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2022년 6월 17일 (금) 19:39 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

 국문 :  1호선 지하터널 공기질 개선을 위한 부착형 대기 집진장치 개발

 영문 :  Hybrid Dust Collector Design for Removing Subway Tunnel Particle focused on Seoul Subway Station line No.1

과제 팀명

지하청정기조

지도교수

이상철 교수님

개발기간

2022년 3월 ~ 2022년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2016890050 이상현(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2019890014 김유진

서울시립대학교 환경공학부 2019890078 신승윤

서울시립대학교 환경공학부 2016890062 정상언

서울시립대학교 환경공학부 2017890076 한설희

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

   본 설계의 목표는 지하철 내의 미세먼지를 근본적으로 해결할 수 있는 부착형 대기 집진장치이며, 폐쇄적인 구조로 직접적인 청소가 어려운 터널 내의 미세먼지를 효과적으로 포집 하는 것을 목표로 설계하였다. 설계는 집진 장치의 기계적 설계와 효율적인 시스템 운영을 위한 프로그래밍 설계로 구성되었으며, 기본적인 장치 구조를 평면도로 나타내고 프로그램 구상 내용을 포함하고 있다. PM10을 비롯하여 PM2.5까지 포집 가능하며, 비용 대비 높은 포집 효과를 나타내고자 한다. 또한, 서울교통공사 1호선 이 외에도 추후 확대 가능한 집진기 개발로 사용 확장성을 제시한다.

개발 과제의 배경

¯ 지하철 미세먼지 및 비산먼지 발생 및 피해

지하철은 터널을 주행하면서 레일과 휠의 마찰로 인한 마모 입자 및 팬토그래프와 전차선의 스파크 방전에 의한 나노 입자, 열차풍에 의한 재 비산되는 먼지, 레일 연마 작업 및 지하 구조물의 유지보수 작업 등으로 인한 먼지로 가득하다. 그로 인해 지하철 미세먼지는 금속 성분 중 특히 철 성분의 농도가 높으며, 이렇게 발생한 미세먼지는 전동차의 운행으로 인한 열차풍에 의해 바닥에 쌓여 있던 미세먼지가 재 비산하는 현상이 일어난다. 2004년 신길역을 시작으로 스크린도어가 설치된 이후, 생성된 미세먼지는 지하철 터널 내에서 빠져나가지 못하고 축적되고 있다. 이러한 이유로 축적된 미세먼지는 승강장 스크린도어 개방을 통하여 승강장 내부로 유입되며, 전동차의 HVAC(Heating, Ventilation, Air Conditioning ; 공기조화 : 환기, 냉난방, 순환 설비 등)나 미세한 틈을 통과하여 객차 내로 유입하여 인체에 악영향을 미친다. 또한, 미세먼지는 지하철 외부 장치에 침착하여 잦은 고장 원인이 되기도 한다.

¯ 지하철 미세먼지 피해 저감의 필요성

지하철을 이용하는 시민들은 출입구를 통하여 지하 역사로 들어오게 되며, 대합실, 승강장을 거쳐 전동차에 탑승하는 과정을 거친다. 이후 전동차에서 내려 다시 승강장 대합실을 지나 외부로 빠져나가게 되며, 이러한 과정 속에서 대합실, 승강장, 전동차에서 미세먼지에 노출되게 된다.서울연구원 도시정보센터 ‘대중교통 이용 수도권 시민,어떻게 출근하나(2014)’에 따르면 서울 지하철을 이용하는 출근자는 대합실에서 11분, 승강장에서 6분, 전동차에서 35분의 시간을 보내는 것으로 나타났다.따라서 이미 오랜 기간에 걸쳐 발생된 미세먼지를 제거함과 동시에, 발생을 억제 또는 발생하는 즉시 제거하는 공기 질 관리시스템 개발의 필요성이 더욱 부각되고 있다.

¯ 실내 대기질 관련 법령 현황 및 한계점

환경부는 1996년 ‘지하생활공간 공기 질 관리법’을 제정한 후 2003년 ‘다중이용시설 등의 실내공기질관리법’으로 전문 개정하여 지하역사, 대합실 등의 지하 실내 공간에 대한 공기질을 완화하기 위해 미세먼지 외 4개 항목을 유지기준으로 설정하였다. 또한, 2018년 3월 미세먼지 관리의 중요 대책 중 하나로 ‘제3차 지하역사 공기 질 개선대책’을 발표하여 운영기관과의 MOU를 맺는 등 지하역사 미세먼지 농도를 줄이기 위해 노력을 기울이고 있으며, 2021년 12월에 ‘3차 미세먼지 계절관리제 시행계획’을 발표하여 지하역사 실내공기질을 집중 점검하고, 고농도가 예상되는 지하역사는 물청소와 공기청정기 가동을 확대할 예정이다.하지만 이러한 공기 질 개선 장치의 설치와 습식 청소의 확대는 상당한 인력과 별도의 운영 시간이 필요하다는 한계점이 존재한다. 또한, 현재 지하역사의 미세먼지(PM-10)와 초미세먼지(PM-2.5)의 실내 공기 질 유지기준은 연간 대기 질 환경기준에 비하여 약 2~3배가 높으므로 역사 내 미세먼지를 저감하기 위하여 다각적인 노력이 필요하다.

대기 및 지하역사의 미세먼지 기준

이에 따라 우리는 지하 역사 내 미세먼지를 줄이기 위해서는 미세먼지의 실질적인 발생 공간인 터널 내의 먼지를 줄이는 것이 우선이라고 생각하였다. 따라서 지하 터널 공간의 먼지 농도를 효과적으로 저감시킬 수 있는 실시간 제거 장치를 전동차에 부착하여 미세먼지 발생원과 가까운 위치에서 확산되기 전에 실시간으로 제거하며, 열차풍(에너지)을 활용한 에너지 절감형 무동력형 집진 장치를 설계하고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

¯ 본 설계는 지하철을 탑승하는 승객들이 이동 및 체류가 많은 서울 지하철 1호선을 대상으로 승객의 건강과 객차의 고장 빈도를 개선할 수 있도록 공기 질 개선 시스템과 집진장치를 설계하며, 이를 통해 미세먼지 저감 및 설비 운영비용을 절감하는 것을 최종 목표로 한다.

¯ 탄소중립 시대에 맞추어 집진장치의 동력원은 지하철 운전 시 발생하는 동력으로 하며, 집진장치는 별도의 차량이 아닌, 지하철 외벽에 부착하여 먼지의 발생지인 지하철 터널 내의 비산먼지를 제거하고자 한다. 또한, 집진장치의 최적 운영과 비용 절감을 위해 미세먼지 등의 공기질을 관리하는 시스템을 고안할 예정이다.

¯ 서울 교통공사가 직접 측정하고, 한국환경공단에서 제공하는 지하역사 초미세먼지 데이터는 다음과 같으며, 초미세먼지를 중심으로한 본 데이터를 활용하여 통계 분석을 하여 미세먼지의 농도를 효과적으로 활용할 수 있도록 한다.

