3조-프리즌브레이크

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 배기식 건조기용 제습 장치

영문 : Dehumidifier for ventilation type clothes Dryer

과제 팀명

프리즌브레이크

지도교수

나영승 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 2019XXX0** 주**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 2018XXX0** 김**

서울시립대학교 기계정보공학과 2018XXX0** 윤**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 개발 과제는 미니 건조기에서 배출되는 습기를 효율적으로 흡수하는 제습 장치를 설계하고, 잔여 습기를 활용해 의류의 주름을 펴는 스타일러 기능을 결합한 다기능 장치를 개발하는 것을 목표로 합니다. 이 장치는 좁은 공간에서도 효과적으로 사용 가능하도록 컴팩트한 디자인과 흡습·재활용 기능을 갖추며, 옷걸이 형태로 연결되어 의류 관리의 편리함을 제공합니다. 이를 통해 쾌적한 실내 환경 유지와 동시에 다목적 가전의 실용성을 극대화하는 것이 특징입니다.

개발 과제의 배경

1인 가구 증가로 원룸 등 좁은 공간에서 미니 건조기의 사용이 늘어나고 있지만, 배출 습기로 인한 실내 습도 상승과 그로 인한 불편함이 주요 문제로 대두되고 있습니다. 이를 해결하기 위해 배출 습기를 효율적으로 흡수하고, 잔여 습기를 활용해 의류 주름을 펴는 스타일러 기능을 통합한 제습 장치를 개발함으로써, 사용 공간의 쾌적함을 유지하고 의류 관리 편의성을 제공할 수 있습니다. 이러한 솔루션은 사용자 만족도를 높이고, 공간 활용성을 극대화하며, 환경 친화적인 설계를 통해 지속 가능성까지 고려한 혁신적인 제품을 제안합니다.

개발 과제의 목표 및 내용

본 개발 과제의 목표는 미니 건조기에서 배출되는 습기로 인한 실내 습도 상승 문제를 해결하고, 이를 활용한 추가 기능으로 소비자 편의성을 증대시키는 제습 장치를 개발하는 것입니다. 이를 위해 배출 습기를 효율적으로 흡수하는 시스템을 설계하고, 잔여 습기를 활용하여 의류 주름을 펴는 스타일러 기능을 통합합니다. 특히, 옷걸이 형태의 구조를 채택하여 실용성과 공간 활용성을 높이고, 사용자에게 쾌적한 환경과 편리한 의류 관리 솔루션을 제공하는 혁신적인 제품을 구현하는 것을 목표로 합니다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

가. 기술적 기대효과

본 개발 과제는 미니 건조기의 배출 습기를 흡수하여 실내 습도 상승 문제를 해결하고, 잔여 습기를 활용해 의류의 주름을 제거하는 스타일러 기능을 통합함으로써 의류 관리의 새로운 기준을 제시한다. 소형화된 설계를 통해 협소한 공간에서도 다기능 가전의 활용성을 극대화하며, 에너지 효율적이고 친환경적인 기술을 구현하여 자원 활용도를 높인다. 이러한 혁신적인 접근은 소비자 만족도를 향상시키고, 기존 제품과의 차별화를 통해 시장 경쟁력을 강화하며, 나아가 환경 보호에도 기여할 수 있는 기술적 기대 효과를 제공한다.

나. 경제적 및 사회적 파급효과

본 개발 과제는 새로운 시장 창출과 소형 가전 산업의 성장을 촉진하며, 글로벌 경쟁력을 강화하는 경제적 파급효과를 기대할 수 있다. 다기능 제품으로 소비자 비용을 절감하고, 국내외 수요 증가를 통해 수출 확대 및 고용 창출을 유도한다. 특히, 기술 혁신을 바탕으로 에너지 효율성과 재활용 가능성을 높여 지속 가능한 산업 구조를 형성할 수 있다.

사회적으로는 생활의 질 향상과 환경 보호에 기여할 수 있다. 의류 관리의 편리함과 위생 수준을 높여 소비자에게 건강하고 쾌적한 환경을 제공하며, 도시화와 1인 가구 증가로 변화하는 주거 환경에 적합한 솔루션을 제시한다. 또한, 친환경 기술을 통해 자원 절약과 지속 가능한 소비 문화를 확산시키며, 소비자 만족과 브랜드 신뢰를 기반으로 장기적인 사회적 가치를 실현할 것이다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

1. 경제적 비용 절감

  - 미니 건조기와 제습 장치를 함께 사용함으로써, 전기료와 유지비용을 절감할 수 있는 효과를 기대할 수 있습니다. 특히, 1인 가구가 늘어남에 따라 소규모 가전제품의 수요가 증가하고 있으며, 이와 함께 에너지 효율적인 제품에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 따라서, 제습 장치는 이러한 소비자들의 경제적 부담을 경감시켜 줄 수 있는 역할을 하게 됩니다.

