KR20150061267A - 제습방법 및 제습장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 제습방법 및 제습장치는, 인입공기에 함유된 일정량의 수분을 제거하여 건조공기를 만들기 위해, 인입공기에 수분을 가하는 가습단계를 수행하여 증발 잠열에 의해 저온 다습한 공기로 상태변화시킨 후에 제습 냉각프로세스를 수행하는 것을 특징으로 하며,
나아가, 가습작용이 이루어지는 각 습채널들을 서로 접하게 배치시켜, 어느 한 습채널 내에서의 증발 잠열을 인접 습채널 내에서 냉각에너지로 재활용하는 것을 또 다른 특징으로 하며,
공기 유동방향을 따라 순차적으로 낮은 표면온도를 갖는 다수 개의 냉각판을 일정 간격으로 이격 배열시켜, 공기를 순차적으로 냉각시킴으로써, 제습 속도 및 효율을 높일 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

제습방법 및 제습장치{SYSTEMS AND METHODS FOR AIR DEHUMIDIFICATION}

본 발명은 습기를 포함한 공기의 제습(습기 제거)방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 제습 프로세스(현열냉각→제습냉각→현열가열)에서 탈피하여, 단열가습→제습냉각→현열가열의 프로세스에 따라 제습효과를 얻을 수 있는 새로운 방식의 제습방법 및 그 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 제습방법 및 제습장치는, 인입공기에 함유된 일정량의 수분을 제거하여 건조공기를 만들기 위해, 인입공기에 수분을 가하는 가습단계를 수행하여 증발 잠열에 의해 저온 다습한 공기로 상태변화시킨 후에 제습 냉각프로세스를 수행하는 것을 특징으로 하며,

나아가, 가습작용이 이루어지는 각 습채널들을 서로 접하게 배치시켜, 어느 한 습채널 내에서의 증발 잠열을 인접 습채널 내에서 냉각에너지로 재활용하는 것을 또 다른 특징으로 하며,

공기 유동방향을 따라 순차적으로 낮은 표면온도를 갖는 다수 개의 냉각판을 일정 간격으로 이격 배열시켜, 공기를 순차적으로 냉각시킴으로써, 제습 속도 및 효율을 높일 수 있는 것을 특징으로 한다.

오래 전부터 습공기로부터 수분을 제거하는 장치, 즉 제습장치는 여러 용도로 사용되어 오고 있으며, 다양한 방식의 제습방법 또는 제습 프로세스들이 알려져 있다.

공기 중의 습기를 제거하는 방식은, 크게 냉각식과 건조식으로 나눌 수 있다.

건조식은 화학물질인 흡습제(desiccant)를 이용하는 방식인데, 가정에서 사용하는 제습상품과 같이 공기 중의 습기를 직접 흡수하거나 흡착시킨다. 흡습제가 습기를 더 이상 흡수하지 못하면 흡습제를 다시 가열해서 이 때 분리되는 습기를 제습기 바깥으로 내보내 다시 흡습제를 사용할 수 있다. 이러한 방식은 밀폐된 공간에서 소량의 수분을 제거하는 데 유용하다. 흡습제에는 수분을 흡착하는 능력이 뛰어난 다공성 물질인 실리카겔(silica gel), 알루미나겔(alumina gel), 몰레큘러시브(molecular sieves) 등이 있다.

냉각식은 공기 중의 수증기를 물로 응축시켜 습기를 조절한다. 수증기를 응축시키기 위해서는 이슬점 이하로 공기의 온도를 내려야 한다. 때문에 냉각식 제습기는 습한 공기를 팬을 이용해 빨아들인 뒤 냉매를 이용한 냉각장치(증발기)로 통과시킨다. 냉각장치를 통과하면 공기의 온도가 낮아지고, 공기가 이슬점에 도달해 공기 중의 수증기가 물로 변해 냉각관에 맺혀 물통에 떨어져 모인다. 습기가 제거된 건조한 공기는 응축기를 거쳐 다시 덥혀진 후에 실내로 방출된다. 상대습도가 높을수록 공기 중의 수증기가 물로 변하기 쉬워 제습에 효과적이다.

압축에 의한 냉매 냉각방식은, 습공기로부터 열에너지를 제거하기 위해 압축기(컴프레서)를 구비한다. 열에너지의 감소에 따른 냉각은 결과적으로 습공기에 포함되어 있는 수증기의 응축을 유발한다. 제습용도로 사용되는 컴프레서는 냉장고나 에어컨 등에서 쓰이는 것과 유사하다. 이러한 컴프레서는 소음이 심하고 무거울 뿐만 아니라 시스템 구성이 복잡하다.

또 다른 방법으로 열전 냉각 장치를 사용하기도 한다. 일반적으로 열전 냉각 장치는 반도체 냉각 장치로서 상대적으로 가볍고 소음이 없는 장점이 있다. 하지만 컴프레서 보다도 많은 전력을 필요로 한다.

보다 효율적인 제습 장치를 위한 방법과 장치의 개선이 필요한 이유가 여기에 있다.

KR 10-0991134 B WO 2004/003439 A

본 발명에 따른 제습방법 및 제습장치는,

제습대상이 되는 인입공기를 이슬점온도까지 상태변화시키기 위한 방법으로, 인입공기에 대한 가습단계를 실시함으로써, 인입공기를 최단 시간에 결로시키도록 하여 제습 효율을 극대화하는 것을 목적으로 한다.

