제습은 상대습도를 줄이기 위해 공기 중의 습기를 제거하는 과정을 말한다. 이러한 제습과정에 대해 설명하기에 앞서 상대습도를 낮게 유지해야 하는 몇 가지 이유를 간략하게 살펴보고자 한다.
1)철 부품의 부식 방지
영국학자 버논은 상대습도와 부식과의 상관관계를 연구하여 다음의 차트 1과 같은 결과를 보여주고 있다. 이 표에 의하면 X축은 상대습도 Y축은 부식비율을 나타낸다. 부식은 상대습도가 40% 이하일 때는 일어나지 않으며 상대습도가 40%-55% 정도에서는 약간 일어난다. 그러나 그 이상으로 상대습도가 증가할 때는 부식이 빨리 진행됨을 알 수 있다. 이 차트는 Pore Corrosion이 생기는 철판에서도 똑같이 적용된다. 철 부품을 장기간 보존할 때 부식 방지를 위해 보관장소의 상대습도는 40%를 유지해야 하며 단기간 보존시에는 50%의 상대습도로도 충분하다.
2)물질의 수분함유량 감소
대부분의 물질은 특정 한도 내에서 흡수성을 발휘하여 일정량의 수분을 보유한다. 이때 그 양은 평형상태에 있는 대기 중의 상대습도와 온도에 따라 결정된다 그 예로 차트 2는 특정 온도에서 상대습도와 평형을 이루는 습기가 전혀 없는 물질의 무게를 백분율로 표현한 습기 함유량을 보여준다. 표의 곡선을 보면 대부분의 물질들은 같은 온도 상에서 공기 중의 상대습도가 높을수록 더 많은 잔여수분을 보유하는 경향이 있음을 알 수 있다. 이렇게 물질이 보유하는 높은 수분은 아래와 같은 역효과를 초래할 수 있다.
a)이는 녹이나 곰팡이를 생성시키는 박테리아의 활동을 조장하며 악취가 나기 쉽다. 이를 방지하기 위해 저장고의 상대습도를 항상 65%이하로 유지해야 한다.
b)습한 파우더는 뭉쳐 굳어지기 쉽다. 이는 파우더를 옮기거나 가공하는 것을 어렵게 한다. 그러므로 항상 50%나 그 이하로 상대습도를 유지해야 한다.
C)습기를 함유한 물질은 가공과정에서 습기를 증발시키면서 제품에 공기방울을 만드는 문제를 일으키는 경우가 있다. 이런 이유로 몇몇 물질들은 가공 전에 건조시켜야 한다.
이상과 같이 공기 중의 습기가 미칠 수 있는 영향으로 인해 습기함유량을 낮추어야 한다. 낮은 상대습도는 제품의 빠른 건조를 위해서도 또한 필요하다.
3)전기 및 전자 케이블의 절연제의 고장 방지
절연 전기 케이블을 사용하는 물질은 일반적으로 약간의 흡수성을 갖는다. 위에서 설명한 바와 같이 이들이 더 높은 상대습도를 포함하는 공기와 균형을 이룬다면 더 많은 습기를 보유하게 된다. 전기전도체인 습기는 절연체에서 전기의 저항을 줄인다. 그러므로 차트 3을 보면 상대습도 50%에서 나일론의 저항력은 상대습도 80%일 때 보다 약 100배 더 높다.
상대습도가 높을 때 저항력의 손실은 장비의 고장을 낼 수 있는 전기 방전의 결과를 낳는다. 이런 이유로 상대습도 50% 하에서 전기 전자 부품을 보관하는 것이 좋다.
공기 중의 상대습도는 평균 70%-95% 정도이다. 따라서 위에서 언급했던 여러 문제들을 해결하기 위해 상대습도를 조절해야만 한다. 여기서 고려할 점은 얼마나 적절한 예산으로 어떻게 환경을 조절할 것인가 이다.
그러므로 대부분의 경우 상대습도를 조절해 주는 것이 가장 중요함을 알 수 있다.몇 가지 방법으로 공기 중의 적정 상대습도를 유지할 수 있다.
건습계차트 No 4를 참고하여 문터스의 제습 원리를 살펴보자.
대기 중의 상대습도는 현재 대기 중에 포함되어 있는 수증기의 양과 그 온도에서의 포화 수증기의 양과의 비를 말한다. 포화 증기압은 온도가 상승함에 따라 증가하고 일정하게 습기를 포함하고 있는 건공기의 증기압은 일정하게 된다. 따라서 대기 안의 습기를 제거하지 않고 단지 가열하여 상대습도를 줄일 수 가 있다.
