가습 (Humidification) |
습도 제어를 위한 증기 (Steam)의 사용 |
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서중현 |
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가습(humidification)에 대한 이해를 위해서는, 습도(humidity)와 그외의 일반적으로 사용되는 용어들에 대한 이해가 필요하다. |
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공기의 습도, 혹은 건조도(dryness)는 "습구온도(wet bvld temperature)"와 "건구(dry bulb)온도"를 비교하여 용이하게 측정할 수 있다. 그림1은 이러한 측정에 사용되는 건습구 온도계로 왼편의 온도계는 일반적인 표준 액주 온도계로 건구 온도를 나타내며, 오른편의 온도계는 유사한 온도계의 구(bulb) 부분을 모스린 천으로 된 젖은 술라이브(sleeve)로 덮어두고 이 술라이브를 물이 들어있는 수조에 담가서 항상 젖은 상태가 유지되도록 한다. 이 때 모슬린 천의 물이 증발하면서 온도계의 구로부터 열을 빼앗으므로, 온도계는 낮은 온도를 나타내게 되며, 그 온도가 낮아지는 정도는 주변 공기의 상태에 의존한다. 공기의 습도가 높은 경우에는 온도계의 구로부터의 물의 증발량이 많아지므로, 습구 온도계의 온도는 많이 낮아지게 된다. |
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상대습도(%) |
표1 |
다양한 실내 온도 및 건습구 온도차에 대하여 |
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상대습도(%) |
표1 |
다양한 실내 온도 및 건습구 온도차에 대하여 |
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표1을 사용하는 대신 습공기 선도를 이용하여 상대습도를 구할 수 있다. 이 도표는 상대습도 뿐만 아니라 다양한 조건하에서의 공기 중에 포함된 습기의 실제 중량, 공기의 총열량 및 주어진 중량의 공기의 체적까지도 나타낼 수 있다. |
표2 유효온도, 습구온도, 건구온도 및 상대습도간의 관계에 대한도표 |
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여기에서 이제까지 사용된 용어들과 가습에 대한 검토시 나타나는 기타 다른 몇 가지 용어들을 요약한다. |
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전 절에서 취급하지 않은 용어중의 하나는 본 연구의 제목인 "가습(humidification)"이다. 가습은 공기중의 수분량을 바람직한 조건이 되도록 조절하는 것으로 항상은 아니지만 보통 습기량의 조절은 "가습기(humidifier)"를 사용하여 습기를 보충하는 과정을 포함하고 있다. |
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가정, 사무실 및 공장등에서의 쾌적함(comfort)은 찬 공기를 만족할 만한 온도까지 높이는 것을 의미하는 경우가 많다. 그런데, 습공기 선도에 의하면 0℃의 포화 공기를 20%까지 가열하면 상대 습도가 24%로 낮아진다. |
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또 하나의 쾌적성에 관련된 점은 정전기에 관한 것이다. 인조섬유로 제조된 양탄자 위를 사람들이 걸어다니면 양탄자에서 정전기가 발생하는데 양탄자는 보통 밑면이 고무로 되어 있어서 효과적으로 절연되어 있으므로, 정전기에 의해 "대전된(charged)"사람이 문의 손잡이 등을 통해서 접지(earth)될 때 방전이 일어나서 심한 불쾌감을 느끼게 된다. 이러한 문제는 특히 사람들의 이동이 많은 사무실이나 호텔 등에서 심하다. |
