓰레기 수거용기의 관리가 가능하다는 점을 강조한다. 본 설계의 SWOT 분석은 아래와 같다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
A. 외부 동력 및 전자식 제어 장치를 요하지 않음
B. 단순한 기계 요소만으로 구성되어 고장률이 낮고 유지보수가 용이
C. 모듈 형태로 설계되어 기존 용기에 쉽게 부착/분리 가능
D. 내식성 재료를 사용하여 장기적 신뢰성 확보 가능
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
A. 친환경적
B. 인간 친화
C. 공무원 업무 부담 감소
D. 악취 및 해충 감소
E. 비용 절약
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
1) 공통 분담
가) 과제 주제 선정 및 자료조사
나) 기존 기술 및 경쟁력 분석
다) ppt 제작 등 발표 준비
라) 개념설계 및 상세 설계
마) 프로토 타입, 최종 시제품 제작
2) 개인 분담
설계
설계사양
제품의 요구사항
A. 외부 동력 없이 대기압과 중력만을 이용하여 음식물류 폐기물로부터 발생한 침출수를 자동으로 배출한다.
B. 경첩과 무게추를 이용한 기계적 메커니즘으로 빗물이 연속적이지 않고 불연속적으로 유입되도록 그 양을 제어해 하부 통에 잔류한 빗물에 의해 강우 환경이 아닐 때 침출수와 빗물의 혼합액이 배출되는 것을 방지한다.
C. 침출수의 부식 성분 및 유분에 견딜 수 있는 내식성 재료를 사용하고, 유입된 빗물의 낙차를 이용해 하부 침출수 저장 용기가 세척될 수 있도록 하여 유지 보수비용(주기적 세척에 들어가는 비용)의 저감을 도모한다.
D. 기존 음식물 쓰레기 수거 용기에 모듈 형태로 쉽게 부착 및 분리할 수 있도록 설계한다.
설계 사양
수집통 : 내식성 소재로 제작하며, 용적은 28.672 L로 한다. 이는 일반적인 가정용 음식물류 폐기물 수거 용기인 20 L와 25 L와 유사한 크기이다. 수거용기 하단부에는 사이펀 관과 연결되는 배출구(318 mm²)를 설치하며, 상단부는 경첩을 이용한 여닫이 형태로 음식물류 폐기물이 수거될 때만 열리는 형태로 제작되어 악취의 외부 발산과 해충의 유입을 차단한다.
사이펀 관 : 음식물 쓰레기로부터 발생한 침출수와 빗물의 혼합액을 대기압과의 압력 차와 물의 응집력을 통해 외부로 배출시킨다. 제작 편의성과 침출수 저장 용량을 고려해 규격은 직경 6 mm로 설계하였다.
중량 추 : 빗물 유입구를 통해 유입되는 우수를 조절하는 핵심 장치로 무게는 150 g이다. 이는 표준상태에서의 물의 밀도를 적용하여 150 mL의 빗물이 유입될 수 있도록 한 것으로, 중력을 활용한 기계적 메커니즘에 의해 불연속적으로 침출수 저장 용기 하부로 빗물이 유입되게 된다.
개념설계안
A. 기준 강우량 : 기상청에서 2022년~2024년 서울시의 3월부터 11월까지의 강우량 자료를 수집하였다. 비가 적게 오는 날에도 저장되어 있는 침출수가 배출될 수 있도록 제 1사분위수(1.6 mm)를 기준으로 제품을 설계하였다.
