KR20170056211A - 에너지절약형 제습분리막 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 종래의 제습분리막이 스윕가스를 균등하게 분배하지 못하여 분리효율이 떨어지는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 중공사가 집합되는 헤더에 스윕가스가 유입되는 유입구를 여러 개 설치하고, 효율적으로 배치함으로써 중공사 모두에 스윕가스를 균등하게 분배하여 유입시키는 결과 분리효율이 높아진 에너지절약형 제습분리막 모듈에 관한 것이다.

Description

에너지절약형 제습분리막 모듈{Energy-saving type Dehumidifying membrane module}
본 발명은 에너지절약형 제습분리막 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스윕가스의 유입구와 배출구를 여러 개로 늘리고 적정 배열방법 및 이격거리를 달리하여 스윕가스가 분리막 내에서 균등하게 분배되어 흐르도록 함으로써 에너지 소비량 대비 제습효율을 높일 수 있는 에너지절약형 제습분리막 모듈에 관한 것이다.
산업현장 특히 발전소 등에서 배출되는 배기가스는 수증기를 포함하여 백연을 발생시킨다. 백연은 경관을 해칠 뿐만 아니라 거주민들의 민원을 야기하고, 가시거리를 제한하여 여러 사고의 원인이 된다. 또, 건물의 공조시스템 내에서 순환하거나 외부로부터 유입되는 공기는 특히 여름철에 습도가 높아 불쾌감을 야기하고, 체감온도를 상승시킨다.
따라서 종래부터 습기를 제거하기 위한 여러 가지 방안이 연구되어 왔다. 근래에 가장 효율적인 방안은 기체 분리막을 이용하여 혼합가스에 포함된 수증기를 제거하는 방안으로 막에 의한 선택적인 가스투과원리에 의하여 진행된다. 기체혼합물이 막 표면에 접촉하였을 때 기체성분은 막 속으로 용해, 확산하게 되는데 이 때 각각의 기체성분의 용해도와 투과도는 막물질에 대하여 서로 다르게 나타나게 되는 원리를 이용한 것이다. 분리막을 이용한 막분리공정은 상(Phase)변화가 없고 에너지 소모가 적은 장점 때문에 여러 분야에서 광범위하게 응용되고 있다. 그럼에도 불구하고 제습에 사용되는 분리막의 경우 아직까지 분리효율이 낮고, 이에 따른 설치면적 증가의 문제 등에 의하여 잘 사용되고 있지 않다. 또, 최근 들어 발전소 같은 대형 산업설비뿐만 아니라 건물의 공조시스템 내에도 제습분리막을 설치려는 시도가 있지만 위와 같은 문제점 때문에 상용화되기 어려운 실정이다.
통상적인 제습분리막으로는 설치면적 대비 분리효율이 높은 중공사막이 이용된다. 중공사막 모듈은 헤더에 중공의 가느다란 실형태의 미세관이 다발로 꽂혀있는 형태가 하나의 모듈을 이룬다. 중공사는 수증기를 포함한 혼합가스의 흐름방향과 수직으로 배열되고, 중공사의 면은 수증기만을 선택적으로 투과시켜 중공사막 내부로 혼합가스에서 제거된 수증기가 분리된다.
제거된 수증기는 헤더를 통해 중공사 내부로 유입되는 스윕가스에 의해 휩쓸려 배출된다. 분리막을 경계로 일측과 타측의 물질농도 차이가 높을수록 선택적 투과가 활발하게 일어나기 때문에 중공사 내부의 수증기를 제거함으로써 분리효율을 높이기 위함이다.
하지만 종래기술은 스윕가스의 유입구를 하나만 설치해 유입되는 부분 주변의 중공사에만 집중적으로 스윕가스가 공급되는 문제점이 있다. 동일한 에너지가 소비되더라도 모든 중공사에 스윕가스가 균등하게 분배된다면 분리효율이 높아질 수 있을 것이다.