2021년 8월 ~ 2022년 01월 사이 지하역사별 월별 초미세먼지 평균 데이터

• 기계에 결함을 일으키고 교제주기를 앞당기는 비산먼지의 감소는 교체비용과 청소인력의 축소로 비용 절약이 가능

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

평가 내용

¯ 목적계통도

- QFD

개념설계안

집진장치 규격 및 구조

- 집진장치는 크게 유입부, 몸통부, 하부로 구성되며 몸통부는 자기력 필터, 멀티 사이클론, 미세 필터로 구성되어 있으며 프로펠러가 위치한다. 하부엔 먼지 받이가 위치하며, 미세먼지가 축적되면 아두이노를 통해 축적량을 확인할 수 있다. 집진장치의 규격은 다음과 같고 구역별 상세 규격은 표로 나타내었다. 집진장치의 전반적인 외부는 투명 아크릴판으로 구현할 예정이다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

자기력 필터

- 참고연구에 따르면 PM2.5의 경우 3000 가우스의 영구자석과 1 mm 메쉬를 사용할 경우 52 퍼센트의 제거율을 보였고, 동자석과 4 mm 메쉬를 사용할 경우 47 퍼센트의 제거율을 보였다.1) PM10은 3000 가우스와 1 mm 메쉬가 57 퍼센트를 제거하였으며 동자석과 4 mm 메쉬는 53 퍼센트를 집진하여 제거하였다. 아래 그림과 같이 유속을 1.5 m/s로 고정한 경우 최대 71.4% 집진효율을 보여 그 활용성이 대두되었다.

- 하지만 해당 제품은 자화 메쉬를 사용하지 않는 제품이므로 이번 프로젝트에서 이 둘을 접목한다면 더 높은 효율을 도출할 것으로 판단하였다. 서울시 1호선의 표정속도가 약 7 m/s이다. 하부 풍속은 열차 속도의 20~30% 수준이므로, 고정 유속을 1.5 m/s로 가정한다면 자성먼지 포집에는 최적의 조건이다.2) 더하여 철 비산먼지 제거와 관련된 많은 실험과 근사한 유속이므로 포집 효율 비교에도 용이할 것으로 판단된다. 9,000 가우스 이상의 영구자석의 경우 자기장의 범위는 대략 5 cm 전후로 예상된다. 계획 중인 12,000 가우스의 영구자석과 4 mm 메쉬를 결합한 필터는 위 선행연구의 개발목표치인 500 가우스(자화된 메쉬의 자기장)를 웃돌게 함으로써 괄목할 만한 자성먼지 제거율을 보일 것으로 기대한다.

사이클론 포집효율 계산

- 설계한 사이클론의 입경별 효율 η_j와 전체 입경에 대한 효율 η_0은 각각 식1과 식2로 구할 수 있다. η_j를 구하기 위해 필요한 d_50은 절단입경으로 50%의 등급효율의 입자의 직경을 의미하며 식3으로 도출한다.

- 위 식3에서 도입구 폭은(유입구) 축류식 사이클론의 특성상 별도의 유입구가 없으므로 최대한 보수적으로 10 mm를 가정하여 진행하였다. 또한 외부선회류의 회전수 식도 사용하지 못하므로 유효회전수(5~10) 중 10을 선정하였다. 종말침강속도를 스토크스 법칙을 사용하여 구하기 위해 이상적인 먼지입자를 가정하고, 직경 2.5 μm , 10 μm 을 대입하여 각각의 효율을 계산하려 하였으나, 초미세먼지의 경우 축적된 자료가 부족하여 미세먼지에 대한 우선적인 계산을 진행하였다. PM10의 밀도는 사계절 평균인 1.71 g/cm^3으로 설정하였다.12) 또한, Stokes의 법칙 공식을 통해, 미세먼지의 경우 종말침강속도는 0.313 cm/s 임을 구하였다.

위에서 구한 값들을 식3에 대입하면 다음과 같다.

- 설계하고자 하는 사이클론에서는 PM10의 경우 약 22 μm 크기의 미세먼지에서 최소 50퍼센트의 집진효율을 보일 것이다. 소형화가 이루어지는 경우 미세먼지에 대한 훨씬 더 높은 집진가능성을 보이는 최근 특허기술들과는 상이한 예측값을 나타낸다. 즉 이론식에 따르면 본 설계 사이클론에서는 미세먼지의 괄목할 만한 집진효율을 바라기 힘듦을 예상할 수 있다.

- 자세한 기대 포집분율은 위 표를 참고하여 예측할 수도 있다.4) 본 실험은 역사 내가 아닌 실외에서 진행되어 기록된 데이터이므로, 이 중 ¯(d_pj )(보통중간값)과 봄일 때의 m_j(특정입경범위의 질량분율) 두 개만을 참고하여 식1을 통해 계산을 진행하였다. PM10의 경우 봄과 여름의 중간값을 선정하여 PM10 이하의 총 효율을 계산한다. PM2.5 이하의 초미세먼지의 경우 데이터가 없어 참고문헌(군포시 대기) d_(p,50)값인 4.4 μm 를 그대로 사용하였다.

- 우선 입경별 예상분율을 알 수 있으며 전체 입경에 따른 기대포집효율도 49.49%로 낮은 수치를 얻어내었다. 하지만 η_j값은 고정된 d_(p,50)을 사용한, 경험식을 통해 구한 수치이며 질량분율 또한 지역적, 위치적 특성에 따라 상이한 부분이 있음을 고려해야 한다. 또한, 참고만 미세먼지와 초미세먼지 밀도의 경우 터널 내가 아닌 외부 대기를 측정하여 구한 값이라는 점에서 오차가 생길 수 있다. 결과적으로 철성분 비산먼지가 전단의 자기력 필터에서 효율적 제거되고 난 터널 내 공기의 경우, 일반적인 대기와는 대기분율의 차이보단 미세먼지와 초미세먼지의 농도차이만 있을 것으로 예상하므로 긍정적 결과인 포집량의 증대만을 기대한다.

미세먼지 제거량과 먼지서랍 청소주기

- 2012년에 측정된 바 있는 서울 지하철 5-8호션별 터널 내 미세먼지(PM10)농도 측정결과를 참고하였다.4) 평균 농도는 195.7 μg/m^3로 지하역사의 약 2.3배 수준으로 측정되고 있었다. 그런데 전동차 주변의 입자거동 시뮬레이션 실험결과, 열차하부의 입자농도는 측면과 상부보다 훨씬 높게 나타났다. 또한, 열차 하부 중에서도 레일 근처에서 입자 농도가 높을 것으로 예측되었다. 세부 데이터에서는 하부 정중앙보다도 측면과 가까운 하부에서 유속과 미세먼지의 농도가 조금 더 높게 나타나는 것으로 해석된다. 위에서 제시된 PM10의 평균 농도와 열차 하부의 미세먼지 분포비율을 모두 사용하여 설계제품의 PM10 포집량을 계산한다. (미세먼지의 하부 평균 농도: 37.2 μg/m^3, 초미세먼지의 경우 171.6 μg/m^3, 2016년 5호선 측정) - 평균 농도에 대한 하부 평균 농도의 비율은 19.01%이며 이는 거의 20%의 미세먼지가 열차 운행 시 열차의 하단에서 생성 및 부유함을 알 수 있다. 미세먼지 대부분이 철로 하부에 존재할 것이라는 초기 가정과 다르게 부유먼지와 열차풍으로 인한 먼지의 유동은 목표 제거율을 크게 낮출 것이다. 실제 포집되는 미세먼지량을 계산하기 위해, 좌측의 실 도면을 토대로 일정길이(1 km)당 터널의 부피를 구하였다: 51,170 m^3 그런데 위 실험의 전동차 가정유속은 70 km/h이므로 1호선의 표정속도인 25.2 km/h와 큰 차이를 보인다. 그러므로 포집되는 미세먼지의 양이 유속에 비례함을 고려하여 계산을 진행한다. 초미세먼지의 경우 표2에 따라 제거비율이 4.6%이며, 미세먼지는 45.6%이다. 결론적으로 각각의 일정길이당 예상 포집량은 아래와 같다. 최종적으로 1 km의 운행마다 약 0.46 g의 PM10 이하 크기의 미세먼지를 포집함을 알 수 있다. 이는 금속성 미세먼지의 포집만을 위해 설치 및 시연하였던 서울도시철도공사 마그네틱 집진장치의 경우 평균 집진 성능이 0.017 g/km인 것과 비교하면 매우 높은 수치로 볼 수 있다. 나아가 1호선 영업거리인 200.6 km에 곱하여 기점부터 종점까지의 1회 운행 시 포집먼지량을 계산하면 92.27 g이 나온다. 단, 5호선을 대상으로 한 시뮬레이션이므로 1호선의 실상황과 약간의 오차가 있을 것으로 예상된다. 또한 유속과 포집량이 정비례한다는 가정도 차이를 줄 것이다. 그러나 미세먼지 이상 크기의 조대먼지 등에 대한 포집은 제외된 경우이므로 제품 시연 시 더 많은 포집량을 기대한다.

