3조. 낙(樂)조
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 세정 집진 장치를 활용한 환기형 공기청정기 설계
영문 : Design of Ventilation Air Purifiers using Scrubbing Dust Collector
과제 팀명
낙(樂)조
지도교수
000 교수님
개발기간
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 환경공학부 20114300** 김**(팀장)
서울시립대학교 환경공학부 20114300** 김**
서울시립대학교 환경공학부 20114300** 김**
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
내용
개발 과제의 배경 및 효과
내용
개발 과제의 목표와 내용
내용
관련 기술의 현황
State of art
1) 활성탄 활성탄은 목재, 갈탄, 무연탄 및 야자껍질 등을 원료로 제조되는 미세 세공이 잘 발달된 무정형 탄소의 집합체로서, 활성화 과정에서 분자 크기 정도의 미세 세공이 잘 형성되어 큰 내부 표면적을 가지게 되는 흡착제이다.
2) 활성탄소섬유(Activated Carbon Filter, ACF) 섬유 형태로 제조되어 활성탄보다 흡착성능이 개선된 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber, ACF)는 종전의 활성탄을 흡착제로 사용할 때보다 흡착능력이 월등히 뛰어난 것으로 알려져 있다. 미세입자 하전 및 전기집진 방식의 기술은 또 다른 공해물질인 오존을 발생시키 는 문제점이 있다. 탄소섬유 공기정화장치는 탄소섬유를 사용하여 먼지입자를 하전시키는 기술로서, 입자 집진 효율을 높이면서도 오존 발생을 거의 하지 않는 친환경적인 입자하전 방식이어서, 공기정화장치로의 새로운 적용이 시도되고 있다.
3) 헤파필터(HEPA Filter) 0.3 µm 이상의 크기의 입자 중 99.97%를 제거할 수 있는 필터를 말한다.
4) NOx, SOx 제거 공정 가. 촉매를 이용한 처리 공정 나. 전기화학적 처리 공정 다. 자외선과 광촉매를 이용하는 처리 공정
5) VOCs 제거 공정
기술 로드맵
특허조사
특허전략
가) 실내에 존재하는 여러 가지 오염물질을 처리하는 공기청정기가 이미 있다. 나) 따라서 여러 오염물질을 처리한다는 것만으로는 특허권을 창출하기 어렵다(신규성, 진보성 결여). 다) 소형화와 필터의 차이점에 중점을 두어 장점(효과)을 어필하여 특허권을 설정등록 받는 것이 바람직하다. 라) 설계 특이상 디자인특허까지 같이 등록받는 것이 더욱 효과적인 보호를 도모할 수 있을 것이다.
관련 시장에 대한 분석
경쟁제품 조사 비교
내용
마케팅 전략
◇ 국내 미세먼지 농도가 여러 원인에 의해 점점 높아지고 있는 추세이다. 미세먼지 속에 다양한 나노입자가 포함되어 물질끼리 화학적으로 반응하여 다른 오염물질로 변이한다. 미세먼지 뿐만 아니라 NOx, SOx, VOCs, 라돈 등과 같은 오염물질 또한 처리할 수 있는 공기청정기가 빠른 시일 내에 필요하게 될 것이다.
◇ 공간을 차지하지 않는 공기청정기, 관리하기가 용이한 공기정화장치.
◇ 기존에 건설된 아파트와 같은 집합건물 부분에 시공하는 것은 현실적인 어려움이 따를 것으로 보인다. 따라서 새로 지어지는 집합건물이나 상업지구의 건물이 지어질 때 함께 공기정화장치를 시공하는 것이 바람직하며, 프리미엄 아파트, 사무공간 등임을 어필하고 1차적으로는 여러 건설업체를 2차적으로는 아파트 수요자, 사무실 수요자들을 겨냥함이 바람직하다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 선행기술로서 선구자적인 위치를 점할 수 있다.
◇ NOx, SOx, VOCs 등 여러 오염물질의 동시제거 가능.
경제적 및 사회적 파급효과
◇ 더 청정한 실내환경을 조성할 수 있다.
◇ 하나의 건물이 큰 미세먼지 타워로 작동할 수 있다.
◇ 원천기술개발을 통한 국제표준기술 달성으로 국가 경쟁력과 경제적인 성장을 도모할 수 있다.
구성원 및 추진체계
설계
설계사양
내용
개념설계안
1) 습식세정장치와 UV로 라돈, NOX, SOX, 포름알데히드, 일산화/이산화탄소, 각종 TVOC등, 기존 필터형 공기청정기로는 쉽게 처리하지 못하는 오염물질을 제거할 수 있다.
세정액을 분사해서 이때 생성된 액적, 액막, 기포 등으로 미립자를 분리 포집하는 세정집진 장치의 세정원리는 크게 4가지로 나뉜다. ①직접차단 분진입자의 크기에 따라 좌우되는데 분진입자가 기류를 따라서 액적 주위를 흘러갈 때 액적의표면과 분진입자 사이의 거리가 분진입자 직경의 절반 정도가 되면 직접 차단이 일어난다. ②관성충돌 분진입자가 액적과 직접적으로 충돌하는 경우를 말한다 먼지입경이 1㎛이상인 경우에는 관성충돌이 가장 지배적인 집진작용이다. ③확산작용 함진 가스중의 먼지입자 농도의 차이가 있는 경우에 입자는 고농도 영역에서 저농도 영역으로 확산 이동하여 입자농도를 균일화하려고 하는 성질이 있다. 입자가 브라운운동을 하는 정도가 아주 작은 경우에는 입자는 물방울표면에 부착하면서 분리된다. 0.1㎛이하의 미세먼지 입자 분리시에 주로 이 작용에 의해서 분리된다. ④응집작용 함진가스를 물로 세정하면 함진가스의 습도가 상승하므로 응집이 활발하게 이루어진다.
