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2024년 12월 1일 (일) 06:23 판
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** 김**
서울시립대학교 기계정보공학과 2018XXX0** 윤**
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
본 과제는 1인 가구 증가에 따라 원룸 등 협소한 공간에서 많이 사용되는 미니 건조기에 장착할 제습 장치를 개발하는 것을 목표로 합니다. 미니 건조기는 대부분 배출되는 습기로 인해 사용 공간의 습도가 높아지는 문제를 일으키고 있습니다. 이를 해결하기 위해 건조기의 배출 습기를 흡수하는 장치를 개발하고자 합니다. 특히, 본 개발 장치는 배출 습기를 효율적으로 흡수할 뿐만 아니라, 추가적으로 흡수되지 못한 잔여 습기를 활용하여 스타일러와 유사한 기능을 제공합니다. 옷걸이 형태로 연결되는 구조에 진동 모터를 탑재하여, 옷의 주름을 펴고 탈취하는 역할을 수행할 수 있도록 설계될 예정입니다. 이를 통해 미니 건조기를 사용하는 소비자들에게 보다 쾌적한 환경과 편리한 의류 관리 솔루션을 제공할 것입니다.
개발 과제의 배경
내용
개발 과제의 목표 및 내용
내용
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
내용
- 특허조사 및 특허 전략 분석
[특허 조사]
[특허 전략 분석]
- 기술 로드맵
[제습 기술]
1. 1900년대 초에 개발된 기계식 냉각 제습기는 공기를 냉각시켜 수분을 응축하는 방식으로 작동했습니다. 이 기술은 공기의 온도를 이슬점 이하로 낮춰 수분을 제거하는 원리를 사용했으며, 초기 에어컨 시스템의 기초가 되었습니다.
2. 1930년대에 등장한 실리카겔을 이용한 흡착식 제습기는 화학적 흡착 원리를 활용했습니다. 실리카겔은 다공성 구조로 인해 수분을 효과적으로 흡수할 수 있어, 저습도 환경 조성에 유용했습니다. 이 기술은 특히 산업용 제습에서 중요한 역할을 했습니다.
3. 1960년대에 상용화된 압축식 제습기는 냉매를 사용하여 더욱 효율적인 제습을 가능하게 했습니다. 이 기술은 냉매의 압축과 팽창 과정을 통해 열을 이동시키고, 이를 통해 공기 중의 수분을 효과적으로 제거했습니다. 압축식 제습기는 높은 제습 효율과 넓은 적용 범위로 인해 널리 사용되었습니다.
4. 1980년대에 도입된 전자식 제습기는 펠티어 효과를 이용한 혁신적인 기술이었습니다. 이 기술은 전류를 흘려 한 쪽 면은 차갑게, 다른 쪽 면은 뜨겁게 만들어 제습을 수행했습니다. 전자식 제습기는 소형화가 가능하고 에너지 효율이 높아 가정용 제습기 시장에서 큰 인기를 얻었습니다.
[폐열 처리 기술]
1. 단순 열교환기 기술 (1950년대) 열교환기는 두 유체 사이에서 열을 전달하는 장치입니다. 초기 폐열 회수 시스템에서는 주로 shell-and-tube 또는 plate 타입의 열교환기가 사용되었습니다. 이 기술은 기본적이지만 효과적인 폐열 회수 방법을 제공했습니다.
2. 열펌프 기술 (1970년대) 열펌프는 저온의 열원에서 고온의 열원으로 열을 이동시키는 장치입니다. 이 기술은 압축-응축-팽창-증발의 사이클을 이용하여 폐열을 더 효율적으로 활용할 수 있게 했습니다. 열펌프는 냉매를 사용하여 열을 전달하며, 폐열을 이용해 난방이나 온수 생산에 활용할 수 있습니다.
3. 폐열 발전 시스템 (1990년대) 이 시스템은 폐열을 이용하여 전기를 생산하는 기술입니다. 주요 기술로는 유기 랭킨 사이클(ORC)이 있습니다. ORC는 저온 폐열을 이용하여 전기를 생산할 수 있어, 산업 분야에서 널리 사용되기 시작했습니다.
4. 고효율 열교환기 및 맞춤형 폐열 회수 기술 (2000년대 이후) 이 시기에는 더욱 발전된 형태의 열교환기가 개발되었습니다. 예를 들어, 마이크로채널 열교환기나 나노유체를 이용한 열교환기 등이 있습니다. 또한, 각 산업 분야의 특성에 맞는 맞춤형 폐열 회수 시스템이 개발되어 에너지 효율을 크게 향상시켰습니다.
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
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
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.
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