- 하루 10회 운행하는 청량리역의 경춘선을 기준으로 한다면, 하루 총 포집량은 922.7 g으로 추측할 수 있다. PM10의 평균밀도는 1.71 g/cm^3로 가정하였으므로 포집되는 먼지의 부피를 구하면 아래와 같다. 539.60 cm^3는 설계한 먼지서랍의 부피(5,376 cm^3)의 1/10으로, PM10 이상의 포집까지 고려하여 서랍 청소의 경우 운행이 끝난 후(1회/일)로 대체할 수 있을 것으로 보인다. 922.7 g ÷ 1.71 g/cm^3 ≈ 539.60 cm^3

덕트 변경에 따른 유속 변화

- 앞서 기술한 70 km/h를 가정한 터널 내 유동해석 결과에서도 전동차 하부의 유속은 측면에서 최대 13 m/s, 정중앙에서 6.5 m/s를 예상하였다.2) 이것이 사이클론을 포함한 집진장치의 설치가 하단 측면에 더 힘이 실리는 이유이다. 실제 측정결과에서도 측면과 중앙에서의 유속은 각각 9.5±1 m/s와 5.3±1 m/s로 더 낮았다. 평균 25.2 km/h 속도를 내는 1호선의 경우 훨씬 낮은 유속이 측정될 것이다. 또한 전동차 하부 공기유동 측정 결과에서 하부 풍속이 열차속도의 20~30% 수준이라는 데이터만 적용해 보아도 1.4 m/s~ 2.1 m/s라는 매우 낮은 풍속을 예상할 수 있다. 가장 중요한 것은 앞서 구한 사이클론 집진장치의 미세먼지 예상 제거량 역시 일정한 유속(10 m/s)을 가정한 계산과정이라는 점이다. 이를 다음과 같은 덕트 변형을 통해 보완하고자 하였다.

- 처음 덕트의 넓이를 A 사이클론으로 유입되는 입구의 넓이를 B라고 할 때, 각각의 유속을 Va, Vb라고 하면 각 면적에 유입되는 유량은 동일하므로 Q=Va*A = Vb*B 이다. 따라서, Vb = 3.04138Va 로 덕트 형태 변형 만으로도 3.04 배 정도 유속이 증가하게 된다.

사이클론의 재질과 교체주기

- 다수의 기업이 사용하는 사이클론의 재질은 SUS(스테인리스강)이며, 이는 일본 규격으로 우리나라(STS)와 명칭만 다를 뿐 재질에는 차이가 없다. 대표적인 재질로는 STS 304와 316이 있는데, 둘의 특징은 자성이 없다는 점이다. (단, 냉간가공 후 약간의 자성이 있다.) 이는 전단의 자기력 필터에서 미처 집진되지 못하고 넘어오는 철성분 비산먼지가 사이클론에 흡착될 가능성이 거의 없음을 의미한다. 뛰어난 내식성을 갖고 있어 녹 발생도 거의 없으며 충격에도 강하다. 하지만, 사이클론 내부의 파손 및 변형을 사전에 방지하기 위해 적절한 시기에 교체하는 것이 좋을 것이라 판단된다.

필터 교체주기

- 교체주기는 그 예측방법이 특허로 다양하게 출원되는 만큼, 단순히 유량 등의 조건을 통해 간단히 구할 수 없다. 환경부에서 발간한 ‘배출시설 등 지도점검 업무편람’에 따르면, ‘지도점검 시 배출시설 점검 기준에 대기오염방지시설의 정상가동여부 확인 시에는 적산유량계, 전산전력계, 압력손실 등 주요한 사항을 현장에서 메모하여 운영일지 등과 비교한다’라고 명시되어 있다.1) 이는 특정한 기준을 잡기란 난해한 부분이 있으며 압력손실을 참고하면 백필터의 상태를 진단할 수 있음을 유추할 수 있다. 다음으로는 육안에 의한 검사 및 자가측정 등 실험결과에 따라 백필터의 상태를 판단하여 교체주기를 찾는 방법이다. 육안에 비추어 많은 양의 오염물질이 필터에 포집되어 있거나 측정 시 규제치 이상의 농도가 검출된다면 신속히 교체하고 기록하는 방법이 있다. 다수의 기업에서 활용하는 일반적인 고성능필터의 교체 판단 기준은 필터의 차압이다. 차압이 교체기준압력의 이상으로 상승하게 되면, 공기저항으로 인하여 동력손실이 커지며, 핀홀 현상이 발생하여 더 이상 필터의 역할을 할 수 없기 때문이다. 본 프로젝트에서는 최대한 교체주기의 정성적 계산을 위해 환경부의 권고방법 중 전자를 택하였으며, 선정한 백필터의 차압 데이터와 교체주기 계산법을 조사하였다.8) 식1은 Bergman가 고안한 시간에 따른 고성능 필터의 차압을 예측하는 식이며, 식2는 연구자 Letourneau 등이 헤파필터급에 적용할 수 있도록 식1을 간단히 정리한 식이다. 한국원자력학회 연구실이 이 경험식을 채택하여 HEPA 필터의 사용주기를 판단하였다.

- 선정하고자 한 MERV 필터는 9-12단계 제품이다. 또한, 해당 제품이 요구하는 최소 최종 압력손실은 250 Pa임을 알 수 있다. 유입유량은 송풍기부터 10 m/s 라는 유속의 유량이 0.03 m^2의 면적으로 일정하게 들어오므로 0.3 m^3 /s이다. 미세먼지 점성계수의 경우 사이클론에서의 일반값인 1.85⋅〖10〗^(-5) kg/m⋅s로 가정하였으나 1차적으로 미세먼지 등이 제거되는 변화를 거친 유량의 경우 점성을 예측하지 못하였다. 그러나 터널 내처럼 특정 구역이 아닌 일반적인 대기상황에서도 활용되는 광산란법이나 베타선 흡수법 등도, 환경 변화에 따라 정확성이 감소하는 한계가 존재하여 점성 가정값은 그대로 활용하기로 하였다. 섬유의 두께는 30~36 𝜇m 중 30으로, 500x500의 헤파필터는 섬유 반경을 350 mm로 간단히 한다. 입자의 밀도의 경우 사이클론에서 최소 80퍼센트의 미세먼지를 제거한다고 가정하면 0.342 g/cm^3으로 예측 가능하다.10) V_f는 0.0855 m^3이며 모든 측정 및 예측값을 대입하여 식2를 다음과 같이 전개할 수 있으며 교체주기 d_f는 약 594일이 나온다. 위 교체주기는 1년 7개월 정도이며 헤파필터의 최대 연장 교체주기인 2년은 충족하나 권장주기인 1년과는 큰 차이를 보여 가정 과정에서 오류가 있음을 추측할 수 있다. 혹은 터널 내라는 특정 상황과 전단의 자기력 필터와 사이클론의 영향도 오차에 대한 상당한 근거가 될 수 있다. 또한, 차용한 식2의 경우 원자력시설에서 사용되는 점으로 보아 설치되는 면적과 부피의 차이부터 상당할 것으로 예상된다. 마지막으로 MERV 필터의 경우 13 이상의 단계부터 HEPA 필터와 동일한 성능을 나타내는 것으로 알려져 있어 식의 선정에서부터 결과값에 차이가 나타날 수 있음을 감안해야 한다.