즉, 기존의 제습방법은 인입공기를 현열 냉각시켜 포화선도(saturation line)에 도달시킨 후 제습 냉각에 의해 수분을 제거하던 방식과는 달리, 본 발명에 의한 제습 방법은, 인입공기를 단열 가습하여 인입공기의 현재 상태에서 가장 인접한 포화선도(saturation line)에 도달하도록 공기의 상태를 변화시킴으로써, 제습효율을 극대화하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.

나아가, 본 발명은 상기한 가습 프로세스를 수행함에 있어서, 인접하여 설치된 다수의 습채널로 구성하여, 어느 한 습채널에서 발생되는 잠열(냉각잠열)이 인접한 습채널로 열전달되도록 함으로써, 인접한 습채널 내에서의 가습 단계에서 공기의 온도강하가 발생되도록 함으로써, 제습효율이 극대화되도록 하는 것을 목적으로 한다.

특히, 상기 가습단계에서 인접 습채널에서의 냉각잠열을 재활용하여 공기의 온도강하를 수행함으로써, 현열 냉각에 필요한 에너지를 절감하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 제습방법 및 제습장치는, 포화상태의 공기를 여러 단계에 걸쳐 순차적으로 냉각시킴으로써, 결로현상을 가속화시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 상세한 설명을 통해 더욱 구체적으로 설명될 것이다.

이를 위해, 본 발명에 따른 제습방법 및 제습장치는,

인입공기에 함유된 일정량의 수분을 제거하여 건조공기를 만드는 제습방법에 있어서, 단열 상태에서 인입공기에 수분을 가하는 가습단계를 수행한 이후에 제습 냉각단계를 수행하여 절대습도를 낮추는 것을 특징으로 한다.

상기 가습단계에는, 상기 제습 냉각단계와는 별도로, 현열냉각 프로세스가 병행될 수도 있다.

본 발명에서의 바람직한 가습단계는,

증발기로 인입공기를 통과시켜, 상기 인입공기가 상기 증발기 표면에 접촉되면서 저온 다습한 공기로 출력되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서의 상기 가습단계는, 상기 제습 냉각단계와는 별도로, 현열 냉각 프로세스를 더 포함하도록 구성되는 것이 바람직한데,

이를 위해 본 발명에 있어서 상기 가습단계의 증발기는, 송풍장치에 의해 인입된 공기가 통과되어 저온 다습한 공기로 출력되는 다수의 습채널로 구성하되,

상기 각 습채널은, 증발 및 열교환 매체에 얇은 수막이 형성되도록 구성하되, 상기 각 습채널들이 서로 접하게 배치도록 함으로써,

어느 한 습채널 내부에서 발생되는 인입공기의 증발 잠열이, 인접 습채널로 전달되어 상기 인접 습채널 내부의 냉각작용을 수행하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 있어서의 상기 제습 냉각단계는,

상기 가습단계를 거친 공기가 다단 배열된 열교환기(즉, 냉각기)를 순차적으로 통과됨으로써 단계적으로 서서히 냉각되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기한 특징을 갖는 제습방법이 적용된 제습장치를 제안하는 바, 본 발명에 따른 제습장치는,

인입공기에 함유된 일정량의 수분을 제거하여 건조공기를 만드는 제습장치에 있어서, 유입되는 인입공기를 저온 다습한 공기로 출력하는 증발기(200)와, 상기 증발기를 통과한 공기를 냉각시키는 냉각기(300)와, 상기 냉각기를 통과한 공기를 가열시키는 방열기(R) 및 상기 인입공기를 유동시키고 배출시키기 위한 송풍수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

나아가, 본 발명에 따른 제습장치에 적용되는 상기 증발기(200)는,

증발 및 열교환 매체에 얇은 수막이 형성되도록 구성되어, 유입되는 인입공기를 상기 수막에 접촉시켜 저온 다습한 공기로 출력시키는 단위 습채널(210)들이 다수 개 결합되어 이루어지되,

상기 각 습채널로 유입되는 인입공기의 진행방향이 서로 반대방향을 가지도록 하여, 상기 각 습채널들이 서로 연접하게 배치되도록 구성됨으로써,

어느 한 습채널 내부에서 발생되는 인입공기의 증발 잠열이, 인접 습채널로 전달되어 상기 인접 습채널 내부의 냉각작용을 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 냉각기(300)는,

다수 개의 냉각판이 다단으로 배열되어 구성되며, 열교환에 의해 상기 증발기(200)를 통과한 공기의 온도를 강하시키도록 하되,

포화상태 공기의 결로현상을 가속화시킬 수 있도록 하기 위해, 상기 각 냉각판은 유입 공기의 유동방향을 따라 순차적으로 낮은 표면온도를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징들은 본 발명의 상세한 설명을 통해 더욱 구체적으로 설명될 것이다.

본 발명에 따른 제습방법은, 기존의 현열냉각 프로세스만으로 공기를 포화선도까지 상태변화시키던 방식과는 달리,

가습단계를 먼저 수행하여 제습대상 공기의 현재 상태에서 가장 가까운 위치의 포화선도 위치로 공기 상태를 변화(즉, 이슬점온도까지 공기 상태를 변화)시킴으로써,

최단 시간에 그리고 외부 에너지의 투입이 없이도 결로를 발생시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 제습방법 및 제습장치는,

각 습채널들을 서로 연접하게 배치시켜, 어느 한 습채널 내부에서 발생되는 인입공기의 증발 잠열이, 인접 습채널로 전달되어 상기 인접 습채널 내부에서 가습과 냉각작용이 동시에 수행되도록 함으로써, 목적하는 절대습도로 제습하는 제습 냉각단계에 필요한 투입에너지를 최소한으로 절감할 수 있는 에너지 절감효과를 얻을 수 있다.