B. 침출수 저장조 용적 : 본 설계의 적용대상은 서울시립대학교 후문에서 학생들이 주로 거주하는 주택∙빌라의 음식물 쓰레기 수거 용기이다.. 두 차례의 현장조사 결과, 2~3일동안 배출되지 않은 음식물 쓰레기 수거 용기의 내부 침출수 양은 대략 0.1~0.12 L로 확인되었으며, 후문의 음식물 쓰레기 수거 용기 용량은 20~25 L로 파악되었다. 강우 시 짧은 주기로 침출수 저장조에 모인 음식물 쓰레기 침출수를 배출해야 하고, 강우가 없는 맑은 날에는 음식물 쓰레기 침출수가 역사이펀의 최대 높이를 넘을 정도로 쌓여 외부로 배출되는 사태를 방지해야 한다. 이에 현장조사 결과값보다 약간의 여유 용적을 두어 0.15 L가 되도록 침출수 저장조 용적을 설계하였다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
A. 빗물 유입 제어부: 빗물 유입 제어부는 경첩과 무게추를 이용한 기계적 메커니즘으로, 일정량 이상의 빗물이 모였을 때만 침출수 저장조로 빗물이 불연속적으로 유입되도록 한다. 이 장치의 설계 원리는 다음과 같다. 앞선 강우량 선정과정에서 도출한 제1사분위 통계 값인 1.6 mm/m²을 기준으로 빗물 유입부의 면적을 설계하였다. 빗물이 유입되는 면적은 음식물쓰레기 (1)수거 용기 윗부분의 경사로(◺↘)와, 빗물 유입이 이뤄지는 (2)유입구(↙◸) 두 부분으로 구성되어있다. 빗물 유입구의 면적을 넓히게 되면 음식물 쓰레기 침출수가 저장되는 저장조 윗부분인 받침대의 면적이 비대해지는 문제가 있어, 수거 용기 윗부분(여닫이)에 경사를 두어 빗물이 경사면을 타고 빗물 유입구로 이동할 수 있도록 설계하였다. 수거 용기 윗부분의 경사는 0.253 radian으로 설정하였으며 그 근거는 다음과 같다. 먼저, 일정한 강우강도 범위에서 균일한 크기의 강우 입자가 경사면을 탄성 충돌한다고 가정한다. 질량이 m인 물체가 마찰이 있는 고정면(경사면)과 속도 V로 비스듬히 충돌한 후 속도 V’로 튀어 나간다고 가정할 때, 수직방향으로는 정면 충돌하는 경우와 같기에 Vy’ = -eVy로 서술할 수 있다. 반면, 수평방향으로는 마찰력의 영향을 고려해야 한다. 충돌 중 물체는 경사면과 수평한 방향으로 속도 성분을 가지고 있으므로 짧은 순간이지만 x축 방향으로 미끄러진다. Δt 동안 물체는 수평면으로부터 운동 마찰력을 받으므로 운동마찰계수를 𝛍라 하고, 물체는 정면충돌의 경우와 같이 경사면으로부터 수직 항력을 받으므로 물체에 대한 충격량과 운동량의 관계를 정리하면 아래와 같다.
① 면과 평행한 x축 방향의 운동량 (-𝛍N)Δt = mVx’– mVx ② 면과 수직한 y축 방향의 운동량 NΔt = mVy – m(-Vy)
앞선 관계식을 이용해 충돌 후 속도의 수평성분인 Vx’를 구하면
Vx’= Vx – 𝛍(1+e)Vy
초기조건으로, 빗물이 자유 낙하 운동을 한다고 가정했으므로, 경사로가 빗면방향으로 받는 힘은 Vx = mg*sin𝚯이고, 수직방향으로 받는 힘은 Vy = mg * cosθ이다. 이에 최종적으로 다음과 같은 관계식을 얻는다.
③ Vy’ = -e * mg * cosθ, ④ Vx’ = mg * sinθ – 𝛍(1+e) * mg * cosθ
이 두 힘 성분에서 중점적으로 고려할 부분은 빗물이 경사로에 탄성 충돌한 이후 경사로에 수평한 힘의 성분인 Vx’값을 크게 하는 것이며, 해당 힘이 클수록 빗물이 빗물 유입구에 더 많이 모이게 할 수 있다. 이에 θ 값을 최대한 늘리는 것이 좋으나, 이 경우 음식물 쓰레기 수거 용기 내부 용적이 지나치게 감소하는 문제가 있어 적당한 경사도인 0.253 radian으로 수거 용기 윗부분의 경사를 설정하였다.