이는 물론 제습 과정이라기 보다는 오히려 필요한 상대습도를 얻기 위한 가열과정이라고 할 수 있다. 그러나 이는 가열된 공기 중의 상대습도와 그 공간의 상대습도 사이에 차이를 주기 위한 과정으로서 매우 중요하다. 냉각장치로 그 공간의 온도를 유지시키면 도관의 공기가 가열되어도 그곳의 상대습도에는 아무런 변화가 없으며, 단지 그곳의 전체 온도가 상승할 때만 영향을 받는다. 자본과 운영비가 있다면 고려해 볼만한 과정이다. 그러나 작업환경의 온도상승으로 불편이 따를 수 있고 또한 제품 자체의 보존온도에 한계가 있어 쉽사리 온도변화를 줄 수 없다는 단점이 있다.
상대습도를 줄이는 다른 방법으로 직접 공기 중의 습기를 제거하는 방법이 있다. 이는 우리가 채택한 방법으로 여기서 말하고자 하는 요지이다.
제습은 2가지 방법으로 가능하다. 차가운 표면의 공기 중에 포함되어 있는 습기를 응축시키는 방법과, 건습기를 이용하여 직접 흡수 혹은 흡착시키는 방법이 그것이다. 그러나 건조제는 흡수성이 뛰어난 화학약품을 이용한 것에 불과하다.
공기 중의 습기를 응축시키기 위해서는 반드시 이슬점이나 포화점 이하로 온도를 내려야 초과된 습기가 응축되어 제거된다. 그러므로 온도 20도에서 70%의 상대습도를 온도 6도로 내리고 상대습도를 95%로 하면 대기 중의 0.045g/kg의 습기가 제거된다. 이러한 공기는 결국 적절한 환경 조건을 위해 가열하여 습기를 제거하는 조절된 환경에 공급된다.
공기의 제습 필요성 때문에 공기는 보관소의 적정 온도보다 낮은 온도로 냉각되어야 한다. 이 경우에 그곳의 온도는 적정온도 보다 몇도 낮게 책정될 수 있고 그 공간의 습기 함유량이 일정하게 유지된다. 이런 이유로 상대습도가 필요이상으로 증가할 수 있다. 이러한 일의 발생을 미연에 방지하기 위해 공급된 공기는 마지막 공급되기 전에 상당한 열의 부족을 채우기 위해 다시 가열되야 한다. 응축하는 방법은 다소 고가이다. 공기를 초과 냉각한 후 다시 재가열하는데 많은 에너지가 소모되기 때문이다. 이런 상황은 더 낮은 상대습도를 원할수록 더욱 심화된다. 이는 심하게 냉각이 요구되고 재가열의 필요 또한 증가하는 결과를 초래하면서 상대습도가 감소하며 코일의 민감한 열 요소가 상당히 증가하기 때문이다. 이 경우에 자체적인 공기의 재가열은 상대습도의 변화를 초래하지 않음을 주지해야 한다. 이는 교묘한 방법으로 냉각코일 내에서 응축되는 것이다. 부차적인 재가열 에너지의 필요성을 제외하고 높은 상대습도의 적용을 위해서는 매우 효과적인 제습방법이라고 할 수 있다. 낮은 상대습도를 위해서는 그다지 효과적이라고는 할 수 없다.
제습과정의 다른 한계는 작동시 고유한 문제의 발생 없이 냉각코일에서 얻을 수 있는 이슬점이다. 특히 이슬점을 낮추기 위해 충분히 낮은 흡입압을 갖는 냉각장치를 만드는 기술적인 어려움과 0도 이하의 이슬점에서 작동하는 코일의 외부 결빙을 말하는 것으로 0도 이하의 이슬점을 위해서는 냉각코일을 피해야 할 것이다.
건조제 타입을 사용할 경우 공기 중의 습기는 흡수나 흡착에 의해 제거된다. 건조제는 습기와의 친화력이 높아 어떤 경우에라도 수분이 공기에서 건조제로 이동할 수 있다. 이는 건조제와 공기 중의 수증기압의 차이로 인한 것이다. 건조제의 수증기압이 공기 중의 수증기압 보다 낮은 곳에서 습기가 이동하는 데 이는 양측의 수증기압이 같아 더 이상의 제습이 이루어지지 않을 때까지 계속된다.