상세설계 내용

부품 제원

- 집진장치의 전체적인 부품 사이즈는 다음과 같다. 두께는 3T 기준이다.

조립도

조립순서

ⅰ. 내부의 사이클론 16개를 (1)~ (4)까지 틀을 차례대로 끼운다. 이 때 (1), (3), (4)의 홈은 크기가 다르므로 주의한다

ⅱ. 그 다음 (5)의 서랍형 먼지받이를 (1)과(4) 사이에 끼워 고정시킨다.

ⅲ. 서랍까지 넣어 안정적인 구조가 된 이후에는 (6)과 같은 두 개의 자기력 필터를 양쪽으로 끼워 고정시킨다. (6)번의 자기력필터의 경우 (6)-1과 같이 메쉬필터-영구자석-메쉬필터 순서로 이루어지게 끼운다.

ⅳ. (1)과 (8) 사이에 (7)의 백필터를 끼워 고정시킨다.

완성된 모습

부품도

제어부 및 회로설계

- 고농도의 실내 미세먼지가 예측될 시 아두이노를 통한 빨간색 LED 점등으로 경고를 줌과 동시에 이에 따른 모터 가동으로 유속 보정 과정을 구현한다. 또한 탈진 자동화를 구현하기 위해 아두이노 무게 감지 센서를 적용하여 일정 이상의 무게가 감지되었을 시 파란색 LED등을 점등시킨다.

소프트웨어 설계

자재 소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

향후계획

¯ 본 설계에서 아두이노 센서를 탑재하여 미세먼지 농도를 실시간으로 예측하는 부착형 집진 장치를 설계하였다.

¯ 해당 집진장치는 교효율의 집진 성능을 보이는 것보다 전동차 운행시 발생하는 금속 미세먼지와 열차풍에 날리는 비산먼지를 지속적으로 제거하는 것을 목표로 하고 있다. 기존에는 백필터를 포함하여 3단계의 집진 과정을 거칠 예정이었으나, 효율과 경제성 문제에 봉착하게 되었고 이에 따라 백필터를 제거하여 효율을 낮추는 대신 자기력 필터와 멀티 사이클론의 반복적인 사용을 통해 집진 효율(1회 50%)을 극대화하여 터널 내 미세먼지 농도를 감소시킬 예정이다. 서울교통공사의 2022년 3월 열차 운행 현황에 따르면 1호선의 평일 운행 횟수는 497회 이다. 따라서 궁극적으로 터널 내 미세먼지 축적을 방지하고 이를 통해서 지하 터널 내 근본적인 미세먼지 발생을 최소화함으로써 지하 역사 내 미세먼지 농도를 효과적으로 감소시켜 승객의 미세먼지 노출 피해 최소화에 기여할 수 있을 것으로 생각한다.

¯ 기존의 전동차 하단에 집진장치를 추가로 부착한다는 점에 있어서 안전성의 우려가 발생하였다. 이에 따라서 노후화 된 전동차를 집진장치가 부착된 전동차로 교체하여 이를 해결하고자 한다. 2020년 9월 기준으로 1호선 전동차의 44%가 20년 넘게 운행되고 있으며, 26년이 넘은 전동차도 64칸 존재한다. 2020년 4월에 1호선 신길역 부근에서 용산행 급행 전동차가 탈선한 사고가 대표적인 노후화 열차 사고 사례이다. 해당 차량은 1996년에 제작된 노후 차량이었으며, 열차가 노후화 됨에 따라서 이와 같은 사고 확률은 높아진다. 따라서 노후화된 전동차를 부착형 집진장치가 설치된 신형 전동차로 교체한다면 사고 위험을 감소시키고 시민의 안전을 위할 수 있을 것으로 예상한다.

