TỔNG QUAN
Vấn đề nghiên cứu
Hiện nay, sự phát triển của IoT đã dẫn đến việc ra đời nhiều sản phẩm đánh giá chất lượng hệ thống, giúp nâng cao hiệu quả trong các quy trình công nghệ Trong lĩnh vực điều hòa không khí, việc đảm bảo chất lượng là vô cùng quan trọng, hỗ trợ người vận hành trong việc phát hiện, chẩn đoán và cô lập sự cố một cách chính xác và kịp thời Do đó, nghiên cứu này sẽ giới thiệu một sản phẩm ứng dụng công nghệ IoT, mang tên hệ thống thu thập dữ liệu bằng máy tính, nhằm phát hiện và xử lý sự cố linh hoạt trong hệ thống lạnh công nghiệp.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước đã tập trung vào các phương pháp phát hiện và chẩn đoán liên quan đến sức khỏe của hệ thống lạnh Mục tiêu là tìm ra những phương pháp hiệu quả để cải thiện, bảo trì và vận hành hệ thống này.
Ngày nay, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để phát hiện và chẩn đoán lỗi trong hệ thống lạnh, như nghiên cứu của Necati Kocyigit và cộng sự, sử dụng hệ thống suy luận mờ và mạng nơ-ron nhân tạo để xác định tám lỗi phổ biến của hệ thống Chiller Các lỗi này bao gồm máy nén không hoạt động, tắc phin lọc, rò rỉ, và vấn đề với gas Nghiên cứu đã ghi nhận và so sánh dữ liệu hoạt động bình thường với các lỗi thông qua quy trình chẩn đoán Ngoài ra, tác giả cũng chỉ ra phương pháp sử dụng đồ thị p-h để chẩn đoán lỗi trong hệ thống lạnh nén hơi, với thí nghiệm thực hiện trên hệ thống cơ bản sử dụng môi chất R134A Số liệu thu thập từ các thí nghiệm này đã chứng minh hiệu quả của việc chẩn đoán, giúp dễ dàng nhận diện sự khác biệt giữa tình trạng hoạt động bình thường và có lỗi.
Nghiên cứu của tác giả Han và cộng sự đã giới thiệu phương pháp phát hiện lỗi VRF với độ chính xác 99,30%, giúp nhận diện bảy lỗi thường gặp như thiếu lưu lượng môi chất, ngưng tụ, tắc nghẽn thiết bị ngưng tụ, rò rỉ gas lạnh, môi chất không ngưng tụ được, thừa gas và thừa dầu bôi trơn Phương pháp SA-DNN, kết hợp giữa mô phỏng dữ liệu lỗi ảo và truyền tín hiệu bằng nhiều nơ ron thần kinh, đã rút ngắn thời gian phát hiện và chẩn đoán lỗi, đồng thời cải thiện đáng kể độ ổn định, hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ trong tương lai.
Alireza Behfar và các cộng sự đã áp dụng phương pháp mô phỏng Gray-box để kiểm soát và dự đoán lỗi trong hệ thống điều hòa không khí, phân tích hoạt động của thiết bị tại các thời điểm khác nhau Mô hình sử dụng dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ và áp suất đầu vào và đầu ra khi hệ thống ổn định, nhưng gặp khó khăn trong việc xác định số liệu, dẫn đến sai số lớn hơn so với các nghiên cứu tương tự Bên cạnh đó, Karami và Wang đã sử dụng GMM để phát hiện và chẩn đoán lỗi cho hệ thống Water chiller, thiết lập mô hình hồi quy và áp dụng PCA-GMM để chẩn đoán hệ thống VRF.
Nghiên cứu về việc áp dụng phương pháp deep learning, đặc biệt là mạng lưới niềm tin chuyên sâu, nhằm dò tìm và chẩn đoán lỗi cho hệ thống VRF đang được tiếp tục Phương pháp này cho phép trích xuất các thuộc tính tiềm năng từ dữ liệu để phục vụ cho bộ điều khiển Dữ liệu vận hành từ hệ VRF được xử lý sơ bộ và đưa vào mạng lưới niềm tin chuyên sâu, tạo ra mô hình mẫu Mô hình này giúp tối ưu hóa và nâng cao độ chính xác trong việc dò tìm và chẩn đoán lỗi cho hệ thống VRF.
Zhengwei Li và cộng sự đã áp dụng phương pháp CUSUM để phát hiện lỗi và mở rộng khả năng chẩn đoán lỗi bằng cách kết hợp bộ đếm lỗi cho các biến điều khiển và thành phần kiểm soát Bộ đếm lỗi được cập nhật dựa trên điểm CUSUM, mạng lưới thông tin và cơ chế tự động Khi bộ đếm lỗi phát hiện giá trị quá cao của một thành phần, thành phần đó sẽ được coi là có nguy cơ lỗi Trong khi đó, Alireza Behfar và các đồng sự đã đề xuất hai phương pháp chính cho việc tự động dò tìm và chẩn đoán sự cố trong hệ thống điều hòa không khí tại các siêu thị.
Ba phương pháp chính dựa trên quy luật cảnh báo khi các thông số vận hành của môi chất và không khí vượt quá giới hạn bình thường, cho thấy khả năng xảy ra sự cố Thứ hai, việc chuyển hướng dữ liệu giúp phát hiện lỗi hệ thống thông qua phân tích năng lượng tiêu thụ, so sánh giá trị hiện tại với ngưỡng ước tính; nếu vượt ngưỡng, có thể xác định hệ thống đã gặp lỗi Mặc dù hai phương pháp này có tiềm năng lớn, nhưng vẫn cần thời gian để phát triển nhằm nâng cao tỷ lệ áp dụng.
