Как успешно бороться с дымом от лазерного резака?
Некоторое время назад, для любителей стали доступны мощные лазерные CO2 гравёры / резаки. Они дают достаточно много возможностей в плане творчества, но у них есть один существенный недостаток, который сдерживает более широкое распространение этих аппаратов среди квартирных энтузиастов: при работе аппарата образуется большое количество дыма и ядовитых испарений, борьба с которыми весьма неоднозначна, сложна, и стоит больших денег.
Всё это справедливо для случая, если мы идём простым, среднестатистическим путём.
В противовес ему существует весьма эффективный альтернативный способ, который почему-то обходят вниманием, именно его мы и постараемся рассмотреть в статье.
Памятка: пожалуйста, помните, что любые эксперименты производятся на ваш страх и риск, а редакция и автор не отвечают, за полученный вами результат.
▍ Пролог
Любой самодельщик, рано или поздно, задумывается о покупке своего собственного лазерного резака. Но если у него нет отдельного технического помещения, например, того же самого гаража, то возникает существенная проблема, так как он неизбежно сталкивается с необходимостью борьбы с сопутствующими атмосферными загрязнениями, которые «идут комплектом» к любому такому резаку.
Если промониторить форумы, посвящённые соответствующей тематике, то можно столкнуться с конструкциями и способами борьбы с этим вопросом, разнообразной степени сложности, равно как и собрать достаточно большую подборку неудач: «решил выбрасывать дым в вентиляцию туалета, у меня в квартире всё было хорошо, а весь подъезд искал «с выпученными глазами», где начался пожар»; или вот ещё: «решил поставить лазерный резак на балкон и выбрасывать дым прямо в окно, соседи вызвали пожарную». И таких случаев достаточно полным-полно :)
Почему эта проблема является такой острой? Дело в том, что на одном из форумов подсчитали, что при многочасовой работе лазерного резака, например, резке фанеры толщиной в 5 мм, за одну 8-часовую смену, количество испарённого материала может измеряться килограммами.
Это много, учитывая, что человеческий нос является весьма чувствительным инструментом и может детектировать даже наличие нескольких молекул вещества в кубическом метре воздуха!
Частенько особой чувствительностью этого инструмента отличаются старые бабки (но не будем о грустном)…
Таким образом, вы, наверное, уже поняли, что мало иметь возможность купить лазерный резак, необходимо ещё и соорудить некую эффективную систему борьбы с дымом, без которой вам гарантированы проблемы.
▍ Как обычно пытаются решить эту проблему люди?
В основном стараются применять механические способы фильтрации воздуха, среди которых могут быть: циклонные устройства, разнообразные фильтры очистки от разных фракций, в том числе и сложные НЕРА-фильтры. Говоря же о химических способах очистки, максимум до чего доходит изобретательская мысль энтузиастов, это использование активированного угля и даже кошачьего наполнителя, в том числе силикагеля. Химическая фильтрация позволяет удалить из потока воздуха запахи и вредные вещества с достаточной степенью эффективности. Проблема заключается только в том, что в случае использования химических фильтров ограниченного срока эксплуатации, их приходится часто менять, а замена стоит достаточно существенных денег.
Для меня наблюдать эту картину в течение множества лет было довольно странно, ведь даже электростатический фильтр мало кто использует!
Почему же сложилась такая ситуация? На мой взгляд, здесь причина в следующем: люди просто «не хотят заморачиваться» (как они это называют), однако в результате они «заморачиваются» намного больше, ведь скупой платит дважды.
Ещё одной причиной является на мой взгляд инертность мышления. Как учили меня в одном из моих вузов, «если ты идёшь нестандартным путём, то ты имеешь шанс на нестандартный результат; если же ты будешь делать всё так же как и все, то и твой результат тоже будет среднестатистическим».
На первый взгляд — капитан Очевидность, но всё становится нет так очевидно, если мы обратимся к реальной жизни: в теории многие это понимают, но как только доходит до практики: «а давай-ка я сделаю, как и все.»
В итоге, имеем то, что имеем. Именно поэтому, здесь я не буду разбирать стандартные подходы, так как их преимущества и недостатки достаточно понятны и широко разобраны на разных ресурсах, вместо этого я сконцентрируюсь на своеобразном подходе, который несмотря на его очевидность и доступность, я никогда не видел в применении.