즉, 잠열 냉각에서 발생되는 냉각공기를 감열 프로세스에 재활용함으로써 제습 냉각효율을 극대화할 수 있다.

도 1a은 기존의 압축기를 사용한 냉각 방법에 의한 제습 프로세스를 습공기선도 상에 표시한 궤적도.
도 1b는 기존의 압축기를 사용한 냉각 방법에 의한 제습 장치의 블록을 보인 모식도.
도 2a는 본 발명에 의한 제습 프로세스를 습공기선도 상에 표시한 궤적도.
도 2b는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 제습 프로세스를 습공기선도 상에 표시한 궤적도.
도 3a은 본 발명의 바람직한 일실시예로서 제안되는 증발기의 평면 단면도
도 3b는 본 발명의 바람직한 일실시예로서 제안되는 증발기의 수직 단면도
도 4는 본 발명의 증발기에 적용되는 열교환 플레이트의 형상을 예시적으로 도시한 사시도
도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 다단계로 순차적인 냉각과정에 의해 최적의 이슬점온도를 추적하는 프로세스를 습공기선도 상에 표시한 궤적도.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 냉각기가 적용된 제습장치의 구성을 도시한 개념도

먼저 도 1a 및 도 1b를 기준으로 종래 제습방식과 그 문제점을 보다 구체적으로 설명한 후에, 본 발명에 따른 제습방법 및 제습장치를 설명한다.

도1a는 기존의 압축기를 사용한 냉각 방법에 의한 제습 프로세스를 습공기선도(Psychrometric Chart) 상에 표시한 괘적도이다.

도1a의 변수(Parameter)는 건구온도 축, 수분비 축, 수증기 포화선, 엔탈피 스케일를 표시하고 있으며, 이슬점 온도 및 습구 온도를 수증기 포화선도와의 교차점에서 찾을 수 있다.

도1a의 점 A는 건구 온도 T1, 수분비(Humidity Ratio) W1인 입입 공기의 습공기선도 상의 위치를 보여주며, 점 B, 점 C, 점 D, 점 D' 또한 각각의 건구온도 및 수분비에 해당하는 위치를 보여준다. 알려진 바와 같이 습공기선도 상의 변수(Parameter)중 2개만 고정되면 다른 변수의 값들을 알 수 있다.

기존의 제습 프로세스의 변화 과정을 살펴보면 상태 A에서 상태 B(A→B)로의 냉각 과정(현열냉각)과 상태 B에서 상태 C(B→C)로의 제습 과정(제습냉각), 상태 C에서 상태 D(C→D)로의 가열 과정(현열가열)을 거쳐 제습공기가 출력된다.

상기 각 과정(A→B→C)의 냉각 제습 과정은 실제로 수분비의 감소와 결로 과정이 함께 일어나는 상태 A에서 상태 C(A→C)로 일어나게 되는데, 도 1a의 점선으로 표시된 호(A→C)의 방향으로 공기 상태변화가 이루어지게 된다.

이 전체 과정에서 실제 제습이 일어나는 냉각 및 제습 과정(A→C)에서의 수분비의 변화량 ΔWac는,

ΔWac = W1 - W3 .........(식 1)으로 표현된다.

그리고, 이 과정((A→C)에서의 엔탈피 변화량 ΔH1는,

ΔH1 = (h1-h2) + (h2-h3) = h1 - h3 .........(식 2)이다.

여기서 T2는 점A인 상태의 공기의 이슬점 온도(Dew Point Temperature)이며, T3는 열교환이 일어나는 핀(Fin)이나 판(Plate)의 표면온도로서 장치 이슬점 온도(Apparatus Dew Point Temperature)이다.

한편, 별도의 열원장치(Heater)를 두거나 압축 과정에서 발생한 열원을 이용하여 가열 과정(C→D)을 수행하여 건구 온도 T4인 출력 공기를 방출한다. 이 건구온도 T4는, 별도의 열원장치를 사용하지 않고 압축기를 사용한 제습 장치의 출력 공기의 건구 온도로서, 통상적으로 인입 공기의 건구 온도 T1보다 높은 온도이다.

한편, 기존의 압축기를 사용한 제습기의 냉각에 소요된 에너지와 같은 에너지를 가열 과정에 투입하여 얻은 출력 공기의 상태는 점 D'에 표시한 바와 같다. 이는 본 발명의 제습 프로세스와 비교하기 위한 전제 조건으로 냉각제습에 필요한 에너지와 가열에 필요한 에너지를 같다고 가정할 경우로서 습공기선도 상의 위치는 점 D'이다.

기존의 압축기를 사용한 제습 장치의 전 프로세스는 냉각 제습 과정과 가열 과정으로 이루어지며 전체 엔탈피 변화량 ΔE는,

ΔE1 = 2(h1 - h3) .........(식 3)이다.

도 1b는 기존의 압축기를 사용한 냉각 방법에 의한 제습 장치의 모식도이다.

압축기를 이용한 냉각 및 제습장치는, 높은 제습효과를 얻을 수 있으나, 장치 전체가 대형화될 수밖에 없을 뿐만 아니라, 압축기의 소음발생 등의 문제를 안고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하면서도, 제습효율 및 에너지 절감효과를 극대화하기 위해, 본 발명에 의한 제습방법 및 제습장치는 제습 냉각 프로세스를 수행하기 이전 단계에서, 가습 과정을 포함하는 새로운 방법을 제안한다.

이하에서는 도 1a와 도 2a를 참고하여 상세히 설명한다.

도 2a는 본 발명에 의한 제습 프로세스를 습공기선도 상에 표시한 궤적도이다.