Margaret B Bailey và cộng sự đã thu thập dữ liệu hoạt động của hệ thống Chiller từ phòng nghiên cứu tại đại học Colorado, Boulder Các thông số này sẽ được phân tích bằng mạng lưới phân loại nơ-ron, giúp phát hiện chính xác các mối quan hệ và sự phức tạp trong dữ liệu Dữ liệu sau khi phân tích sẽ được tổng hợp thành thư viện dữ liệu lỗi, nhằm phát triển công cụ dò tìm và chẩn đoán sự cố hệ thống lạnh Phương pháp này có tiềm năng giảm thiểu hiệu suất năng lượng, góp phần giải quyết các vấn đề về môi trường và sức khỏe.
Zhou và cộng sự đã phát triển một mô hình chẩn đoán lỗi ngập lỏng cho máy nén trực tuyến trong hệ thống VRF dựa trên mạng nơ-ron lan truyền ngược (BPNN), với độ chính xác chẩn đoán trực tuyến đạt 99,48% Quá trình thực hiện bao gồm ghi lại dữ liệu từ cảm biến mỗi ba giây, phân tích mối tương quan để lọc biến dữ liệu, và thiết lập mô hình BPNN Bên cạnh đó, X.J Luo và K.F Fong đã đề xuất phương pháp phát hiện và chẩn đoán lỗi cảm biến (SFDD) cho hệ thống Water chiller, sử dụng thuật toán phân cụm dữ liệu để so sánh các thông số với trạng thái hoạt động bình thường, phát hiện các lỗi như sai lệch và hư hỏng cảm biến, với thời gian phát hiện lỗi từ 1 đến 2 ngày khi có dấu hiệu bất thường.
Hadi Shahnazari và các cộng sự đã phát triển các mô hình và phương pháp chẩn đoán lỗi (FDI) cho hệ thống HVAC bằng cách sử dụng mạng nơ-ron hồi quy (RNN) và mạng hồi quy layer (LRN) Những nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng các mô hình dự đoán nhằm cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống HVAC.
Phương pháp FDI được đề xuất cho thấy hiệu quả vượt trội trong việc ước tính đầu vào và đầu ra, được kiểm chứng qua cả mô phỏng và dữ liệu thực Francesca Boem và cộng sự đã phát triển một mô hình phát hiện và chẩn đoán lỗi cho hệ thống HVAC bằng cách sử dụng cảm biến không dây Mô hình này áp dụng thuật toán FDI và IWSN với hai mươi cảm biến, cho phép phát hiện và thông báo lỗi thiết bị, đồng thời đánh giá tác động của các lỗi đến hoạt động của hệ thống.
Wisniewski và cộng sự đã phát triển một phương pháp sử dụng dữ liệu để phát hiện lỗi trực tuyến trên container lạnh thông qua đa thức Mahalanobis Phương pháp này kết hợp các đơn thức với ma trận nghịch đảo, tạo ra một chương trình có độ phức tạp cao Mặc dù mang lại hiệu quả, phương pháp vẫn chưa được thử nghiệm toàn diện cho container trong thực tế do thời gian hạn chế Hệ thống chẩn đoán sự cố rò rỉ môi chất của S.A Tassou và cộng sự bao gồm nhiều mô đun khác nhau.
Mô đun thu thập dữ liệu có nhiệm vụ ghi nhận các thông số hoạt động thực tế của hệ thống Tiếp theo, mô đun dự đoán sử dụng mạng lưới thần kinh nhân tạo để dự đoán các thông số hoạt động trong điều kiện bình thường Mô đun tính toán thừa số sẽ lấy dữ liệu từ hai mô đun trước và tạo ra thừa số dựa trên sự khác biệt giữa các thông số Cuối cùng, mô đun chẩn đoán sẽ tiếp nhận các thừa số này, so sánh với quy luật trong hệ thống và thực hiện chẩn đoán lỗi, cho phép phát hiện môi chất rò rỉ ngay cả khi chỉ có một lượng rất nhỏ.
Guannan Li và cộng sự đã đề xuất một phương pháp hiện bệnh cho hệ thống VRF sử dụng môi chất R410A, kết hợp sơ đồ chẩn đoán với cảm biến báo lỗi Phương pháp này gồm ba giai đoạn: phát triển cảm biến ảo cho các lỗi như thiếu lưu lượng không khí, thiếu gas và thừa gas; sử dụng các cảm biến này làm biến đầu vào để tạo sơ đồ hồi quy và mô hình phân loại CART; và cuối cùng, áp dụng mô hình phân loại FIs-CART để chẩn đoán dữ liệu trực tuyến Trong khi đó, nghiên cứu của Qingqing Liang đã sử dụng mạng nơ-ron và mạng lan truyền nghịch đảo để chẩn đoán bảy loại lỗi của Chiller, với kết quả cho thấy mạng nơ-ron xác suất có hiệu suất chẩn đoán tốt hơn mạng lan truyền.
5 ngược Mạng nơ-ron xác suất có tỷ lệ chính xác cao hơn 3,48% so với truyền ngược và thời gian chẩn đoán của nó thấp hơn 400 lần
Li và Braun [18] đã nghiên cứu phương pháp phát hiện và chẩn đoán lỗi cho bơm nhiệt, tập trung vào lỗi rò rỉ van đảo chiều và van một chiều Họ phát triển các kỹ thuật FDD dựa trên mô hình toán học tổng quát và nhận thấy rằng phương pháp phân tích độc lập là chìa khóa để xử lý nhiều lỗi đồng thời Phương pháp này biến đổi bài toán FDD phức tạp thành bài toán đơn giản hơn với một đầu vào và một đầu ra Tuy nhiên, chẩn đoán này gặp khó khăn trong hệ thống có ống mao ở chế độ sưởi ấm do hỗn hợp hai pha của môi chất ra khỏi dàn bay hơi trước khi vào van đảo chiều.