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 ==프로젝트 개요==
 === 기술개발 과제 ===
-''' 국문 : ''' 1호선 지하터널 공기질 개선을 위한 부착형 대기 집진장치 개발
+ ''' 국문 : ''' 1호선 지하터널 공기질 개선을 위한 부착형 대기 집진장치 개발
-''' 영문 : ''' Hybrid Dust Collector Design for Removing Subway Tunnel Particle focused on Seoul Subway Station line No.1
+ ''' 영문 : ''' Hybrid Dust Collector Design for Removing Subway Tunnel Particle focused on Seoul Subway Station line No.1
 ===과제 팀명===
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      본 설계의 목표는 지하철 내의 미세먼지를 근본적으로 해결할 수 있는 부착형 대기 집진장치이며, 폐쇄적인 구조로 직접적인 청소가 어려운 터널 내의 미세먼지를 효과적으로 포집 하는 것을 목표로 설계하였다. 설계는 집진 장치의 기계적 설계와 효율적인 시스템 운영을 위한 프로그래밍 설계로 구성되었으며, 기본적인 장치 구조를 평면도로 나타내고 프로그램 구상 내용을 포함하고 있다. PM10을 비롯하여 PM2.5까지 포집 가능하며, 비용 대비 높은 포집 효과를 나타내고자 한다. 또한, 서울교통공사 1호선 이 외에도 추후 확대 가능한 집진기 개발로 사용 확장성을 제시한다.
 ====개발 과제의 배경====
-¯	지하철 미세먼지 및 비산먼지 발생 및 피해
+'''¯	지하철 미세먼지 및 비산먼지 발생 및 피해'''
-지하철은 터널을 주행하면서 레일과 휠의 마찰로 인한 마모 입자 및 팬토그래프와 전차선의 스파크 방전에 의한 나노 입자, 열차풍에 의한 재 비산되는 먼지, 레일 연마 작업 및 지하 구조물의 유지보수 작업 등으로 인한 먼지로 가득하다. 그로 인해 지하철 미세먼지는 금속 성분 중 특히 철 성분의 농도가 높으며, 이렇게 발생한 미세먼지는 전동차의 운행으로 인한 열차풍에 의해 바닥에 쌓여 있던 미세먼지가 재 비산하는 현상이 일어난다.
+지하철은 터널을 주행하면서 레일과 휠의 마찰로 인한 마모 입자 및 팬토그래프와 전차선의 스파크 방전에 의한 나노 입자, 열차풍에 의한 재 비산되는 먼지, 레일 연마 작업 및 지하 구조물의 유지보수 작업 등으로 인한 먼지로 가득하다. 그로 인해 지하철 미세먼지는 금속 성분 중 특히 철 성분의 농도가 높으며, 이렇게 발생한 미세먼지는 전동차의 운행으로 인한 열차풍에 의해 바닥에 쌓여 있던 미세먼지가 재 비산하는 현상이 일어난다. 2004년 신길역을 시작으로 스크린도어가 설치된 이후, 생성된 미세먼지는 지하철 터널 내에서 빠져나가지 못하고 축적되고 있다. 이러한 이유로 축적된 미세먼지는 승강장 스크린도어 개방을 통하여 승강장 내부로 유입되며, 전동차의 HVAC(Heating, Ventilation, Air Conditioning ; 공기조화 : 환기, 냉난방, 순환 설비 등)나 미세한 틈을 통과하여 객차 내로 유입하여 인체에 악영향을 미친다. 또한, 미세먼지는 지하철 외부 장치에 침착하여 잦은 고장 원인이 되기도 한다.
-년 신길역을 시작으로 스크린도어가 설치된 이후, 생성된 미세먼지는 지하철 터널 내에서 빠져나가지 못하고 축적되고 있다. 이러한 이유로 축적된 미세먼지는 승강장 스크린도어 개방을 통하여 승강장 내부로 유입되며, 전동차의 HVAC(Heating, Ventilation, Air Conditioning ; 공기조화 : 환기, 냉난방, 순환 설비 등)나 미세한 틈을 통과하여 객차 내로 유입하여 인체에 악영향을 미친다. 또한, 미세먼지는 지하철 외부 장치에 침착하여 잦은 고장 원인이 되기도 한다.
-¯	지하철 미세먼지 피해 저감의 필요성
+'''¯	지하철 미세먼지 피해 저감의 필요성'''
-지하철을 이용하는 시민들은 출입구를 통하여 지하 역사로 들어오게 되며, 대합실, 승강장을 거쳐 전동차에 탑승하는 과정을 거친다. 이후 전동차에서 내려 다시 승강장 대합실을 지나 외부로 빠져나가게 되며, 이러한 과정 속에서 대합실, 승강장, 전동차에서 미세먼지에 노출되게 된다.
+지하철을 이용하는 시민들은 출입구를 통하여 지하 역사로 들어오게 되며, 대합실, 승강장을 거쳐 전동차에 탑승하는 과정을 거친다. 이후 전동차에서 내려 다시 승강장 대합실을 지나 외부로 빠져나가게 되며, 이러한 과정 속에서 대합실, 승강장, 전동차에서 미세먼지에 노출되게 된다.서울연구원 도시정보센터 ‘대중교통 이용 수도권 시민,어떻게 출근하나(2014)’에 따르면 서울 지하철을 이용하는 출근자는 대합실에서 11분, 승강장에서 6분, 전동차에서 35분의 시간을 보내는 것으로 나타났다.따라서 이미 오랜 기간에 걸쳐 발생된 미세먼지를 제거함과 동시에, 발생을 억제 또는 발생하는 즉시 제거하는 공기 질 관리시스템 개발의 필요성이 더욱 부각되고 있다.
-서울연구원 도시정보센터 ‘대중교통 이용 수도권 시민,어떻게 출근하나(2014)’에 따르면 서울 지하철을 이용하는 출근자는 대합실에서 11분, 승강장에서 6분, 전동차에서 35분의 시간을 보내는 것으로 나타났다.
-따라서 이미 오랜 기간에 걸쳐 발생된 미세먼지를 제거함과 동시에, 발생을 억제 또는 발생하는 즉시 제거하는 공기 질 관리시스템 개발의 필요성이 더욱 부각되고 있다.
-¯	실내 대기질 관련 법령 현황 및 한계점
+'''¯	실내 대기질 관련 법령 현황 및 한계점'''
-환경부는 1996년 ‘지하생활공간 공기 질 관리법’을 제정한 후 2003년 ‘다중이용시설 등의 실내공기질관리법’으로 전문 개정하여 지하역사, 대합실 등의 지하 실내 공간에 대한 공기질을 완화하기 위해 미세먼지 외 4개 항목을 유지기준으로 설정하였다.
+환경부는 1996년 ‘지하생활공간 공기 질 관리법’을 제정한 후 2003년 ‘다중이용시설 등의 실내공기질관리법’으로 전문 개정하여 지하역사, 대합실 등의 지하 실내 공간에 대한 공기질을 완화하기 위해 미세먼지 외 4개 항목을 유지기준으로 설정하였다. 또한, 2018년 3월 미세먼지 관리의 중요 대책 중 하나로 ‘제3차 지하역사 공기 질 개선대책’을 발표하여 운영기관과의 MOU를 맺는 등 지하역사 미세먼지 농도를 줄이기 위해 노력을 기울이고 있으며, 2021년 12월에 ‘3차 미세먼지 계절관리제 시행계획’을 발표하여 지하역사 실내공기질을 집중 점검하고, 고농도가 예상되는 지하역사는 물청소와 공기청정기 가동을 확대할 예정이다.하지만 이러한 공기 질 개선 장치의 설치와 습식 청소의 확대는 상당한 인력과 별도의 운영 시간이 필요하다는 한계점이 존재한다. 또한, 현재 지하역사의 미세먼지(PM-10)와 초미세먼지(PM-2.5)의 실내 공기 질 유지기준은 연간 대기 질 환경기준에 비하여 약 2~3배가 높으므로 역사 내 미세먼지를 저감하기 위하여 다각적인 노력이 필요하다.
-또한, 2018년 3월 미세먼지 관리의 중요 대책 중 하나로 ‘제3차 지하역사 공기 질 개선대책’을 발표하여 운영기관과의 MOU를 맺는 등 지하역사 미세먼지 농도를 줄이기 위해 노력을 기울이고 있으며, 2021년 12월에 ‘3차 미세먼지 계절관리제 시행계획’을 발표하여 지하역사 실내공기질을 집중 점검하고, 고농도가 예상되는 지하역사는 물청소와 공기청정기 가동을 확대할 예정이다.