▍ Проектируем устройство
Для начала, давайте рассмотрим, что выбрасывается в воздух в процессе работы лазерного резака. Вот здесь имеются хорошие таблицы, где показаны загрязняющее агенты, попадающие в воздух:
Источник
Как можно заметить, при работе лазера образуется большое количество загрязняющих агентов, которые представлены как частицами различной величины фракции, так и большим разнообразием органических соединений, которые, как правило, являются сильными отравляющими веществами.
Соответственно, способ борьбы с этими загрязняющими агентами будет также комплексным: необходим как механический способ, так и химический.
Говоря о механическом способе, следует сказать, что одним из наиболее эффективных средств очистки загрязняющих газов от механических примесей является электростатический высоковольтный фильтр. Принцип его действия основан на придании взвешенным в воздухе частицам электрического заряда, противоположного улавливающему устройству, что приводит к притягиванию частиц и осаждению их на устройстве:
Источник
Как можно видеть, подобные устройства, как правило, представляет собой сборку из натянутой проволоки круглого сечения и пластинами осадителей. Вместо проволоки, могут использоваться металлические полоски с острыми концами (например, можно использовать те же полотна от ножовки по металлу). Их задача — являться коронирующим электродом, который изучает коронный разряд.
Как отмечают даже промышленные компании, способ является весьма эффективным:
Ещё более наглядным является вот это видео, где один из самодельщиков включает электростатический фильтр на пути загрязнённых газов, горящих факелом. Весьма наглядно видно изменение цвета факела: Также очень хорошо видно устранение дымовой взвеси при подаче напряжения на элементы под колоколом: Хоть электростатический принцип и является весьма эффективным, однако количество случаев использования его в устройствах по очистке воздуха для домашних лазерных резаков можно пересчитать по пальцам одной руки.
В качестве высоковольтного источника для электростатического фильтра можно использовать схему блокинг-генератора на 1 транзисторе. Достаточно легко собирается и легко запускается (я сам примерно такое собирал лет 15 назад):
Источник
А здесь есть подробное описание сборки. Только у автора скромненькая искра что-то :)
У меня подобная схема давала не искру, а «искрищу» сантиметров в 10! Хотя дело было давно и может быть я даже вру. Ну да ладно. Не поленюсь и схожу достану из закромов своё «поделие». Выглядит оно конечно зело безобразно, но сильно не ругайте дедушку, оно делалось 15 лет назад. Транзистор использован 2N3055, запитывается схема от 12 вольт. Причём блок питания должен обеспечить не менее 5 ампер тока. Обмотка 1 содержит 2 витка, обмотка 2 — 5 витков. В качестве обмоток подойдёт даже многожильный провод. Выводы HV! HV! — это провода от телевизионного строчника (белый цилиндрик на феррите). Я дополнительно на эти провода повесил ещё вот этот умножитель (синяя коробочка). И если до этого искра была скромненькая, то после этого стала реально страшная (по звуку и размеру).
Схема c cайта
Правильно собранная схема начинает работать сразу. Если не работает — надо поменять местами выводы обмотки 1. И токоограничивающий резистор надо повесить ещё на выходной высоковольтный провод (если правильно помню). Ниже примерная схема фильтра (кликабельно).
Имейте в виду, что высокое напряжение в принципе опасно, а после выходного каскада (синяя коробочка) — тем более.
Механический способ не поможет полностью избавиться от запахов. Несмотря на то что образующийся в процессе озон, является сильнейшим окислителем органики, и эффективно борется с запахами, такого способа может оказаться недостаточно, для полного устранения «ароматов».
И что же делать в таком случае? Идея о том, что изложено дальше, пришла мне в голову совершенно случайно, и здесь необходимо сделать небольшое отступление. Дело в том, что я, как владелец 3D-принтера, периодически сталкиваюсь с необходимостью прочистки печатного сопла, которое с некой периодичностью забивается ABS- пластиком.
Методом проб и ошибок я нашёл самый эффективный способ борьбы с этими засорами: прожигание сопла с использованием газовой горелки.
Причём в процессе многочисленных прожиганий я обнаружил интересный момент, который, к тому же вполне логичен: если сопло расположено в струе пламени так, что пластик частично сгорает, частично плавится, то он начинает дымить, т. е. испарять органические вещества, которые наполняют помещение дикой вонью :)
Если же весь предназначенный для сгорания пластик находится строго в струе пламени и сгорает полностью, какой-либо запах отсутствует вообще!
Таким образом, если мы сможем обеспечить некий способ полного температурного разложения органических веществ, то мы сможем практически полностью избавиться от запаха.