Mục tiêu đề tài
Việc phát hiện kịp thời các lỗi trong hệ thống lạnh là rất cần thiết cho cả máy móc và con người, giúp người vận hành dễ dàng kiểm soát hệ thống, cải thiện năng suất, tiết kiệm thời gian và chi phí Hệ thống này cũng đảm bảo hoạt động liên tục, đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng Nghiên cứu thiết kế và chế tạo “hệ thống thu thập dữ liệu bằng máy tính trong hệ thống lạnh công nghiệp” nhằm thu thập và xử lý dữ liệu nhiệt độ, áp suất Hệ thống sẽ thực hiện bốn mục tiêu chính để nâng cao hiệu quả hoạt động.
- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo ra hệ thống hoàn chỉnh dựa trên nền tảng ngôn ngữ lập trình Matlab và Arduino
Đánh giá chất lượng dữ liệu thu thập từ các vị trí cảm biến cho thấy sự ổn định và chính xác, được kiểm nghiệm trong nhiều điều kiện khác nhau và trên hệ thống lạnh.
- Dự đoán, cảnh báo thời điểm trước khi “bệnh” xảy ra
- Đánh giá sự sai số của sản phẩm ở phương diện: nhiệt độ, áp suất.
Phương pháp thực hiện
Trong nghiên cứu này, nhiều phương pháp đã được áp dụng, bao gồm xây dựng ý tưởng, nghiên cứu lý thuyết, chế tạo, thử nghiệm và ứng dụng các hệ thống lạnh Bốn phương pháp chính được sử dụng là: nghiên cứu liệt kê, lý thuyết, thu thập số liệu, thực nghiệm và so sánh.
Phương pháp nghiên cứu liệt kê đóng vai trò quan trọng trong việc chẩn đoán lỗi của hệ thống làm việc, thông qua việc tìm hiểu và tổng hợp các bài nghiên cứu liên quan cả trong nước và quốc tế Việc áp dụng phương pháp này giúp nâng cao hiệu quả trong việc xác định và giải quyết các vấn đề kỹ thuật, đồng thời cung cấp cái nhìn sâu sắc về các xu hướng và phương pháp hiện đại trong lĩnh vực này.
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết bao gồm việc thu thập thông tin từ các bài báo khoa học gần đây và sách cơ sở về kỹ thuật lạnh Mục tiêu là xây dựng cơ sở nghiên cứu cho khái niệm các loại hỗn hợp môi chất, nguyên lý hoạt động, cũng như các sơ đồ nguyên lý của hệ thống lạnh như trữ đông, cấp đông và Chiller Ngoài ra, bài viết còn đề cập đến các công thức tính toán và phương trình cân bằng nhiệt liên quan.
Phương pháp thực nghiệm được áp dụng để thử nghiệm các thiết bị tại kho trữ đông và các hệ thống khác trong xưởng Nhiệt – Điện lạnh của trường Đại học Sư phạm.
Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh
Phương pháp so sánh được áp dụng để đánh giá kết quả từ hai hệ thống thu thập dữ liệu nhiệt độ và áp suất, được phát triển bằng hai ngôn ngữ lập trình khác nhau là Visual Studio và Matlab.
Nội dung nghiên cứu
Đề tài này tập trung vào nghiên cứu lý thuyết, thiết kế hệ thống thu thập tín hiệu dữ liệu, thực nghiệm và đánh giá kết quả Sau đó, chúng tôi sẽ công bố kết quả và so sánh với các phần mềm trước đó để đưa ra những cải tiến và khắc phục những vấn đề tồn tại Tóm lại, nội dung chính của đề tài bao gồm các bước nghiên cứu, thiết kế, thực nghiệm, đánh giá và cải tiến phần mềm.
1 Chương 1: Tìm hiểu về xu hướng phát hiện và đánh giá tình hình trong và ngoài nước; xác định mục tiêu và phương pháp thực hiện của đề tài
2 Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết về những công thức tính toán, phương trình cân bằng nhiệt, lưu đồ chẩn đoán Đồng thời, nghiên cứu nền tảng các ngôn ngữ lập trình, phần mềm và phần cứng
3 Chương 3: Quá trình thực hiện và chế tạo sản phẩm
4 Chương 4: Kiểm nghiệm sản phẩm và kết quả vận hành
5 Chương 5: Kết luận, đánh giá các mục tiêu của đề tài và kiến nghị
Đề tài này trình bày nghiên cứu và chế tạo sản phẩm thu thập dữ liệu nhiệt độ và áp suất bằng máy tính, nhằm phát hiện và chẩn đoán các lỗi trong hệ thống lạnh Bên cạnh đó, bài viết cũng đề xuất các giải pháp và kiến nghị để nâng cao hiệu quả hoạt động của sản phẩm.
CƠ SỞ NGHIÊN CỨU
Cơ sở về chu trình máy lạnh nén hơi
Chu trình máy lạnh nén hơi có nhiều loại, từ đơn giản đến phức tạp, bao gồm chu trình một cấp, hai cấp, và máy lạnh ghép tầng Trong số đó, chu trình máy lạnh một cấp là một trong những loại đơn giản nhất và được sử dụng phổ biến hiện nay Bài viết này sẽ tập trung vào việc giải thích và phân tích chu trình máy lạnh một cấp.
2.1.1 Chu tình máy lạnh một cấp a) Sơ đồ nguyên lý và đồ thị
Máy lạnh một cấp là thiết bị phổ biến trong cả dân dụng và công nghiệp, hoạt động dựa trên chu trình gồm bốn thiết bị chính: máy nén, thiết bị ngưng tụ, van tiết lưu và thiết bị bay hơi.
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý
Nguyên lý làm việc của hệ thống bắt đầu khi hơi quá nhiệt với nhiệt độ và áp suất thấp rời khỏi thiết bị bay hơi ở trạng thái (1) Máy nén sẽ hút hơi này và thực hiện quá trình nén đẳng entropy từ điểm 1 đến điểm 2, tiêu thụ một lượng công ngoại lmn Sau khi rời khỏi máy nén, hơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt độ cao ở trạng thái (2) sẽ được đưa vào thiết bị ngưng tụ, nơi nó nhả nhiệt ra môi trường.
