Telogreika v1.0 — носимое устройство персонального обогрева на Arduino

Разработка под ArduinoКиберпанкНосимая электроникаDIY или Сделай самЛайфхаки для гиков
image

На картинке скрин из нашумевшей игры про не очень далёкое будущее. Заметили странный воротник у типа? Думаете что это такое? Признаюсь честно, я совсем не пытался выяснить назначение этого устройства по сюжету, но мне сразу подумалось, что художник пытался изобразить ИНФРАКРАСНЫЙ ОБОГРЕВАТЕЛЬ! По-моему, логично. Сколько бы вы не протезировали органов и сколько бы дырок в черепе под нейролинк не насверлил вам Илон Машк, остатки вашей биологической плоти будут предательски старомодно мёрзнуть, создавая всем хорошо знакомое угнетающее ощущение «божечки, я сейчас точно кони двину от холода, если этот автобус не приедет в ближайшую минуту!»

Заходи под кат, чтобы узнать мои мысли по поводу существующих систем персонального обогрева и почему электрические греющие куртки это тупик. Всех с первой зимней пятницей!)

image

Эх, сколько же уюта в этих картинках. Если опустить мысли про подгорающие волосы, только представьте, как стало бы классно, если вместо толстого воротника и колючего шарфа, вокруг вашей шеи располагался ИНФРАКРАСНЫЙ ОБОГРЕВАТЕЛЬ! типа такого

image

Холод – это плохо. Холод это смерть. И ваш организм за миллионы лет эволюции это хорошо усвоил, записав важную информацию на уровне рефлексов в генетическую память человеческого вида.

Казалось бы, страх замёрзнуть далеко в прошлом, мы живём в мегаполисах, транспорт ходит по расписанию, в каждой машине тепло, а к домам идут теплотрассы, чтобы доставить уют в каждую квартиру. Но постоянно сидеть в квартире не будешь, и машины есть не у всех, по этому каждый из нас попадал в ситуацию когда оделся не по погоде или транспорт задержался. Помните свои мысли в тот момент? !@#$%^%^*&&(*&^, когда же это закончится!

Невозможно наслаждаться музыкой, увлечённо смотреть видео, погрузиться в чтение или думать о чём то прекрасном, когда холод взял за ж#пу! Мысли путаются, перемешиваются с матом, невозможно на чём то сосредоточится, потому что для внутреннего животного вы в шаге от смертельной опасности! Как тут не позавидовать персонажу из игры с инфракрасным обогревателем в воротнике куртки.

Это конечно же фантазия художника и не самый рациональный вариант обогрева, но на сегодняшний день вся греющая одежда устроена примерно так. И греющая куртка от Ксиоми туда же.

image

Работает всё до безобразия просто: Вы подключаете свой мощный, увесистый пауербанк к куртке, она замыкает его на металлические пластины внутри нескольких нагревателей и вся эта “технологичная” система потребляя ток до 2х ампер, при 5ти вольтах, по законам физики выделяет максимум 10 Ватт тепла вам под куртку. Через пару часов ваш павербанк садится и вы бежите домой в холодной китайской куртке с увесистым литиевым кирпичом в кармане, требующим 4-6 часов до полной зарядки чтобы повторить прогулку.

И хорошо если бежать не далеко и есть куда. А в виду природных и политических аномалий, участившихся в последнее время, централизованное теплоснабжение может прекратиться в любой момент. Вы смотрите те же новости, наверно видели.

Короче, электрические греющие куртки это неудобная приспособа для жителей городов, чтобы сбегать в магаз или выгулять собаку. Эта технология совершенно не придаст вам уверенности в экстремальных условиях. Вряд ли если случится беда или киберпанк, то вы выберете 10 ватт обогрева в течении пары часов, вместо трёх суток функционирования современного смартфона с навигацией и связью.

Очевидно, что в наше непростое время нужен новый подход к персональному обогреву и это подтолкнуло меня на собственное исследование:

image

Люди уже тысячи лет знают как согреться – нужно просто что-то сжечь! Проблема персонального электрического обогрева в низкой плотности энергии в аккумуляторах и долгой их зарядке. В то время как сжигаемое топливо целиком превращается в тепло и свет. Его запас легко пополняется и оно не нуждается в увесистой таре в виде банок литиевой батареи, которая даже не становится легче после полной разрядки.

image

Вот например ещё хорошая картинка, где мужик идет сквозь холод с керосиновой лампой. Это древнее устройство перерабатывает жидкое горючее в тепло и свет, имея автономность около суток на одной заправке. По сравнению с пауэрбанком заряжается за секунды, но работает только в вертикальном положении.