본 발명에 의한 제습과정은 단열 가습 과정(A→B1)과, 현열냉각에 의한 제습과정(B1→C)을 포함한다. 상기 제습과정이 완료된 공기에 대하여 현열가열함으로써 공기 온도를 상승시키는 가열과정(C→D1)을 더 포함하는 것은 공지의 제습방법 및 장치에서와 유사하다.

단열 가습 과정(A→B1)에서는 잠열에 의한 공기온도 저하를 수반함은 자명하다. 이는 공지된 직접 증발식 에어쿨러(Direct Evaporative Air Cooler)의 프로세스와 동일하다.

단열 가습과정(A→B1)과 냉각 제습과정(B1→C) 전체를 통해, 실제 인입공기의 제습이 일어나는 과정(A→C)에서의 수분비의 변화량 ΔWac를 구체적으로 분석하면,

단열 가습 과정(A→B1)에서의 수분비 변화량(W1→W5)(이하 'ΔWab1'이라 한다)과, 냉각 제습 과정(B1→C)의 수분비 변화량(W5→W3)(이하 'ΔWb1c'라 한다)의 합으로 표현된다.

즉, ΔWac = ΔWab1 + ΔWb1c = (W1 - W5) + (W5 - W3) = W1 - W3 ...(식 4)이다.

이는 기존의 압축기를 사용한 제습 프로세스의 수분비 변화량(식 1)과 동일하다.

한편, 인입 공기가 점 A에서 점 B1을 경유하여, 점 C로의 상태변화 과정에서 엔탈피는, 가습과정(A->B1)에서는 h1에서 h1으로 변화가 없고 제습과정(B1→C)에서는 h1에서 h3로 변한다

이 과정(A→B1→C)의 엔탈피 변화량 Δh는

ΔH2 = (h1-h1) + (h1-h3) = h1 - h3 ............(식 5)이다.

이는 기존의 압축기를 사용한 제습 프로세스의 엔탈피 변화량 (식 2)과 동일하다.

이와 같이 제습 과정 중에 단열 가습 프로세스를 추가하여도 엔탈피 변화량과 수분비 변화량은 같다.

즉 동일한 에너지로, 동일한 제습효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 변형 실시예에 의하면, 도 2b에 도시한 바와 같이, 단열 가습과정과 현열 냉각과정을 병행하는 경우의 공기 상태변화를 얻을 수도 있다. 도 2b에서 도시된 바와 같이, 점 A 상태의 인입공기를 단열 가습하면서 현열 냉각시키면 인입공기는 점 A'의 상태로 변화하며, 이후에 계속하여 단열 가습단계를 거치면 점 B2 상태에 이르게 된다.

이와 같이, 인입공기를 단열 가습과 함께 현열 냉각을 병행함으로써, 인입공기를 최단 시간 내에 최적의 경로(A→B2)로 포화상태선도까지 상태변화를 유도할 수 있다. 도 2b에서 빨간 화살표로 표시된 경로는, 인입공기를 단열 가습과 함께 현열 냉각을 병행한 경우의 공기 상태변화를 나타낸 것이다. 점 B2 상태의 공기 절대습도는 w6이며, 건구온도도 인입공기 건구온도(T1)보다 낮아지게 된다.

그 다음 단계로서 점 B2 위치의 공기를 냉각 제습단계를 거쳐 점 C 위치의 공기상태로 변화시키는 냉각 제습단계가 수행된다.

점 A 상태의 인입공기를 제습하기까지의 전체 과정(A→A'→B2→C까지의 경로 또는 A→B2→C까지의 경로)을 거친 공기의 엔탈피 변화량 ΔH3는,

ΔH3 = (h1 - h4) + (h4 - h3) ...........(식 6)이다.

그런데, 만약, 도 2b에서, 점 A 위치의 인입공기 상태를 외부 에너지 투입이 없이 점 B2 위치의 공기상태로 변화시킬 수 있다면, 상기 식 6에서, h1 - h4 = 0 이 되므로,

결국 엔탈피 변화량 ΔH3는,

ΔH3 = h4 - h3 .......(식 7)이다.

h1 > h4 이므로 상기 식 5 와 식 7으로부터 ΔH1 > ΔH3 이다.

즉, 외부 에너지의 투입이 없이 점 A 위치의 인입공기 상태를 점 B2 위치의 공기상태로 변화시킬 수 있다면, 냉각 제습에 필요한 에너지는 (h1 - h4)만큼 절약할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 제습방법 및 제습장치는, 제습 프로세스에 있어서 공기의 내부 엔탈피를 (h1 - h4)만큼 줄일 수 있는 프로세스를 제안한다.

즉, 도 2b에서 점 A 상태의 인입공기를 점 B2 상태로 변화시키는 과정에서, 별도의 에너지 투입이 없이 단열 가습 프로세스만으로 증발 잠열을 재활용하여 가습중인 공기를 냉각시키도록 하는 방법을 본 발명의 제습 프로세스에 포함한다.

이는 도 3a에 도시된 증발기의 구조에서와 같이 본 발명의 특징의 하나인 대향류 직접 증발식 냉각기를 통하여, 도 2b에서의 붉은 색깔의 화살표로 나타낸 바와 같이, 점 A에서 점 B2 상태로의 변경을 가능하게 하는 것이다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 가습 및 증발 프로세스에 적용되는 바람직한 일실시예로서의 증발기 구성을 도시한 것이다.