Quá trình giải nhiệt ngưng tụ đẳng áp bắt đầu khi chất làm lạnh chuyển từ trạng thái bão hòa (3) sang trạng thái lỏng hoàn toàn Sau đó, nó tiếp tục nhả nhiệt ra môi trường, trở thành lỏng quá lạnh (4) khi rời khỏi thiết bị ngưng tụ, nhằm tăng năng suất lạnh Tiếp theo, chất làm lạnh đi qua van tiết lưu, thực hiện quá trình tiết lưu đẳng enthalpy, chuyển đổi thành hơi bão hòa ẩm (5) Khi vào thiết bị bay hơi, chất này nhận nhiệt từ môi trường cần làm lạnh, thực hiện quá trình bay hơi đẳng áp, đẳng nhiệt, và chuyển thành hơi bão hòa khô (6) Cuối cùng, chất làm lạnh tiếp tục nhận nhiệt để trở thành hơi quá nhiệt (1), đảm bảo an toàn cho máy nén bằng cách tránh hút lỏng Chu trình này tiếp tục lặp lại.
Giải thích các quá trình:
- Quá trình 1-2: Nén đoạn nhiệt, đẳng entropy (ds = const)
- Quá trình 2-3: Nhả nhiệt, ngưng tụ đẳng áp (p = const)
- Quá trình 3-4: Nhả nhiệt đẳng áp (p = const)
- Quá trình 4-5: Tiết lưu đoạn nhiệt, đẳng enthalpy (h = const)
- Quá trình 5-6: Nhận nhiệt, bay hơi đẳng áp (p = const)
- Quá trình 6-1: Nhận nhiệt đẳng áp (quá trình này gọi là quá nhiệt) b) Tính toán chu trình
Tính toán cho 1 kg chất môi giới qua thiết bị bay hơi Gọi hi là enthalpy (kJ/kg) của chất môi giới ở trạng thái thứ i
Công cấp cho máy nén: lmn = h2 – h1; (kJ/kg) (2.1) h lgp h 5 = h 4 p o p k k
Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị ngưng tụ: qk = h2 – h4 (kJ/kg) (2.2)
Nhiệt lượng nhận được ở thiết bị bay hơi: qo = h1 – h5 (kJ/kg) (2.3)
2.1.2 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên hệ số làm lạnh
Nhiệt độ và áp suất là hai yếu tố then chốt ảnh hưởng đến năng suất lạnh và công suất giải nhiệt trong hệ thống lạnh Nhiệt độ bay hơi và ngưng tụ đóng vai trò quan trọng, vì chúng tác động trực tiếp đến hiệu suất làm lạnh Để phân tích, chúng ta xem xét hai trường hợp cụ thể: khi nhiệt độ bay hơi giảm và nhiệt độ ngưng tụ tăng Trong trường hợp đầu tiên, giữ nhiệt độ không khí (tk) và chênh lệch nhiệt độ (Δtqn) không đổi, khi nhiệt độ đầu vào (t0) giảm xuống t0’.
Khi nhiệt độ bay hơi t0 giảm xuống t0’, năng suất lạnh riêng giảm từ q0 xuống q0’ = q0 - Δq0, đồng thời công nén lmn’ tăng lên h2’ - h1’ > lmn theo công thức (2.1) Điều này cho thấy, việc giảm nhiệt độ bay hơi t0 sẽ dẫn đến sự gia tăng công nén h Δqo.
Khi lmn tăng, năng suất lạnh riêng q0 giảm, dẫn đến hệ số làm lạnh ε cũng giảm theo Ngược lại, khi nhiệt độ t0 tăng, q0 tăng và hệ số ε cũng tăng Tuy nhiên, nếu t0 tăng quá cao, gần với nhiệt độ yêu cầu của phòng lạnh hoặc chất tải lạnh, diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi sẽ lớn hơn, làm tăng chi phí thiết bị Trong trường hợp t0 không đổi, với Δtql không đổi, khi tk tăng lên thành tk’, các yếu tố này cần được cân nhắc kỹ lưỡng.
Hình 2.4: Trường hợp tk’ > tk
Khi nhiệt độ tk tăng lên thành tk’, các thông số lmn và q0 cũng thay đổi tương ứng thành lmn’ và q0’ Điều này dẫn đến q0’ = q0 – Δq0, cho thấy khi nhiệt độ tăng, q0 giảm, trong khi công máy nén lmn lại tăng Kết quả là hệ số làm lạnh ε giảm, và ngược lại khi nhiệt độ giảm.
Nhiệt độ bay hơi t0 và nhiệt độ ngưng tụ tk có tác động trực tiếp đến hệ số làm lạnh ε Do đó, việc phát hiện các vấn đề bất thường liên quan đến áp suất và nhiệt độ là rất quan trọng.