2. 사회적 편의 증대

  - 1인 가구의 증가에 따라 생활 공간의 효율적 사용이 더욱 중요해지고 있습니다. 제습 장치를 통해 공간 활용도를 높이고, 생활의 질을 향상시키는 데 기여할 수 있습니다. 또한, 미니 건조기를 사용하는 소비자들에게 맞춤형 솔루션을 제공함으로써 그들의 생활 패턴에 적합한 제품을 공급할 수 있습니다. 이는 궁극적으로 소비자 만족도를 높이고, 브랜드 충성도를 증가시키는 결과로 이어질 것입니다.

3. 환경적 책임

  - 제습 장치를 통해 습기 문제를 해결함으로써 곰팡이 및 세균 번식을 예방할 수 있습니다. 이는 건강한 생활 환경을 조성하는 데 큰 역할을 할 뿐만 아니라, 소비자들의 환경에 대한 인식을 제고하는 데도 기여할 것입니다. 친환경적인 소비 패턴을 촉진함으로써, 지속 가능한 발전을 위한 사회적 책임을 다하는 기업 이미지도 구축할 수 있습니다. 이러한 노력은 소비자들에게 긍정적인 영향을 미치고, 브랜드의 신뢰도를 높이는 데 도움을 줄 것입니다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

추진체계

1. 기획 및 설계 단계

•	아이디어 발굴 및 기획: 김동민이 전체적인 프로젝트 아이디어를 기획하고, 초기 방향성을 설정합니다.
•	모델 및 열교환 설계: 김상래가 열교환기의 구체적인 설계와 모델링을 진행하며, 제품의 기술적 기반을 다집니다.
•	배관 설계: 주민정이 열교환기에 적합한 배관 시스템을 설계하여 전체 구조를 효율적으로 통합합니다.

2. 구현 단계

•	스타일러 기능 구현 및 기구 설계: 김상래는 스타일러 기능을 추가하며, 김동민은 전체적인 기구 설계를 통해 제품의 조립성과 사용자 편의성을 극대화합니다.

3. 제작 및 테스트 단계

•	시제품 제작 및 성능 테스트: 전원이 협력하여 시제품을 제작하며, 설계 단계에서 도출된 이론적 결과를 검증합니다.

4. 특허 및 보고서 작성 단계

•	특허 출원: 주민정이 프로젝트 산출물에 대해 특허 출원을 진행합니다.
•	최종 보고서 작성: 전원이 협력하여 프로젝트 결과를 정리하고 보고서를 작성하여 발표 준비를 완료합니다.

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

1. 거시적인 기능 분할

1. 습기 관리 기능: 습기 흡수 및 배출 조절

2. 의류 관리 기능: 주름 제거 및 탈취 제공

3. 편의성 기능: 필터 교체 및 관리의 용이성

4. 경제성 기능: 공간 효율성과 제작 비용 절감

2. 각 분할된 기능에 따른 사양 확정

3. 설계사양의 변수별 중요도 계수

개념설계안

1. 설계 개요

건조기 외부에 열교환기를 추가로 설치하여 냉수를 이용해 배기구에서 배출되는 습한 공기를 제습할 수 있다. 또한 이때 열교환기를 지나 배출되는 공기는 온도가 낮아진 상태이지만 상대습도는 100%이기 때문에 습기를 옷에 머금게 하기 적당할 것이다.

제습제를 통해 제습을 진행할 방식이다. 이때 온도가 낮아지지 않기 때문에 덥고 습한 공기가 옷을 통과해 주름진 옷을 다림질하는 효과를 극대화할 수 있다.

2. 배관 제작 재료

1번의 습기 흡수 시스템과 2번의 옷걸이형 스타일러 장치를 통합하여 하나의 제품으로 개발할 것입니다. 이 장치는 배기식 미니 건조기 배출구에 장착되어 고온 다습한 공기는 배관을 통해 이동하여 최종적으로 옷에 도달하게 됩니다. 습기 제거와 옷의 주름을 펴는 기능을 동시에 제공하게 됩니다. 별도의 장치가 필요 없이 건조기 배출구에 장착하는 것만으로 습기 제어와 의류 관리 기능을 함께 제공할 수 있습니다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

열 교환기 설계에서 건조기에서 나오는 유량을 계산하여 총 열전달에 필요한 면적을 구하는 것이 목표이다.

