Автор: Николай Егин, г. Рязань
Аннотация: В настоящей статье описывается практическое применение обогревателей из аморфных лент и с углеродно-волокнистой структурой (УВС).
... Инженер Николай Еrин из Рязани настолько озабочен будущей холодной зимой, что уже сейчас предлагает заняться легкими и экономичными электронагревателями из углеродных волокон.
Лауреаты Нобелевской премии разработали «сверхпроводники», в которых ток вообще не выделяет тепло. А вот придумать «сверхтепловики», где вся электрическая энергия переходит в полезное тепло, пока не удалось. Подумайте, почему ТЭНы обогревателей накалены до предела, потребляют киловатты по счетчику, а вы ощущаете лишь слабое тепло в холодных лабораториях и квартирах? Как и куда переходит энергия?
Понятно, что лауреатов нам не догнать, так хоть согреемся, решили преподаватели кафедры тепловых двигателей Рязанского военного автомобильного института (РВАИ) и попробовали разобраться с тепловыми тайнами. Из физики мы знаем, что тепло передается всего тремя способами: контактным, конвенктивным и лучеиспусканием. Понятно, чем больше площадь для теплового контакта, конвекции и лучей, тем быстрее тепло передается от нагревателя к потребителям. Но площадь вольфрамовой или нихромовой проволоки ТЭНа в масштабах помещения ничтожно мала, а «посредники» ТЭНа в виде кварцевого песка, керамики, масла и других наполнителей являются не столько теплопередатчиками, сколько теплоизоляторами. Отсюда ТЭНы греют не столько помещение, сколько самих себя и быстро перегорают. Другая беда металлов ТЭНа в большом количестве свободных электронов, которые летят между узлами кристаллических решеток без соударения с ними и выделения тепла. Именно такой «туннельный эффект» приводит к лишним киловаттам электрических потерь из общих затрат на электрическую энергию по счетчику. В этом вас легко убедит даже самый современный и дорогой обогреватель, когда придется платить в 2-3 раза больше обычного за электроэнергию.
Выводы очевидны: лучше применять аморфные нагреватели без «туннельного эффекта», в которых весь ток электронов идет на «раскачку» броуновского теплового движения структур нагревателя. Тогда «скрытые» потери снизятся до 30%. Далее, полученное тепло следует донести без «посредников» до потребителей, используя сильно развитые поверхности не пресловутых посредников, а самих нагревателей. Тогда контактно-конвективные и лучевые потери снизятся в несколько раз за счет устранения обратного отражения и теплоизоляции «посредниками».
По всем установленным критериям были подобраны новые углеродно-волокнистые структуры (УВС), способные выдерживать на воздухе до 1000°С и имеющие развитую поверхность с площадью, близкой к физическому пределу. Для справки: пористая поверхность 1 грамма УВС составляет 2380 м2, а поверхность 1 грамма обычного углерода слоем в 1 атом равен 2600 м2 – физический предел для углерода. При выборе оптимальной формы нагревателя из УВС мы остановились на лентах, сечение, плотность и длина которых позволяют легко выбрать нужную нам мощность при заданном напряжении источника тока.
Конечно, новые тепловые приборы мы сразу попробовали использовать в автомобилях. Запуск промороженного ДВС – проблема из проблем. Используя ленту УВС, мы придумали «Экватор-1» –электро-вариатор термический раздвижной (а.с. 1320487). Катушка с пружиной и углеродной лентой установлена перед картером ДВС и тросиком вытягивается под картером, согревая масло и ДВС за 1,5-2 мин перед запуском. А заодно и аккумулятор прогревается током 8 А, что улучшает запуск стартера. Чтобы все фракции топлива испарялись воздухом, мы разработали бортовой лен-точно-спиральный нагреватель «Блесна-1», который устанавливается в заборник воздуха «зима-лето» и всего за секунду согревает воздух карбюратора до 80-90°С при запуске. На морозе ниже 30°С ДВС с приборами «Экватор» и «Блесна» запускается с первой попытки.
