Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 88.

Горячие секреты холода

Мы представляем очередную разработку рязанского изобретателя, уже хорошо знакомого читателю по публикациям в нашей газете. Это чудо-кондиционер, выполняющий одновременно с основной функцией роль воздухоочистителя, отопителя и ионизатора.

Крайне нестабильные температуры различных климатических зон в последние годы, сильная загазованность воздуха от транспортных средств, лесных и торфяных пожаров, резкие изменения влажности делают необходимым применение кондиционеров и климатических установок в рабочих и жилых помещениях, на транспорте. Все известные кондиционеры дорогие, они имеют большие габариты, вес и энергопотребление, низкую надежность и требуют перезарядки фреонов с текущим техническим обслуживанием.

Инициативная группа преподавателей с кафедры экологии и кафедры ремонта Рязанского военного автомобильного института (РВАИ) провела эксперименты с фильтрацией, ионизацией, подогревом и увлажнением воздуха на сильно развитых поверхностях углеродно-волокнистых структур (УВС). Было решено разработать кондиционер нового поколения на УВС.

Подробный анализ процессов теплообмена известных кондиционеров с воздухом показал, что узким местом в работе являются громоздкая радиаторная система, компрессорная установка и сам экологически вредный фреон. От последнего решили отказаться. Компрессор стал не нужен, а гладкие металлические радиаторы заменили развитыми пластинами из УВС. В качестве охлаждающих элементов применили термоэлектронные микроохладители (ТЭМО) нового поколения на металлоподложке, которые не боятся вибраций и ударов, потребляют мощность 75 Вт и создают перепад температур 72 °C. При этом они имеют габариты всего 40x40мм и низкую цену. Уже первый образец кондиционера на УВС с ТЭМО получился малогабаритным, недорогим, но достаточно эффективным.

Поскольку основной для кафедр РВАИ является автомобильная тематика, было решено адаптировать опытный образец под бортовую климатическую установку. Не изменяя конструкцию вентиляционно-отопительной системы автомобиля, отключили и убрали радиатор «печки» из кабины, а на ее место закрепили новое изделие. Гофрорукав от заборника атмосферного воздуха подключили на вход установки, где в небольшом пластмассовом стакане поместили двухзаходный шнек с покрытием из УВС, а под стаканом - небольшой фольгированный кожух со специально разработанной системой удаления пыли. Шнек подключался к минусу, а фольга - к плюсу высоковольтного блока питания.

Даже в небольшом объеме стакана интегральная поверхность шнека составляла более 5 кв.м, поэтому все частички пыли, сажи и дыма получали отрицательный заряд от УВС, силами Кулона собирались на положительной фольге кожуха и через трубку эжектора в выхлопной трубе выбрасывались за борт. В кабину поступал совершенно чистый воздух, дополнительно насыщенный отрицательными аэроионами, весьма полезными для экипажа, поскольку УВС шнеков по проходящему через них воздуху выполняли функции люстры Чижевского. Таким образом, первый каскад устройства успешно выполнил роль воздухоочистителя-ионизатора.

Второй каскад выполнили в виде кассеты с параллельными потоку воздуха 12 пластинами из УВС размером 200x100мм и с зазором в 4 мм между ними. Получился компактный и мощный щелевой теплообменник с активной физической интегральной поверхностью углерода около 50 кв.м, что на порядок превышало поверхность радиаторов известных кондиционеров. Теперь распределенный между пластин воздух контактировал с огромной поверхностью теплообменника. Осталось оптимизировать сам процесс теплообмена между ТЭМО и УВС.

Детальное изучение известных кондиционеров и холодильников, работающих на эффекте Пельтье, показало, что их разработчики пытаются как можно быстрее охладить воздух радиаторами холодного слоя ТЭМО. Но, поскольку воздух является мощным теплоизолятором, он плохо охлаждается гладкими металлорадиаторами, поэтому их приходится соединять в крупногабаритные сборки, что делает использование изделия нерациональным по размерам, энергетике и цене.