이를 구하기 위해 건조기에서 시간 당 배출하는 수분의 양을 실험을 통해 알아내었다. 한 시간에 0.5L의 수분이 모두 증발됨을 확인하였다. 또한, 건조기 배출구에서의 온도는 약 60도 정도로 알려져 있다. 60도에서 상대습도 100%인 공기는 130.5g/m^3의 수증기를 포함하며, 역산을 통해 체적 유량 계산할 수 있다.

위　공식을　통해　체적유량이 1.064L/s이므로　３시간에 11491.2L를　배출한다．　또한，　이상기체　상태　방정식을　통해　적절한　밀도를　예측할 수 있다.

PV=nRT

위　공식을　통해　구한　밀도로　계산한　공기의　질량　유량은　1.126g/s가　예상된다． 일반적인　600W　건조기에서　사용하는　블로어는　분당 50~100L 정도의　공기를　배출하므로　이는　타당한　예측이라고　볼　수　있다． 해당하는　질량　유량을　바탕으로　공기가　잃는　열량을　예측할　수　있다．　해당　유체의　열　교환기의　입구　온도를　６０도라고　생각하고，　１５도　낮아진　４５도의　출구　온도를　가진다면，　다음　공식을　통해　단위　시간당　열량을　구할　수　있다．

C_p m/t Δt=Q/t

여기서，　단위　시간당　열량은 16.97W, 대략　17W임을　알　수　있다． 알루미늄　튜브를　통해　해당　유체의　유로를　설계할　것이다．　시중에　판매하는　적절한　직경의　알루미늄　튜브인　내경 28mm,　외경이　30mm인　제품을　발견해　이를　사용할　것이다． 해당　튜브의　직경과　체적유량을　통해　유체의　속도를　계산할　수　있다．

Q/t = Av

위　공식을　통해　공기의　속도는 1.72m/s임을　알　수　있고，　해당　유속과　공기의　온도，　튜브의　직경으로　레이놀즈　수를　계산할　수　있다．

Re=ρVD/μ

위　공식을　통해　레이놀즈　수는　2440,　천이　과정임을　알　수　있다．　또한，　해당　유체의　대류　열전달　계수를　구하기　위해　다음　식을　사용할　수　있다．６０도의　공기는 1.06kg/m^3의　밀도, 20.92 * 10^(-6) m^2/s의　동　점성　계수를　가진다는　사실을　바탕으로

h=Nu*K/D

Nu=0.023*Re^0.8*〖Pr〗^0.4

Pr=C_p μ/k

따라서，　프란틀　수는　0.809，　누셀트　수는　10.83 임을　구할　수　있고，　이를　통해　구한　대류　열전달　계수는 10.06W/m^2임을　예상　가능하다．　해당　레이놀즈　수　범위의　실제　공기의　대류　열전달　계수는　5~25W/m^2 K임을　생각하면　충분히　타당한　값임을　확인할　수　있다． 위에서　계산한　공기의　대류　열전달　계수와　단위시간당　잃는　열량으로　튜브의　표면적을　구할　수　있다． Q/t = hALMTD

여기서，　케이스에　들어가는　물의　양을　계산하기　위해　케이스의　설계를　통해　부피를　계산하면，　가로　350mm，　세로　150mm，　높이　380mm의　직육면체로　설계해　총　19kg의　물이　들어갈　것으로　예상된다．　여기서，　물이　얻는　열량과　공기가　잃는　열량이　같다는　예상　하에　다음과　같은　식을　유도할　수　있다．

Q=C_물 m(T-15)=C_공기 m(60-45)

여기서　최종　온도는　21.9도，　약　22도　정도로　예상할　수　있고，　이를　기반으로　LMTD를　구하면 LMTD=(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)

즉，　32.78임을　알　수　있고，　따라서　열전달　표면적은 0.0516m^2, 튜브의　길이는　약 55cm 정도로 설계할　수　있다．

하지만，　계산된　열전달　계수와　유량　등의　불확실성，　응결된　수증기，　예상치　못한　성능　저하　등　여러　요인들이　실제　상황에서　발생할　수　있기　때문에　이를　고려하여　안전계수를　설정하듯　튜브의　길이를　대략　두　배인 1.2미터로　설정하여　여러 성능 저하 문제를 해결하고자　한다．

<Star-ccm+ 시뮬레이션 해석 결과>

수증기를 함유한 60 ℃ 공기가 1.72 m/s의 속도로 Inlet에 유입, 제품 케이스 안에 15 ℃의 물이 채워진다.