-하지만 이러한 공기 질 개선 장치의 설치와 습식 청소의 확대는 상당한 인력과 별도의 운영 시간이 필요하다는 한계점이 존재한다. 또한, 현재 지하역사의 미세먼지(PM-10)와 초미세먼지(PM-2.5)의 실내 공기 질 유지기준은 연간 대기 질 환경기준에 비하여 약 2~3배가 높으므로 역사 내 미세먼지를 저감하기 위하여 다각적인 노력이 필요하다.
+'''대기 및 지하역사의 미세먼지 기준'''
-대기 및 지하역사의 미세먼지 기준
 [[파일:2022표1.png]]
- 이에 따라 우리는 지하 역사 내 미세먼지를 줄이기 위해서는 미세먼지의 실질적인 발생 공간인 터널 내의 먼지를 줄이는 것이 우선이라고 생각하였다. 따라서 지하 터널 공간의 먼지 농도를 효과적으로 저감시킬 수 있는 실시간 제거 장치를 전동차에 부착하여 미세먼지 발생원과 가까운 위치에서 확산되기 전에 실시간으로 제거하며, 열차풍(에너지)을 활용한 에너지 절감형 무동력형 집진 장치를 설계하고자 한다.
+이에 따라 우리는 지하 역사 내 미세먼지를 줄이기 위해서는 미세먼지의 실질적인 발생 공간인 터널 내의 먼지를 줄이는 것이 우선이라고 생각하였다. 따라서 지하 터널 공간의 먼지 농도를 효과적으로 저감시킬 수 있는 실시간 제거 장치를 전동차에 부착하여 미세먼지 발생원과 가까운 위치에서 확산되기 전에 실시간으로 제거하며, 열차풍(에너지)을 활용한 에너지 절감형 무동력형 집진 장치를 설계하고자 한다.
 ====개발 과제의 목표 및 내용====
 ¯	본 설계는 지하철을 탑승하는 승객들이 이동 및 체류가 많은 서울 지하철 1호선을 대상으로 승객의 건강과 객차의 고장 빈도를 개선할 수 있도록 공기 질 개선 시스템과 집진장치를 설계하며, 이를 통해 미세먼지 저감 및 설비 운영비용을 절감하는 것을 최종 목표로 한다.
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 ¯	서울 교통공사가 직접 측정하고, 한국환경공단에서 제공하는 지하역사 초미세먼지 데이터는 다음과 같으며, 초미세먼지를 중심으로한 본 데이터를 활용하여 통계 분석을 하여 미세먼지의 농도를 효과적으로 활용할 수 있도록 한다.
-년 8월 ~ 2022년 01월 사이 지하역사별 월별 초미세먼지 평균 데이터
+'''2021년 8월 ~ 2022년 01월 사이 지하역사별 월별 초미세먼지 평균 데이터'''
 [[파일:2022표3.png]]
 ===관련 기술의 현황===
 ====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
-*전 세계적인 기술현황
+'''*전 세계적인 기술현황'''
 ¯	프랑스 기술 현황 - VAKTRAK®
 지하철도를 기반으로 설계된 건식집진차량으로 복합 압축공기 분사/진공흡입 시스템의 특허를 가진 설계를 기반으로 한다. 하부 궤도 부분의 흡진을 통하여 침하된 미세먼지를 흡입하거나 터널의 벽면에 흡착된 분진을 흡입한다. 흡착된 미세먼지는 압축공기가 블로어(blower)를 통해 분사하며 부유하고 이때 진공흡입하는 기술이 사용된다. Vaktrak 차량은 분진을 효과적으로 흡입할 수 있도록 노즐의 방향을 바꾸는 기술이 탑재되어 있다. 지하 역사, 터널, 양쪽 철길, 승강장 등에 존재하는 입자를 제거하며, 큰 폐기물은 물론 금속, 유기 성분의 미세 입자 제거에 효과적이다.
-VAKTRAK® 외관 및 집진장치의 구조
+'''VAKTRAK® 외관 및 집진장치의 구조'''
 [[파일:2022그림1.png]]
-¯	국내 기술 현황
+'''¯	국내 기술 현황'''
 국내의 지하 터널 청소는 건식 분진흡입차량, 고압살수차량, 전동차 부착형 집진장치로 구분되며, 하이브리드 부착형 집진 장치의 개발에 집중하고 있다. 국토교통부에서 발표한 전동차 부착형 미세먼지 제거 장치는 표 1과 같다. 우리나라의 경우에 양방향 집진기 개발 연구가 활발히 진행 중이며 높은 기술력을 보유하고 있다. 다만 부착형 양방향 집진기는 개발 진행 중이며 아직 상용화되지 않은 실정이다.
-*특허조사 및 특허 전략 분석
+'''*특허조사 및 특허 전략 분석'''
 [[파일:2022그림2.png]]
-*기술 로드맵
+'''*기술 로드맵'''
 [[파일:2022그림3.png]]
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 [[파일:2022그림8.png]]
-====설계 사양====
+====평가 내용====
-내용
+[[파일:2022그림9.png]]
+'''¯	목적계통도'''
+[[파일:2022그림10.png]]
+'''-             QFD'''
+[[파일:2022그림11.png]]
 ===개념설계안===
-내용
+'''집진장치 규격 및 구조'''
+- 집진장치는 크게 유입부, 몸통부, 하부로 구성되며 몸통부는 자기력 필터, 멀티 사이클론, 미세 필터로 구성되어 있으며 프로펠러가 위치한다. 하부엔 먼지 받이가 위치하며, 미세먼지가 축적되면 아두이노를 통해 축적량을 확인할 수 있다. 집진장치의 규격은 다음과 같고 구역별 상세 규격은 표로 나타내었다. 집진장치의 전반적인 외부는 투명 아크릴판으로 구현할 예정이다.
+[[파일:2022그림12.png]]
 ===이론적 계산 및 시뮬레이션===
-내용
+'''자기력 필터'''
+- 참고연구에 따르면 PM2.5의 경우 3000 가우스의 영구자석과 1 mm 메쉬를 사용할 경우 52 퍼센트의 제거율을 보였고, 동자석과 4 mm 메쉬를 사용할 경우 47 퍼센트의 제거율을 보였다.1) PM10은 3000 가우스와 1 mm 메쉬가 57 퍼센트를 제거하였으며 동자석과 4 mm 메쉬는 53 퍼센트를 집진하여 제거하였다. 아래 그림과 같이 유속을 1.5 m/s로 고정한 경우 최대 71.4% 집진효율을 보여 그 활용성이 대두되었다.
+[[파일:2022그림14.png]]
+- 하지만 해당 제품은 자화 메쉬를 사용하지 않는 제품이므로 이번 프로젝트에서 이 둘을 접목한다면 더 높은 효율을 도출할 것으로 판단하였다. 서울시 1호선의 표정속도가 약 7 m/s이다. 하부 풍속은 열차 속도의 20~30% 수준이므로, 고정 유속을 1.5 m/s로 가정한다면 자성먼지 포집에는 최적의 조건이다.2) 더하여 철 비산먼지 제거와 관련된 많은 실험과 근사한 유속이므로 포집 효율 비교에도 용이할 것으로 판단된다.
+,000 가우스 이상의 영구자석의 경우 자기장의 범위는 대략 5 cm 전후로 예상된다. 계획 중인 12,000 가우스의 영구자석과 4 mm 메쉬를 결합한 필터는 위 선행연구의 개발목표치인 500 가우스(자화된 메쉬의 자기장)를 웃돌게 함으로써 괄목할 만한 자성먼지 제거율을 보일 것으로 기대한다.
+'''사이클론 포집효율 계산'''
+- 설계한 사이클론의 입경별 효율 η_j와 전체 입경에 대한 효율 η_0은 각각 식1과 식2로 구할 수 있다. η_j를 구하기 위해 필요한 d_50은 절단입경으로 50%의 등급효율의 입자의 직경을 의미하며 식3으로 도출한다.
+[[파일:2022그림15.png]]
+- 위 식3에서 도입구 폭은(유입구) 축류식 사이클론의 특성상 별도의 유입구가 없으므로 최대한 보수적으로 10 mm를 가정하여 진행하였다. 또한 외부선회류의 회전수 식도 사용하지 못하므로 유효회전수(5~10) 중 10을 선정하였다. 종말침강속도를 스토크스 법칙을 사용하여 구하기 위해 이상적인 먼지입자를 가정하고, 직경 2.5 μm , 10 μm 을 대입하여 각각의 효율을 계산하려 하였으나, 초미세먼지의 경우 축적된 자료가 부족하여 미세먼지에 대한 우선적인 계산을 진행하였다. PM10의 밀도는 사계절 평균인 1.71 g/cm^3으로 설정하였다.12) 또한, Stokes의 법칙 공식을 통해, 미세먼지의 경우 종말침강속도는 0.313 cm/s 임을 구하였다.