빗물유입구의 면적은 0.33 m * 0.20 m로 3~11월 사이 평균강우량 제1사분위 통계값인 1.6 mm/m²를 사용한다면, 강우시 대략 0.106 L정도의 빗물을 수집할 수 있다. 또한, 수거 용기 윗부분의 경사로 인해 이론상 0.104 L를 추가적으로 수집 가능하며, 빗물 유입구로 이동하는 과정에서의 손실률을 고려하더라도 0.15 L의 빗물을 모으기 충분하다.
B. 사이펀 관을 활용한 배출 시스템 : 저장한 침출수를 한번에 모두 배출시키기 위하여 사이펀의 원리를 활용한다. 사이펀의 원리란 대기압과 중력을 이용하여 높은 곳의 액체는 낮은 곳으로 이동시키는 작용 현상을 말한다. 사이펀의 원리가 작동하기 위해서는 구부러진 관 안에 유체가 가득 차 있어야 하는데, 이는 유체가 연속적으로 이동해야 베르누이 방정식과 연속 방정식이 유의미하기 때문이다. 사이펀 관의 최대높이까지 유체로 채워지게 되면, 중력에 의해 유체가 아래로 이동한다. 또한 물 분자간 응집력에 의해 유체는 연속적인 흐름을 만들어내게 된다. 베르누이 방정식에 따라 연속적으로 이동하는 유체는 압력이 감소한다.
베르누이 방정식: P+(1/2)*ρv^2+ρgh = Constant(일정)
위 식에 따라 관 안의 압력이 대기압보다 감소하고 저장조에 있는 침출수의 압력(대기압)이 상대적으로 높기 때문에 침출수는 관 안으로 빨려 들어간다. 따라서 관이 모두 비워질 때까지 침출수가 배출된다. 본 설계에서는 침출수 저장 용적을 정하는 과정에서 설명한 것과 같이 저장조에서 용량 0.15 L 초과 시 비워지도록 사이펀 관의 높이를 설계하였다.
상세설계 내용
A. 사이펀 관의 설계 사양
- 1) 관의 직경 : 내경 7 mm, 외경 7 mm
- 2) 관의 총 길이 : 약 200 mm
- 3) 최고 높이 : 저장조 하단에서 약 30.3mm
- 4) 배출구 높이 : 지면으로부터 약 20 mm
B. 침출수 저장조의 강도 검증 : 침출수 저장조는 최대 150 mL의 침출수 및 우수의 혼합액을 보관하므로, 최대 정수압을 계산하여 벽체의 강도를 검증한다. 이때, 최대 정수압은 다음의 식으로 표현된다.
P =ρgh
여기서 ρ = 침출수의 밀도(약 1 kg/m³), g = 9.81 m/s², h = 저장조의 최대 높이(0.03m)을 가정하면, 최대 정수압 P는 0.294 N이다. 위 결과를 이용해 SUS304 스테인리스 스틸을 침출수 저장조 용기로 사용했을 때 접목해 보자면, SUS304 의 항복 응력은 약 205~210 MPa이므로 벽체 두께 1.5 mm 이상일 때 충분한 구조적 안전성을 확보 가능함을 확인가능하다. 또한 스테인리스 스틸은 표면에 Cr₂O₃ 스케일을 형성해 음식물류 폐기물 내 침출수와 다른 금속성분이 직접 반응하는 것을 막으므로 내부식성 부분에서도 탁월한 효과를 보인다.
B. 시스템 작동 메커니즘 :
- 1) 침출수 축적
- 음식물 쓰레기 수거 용기 하부의 받침통에 침출수가 모이기 시작한다. 침출수는 격자판을 통과하여 저장조로 흘러든다.
- 2) 빗물 유입
- 강우 시 빗물이 수거 용기 상부의 경사로에 떨어지며, 수거 용기 상단부의 경사로를 따라 유입구로 빗물이 모이게 된다.
- 3) 덮개 개방
- 유입된 빗물의 무게가 기준 값(약 0.15 kg)에 도달하면, 무게추가 들어올려지며, 경첩이 회전하게 되고 빗물 유입을 막고있던 덮개가 열린다.