열전달의 결과, Outlet 공기의 온도는 약 45℃ 로 확인된다.

시뮬레이션은 정상 상태를 가정하여, 공기의 총 유량을 정지 기준으로 (건조기 약 3시간 가동 조건) 하여 수행하였다.

시뮬레이션의 방법은 “1. 정상 상태 가정”, “2. 비정상 상태로 해석 진행” 이렇게 두 가지 방법을 들 수 있다. 비정상 상태로 해석을 진행할 경우, 시간 항에 따른 해석을 수행할 수 있기에 본 제품의 시뮬레이션에 더 적합하나, 타임 스텝 사이즈 조정을 최대한으로 하더라도 해석 시간이 30일을 훌쩍 넘기게 되어 본 프로젝트와 적합하지 않다. 불가피하게 최대한 비슷한 조건으로 정상 상태로 가정하여 해석을 수행하였다.

해석 결과, 본 제품의 사양에 맞는 파이프의 길이 및 제품 케이스의 크기를 다음 장의 조립도에서와 같이 확립하였다.

해석 결과의 타당성은 Residual을 확인하여 검증하였다.

Residual 값이 1e-03 ~ 1e-06 이하로 떨어졌기에 본 시뮬레이션 결과는 타당함을 확인할 수 있다.

조립도

제품 측면도

제품 정면도

제품 평면도

조립 순서

Pipe 커넥터를 “미니 건조기 배기구”에 장착한다. (홈에 끼워 넣는 방식, 제품의 안정성을 위해 옆면에 본드로 고정하는 방법도 고려)

제품의 본체인 Case의 홈 및 Pipe에 마찬가지 방식으로 끼워 넣고, 본드로 고정한다. (선택 사항)

Styler 또한 Case의 Pipe에 끼워 넣고 본드로 고정한다.

부품도

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진

포스터

개발사업비 내역서

완료작품의 평가

공기의 경우 수증기를 포함할 수 있는 혼합물이다. 하지만 일반적으로 기계공학, 특히 열역학에서 건공기는 화합물로 간주할 수 있다. 하지만, 해당 프로젝트의 경우 공기를 화합물로 판단하는 것은 옳지 않다. 수증기를 포함하여 습도가 바뀌기 때문이다. 따라서, 위 2.3 이론적인 계산은 완벽히 받아들일 수 없다. 이를 구하기 쉽게 표로 만든 것이 습공기선도(psychrometric chart)이다. 해당 선도는 다음과 같다.

해당 습공기선도를 이용할 시 위 대류 열전달 계수를 구하는 방식보다 더 실제에 가깝게 결과를 도출할 수 있다. 공기가 열을 얻으면 엔탈피가 증가한다. 건공기에서는 온도의 변화라는 직관적인 변화를 확인할 수 있지만, 습공기의 경우 좀 더 복잡하다. 온도만 상승하거나, 습도만 상승하거나, 온도와 습도 모두가 상승하거나, 심지어는 온도는 하락하지만 습도는 상승하는 경우도 발생한다. 해당 프로젝트가 그런 경우이다. 30도, 40%의 습도를 가지는 외부 공기가 열을 받아 30도보다 낮은 28도, 80%의 다소 높아진 습도를 가진 공기가 되었다. 그 공기를 열 교환기를 통해 제습을 진행한 결과 22.5도, 95%의 상태를 가졌고 이를 선도에서 점을 찍고 이어보면 다음과 같다.

첫 번째 1~2 과정에서 공기의 온도는 낮아졌지만 엔탈피는 증가했음을 확인할 수 있다. 2~3 과정에서 엔탈피가 낮아지며 온도가 강하하며 상대습도는 증가하였지만 절대습도의 감소로 인해 제습이 되었다고 볼 수 있다. 비율은 공기 1kg당 2~3g의 수증기 정도이다. 실험을 통해 1.5~2L의 물을 머금은 수건이 건조과정 완료 후 0.4~0.5L의 액체 상태의 물을 열 교환기의 튜브에서 얻었다. 이는 위 선도의 외부 공기, 건조기를 지난 후의 공기, 열 교환기를 지난 후의 공기의 절대습도를 비교하면 20%정도로 비슷한 값을 얻을 수 있어 매우 타당한 값이라고 볼 수 있다.