+위에서 구한 값들을 식3에 대입하면 다음과 같다.
+[[파일:2022그림16.png]]
+- 설계하고자 하는 사이클론에서는 PM10의 경우 약 22 μm  크기의 미세먼지에서 최소 50퍼센트의 집진효율을 보일 것이다. 소형화가 이루어지는 경우 미세먼지에 대한 훨씬 더 높은 집진가능성을 보이는 최근 특허기술들과는 상이한 예측값을 나타낸다. 즉 이론식에 따르면 본 설계 사이클론에서는 미세먼지의 괄목할 만한 집진효율을 바라기 힘듦을 예상할 수 있다.
+[[파일:2022그림18.png]]
+- 자세한 기대 포집분율은 위 표를 참고하여 예측할 수도 있다.4) 본 실험은 역사 내가 아닌 실외에서 진행되어 기록된 데이터이므로, 이 중 ¯(d_pj )(보통중간값)과 봄일 때의 m_j(특정입경범위의 질량분율) 두 개만을 참고하여 식1을 통해 계산을 진행하였다. PM10의 경우 봄과 여름의 중간값을 선정하여 PM10 이하의 총 효율을 계산한다. PM2.5 이하의 초미세먼지의 경우 데이터가 없어 참고문헌(군포시 대기) d_(p,50)값인 4.4 μm 를 그대로 사용하였다.
+[[파일:2022그림19.png]]
+- 우선 입경별 예상분율을 알 수 있으며 전체 입경에 따른 기대포집효율도 49.49%로 낮은 수치를 얻어내었다. 하지만 η_j값은 고정된 d_(p,50)을 사용한, 경험식을 통해 구한 수치이며 질량분율 또한 지역적, 위치적 특성에 따라 상이한 부분이 있음을 고려해야 한다. 또한, 참고만 미세먼지와 초미세먼지 밀도의 경우 터널 내가 아닌 외부 대기를 측정하여 구한 값이라는 점에서 오차가 생길 수 있다. 결과적으로 철성분 비산먼지가 전단의 자기력 필터에서 효율적 제거되고 난 터널 내 공기의 경우, 일반적인 대기와는 대기분율의 차이보단 미세먼지와 초미세먼지의 농도차이만 있을 것으로 예상하므로 긍정적 결과인 포집량의 증대만을 기대한다.
+'''미세먼지 제거량과 먼지서랍 청소주기'''
+- 2012년에 측정된 바 있는 서울 지하철 5-8호션별 터널 내 미세먼지(PM10)농도 측정결과를 참고하였다.4) 평균 농도는 195.7 μg/m^3로 지하역사의 약 2.3배 수준으로 측정되고 있었다. 그런데 전동차 주변의 입자거동 시뮬레이션 실험결과, 열차하부의 입자농도는 측면과 상부보다 훨씬 높게 나타났다.
+또한, 열차 하부 중에서도 레일 근처에서 입자 농도가 높을 것으로 예측되었다. 세부 데이터에서는 하부 정중앙보다도 측면과 가까운 하부에서 유속과 미세먼지의 농도가 조금 더 높게 나타나는 것으로 해석된다. 위에서 제시된 PM10의 평균 농도와 열차 하부의 미세먼지 분포비율을 모두 사용하여 설계제품의 PM10 포집량을 계산한다. (미세먼지의 하부 평균 농도: 37.2 μg/m^3, 초미세먼지의 경우 171.6 μg/m^3, 2016년 5호선 측정)
+- 평균 농도에 대한 하부 평균 농도의 비율은 19.01%이며 이는 거의 20%의 미세먼지가 열차 운행 시 열차의 하단에서 생성 및 부유함을 알 수 있다. 미세먼지 대부분이 철로 하부에 존재할 것이라는 초기 가정과 다르게 부유먼지와 열차풍으로 인한 먼지의 유동은 목표 제거율을 크게 낮출 것이다. 실제 포집되는 미세먼지량을 계산하기 위해, 좌측의 실 도면을 토대로 일정길이(1 km)당 터널의 부피를 구하였다: 51,170 m^3
+그런데 위 실험의 전동차 가정유속은 70 km/h이므로 1호선의 표정속도인 25.2 km/h와 큰 차이를 보인다. 그러므로 포집되는 미세먼지의 양이 유속에 비례함을 고려하여 계산을 진행한다. 초미세먼지의 경우 표2에 따라 제거비율이 4.6%이며, 미세먼지는 45.6%이다. 결론적으로 각각의 일정길이당 예상 포집량은 아래와 같다. 최종적으로 1 km의 운행마다 약 0.46 g의 PM10 이하 크기의 미세먼지를 포집함을 알 수 있다. 이는 금속성 미세먼지의 포집만을 위해 설치 및 시연하였던 서울도시철도공사 마그네틱 집진장치의 경우 평균 집진 성능이 0.017 g/km인 것과 비교하면 매우 높은 수치로 볼 수 있다. 나아가 1호선 영업거리인 200.6 km에 곱하여 기점부터 종점까지의 1회 운행 시 포집먼지량을 계산하면 92.27 g이 나온다. 단, 5호선을 대상으로 한 시뮬레이션이므로 1호선의 실상황과 약간의 오차가 있을 것으로 예상된다. 또한 유속과 포집량이 정비례한다는 가정도 차이를 줄 것이다. 그러나 미세먼지 이상 크기의 조대먼지 등에 대한 포집은 제외된 경우이므로 제품 시연 시 더 많은 포집량을 기대한다.
+[[파일:2022그림20.png]]
+- 하루 10회 운행하는 청량리역의 경춘선을 기준으로 한다면, 하루 총 포집량은 922.7 g으로 추측할 수 있다. PM10의 평균밀도는 1.71 g/cm^3로 가정하였으므로 포집되는 먼지의 부피를 구하면 아래와 같다. 539.60 cm^3는 설계한 먼지서랍의 부피(5,376 cm^3)의 1/10으로, PM10 이상의 포집까지 고려하여 서랍 청소의 경우 운행이 끝난 후(1회/일)로 대체할 수 있을 것으로 보인다.
+.7 g ÷ 1.71 g/cm^3 ≈ 539.60 cm^3
+'''덕트 변경에 따른 유속 변화'''
+- 앞서 기술한 70 km/h를 가정한 터널 내 유동해석 결과에서도 전동차 하부의 유속은 측면에서 최대 13 m/s, 정중앙에서 6.5 m/s를 예상하였다.2) 이것이 사이클론을 포함한 집진장치의 설치가 하단 측면에 더 힘이 실리는 이유이다. 실제 측정결과에서도 측면과 중앙에서의 유속은 각각 9.5±1 m/s와 5.3±1 m/s로 더 낮았다. 평균 25.2 km/h 속도를 내는 1호선의 경우 훨씬 낮은 유속이 측정될 것이다. 또한 전동차 하부 공기유동 측정 결과에서 하부 풍속이 열차속도의 20~30% 수준이라는 데이터만 적용해 보아도 1.4 m/s~ 2.1 m/s라는 매우 낮은 풍속을 예상할 수 있다.
+가장 중요한 것은 앞서 구한 사이클론 집진장치의 미세먼지 예상 제거량 역시 일정한 유속(10 m/s)을 가정한 계산과정이라는 점이다. 이를 다음과 같은 덕트 변형을 통해 보완하고자 하였다.
+[[파일:2022그림21.png]]
+- 처음 덕트의 넓이를 A 사이클론으로 유입되는 입구의 넓이를 B라고 할 때, 각각의 유속을 Va, Vb라고 하면 각 면적에 유입되는 유량은 동일하므로  Q=Va*A = Vb*B 이다.  따라서, Vb = 3.04138Va 로 덕트 형태 변형 만으로도 3.04 배 정도 유속이 증가하게 된다.
+'''사이클론의 재질과 교체주기'''
+- 다수의 기업이 사용하는 사이클론의 재질은 SUS(스테인리스강)이며, 이는 일본 규격으로 우리나라(STS)와 명칭만 다를 뿐 재질에는 차이가 없다. 대표적인 재질로는 STS 304와 316이 있는데, 둘의 특징은 자성이 없다는 점이다. (단, 냉간가공 후 약간의 자성이 있다.) 이는 전단의 자기력 필터에서 미처 집진되지 못하고 넘어오는 철성분 비산먼지가 사이클론에 흡착될 가능성이 거의 없음을 의미한다. 뛰어난 내식성을 갖고 있어 녹 발생도 거의 없으며 충격에도 강하다.
+하지만, 사이클론 내부의 파손 및 변형을 사전에 방지하기 위해 적절한 시기에 교체하는 것이 좋을 것이라 판단된다.
+'''필터 교체주기'''
