СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ОТ ПЕРЕГРЕВА И/ИЛИ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR EQUIPMENT PROTECTION AGAINST OVERHEATING AND/OR OVERCOOLING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для защиты бытового или производственного оборудования от перегрева и/или переохлаждения, преимущественно для защиты аккумулятора автомобиля в условиях безгаражного хранения.
Из уровня техники известна система подогрева двигателя внутреннего сгорания, в которой в качестве источника теплоты принят тепловой аккумулятор фазового перехода, утилизирующий и аккумулирующий тепловую энергию отработавших газов ДВС и состоящий из наружного корпуса, слоя тепловой изоляции и теплоаккумулирующего ядра, в котором находится теплоаккумулирующий материал, претерпевающий обратимый фазовый переход плавление-кристаллизация, и газовый трубный теплообменник. Последний используется как для накопления теплоты посредством пропускания через него потока отработавших газов, так и для отдачи теплоты за счет организации вынужденного движения воздуха по воздушной магистрали, состоящей из воздуховодов, воздушного фильтра и вентилятора, подающего горячий воздух в картерное пространство двигателя. В картерном пространстве двигателя воздух подогревает его коренные и шатунные подшипники, а также моторное масло (см. патент РФ №2170851, МПК7 F02N 17/00, 20.07.2001).
Данная система подогрева эффективна для мобильных машин с непродолжительным временем безгаражного хранения (4-6 часов) при температурах окружающего воздуха до -30°С, при этом включение вентилятора осуществляют за 2-3 часа перед пуском двигателя.
Наиболее близким к предлагаемым способу и устройству является устройство для тепловой подготовки автомобиля, включающее герметичный теплоизоляционный кожух, в котором расположен тепловой аккумулятор, представляющий собой фазопереходный теплоаккумулирующий материал, размещенный в герметичной теплопроводящей емкости, при этом теплоизоляцией снабжен расширительный бачок системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания и внутренняя сторона капота автомобиля (см. патент РФ №96068 на полезную модель, МПК В60Н 1/00, 20.07.2010).
Недостатком данного устройства и способа, реализуемого с его использованием, является отсутствие защиты оборудования от высоких температур окружающей среды, а также невозможность регулирования времени включения/выключения теплового аккумулятора в зависимости от условий окружающей среды и температуры защищаемого оборудования.
Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в повышении эффективности защиты оборудования от перегрева и/или переохлаждения при снижении энергозатрат.
Поставленная задача решается тем, что в способе защиты оборудования от перегрева и/или переохлаждения, включающем теплоизоляцию и обогрев оборудования, дополнительно осуществляют мониторинг температуры окружающей среды и/или защищаемого оборудования, а обогрев оборудования осуществляют посредством нагревательного элемента, включение и выключение которого производят по результатам мониторинга при заданных значениях температуры окружающей среды и/или защищаемого оборудования.
Постоянный контроль (мониторинг) температуры окружающей среды и/или защищаемого оборудования в совокупности с использованием теплоизоляции обеспечит оптимальные условия работы защищаемого оборудования при существенном снижении энергозатрат при низких температурах окружающей среды, за счет определения малейших изменений в состоянии защищаемого оборудования и окружающей среды и регулирования времени включения или выключения нагревательного элемента в зависимости от этих изменений.
От высоких температур окружающей среды оборудование защищает только теплоизоляция. Использование мониторинга температуры окружающей среды и/или защищаемого оборудования при этом исключает возможность случайного или ошибочного включения нагревательного элемента, что привело бы к перегреву защищаемого оборудования.
Для исключения возможности перегрева или переохлаждения защищаемого оборудования из-за несвоевременных действий обслуживающего персонала целесообразно включение и выключение нагревательного элемента производить автоматически под контролем блока управления.