도 3a은 본 발명의 바람직한 일실시예로서 제안되는 증발기의 평면 단면도로서, 도 3a에 도시되어 있는 바와 같이,

상기 증발기(200)는, 증발 및 열교환 매체에 얇은 수막이 형성되도록 구성되어, 유입되는 인입공기를 상기 수막에 접촉시켜 저온 다습한 공기로 출력시키는 단위 습채널(210)들이 다수 개 결합되어 이루어지되,

상기 각 습채널로 유입되는 인입공기의 진행방향이 서로 반대방향을 가지도록 하여, 상기 각 습채널들(210)이 서로 연접하게 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같이, 인입공기는 상기 각 습채널로 서로 반대방향으로 유입되어 가습이 이루어지는데, 이 가습과정에서 증발 잠열이 발생된다.

본 발명은 이러한 가습 과정에서 발생되는 증발 잠열을 인접 습채널로 전달시켜, 상기 인접 습채널 내부의 공기 온도를 낮추는 작용을 수행함으로써,

점 A 위치의 인입공기 상태를, 외부 에너지의 투입이 없이, 점 B2 위치의 공기상태로 변화시킬 수 있게 된다. 이러한 과정에 의해, 인입공기를 포화선도까지 변화(A→B2)시키는 데에 소요되는 에너지 (h1 - h4)를 절약하면서, 최소한의 에너지 (h4 - h3)만으로도 인입공기를 최종 목표점까지 상태변화(A→C)시킬 수 있게 되는 것이다.

도 3b는 본 발명의 바람직한 일실시예로서 제안되는 증발기의 수직 단면도로서, 도 3a에서의 B-B' 단면도이다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 증발기는, 급수라인(220)을 통해 물을 분사하여 각각의 습채널(210) 내부에 얇은 수막이 형성되도록 한 상태에서, 이들 각각의 습채널 사이로 인입공기가 서로 반대방향으로 유동되도록 구성된다.

본 발명에 따른 증발기(200)의 일 실시예는, 인입공기의 흐름을 대향류(counter flow)로 형성시키는 것으로서, 직접 증발(Direct Evaporative) 방식으로 습채널을 통과하면서 열교환이 이루어지도록 구성된다. 그리고, 인입공기는 열교환 플레이트의 표면에 평행하게 유동되면서 습채널(210)을 통과하되, 상기 습채널(210)을 통과한 저온다습 공기는 습채널에서의 유동방향과 수직되는 방향(즉, 상하 방향 중의 어느 한 방향)으로 출력되도록 구성된다.

도 4는 본 발명의 증발기에 적용되는 열교환 플레이트의 형상을 예시적으로 도시한 사시도로서, 서로 대향되는 방향으로 공기 유동 경로를 갖도록 하면서도, 서로 인접한 두 습채널 사이에서 잠열의 열교환이 용이하도록 하는 구조의 예를 나타낸 것이다. 도 4에 도시된 열교환 플레이트는 열전도율이 좋고 가공성이 우수한 알루미늄 0.2~0.5mm 두께를 갖는 재질이 바람직하며, 열교환 플레이트의 표면에는 친수성 코팅이나 다공성 세라믹 코팅, 부직포 또는 셀룰로스 페이퍼 등으로 코팅하여 가습 및 열교환 성능을 높이는 것이 바람직하다. 물론, 양쪽 면 모두 젖은 면(Wet surface)를 갖도록 구성한다.

한편, 인입공기의 제습을 위해 필요한 총 에너지는, 크게 냉각에 소요되는 외부 에너지(이하 '냉각 에너지'라 함)와, 제습 냉각된 공기를 다시 상온이 되도록 가열하는 데에 필요한 에너지(이하 '가열 에너지'라 함)로 나뉠 수 있다.

이 때, 냉각 에너지(h1→h3)와 가열에 필요한 에너지(h3→h1)가 같다고 가정하면, 냉각 제습 후 가열 과정을 거친 공기의 상태는 점 D'의 상태로서, 점 D1의 상태보다 높은 온도를 갖는다. 물론, 이는 이론적 계산으로서 제품에서는 에너지 손실에 발생될 수 있으므로, 실제 출력공기의 온도는 T4'보다는 약간 낮을 수 있다.

그런데, 에너지 효율을 높이기 위해서는 제습장치의 시스템 내부에서 냉각 에너지와 가열 에너지의 균형을 유지하도록 시스템을 설계하는 것이 바람직하다. 즉, 공기의 냉각과정에서 발생되는 열 에너지를, 제습 냉각된 공기를 가열하는 에너지로 재활용함으로써 제습장치의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.

그러나, 제습장치의 냉각 에너지와 가열 에너지가 같다고 할 경우, 앞서 설명한 바와 같이, 인입공기의 온도보다 출력공기의 온도가 더 높아지는 문제가 발생되므로, 우리나라와 같은 고온다습한 여름철 공기의 제습에는 부적합할 수밖에 없다.

만약, 인입공기의 온도와 같아지도록 출력공기의 온도를 유지하기 위해서는, 냉각과정에서의 엔탈피 변화량과 가열과정에서의 엔탈피 변화량이 불일치하게 되므로, 일부 에너지를 제습장치 외부로 배출시켜야 하므로, 에너지 낭비가 발생될 뿐만 아니라, 제습장치의 방열이 필수적으로 요구된다.