Как мне рассказали позже, вершиной инженерной мысли в носимых системах обогрева на сжигаемом топливе сегодня являются каталитические грелки.

image

Это как распухшая бензиновая зажигалка зиппо, которая умеет гореть в закрытом виде. Процесс горения топлива в присутствии платинового катализатора проходит без видимых языков пламени. Тепла выделяется соответственно тоже не очень много.

Сама каталитическая реакция по информации из форумов не очень стабильный процесс, зависящий от многих факторов. Необходимо чистое топливо и качественный платиновый катализатор, которые можно и не найти в условиях пост апокалипсиса, лол. Также требуется предварительный подогрев катализатора, что усложняет систему автоматического управления.
Возможность использования бензина я взял на заметку, а сам выбрал в качестве топлива для первого прототипа сжиженный газ.

image

Я смело предположил, что можно собрать удобный тепловой модуль до пары кг весом, включая запас газа например на сутки. В начале испытаний его можно будет класть в рюкзак, а позже разнести на блоки и расположить их в удобных местах одежды.

Вся система будет состоять из баллона с газом, пары теплообменников с горелками и электроники, которая будет всем этим рулить.

Для равномерного распределения тепла было решено использовать жидкий теплоноситель, который будет прокачиваться через контур водяной рубашки костюма, как у рыжего космонавта:

image

По сути мне было нужно уменьшить современную бытовую газовую колонку до носимых размеров, позволяющих разместить все модули под верхней одеждой для минимизации теплопотерь.

image

Да, где то внутри одежды будет гореть небольшое пламя, вы всё правильно поняли.) Не стоит паниковать, огонь опасен только без присмотра. За нашими микро горелками будет присматривать микроконтроллер Ардуино! Поэтому можно быть спокойным:) Программа будет дозировать поступление газа и воздуха, следить за наличием пламени и контролировать температуру теплоносителя.

Мне не терпелось выяснить, сколько сжиженного газа потребуется, чтобы согревать одного единственного человека в любой мороз и я приступил к экспериментам… прямо летом 2017го.


Сначала я хотел разработать все компоненты системы с нуля, но после локального настольного пожара из-за утечки газа через самодельный электроуправляемый клапан решил не рисковать.

Как было сказано выше, наиболее похожим существующим прибором оказалась бытовая газовая колонка.

image

Электрическая составляющая большинства колонок рассчитана на батарейное питание (3 вольта) и уже в стоковом виде эта штука является почти носимым обогревателем, за исключением большого веса(~10кг) и отсутствия циркуляционного насоса.

image

Мощность газовой колонки обычно больше 10 квт, некоторые умельцы на ютюбе приспосабливают их для отопления целых домов. Для носимой установки такие мощности излишни, по этому я взял у донора только газовый клапан и генератор высокого напряжения для поджига, остальное выбросил.

image

Меня конечно расстраивал вес газового клапана, который явно не был рассчитан на использование в носимых устройствах, но рисковать больше не хотелось.

image

От клапана были отрезаны тяжелые литые фланцы, а из платы управления вычленен высоковольтный модуль розжига.

image

Горелку я тоже не стал изобретать, а взял готовую китайскую инжекционную с которой тоже было отрезано всё лишнее. Для понижения давления был куплен за 300 рублей готовый газовый редуктор и после соединения этих компонентов, я получил достаточно компактный, электрически управляемый огонь, на поддержание горения которого требовалось всего лишь 0,1 ампер, которые в основном расходовались на удержание газового клапана в открытом состоянии.


Следующей задачей было научиться эффективно передавать тепло от пламени теплоносителю для последующего равномерного распределения.

image

Теплообменник из первого эксперимента обладал крайне малой эффективностью изза малой площади контакта с разогретыми продуктами горения газа. Пришлось побегать по городу чтобы найти более тонкие медные трубки и научиться паять медь, чтобы создать более эффективный теплообменник.

image

Уже в таком виде система хорошо нагревала воду и можно было бы на этом остановится, но мой медный теплообменник сообщал теплоносителю по приблизительным прикидкам даже меньше половины всего тепла, а остальное пролетало дальше «отапливать улицу». Я не захотел мириться с такими потерями и для повышения кпд добавил в систему ещё один теплообменник большой площади, чтобы забрать себе как можно больше тепла.

image

Размеры выбирал так, чтобы всё устройство помещалось в рюкзаке в отделении для ноутбука и грело спину. Размер листа а4 чтобы вы представляли.

image

Два вентилятора создавали тягу и выдували продукты горения через гофрированные воздуховоды наружу.

image

Алюминиевый корпус второго теплообменника послужил рамой для размещения всех модулей.