끊임 없이 재개되는 건조제 때문에 제습기에서의 평형상태는 있을 수 없다. 이는 건조제의 가열로 이루어지고 따라서 건조제의 수증기압은 이와 접촉하고 있는 공기보다 더 높아진다. 그로 인해 습기는 건조하게 된 건조제로부터 증발한다. 이렇게 건조된 건조제가 다시 냉각될 때 수증기압은 다시 건조된 공기 내의 수증기압과 관련하여 낮아지고 그 결과 제습이 다시 가능해진다.
건조제는 표준 honey comb type 제습기 Fig.1.에서 사용되고 honeycomb wheel로 형성되거나 주입되어진다. 이러한 rotor는 8에서 10rph의 속도로 두 구역을 회전한다.
The Process Air Sector라 불리는 더 큰 구역에서 제습 될 공기를 흡입하면 건조제가 습기를 흡수 혹은 흡착한다. Rotor가 회전하면서 Reactivation Sector로 건조제를 가져오고 대략125도-135도의 뜨거운 공기로 데워지고 이는 흡수, 흡착된 습기를 증발시킨다. 활성화 된 공기와 함께 습기는 밖으로 배출되는 것이다.
Reactivation Sector에서 배출되면서 건조제는 우선 process air에 의해 냉각되고 그것에 의하여 수증기압은 더 낮아진다. 그러면 습기는 다시 process air에서 분리되기 시작하고 이러한 순환과정이 반복되는 것이다.
이와 같은 제습방법에서는 process air가 상당히 가열된다. 처음에 process air stream에 들어가면서 roter에 의해 배출된 열과 그 다음 습기로부터 응축된 열은 흡수된다.
건조력은 건조제 내의 낮은 수증기압으로서 가열과 계속적인 냉각으로 별 어려움 없이 얻을 수 있다. 즉 이 방법에 의한 건조과정에는 거의 제한이 없다고 할 수 있다.
보관소는 꽤 자주 제습과 동시에 냉각이 필요하다. 이러한 상황 하에서 냉각코일의 온도와 건조제습기의 상대습도를 조절하는 이점이 있다. 이런 방법으로 어느 쪽이든 일부 load condition에서 순환할 수 있다. 실행 중에 때때로 냉각제습과 건조제습이 건조과정에서 결합되는 이점이 있다. 그렇게 함으로서 습기 함유량이 낮은 곳에 건조제의 효능과 습기 함유량이 높은 곳에서 냉각과정의 고효율을 결합한다. 또한 전자의 적절한 냉각이 후자에 의한 가열량을 돋보이게 할 것이다.
어느 시스템이 가장 알맞게 적용될 지를 결정하기 전에 그 장소나 시스템의 습기량을 계산해 볼 필요가 있다. 일반적으로 6가지 습기가 생성되는 근본적인 원인이 있다. 다음은 Fig.2- Fig4에서 나타나는 것이다.
1)계획된 통기 이는 통풍을 목적으로 투입된 외부 공기이다. 습기량에 영향을 끼치는 가장 중요 한 요인이 될 수 있다.
2)의도되지 않은 통기 벽의 틈이나 창문, 문 등을 통해 방으로 들어 온 공기이다. 경험에 따르면 시간 당 0.1-0.3 정도 변화할 수 있다.
3)수분의 증발 개수대 혹은 tray, 젖은 바닥에서 수분을 형성한다. 수분량은 물의 온도, 물의 흐 름 속도에 따른다.
4)체내의 수분량 인간은 신진대사를 위해 습기를 발산하고 그 양은 신진대사율에 따른다. 그러므 로 체내의 습기량은 작업의 종류와 장소의 온도 그리고 입고 있는 옷에 따라 달 라진다.
5)벽, 천정 바닥을 통한 발산 침투성이 있는 벽으로 나뉜 2개의 인접한 장소 사이에 수증기의 차이가 있는 한 수증기는 증기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동할 것이다. 이렇게 이동된 습기 의 양은 분리 물질의 삼투성에 의존한다.