В случае защиты оборудования с большим диапазоном комфортной для его работы температуры целесообразно время включения нагревательного элемента определять из соотношения:
где Т - время включения нагревательного элемента, мин;
V - объем защищаемого оборудования, л;
2
t - конечная температура нагрева, °С;
1
t - начальная температура нагрева, °С;
W - мощность нагревательного элемента, кВт;
0,00117 - удельный коэффициент, зависящий от свойств материалов защищаемого оборудования и материалов и герметичности термоизоляции.
Используемый в данной формуле удельный коэффициент 0,0117 получен опытным путем посредством нагрева/охлаждения.
Определение времени включения нагревательного элемента исходя из предложенного соотношения позволит обеспечить необходимую эффективность при снижении энергозатрат.
Реализация предлагаемого способа может быть осуществлена при помощи устройства, включающего средство теплоизоляции и средство обогрева защищаемого оборудования, которое дополнительно снабжено блоком контроля и управления, выполненным в виде датчика температуры окружающей среды, датчика температуры защищаемого оборудования и управляющего элемента, причем блок контроля и управления связан с защищаемым оборудованием, нагревательным элементом и окружающей средой.
Предлагаемая совокупность признаков устройства позволит обеспечить наиболее оптимальные условия для защиты оборудования. Выполнение связи блока контроля и управления с защищаемым оборудованием, нагревательным элементом и окружающей средой позволит повысить эффективность защиты оборудования за счет учета всех факторов. При этом могут быть использованы резервы самого защищаемого оборудования, что приведет к существенному снижению энергозатрат.
Устройство для защиты оборудования от перегрева и/или переохлаждения может быть дополнительно снабжено блоком питания нагревательного элемента для обеспечения его эффективной работы при отсутствии стационарных источников питания.
Блок питания нагревательного элемента может быть выполнен в виде аккумулятора, генератора, стационарной электрической сети. Также в качестве блока питания может быть использовано само защищаемое оборудование, например, если речь идет о защите аккумулятора автомобиля.
Для увеличения эффективности защиты и упрощения работы с предлагаемым устройством целесообразно дополнительно снабдить его блоком информации о состоянии защищаемого оборудования и/или связанных с защищаемым оборудованием узлов и агрегатов.
Блок информации может быть выполнен в виде консоли светодиодов или цифрового дисплея.
Предлагаемые способ и устройство иллюстрируется фигурой, на которой представлено защищаемое оборудование 1 и теплоизоляция 2, например, в виде теплоизоляционного кожуха или теплоизоляционного покрытия. Блок контроля и управления включает датчик 3 температуры окружающей среды, датчик 4 температуры защищаемого оборудования и управляющий элемент 5. Блок контроля и управления связан с защищаемым оборудованием 1, нагревательным элементом 6 и окружающей средой.
Предлагаемый способ реализуется, а устройство работает следующим образом.
Осуществляют теплоизоляцию нагревательного элемента 6 и защищаемого оборудования 1, например, размещают их в теплоизоляционном кожухе 2. Датчики 3 и 4 осуществляют постоянный контроль температуры окружающей среды и защищаемого оборудования 1. Теплоизоляционный кожух 2 предохраняет защищаемое оборудование 1 от воздействия окружающей среды. При температуре окружающей среды в пределах комфортной датчик 4 отключается и работает только датчик 3, контролирующий температуру окружающей среды. При этом управляющий элемент 5 подает сигнал или команду на выключение нагревательного элемента 6, если он был включен ранее. При снижении температуры окружающей среды ниже комфортной для защищаемого оборудования работают оба датчика 3 и 4. Когда температура защищаемого оборудования 1 достигнет заданной критической точки, управляющий элемент 5 подает сигнал или команду на включение нагревательного элемента 6. После прогрева защищаемого оборудования 1 до установленной температуры датчик 4 передает сигнал на управляющий элемент 5, который подает сигнал или команду на отключение нагревательного элемента 6.