Phương trình cân bằng nhiệt
2.2.1 Đối với thiết bị trao đổi nhiệt với không khí
Hình 2.5 là hệ thống lạnh có thiết bị bay hơi và thiết bị ngưng tụ trao đổi nhiệt với không khí
4' 2' pk’ p k po qo’ Δq o q0 t0 tk’ tk
Hình 2.5: Các thông số trên hệ thống lạnh trao đổi nhiệt với không khí a) Phương tình cân bằng nhiệt tại thiết bị bay hơi
- Năng suất lạnh Q0 về phía môi chất
𝑚 𝑚𝑐 là lưu lượng môi chất trong hệ thống lạnh, kg/s
ℎ 1 là Enthapy của môi chất tại nhiệt độ T1, kg/kJ
ℎ 2 là Enthapy của môi chất tại nhiệt độ T2, kg/kJ
- Công suất nhiệt về phía không khí tại thiết bị bay hơi
𝑚 𝑘𝑘𝑣à𝑜 là lưu luợng không khí vào trao đổi nhiệt, kg/s
ℎ 7 là Enthalpy của không khí vào, kJ/kg
ℎ 6 là Enthalpy của không khí trong phòng đang xét, kJ/kg d là dung ẩm, g/kgkhôngkhí ẩm
- Phương trình cân bằng nhệt tại thiết bị bay hơi
Q 0,mc = Q 0,kk thì m kk vào × h 7 − ((𝑚 𝑘𝑘 𝑣à𝑜 − d) × h 6 + d × r)= m mc × (h 2 − h 1 )(2.7)
18 b) Đối với thiết bị ngưng tụ
- Công suất nhiệt thải ở thiết bị ngưng tụ
ℎ 3 là Enthapy của môi chất tại nhiệt độ T3, kJ/kg
ℎ 4 là Enthapy của môi chất tại nhiệt độ T4, kJ/kg
- Công suất nhiệt trao đổi với không khí
𝑡 9 là nhiệt độ không khí sau khi trao đổi nhiệt với thiết bị ngưng tụ, o C
𝑡 8 là nhiệt độ không khí của môi trường, o C
- Phương trình cân bằng nhiệt đối với thiết bị ngưng tụ
2.2.2 Đối với thiết bị trao đổi nhiệt với nước
Hình 2.6 mô tả về một hệ thống có thiết bị ngưng tụ và bay hơi trao đổi nhiệt với nước, cụ thể là hệ thống Watter chiller
Hình 2.6: Các thông số trên hệ thống lạnh trao đổi nhiệt với nước
Dựa vào hình 2.6, ta có phương trình cân bằng tương tự như ở mục 2.2.1: a) Phương trình cân bằng nhiệt đối với thiết bị bay hơi
- t7 là nhệt độ nước ra khỏi bình bay hơi, o C
- t6 là nhiệt độ nước vào bình bay hơi, o C b) Phương trình cân bằng nhiệt đối với thiết bị ngưng tụ
- t9 là nhệt độ nước ra khỏi ngưng tụ, o C
- t8 là nhiệt độ nước vào bình ngưng tụ, o C
2.2.3 Các phương trình xác định mối quan hệ nhiệt độ trong hệ thống lạnh
Mỗi pan trong hệ thống lạnh được xác định thông qua việc đo đạc và kiểm tra nhiệt độ cũng như áp suất liên quan Sự biến động bất thường của các thông số nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến năng suất lạnh Q0 Để hiểu rõ mối quan hệ giữa các nhiệt độ trong hệ thống lạnh, chúng ta có thể tham khảo hình 2.5 và 2.6, cùng với các công thức liên quan.
- pLP là áp suất dư của môi chất tại đầu hút máy nén được đo trên đồng hồ, bar
- pHP là áp suất dư của môi chẩ tại đầu đẩy máy nén được đo trên đồng hồ, bar
- t0 là nhiệt độ sôi của môi chất, o C
- tk là nhiệt độ ngưng tụ của môi chất, o C
- pkq là áp suất của khí quyển, bar, pkq = 1 bar
- p0 là áp suất bay hơi của môi chất, bar p 0 = p LP + p kq = p kq + 1 (3.3)
Áp suất ngưng tụ của môi chất, ký hiệu là pk, được tính theo công thức pk = p HP + p kq = p HP + 1 Đồ thị lgp-h trong hình 2.2 minh họa mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ, cho thấy nhiệt độ tỷ lệ thuận với hàm áp suất, được biểu diễn qua công thức t = f(p).
- Nhiệt độ của môi chất sau tiết lưu t1, o C
Nhiệt độ sôi của môi chất, ký hiệu là t1, được xác định khi t1 = t0 Để tìm ra nhiệt độ sôi t1, cần dựa vào áp suất p0 theo công thức (3.3) Bằng cách tra bảng các thông số môi chất ở trạng thái bão hòa, chúng ta có thể xác định được giá trị của t1 tương ứng với áp suất p0.
- Nhiệt độ môi chất sau thiết bị bay hơi t2, o C
Q 0 = m mc × (h 2 − h 1 ) = m mc × r 0mc + m mc2 × c p2 × t 2 − m mc1 × c p1 × t 1
- Độ quá nhiệt ở thiết bị bay hơi ∆t qn , o C
- Nhiệt độ môi chất ở đầu đẩy máy nén t3, o C
Quá trình 2-3 là quá trình nén đoạn nhiệt, đẳng entropy (ds = dq
- Nhiệt độ môi chất sau khi ra thiết bị ngưng tụ t4, o C
Ta có: Độ quá lạnh ở thiết bị ngưng tụ ∆t ql , o C
- Nhiệt độ môi chất trước khi vào van tiết lưu, sau phin lọc t5, o C t 5 = t 4 − ∆t 45 (3.8)
Trong đó, ∆t 45 là sự chênh lệch nhiệt độ nhiệt độ trên đường ống từ sau thiết bị ngưng tụ đến trước van tiết lưu
- Nhiệt độ không khí đi vào trao đổi nhiệt ở thiệt bị bay hơi t6, o C ở hình 2.5:
Tương đương: m mc × r 0mc + m mc × c p1 × (t 2 − t 1 )
Vậy t 6 = m mc ×r 0mc +m mc ×c p1 ×(t 2 −t 1 )−m air ×c p2 ×t 7 +d×r m air ×c p2 (3.9)
- Nhiệt độ không khí ra thiết bị bay hơi t7, o C
- Nhiệt độ không khí/nước vào (hình 2.5 và hình 2.6) ở thiết bị ngưng tụ t8, o C
Q k = m air × c p × (t 9 − t 8 ) = m mc × (h 3 − h 4 ) Nên: t 8 = m air ×c p ×t 9 −m mc ×(h 3 −h 4 ) m air ×c p (4.1)
- Nhiệt độ không khí/nước ra tại thiết bị ngưng tụ t9, o C
Quy trình chẩn đoán
2.3.1 Phân tích các triệu chứng
Trong hệ thống lạnh, sự xuất hiện của các dấu hiệu bất thường có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến năng suất và gây thiệt hại về chi phí cũng như thời gian Do đó, việc chẩn đoán và phát hiện kịp thời các vấn đề (Pan) là vô cùng quan trọng Trong quá trình vận hành hệ thống lạnh, người vận hành thường gặp phải những vấn đề phổ biến sau đây.