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공장에서 사용되는 물질 중 많은 물질들이 흡습성을 가지고 있다. 이 말은 그 물질들이 주위공기와 평형 상태가 될 때까지 주변공기에서 습기를 흡수하게 된다는 것을 의미하는 데 대표적인 물질로는 섬유, 종이, 목재 및 가죽 등이 있다. 주위 공기의 습도가 변화하면 이들 물질들은 "팽창"하거나 "수축"하게 되는데 이러한 수축은 특히 직물이나 종이의 경우 인쇄 공정에 있어서 바람직하지 못하다. 따라서 이러한 문제의 방지를 위해서는 공정중의 습도를 일정하게 유지하는 것이 필수적이다. 실제 습도는 재료와 공정에 따라 다른데 종이는 상대 습도 35~45%인 상태로 저장하는 것이 가장 좋으며, 면방직의 공정은 70~80%정도의 상태에서 보통 이루어진다. |
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공장의 생산물 뿐만 아니라, 건축 재료 및 가구 재료도 역시 흡습성이 있다. 따라서, 적절한 가습을 하지 않고 가열하는 경우 발생하는 고온 건조한 공기는 이러한 재료가 이 건조한 공기와 평형 상태가 될 때까지 마르게 되므로 회벽의 균열이나 목조부의 뒤틀림을 가져오게 된다. 이러한 현상은 가습을 적절히 수행하여 상대 습도를 40%정도 이상으로 유지하여 최소화시킬 수 있다. |
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자연 상태에서의 공기는 물의 증발에 의해서만 습기를 흡수하게 된다. 고온건조한 공기 속에 물을 담은 용기를 놓아 둘 경우, 용기 바로 근처의 습도가 증가하지만 그 과정의 속도는 매우 느리다. 또한, 증발은 물 표면에서만 일어나며, 공급되는 잠열을 공기 자체에서 공급하여야 한다. |
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습도를 증가시키기 위해 공기에 증기를 공급하는 가습 방법에는 여러 가지 종류가 있으며, 가정에서 만들 수 있는 간단한 수증기 발생기로부터 복잡한 자기 발생형(self-generating) 유니트에 이르기까지 다양하다. |
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가장 간단한 형태의 증기 가습기로 그림3에 그 개략도를 나타냈다. 팬 또는 물 저장 용기의 물을 물 속에 잠겨 있는 전열기(electric heater)나, 증기 혹은 고온수 코일에 의하여 가열하여 대기압 상태에서 수증기를 발생시키는 방법으로 팬의 표면 위로 공기를 통과시켜 이 공기 흐름에 증기가 흡수되도록 한다. |
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팬형 가습기의 발전된 형태로 역시 대기압 상태에서 수증기를 발생시킨다는 점에서 동일하나, 밀폐된 외부의 보일러에서 수증기를 발생시킨다는 점에서 차이가 있다. 이 유니트는 특히 증기의 공급이 불가능한 부하가 작은 경우에 유리하다. 덕트 내의 증기 분포는 팬형에 비하여 향상되지만, "수분 응축"의 위험을 줄이기 위해서는 역시 하류 방향으로 2m정도의 곧은 덕트를 사용하는 것이 바람직하다. |
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이 종류의 가습기는 가압 상태에서 증기를 발생시킨다는 점이 앞서의 두 종류의 가습기와 다르며, 일번적으로는 중앙 보일러 플랜트에서 발생시킨 증기를 이용한다. 그림5는 이 가습기의 전형적인 형태를 나타낸 것으로 증기를 공급하고 물의 캐리오바 문제를 방지할 수 있도록 설계된 것이다. 이 장치에서 증기는 제어 밸브를 통과하여 가운데 있는 공급관으로 들어가서 관 하부의 구멍을 통하여 직경이 큰 외부의 분산용 관내로 팽창되며, 이 관에 응축된 물은 입구부에 설치된 배수구(drain)를 통하여 배수하고, 분산용 관 내에서 팽창된 저압의 수증기는 관 상부의 구멍들을 통하여 공기를 가습시키게 된다. |
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앞서 설명한 분사형 가습기를 개량한 종류로, 중요한 차이점은 공기 흐름속으로 증기를 적당한 압력을 가하여 분사한다는 점이다. 이 방식은 물이 분사관에서 넘치는 일이 없고, 항상 건증기를 공급할 수 있으며 그림6A에 중요 부분의 개략도가 나타나 있다. |