Исходя из условий комфортной температуры для конкретного оборудования 1, после включения нагревательного элемента 6 сигнал на отключение также может быть подан через заданный интервал времени, определяемый из соотношения:
где Т - время включения нагревательного элемента, мин;
V - объем защищаемого оборудования, л;
2
t - конечная температура нагрева, °С;
1
t - начальная температура нагрева, °С;
W - мощность нагревательного элемента, кВт;
0,00117 - удельный коэффициент, зависящий от свойств материалов защищаемого оборудования и материалов и герметичности термоизоляции.
Далее аналогично - под контролем температуры окружающей среды и защищаемого оборудования 1 производят периодическое включение и выключение нагревательного элемента 6, обеспечивая наиболее комфортные температурные условия для работы защищаемого оборудования 1 и оптимальный расход энергии.
Пример конкретного исполнения предлагаемого способа и устройства для защиты автомобильных и промышленных аккумуляторов от перегрева и/или переохлаждения.
Защищаемое оборудование 1 (аккумулятор) находится внутри теплоизоляционного кожуха 2, выполненного в виде термоса. Влияние температуры окружающей среды на аккумулятор в этом случае минимальное. Нагревательный элемент находится в непосредственном контакте с аккумулятором. Для этого его укладывают между дном теплоизоляционного кожуха 2 и дном аккумулятора 1. Управляющий элемент 5 в виде терморегулятора крепится сбоку аккумулятора на двусторонний скотч. Датчики температуры 3 и 4 крепятся к теплоизоляционному кожуху 2 соответственно снаружи и изнутри. Провода от терморегулятора в установленной последовательности крепятся к клеммам аккумулятора, затем колодка со светодиодами (блок информации 7) крепится на плотно закрывающуюся крышку аккумулятора.
После запуска двигателя и экспресс-диагностики генератора, по сигналу термодатчика 4 управляющий элемент 5, выполненный в виде терморегулятора, подает команду на включение нагревательного элемента 6, который работает до тех пор, пока температура внутри теплоизоляционного кожуха 2 не достигнет
+25°С. После достижения температуры в теплоизоляционном кожухе 2 +25°С нагревательный элемент 6 отключается и не включается до тех пор, пока температура не опустится до +20°С. Далее нагревательный элемент 6 поддерживает температуру аккумулятора в диапазоне (+20 - +25°С).
Блок информации 7 о состоянии защищаемого оборудования 1 и/или связанных с ним узлов и агрегатов в конкретном случае выполнен в виде внешней консоли светодиодов для экспресс-диагностики работы генератора. Это устройство, которое посредством колонки светодиодов с разным цветом свечения информирует водителя о работе генератора. Например, желтый цвет указывает на работу генератора в режиме недозаряда, красный - в режиме перезаряда, а зеленый - в нормальном режиме работы генератора. Это позволяет обнаружить и предотвратить одну из основных причин преждевременного износа и выхода из строя аккумуляторной батареи - недозаряд или перезаряд.
Нагревательный элемент 6, терморегулятор, датчики температуры 3 и 4 и блок информации 7 соединены между собой многожильными проводами.
При заявленных параметрах нагревательного элемента 6 и свойств теплоизоляции (термос), для нагрева на 5°С потребуется 2 часа. Остывание на 5°С будет длиться около 10 часов (зависит от температуры окружающей среды, герметичности и теплопроводности материалов термоизоляции). Цикличность работы нагревателя с учетом времени остывания (полученная опытным путем) составит 1/5, т.е на 1 минуту нагрева 5 минут перерыва (остывания).
Современные теплоизоляционные материалы позволяют защищать обслуживаемые устройства при низких температурах (ниже -50°С). В термос может быть интегрирован электронный регулятор температуры, который отслеживает температуру, как внешнюю, так и внутри самого термоса, давая возможность автоматически определять необходимость внутреннего обогрева без вмешательства человека. Принцип зима - лето. Встроенный датчик напряжения блокирует работу нагревателя при отклонении питающего напряжения за пределы допустимого.