이러한 관점에서 볼 때, 본 발명은, 점 A 상태의 인입공기를 점 B2 상태로 변화시키는 데에 외부 에너지의 투입이 전혀 없이 증발 잠열을 재활용하기 때문에, 공기의 냉각에 소요되는 외부 에너지(h4→h3)와 제습 냉각된 공기를 다시 상온이 되도록 가열하는 데에 필요한 에너지(h3→h4)의 균형을 유지하도록 시스템을 설계하더라도, 인입공기의 온도(T1)와 출력공기의 온도(T4")를 동일하게 유지시킬 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 제습방법 및 제습장치는, 가습과정과, 가습과정에서 발생되는 증발 잠열을 재활용하여 가습과정에 있는 인입공기를 냉각시킴으로써, 적은 에너지 투입으로 같은 제습량의 제습 장치를 구현할 수 있을 뿐만 아니라,

출력 공기의 온도를 기존 방식의 출력 공기 온도인 T4'보다 낮은 온도인 T4"로 출력할 수 있게 된다.

그러므로, 제습 공간의 온도를 상승시키는 역효과를 수반하는 기존 제습기의 주된 단점으로 인해 고온 다습한 조건에서의 사용에 많은 제약이 따르던 종래의 제습장치와는 달리, 본 발명에 따르면 이와 같이 출력 공기의 건구 온도를 인입공기의 건구온도 이하로 낮추는 효과가 있어, 제습효과는 물론 냉방의 부수적인 효과도 획득할 수 있다.

한편, 이슬점 온도는 공기의 상태에 따라 변하는데 기존의 방식에서는 냉각 제습 프로세스가 실제로는 도 1a에서의 점선 화살표(A→C)에 도시한 바와 같이 호(弧) 형상을 따라 일어난다.

잘 알려진 바와 같이, 공기중의 수분의 응축 즉, 결로는 공기가 수증기 포화선 상에서 이루어지는 것인데, 도 1a에서의 점선 화살표(A→C)는 점 C의 위치에 이르러 드디어 수증기 포화선(WS)과 만나게 된다. 즉, 도 1a에서 보는 바와 같이, 공기의 상태가 수증기 포화선(WS)에 도달하는 정확한 위치는, 냉각기의 장치 이슬점 온도(ADT)인 점이다.

다시 말하면, 실제 공기의 상태는 냉각기의 장치 이슬점 온도에 도달(도 1a에서의 점 C의 위치)하기 이전까지는 결로가 발생되지 않는다는 것을 의미한다. 이는 결로의 속도 및 효율의 저하 요인이 된다.

그러므로, 유동하는 공기의 수분을 제거하는 프로세스에 있어서, 공기의 상태가 수증기 포화선(WS)을 그대로 추적하면서 따라가도록 제어하는 것이 중요하며, 수증기 포화선(WS)를 따라가도록 공기상태를 변화시키는 것이 결로의 속도 및 결로효율향상을 위해 매우 중요하다.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 인입공기가 수증기 포화선(WS)을 그대로 추적할 수 있도록 하기 위한 바람직한 실시예를 개시한다.

본 발명에 의하면, 인입 공기를 현열 냉각만으로 이슬점 온도로 유도하는 것이 아니라, 먼저 가습을 행하여 외부 에너지 투입 없이 수증기 포화선으로 짧은 시간 안에 공기의 상태를 유도하여 제습의 전과정이 수증기 포화선(WS)을 추적할 수 있도록 함으로써, 제습 속도 및 효율을 높이도록 하는 데에 본 발명의 또 다른 목적이 있다.

실제로, 결로현상은 공기의 온도가 냉각기 장치 표면의 온도에 도달하였을 때(이하 '장치 이슬점온도'라 한다) 결로를 하게 되므로,

본 발명에 따른 제습방법 및 제습장치는, 장치 이슬점 온도를 세분화함으로써 냉각기를 통과하는 공기의 결로 효율 즉 제습효율을 극대화할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 제습 프로세스에 있어서, 냉각기의 장치 이슬점온도를 세분화하여 제습 냉각을 수행하는 과정을 도 5를 기준으로 구체적으로 설명한다.

일반적으로 기존의 제습장치에서는 냉각기의 장치 이슬점 온도가 하나이다. 즉, 기존 제습장치의 냉각기 표면온도는 전 영역에 걸쳐 균일하다.

이러한 종래기술과는 달리, 본 발명은 제습장치에 적용되는 냉각기(즉 열교환기)의 장치 이슬점 온도를 다수 개로 세분화하여, 각기 다른 냉각온도를 갖는 다수 개의 냉각판(또는 냉각핀)을 일정 간격으로 이격되게 배열시켜 구성한다. 즉, 장치 이슬점 온도를 공기의 유동 방향을 따라 순차적으로 다단계로 세분화하여 구성하되, 순차적으로 더 낮은 냉각온도를 갖도록 구성한다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 제습장치는, 가습단계를 거친 공기를 다단 배열된 다수의 냉각판을 순차적으로 통과시킴으로써 단계적으로 서서히 냉각시키되, 상기 각 냉각판은 유입 공기의 유동방향을 따라 순차적으로 더 낮은 표면온도를 갖도록 구성함으로써, 제습 냉각되는 공기가 각 단계별로 배열된 냉각판에 반복적으로 접하면서 반복적으로 결로를 발생시켜, 수증기 포화선(WS)을 추적하면서 반복적인 제습이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

장치 이슬점 온도가 각기 다른 다수 개의 냉각판으로 구성된 냉각기를 통과하는 과정에서의 공기 상태변화를 구체적으로 설명하기 위해, 장치 이슬점온도가 각각 T5, T6, T3인 냉각판으로 구성된 냉각기를 예로 들어, 공기 상태변화를 도 5의 습공기선도에 도시하였다.

설명의 편의를 위해, 장치 이슬점온도가 T5인 냉각판을 제1 냉각판이라 하고, 장치 이슬점온도가 T6인 냉각판을 제2 냉각판, 장치 이슬점온도가 T3인 냉각판을 제3 냉각판이라 한다.