Дальше мы сделали подогреватель сидений автомобиля дистанционный «Посад-1», осушитель обуви «Конва» и покрытие эластичное «Поэлас-1» из композитов с использованием гибких и прочных углеродных лент (а.с. 1094609 и 1347933). При этом «Поэлас-1» можно выпускать не только в виде ковриков под ноги водителя и пассажиров, но и для прихожих офисов и квартир, настенных ковров, которые согревают, устраняют влажность, уничтожают вредные бактерии и пыль из воздуха. Коврик потребляет от сети не больше электролампочки, но создает «теплые волны» в помещении, поэтому холод и плесень больше не страшны. Для автомойки и бытовых приборов изготовили водонагреватель углеродный ленточно-канальный «Вулкан-1» в виде насадки на трубу с холодной водой, которая тут же превращается в горячую. Разработали даже электроплиту, которая как гармошка раздвигается под любое количество посуды и разогревает содержимое за 1-2 мин. В салоне автомобиля такую плиту можно включать прямо в прикуриватель, а на ночь превратить в калорифер, не требующий разрядки аккумулятора.
Теперь можно приступить к решению задачи сохранения тепла. К сожалению, транспортные средства и наша недвижимость имеют слабую теплоизоляцию. Даже при недогретых паровых батареях на тепловизоре видно, как яркими пятнами на фасадах домов через бетон и кирпич тепло уходит на улицу. Измерения показали, что «хранителем» тепла могут и должны стать углеродные материалы, коэффициент теплоизоляции которых в 4 раза лучше натуральной шерсти! С учетом этого факта и в развитии а.с. 1122886 мы разработали массу реагентно-селективную «Марс-1» из отходов термопластиков с тепловым углеродно-альфолевым экраном. Тепловая панель «Марс-1» устанавливается за обычную батарею и может работать в пассивном или активном режиме. Даже от недогретой батареи панель отражает в комнату 98% тепла, поэтому температура повышается на 3-4 градуса в пассивном режиме. Если батареи холодные, то в панелях «Марс-1» углеродные ленты подключаются последовательно к сети 220 В. Потребляя ток не более 2 А, они согревают батареи и помещение, одновременно отражая тепло в комнату. Кроме «забатарейного» варианта панелей «Марс-1», который уже успешно применяют в Польше, у нас разработан напольный вариант тепловой панели-отопителя «Марс-2», заменяющего дорогие и расточительные масляные калориферы и металлонагреватели. В верхнем углу панель «Марс-2» имеет переключатели мощности от 60 до 600 Вт.
Не обошли вниманием сауны и ванные. Для них можно использовать более мелкие панели «Марс-3», которые легко наклеиваются на стены или кафель и делают их похожими на стенки термоса. Тепло практически не выходит на улицу, стены не потеют, а пар остается сухим и свежим. Весьма полезным для обогрева различных технологических и бытовых объектов будет тепловой вентилятор «Тевен-1», где обычный вентилятор доработан ленточным углеродным нагревателем. Он мгновенно создает направленный поток горячего воздуха, так что зимой в гараже через 15-20 мин. можно работать в рубашке. Также легко «Тевен-1» согреет моторный отсек и салон автомобиля перед поездкой, сохранив вам бесплатные киловатты. Стоит отметить высокую надежность тепловых изделий из УВС, стойкость к агрессивным средам и полную пожаробезопасность. В изделиях нет раскаленных элементов, реализация температур достигается не тепловыми точками, а огромными поверхностями тепла.
Сколько же стоят такие чудеса теплотехники? Углеродные волокна на два порядка легче металлов и на порядок дешевле их. Например, углеродная лента для теплового вентилятора «Тевен-1» мощностью 600 Вт весит не более 15 грамм и стоит не дороже 1 руб. 80 коп. при цене 120 руб. за 1 кг. Ленты УВС на напряжения 24 и 12 В еще более дешевые (цены по состоянию на 2001 г.).
