Битва за влажность: собираем брутальный увлажнитель воздуха

Материал из FadeDEAD.ORG
Перейти к: навигация, поиск
Самый простой увлажнитель пульверизатор, который можно найти в IKEA

Эх, не часто получается у меня что-то новое писать, да ещё события все эти с Telegram тут... На некоторое время заставило вывалиться из колеи, и озаботиться поисками VPN. Впрочем, и сложа руки я тоже не сидел — появились небольшие продвижения в моем новом DIY проекте — увлажнителе воздуха. Итак, увлажнитель воздуха. Брутальный, традиционно-паровой и беспощадный. Управляемый Arduino, и потребляющий 300 ватт.

Предпосылки

Для начало стоит пояснить очевидный вопрос — зачем? Причин несколько. Во первых: была зима, было жарко (из-за отопления), и мне лично показалось, что попытки увлажнения воздуха с помощью обычного пульверизатора положительно влияют на на мое самочувствие и работоспособность. Здесь можно много спорить, я в вопросе не разбираюсь, поэтому причина весьма субъективная. Однако вторая причина чуть более резонная: в нашей небольшой домашней оранжерее появилось довольно интересное растение семейства Марантовых: Calathea (Калатея). И одной важной его особенностью является повышенная требовательность к влажности воздуха.

Ещё на этот счёт мне вспоминается недавний поход в ботанический сад МГУ «Аптекарский огород». В павильоне где были расположены тропический растения была ярко выраженная атмосфера тропиков, влажность воздуха очень чувствовалась. Видимо мне захотелось такую вот атмосферу воспроизвести. Ну, а если мне что-то захотелось…

Первый прототип мне хотелось собрать буквально за день, поэтому я особо не заморачивался. Хотя честно говоря — следовало бы.

Конструкция

Без долгих раздумий в ход пошли 2 больших пластиковых контейнера из Ашана, несколько пачек вискозных (и разных других) салфеток, скрепки, стальная проволока, канализационные трубы и магия оплётка от UTP Cat 5. Ну, ещё по дороге заехал в DNS и взял там кулер TY-143 размером 140x140. С максимальным воздушным потоком среди всего ассортимента. Забегая вперёд — этот кулер на максимальных оборотах издавал звук работы целой серверной. Зато поддерживал PWM. Позже я ещё второй такой взял.

Практически за один вечер, из всего этого добра возникло это:

Работать это должно было следующим образом. Мы берем два пластиковых ящика, и делаем из них замкнутое пространство, которое заполняем вертикально висящими вискозными салфетками, так, чтобы нижним своим концом они были погружены в воду. Сверху ящика ставим вентилятор, который будет задувать внутрь воздух, сбоку — прилаживаем трубу, из которой воздух будет выходить. Ну и дальше понятно — за счет капиллярного эффекта салфетки намокают, и за счет того, что площадь их поверхности значительно больше, чем у просто ящика с водой, испарение с их поверхности будет идти значительно эффективнее.

Правда, это только в теории так. Кстати, о теории…

Немного теории

Увлажнители вообще можно разделить на 4 основных типа[1]:

  • Традиционные. Работа основана на естественном испарении воды при комнатной температуре. Просты в конструкции, но не способны достичь высоких показателей влажности (80-100%)
  • Паровые. В принципе, это то же самое, но только вода здесь принудительно нагревается, испаряясь при этом значительно интенсивнее. Легко могут сделать 100% влажности, в качестве побочного эффекта поднимают температуру в помещении, есть опасность выпадения конденсата.
  • Ультразвуковые. Это довольно новая концепция, основанная на дроблении воды на микроскопические капли с помощью ультразвука (пьезоэлектрической мембраны, излучающей звуковые колебания частотой несколько МГц). Самый популярный способ в бытовых увлажнителях. Относительно эффективен при должном количестве ультразвуковых элементов, однако очень требователен к чистоты заливаемой воды, в идеале должен работать исключительно на дистилляте. В противном случае, все растворенные и находящиеся в воде вещества оказываются взвешены в воздухе: от крупинок солей, до микроорганизмов. Эта та самая причина, по которой от таких увлажнителей образуется знаменитый «белый налёт». Да и сами пьезоэлементы не то чтобы очень надежны и долговечны.
  • Форсуночные. То же, что и ультразвуковые, только без ультразвука, но с необходимостью создания высокого давления. Пульверизатор из IKEA можно, кстати, отнести именно к этой категории. Суть та же: дробим воду на мелкие капли, которые испаряются быстрее.

