Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị sấy bơm nhiệt_Hệ thống điều khiển thiết bị sấy bơm nhiệt_Hệ thống điều khiển tự động thiết bị sấy bơm nhiệt_Thiết kế hệ thống điều khiển tự động thiết bị sấy bơm nhiệt
TỔNG QUAN HỆ THỐNG
Tổng quan về sấy bơm nhiệt
1.1.1 Đặc điểm Đối với các ngành sản xuất thực phẩm, sấy là một trong những quá trình tiêu tốn rất nhiều năng lượng Sấy là quá trình truyền nhiệt và chuyển khối phức tạp, có độ phi tuyến cao Chúng ta cung cấp nhiệt cho vật liệu ướt để làm bay hơi ẩm bên trong vật liệu Phần lớn máy sấy công nghiệp là máy sấy đối lưu không khí sử dụng nhiên liệu hóa thạch, sinh khối hoặc điện là nguồn năng lượng chính Tổn thất nhiệt là do không khí thoát ẩm và khả năng cách nhiệt của buồng sấy Cho nên để tránh lãng phí thì việc thu hồi nhiệt thải là rất cần thiết giúp giảm năng lượng tiêu tốn, tiết kiệm chi phí và góp phần bảo vệ môi trường
Hiện nay, có nhiều phương pháp sấy như sấy đối lưu, sấy hồng ngoại, sấy vi sóng, sấy bơm nhiệt kết hợp vi sóng và sấy chân không vi sóng Tuy nhiên, nghiên cứu cho thấy phương pháp sấy tích hợp hệ thống bơm nhiệt mang lại sự kết hợp tối ưu giữa giá trị dinh dưỡng, hiệu quả kinh tế và khả năng vận hành.
Sấy bơm nhiệt là phương pháp sấy tiên tiến sử dụng hệ thống bơm nhiệt để tạo ra môi trường sấy linh hoạt, với nhiệt độ có thể điều chỉnh từ mức xấp xỉ môi trường đến cao hơn, tùy thuộc vào yêu cầu của vật liệu Khác với các thiết bị nhiệt lạnh, bơm nhiệt tận dụng cả dàn nóng và dàn lạnh, giúp tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ Nhờ đó, nhiệt độ không khí có thể duy trì ở mức môi trường hoặc thấp hơn, mang lại hiệu quả sấy cao và tiết kiệm năng lượng.
Sấy bơm nhiệt có ưu điểm nổi bật là tách biệt môi trường sấy khỏi môi trường thiết bị, giúp hệ thống hoạt động ổn định bất chấp điều kiện thời tiết xấu như mưa lạnh hay độ ẩm cao Hệ thống này bao gồm nhiều thành phần liên kết chặt chẽ với các thông số nhiệt động lực học, do đó, bất kỳ sự thay đổi nào trong thành phần hay thông số sẽ ảnh hưởng đến các yếu tố khác trong hệ thống.
1.1.2 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng
- Khả năng giữ màu sắc, mùi vị và vitamin đều tốt
- Tiết kiệm năng lượng nhờ sử dụng cả năng lượng dàn nóng và dàn lạnh, hiệu quả sử dụng nhiệt cao
- Bảo vệ môi trường, tuổi thọ thiết bị cao, vận hành an toàn
Máy sấy có khả năng điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm theo yêu cầu cụ thể của từng loại sản phẩm Điều này được thực hiện bằng cách thay đổi công suất nhiệt của dàn ngưng và công suất của máy lạnh, giúp tối ưu hóa quá trình sấy dựa trên khả năng chịu nhiệt của sản phẩm.
- Công suất khá lớn đáp ứng được nhiều chủng loại quy mô
- Chi phí đầu tư hệ thống thấp hơn so với các phương pháp sấy lạnh khác
Thời gian sấy thường kéo dài do không có thế sấy lớn như trong phương pháp sấy nóng Độ chênh lệch áp suất hơi nước giữa vật liệu và tác nhân sấy không đáng kể, đặc biệt là trong giai đoạn vật liệu có hàm lượng ẩm thấp.
1.1.2.3 Ứng dụng trong sản xuất thực phẩm
Sau khi thu hoạch nông sản, Việt Nam và các nước nông nghiệp thường tiến hành làm sạch và sấy thực phẩm để kéo dài thời gian sử dụng, giảm chi phí đóng gói và khối lượng vận chuyển Quá trình sấy giúp giữ lại vẻ đẹp, hương vị ban đầu và duy trì chất dinh dưỡng của thực phẩm bằng cách loại bỏ độ ẩm, ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn, nấm mốc và nấm men Thực phẩm có thể được sấy nguyên hình dáng, cắt lát hoặc nghiền thành bột.