특허문헌 1 : 한국등록특허 제 10-1328447 호
본 발명은 종래기술의 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 중공사막 내측으로 유입되고 배출되는 스윕가스를 단위 모듈의 모든 중공사에 균등하게 분배되어 유입되게 함으로써 분리효율을 높일 수 있는 에너지 절약형 제습분리막모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 에너지 절약형 제습분리막모듈은 중공사 형태이고, 양단에 개구가 형성되어 있는 여러 개의 분리막과 일면은 상기 분리막의 일단에 형성되어 있는 개구와 연통하고, 타면에는 스윕가스가 유입되는 여러 개의 유입구가 설치되어 있는 유입헤더와 일면은 분리막의 타단에 형성되어 있는 개구와 연통하고, 타면에는 스윕가스가 배출되는 여러 개의 배출구가 설치되어 있는 배출헤더를 포함하고, 분리막은 수증기를 포함한 혼합가스의 진행방향과 상기 분리막의 길이방향이 수직되게 배치되고, 내측으로 수증기를 선택적으로 분리하는 것을 특징으로 한다.
또, 여러 개의 유입구와 여러 개의 배출구는 각각 일대일 대응하여 서로 대향되게 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 여러 개의 유입구는 상하, 좌우 방향으로 열을 맞추어 배열되고, 동일한 열에 배열된 유입구는 배열된 열이 속하는 유입헤더 타면의 분할선 길이의 30% 이상 이격되어 설치되는 것을 특징으로 한다.
또, 동일한 열에 배열된 유입구에서 선두와 후미에 배열된 유입구는 분할선 양 끝점에서 분할선 길이의 15% 이상 이격되어 설치되는 것을 특징으로 한다.
또, 제 1 헤더의 일면과 타면의 거리는 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또, 제 2 헤더의 일면과 타면의 거리는 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 스윕가스 유입구를 여러 개 설치하고, 효율적으로 배치하여 모듈 내의 모든 중공사 내부에 스윕가스가 균등하게 유입된다. 따라서 종래의 제습분리막과 비교하여 소비되는 에너지는 동일하지만 수증기의 분리효율은 증가한다. 그 결과 동일한 수증기를 제거하는데 필요한 분리막 유닛의 설치면적을 줄일 수 있는 에너지절약형 제습분리막 모듈을 제공한다.
도 1은 제습시스템을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 2는 중공사막 유닛을 나타낸 사시도이다.
도 3은 중공사막 모듈(300)을 도시한 사시도이다.
도 4, 5는 유입헤더 부분의 종방향 단면을 나타낸 단면도이다.
도 6은 높이를 조절할 수 있는 유입헤더(350)를 나타낸 부분적으로 투시된 사시도이다.
도 7은 실시예 1-6의 중공사막 모듈의 제습량 비와 제습성능비의 실험결과 그래프이다.
이하, 본 발명의 제 1 실시형태를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 제습시스템을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
본 발명의 실시형태에서의 제습시스템(100)은 건물 공조시스템의 구성요소인 덕트(106)에 설치되는 경우를 산정하였다. 하지만 이에 국한되지 않고, 발전소의 냉각탑 등과 같은 여러 산업설비에 설치될 수 있다.
제습시스템(100)은 수증기가 혼합된 혼합기체가 흐르는 유로인 덕트(106)와 덕트(106) 내에 설치된 중공사막 유닛(200)과 부압펌프(102)와 기액분리기(104)를 포함한다. 중공사막 유닛(200)은 여러 개의 중공사막 모듈(300)이 모여 이루어진다.
덕트(106)의 상류 측에는 수증기가 혼합된 혼합기체(화살표 A)가 흐르고, 하류 측에는 중공사막 유닛(200)을 통과하여 수증기가 제거된 혼합기체(화살표 B)가 흐른다. 수증기가 제거된 혼합기체는 실내로 공급되며 습도가 낮기 때문에 쾌적감을 제공한다.