Pan #4 TBBH bị bám bẩn
Pan #5 Thiếu lưu lượng không khí/nước ở thiết bị bay hơi
Pan #6 Máy nén quá bé
Pan #7 TBNT bị bám bẩn
Pan #8 Thiếu lưu lượng không khí/nước ở thiết bị ngưng tụ
Pan #10 Có khí không ngưng
Khi hệ thống lạnh gặp sự cố, các cảm biến nhiệt độ và áp suất sẽ phát hiện những triệu chứng bất thường Hình 2.5 minh họa rõ các biểu hiện cụ thể Trong đó, pan thiếu gas là sự cố phổ biến nhất, với những dấu hiệu nhận biết rõ ràng khi bệnh xuất hiện.
Áp suất đầu hút (LP) giảm do lượng môi chất qua dàn lạnh ít, dẫn đến mật độ phân tử môi chất trong đường ống giảm Khi đó, lực tác dụng lên thành ống cũng giảm, làm cho áp suất đầu hút giảm theo công thức F = p.S, trong đó F là lực tác dụng, p là áp suất của môi chất, và S là diện tích chịu lực.
Áp suất đầu đẩy (HP) giảm trên đường ống từ máy nén đến thiết bị ngưng tụ do thiếu gas, dẫn đến lượng môi chất qua ống ít hơn Sự giảm mật độ phân tử làm giảm lực tác dụng lên thành ống, từ đó làm giảm áp suất đầu đẩy.
Khi Q0 giảm, nhiệt độ phòng không đạt yêu cầu Theo phương trình (2.5), khi Pan thiếu gas, lượng môi chất trong thiết bị bay hơi giảm, dẫn đến mmc giảm và Q0 cũng giảm theo.
- Qk giảm bởi vì theo công thức (2.8) khi mmc trong thiết bị ngưng tụ giảm đi dẫn đến
Khi áp suất đầu đẩy giảm, dòng điện I (A) cũng sẽ giảm theo, dẫn đến công nén và công suất điện giảm, theo công thức P = UICosφ Sự giảm này xảy ra do Cosφ dao động trong khoảng 0.8 đến 0.9 Hơn nữa, áp suất đầu đẩy giảm làm giảm lực tác động lên lá van và piston, trong khi thể tích nén không đổi, từ đó giảm công làm việc và kéo theo sự giảm của dòng điện I.
T1 là nhiệt độ sau van tiết lưu, giảm do lưu lượng trong hệ thống thấp hơn bình thường Khi lưu lượng giảm, lượng chất lỏng qua van tiết lưu cũng ít hơn, dẫn đến sự giảm nhiệt độ.
Khi T2 tăng do lượng môi chất trong thiết bị bay hơi giảm, trong khi diện tích trao đổi nhiệt giữ nguyên, môi chất sẽ bay hơi sớm hơn Điều này dẫn đến vị trí giọt lỏng cuối cùng hóa hơi nằm xa hơn đầu hút máy nén, làm tăng độ quá nhiệt Theo công thức Δqn = t0 – t2, khi t2 tăng, độ quá nhiệt cũng tăng theo.
- T3 tăng vì độ quá nhiệt lớn, do vậy khiến nhiệt độ môi chất sau khi nén tăng lên
T4 giảm và áp suất đầu đẩy thấp dẫn đến nhiệt độ ngưng tụ giảm, gây ra độ chênh lệch nhỏ giữa nhiệt độ không khí và nhiệt độ ngưng tụ Điều này làm tăng quãng đường ngưng tụ, dẫn đến quãng đường quá lạnh giảm, từ đó làm giảm độ quá lạnh.
- T5 giảm bởi vì T5 phụ thuộc vào T4
T6 sẽ tăng tên do lưu lượng môi chất giảm, dẫn đến năng suất lạnh giảm rõ rệt Hệ quả là nhiệt độ phòng không đạt yêu cầu, làm cho không khí trong môi trường làm lạnh trao đổi nhiệt kém, từ đó khiến nhiệt độ tăng lên.
T7 là nhiệt độ không khí được thải ra môi trường từ thiết bị bay hơi làm mát bằng không khí Theo phương trình cân bằng nhiệt (2.7), khi nhiệt lượng Q0 giảm, nhiệt độ T8 sẽ tăng lên, dẫn đến việc nhiệt độ T9 giảm xuống.
- T8 là nhiệt độ môi trường trước khi trao đổi với thiết bị ngưng tụ sẽ không đổi tại thời điểm xét
T9 giảm theo phương trình (2.9) khi T8 không thay đổi và Qk giảm, cho thấy T9 cũng sẽ giảm, đây là dấu hiệu của Pan thiếu gas Các Pan còn lại sẽ có những dấu hiệu khác nhau, và phân tích cũng tương tự Bảng 2.1 dưới đây tổng hợp các triệu chứng cụ thể của từng vị trí trong hệ thống lạnh.
Bảng 2.1: Tổng hợp các triệu chứng các Pan
2.3.2 Bảng dữ liệu thu thập và xử lý dữ liệu
Trong quá trình vận hành, người vận hành cần theo dõi liên tục và ghi lại nhật ký vận hành, điều này rất quan trọng cho quy trình chẩn đoán pan Bước đầu tiên trong việc chẩn đoán là thu thập dữ liệu từ các cảm biến, dựa vào hình 2.5 để có bảng thông số cần thiết.
Để thực hiện quy trình chẩn đoán, người vận hành cần thu thập dữ liệu từ các vị trí lắp cảm biến, như được thể hiện trong hình 2.5 Các thông số cần thu thập bao gồm những thông tin quan trọng liên quan đến hoạt động của hệ thống.
