"황의조"의 두 판 사이의 차이

2018년 12월 16일 (일) 18:03 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 혼화지에서의 설계 개선을 통한 저에너지 고효율 시스템 추구

영문 : Pursuit of Energy Efficiency and Financial Burden by Improving the Design of the Mixing Tank

과제 팀명

황의조

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 홍**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

 정수장에서 혼화공정은 정수처리의 기본이 되는 중요한 공정중의 하나로 원수의 오염물질과 응집제럴 서로 혼합시켜 침전성이 양호한 플럭을 생성하는 것이 목적인 공정입니다. 이러한 혼화공정에서 중요한 것은 응집제의 빠른 확산으로 널리 사용되는 혼화방식으로는 10^-4 ~ 1초 내외의 짧은 순간에 강한 교반을 해주는 것입니다. 이러한 교반에 필요한 에너지를 절감하기 위해 착수정 낙차를 이용, In-line Blender 등  여러 혼화방법을 이용하여 무동력 급속혼화지를 설계함으로서 정수처리의 저에너지·고효율화에 기여할 것입니다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 개발 과제의 배경

환경부와 한국환경산업기술원은 상·하수도 분야의 기술혁신을 위해 환경기술개발사업에 2019년부터 2025년까지 7년간 총 1,882억원(국고 1,357억원, 민간 525억원)을 투자할 방침입니다. 두 기관은 환경기술개발사업 추진을 통해 기후변화, 산업활동, 생활환경 변화 등으로 발생하는 물관리 쟁점에 대해 체계적으로 대응함으로써 국민 물복지 증진에 기여하고자 하고 있습니다. 위 사업의 핵심적인 분야는 세 가지입니다. 첫째 상·하수도 분야에서 글로벌 수준의 기술경쟁력을 확보하여 신종 및 미량오염물질 최적관리 기술 개발을 통해 먹는물 안전성을 강화시킬 예정입니다. 둘째 상·하수도 지능형 관리 기술을 개발하여 상·하수도 운영 효율을 향상시킬 전망입니다. 마지막으로 에너지 소비량이 많은 폭기장치, 에너지 절감형 하수찌꺼기(슬러지) 처리 시스템 등 핵심 기자재의 저에너지·고효율 국산제품을 개발해 에너지 절감 및 온실가스를 감축하려는 목적입니다.
저희는 특히 저에너지·고효율 설비 개발부분에 집중했습니다. 두 기관은 설비 개발을 통해 핵심기자재를 모두 국산화 하고 에너지 소비량 또한 20% 절감할 목표입니다. 이에 현 수처리 프로세스 중 급속 혼화지의 혼화장치에 사용되는 동력을 저감할 수 있을 것으로 보입니다. 이를 통해 수질의 안정성은 유지시키되 에너지를 줄여 고효율화 급속 혼화지를 개발하기 위해 노력할 것입니다.

◇ 개발 과제의 효과

 현재 국내에서 보편화된 기계식 급속 혼화장치는 임펠러의 회전속도에 따라 응집제의 손실, 동력장치 사용 등으로 인한 에너지 소비 및 소음문제와 진동문제 등의 이유로서 유지관리 차원에서 문제가 있습니다. 또한 설계과정에서 발생할 수두 손실에 대한 계산을 정량화하기 또한 어렵기 때문에 합리적인 교반강도를 정하기 어렵다는 단점이 존재합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 저희는 무동력 급속 혼화조를 설계할 것입니다.
 응집제의 반응 동력학을 이용한 순간 혼화방식으로 혼화효과를 보장하는 것은 혼화·응집 공정의 육안 관찰이 어려운 문제와 혼화강도의 정량화 문제를 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 통해 이뤄질 수 있습니다. 무동력 급속혼화조를 성공적으로 설계한다면 급속 혼화에 쓰이는 에너지 및 유지보수비 절감 차원에서 기존 기계식 급속 혼화장치의 단점을 개선할 수 있을 것입니다. 즉 궁극적으로 급속혼화지의 기자재에 국산제품을 사용할 수 있고 에너지 소비량을 감축할 수 있을 것입니다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 개발 과제의 목표

 정수처리장은 국민에게 깨끗한 물을 공급해야하는 장소이니만큼 양호한 수질을 유지하는 것을 기본으로 할 것이고 동시에 저희는 무동력 급속 혼화지를 설계하여 정수처리장의 저에너지·고효율화에 기여하고자 합니다.