Здесь нужно обязательно упомянуть, что до всех моих манипуляций с самодельным увлажнителем, мы попробовали просто взять, и купить таковой в магазине:

Tefal Aqua Perfect HD5230F0

Но результатом было разве что, лёгкое разочарование. Никакими правдами и неправдами эта штука не могла поднять влажность выше 40% (с 20% изначальных), да и то, только в радиусе нескольких метров. При том, действительно рядом понемногу нарастал белый налёт, в том числе (о ужас) на листьях растений. Замеры я проводил самодельным датчиком на основе BME280, Arduino и пары транзисторов.

DIY гигрометр на основе BME280.jpg

Нагреваем водичку

Насос стеклоомывателя в разборе

Неудача с покупкой бытового увлажнителя только подстегнула мой интерес к созданию своего собственного. После первых испытаний описанной тестовой модели, выводы были таковы:

  • Капиллярный эффект в вискозных салфетках весьма и весьма невелик. Максимум они намокают на 2-3 сантиметра по высоте. Поэтому, без принудительного их увлажнения во всю длину обойтись не получиться.
  • Когда салфетки всё-таки намокают, они становятся ОЧЕНЬ ТЯЖЕЛЫМИ. Стальная проволока на которую был нанизан весь «картридж» в количестве четырех прутьев мгновенно прогнулась, и все салфетки просто уперлись в дно контейнера. Это заставило меня задуматься о более жестком каркасе на крышке устройства.
  • Увлажняющая способность такого устройства присутствует, но опять-же не превышает тех самых 40%. Однако, как мне показалось, объём воздуха оно способно увлажнить несколько б́ольший, чем бытовой увлажнитель.
  • Через примерно неделю вода застаивается, и начинает источать признаки неприятного запаха, правда, не такого сильного. При полном испарении воды запах пропадает.
  • При попытке нагреть воду в контейнере где-то до 60 °C, влажность воздуха на выходе несколько подросла, в частности у самого окончания трубы показания доходили до 70%

Скомпилировав все эти мысли воедино, я решил добавить в конструкцию нагрев воды, и систему насосов для эффективного переноса этой воды на салфетки. Пошарив по Aliexpress я нашел вот такой интересный водонагреватель на 12 вольт и 300 ватт фирмы Dernord, который почти идеально вписался в конструкцию из пластиковых ящиков:

Элемент Пельтье — ещё один прожорливый вид нагрузки, который уже нельзя подключить к 220

Нюанс этого нагревателя в том, что он рассчитан на 12 вольт, что при мощности 300 ватт даёт ровно 25 ампер тока. А это уже нешуточный ток, от которого греются провода и клеммные соединения, и который в домашних условиях не так-то просто коммутировать.

Почему, собственно, 12 вольт? Наверное мне хотелось верить, что это будет безопаснее чем 220 без гальванической развязки, хотя нагреватель на 220 вольт и на такую мощность можно было коммутировать какими-нибудь простенькими твердотельными реле, это было бы всего 2 ампера.

