공기청정기의 유로 최적 설계와 Geometry Form Factor 최적화를 위한 상관관계 연구 :Optimal Design of Air Purifier Flow system and Form Factor Correlation

나혜원

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자료유형: 학위논문

저자정보: 나혜원 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 이승배

발행연도: 2021

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

공기청정기의 유로 최적 설계와 Geometry Form Factor 최적화를 위한 상관관계 연구

나혜원 건설기계공학과 2021.01 학위논문

2020

공기청정기 최적설계변수 상관관계 연구

나혜원 , 이승배 대한기계학회 춘추학술대회 2020.12 학술대회자료

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최근 잦은 미세먼지 발생으로 인하여 호흡기뿐만 아니라 신체활동에도 영향을 미치고 있다. 미세먼지 노출이 인체에 미치는 위험성에 관한 연구가 진행되어왔으며, 그 중 옥외 작업자는 옥내 작업자보다 미세먼지 노출에 대한 위험이 크다는 연구 결과가 있다. 특히 건설업 옥외 작업장의 미세먼지 농도는 건설기계의 중장비 사용으로 인하여 대기 중 미세먼지 농도보다 2.45배가량 더 높다고 연구 되었다. 미세먼지는 실내 공기 및 실내 활동에도 영향을 미치기에 산업안전보건법에 따라 근로자의 건강장해를 예방하기 위해서는 필요한 기준 및 대책이 마련되어야 한다.
본 논문에서는 공기청정기의 최적 설계를 위한 프로세스를 개발하였다. 또한 공기청정기의 주요 성능을 만족시키기 위해 설계 변수간의 상관관계를 제안하였다. 본 연구는 상자크기, 필터 유형, 홴 직경과 회전수 그리고 유로와 같은 기하학적 매개 변수에 중점을 두었다. 예측 데이터를 측정된 데이터와 비교하여 상관관계의 신뢰성을 확인하였다. 상관관계 데이터를 기반으로 정압, 소음 수준 및 소비전력에 대한 민감도 분석을 수행하는데 상사성 법칙을 사용하였다. 홴의 성능 곡선과 필터의 저항 곡선이 만나는 작동점에 따라 KS규격을 통해 공기청정기의 청정화능력을 예측하였다. 공기청정기의 시제품은 최적화된 설계 변수들을 기반으로 제작 되었으며, 제안한 상관식의 신뢰성 검증을 위해 공인인증기관에서 공기청정기 시제품을 시험하였다. 그 결과 예측 및 시험 데이터는 ±5% 미만의 오차범위 내에서 일치함을 확인할 수 있었다. 이는 설계 프로세스가 국가 표준에 의한 청정화 능력, 소비전력, 소음측면에서 설계 목표를 달성할 수 있음을 확인하였다.
끝으로 건설 기계 장비를 운전하는 작업자가 건설현장에서 발생하는 미세먼지의 과도한 노출에 착안하여 건설기계의 운전룸 내 사용할 수 있는 공기청정기를 설계하고 성능 및 설계 변수를 도출하였다.

Recently, frequent exposures to the fine micro dust influence not only human’s respiratory system, but also the physical activities. There have been several kinds of research about the dangerous effect of exposure to fine micro dust on the human body, and they suggest that outdoor workers have more risk of exposure to fine micro dust than indoor workers. In particular, it was studied that the concentration of fine micro dust is 2.45 times higher in the outside construction area than that of atmosphere. Since the workers use heavy construction machinery, they are forced to experience more micro dust in their working places. Moreover, fine micro dust also affects the quality of life indoors. Hence, according to the Industrial Safety Guarantee Act, appropriate air atmosphere measures should be taken to prevent the workers from their health impairments.
This thesis developed the process for the optimal design of an air purifier. Additionally, the correlation equations among design variables are presented in order to satisfy the main performance of the air purifier. This research focuses on geometric parameters such as the box size, filter type, fan diameter, rotational speed, and flow type. The measured data are compared with the predicted data to confirm the reliability of the correlations. Based on the correlation data, the similarity law is used to perform the sensitivity analysis for power consumption, noise level and static pressure. Depending on the operating point, where the resistance curve of the filter and the performance curve of the fan meet, the micro dust removal rate for the air purifier system is predicted according to KS standards. The prototype of the air purifier is manufactured based on optimized design parameters, and the prototype is tested and certified by an accredited certificate authority to confirm the proposed correlation formulas. As a result, the predicted and tested ones show agreements within an error range less than ±5%, which confirm that the optimal design process could result in the design goals in terms of dust removing ability, power consumption, and noise ability by the national standards.
Finally, to prevent operators of construction machinery from excessive exposures to fine micro dust, the air purifier that can be installed in the cabin room of construction machinery is designed and its expected performances with design variables are given.

Ⅰ. 서론 1
1. 연구 배경 및 목적 1
2. 연구 방법 4
Ⅱ. 본론 6
1. 홴 이론 6
1.1 유체기계의 정의 6
1.2 유체기계의 상사성 7
1.3 홴 법칙 7
2. 필터 이론 8
2.1 필터의 집진 원리 8
3. 공기청정기의 설계 과정 10
3.1 공기청정기 최적 설계 알고리즘 10
4. 시험 장치 및 시험 방법 12
4.1 홴과 필터의 성능시험 12
4.1.1 필터의 차압 시험 결과 13
4.1.2 홴의 성능 시험 결과 13
4.2 공기청정기 시제품 제작 14
4.3 공기청정기의 소음 시험 15
4.3.1 공기청정기의 소음 시험 결과 15
4.4 공기청정기의 집진 시험 16
4.4.1 공기청정기의 집진 시험 결과 17
4.5 공기청정기의 유동가시화 시험 19
4.5.1 공기청정기의 유동가시화 시험 결과 19
5. 공기청정기의 성능과 설계변수의 상관관계 20
6. 건설기계용 공기청정기 설계 21
Ⅲ. 결론 23
참고문헌 49

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