◇ 개발 과제의 내용

 기존 급속혼화지와 동일한 수질을 유지하면서 운영 가능한 무동력 급속혼화지를 설계한다.
 설계한 무동력 급속혼화지를 통해 감축된 에너지를 정량적으로 계산하여 과제를 평가한다.

관련 기술의 현황

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

◇ 수직축 임펠러를 이용한 기계식 혼화지

응집제의 순간혼화가 불가능해 30 ~ 40% 정도의 응집제를 과잉투입합니다. 임펠러의 회전속도에 따라 응집제의 손실과 동력 장치 사용으로 인한 진동 및 소음 문제, 전력소모 등의 유지관리 문제가 있고 또한 설계과정에서 발생할 손실 수두를 정량화할 수 있는 방법이 없어 정수장의 혼화효율을 정확하게 얻을 수 없는 단점이 있습니다. 안전한 수생산과 생산비용 측면에서 부족한 점이 있습니다.

◇ 무동력혼화지의 구조 1

응집제의 부분적 혼화로 인한 효율 저하를 방지하기 위해 플레이트와 프레임의 각 날개는 수평면을 기준으로 30°로하고 다수의 통공을 뚫어서 원수에 대한 저항을 최대화해 순간혼화를 가능하게 합니다. 유입구, 내부순환부, 배출구로 3부분이며 내부순환부는 총 3단으로 구성되었습니다. 1단에서는 통공 주변에서 와류가 형성되고 2단에서는 절곡부분을 부딪쳐 빠져나오면서 저항이 커져 와류가 형성되면서 유속이 증가하여 혼화가 잘 이루어집니다. 2단을 통과 한 원수는 1단과 동일한 형상으로 제작된 3단을 통과하여 최종 혼화수가 중앙에 모여 배출되는 형태이고, 내부 구조물 때문에 발생하는 압력손실을 최소화하기 위해 출구 면적을 입구면적 대비 130% 크게 하는 구조입니다.

◇ 무동력혼화지의 구조 2

두개의 입구와 하나의 출구를 통하여서 다른 입구를 통해 들어온 두 유체가 관 내부에서 혼합되어 출구로 나가는 모습입니다. 관 안에 오리피스 3개가 들어 있는 구조로, 첫 번째 오리피스와 세 번째 오리피스는 같은 구조이며 가운데 오리피스만 가운데 구멍이 뚫린 구조로 되어 있습니다. 오리피스의 구멍을 통과하면서 흐름이 형성되어 혼화가 잘 이루어지게 됩니다.

마케팅 전략 제시

◇ 정부의 개발목표에 포커스를 맞춘 설계인 만큼 정부기관에 적극적으로 접촉을 하고, 불발될 경우 하도급업체에 아이디어를 넘기는 식으로 마케팅을 할 수 있습니다.

◇ 기존 기계식혼화지 대비 응집제 저감 정도와 에너지 저감 정도를 중점으로 홍보합니다.
◇ 3C분석 : 고객, 자사, 경쟁사를 통해 분석, 즉 Customer(시장동향, 표적시장, 고객의 요구 등), Competition (상대적 경쟁력, 경쟁사, 강점과 약점), Company(자사의 현황, 자사의 강약점, 목표) 3가지로 분석하는 것 입니다.

Customer : ⦁현재 물 시장은 세계적으로 7,139억불(16년 기준)이며 연평균 3%정도의 성장세가 예상됩니다. ⦁한국의 경우 스마트 물관리 육성전략의 일환으로서 물 관련 부품에 대한 기술경쟁력 상승을 목표로 하고 있으며 정부 차원에서의 지원이 들어가고 있습니다. 실제로 우리 정부는 2018년부터 2024년까지 상수도 시스템 효율화 및 경쟁력 강화 차원에서 7년간 1,552억을 투자한다는 것을 알렸습니다. ⦁우리의 제품이 시장에 나왔을 때 주 고객은 기존의 혼화공정을 사용하고 있는 혹은 새롭게 상 하수 처리장을 운영하려는 사람으로서 국가 정책 및 기준에 따라서 맞는 수질의 물을 생산 및 방류하고 가격을 최소화 하는 것이 목표로 하고 있습니다.

Competition : ⦁경쟁 목표는 기존에 적용중인 혼화조 기술로 생각하고 있습니다. ⦁기존의 제품들은 방류수에 대하여 확실한 수질을 보장하게 해주는 장점이 있습니다. ⦁모터를 사용함으로서 소요되는 에너지 비용은 가격경쟁력 부분에 영향을 주며, 상하수도 요금 현실화율을 낮게 만드는 원인중 하나입니다.