В таблицах выше показаны основные загрязняющие вещества, образующиеся в процессе лазерной обработки. Посмотрим, что с ними происходит в процессе температурного распада.
Все формулы отсюда:
Фенол (температура самовоспламенения: 595 °C):
1,3-Бутадиен (температура самовоспламенения: 430 °C):
Пропеналь (температура самовоспламенения: 277 °C):
Формальдегид (метаналь) (температура самовоспламенения: 435 °C):
Бензол (температура самовоспламенения: 562 °C):
Этилбензол (температура самовоспламенения: 420 °C):
Фосген (температура разложения: 800 °C):
Стирол (температура самовоспламенения: 490 °C):
Толуол (температура самовоспламенения: 536 °C):
Метилметакрилат (температура самовоспламенения: 460 °C):
Этилакрилат (температура самовоспламенения: 372 °C):
Как легко можно заметить по формулам, все перечисленные выше органические вещества распадаются на достаточно безобидные соединения, в основном это углекислый газ и вода в различных количествах, причём это относится даже к таким сильным отравляющим веществам — как фосген.
Говоря же о температуре распада, легко можно заметить, что ни у одного из органических веществ температура распада не превышает 1000 градусов. Таким образом, если мы обеспечим источник температуры более 1000 градусов, то мы гарантированно сможем разложить 100% органических веществ!
Но откуда нам взять источник с такой температурой, к тому же это, наверняка, довольно затратно, памятуя о том, что в основном мы используем горючие газы для создания подобной температуры?
Как-то, в одной из предыдущих статей я уже говорил о таком источнике высокой температуры, как электролизёр. Как-то давно, ради собственного фана, я собрал подобный аппарат, об этом я уже писал.
Штука получилась весьма примечательная: экологически чистый, насколько это возможно (в процессе горения образуются только водяные пары, дыма нет никакого, как и запаха), но жутко горячий.
Пламя горелки имеет ярко выраженный вытянутый длинный профиль (это связано с размером молекулы водорода, поэтому существует даже понятие «водородного пламени» — не пламя, а настоящий «меч джедая».
Кроме того, температура горения водорода в кислороде является весьма высокой: 3000 градусов.
Типичный электролизёр представляет собой сборку из нержавеющих пластин, между которыми проложены резиновые О-образные или П-образные прокладки (на схеме ниже это не учитывается, показана только принципиальная схема):
Источник
В процессе работы электролизёра нужно быть очень осторожным, так как водород является весьма взрывоопасным газом, поэтому перед выходом из электролизёра ставят, так называемый «водный затвор», который представляет собой ёмкость с водой, сквозь которую «пробулькивается» образующийся газ. Это необходимо для того, чтобы разделить полость газогенератора и рабочую трубку с горелкой, чтобы случайное возгорание в горелке и шланге не попало в газогенератор, и его не разорвало. Дополнительно, как правило, ещё и сама горелка содержит внутри мелкую металлическую вату, которая выступает в роли пламегасителя, чтобы пламя из горелки не проникло в трубку.
Схемы подключения электролизёров могут быть разными:
Источник
Источник
Достаточно подробно сборка электролизера рассмотрена в видео ниже (я тоже собирал подобного типа):
Для увеличения электропроводности воды, в неё добавляют в самом простом случае соду, а в более сложных — щёлочи и кислоты. Я проводил эксперимент с содой, всё прекрасно работает.
Таким образом, если мы используем электролизёр в качестве источника высокой температуры, то мы получим отличный, можно даже сказать, экологичный источник высокой температуры, который хорош тем, что содержит «бесконечное» количество газа и включается практически моментально, при включении его в сеть.
Ещё одним преимуществом является природа водородного пламени, а именно его вытянутый длинный характер: мы можем его использовать его в качестве естественной длинной зоны реактора-дожигателя:
Кстати говоря, параллельно, такая длинная область контакта пламени внутренней полости «реактора» позволит построить на его базе весьма эффективный «струйный насос» (jet pump):
Источник
Вкратце суть его действия заключается в том, что рабочее тело (в нашем случае струя продуктов сгорания) увлекает за собой газ из полости реактора и создаёт разрежение в его полости. Если эта полость реактора будет иметь некие дырочки или щели, то через них будет производиться подсос воздуха/газа из сообщающегося сосуда (несмотря на то, что на схеме выше показан насос для газа / жидкости, такие насосы вполне успешно работают и для сочетаний газ / газ, как в нашем случае).