- Sấy hoa quả: chuối, mít, xoài, thanh long, nho, kiwi, …
- Sấy thực phẩm: rau củ quả, …
- Sấy nông sản: cà rốt, hành khô, su hào, …
- Sấy thủy hải sản: cá, tôm, …
- Sấy dược liệu: nấm, đông trùng hạ thảo, thảo dược, …
Phân tích cấu tạo hệ thống, nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hình dưới đây mô tả nguyên lý chung của hệ thống sấy bơm nhiệt:
Hình 1: Sơ đồ nguyên lý chung của sấy bơm nhiệt
- Buồng sấy: nơi tách ẩm
- Bộ phận bơm nhiệt, bao gồm: máy nén, dàn nóng (bay hơi), dàn lạnh (ngưng tụ), van tiết lưu.
Trong giai đoạn 1, không khí sấy đi qua buồng sấy sẽ hấp thụ độ ẩm từ vật liệu, dẫn đến tỷ lệ ẩm trong không khí tăng lên và nhiệt độ giảm xuống, có thể giảm xuống bằng nhiệt độ của vật liệu sấy.
Trong giai đoạn 2, không khí sấy được đưa qua dàn lạnh, giúp giảm nhiệt độ xuống đến mức điểm sương Khi đạt đến nhiệt độ này, hơi nước trong không khí sẽ ngưng tụ và được tách ra ngoài.
- Giai đoạn 3: Không khí sấy đi qua dàn nóng được tăng nhiệt độ lên lại.
- Giai đoạn 4: Không khí sấy đi qua bộ cấp nhiệt phụ để đạt nhiệt độ sấy yêu cầu và trở lại theo chu trình.
Trong buồng sấy có không khí ẩm sẽ được loại bỏ ra ngoài thông qua bộ xả nước ngưng. Ở bộ phận bơm nhiệt:
Môi chất lạnh được máy nén nén thành hơi ở áp suất và nhiệt độ cao, sau đó được bơm đến dàn nóng qua van đảo chiều Tại dàn nóng, hơi môi chất sẽ giải nhiệt và ngưng tụ thành dạng lỏng, trong khi lượng nhiệt tỏa ra sẽ được dòng không khí sấy hấp thu, làm tăng nhiệt độ trong giai đoạn 3.
Môi chất lỏng đi qua van tiết lưu vào dàn lạnh, nơi nó thu năng lượng từ không khí và bốc hơi Sau khi quá trình này hoàn tất, môi chất trở về van đảo chiều để máy nén bắt đầu lại chu trình Trong dàn lạnh, nước ngưng được hình thành và cần được tách ra ngoài.
Phân tích đối tượng điều khiển
Dựa vào nguyên lý hoạt động của sấy bơm nhiệt, có thể thấy các thông số chính ảnh hưởng rõ rệt đến chất lượng sản phẩm bao gồm:
- Bản chất vật liệu ban đầu
Ngoài các thông số gây nhiễu liên quan đến vật liệu và môi trường, đối tượng điều khiển sấy bơm nhiệt là một hệ thống đa thông số với các yếu tố đầu vào và đầu ra Các thông số công nghệ quan trọng bao gồm nhiệt độ, độ ẩm của tác nhân sấy, áp suất của máy nén và lưu lượng tác nhân sấy Các yếu tố tác động chính là tốc độ quạt và năng suất lạnh của máy nén.
Tốc độ gió có ảnh hưởng lớn đến quá trình sấy; tốc độ gió thấp dẫn đến lượng gió vào buồng sấy giảm, làm tăng thời gian sấy do lượng ẩm bị cuốn ra cũng thấp Ngược lại, tốc độ gió cao giúp quá trình sấy diễn ra nhanh chóng hơn Ngoài ra, nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến tổn thất hoạt chất sinh học, mùi vị và màu sắc sản phẩm, cũng như hiệu suất sản xuất.
Nhiệt độ cao thúc đẩy quá trình truyền nhiệt từ tác nhân sấy vào vật liệu sấy, giúp hàm ẩm trên bề mặt vật liệu bốc hơi nhanh chóng hơn so với khi ở nhiệt độ thấp.