Для питания нагревателя (и всей электроники увлажнителя в целом) я решил использовать обычный ATX блок питания на 600 ватт и 4 параллельно включенных MOSFET IRF540. Из операционного усилителя LM358 я сделал нечто вроде драйвера для транзисторов, выдающего на затворы положенные 12 вольт, но управляемого от 5 вольт, то есть, включение и выключение нагревателя можно было легко (и бесшумно!) контролировать от Arduino. Выглядело это примерно вот так:

Для питания нагревателя я решил использовать оба вывода PCI-E с блока питания, и от них питать только нагреватель, чтобы скачки токов и падения напряжений меньше затрагивали основную электронику. Поэтому там еще есть разъём с 4 пинами (для CPU), который выведен на свою клемму, и содержит в цепи большой конденсатор (на фото не впаян). Как видно, с печатной платой особо не заморачивался, и “изготовил” её с помощью канцелярского ножика, линейки и некоторого количества усидчивости. От использования Breadboard PCB пришлось отказаться из-за того, что шаг (и толщина) ножек у ATX разъёмов совсем не совпадают со стандартным шагом 2.54. Да и 25 ампер…

Для красоты на плату я напаял несколько SMD 0603 светодиодов. Первые тесты прошли почти успешно.

Блок питания справлялся с нагрузкой без каких-либо проблем, плата, провода и дорожки на плате почти не грелись, нигде ничего не дымилось. В целом был бы полный успех, если бы не одно НО. Ставить в такую плату вслепую IRF540 только потому, что они у меня были было былинным провалом. У них оказалось слишком большое сопротивление открытого канала (RDSon)… Что естественно привело к тому, что без теплоотвода на таком токе они перегревались, и довольно быстро. Даже в количестве 4-х штук. Проблема показала, что надо чуть лучше думать, прежде чем что-то паять.

У IRF540 RDSon составляет аж 55 мОм. И это при том, что сейчас широко распространены MOSFET'ы с RDSon в 2 и даже 1 мОм, например, такие можно легко найти во всяких материнских платах. Есть MOSFET'ы, у которых в допустимых параметрах совершенно серьезно указан допустимый ток в 200 А…

Я впрочем не расстроился, и заказал себе пачку IRF1405 на Aliexpress, у которых RDSon составляет 5 мОм. Теоретически, они нагреваться должны в 11 раз меньше при прочих равных условиях. Мне совсем не хочется городить алюминиевые радиаторы с кулерами там, где они не нужны, поэтому как придут, скорее всего плату я перепаяю, надеюсь, не угроблю при этом.

В самом начале нужно было ещё задать риторический вопрос, почему я просто не поставил реле?!

Ответ очень простой: оно щёлкает. Да и вообще это не инновационно. А используя MOSFET даже нечто подобное PWM можно подать на наш нагреватель. Только не с очень большой частотой, а то “драйверу” из LM358 плохо станет.

Дальнейшие планы

Проект надо признаться, пока что в зачатке — надеюсь в отличие от приличного количества других моих проектов он из этого зачатка скоро выберется. В ближайших планах надо будет допилить эту плату с транзисторами, доделать каркас крыши, наладить перекачку воды, и в минимальном варианте оформить управляющую электронику в лице Arduino. Вот такие интересные датчики мне недавно пришли, кстати:

Бесконтактный датчик уровня воды

Говорят что это бесконтактный датчик уровня воды, может чувствовать воду прямо через корпус. С их помощью я думаю обезопасить нагреватель от включения, когда в контейнере нет воды. Кстати нагреватель вполне нормально прижился в пластиковом контейнере — грани которые соприкасаются с пластиковым корпусом у него почти не греются.

Так же думаю подключить несколько датчиков температуры DS18B20 для измерения температуры воды, так можно организовать обратную связь для поддержания нагревателя включенным только когда это необходимо, ну и конечно, в дальнейшем, соединить увлажнитель со своим умным домом. Не говоря о всяких светодиодных лентах внутри корпуса и прочих красивостях.

На этом пока всё, до скорых (надеюсь) встреч :)


Добавить свой комментарий
На сайте FadeDEAD.ORG приветствуются все комментарии. Если вы не хотите быть анонимным, зарегистрируйтесь или представьтесь. Это бесплатно.