스윕가스는 중공사막 유닛(200)으로 유입되어(화살표 C) 중공사 내부에서 분리된 수증기와 함께 중공사막 유닛(200) 밖으로 배출된다.(화살표 D)도 1에서 도시한 바와 같이 혼합기체와 스윕가스가 흐르는 방향은 서로 수직한다.
부압펌프(102)는 스윕가스가 흐를 수 있도록 스윕가스가 배출되는 측(화살표 D)에 부압을 형성하는 장치로 공지의 부압펌프이다. 따라서 스윕가스는 화살표 C측에서 화살표 D측으로 빨려 들어가 화살표 C, D방향으로 이동하게 된다.
기액분리기(104)는 혼합기체에서 분리된 수증기를 응결하여 액상으로 만드는 장치로 공지의 기액분리기(104)이다. 액상으로 변한 수증기는 제습시스템(100) 외부로 배출되거나 저장탱크(미도시)로 이송되어 보관된다.
도 2는 중공사막 유닛을 나타낸 사시도이다.
중공사막 유닛(200)은 수 개의 중공사막 모듈(300)과 각각의 중공사막 모듈(300)의 중공사 내측과 연통되고, 중공사막 모듈(300)의 일단에 설치되어 중공사 내측에 스윕가스를 공급하는 유입챔버(240)와 유입챔버(240)에 설치되어 외부에서 유입챔버(240)로 스윕가스를 공급하는 유입관(220)과 각각의 중공사막 모듈(300)의 중공사 내측과 연통되고, 중공사막 모듈(300)의 타단에 설치되어 중공사 내측의 스윕가스를 배출시키는 배출챔버(230)와 배출챔버(230)에 설치되어 배출챔버(230)에 모인 스윕가스가 외부로 배출되는 유로인 배출관(210)을 포함한다.
수증기를 포함한 혼합기체는 덕트(106)의 상류측(화살표 A)에서 여러 개의 중공사막 모듈(300)을 거치고, 중공사막 모듈(300)에서 수증기는 중공사면을 투과하여 중공사 내측으로 분리되지만 수증기를 제외한 혼합기체는 중공사면을 투과하지 못하고 그대로 흘러 덕트(106)의 하류측(화살표 B)에 이른다.
반면, 스윕가스는 외부(화살표 C)로부터 유입관(220)을 따라 유입챔버(240)로 공급되고, 유입챔버(240)에 공급된 스윕가스는 수개의 중공사막 모듈(300) 각각에 유입되어 중공사 내측을 거치고, 중공사 내측에서 분리된 수증기와 함께 중공사 내측에서 배출되어 배출챔버(230)로 모이고 배출챔버(230)에 모인 스윕가스와 수증기는 배출관(210)을 따라 기액분리기(104)로 이송된다. 배출챔버(230)는 상술한 부압펌프(102)에 의해 부압이 형성되어 있어 대기압보다 낮고, 유입챔버(240)의 기압은 대기압보다 높기 때문에 스윕가스는 이러한 압력 차에 의해 이동하게 된다.
상술한 혼합기체가 흐르는 계와 스윕가스가 흐르는 계는 중공사막 모듈(300)에 의해 서로 차단되고, 차단된 계 사이는 중공사막 모듈(300)의 중공사를 투과한 수증기만이 이동하게 된다.
도 3은 중공사막 모듈(300)을 도시한 사시도이다.
중공사막 모듈(300)은 중공 형태이고, 양단에 개구가 형성되어 있는 여러 개의 중공사가 모여 있는 중공사 다발(310)과 직육면체 형태이고, 윗면은 중공사의 아랫단에 형성되어 있는 개구와 연통하고, 아랫면은 스윕가스가 유입되는 2 개의 유입구(360)가 설치되어 있는 유입헤더(350)와 직육면체 형태이고, 아랫면은 중공사의 윗단에 형성되어 있는 개구와 연통하고, 윗면에는 스윕가스가 배출되는 2 개의 배출구(360)가 설치되어 있는 배출헤더(330)를 포함한다.