Các chất dinh dưỡng như vitamin và khoáng chất (K, Na, ) có tính nhạy cảm với nhiệt độ, do đó có thể bị mất đi trong quá trình sấy nếu nhiệt độ quá cao Việc sấy ở nhiệt độ vượt quá mức cho phép không chỉ làm giảm chất lượng dinh dưỡng mà còn có thể gây cháy bề mặt và tạo ra mùi khét cho sản phẩm.
Tính liên động trong điều khiển và điều chỉnh công suất
Tính liên động là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn cho con người, thiết bị và hệ thống trong các thiết kế hiện đại Việc liên động trong điều khiển giúp ngắt nguồn cấp cho bơm nhiệt trong những tình huống cần thiết.
- Cửa khoang sấy chưa được khóa hoặc khóa chưa chặt.
- Nhiệt độ của các thiết bị điều chỉnh công suất, máy biến áp lên cao vượt quá ngưỡng cho phép.
- Nhiệt độ của tác nhân sấy, buồng sấy hoặc vật liệu sấy vượt quá ngưỡng báo động cao.
Hệ thống điện có thể gặp hiện tượng quá dòng tức thì do các nguyên nhân như ngắn mạch, chập điện hoặc sự cố ở các phần tử Ngoài ra, hiện tượng quá tải cũng có thể xảy ra trong một khoảng thời gian đủ dài.
HỆ THỐNG SẤY BƠM NHIỆT QUY MÔ HỘ GIA ĐÌNH
Đặt vấn đề
Hệ thống sấy bơm nhiệt là giải pháp lý tưởng cho hộ gia đình trong giai đoạn sơ chế và bảo quản nông sản Với khí hậu nhiệt đới của Việt Nam, đặc biệt là mùa xuân có độ ẩm cao, việc bảo quản nông sản trở nên khó khăn, dễ dẫn đến sự phát triển của nấm mốc Thêm vào đó, thời tiết nắng mưa thất thường gây ảnh hưởng đến việc thu hoạch và bảo quản, dẫn đến tổn thất lớn Sấy bơm nhiệt giúp khắc phục những hạn chế này, tạo ra môi trường khô ráo và an toàn cho sản phẩm nông nghiệp.
Quy mô hộ gia đình thường nhỏ gọn, yêu cầu dễ sử dụng và chi phí đầu tư ban đầu thấp Thông thường, hệ thống này sử dụng một máy nén chạy trên lưới điện dân dụng 1 pha kết hợp với bộ gia nhiệt không khí, thường là dây mayso Để kiểm soát nhiệt độ, người dùng cần sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ rời.
Để đảm bảo hệ thống máy nén chạy động cơ 3 pha hoạt động ổn định trong lưới điện 1 pha, hộ gia đình có thể thực hiện việc đấu nối động cơ 3 pha theo kiểu phù hợp.
Khi sử dụng động cơ 1 pha, công suất có thể giảm từ 60-90% tùy thuộc vào loại động cơ; ví dụ, động cơ có công suất định mức dưới 2kW có thể giảm đến 90%, trong khi động cơ 15kW có thể chỉ còn 70% Để đảm bảo an toàn, cần sử dụng dây dẫn điện có kích thước phù hợp và thêm một bộ cáp 3 pha để tránh tình trạng cháy nổ.
Chúng ta sẽ lắp đặt vào hệ thống thêm dây mayso để đảm bảo không khí sẽ đạt đến nhiệt độ sấy yêu cầu.
Xây dựng bài toán điều khiển
Hình 2: Sơ đồ chức năng hệ thống bơm nhiệt hộ gia đình
2.2.2 Phương án điều khiển và lưu ý
Mỗi loại vật liệu sấy yêu cầu nhiệt độ sấy khác nhau Trong quá trình vận hành, nếu nhiệt độ vượt quá mức cho phép, cần tắt bơm nhiệt cho đến khi nhiệt độ của tác nhân sấy giảm xuống hoặc đạt đủ số giờ sấy theo yêu cầu.
Nhiệt độ của tác nhân sấy được đo bằng cảm biến PT100, sau đó tín hiệu được gửi về bộ điều khiển nhiệt độ để tự động điều chỉnh hoạt động của bơm nhiệt.
Sử dụng Relay-Timer tính số giờ sấy Hệ thống dừng khi đạt số giờ sấy theo yêu cầu.