Подобный принцип вы могли часто видеть в устройстве наконечника газовых горелок:
Из забавного: когда-то давно, в хозмагах продавался «аппарат для возгонки» или как-то так, примерно, он назывался. Суть была в том, что к нему подключалась проточная вода и две 3-х литровые стеклянные банки. В одной из них — проточной водой понижалось существенно атмосферное давление и вода начинала кипеть примерно при 60–70 градусах или даже меньше. Соответственно, пары конденсировались на проточном водопроводе, снаружи (который откачивал воздух и поддерживал разрежение в непрерывном режиме) и осаждались во второй банке. Вполне эффективно работал и позволял производить как самогон, так и сгущённое молоко. И автору этих строк даже доводилось его применять. В какой роли — умолчим :)
Кстати, о сгущёнке: из-за низкой температуры кипения молоко было просто сгущённое, а не «варёное». Теоретически, купив современный вакуумный насос тысяч за 5 рублей, на известном китайском сайте — можно заставить молоко и т.д. продукты — кипеть даже при комнатной температуре, вообще без нагрева! А это: сохранение полезных свойств и вообще упрощение процесса…
Но вернёмся к нашему вопросу: то есть, другими словами, если мы попытаемся представить всю будущую систему, она может выглядеть следующим образом:
Как можно видеть, на всосе в лазерный резак ставится озонатор, который убивает запах и органику уже прямо внутри самого лазерного резака (этот момент является спорным, надо тестировать, так как подобная установка озонатора, может, теоретически, повредить линзовую систему и не только).
После самого резака устанавливается электростатический фильтр, улавливающий механические фракции, после него можно установить ёмкость с водой, которая будет служить для растворения в ней газов, которые не могут быть нейтрализованы иным образом, например, хлора (так как он хорошо растворяется в воде).
После воды можно установить ещё одну ёмкость с сильным растворителем, например, с ацетоном, которая служит для поглощения органических веществ, содержащихся в воздухе.
И уже после неё, воздух подаётся через маленькие щели или отверстия, в зону подсоса горелки.
Теоретически мы можем даже несколько облегчить всю систему, и прямо сразу напрямую подавать воздух на горелку. Это существенно упростит всю систему, хотя, на мой взгляд, качество фильтрации ухудшится.
Кстати, забыл сказать, в этой схеме огромным плюсом является то, что и насос как таковой, здесь отсутствует! В качестве него выступает струйный насос, как элемент конструкции. Почему я акцентировался на этом моменте: многие самодельщики отмечают, что кроме запаха, серьёзной проблемой является шум мощного вентилятора, так называемой «улитки», которая служит для прогона воздуха сквозь систему.
В нашем же случае никакого вентилятора нет и, соответственно, присущего ему шума тоже.
Таким образом, на выходе, мы получим универсальную систему, которая не содержит в своём составе дорогих компонентов, требующих периодической замены, а в атмосферу выбрасываются только углекислый газ и вода (бдительные соседи будут довольны).
Кроме того, если мы обеспечим достаточную герметичность всей системы, например, обернём её полиэтиленом, а также установим озонатор на входе, так мы сможем нейтрализовать воздух внутри выключенного гравёра, перед тем как его открыть для извлечения/помещения внутрь заготовки.
То есть, мы, как и в программировании, произвели «декомпозицию задачи». И решили каждый отдельный микровопрос.
▍ Некоторый итог
Вот таким нехитрым хитрым образом мы сможем, теоретически, эффективно устранить запах от работы лазерного резака, что позволит нам его установить и эксплуатировать прямо дома. Если сборка электролизёра кажется вам сложной, вполне можно приобрести готовые экземпляры. Среди таковых есть весьма производительные, которые ничем не отличаются по количеству производимого газа от стандартного газового резака сварщиков. Такой экземпляр даст возможность собрать мощный, быстродействующий реактор-дожигатель, который к тому же будет оснащён (в силу своей природы), весьма производительным и бесшумным струйным насосом! (дополнительная «плюшка» — реактор обогревает балкон в зимнее время, во время работы, если установка стоит там).
На мой взгляд, в целом вся эта система с дожигателем является весьма интересной и заслуживает пристального внимания, так как даёт шанс установки лазерного резака в квартире, что весьма важно для любого городского жителя, у которого есть творческие идеи, но нет своего гаража / производственного помещения.
А какие идеи есть у вас?