해당 프로젝트의 시작은 온도와 습도에 따른 체적 유량의 가정으로부터 출발하였다. 그러나 일반적으로 온도에 따라 유량이 변한다는 가정은 건조기의 부품에서 소모 전력이 일정하게 설정되어 있기 때문에 타당하지 않을 가능성이 있다. 이러한 이유로 풍속계를 활용하여 유속을 측정하였으나, 풍속계는 건공기에서의 유속을 측정하는 데 초점이 맞춰져 있어 실제 상황과의 괴리가 존재했다. 따라서 프로젝트에서 가장 우선적으로 해결해야 할 과제는 유속 또는 유량을 설정하는 것이다. 유량을 측정하거나 가정하는 방법은 다양하기 때문에, 가장 적합하고 타당한 가정을 설정하는 것이 프로젝트 발전에 중요한 역할을 할 것이다.

계산 과정에서 1차원적인 선형 유로를 가정하고 표면적을 계산하여 유로를 설계하였으나, 실제 상황과는 동떨어진 결과를 보였다. 유로 표면에서는 속도가 0이며 냉수와 직접적으로 닿아 있는 부분과 전도를 통해 열전달을 하므로 온도가 매우 낮다. 이로 인해 표면에서의 큰 온도 차이로 인한 냉각 효과로 예상보다 많은 제습량이 발생하였다. 또한, 물이 파이프에 잔류하면서 여러 문제점이 나타났다. 예를 들어, 액체가 튜브 내부에 존재함으로써 유속 손실이 발생하고 제습 효율이 감소하였으며, 출구에서 기체 이동이 방해받는 문제가 발생하였다. 현재 프로젝트뿐만 아니라 수소와 산소가 만나 전기를 생산하며 물이 생성되는 연료 전지에서도 비슷한 상황으로 인한 문제가 발생한다. 그러므로 위 상황을 해결하기 위해 고민하는 것이 더 확장된 범위로 진행이 가능하다.

건조기의 최대 온도가 60도라는 사실은 특정한 상황에서만 가능한 온도이다. 예를 들어, 건조 후 배기된 공기가 외부 공기로 환기되지 않고 다시 건조기 내부로 순환되어 열 손실이 최소화되는 경우를 들 수 있다. 이러한 상황은 매우 좁은 공간에서 건조기를 작동시킬 때 발생할 가능성이 높다고 판단된다. 실제로 초기 실험에서 건조기를 작동했을 때, 배기 온도는 25도를 넘지 못하였다. 이는 현재 계절과 실내 온도(17도)를 감안하더라도 낮은 값으로 보인다. 이후 항온항습기를 이용해 30도, 40%의 습도를 가지는 상황의 실험에서 배기 온도는 30도에 근접한 값을 나타냈다. 상대 습도 또한 예상했던 100%에 미치지 못하였으므로, 이 또한 충분히 고려해야 한다.

이러한 데이터와 현상을 기반으로, 보다 정밀한 유량 가정 및 유로 설계를 통해 프로젝트의 성과를 개선할 수 있을 것이다.

향후계획

유로 내부의 물 처리 기술 해당 프로젝트의 실험 결과 유로의 내부에 물이 차 열 전달 효율과 수두 차이가 달라졌다. 따라서 온도가 낮아 원래 생각했던 주름 개선 효과 대신 물을 처리하는 기술을 도입한다면 프로젝트의 개선을 노릴 수 있을 것이다.

수온 유지 긴 시간동안 건조기의 작동을 통해 고온다습한 공기를 배기할 뿐만 아니라 전도를 통해 건조기 자체의 외부 온도 또한 상승했고, 이는 건조기의 바로 뒤에 위치한 열 교환기 내부의 수온의 상승에 영향을 주었다. 수온 상승으로 인한 제습량은 이론상으로 큰 변화는 없지만, 효율의 차이가 생길 수 있기 때문에 주의해야 할 사항이고, 이를 해결한다면 향상된 성능과 함께 성공적인 프로젝트의 마무리가 될 것이다.

사용자 편의 개선 현재 열교환기 내부의 냉수는 화장실에서 사람이 직접 물을 채우는 방식으로 진행하였다. 하지만, 열교환기의 용량이 크므로 시간이 오래 걸리고 운반 시 불편을 겪었다. 이를 해결하기 위해 다양한 방법을 시도해야 할 것이다. 예를 들어 냉수를 호스로 운반하거나, 둥글게 설계하여 운반을 간편하게 하는 등을 생각할 수 있다.