6)습기차기 쉬운 물질로부터의 습기량 물질에 의해 발산된 습기를 알기 위해 습기차기 쉬운 물질에 관한 차트No2를 보면 다른 환경 조건에서의 물질은 건조하거나 다른 습기함유량과 균형을 이룬다 상대습도가 70%인 환경에 놓인 나무를 보면 습기 함유량이 약 13%로 건조할 것이다. 이와 똑같은 나무조각을 같은 온도 상의 상대습도가 50%인 곳에 놓는 다면 다시 습기함유량이 8%로 건조해질 때까지 수분을 발산할 것이다. 즉 나무 조각은 습기의 무게에 의해 5%정도의 습기를 외부로 방출시킨다. 그 양은 물질 이 보유하고 있는 상대습도의 양에 크게 의존하고 있음을 알 수 있다. 또 다른 면에서 본다면 습기의 양은 습기가 발산되어진 기간으로 이는 환경에 추가된 습 기의 비율로서 측정 가능할 것이다.
습기량을 측정함에 따라 적용할 시스템의 종류를 선별할 수 있다. 아래와 같이 3 가지 기본사양이 있다.
a)개방시스템 – Fig 5. 이 시스템은 외부공기가 아무런 재순환 없이 제습기 내에 들어오는 방식이다. 이 경우 제습기의 선별작업을 위해 들어온 공기의 조건이 외부 주위 조건과 동일해야 한다. b)폐쇄식 시스템 – Fig 6. 이 경우 공간 내의 공기는 제습기를 통과하며 순환한다. 즉 유입된 공기가 공간 안의 공기인 셈이다. c)반개방시스템 – Fig 7. 외부의 공기는 부품에 공기가 들어오기 전에 순환한 공기와 섞인다. 즉 공기가 들어 올 때의 조건이 섞인 공기의 조건과 동일하다.
이상의 세 시스템은 공기가 제습기를 통과하기 전에 미리 결정된 조건에서 공기를 미리 냉각할 수 있도록 제작되었다. 즉 제습기에 들어 온 공기의 조건은 프리쿨러의 오프코일 온도가 되는 것이다. 제습기를 선별하기 위해서는 먼저 제습기를 통과하는 공기의 양에 따라 제거되는 습기의 양과 관련된 구체적 용량을 파악해야 한다. 차트 No5를 참고하기 바란다. 차트의 가로축은 제습기에 유입된 공기의 습기 함유량으로 수직으로 이동하여
제습기에서 배출되는 공기의 습기 함유량은 수직축에 나타난다. 즉 제습기의 용량은 5.75g/kg이다. 시간당 제습기를 통과한 공기의 무게를 곱한 값이 시간당 제습기의 습기 제거량이다.
습기적재용량 이외에도 배출되는 공기의 습기함유량이 내부보다 낮아야 한다는 점도 역시 점검해야 할 사항이다. 그렇지않으면 내부의 습기를 제거 한다기 보다는 오히려 습기를 차게할 우려가 있다. 이런 상황은 낮은 공기의 흐름이 필요하지만 프리쿨링이 동반하는 경우가 있는 개방이나 반개방 시스템에서 발생하기 쉽다.
마지막으로 내부의 필요조건을 유지하도록 조절하는 방법과 종류를 선택하는 일이다.
가장 보편적이고 저가의 조절방법은 on-off humidistat에 의한 것이다. 이는 내부에 있으며 필요한 상대습도에 도달하면 전체 기계가 꺼진다. 이러한 변환 때문에 내부에 순환하는 공기를 유지하기 위해 때때로 히터와 재활성 공기의 순환이 필요하다. Rotor의 시간당 약 10rev 정도의 느린 속도 때문에 상대습도가 큰 폭으로 증가하면서도 습기량의 변화에 반응하는 시간이 느리다.
습기 변화에 대해 빠르게 반응하도록 하기 위해 변경 가능한 조절 시스템 Fig 8의 사용을 추천한다. 이 방법에 의하면 제습기의 용량은 이를 통과하는 조절된 공기의 흐름에 의한 양의 변화에 따라 다양하다. Humidistat은 내부에 놓여 변속팬 또는 측관의 댐퍼로 공기의 흐름을 조절한다. 1% 또는 그 이하의 허용오차가 있을 수 있다. 고정된 Reactivation Air의 흐름으로 습기량이 감소하면 습기를 증발시키는데 쓰이는 Reactivation energy 양이 적어지므로 제습기에서 배출되는 공기의 온도는 상승할 것이다. 그러므로 변화되는 재활성 온도를 감지하면서 가열량을 감소시키는 자동조절기의 사용이 가능하다. 즉 일부 load conditions에서 에너지 소비량을 줄이는데 효과적이다.
조절기에서 변화되는 상대습도는 모두 조절기, 감식장치의 반응시간과 이력현상, 강도에 크게 좌우됨을 인지해야 한다.