- 4) 혼합액 배출
- 열린 덮개를 통해 빗물이 저장조로 유입되고, 저장조 내 침출수와 빗물이 혼합된다. 혼합액의 수위가 사이펀 관의 최고점에 도달하면 중력에 의해 사이펀 관 내부로 유체가 이동하고, 이후 관 내 압력과 대기압과의 차이에 의해 혼합액 수위가 사이펀 관의 입구에 도달할 때까지 외부로 자동 배출된다.
- 5) 배출 완료 및 복귀
- 저장조가 대부분 비워질 때까지 혼합액 배출이 지속되고, 빗물유입구의 덮개는 무게추의 하중에 의해 자동으로 닫힌다.
C. 제조 공정 :
- 1) 침출수 저장조
- 판을 전개도 형태로 절단한 후 용접으로 결합한다. 용접 부위는 연마하여 거칠기를 최소화한다. 내부 표면은 SUS304 특성상 자연 상태에서 Cr₂O₃로 산화막을 형성하므로 높은 내부식성을 확보 가능하다.
- 2) 사이펀 관
- 상용 PP 또는 PVC 재질의 파이프를 구매하여 필요한 길이로 절단한 후, 연결부는 접착제(PVC 전용 접착제) 또는 열 용접으로 연결한다.
- 3) 경첩 및 덮개
- 아크릴 판재를 절단기 등을 통해 정확한 형상으로 절단하고, 스테인리스 강 경첩을 볼트로 조립한다. 무게추는 스테인리스 강봉을 가공하거나 조정 가능한 추 조립체, 또는 완제품을 사용한다.
- 4) 경사로 판
- 강화 플라스틱 또는 투명 아크릴을 경사각 0.253 radian을 이룰 수 있게끔 절단하고, 안정성 확보를 위해 지지대와 결합한다.
- 5) 외통과 내통
- HDPE 플라스틱 원료에 열을 가해 녹인 후, 고압을 이용해 원하는 형상의 틀(금형)에 주입 후 냉각시켜 성형한다.
D. 조립 순서 :
- 1) SUS304로 제작된 침출수 저장조를 HDPE로 성형된 음식물류 폐기물 수거 용기 하단부 맞춤 홈에 맞물리게 하여 설치한다.
- 2) 사이펀 관을 침출수 저장조의 배출구(구멍)에 연결한다.
- 3) 빗물 유입 제어 장치(경첩, 덮개, 무게추)를 음식물류 폐기물 수거 용기 하단부 위쪽에 조립한다.
- 4) 빗물 유입 경사로를 HDPE로 성형된 음식물류 폐기물 수거용기 상단부 위쪽에 부착하고, 각 부품의 정렬을 확인한다.
- 5) 침출수 저장조의 배출구(구멍)에 연결했던 사이펀 관을 지정된 위치로 빼내고 지지대로 고정한다.
- 6) 모든 볼트와 나사가 적절한 토크 값으로 조여졌는지 확인하고, 누수 테스트를 실시한다.
E. 현장 적용 시험 :
- 1) 악취 발생 빈도 및 강도의 변화
- 2) 해충(파리, 모기) 번식 현황
- 3) 침출수 배출 주기 및 안정성
- 4) 사용자 만족도 및 편의성
- 5) 유지보수 필요 시간 및 비용
- 6) 환경 개선 효과의 정성적/정량적 평가
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
파일:1231332.mp4
간단 모식도
프로토타입(우드락)
시제품(아크릴)
시제품 시연
포스터
시제품 제작 경비
완료작품의 평가
경제효용성 분석
분석을 위한 가정 사항
본 설계품의 경제효용성을 분석하기 위한 수치는 용기의 유지보수 비용으로 대표될 수 있다. 고려하는 유지보수 비용은 용기 교체 비용과 용기 세척 비용으로 나뉜다. 유지보수 비용을 산정하여 현행 비용과 설계 적용 비용을 비교하여 시간이 경과함에 따라 비용 발생의 변화를 알아보았다.