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증기분사형 가습기는 특히 중앙 증기 발생장치로부터 증기를 공급할 수 있는 경우 이점이 많다. 하지만 적절한 제어와 설비는 필수적인 것으로 이러한 측면에 대하여 설명하기로 한다. |
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증기분사형 가습기의 경우에는 분사되는 증기에 의해 난류가 발생하여 공기로의 증기 흡수가 빠르지만, 단면적이 큰 덕트를 사용하는 경우 충분한 혼합이 이루어지지 않을 수도 있다. 예를 들면, 덕트의 중앙부에서 (전체 공기 유량의 1/3이 통과한다고 하면) 전체 증기량을 모두 공급하면 그 부분의 공기는 쉽게 포화 상태가 되어 "수분응축"이 발생할 수 있으며, 이러한 현상은 곡관부(bend)가 있는 경우에는 더욱 현저하다. 한편, 중앙부를 제외한 외부의 흐름에는 필요한 만큼의 충분한 가습이 이루어지지 않게 된다. |
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대부분의 증기분사 가습기는 효율적인 기수분리기를 사용하고 있기는 하지만 증기 공급관은 증기가 적절한 건도를 가질 수 있게 하고 응축수가 분리기로부터 넘치는 일이 없도록 적절한 설치가 필요하다. 배관의 구경은 증기가 통과하는 동안과 분사관에서의 방열손실(radiation loss)을 보충할 수 있는 여유를 감안하여, 가습기에서 설계된 증기량이 공급될 수 있도록 선정하여야 한다. 일반적으로, 1개의 분사관을 사용하는 경우 10%, 다중 분사관을 설치하는 경우에는 15%의 여유를 둔다. |
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가습기의 기수 분리기는 응축수를 신속히 제거하는 경우에만 정확히 기능을 발휘하게 된다. 따라서 후르트 형의 스팀 트랩을 사용하게 된다. 그런데, 이 장치는 증기의 압력이 그다지 높지 않으므로 스팀 트랩 출구 측 배압 (back pressure)에 의한 영향을 받을 수 있으므로, 스팀 트랩 이후의 배관이 상승하는 일이 없도록 하여야 하며 트랩의 출구로부터 응축수가 아래쪽으로 하강할 수 있도록 한다. 기존의 회수관 내에 응축수가 유입되는 경우에는 적절한 지점에서 압력을 측정하여 지나친 배압이 발생하지 않도록 하여야 한다. 마지막으로, 스팀 트랩의 후방에 사이드 그라스를 설치할 것을 강력히 추천하는데, 사이트 그라스를 설치하면 스팀 트랩의 작동의 이상 유무를 감시할 수 있어서 유지 및 보수에 필요한 시간을 크게 절약할 수 있는 이점이 있다. |
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증기 분사형 가습기에는 "자동습도조절기"의 장치가 필수적이라고 할 수 있다. 자동습도 조절기는 공기 조절을 필요로 하는 대상 공간내에 또는 덕트 내에 설치되며 설치 장소에 있어서의 습도 조건의 변화를 감지하여 제어 밸브의 위치를 변화시키는 작동 장치에 제어 신호를 보내는 장치이다. |
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이러한 기본적인 제어 외에도 필요할 경우에는 기타의 제어 장치도 설치할 수 있다. 습도 조절이 필요한 실내 공간에 설치되어 있는 제어기에 고장이 발생할 경우 덕트내에서 공기가 포화 상태가 되는 것을 방지하기 위한 상한 자동습도기를 장치하는 경우가 있다. 이러한 상태와 유사한 포화상태의 발생은 공기 공급이 고장등의 원인에 의하여 중단되는 경우데도 발생할 수 있는데 이와 같은 경우에는 제어기는 공기의 흐름을 감지할 수 없는 반면 가습기는 계속해서 증기를 방출하게 되는데 이러한 경우는 간단한 공기 유량 스위치를 설치하여 방지할 수 있다. 이 스위치는 회전익(vane)으로 구성되어 있어서 공기의 흐름이 있는 경우 회전익이 회전하면서 스위치가 켜져서 작동 장치는 작동을 하게 되며, 공기 공급이 중단되면 회전익 자체의 무게에 의하여 회전익이 떨어지면서 스위치가 꺼져서 작동 장치에 대한 동력 공급을 중단하게 된다.
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