2) 기존의 공간 내부에 설치하는 기존 공기청정기와는 다르게 실외기와 실내기로 구분하여 공간을 창출고 환기를 이용해 더 효율적으로 오염물질을 제거
기존의 공기청정기는 청정능력이 좋을수록 크기가 커져서 공간을 많이 차지하였다. 또한 공기 청정의 효율의 문제로 청정이 필요한 곳으로 이동시키면서 사용하거나 방마다 따로 공기청정기를 설치해야 하는 문제가 있었다. 위와 같은 문제는 실외기와 실내기로 나누어진 공기청정시스템을 구축함으로서 해결할 수 있다. 실외기에서 들여온 공기를 따로 구성한 정화장치를 거쳐서 실내기로 보내는 시스템을 사용하고 정화장치를 보일러실이나 가벽의 내부같이 직접적으로 이용할 일이 없는 곳에 배치시키면 공간을 차지하는 문제를 개선 할 수 있다. 또한 건물 내부에서 발생한 다양한 오염물질을 무리하게 제거하는 것이 아닌 비교적 오염물질이 덜 다양한 외부의 공기를 정화시켜서 실내의 공기를 대체하는 방법은 기존의 방식보다 더욱 효율적으로 오염물질을 제거 할 수 있다.
3) 상수와 하수를 연결해 습식세정장치사용시 유출되는 폐수를 쉽고 간단하게 처리 습식세정장치의 가장 큰 문제점은 물의 지속적인 관리가 필요하다는 점이다. 이를 상수도와 직접 연결해서 급수하며 공기 정화 후 발생하는 하수를 하수도로 배출함으로서 해결한다.
4) 환기시스템과 IOT기술을 도입하여 적정한 습도와 쾌적한 공기질 구축 습식세정장치가 포함된 환기시스템은 가습의 기능도 할 수 있다. 실내 곳곳에 설치된 측정장치와 IOT기술로 연결해서 실내가 항상 최적의 상태로 유지 되게 할 수 있다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
1) 필요 풍량 산정
시간당 필요 환기 횟수를 기준으로 해서 구한 필요환기량
100㎡집을 기준으로 공용면적 25㎡은 제외하고 거실 20㎡, 부엌10㎡, 침실30㎡ 화장실 7㎡, 기타8㎡로 가정하여 계산하였다. 천장높이는 건축법상 아파트 천장 높이 기준에 맞추어 2.3m로 가정하였다. 침실의 시간당 필요 환기 횟수는 객실과 사무실 거실의 값을 고려해서 4회로 가정하였다. 각 공간에 상주하는 시간을 고려해서 보정을 진행해서 계산한 계산값은 다음과 같다
필요환기량 Q = (20*3*(4/24) + 10*10*(4/24) + 30*4*(9/24) + 7*10*(0.5/24))*2.3 = 168.1875㎥/h = 약 170CMH
기존 환기 시설의 풍량(150~300CMH)과 비교했을 때 실현 가능한 수준으로 보인다.
2) 팬의 크기산정
팬을 산정하기 위해서 덕트와 기타 파트에서의 마찰손실을 구해야할 필요가 있다. 계산된 필요환기량은 약 170CMH으로 나타났는데 이는 일반적인 가정용 에어컨의 실외기의 풍량인 30~60CMM (1800~3600CMH)를 크게 밑도는 수치로 일반적인 실외기 크기의 팬을 사용한다면 마찰손실을 감안해도 충분한 풍량이 나올것으로 예상된다.
3) 각 구성 부분
①세정부 습식세정장치로 제거하기 할 수 있는 오염물질은 미세먼지, NOx, SOx가 있는데 습식세정장치의 장방을 결정하는데 필요한 것은 기체의 체류시간이다. 미세먼지, SOx는 대략 1초 가량의 시간으로 충분한 제거가 가능하나 NOx를 제거하는데 있어서 4초 이상의 시간이 필요하다. NO의 NO2로 변환되는 시간에 있어서 여유율을 고려하면 대략 8초의 체류시간이 필요하다.
직사각 장방형의 공기청정기기를 생각했을 때 단면적은 1m^2 로 놓고 계산하면
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1.4m 의 세정부가 필요하다.
②필터부
필요한 필터는 HEPA, 광촉매, 활성탄 필터이다. 풍량을 고려한 자체로 제작한 필터의 크기는 단면적에 맞게 1m^2의 크기를 가진다. 두께는 HEPA 0.1M, 광촉매 0.2M, 활성탄 0.1M 이다. 따라서 필터부의 장방은 0.4M 이다.
조립도
조립도
내용
조립순서
내용
부품도
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제어부 및 회로설계
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소프트웨어 설계
내용
자재소요서
내용
결과 및 평가
완료작품 소개
프로토타입 사진
내용
포스터
내용
특허출원번호 통지서
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개발사업비 내역서
내용
완료 작품의 평가
내용
향후평가
내용
부록
참고문헌 및 참고사이트
내용
관련특허
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소프트웨어 프로그램 소스
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