+ Sau thiết bị bay hơi (T2)
+ Tại đầu đẩy máy nén (T3)
+ Sau ngưng tụ, trước phin lọc (T4)
+ Trước tiết lưu, sau phin lọc (T5)
+ Đầu ra thiết bị bay hơi (T7)
+ Đầu vào vào thiết bị bay hơi (T6)
+ Đầu ra thiết bị ngưng tụ (T8)
+ Đầu vào thiết bị ngưng tụ (nhiệt độ môi trường xung quanh) (T9)
Sau khi thu thập dữ liệu tại bảng 2.2, ta tiếp tục công việc xử lý dữ liệu ở bảng 2.3: Bảng 2.3: Thông số xử lý
Dựa vào bảng 2.2 kết hợp bảng 2.3, ta xử lý dữ liệu như sau:
T0 là nhiệt độ bay hơi của môi chất, được xác định từ bảng các thông số và trạng bão hòa của môi chất đang sử dụng, dựa trên giá trị áp suất hút (LP).
- tk là nhiệt độ ngưng tụ của môi chất, cũng tra bảng các thông số, trạng thái bão hòa của môi chất từ giá trị áp suất đẩy (HP)
Cơ sở thiết kế
Sản phẩm "hệ thống thu thập dữ liệu bằng máy tính trong hệ thống lạnh công nghiệp" bao gồm các thành phần phần cứng, phần mềm và cảm biến để thu thập dữ liệu hiệu quả.
2.4.1 Phần cứng a) Mạch xử lý trung tâm Arduino UNO R3
Trong đề tài, sử dụng bo mạch Arduino UNO R3 bởi vì một số lý do sau:
- Đơn giản, nhỏ gọn, kích thước chỉ từ 5,5 -7 cm
- Rẻ tiền so với các loại bo mạch khác Hiện nay một Arduino UNO R3 trên thị trường có giá 100 -130 nghìn VNĐ
Arduino UNO R3 là bo mạch lý tưởng cho người mới bắt đầu, với thiết kế đơn giản và dễ sử dụng Bo mạch này có 14 chân, bao gồm 6 chân đầu vào 5V, khả năng phân giải lên tới 1024 mức và tốc độ hoạt động 16MHz Nó hoạt động với điện áp từ 7 đến 12V, mang lại sự linh hoạt cho các dự án điện tử.
Bảng 2.4: Tổng quan các thông số của Arduino Uno R3 [43]
STT THÔNG SỐ KỸ THUẬT GIÁ TRỊ
1 Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit
2 Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
3 Tần số hoạt động 16 MHz
4 Dòng tiêu thụ khoảng 30mA
5 Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC
6 Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
7 Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)
8 Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
9 Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
10 Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
11 Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
12 Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
• Sơ đồ chân của Arduino Uno R3
- Chân 5V: Cấp điện áp 5V đầu ra, dùng để cấp nguồn cho các linh kiện điện tử kết nối với Arduino
- Chân 3.3V: Chức năng tương tự như cấp nguồn 5v nhưng đây là cấp điện áp 3.3V đầu ra
Chân GND, hay còn gọi là chân Ground, là cực âm của nguồn điện cung cấp cho Arduino UNO Khi sử dụng các thiết bị với nguồn điện riêng biệt, các chân GND này cần phải được kết nối với nhau để đảm bảo hoạt động ổn định.
Chân Vin (Voltage Input) trên Arduino UNO tương tự như chân 5V, nhưng có thêm chức năng cấp nguồn ngoài thay vì sử dụng cổng USB Để sử dụng, bạn chỉ cần kết nối cực dương của nguồn với chân Vin và cực âm của nguồn với chân GND.
Arduino cung cấp nhiều các chân I/O (hay còn gọi là Pin) để giao tiếp hay gửi lệnh điều khiển các thiết bị và chúng được phân loại như sau:
Phiên bản Arduino UNO R3 có 14 chân digital từ 0 đến 13 để đọc hoặc xuất tín hiệu, với hai mức điện áp 0V và 5V và dòng tối đa 40mA trên mỗi chân Các chân đặc biệt PWM, được đánh dấu bằng dấu '~', cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8 bit (giá trị từ 0 đến 255), điều này cho phép điều chỉnh điện áp từ 0V đến 5V, trong khi các chân không phải PWM chỉ có thể chọn giữa 0V và 5V.
Arduino UNO được trang bị 6 chân analog (A0 đến A5) với độ phân giải tín hiệu 10bit, cho phép đọc giá trị điện áp từ 0V đến 5V, tương ứng với các giá trị từ 0 đến 1023 Đặc biệt, chân A4 (SDA) và A5 (SCL) của Arduino UNO hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị ngoại vi khác.
Chân TXD và RXD trên Arduino Uno là các chân Serial dùng để truyền (TX) và nhận (RX) dữ liệu TTL Serial Nhờ vào hai chân này, Arduino Uno có khả năng giao tiếp với các thiết bị khác và cũng có thể nạp code cho mạch mà không cần sử dụng cổng USB Màn hình LCD Nokia 5110 có thể được kết nối và điều khiển thông qua các chân này, mở rộng khả năng hiển thị thông tin trong các dự án điện tử.
Để chế tạo mô hình thu thập và hiển thị dữ liệu, cần có một thiết bị hiển thị dữ liệu kết nối với mạch Arduino, vì vậy một màn hình LCD cần được gắn trên hộp kỹ thuật.
Màn hình Nokia 5110 là lựa chọn lý tưởng nhờ vào những đặc điểm nổi bật như màn hình đơn sắc sử dụng IC điều khiển Philips PCD8544, khả năng hiển thị hình ảnh đơn giản và thông số theo yêu cầu Với diện tích nhỏ gọn, tính thẩm mỹ cao và độ bền vượt trội, sản phẩm này dễ dàng tìm thấy trên thị trường với mức giá hợp lý Nó cũng rất dễ sử dụng, phù hợp cho những người mới học và thực hiện các dự án nghiên cứu.