2.2.2.3 Lưu ý lắp đặt Ở quy mô này, chúng ta sẽ lắp ráp, đấu nối hoàn thiện và vận chuyển đến nơi đặt máy nên cần lắp thêm 4 con lăn để vận chuyển máy dễ dàng hơn Kiểm tra lại 1 lần nữa các tiếp điểm, chỗ nối, dây dẫn, …
HỆ THỐNG SẤY BƠM NHIỆT QUY MÔ CÔNG NGHIỆP
Đặt vấn đề
Khác với quy mô hộ gia đình, quy mô công nghiệp yêu cầu độ chính xác và chất lượng sản phẩm cao trong quá trình chế biến sản xuất năng suất lớn Tiết kiệm năng lượng là ưu tiên hàng đầu cho các doanh nghiệp Đối với hệ thống sấy bơm nhiệt, cần có chiến lược điều khiển hợp lý để vừa đảm bảo độ chính xác vừa tiết kiệm năng lượng Năng lượng tiêu hao chủ yếu đến từ việc vận hành máy nén, thường là động cơ 3 pha có công suất lớn Yếu tố quan trọng nhất là tối ưu khả năng tách ẩm của dàn lạnh trong hệ thống bơm nhiệt.
2 nhiệt độ sôi khác nhau đem lại hiệu quả làm lạnh rõ rệt hơn hệ thống bơm nhiệt 1 nhiệt độ sôi.
Trong hệ thống công nghiệp, việc lựa chọn hệ thống sấy bơm nhiệt với hai máy nén có nhiệt độ sôi khác nhau là cần thiết để tối ưu hóa hiệu quả điều khiển và tách ẩm Đồng thời, cần chú trọng đảm bảo an toàn cho động cơ, ngăn ngừa tình trạng quá nhiệt và quá áp.
Xây dựng sơ đồ chức năng
Để đảm bảo hiệu quả vận hành của hệ thống, các thông số công nghệ cần được đo và ghi tự động trong quá trình hoạt động, điều này đòi hỏi quy mô hệ thống lớn và độ phức tạp cao.
- Nhiệt độ của tác nhân sấy ở đầu ra khoang sấy
- Độ ẩm của tác nhân sấy ở đầu ra khoang sấy
- Nhiệt độ của tác nhân sấy ở đầu vào khoang sấy
- Độ ẩm của tác nhân sấy ở đầu vào khoang sấy
Để đảm bảo vận hành tối ưu năng lượng cho các loại vật liệu sấy khác nhau và các giai đoạn của quá trình sấy, cần chú trọng vào việc kiểm soát các thông số quan trọng, đồng thời đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn.
- Công suất điện tiêu thụ tức thời
- Điện năng tích lũy trong quá trình vận hành
- Các thông số điện khác: điện áp các pha, dòng điện các pha
Từ các ý trên ta xây dựng được sơ đồ chức năng hệ thống:
Hình 3: Sơ đồ chức năng hệ thống sấy bơm nhiệt quy mô công nghiệp
G: Biến người dùng tùy chọn (User choice) là độ chứa ẩm (d) được tính toán dựa trên giá trị nhiệt độ và độ ẩm tương đối đo từ cảm biến về
UC: Bộ điều khiển đa biến Ở đây ta hiểu là PLC
Để đạt được nhiệt độ sấy yêu cầu và điều chỉnh nhiệt độ sấy hiệu quả, cần sử dụng bộ cấp nhiệt phụ Bộ cấp nhiệt phụ quy mô công nghiệp có thể tận dụng nguồn nhiệt thải, hơi thứ hoặc nước ngưng Nếu cần điều khiển chính xác, nên xem xét sử dụng bộ gia nhiệt không khí như dây mayso hoặc nhiệt điện trở sấy khô.
Trong hệ thống này ta chọn nhiệt điện trở sấy khô.
Chiến lược điều khiển
Đối với hệ thống sấy bơm nhiệt có hai máy nén, công suất tổng của hệ thống sẽ được chia thành hai phần Hệ thống bơm nhiệt 1, hay còn gọi là hệ thống nhỏ, chiếm khoảng một tỷ lệ nhất định trong tổng công suất.
40% công suất tổng, hệ thống bơm nhiệt 2 (hệ thống lớn) chiếm khoảng 60% công suất tổng
Việc sử dụng biến tần cho máy nén công suất lớn mang lại lợi ích vượt trội, cho phép điều khiển dải công suất liên tục từ 0-100%, trong khi máy nén công suất nhỏ chỉ có thể điều khiển từ 0-40% và 60-100% Hơn nữa, biến tần giúp tránh hiện tượng sụt áp khi khởi động động cơ máy nén lớn Đồng thời, cần phải kiểm soát nhiệt độ của tác nhân sấy để đảm bảo đáp ứng yêu cầu công nghệ trong quá trình sấy.
