Устройство для сбора воды из воздуха

Заказчик обратился к нам с задачей разработать компактные установки для генерации воды из воздуха. В процессе разработки мы столкнулись с рядом технических вызовов.

Во-первых, авиаперевозка устройств, заправленных хладагентом, оказалась невозможной из-за требований безопасности, что потребовало разработки решения для самостоятельной заправки системы заказчиком.

Во-вторых, существующая схема охлаждения оказалась неэффективной: при повышении скорости вентилятора снижалась конденсация воды, а при снижении – радиатор перегревался. Кроме того, компактные размеры установки и высокая температура окружающей среды снижали эффективность системы из-за уменьшения температурного градиента.

Разработка системы для Заказчика началась с анализа существующих решений на рынке для выявления конкурентоспособных характеристик нового продукта. Наша команда провела технический бенчмаркинг, определила ключевые расчетные данные, риски, этапы разработки и критерии приемки. Определив план работы и организовав команду, мы приступили к разработке компоновочного решения и электронной схемы для системы. Были подобраны электронные компоненты и модули, разработаны библиотечные компоненты, скомпонована печатная плата и подготовлен файл для ее производства. После этого были собраны прототипы и настроен облачный сервис для выгрузки данных о состоянии установки. Наши инженеры-механики разработали концепт 1.0, подготовили 3D-модель, провели симуляции потоков жидкости и воздуха, определили оптимальное вещество для охлаждения и подготовили конструкторскую документацию для изготовления первого прототипа.

Первоначально было принято решение использовать готовое холодильное решение для ускорения разработки. Однако оно имело один критический недостаток – отсутствие возможности заправки хладагентом, что являлось серьезной проблемой при транспортировке самолётом.

Нашей целью было решение, при котором Заказчик мог бы заправить систему самостоятельно. Оптимальный и единственный вариант – добавление заправочного штуцера в штатную систему.

Наши инженеры провели детальный анализ готовых холодильных систем, чтобы понять риски таких модификаций; изучили требования к заправочным штуцерам, чтобы определить подходящий тип; выбрали заправочный штуцер, который соответствовал бы стандартам безопасности и был прост в использовании; убедились, что выбранный штуцер подходит для использования с хладагентом R290. Касательно хладагента, выбор R290-го обоснован тем, что он не является токсичным и имеет низкую температуру на выходе из компрессора (потенциал разрушения озона ODP = 0, потенциал глобального потепления GWP = 3). Наша команда также подготовила подробную инструкцию для Заказчика по самостоятельной заправке системы хладагентом.

Управление работой устройства было возможно только за счет изменения скорости вентилятора, что значительно усложняло достижение оптимального баланса температуры и влажности.

В первой итерации системы наша команда столкнулась с трудностями в регулировке воздушного потока через осушитель. Мы увеличивали поток воздуха через осушитель, чтобы предотвратить перегрев конденсатора. Больший поток воздуха должен был улучшить теплообмен, не допуская перегрева. Однако, когда поток увеличивался, воздух не успевал полностью охладиться, проходя через холодный радиатор. Это приводило к тому, что влага не успевала конденсироваться и уходила вместе с потоком воздуха, снижая эффективность системы.

Когда мы уменьшали поток, он успевал охладиться и влага эффективно конденсировалась. Однако в таком режиме испаритель перегревался, так как через него проходило недостаточно воздуха для охлаждения. Это приводило к тому, что температура испарителя поднималась до критических значений, что снижало общую производительность системы.

Для решения этой проблемы была разработана новая схема с добавлением регулируемого байпасного клапана, которая позволила более точно контролировать воздушный поток и температуру системы. В новой итерации системы мы разработали двухканальную систему воздушного потока: основной путь и байпасный путь. Основной путь пропускал воздух через оба радиатора (горячий и холодный), обеспечивая максимальную конденсацию воды. Байпасный путь позволял части воздуха обходить холодный радиатор, предотвращая его перегрев. Для реализации этого решения была установлена регулируемая заслонка, управляемая электрически. Такое решение позволяло изменять объем воздуха, проходящего через каждый радиатор, обеспечивая точную настройку температурного режима и эффективную работу установки при различных условиях.

Установка должна работать на солнце. Это плохо влияет на ее эффективность, поскольку в одной ее части стоит холодильник, где образуется холод, в другой – теплообменник, который должен отдавать тепло в окружающую среду. Если на улице жарко, то снижается градиент температуры между теплообменником и воздухом, что делает такое решение неэффективным.

Для частичного решения этой проблемы мы предложили 4 варианта компоновки основных теплоизоляционных материалов (сталь, листовой пластик, вспененный полиэтилен) для теплоизоляции стенок установки. Из-за принципа работы установки, компонентов, которые она использует, мы не могли оставить вспененный полиэтилен незащищенным: он будет накапливать влагу – поэтому мы предложили варианты для закрытия этого материала с 2 сторон.

1) со внешней стороны располагалась белая металлическая панель, толщиной в 1 мм, затем 19 мм изоляционный слой, затем снова металлический слой в 1 мм;

2) со внешней стороны располагалась 8 мм белая металлическая панель, затем воздушная подушка, толщиной в 20 мм, полиэтилен высокого давления (ПВД) в 3 мм, затем 5 мм изоляционный слой, нержавеющая сталь, толщиной в 1 мм;

3) со внешней стороны – черный ПВД в 3 мм, 5 мм изоляционный слой, затем панель из нержавеющей стали, толщиной в 1 мм;

4) 3 мм белая ПВД, 5 мм изоляционный слой, 1 мм слой из нержавеющей стали.

Результаты симуляций показали, что наилучшим внешним материалом изоляционного сэндвича будет сталь, окрашенная в белый (температура нагрева при внешней температуре в 45° не более 49°), в то время как вспененный полиэтилен показал наилучшие результаты в 1 случае (19 мм).

Мы скомбинировали 1 и 4 варианты и интегрировали решение в прототип.

Мы разработали более сложную и адаптивную систему управления воздушными потоками для эффективной работы установки в различных температурных условиях. Добавив байпасный путь и обеспечив тем самым управление заслонками, мы предотвратили перегрев холодного радиатора и достигли уровня конденсации влаги 10 л/сутки при стандартных условиях, без использования MOSF.
Регулирование направления и смешения потоков воздуха позволяет использовать стандартные покупные элементы для работы в жёстких условиях.

Мы передали Заказчику 2 прототипа TRL-7 для тестирования установки с пластинами для нанесения сорбентов MOSF и без пластин. На протяжении всего проекта Заказчик получал еженедельную отчетность о результатах наших исследований и разработок. Вся сопутствующая конструкторская документация была передана Заказчику (чертежи и 3D-модели в режиме редактирования, Gerber, BOM, pick-and-place).