Hình 2.9: Màn hình LCD Nokia 5110
Một số ưu điểm của màn hình LCD Nokia 5110 so với các loại khác [44]:
- Tiện dụng khi kết nối với Breadboard
- Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện
- Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn
- Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu
Bảng 2.5: Thông số màn hình LCD Nokia 5110
STT ĐẶC ĐIỂM THÔNG SỐ KỸ THUẬT
1 Loại màn hình LCD Graphic đơn sắc
4 Giao tiếp SPI mức TTL
Màn hình LCD cần được cấp nguồn 3,3V để có thể hoạt động tốt được, có thể kết nối màn hình với mạch Arduino như hình bên dưới:
Hình 2.10: Sơ đồ kết nối màn hình Nokia 5110 với Arduino
1 Mạch Arduino R3; 2 Màn hình LCD Nokia 5110
Bảng 2.6: Thứ tự kết nối các chân LCD Nokia 5110 và Arduino
STT Các chân kết nối của
Vị trí kết nối trên Arduino Ý nghĩa
2 CE 4 Chip Enable (Chip Select)
7 Led+ GND Chân điều khiển đèn nền
Để kết nối màn hình LCD Nokia 5110 với mạch Arduino, bạn cần tham khảo Bảng 2.6, trong đó thể hiện ý nghĩa của các chân kết nối trên màn hình và mạch Arduino, cùng với thứ tự kết nối giữa hai thiết bị.
2.4.2 Phần mềm Để hệ thống có thể hoạt động theo yêu cầu, nghiên cứu này dựa trên nền tảng của hai ngôn ngữ lập trình, đó là Arduino IDE và ngôn ngữ lập trình Matlab a) Phần mềm Arduino IDE (Arduino Integrated Development Environment)
Arduino IDE là phần mềm lập trình dùng để viết và nạp mã vào bo mạch Arduino, được phát triển bằng ngôn ngữ Java Mã chương trình cho Arduino được viết bằng C hoặc C++, với các tính năng như đánh dấu cú pháp, tự động canh lề và biên dịch Phần mềm này đi kèm với thư viện "Wiring", giúp thao tác input/output dễ dàng hơn Chương trình trong Arduino được gọi là sketch và có định dạng ino, yêu cầu người dùng định nghĩa hai hàm để tạo ra một chương trình vòng thực thi có thể chạy được.
- Hàm setup: hàm này chạy mỗi khi khởi động một chương trình, dùng để thiết lập các cài đặt
- Hàm loop: hàm này được gọi lặp lại cho đến khi tắt nguồn bo mạch
Hình 2.11: Giao diện phần mềm Arduino IDE
Giao diện phần mềm Arduino IDE với các vùng thao tác như:
- Vùng lệnh: Bao gồm các nút lệnh menu (File, Edit, Sketch, Tools, Help) và các icon cho phép sử dụng nhanh các chức năng thường dùng của IDE
- Vùng viết chương trình: Là nơi mà để nạp các đoạn code để chạy chương trình
- Vùng thông báo: Những thông báo từ IDE sẽ được hiện thị ở đó
Arduino IDE cung cấp nhiều tính năng hữu ích như biên dịch và kiểm tra lỗi chương trình, upload mã lên bo mạch, và quản lý các tệp chương trình Đặc biệt, nó cho phép gửi, nạp và nhận dữ liệu giữa máy tính và bo Arduino Trong hệ thống thu thập dữ liệu nhiệt độ và áp suất từ cảm biến trên hệ thống lạnh, ngôn ngữ Arduino IDE được sử dụng để xử lý dữ liệu trực tiếp từ các cảm biến Sau khi nạp code vào bo mạch, dữ liệu sẽ được xử lý và chuyển đến ngôn ngữ Matlab R2017b.
MATLAB (Matrix Laboratory) là phần mềm tính toán số đa ngôn ngữ độc quyền của MathWorks, cho phép thực hiện các phép toán với ma trận, vẽ đồ thị và thực hiện thuật toán Phần mềm hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình như C, C++, C#, Java, Fortran và Python, đồng thời cung cấp thư viện Toolbox để mô phỏng và thực nghiệm các mô hình kỹ thuật MATLAB có kiểu lập trình thủ tục với các kiểu dữ liệu đơn giản như số nguyên, số thực, ký tự, và logic, cùng với các kiểu dữ liệu phức tạp hơn như cell và struct Phần mềm được sử dụng để xử lý dữ liệu từ hệ thống trữ đông một cấp và dự đoán thời gian xảy ra lỗi của hệ thống lạnh, với khả năng mở rộng cho nhiều hệ thống và môi chất khác nhau.
Hình 2.12: Giao diện chính của Matlab R2017b
Các vùng làm việc của Matlab bao gồm 7 vùng được ký hiệu ở hình 2.12 như sau:
- Vùng 1: Toolstrip (thanh công cụ) Điều khiển lập trình Matlab như chạy code, debug, tìm kiếm
- Vùng 2: Current Folder (thư mục hiện tại) Quản lý các file đang làm việc
- Vùng 3: Editor (trình soạn thảo) Thao tác trong các file code với đuôi “.m”
Vùng 4, hay còn gọi là vùng làm việc, hiển thị thông tin chi tiết về tất cả các biến đang được sử dụng, bao gồm tên biến, kích thước bộ nhớ mà chúng chiếm giữ và giá trị của chúng.
- Vùng 5: Command Window (cửa sổ lệnh) Thao tác bằng các dòng lệnh (như cmd trên Win hay terminal trên Linux/Mac)
- Vùng 6: Command History (lịch sử câu lệnh) Liệt kê tất cả các câu lệnh đã từng thực hiện trên Command Window (kể cả ở những lần trước khi mở Matlab)