종래의 중공사막 모듈은 유입구와 배출구가 각각 1개씩 형성되어 있는 것에 반해 본 발명의 실시형태에서는 유입구, 배출구(360)의 개수는 각각 2 개이고 나아가 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않고 유입구, 배출구의 개수가 2 이상인 경우도 포함한다. 헤더(330, 350)의 형태 또한 제한되지 않는다.
중공사는 중공의 미세한 원통형태이고, 양단에 개구가 형성되어 있다. 중공사 면은 혼합기체 중 수증기만을 선택적으로 투과하여 중공사 내측으로 분리한다.
중공사의 아랫단 개구는 유입헤더(350)와 연통되어있고, 유입헤더(350)는 유입구(360)를 통하여 유입챔버(240)와 연통되어 있기 때문에 스윕가스가 공급된다.
중공사의 윗단 개구는 배출헤더(330)와 연통되어 있고, 배출헤더(330)는 배출구(360)를 통하여 배출챔버(230)와 연통되어 있기 때문에 스윕가스가 배출된다.
스윕가스는 유입구(360)를 통해 유입헤더(350)로 공급되어 중공사 내측을 거치고, 중공사 내측에서 분리된 수증기와 함께 배출해더(330)로 모여 배출구(360)를 통해 배출된다.
유입구, 배출구(360) 공지의 노즐일 수 있고, 바람직하게는 여러 개의 유입구와 상기 여러 개의 배출구는 각각 일대일 대응하여 서로 대향되게 설치되어 있을 수 있다. 따라서 스윕가스가 균등하게 유입되고, 이를 유지하면서 배출될 수 있다.
더 바람직하게는 배출구(360)는 유입구(360)와 일대일 대응하여 서로 대향되게 설치되고, 유입구(360)는 상하, 좌우 방향으로 열을 맞추어 배열되고, 동일한 열에 배열된 유입구(360)는 배열된 열이 속하는 유입헤더 타면의 분할선(A) 길이의 30% 이상 이격되어 설치될 수 있다.
더욱 더 바람직하게는 동일한 열에 배열된 유입구(360)에서 선두와 후미에 배열된 유입구(360)는 상술한 분할선(A) 양 끝점에서 분할선(A) 길이의 15% 이상 이격되어 설치될 수 있다. 이하 그 이유를 설명한다.
도 4, 5는 유입헤더 부분의 종방향 단면을 나타낸 단면도이다.
도 4에서 나타낸 바와 같이 유입구(360)가 2개인 경우 1개인 경우보다 스윕가스가 균등하게 분배된다. a는 유입구(360)간 이격된 거리이고, b는 유입헤더(350) 아랫면의 가장자리로부터 유입구(360)가 이격된 거리이다.
그러나 도 5에서 나타낸 바와 같이 유입구(360)간 이격된 거리가 너무 짧으면 각각의 유입구(360)에서 분사된 스윕가스가 서로 간섭하여 c로 표시된 부분만큼 스윕가스가 제대로 공급되지 않는 음영대가 발생한다. 이러한 현상은 유입헤더(350) 아랫면의 가장자리와 유입구(360) 간의 이격된 거리가 짧을 때도 분사된 스윕가스가 유입헤더(350)의 내벽에 충돌하여 발생하게 된다.
따라서 이러한 음영대가 발생하지 않기 위해서는 유입구(360) 간 또는 유입구(360)와 유입헤더(350) 아랫면의 가장자리가 일정길이 이상 이격되어 있어야 한다.
후술하는 실험결과에서 나타난 바와 같이 통상적인 중공사막 모듈에서는 a의 길이는 도 3에서 도시한 분할선(A) 길이의 30% 이상 이어야 하고, b의 길이는 이의 1/2인 도 3에서 도시한 분할선(A) 길이의 15% 이상이어야 한다.