본 발명에 있어서, 상기 냉각기(300)는 상기 증발기(200)를 통과한 공기(즉, 가습되고 증발 잠열에 의해 온도가 낮아진 공기)를 제습 냉각시키는 구성요소이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 점 A 상태의 인입공기는, 앞서 설명한 바와 같이, 증발기(200)를 통과하면서 가습되고 증발잠열에 의해 자연 냉각되어 점 B2 위치의 상태가 된다.

점 B2 위치의 상태를 갖는 공기는 제1 냉각판을 통과하면서 제습 냉각되어 제1 냉각판의 장치 이슬점온도(T5)까지 냉각되어 점 C1 위치의 상태가 된다.(이하 '제1 냉각프로세스'라고 한다)

점 C1 위치의 상태인 1차 냉각 공기는, 제1 냉각판과 제2 냉각판 사이의 이격 공간을 지나면서 외부 환경으로부터 열을 흡수하여 약간의 온도 상승이 발생될 수 있으므로, 점 A1 위치로 상태가 변화될 수 있다.

그러나, 점 A1 위치의 공기는 다시 제2 냉각판과 접촉하면서, 제2 냉각판 표면의 결로(수분)에 의해 자연 가습됨과 동시에 제1 냉각판의 표면온도보다 더 낮은 온도를 갖는 제2 냉각판의 장치 이슬점온도(T6)까지 냉각되어 점 C2 위치의 상태가 된다.(이하 '제2 냉각프로세스'라고 한다)

점 C2 위치의 상태인 2차 냉각 공기는, 제2 냉각판과 제3 냉각판 사이의 이격 공간을 지나면서 온도가 상승되어, 점 A2 위치로 상태변화가 되겠지만, 곧이어 제3 냉각판과 접촉하면서, 제3 냉각판 표면의 결로(수분)에 의해 자연 가습됨과 동시에 제2 냉각판의 표면온도보다 더 낮은 온도를 갖는 제3 냉각판의 장치 이슬점온도(T3)까지 냉각되어 점 C 위치의 상태가 된다.(이하 '제3 냉각프로세스'라고 한다)

상기한 설명에서도 알 수 있듯이, 냉각기를 다수개의 냉각판으로 이격시켜 구성하는 경우, 비록 냉각기 사이의 이격 공간을 통과하는 동안에 주변 온도에 의해 공기온도 상승이 일부 발생된다 하더라도, 각 단계의 냉각판을 통과하는 동안에 상기 공기는 포화선도의 경로를 최적으로 추적하면서 상태변화(제습)가 이루어질 수 있게 된다.

도 5는 장치 이슬점 온도가 각기 다른 3개의 냉각판으로 구성된 냉각기를 예를 들어서, 냉각기를 통과하는 공기의 상태변화를 설명한 것이다. 그러나, 4개 이상의 냉각판으로 구성하는 경우에도 본 발명에 따른 제습방법이 그대로 적용될 수 있을 것이다.

한편, 본 발명에 있어서, 각 단계별 냉각판 사이의 이격 공간을 외부환경으로부터 단열시켜 구성하는 경우에는 냉각공기의 온도상승을 무시할 수 있으므로, 인입공기는 점 A, 점 B2, 점 C1, 점C2, 점 C, 그리고 점 D1를 경유하는 상태 변화를 얻을 수 있다. 그리고, 상기 점 B2, 점 C1, 점 C2, 점 C는 수증기 포화선(WS) 상에 있으며 이는 냉각프로세스가 이루어지는 동안에, 공기의 상태가 이슬점 온도에 계속적으로 위치할 수 있음을 의미하는 것이며, 본 발명에 따른 냉각기를 통과하는 전체 과정 동안에 지속적인 결로가 발생되어 제습효율을 극대화할 수 있음을 의미한다.

이와 같이, 연속된 제1 냉각프로세스,제2 냉각프로세스,제3냉각프로세스로 이루어진 냉각제습 프로세스가 구현된 다수의 장치 이슬점온도를 갖는 냉각기(300)를 포함함으로써 최적의 이슬점 온도를 추적하는 제습이 가능하다.

이와 같이, 본 발명에 따른 제습방법 및 제습장치는, 공기의 유동방향으로 단계적으로 더 낮은 냉각온도를 갖는 다수 개의 냉각판(또는 냉각핀)을 일정 간격으로 이격되게 다단계로 세분화하여 구성함으로써, 제1 냉각판의 장치 이슬점온도까지 1차로 제습냉각시키고, 다시 또 제2 냉각판의 장치 이슬점온도까지 2차로 추가적으로 제습냉각시키는 방식을 반복적으로 수행하도록 함으로써,

상기 반복적인 제습 냉각과정을 통해, 포화선도의 경로를 그대로 따라가도록 공기 상태를 변화시킬 수 있어, 결로 효율 즉 제습효율을 극대화할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 제습방법을 갖는 제습장치를 제안한다.

