TỔNG QUAN
Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, tóm tắt các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã được công bố
1.1.1 Giới thiệu chung về máy sấy năng lƣợng mặt trời
Hiện nay, việc sử dụng hệ thống nhiệt năng lượng mặt trời trong nông nghiệp để bảo quản rau, trái cây và cà phê đã chứng minh tính hiệu quả về kinh tế và thân thiện với môi trường Hệ thống này không chỉ cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn giảm lãng phí và tận dụng nguồn năng lượng tự nhiên dồi dào, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống Tuy nhiên, thông tin về hệ thống sấy bằng năng lượng mặt trời vẫn còn hạn chế ở nhiều quốc gia cần thiết Hiện có nhiều loại máy sấy thực phẩm bằng năng lượng mặt trời với thiết kế và chức năng đa dạng, đáp ứng nhu cầu của người nông dân.
Nhiều loại trái cây và rau quả chứa lượng nước lớn, dễ hư hỏng nếu không được bảo quản ở nhiệt độ thích hợp Để giải quyết vấn đề này, việc áp dụng các phương pháp sau thu hoạch như làm khô giúp chuyển đổi sản phẩm dễ hỏng thành sản phẩm ổn định hơn, dễ lưu trữ lâu dài Ngành công nghiệp thực phẩm hiện nay phát triển mạnh mẽ nhờ vào việc sử dụng các thiết bị sấy như máy sấy đông lạnh, máy sấy phun sương, máy sấy trống quay và máy sấy hơi nước Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho những máy sấy này rất cao, khiến chỉ những công ty thương mại có doanh thu lớn mới đủ khả năng sử dụng.
Nhiều công ty quy mô nhỏ không đủ khả năng sử dụng công nghệ sấy cao cấp để sản xuất sản phẩm chất lượng cao, do đó, hệ thống sấy năng lượng mặt trời với chi phí thấp và dễ sử dụng đã trở thành lựa chọn hấp dẫn Hệ thống này không chỉ phù hợp cho các công ty nhỏ mà còn hữu ích cho nông dân, đồng thời có ứng dụng trong các lĩnh vực như vật liệu xây dựng tự nhiên và nhiên liệu sinh học như gỗ hoặc dược liệu.
Nông sản và các sản phẩm khác đã được làm khô bằng ánh nắng mặt trời và gió từ hàng ngàn năm, nhằm bảo quản cho việc sử dụng sau này Quá trình sấy khô này rất quan trọng đối với nông sản, thực phẩm, gỗ, thuốc lá và dược liệu Hiện nay, nhiều nơi đã chuyển sang sử dụng máy sấy với nồi hơi và quạt, giúp sấy nhanh hơn và cho chất lượng sản phẩm tốt hơn so với phơi nắng Tuy nhiên, máy sấy thường có chi phí cao và tiêu tốn nhiều năng lượng Máy sấy năng lượng mặt trời là một giải pháp tiện lợi, sử dụng năng lượng mặt trời mà không phơi sản phẩm dưới nắng trực tiếp, mang lại hiệu quả cao hơn so với phơi nắng và chi phí vận hành thấp hơn Mặc dù một số thiết kế đã chứng minh hiệu quả trong thử nghiệm, nhưng vẫn cần phát triển để đáp ứng nhu cầu sử dụng rộng rãi, cho thấy tiềm năng lớn của máy sấy năng lượng mặt trời.
Sấy năng lượng mặt trời là phương pháp sử dụng thiết bị để chuyển giao năng lượng bức xạ từ mặt trời đến sản phẩm cần làm khô, khác với phương pháp phơi nắng truyền thống Phơi nắng thường được áp dụng trong nông nghiệp, đặc biệt khi nhiệt độ ngoài trời đạt 30 độ C trở lên Tại nhiều khu vực Đông Nam Á, việc giữ cho cây gia vị và thảo dược luôn khô là rất quan trọng, nhưng điều kiện thời tiết không phải lúc nào cũng thuận lợi cho việc phơi nắng Hơn nữa, tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời trong những ngày có nhiệt độ cao có thể gây hại cho sản phẩm.
Máy sấy năng lượng mặt trời có khả năng tạo ra một lớp vỏ cứng bên ngoài sản phẩm, giữ ẩm bên trong, giúp nâng cao hiệu quả sấy và đảm bảo chất lượng thực phẩm Năng lượng mặt trời đã được ứng dụng rộng rãi trên toàn cầu để sấy khô các loại thực phẩm như ngũ cốc, trái cây, thịt, rau và cá So với các hệ thống sấy năng lượng mặt trời truyền thống, máy sấy thực phẩm năng lượng mặt trời mang lại nhiều ưu điểm nhờ vào khả năng điều khiển chính xác dòng nhiệt bức xạ.