하지만 통상적이지 않은 중공사막 모듈 예를 들면 도 5에서 도시한 바와 같이 헤더의 높이가 높은 경우 같은 경우에는 헤더의 윗면(일면)과 아랫면(타면)의 거리를 조절함으로써 스윕가스의 기체분자의 운동파동이 서로 간섭되지 않게 할 수 있다. 즉 도 5에서 유입헤더(350)의 윗면을 스윕가스의 기체분자의 운동파동이 서로 간섭되는 지점의 아래까지 내리면 이러한 간섭현상은 발생하지 않는다. 이는 배출헤더(330)에도 동일하게 적용된다.
도 6은 높이를 조절할 수 있는 유입헤더를 나타낸 부분적으로 투시된 사시도이다.
높이를 조절할 수 있는 유입헤더(350)는 높이가 조절되는 상부플레이트(410)와 프레임(430)과 플레임(430) 내벽 내측에 설치된 실링막(450)과 랙-피니언 기어를 포함하는 이동장치(470)를 포함한다.
상부플레이트(410)는 상술한 유입헤더(350)의 윗면에 대응되는 평판으로 수 개의 중공사가 수용되어 높이를 조절할 수 있는 유입헤더(350)의 내부공간과 연통될 수 있도록 하는 수 개의 개구가 열을 맞추어 형성되어 있다.
플레임(430)은 윗면이 없는 육면체 형태로 내벽(옆면) 내측에는 실링막(450)이 설치되어 있다. 실링막(450)은 공지의 실링부재로 예를 들면 합성고무가 도포될 수 있다. 이는 상부플레이트(410)와 플레임(430) 내벽(옆면) 내측과 접합하는 부분에서 스윕가스가 빠져나가지 않고 온전히 중공사 내부로 유입되게 하는 동시에 상부플레이트(410)의 이동이 마찰 없이 이동하게하기 위한 것이다.
상부플레이트(410)의 각 모서리에는 아래 방향으로 지지다리와 같은 형태로 랙기어가 설치된다. 이에 대응하여 기어이가 맞물리게 플레임(430)의 각 모서리에는 피니언기어가 형성되어 있다. 이동장치(470)는 랙기어와 피니언 기어를 포함할 수 있고, 피니언기어가 회전함에 따라 랙기어가 상부 또는 하부로 이동하여 이와 연결된 상부플레이트(410)의 높이를 조절할 수 있다.
상기 랙기어와 피니언 기어는 공지의 기술로서 자세한 설명은 생략한다. 피니언 기어에는 모터(미도시)가 연결되어 회전동력을 제공할 수있고, 모터는 원격조정장치(미도시)에 의해 제어될 수 있다.
이하 실험을 통하여 본 발명의 효과를 증명한다.
<실시예 1>
1개의 유입관과 1개의 배출관이 서로 대향되게 설치되어 있는 종래의 중공사막모듈이다.
<실시예 2>
1개의 유입관과 1개의 배출관이 서로 사선 방향으로 유입헤더 또는 배출헤더의 가장자리에 설치되어 있는 중곡사막모듈이다.
<실시예 3>
열을 맞춘 3개의 유입관과 열을 맞춘 3개의 배출관이 서로 대향되게 설치되어 있고, 유입관들과 배출관들의 간격은 배열된 열이 속하는 유입헤더 타면의 분할선 길이의 20%인 중공사막모듈이다.
<실시예 4>
열을 맞춘 2개의 유입관과 열을 맞춘 2개의 배출관이 서로 대향되게 설치되어 있고, 유입관들과 배출관 들의 간격은 배열된 열이 속하는 유입헤더 타면의 분할선 길이의 30%인 중공사막모듈이다.
<실시예 5>
1개의 유입관이 유입헤더 중앙에 설치되어 있고, 열을 맞춘 2개의 배출관이 배열된 열이 속하는 배출헤더 타면의 분할선 길이의 30% 이격되어 배출헤더에 설치되어 있는 중공사막모듈이다.
<실시예 6>
열을 맞춘 2개의 유입관이 배열된 열이 속하는 유입헤더 타면의 분할선 길이의 30% 이격되어 유입헤더에 설치되어 있고, 1 개의 배출관이 배출헤더 중앙에 설치되어 있는 중공사막 모듈이다.
