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** 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

건조기에서 습기를 처리하는 방식은 다양하게 발전해 왔습니다. 가장 일반적인 방식은 응축 방식으로, 공기를 냉각하여 수증기를 물로 변환시키고 이를 배출하는 방식입니다. 이 방법은 에너지 효율이 비교적 높고, 구조가 단순해 가정용 건조기에 널리 사용됩니다. 또 다른 방식으로는 배기 방식이 있으며, 습기 찬 공기를 외부로 직접 배출하는 방식입니다. 이 방식은 설계가 간단하고 저비용이지만, 환경적으로 열과 습기가 외부로 빠져나가는 단점이 있습니다.

최근에는 흡습제 방식과 열 펌프 방식도 각광받고 있습니다. 흡습제 방식은 흡습 물질을 사용해 공기 중 습기를 흡수하고, 이를 재생하는 방식으로 냉각 없이도 제습이 가능해 에너지 효율이 높습니다. 열 펌프 방식은 열을 회수해 다시 사용함으로써 에너지 소비를 크게 줄일 수 있으며, 특히 고성능 건조기에서 사용되고 있습니다. 이러한 최신 기술들은 효율성을 극대화하고 소형화되며 건조기의 제습 성능을 향상시키는 방향으로 발전하고 있습니다.

• 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

동일한 기능을 가지는 제품이 없어서 유사 제품군을 통해 비교하였다. 기존의 제품들은 소형 제습기, 대형 건조기, 전력을 사용하지 않는 제습제이지만, 우리가 만들고자 하는 제품은 미니 건조기의 열기가 빠지는 곳에 부착하여 배출되는 습기를 제거하며 방향 효과까지 할 수 있는 제품이다.

<스마트 룸드라이어 Thin>

Airberry의 스마트 룸드라이어 Thin은 소형 제습기이다. 작은 크기의 전자제품으로 제습이 필요한 집 안의 공간에 두며 펠티에 저온제습 기술을 사용하여 뜨거운 바람을 내보내지 않는다. 전력을 사용하는 전자 제품이고 가격이 개당 25만원으로 크게 저렴하지 않은 가격으로 판매 중이다.

<삼성전자 그랑데 DV17T8520BV>

삼성전자의 그랑데 건조기는 대형 의류 건조기이다. 대형 의류 건조기인 만큼 가장 좋은 의류 건조 기능을 가지고 있지만, 비싼 가격과 커다란 크기 등의 이유로 1인 가구는 구매하기 부담스러운 제품이다. 의류에서 제거된 습기는 물로 응축되어 배출된다.

한양화학 물 먹는 하마

한양화학의 물 먹는 하마 제품은 설치용 제습제로 염화칼슘을 이용한 제품이다. 일반적으로 2~3개월 정도 쓰면 교체해야하지만 전력을 사용하지 않고 저렴한 가격으로 많은 가정에서 사용하는 제품이다.

• 마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1. 효율적인 습기 제거

  - 제습 장치는 미니 건조기에서 발생하는 습기를 효과적으로 제거하여, 사용 공간의 습도를 낮출 수 있습니다. 이는 특히 원룸과 같은 작은 공간에서 더욱 중요한데, 높은 습도는 생활 환경을 불쾌하게 만들고, 곰팡이나 세균의 번식 환경을 조성할 수 있습니다. 따라서, 제습 장치를 통해 보다 쾌적한 실내 환경을 유지할 수 있게 됩니다.

2. 사용 편의성 향상

  - 제습 장치는 간단한 설치와 직관적인 조작 방식을 제공하여, 기술에 익숙하지 않은 사용자도 손쉽게 사용할 수 있도록 설계됩니다. 사용자는 복잡한 설정 없이 버튼 하나로 작동할 수 있으며, 자동 모드와 수동 모드를 선택할 수 있어 다양한 상황에 맞춰 효율적으로 사용할 수 있습니다. 이러한 편리함은 고객 만족도를 높이고, 재구매율을 증가시킬 수 있습니다.

3. 에너지 효율성

  - 제습 장치의 도입은 에너지 소비를 최소화하면서도 효과적인 건조 환경을 제공할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 기존의 대형 건조기보다 낮은 전력 소모로 같은 수준의 효율성을 달성할 수 있으며, 이는 사용자에게 장기적인 비용 절감 효과를 가져올 것입니다. 또한, 에너지 효율적인 디자인은 환경 보호에도 기여하여, 지속 가능한 소비를 촉진하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

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

내용

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. 제작 재료

3. 필터 종류

1. 1회용 필터 기반 습기 흡수 시스템

개념 설명: 건조기 내부에 1회용 습기 흡수 필터를 장착하여 배출되는 습기를 포집하고, 필터가 포화 상태에 도달하면 교체하여 사용하는 방식입니다. 이 필터는 습기 흡수 성능이 뛰어난 소재로 만들어져, 사용 후 손쉽게 교체할 수 있습니다.

장점: 재사용의 번거로움 없이 손쉽게 교체할 수 있어 위생적이며, 습기 제거가 확실합니다.

구조 설명: 건조기 내부 배출구에 필터를 장착하고, 필터는 탈부착이 용이하게 설계되어 습기 흡수 후 간단하게 교체 가능합니다.

2. 옷걸이형 스타일러 살균 및 주름개선

개념 설명: 미니 건조기에서 배출되는 습기를 활용하여 스타일러 기능을 수행하는 옷걸이형 제습 장치를 설계합니다. 이 장치는 진동 모터가 부착된 옷걸이 형태로, 옷을 매달아 놓으면 습기와 열을 활용해 주름을 펴고, 흡습 기능을 통해 의류의 탈취와 제습 기능도 제공합니다.

장점: 옷을 직접 매달아 스타일링하면서 습기 흡수와 탈취 기능을 동시에 제공하여 공간 활용성을 높입니다.

구조 설명: 옷걸이 중앙에 진동 모터와 습기 흡수 필터가 장착되어 있으며, 건조기에서 나오는 습기를 효율적으로 이용해 주름 제거와 의류 관리 기능을 수행합니다.

3. 통합형 제습 및 스타일러 시스템

개념 설명: 1번의 습기 흡수 시스템과 2번의 옷걸이형 스타일러 장치를 통합하여 하나의 제품으로 개발합니다. 이 통합 장치는 건조기 배출구에 장착되어 습기를 흡수하고, 흡수된 습기는 진동 옷걸이를 통해 의류 관리에 활용됩니다. 1회용 필터로 습기를 흡수하며, 진동을 통해 주름 제거와 탈취 기능을 동시에 제공하는 방식입니다.

장점: 별도의 장치가 필요 없이 건조기 배출구에 장착하는 것만으로 습기 제어와 의류 관리 기능을 함께 제공할 수 있습니다.

구조 설명: 배출구 근처에 습기 흡수 필터를 장착하고, 진동 옷걸이 시스템은 습기와 함께 작동하여 주름을 제거합니다. 사용된 필터는 쉽게 교체할 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.

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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