Company : ⦁우리가 목표로 하고 있는 것은 기존 혼화지의 개선을 통해 저에너지 고효율을 보장하는 것을 목표로 하고 있습니다. ⦁기존 제품들의 도입을 보았을 때 자사가 가장 우선시하여야 하는 것은 혼화조에서의 확실한 교반을 통한 방류수의 안정적인 수질 공급이라고 볼 수 있습니다. ⦁고로 방류수 및 에너지 절감에 대한 정량적인 자료를 제시함이 분명하여야 하고 이것이 기존의 혼화조를 대체하는 데 드는 비용 및 기타사항을 고려하였을 때 충분한 가치가 있다는 것을 제시하여야 한다고 생각합니다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

가. 프로토타입 사진

◇ 프로토타입은 초기의 조립도와 달리 양 옆에 설치된 것을 제거하였습니다.
   (실험 조건을 만족하기 위해 부득이하게 제거)
◇ 물의 균등한 분배를 위해 위에서 수도 등의 방법을 이용하여 물을 균등하게 넣기 위한 노력을 했습니다.
◇ 완성된 프로토타입 사진은 다음과 같습니다.

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

파일:캡쳐1223.PNP

※개발과제 총평 : 현실적인 제한조건 때문에 정확한 실험과 측정을 할 수 없었지만 새로운 아이디어의 가능성을 확인할 수 있는 적절한 모의 실험을 고안했고, 유의미한 값을 얻었으므로 아이디어를 지속적으로 개발시킨다면 효과적인 결과물을 얻을 수 있을 것으로 사료된다.

향후계획

내용

 모의실험을 수행한 결과, 실험의 최우선 목표인 시료의 교반 정도에서는 실질적인 차이로 보여 교반에 도움이 될 수 있음을 확인했습니다. 다만 고려할 사항으로

◇ 줄이 엉키는 부분에 대해서는 해결방안을 강구할 필요가 있었다.
◇ 교반에 대하여 공학적인 계산을 위한 프로그램 설계 및 유체의 흐름을 파악하기 위한 기술 연구의 필요성이 존재한다.
◇ 최적의 Mixing Ball의 크기와 형태에 대한 연구가 필요하다.

위의 개선사항들을 수정한다면 아이디어는 충분히 시장에서 사용 가능할 것으로 사료됩니다.

특허 출원 내용

내용

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   ◇ 기존 기계식혼화지 대비 응집제 저감 정도와 에너지 저감 정도를 중점으로 홍보합니다.
   ◇ 3C분석 : 고객, 자사, 경쟁사를 통해 분석, 즉 Customer(시장동향, 표적시장, 고객의 요구 등), Competition (상대적 경쟁력, 경쟁사, 강점과 약점), Company(자사의 현황, 자사의 강약점, 목표) 3가지로 분석하는 것 입니다.
 Customer : ⦁현재 물 시장은 세계적으로 7,139억불(16년 기준)이며 연평균 3%정도의 성장세가 예상됩니다.
 ⦁한국의 경우 스마트 물관리 육성전략의 일환으로서 물 관련 부품에 대한 기술경쟁력 상승을 목표로 하고 있으며 정부 차원에서의 지원이 들어가고 있습니다. 실제로 우리 정부는 2018년부터 2024년까지 상수도 시스템 효율화 및 경쟁력 강화 차원에서 7년간 1,552억을 투자한다는 것을 알렸습니다.
 ⦁우리의 제품이 시장에 나왔을 때 주 고객은 기존의 혼화공정을 사용하고 있는 혹은 새롭게 상 하수 처리장을 운영하려는 사람으로서 국가 정책 및 기준에 따라서 맞는 수질의 물을 생산 및 방류하고 가격을 최소화 하는 것이 목표로 하고 있습니다.
 Competition : ⦁경쟁 목표는 기존에 적용중인 혼화조 기술로 생각하고 있습니다.
 ⦁기존의 제품들은 방류수에 대하여 확실한 수질을 보장하게 해주는 장점이 있습니다.
 ⦁모터를 사용함으로서 소요되는 에너지 비용은 가격경쟁력 부분에 영향을 주며, 상하수도 요금 현실화율을 낮게 만드는 원인중 하나입니다.
 Company : ⦁우리가 목표로 하고 있는 것은 기존 혼화지의 개선을 통해 저에너지 고효율을 보장하는 것을 목표로 하고 있습니다.
 ⦁기존 제품들의 도입을 보았을 때 자사가 가장 우선시하여야 하는 것은 혼화조에서의 확실한 교반을 통한 방류수의 안정적인 수질 공급이라고 볼 수 있습니다.