+- 교체주기는 그 예측방법이 특허로 다양하게 출원되는 만큼, 단순히 유량 등의 조건을 통해 간단히 구할 수 없다. 환경부에서 발간한 ‘배출시설 등 지도점검 업무편람’에 따르면, ‘지도점검 시 배출시설 점검 기준에 대기오염방지시설의 정상가동여부 확인 시에는 적산유량계, 전산전력계, 압력손실 등 주요한 사항을 현장에서 메모하여 운영일지 등과 비교한다’라고 명시되어 있다.1) 이는 특정한 기준을 잡기란 난해한 부분이 있으며 압력손실을 참고하면 백필터의 상태를 진단할 수 있음을 유추할 수 있다. 다음으로는 육안에 의한 검사 및 자가측정 등 실험결과에 따라 백필터의 상태를 판단하여 교체주기를 찾는 방법이다. 육안에 비추어 많은 양의 오염물질이 필터에 포집되어 있거나 측정 시 규제치 이상의 농도가 검출된다면 신속히 교체하고 기록하는 방법이 있다.
+다수의 기업에서 활용하는 일반적인 고성능필터의 교체 판단 기준은 필터의 차압이다. 차압이 교체기준압력의 이상으로 상승하게 되면, 공기저항으로 인하여 동력손실이 커지며, 핀홀 현상이 발생하여 더 이상 필터의 역할을 할 수 없기 때문이다. 본 프로젝트에서는 최대한 교체주기의 정성적 계산을 위해 환경부의 권고방법 중 전자를 택하였으며, 선정한 백필터의 차압 데이터와 교체주기 계산법을 조사하였다.8) 식1은 Bergman가 고안한 시간에 따른 고성능 필터의 차압을 예측하는 식이며, 식2는 연구자 Letourneau 등이 헤파필터급에 적용할 수 있도록 식1을 간단히 정리한 식이다. 한국원자력학회 연구실이 이 경험식을 채택하여 HEPA 필터의 사용주기를 판단하였다.
+[[파일:2022그림22.png]]
+- 선정하고자 한 MERV 필터는 9-12단계 제품이다. 또한, 해당 제품이 요구하는 최소 최종 압력손실은 250 Pa임을 알 수 있다. 유입유량은 송풍기부터 10 m/s 라는 유속의 유량이 0.03 m^2의 면적으로 일정하게 들어오므로 0.3 m^3 /s이다. 미세먼지 점성계수의 경우 사이클론에서의 일반값인 1.85⋅〖10〗^(-5) kg/m⋅s로 가정하였으나 1차적으로 미세먼지 등이 제거되는 변화를 거친 유량의 경우 점성을 예측하지 못하였다. 그러나 터널 내처럼 특정 구역이 아닌 일반적인 대기상황에서도 활용되는 광산란법이나 베타선 흡수법 등도, 환경 변화에 따라 정확성이 감소하는 한계가 존재하여 점성 가정값은 그대로 활용하기로 하였다.
+섬유의 두께는 30~36 𝜇m 중 30으로, 500x500의 헤파필터는 섬유 반경을 350 mm로 간단히 한다. 입자의 밀도의 경우 사이클론에서 최소 80퍼센트의 미세먼지를 제거한다고 가정하면 0.342 g/cm^3으로 예측 가능하다.10) V_f는 0.0855 m^3이며 모든 측정 및 예측값을 대입하여 식2를 다음과 같이 전개할 수 있으며 교체주기 d_f는 약 594일이 나온다.
+위 교체주기는 1년 7개월 정도이며 헤파필터의 최대 연장 교체주기인 2년은 충족하나 권장주기인 1년과는 큰 차이를 보여 가정 과정에서 오류가 있음을 추측할 수 있다. 혹은 터널 내라는 특정 상황과 전단의 자기력 필터와 사이클론의 영향도 오차에 대한 상당한 근거가 될 수 있다. 또한, 차용한 식2의 경우 원자력시설에서 사용되는 점으로 보아 설치되는 면적과 부피의 차이부터 상당할 것으로 예상된다. 마지막으로 MERV 필터의 경우 13 이상의 단계부터 HEPA 필터와 동일한 성능을 나타내는 것으로 알려져 있어 식의 선정에서부터 결과값에 차이가 나타날 수 있음을 감안해야 한다.
 ===상세설계 내용===
-내용
+'''부품 제원'''
+- 집진장치의 전체적인 부품 사이즈는 다음과 같다. 두께는 3T 기준이다.
+[[파일:2022그림23.png]]
+'''조립도'''
+[[파일:2022그림24.png]]
+'''조립순서'''
+ⅰ. 내부의 사이클론 16개를 (1)~ (4)까지 틀을 차례대로 끼운다. 이 때 (1), (3), (4)의 홈은 크기가 다르므로 주의한다
+ⅱ. 그 다음 (5)의 서랍형 먼지받이를 (1)과(4) 사이에 끼워 고정시킨다.
+ⅲ. 서랍까지 넣어 안정적인 구조가 된 이후에는 (6)과 같은 두 개의 자기력 필터를 양쪽으로 끼워 고정시킨다. (6)번의 자기력필터의 경우 (6)-1과 같이 메쉬필터-영구자석-메쉬필터 순서로 이루어지게 끼운다.
+ⅳ. (1)과 (8) 사이에 (7)의 백필터를 끼워 고정시킨다.
+'''완성된 모습'''
+[[파일:2022그림25.png]]
+'''부품도'''
+[[파일:2022그림26.png]]
+'''제어부 및 회로설계'''
+[[파일:2022그림27.png]]
+- 고농도의 실내 미세먼지가 예측될 시 아두이노를 통한 빨간색 LED 점등으로 경고를 줌과 동시에 이에 따른 모터 가동으로 유속 보정 과정을 구현한다. 또한 탈진 자동화를 구현하기 위해 아두이노 무게 감지 센서를 적용하여 일정 이상의 무게가 감지되었을 시 파란색 LED등을 점등시킨다.
+'''소프트웨어 설계'''
+[[파일:2022그림28.png]]
+'''자재 소요서'''
+[[파일:2022그림29.png]]
 ==결과 및 평가==
 ===완료 작품의 소개===
 ====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
-내용
+[[파일:2022그림30.png]]
 ====포스터====
-내용
+[[파일:2022그림31.png]]
 ===관련사업비 내역서===
-내용
+[[파일:2022그림32.png]]
 ===완료작품의 평가===
-내용
+[[파일:2022그림33.png]]
 ===향후계획===
-내용
+¯	본 설계에서 아두이노 센서를 탑재하여 미세먼지 농도를 실시간으로 예측하는 부착형 집진 장치를 설계하였다.
+¯	해당 집진장치는 교효율의 집진 성능을 보이는 것보다 전동차 운행시 발생하는 금속 미세먼지와 열차풍에 날리는 비산먼지를 지속적으로 제거하는 것을 목표로 하고 있다.
+기존에는 백필터를 포함하여 3단계의 집진 과정을 거칠 예정이었으나, 효율과 경제성 문제에 봉착하게 되었고 이에 따라 백필터를 제거하여 효율을 낮추는 대신 자기력 필터와 멀티 사이클론의 반복적인 사용을 통해 집진 효율(1회 50%)을 극대화하여 터널 내 미세먼지 농도를 감소시킬 예정이다. 서울교통공사의 2022년 3월 열차 운행 현황에 따르면 1호선의 평일 운행 횟수는 497회 이다. 따라서 궁극적으로 터널 내 미세먼지 축적을 방지하고 이를 통해서 지하 터널 내 근본적인 미세먼지 발생을 최소화함으로써 지하 역사 내 미세먼지 농도를 효과적으로 감소시켜 승객의 미세먼지 노출 피해 최소화에 기여할 수 있을 것으로 생각한다.
+¯	기존의 전동차 하단에 집진장치를 추가로 부착한다는 점에 있어서 안전성의 우려가 발생하였다. 이에 따라서 노후화 된 전동차를 집진장치가 부착된 전동차로 교체하여 이를 해결하고자 한다. 2020년 9월 기준으로 1호선 전동차의 44%가 20년 넘게 운행되고 있으며, 26년이 넘은 전동차도 64칸 존재한다. 2020년 4월에 1호선 신길역 부근에서 용산행 급행 전동차가 탈선한 사고가 대표적인 노후화 열차 사고 사례이다. 해당 차량은 1996년에 제작된 노후 차량이었으며, 열차가 노후화 됨에 따라서 이와 같은 사고 확률은 높아진다. 따라서 노후화된 전동차를 부착형 집진장치가 설치된 신형 전동차로 교체한다면 사고 위험을 감소시키고 시민의 안전을 위할 수 있을 것으로 예상한다.
 ===특허 출원 내용===
-내용
+[[파일:2022그림34.png]]