Как известно из армейских заповедей, короткий путь не всегда лучше длинного, поэтому цепь энергообмена решили немного удлинить.

Если маленький радиатор ТЭМО плохо отдает холод воздуху, то в тысячу раз лучше может отдавать холод жидкости, например обычной воде. Для проверки поместили радиатор ТЭМО в небольшую герметичную кассету, на вход которой подали теплую +25-30 °С воду из бачка стеклоомывателя. На выходе кассеты получили воду температурой +2-3 градуса. Пропитать холодной водой щелевой теплообменник из УВС труда не составило. Силами осмоса и капиллярной проводимости «ледяная» вода сама впитывалась из подводящих трубок и распределялась по развитым поверхностям пластин из УВС.

Осталось проверить перепад температур между входом и выходом нового кондиционера. Оказалось, что даже в сильную жару с температурой около 40 °С на выходе получался воздух +10-12 градусов, который создавал в кабине общую комфортную температуру около 20 °С.

Кроме того, в жаркое время года влажность воздуха более чем в 2 раза ниже нормы, поэтому зарубежные фирмы вкупе с кондиционером применяют паровые увлажнители воздуха, цена которых весьма велика. В нашем теплообменнике часть воды испаряется в воздух, дополнительно охлаждая его и доводя влажность с 20-25 % до нормы в 50-55 % без усложнения и удорожания конструкции.

В сырую дождливую погоду или осенние туманы, когда влажность стремится к 100 % и стекла начинают «потеть», снижая видимость дороги, наш кондиционер превращается в осушитель воздуха. Для этого выключают блок ТЭМО и краник подачи воды, на короткое время закрывают задвижку на выходе с кондиционера и выключают слабый ток нагрева УВС пластин. Последние быстро обсыхают, удаляя водяной пар через наружный люк заборника в атмосферу и превращаются во влагопоглотитель, причем в десятки раз более эффективный, чем распространенный силикагель. В кабину поступает воздух снова нормальной влажности 50-55 %.

Для надежной работы электроники в кабинах авиационных экипажей влажность воздуха должна быть ниже «земной» нормы, так как перепад давлений может вызвать низкую «точку росы». Поэтому наряду с «влажным» кондиционированием для наземных объектов и транспортных средств был дополнительно разработан вариант «сухого» кондиционирования на ТЭМО с УВС для авиации и других специальных объектов.

Поскольку УВС в гальванике отлично осаждает металлы, то внутри пластин теплообменника сделали щелевые полости из хрома, которые соединили через кассеты ТЭМО конвективным контуром с бачком антифриза. Теперь ТЭМО охлаждали антифриз «Тосол-А40» до 5-8 градусов мороза и более эффективно «загоняли» воздух без испарения жидкости по «сухой» методике.

На этом трансформации кондиционера не закончились. Зима заставила подумать над хорошей «печкой». Поскольку одни концы УВС пластин в кассете были закреплены на «массу» минуса 12В бортовой сети, а другие на стеклотекстолитовой панели, то осталось лишь подключить их через отдельный тумблер к плюсу 12В сети автомобиля. С 12 пластин УВС штатный вентилятор снимал больше 12 кВт тепловой энергии, так что пришлось ставить тиристорный регулятор температуры со шкалой, проградуированной в нужных градусах обогрева.

Таким образом, кондиционер нового поколения превратился в суперклиматическую установку, которой присвоили название «Виконт-I»: воздухоочиститель-ионизатор-кондиционер-отопитель наземный транспортный. Кроме дорожного и внедорожного транспорта, бронетанковых средств и авиации, «Виконт-I» может успешно служить на наземных объектах: ЦУПах, КПП, в офисах, различных производственных и жилых помещениях. Его цена не превышает 3 тыс. руб., срок эксплуатации более 10 лет без ремонтов и техобслуживания.

Н. Л. Егин

В восемьдесят девятом выпуске читайте: Новые технологии производства высоковольтных изоляционных систем