본 발명에 따른 제습장치는, 인입공기에 함유된 일정량의 수분을 제거하여 건조공기를 만드는 제습장치에 있어서,

유입되는 인입공기를 저온 다습한 공기로 출력하는 증발기(200)와, 상기 증발기를 통과한 공기를 냉각시키는 냉각기(300)와, 상기 냉각기를 통과한 공기를 가열시키는 방열기(R) 및 상기 인입공기를 유동시키고 배출시키기 위한 송풍수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 증발기(200)는, 증발 및 열교환 매체에 얇은 수막이 형성되도록 구성되어, 유입되는 인입공기를 상기 수막에 접촉시켜 저온 다습한 공기로 출력시키는 단위 습채널(210)들이 다수 개 결합되어 이루어지되,

상기 각 습채널로 유입되는 인입공기의 진행방향이 서로 반대방향을 가지도록 하여, 상기 각 습채널들이 서로 연접하게 배치되도록 구성됨으로써, 어느 한 습채널 내부에서 발생되는 인입공기의 증발 잠열이, 인접 습채널로 전달되어 상기 인접 습채널 내부의 공기를 가습시킴과 동시에 냉각시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서 제습을 위한 냉각프로세스에 적용되는 냉각기(300)는, 유입 공기의 유동방향을 따라 순차적으로 낮은 표면온도를 갖는 다수 개의 냉각판을 일정 간격으로 이격 배열시켜 구성하여, 유동하는 공기의 온도를 순차적으로 강하시킴으로써, 제습 속도 및 효율을 높일 수 있는 것을 특징으로 한다.

도 6은 상기에서 설명한 제습방법이 적용된, 바람직한 일 실시예로서의 제습장치 구성을 도시한 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 인입공기(IA)는 증발기(200)를 통과하면서 가습과정에 의해 저온 다습한 공기로 상태가 변화된다.

증발기를 통과한 공기는, 다수 개의 냉각판을 순차적으로 통과하면서 각 냉각판의 장치 이슬점온도에 도달하여 제습이 이루어지게 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 냉각판 각각의 장치 이슬점온도는 공기 유동방향을 따라 단계적으로 더 낮은 온도로 설정되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제안된 증발기(200)의 세부적인 구성은 도 3a, 도 3b 및 도 4에 도시한 바와 같으며, 그 작용효과에 대해서는 앞에서 이미 설명하였다.

도 6은 열전소자(400)를 이용하여 냉각기를 구성한 일 실시예를 도시한 것으로서, 제1, 제2, 제3, 제4 열전소자(410)(420)(430)(440)로 구성하고, 각 열전소자의 흡열면(吸熱面)은 냉각판(310)(320)(330)으로, 발열면(發熱面)은 방열기(R)로 각각 기능을 하도록 구성함으로써, 다단 냉각에 의해 제습이 완료된 공기를 상온으로 가열하여 출력되도록 구성한 것이다.

본 발명의 권리범위는 상기에서 설명한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변형 실시될 수 있다.

200: 증발기
210: 습채널, 220: 급수라인
300: 냉각기
310: 제1 냉각판, 320: 제2 냉각판, 330: 제3 냉각판
400: 열전소자
410:제1열전소자, 420:제2열전소자, 430:제3열전소자, 440:제4열전소자

Claims (7)

1. 인입공기에 함유된 일정량의 수분을 제거하여 건조공기를 만드는 제습방법에 있어서,
   단열 상태에서 인입공기에 수분을 가하는 가습단계를 수행한 이후에,
   제습 냉각단계를 수행하여 절대습도를 낮추는 것을 특징으로 하는 제습방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 가습단계는,
   증발기로 인입공기를 통과시켜, 상기 인입공기가 상기 증발기 표면에 접촉되면서 증발 잠열에 의해 저온 다습한 공기로 출력되도록 하는 것을 특징으로 하는 제습방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 가습단계의 증발기는,
   송풍장치에 의해 인입된 공기가 통과되어 저온 다습한 공기로 출력되는 다수의 습채널로 구성되어 이루어지되,
   상기 각 습채널은, 증발 및 열교환 매체에 얇은 수막이 형성되도록 구성하되, 상기 각 습채널들이 서로 접하게 배치도록 함으로써,
   어느 한 습채널 내부에서 발생되는 인입공기의 증발 잠열이, 인접 습채널로 전달되어 상기 인접 습채널 내부의 냉각작용을 수행하는 것을 특징으로 하는 제습방법.
   
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 제습 냉각단계는,
   상기 가습단계를 거친 공기가 다단 배열된 다수의 냉각판을 순차적으로 통과함으로써, 단계적으로 서서히 냉각되는 것을 특징으로 하는 제습방법.
   
5. 인입공기에 함유된 일정량의 수분을 제거하여 건조공기를 만드는 제습장치에 있어서,
   유입되는 인입공기를 저온 다습한 공기로 출력하는 증발기(200)와,
   상기 증발기를 통과한 공기를 냉각시키는 냉각기(300)와,
   상기 냉각기를 통과한 공기를 가열시키는 방열기(R) 및
   상기 인입공기를 유동시키고 배출시키기 위한 송풍수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 제습장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 증발기(200)는, 증발 및 열교환 매체에 얇은 수막이 형성되도록 구성되어, 유입되는 인입공기를 상기 수막에 접촉시켜 저온 다습한 공기로 출력시키는 단위 습채널(210)들이 다수 개 결합되어 이루어지되,
   상기 각 습채널로 유입되는 인입공기의 진행방향이 서로 반대방향을 가지도록 하여, 상기 각 습채널들이 서로 연접하게 배치되도록 구성됨으로써,
   어느 한 습채널 내부에서 발생되는 인입공기의 증발 잠열이, 인접 습채널로 전달되어 상기 인접 습채널 내부의 냉각작용을 수행하는 것을 특징으로 하는 제습장치.
   
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   상기 냉각기(300)는, 다수 개의 냉각판이 일정 간격으로 이격 배열되며, 상기 증발기(200)를 통과한 공기의 온도를 강하시키도록 하되,
   상기 각 냉각판은 유입 공기의 유동방향을 따라 순차적으로 낮은 표면온도를 갖는 것을 특징으로 하는 제습장치.
   

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