A. 용기 교체 비용: 현행 교체 비용에 대하여, 지자체 사업예산서에 기재되어있는 수거 용기 단가를 참고하였다. 본 설계품의 단가는 재질과 기존 제품 대비 설계 복잡성을 고려해 보수적으로 가정하였다.
B. 용기 교체 주기: 음식물 수거 용기의 교체 주기에 대한 명확한 규정은 찾을 수 없었다. 다만 특정 지자체의 평균 교체 주기를 준용하여 10년으로 하였다.
C. 용기 세척 비용: 현재 많은 곳의 지자체가 음식물 쓰레기 수거 용기에 대하여 용역을 통해 세척 사업을 시행하고 있다. 따라서 2024~2025년 동안의 음식물 쓰레기 수거 용기 세척 용역 입찰공고를 살펴본 뒤, 세척 비용과 연간 세척 횟수가 명시된 공고만 선별 후 집계하여 그 수치를 준용하였다.
D. 용기 세척 주기: 선별한 세척 용역 공고에서는 현행 평균 세척 주기는 연 11회로, 달에 한번 꼴이었다. 본 설계품은 빗물의 흐름으로 인하여 침출수가 집수되는 공간이 일정 부분 세척될 수 있는 부수적인 효과도 기대할 수 있기에 설계품의 평균 세척 주기는 그 횟수가 감소된 연 6회, 설계 향상 시 기대 수치인 연 4회 두 가지로 가정하였다.
E. 그 외: 그 외 가정한 수치와 A~E까지 정리한 표는 아래와 같다.
분석 결과
A. 총 유지보수비용 비교: 교체 주기 1회(10년)에 대하여 어떠한 연간 교체율(5-10%) 조건 하에서도, 본 설계품은 기존 제품에 비하여 큰 폭으로 비용의 절감이 예상되며 기존 제품의 가격 경쟁력이 가장 높은 상황에서도 약 30.56%의 유지보수비용 절감이 가능하다고 추정되었다.
B. 누적 유지보수비용 비교: 연간 교체율이 고정(10%)된 교체 주기 1회(10년) 동안의 누적 유지보수비용에 대하여, 1-2년차에는 수거 용기의 초기구매비용(단가) 요인의 효과로 기존 제품이 더 우위로 예상되었다. 그러나, 3년차 이후부터는 세척 횟수 감소로 인한 세척 비용 절감 요인의 효과가 더 커져 본 설계품이 경제적으로 더 우수하였다. 특히 설계품의 개선을 가정한 세척 주기 연 4회의 경우에는 기존 제품 대비 약 47.96%의 비용 절감이 예상되었다.
C. 종합: 본 설계품은 현행 대비 교체 주기 1회 내 유지보수비용(교체, 세척 비용)에 대해 초기 년차부터 경제 효용성을 체감할 수 있을 것으로 예상된다.
향후계획
본 "음식물류 폐기물 침출수의 자동 배출화 용기"는 필수재로써 퇴출장벽이 높은 상품이기에 초기 많은 경쟁업체가 존재할 것으로 생각된다. 시장진입을 위해서는 R&D를 통한 제품 개선이 최우선 과제가 될 것으로 전망되고 이를 위해 린스타트업 전략으로 시장반응을 조사하고, 제품의 개선을 이뤄낼 전망이다. 초기 자본금으로 한국환경 산업기술원의 중소환경기업 사업화 지원사업을 활용가능하며, 3~6억 원 이내의 지원금을 조달받을 수 있다. 또한 각 지자체에서는 도시환경 미화 및 음식물류 폐기물 저감 사업 예산을 책정하고 있는데 동대문구의 경우 2025년 세출 예산 중 1억 4천만 원이 음식물류 폐기물 저감 사업에 배정되었다. 본 제품은 지자체 예산 절감에 큰 도움을 줄 수 있는 상품으로써 정부의 지원사업에 참여하기 용이하며, 사업규모가 확장되면 특허를 바탕으로 라이센싱 전략을 펼치거나, VC투자를 통해 경영진과 외부 인력을 확보해 장기적인 사업전략을 꾸릴 수 있을 것이다.