Trong hệ thống sấy này, chúng ta sử dụng một dàn nóng ngoài để điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy Khi nhiệt độ tác nhân sấy vượt quá mức yêu cầu, dàn nóng trong sẽ được khóa lại, cho phép môi chất từ dàn nóng ngoài được làm mát bằng nước và không khí Khi nhiệt độ tác nhân sấy giảm xuống dưới mức đặt, chúng ta sẽ mở dàn nóng trong để gia nhiệt cho tác nhân sấy Độ ẩm của vật liệu được kiểm soát thông qua độ ẩm của tác nhân sấy, dựa vào việc đo đạc chênh lệch độ ẩm vào và ra của buồng sấy cùng với độ ẩm tương đối trong dàn lạnh Từ đó, các van, quạt và máy nén sẽ được điều chỉnh để đảm bảo quá trình sấy diễn ra hiệu quả và dừng lại đúng thời điểm.
Điều khiển hệ thống sấy bơm nhiệt cần tuân theo nguyên tắc trạng thái năng lượng, với bộ cấp nhiệt phụ chỉ được sử dụng ở giai đoạn đầu và cuối để hỗ trợ gia nhiệt mà không chạy liên tục, nhằm tránh mất ổn định năng lượng Dàn nóng và dàn lạnh hoạt động đồng bộ, trong đó nhiệt độ của dàn nóng được xác định bởi tổng nhiệt của dàn lạnh và công suất máy nén Nguyên tắc sấy bơm nhiệt dựa trên đối lưu, đảm bảo sấy đẳng enthalpy, với không khí luôn tuần hoàn kín và nhận nhiệt từ dàn nóng, dẫn đến enthalpy của không khí tăng Khi đạt đến ngưỡng nhất định, dàn lạnh không thể ngưng ẩm, cần có dàn nóng ngoài để hạ enthalpy và giải nhiệt cho hệ thống.
Lựa chọn thiết bị chấp hành, cảm biến và thiết bị điều khiển
Nguyên tắc lựa chọn cảm biến:
- Dải đo: nằm trong vùng đo của cảm biến cần chọn
- Tín hiệu đầu vào và đầu ra: phù hợp với hệ thống điều khiển
- Sai số: ở mức cho phép và chấp nhận được của cảm biến
- Điều kiện môi trường: ngoài trời hay trong nhà và hoạt động có ổn định không
3.4.1.1 Cảm biến đo nhiệt độ độ ẩm
Trong bài toán này ta cần đo các thông số nhiệt độ, độ ẩm trước và sau buồng sấy, nhiệt độ sấy thấp (20˚C - 60˚C), độ ẩm từ 0 - 100%
Cảm biến VELT-W-TH-I4 được lựa chọn vì vị trí lắp đặt trên đường ống dẫn tác nhân sấy, hoạt động hiệu quả trong môi trường nhiệt độ thấp Sản phẩm này đáp ứng các tiêu chí về chi phí kinh tế hợp lý, dễ dàng lắp đặt và khả năng kết nối đa chức năng với các thiết bị ngoại vi như PLC và màn hình hiển thị Ngoài ra, cảm biến còn tích hợp sẵn bộ chuyển đổi tín hiệu và đi kèm với màn hình hiển thị, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.
Hình 4: Cảm biến VELT-W-TH-I4
Trong dòng cảm biến trên có các loại như:
- VELT-W-TH-I4-P: Sử dụng trong môi trường ẩm cao, không khí trong đất
- VELT-W-TH-I4-C: Sử dụng trong môi trường bột, cám, gạo, nông sản
- VELT-W-TH-I4-S: Sử dụng cho lò sấy
- VELT-W-TH-I4-D: Đo ẩm, nhiệt độ không khí trong đường ống
Trong hệ thống sấy bơm nhiệt, việc lắp đặt cảm biến trên đường ống là rất quan trọng, đặc biệt khi dải nhiệt độ sấy không cao (20-60˚C) Cảm biến VELT-W-TH-I4-D được lựa chọn vì những đặc điểm kỹ thuật vượt trội của nó trong việc đo nhiệt độ và độ ẩm.
Bảng 1: Thông số kỹ thuật cảm biến VELT-W-TH-I4-D
Nhiệt độ hoạt động -40 – 80 ͦ C Độ ẩm làm việc 0 – 100%
Ngõ ra Nhiệt ẩm độc lập 4-20mA,0-10VDC hoặc RS485
Sai số 3% độ ẩm và 0.5 ͦ C
Thời gian đáp ứng