도 7은 실시예 1-6의 중공사막 모듈의 제습량비와 제습성능비의 실험결과 그래프이다. 동일한 조건에서 상술한 실시예 1-6의 중공사막 모듈에 상대습도 57%, 기온 30.6?, 이슬점 21.1?의 대기를 각각 5LPM, 10LPM의 투과속도로 투과하여 제습량과 제습성능을 측정하였고, 실시예 1의 실험값을 기준값 1로 하여 실시예 5-6의 실험값을 이에 대한 비율로 나타냈다. 그래프의 x축은 실시예를 의미하고, y축은 도 7a에서는 제습량비(Dehumidification amount rate)를 의미하고, 도 7b에서는 제습성능비(Dehumidification perfomance rate)를 의미한다.
실험결과를 분석하면, 실시예 1과 실시예 2의 실험결과를 비교하면 유입관과 배출관을 서로 대향되게 설치하는 것이 서로 대향되지 않게 설치하는 것 보다 제습효과를 증대시켜 에너지효율적인 것을 알 수 있다.
또, 실시예 4와 실시예 5, 6을 비교하면 유입관과 배출관의 개수를 서로 동일하게 설치해야 하는 것을 알 수 있다.
즉 유입관과 배출관은 서로 일대일 대응하여 서로 대향되게 설치되야 한다.
또, 실시예 4와 3을 비교하면 유입관끼리 또는 배출관끼리의 간격이 중요한 요소인 것을 알 수 있다. 너무 근접하면 상술한 간섭현상이 발생하여 바람직하지 않다.
실시예 4의 경우 기존의 제습분리막(실시예 1)과 비교하여 제습량은 약 2-17% 상승하고, 제습성능은 약 6-8% 상승하였다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시형태에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시형태에 국한되어 정해져서는 안 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 제습시스템 102 : 부압펌프
104 : 기액분리기 106 : 덕트
200 : 중공사막 유닛 210 : 배출관
220 : 유입관 230 : 배출챔버
240 : 유입챔버 300 : 중공사막 모듈
310 : 중공사 다발 330 : 배출헤더
350 : 유입헤더 360 : 유입구, 배출구
410 : 상부 플레이트 430 : 플레임
450 : 실링막 470 : 이동장치

Claims (6)

  1. 중공사 형태이고, 양단에 개구가 형성되어 있는 여러 개의 분리막;
    일면은 상기 분리막의 일단에 형성되어 있는 개구와 연통하고, 타면에는 스윕가스가 유입되는 여러 개의 유입구가 설치되어 있는 유입헤더; 및
    일면은 상기 분리막의 타단에 형성되어 있는 개구와 연통하고, 타면에는 스윕가스가 배출되는 여러 개의 배출구가 설치되어 있는 배출헤더;
    상기 분리막은 수증기를 포함한 혼합가스의 진행방향과 상기 분리막의 길이방향이 수직되게 배치되고, 내측으로 수증기를 선택적으로 분리하는 것을 특징으로 하는 제습분리막 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 여러 개의 유입구와 상기 여러 개의 배출구는 각각 일대일 대응하여 서로 대향되게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 제습분리막 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 여러 개의 유입구는 상하, 좌우 방향으로 열을 맞추어 배열되고, 동일한 열에 배열된 유입구는 배열된 열이 속하는 상기 유입헤더 타면의 분할선 길이의 30% 이상 이격되어 설치되는 것을 특징으로 하는 제습분리막 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 동일한 열에 배열된 유입구에서 선두와 후미에 배열된 유입구는 상기 분할선 양 끝점에서 상기 분할선 길이의 15% 이상 이격되어 설치되는 것을 특징으로 하는 제습분리막 모듈.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항에 있어서,
    상기 유입헤더의 일면과 타면의 거리는 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 제습분리막 모듈.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항에 있어서,
    상기 배출헤더의 일면과 타면의 거리는 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 제습분리막 모듈.


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