Водяная помпа с напряжением питания 12в не лучший вариант для портативных устройств. При работе спокойно кушает 0,4 ампера. Ещё 0,1 ампер требуется на вентиляцию и столько же для удержания газового клапана открытым. Всего 0,6Ампера в работе.

image

Всё было почти готово для испытаний, несколько вечеров просидел над написанием скетча, чтобы это всё работало автоматически. Согласно алгоритму, по нажатию кнопки ардуина включала вытяжку, открывала газ, давала искру и запускала циркуляцию теплоносителя. Данные с датчиков температуры в различных точках устройства и статистика горения выводятся на экран пульта управления:


Таким образом с первого раза у меня получилось уменьшить газовую колонку в 4 раза до веса ~2,5кг.

image

А весь комплект оборудования, включая батарейки, стакан теплоносителя, 10метров тонкого шланга и запас сжиженного газа объёмом пол литра — весит чуть больше трёх кг.


Для распределения тепла под верхней одеждой я равномерно пришил 10 метров тонкого шланга к толстовке.


На спине шланги отсутствуют, потому что спину через рюкзак греет корпус нагревательного модуля.

image

Испытания проводились -10 с холодным ветром и в -20 без ветра. Сверху была одета старая осенняя куртка в которой я обычно замерзал уже при нуле. Обогреватель автоматически зажигал горелку, когда температура на датчиках падала ниже 50ти градусов и тушил после прогрева теплоносителя до 55.


Про эффективность. Словами сложно передать. Хочется улыбаться прохожим, смотреть по сторонам, стоять на месте и любоваться видом как будто холод отключили) это как обмотаться 10ю метрами шланга внутри которого кипяточек, хотя горячее 60 градусов уже совсем не комфортно. Я думаю ни один автономный электро обогрев не сможет давать столько тепла продолжительное время.

За 2 часа и 10 минут испытаний горелка была включена чуть меньше часа, 3484секунды или 58 минут. Можно грубо сказать что горелка работала половину времени моего путешествия по холоду. При токе потребления в активном режиме 0,6Ампера, можно примерно посчитать, что установке для работы в среднем требуется 0,3 ампера в час. Или аккумулятор 7,2А/ч на сутки. Это означает, что понадобится ~288г аккумуляторов для того чтобы 24 часа с комфортом находится на любом морозе. Но есть вариант перейти на 2s акк и их вес будет ощутимо меньше.

Расход газа измерил взвешиванием баллона:

image

В активном режиме за 601 секунду установка расходует 6 грамм газа. Значит за минуту активного нагрева тратится 6г/10мин = 0,6 грамм газа. Учитывая, что в реальных условиях горелка бывает включена меньше половины общего времени пребывания на морозе, можно сказать, что система потребляет 0,3г газа в минуту.

image

Эта штука собрана буквально на коленке из подручных материалов и демонстрирует возможность персонального обогрева с помощью сжигаемого топлива. Довольно ощутимый размер и вес получился в результате использования доступных и серийно производимых деталей от бытовых газовых приборов.

Но уже в таком виде это устройство наделяет меня супер способностью противостоять любому холоду около 12ти часов на одном целом балончике газа 220г за 50 рублей.

В теории можно кинуть в рюкзак пару балончиков газа, трёхсот граммовый 3s аккумулятор и отправится на сутки выживать в зимний лес, только для того чтобы похвастать своим превосходством над силами природы. Лишний вес носимого оборудования при этом составит около трёх килограмм.

При создании этого первого прототипа я получил полезный опыт и ещё сильней вдохновился идеей создания греющей одежды на новом принципе. Дружитесь со мной в социальных сетях, там можно найти больше фотографий этого проекта и новых устройств.

Извиняюсь за посредственное оформление и дефицит запятых, мне это очень трудно даётся, но если вам интересны мои статьи, то сообщите положительными сигналами в карму и я расскажу вам как собрал следующую версию носимого обогревателя, который использует в качестве топлива спирт, в два раза легче и располагается непосредственно под верхней одеждой.
Теги:Куртка с подогревомумная одеждаRussian cyberpunk
Хабы: Разработка под Arduino Киберпанк Носимая электроника DIY или Сделай сам Лайфхаки для гиков
+205
26,3k 126
Комментарии 186

Похожие публикации

Ведущий разработчик под Android C++/Qt
от 180 000 ₽2GISМожно удаленно
IOS Developer
от 200 000 ₽ДиасофтМожно удаленно
Senior/Lead iOS developer.
от 230 000 до 300 000 ₽Кошелёк.руМожно удаленно
Разработчик С
от 110 000 ₽VMS SoftwareСанкт-ПетербургМожно удаленно
iOS разработчик
от 150 000 до 180 000 ₽DNA TeamСанкт-ПетербургМожно удаленно

Лучшие публикации за сутки