Máy sấy thực phẩm năng lượng mặt trời giúp tăng tốc độ sấy thực phẩm một cách hiệu quả Điều này được thực hiện nhờ vào việc sử dụng các tấm kính trong suốt, giúp nâng cao nhiệt độ không khí trong bộ thu nhiệt Bên cạnh đó, khả năng mở rộng các bộ thu năng lượng mặt trời cho phép thu nhận nhiều ánh sáng mặt trời hơn, từ đó rút ngắn thời gian sấy khô thực phẩm.
Sấy khô thực phẩm nhanh chóng giúp giảm thiểu hư hỏng sau thu hoạch, đặc biệt là đối với hạt tươi có độ ẩm cao Phương pháp này không chỉ tối ưu hóa năng suất mà còn cung cấp lượng sản phẩm lớn cho người tiêu dùng Hơn nữa, việc bảo quản thực phẩm trong khoang kín an toàn giảm thiểu đáng kể lượng sản phẩm thất thoát do rơi vãi hoặc bị động vật hoang dã tấn công.
Sản phẩm được sấy khô trong môi trường an toàn và được kiểm soát giúp giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm từ sâu bệnh và nấm mốc, đảm bảo tính hợp vệ sinh cho thực phẩm.
Sấy khô thực phẩm ở nhiệt độ tối ưu và trong thời gian ngắn giúp bảo toàn giá trị dinh dưỡng cao hơn Ngoài ra, thực phẩm sau khi sấy có kiểu dáng và hương vị hấp dẫn hơn, từ đó tăng cường khả năng tiếp thị và mang lại lợi nhuận tốt hơn cho nông dân.
Sử dụng năng lượng mặt trời miễn phí để sấy sản phẩm giúp giảm chi phí nhiên liệu truyền thống, mang lại lợi ích kinh tế đáng kể Bằng cách áp dụng nguồn nhiệt bổ sung từ năng lượng mặt trời giá rẻ, nhu cầu sử dụng nhiên liệu thông thường được giảm thiểu, tiết kiệm chi phí hiệu quả.
1.1.2 Phân loại một số máy sấy năng lƣợng mặt trời [1]
Việc lựa chọn và phát triển máy sấy năng lượng mặt trời cho ứng dụng cụ thể phụ thuộc vào các loại máy đang được sử dụng phổ biến Có ba phương pháp sấy cơ bản: phơi nắng tự nhiên, sấy trực tiếp và sấy gián tiếp Các phương pháp này dựa vào cách thu năng lượng mặt trời và chuyển đổi thành năng lượng nhiệt Máy sấy năng lượng mặt trời trực tiếp có vật liệu sấy trong buồng kín với nắp trong suốt, trong khi máy sấy gián tiếp sử dụng không khí nóng từ bộ thu năng lượng mặt trời để làm khô sản phẩm Máy sấy chuyên dụng được thiết kế cho sản phẩm cụ thể và có thể kết hợp với các nguồn năng lượng khác Mặc dù máy sấy gián tiếp hiệu quả hơn so với máy sấy trực tiếp, hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp cho phép tốc độ sấy nhanh hơn nhờ vào việc bổ sung nhiệt từ các nguồn khác.
1.1.2.1 Phương pháp phơi nắng trực tiếp
Hình 1.1 minh họa nguyên tắc làm việc của phương pháp phơi trực tiếp bằng năng lượng mặt trời, trong đó bức xạ năng lượng mặt trời có bước sóng ngắn chiếu lên bề mặt vật liệu sấy một cách không đồng đều Một phần năng lượng này sẽ bị phản xạ.
Khi bức xạ được hấp thụ bởi các bề mặt, một phần trở lại trong khi phần còn lại được hấp thụ tùy thuộc vào màu sắc của vật liệu sấy Năng lượng từ bức xạ hấp thụ chuyển hóa thành năng lượng nhiệt, làm tăng nhiệt độ của vật liệu Quá trình mất nước diễn ra qua bay hơi, dẫn đến việc vật liệu sấy trở nên khô ráo.
Nguyên lý làm việc của phơi nắng trực tiếp liên quan đến việc hấp thụ năng lượng nhiệt, giúp tăng nhiệt độ và hình thành hơi nước bên trong vật liệu sấy Hơi nước này sau đó khuếch tán ra bề mặt và bốc hơi vào môi trường Trong giai đoạn đầu, quá trình loại bỏ độ ẩm diễn ra nhanh chóng, nhưng sau đó, tốc độ sấy khô phụ thuộc vào khả năng di chuyển của độ ẩm từ bên trong sản phẩm ra bề mặt, điều này phụ thuộc vào từng loại sản phẩm cụ thể.
Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.2.1 Tính cấp thiết của đề tài
Phơi khô thực phẩm và cây nông nghiệp bằng ánh nắng mặt trời đã được thực hiện từ lâu, nhưng gặp nhiều khó khăn như hư hỏng do thời tiết, sự tấn công của động vật và côn trùng, cũng như yêu cầu diện tích lớn và tốn thời gian Mặc dù máy sấy nhân tạo đã được phát triển, chúng tiêu tốn năng lượng và làm tăng chi phí sản phẩm Công nghệ sấy năng lượng mặt trời mang đến giải pháp hiệu quả, giúp sấy rau quả trong điều kiện sạch sẽ, tiết kiệm năng lượng, thời gian và diện tích, đồng thời cải thiện chất lượng sản phẩm và bảo vệ môi trường Công nghệ này không chỉ phù hợp cho việc sấy khô hoàn toàn mà còn hỗ trợ cho hệ thống sấy nhân tạo, giảm lượng nhiên liệu cần thiết Ngoài ra, công nghệ sấy năng lượng mặt trời có thể áp dụng trong các ngành chế biến thực phẩm quy mô nhỏ, tạo ra sản phẩm chất lượng tốt và thúc đẩy việc khai thác nguồn năng lượng tái tạo.
Sấy năng lượng mặt trời là một ứng dụng nhiệt tiềm năng của năng lượng mặt trời, đặc biệt tại các nước đang phát triển Tuy nhiên, hiện nay, việc khai thác công nghệ sấy năng lượng mặt trời vẫn còn hạn chế Để thâm nhập thị trường trong giai đoạn đầu phát triển, xác định các khu vực phù hợp cho việc sử dụng máy sấy năng lượng mặt trời là rất cần thiết Trong bối cảnh này, lĩnh vực can thiệp kịp thời tại các nước đang phát triển có thể mang lại nhiều lợi ích.
Quá trình sấy nông sản như thuốc lá, trà, cà phê và nhiều loại khác tại Việt Nam gặp nhiều khó khăn do công nghệ chế biến và lưu trữ còn hạn chế, trong khi máy sấy hiện đại quá đắt đối với nông dân Điều này dẫn đến chất lượng sản phẩm sau thu hoạch không đạt yêu cầu cho thị trường nội địa và quốc tế Để giải quyết vấn đề này, tôi quyết định nghiên cứu và thiết kế một bộ điều khiển ổn định điều kiện sấy cho hệ thống sấy sử dụng năng lượng mặt trời, một nguồn năng lượng dồi dào và tiết kiệm chi phí, nhằm đáp ứng nhu cầu của người dân.
1.2.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Quá trình thực hiện đề tài giúp học viên áp dụng kiến thức và kỹ năng đã học để nghiên cứu, giải quyết vấn đề và đáp ứng các yêu cầu thực tiễn Điều này không chỉ tạo ra thiết bị công nghệ mà còn là nền tảng để phát triển các thiết bị ứng dụng trong sản xuất.
Thiết bị tạo thành đáp ứng nhu cầu sấy khô nông sản và dược liệu với chi phí thấp, phù hợp với điều kiện của người nông dân Việt Nam, từ đó nâng cao năng suất lao động và hiệu quả kinh tế Với thiết kế cải tiến và quy trình sấy được giám sát tự động hóa, thiết bị này đảm bảo các thông số sấy ổn định, giúp sản phẩm đạt độ khô và gia nhiệt đồng đều, giữ được hương vị cùng các tính chất sinh học tối ưu như dược tính và dinh dưỡng.
Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của đề tài là tính toán, thiết kế, chế tạo và điều khiển ổn định điều kiện sấy trong hệ thống sấy kết hợp năng lượng mặt trời Nghiên cứu này nhằm tối ưu hóa quy trình sấy, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và đảm bảo chất lượng sản phẩm sau sấy.
Quy trình sấy nông sản là đối tượng nghiên cứu chính, trong đó việc điều chỉnh các thông số như nhiệt độ, độ ẩm và lưu lượng gió đóng vai trò quan trọng Những thay đổi này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm sau khi sấy.
Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ổn định điều kiện sấy trong hệ thống sấy dùng kết hợp năng lượng mặt trời” tập trung vào việc nghiên cứu quy trình và hệ thống sấy cho các nông sản, dược phẩm và sản phẩm tươi Mục tiêu chính là cải thiện hiệu quả sấy bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời, đảm bảo điều kiện sấy ổn định và tối ưu hóa chất lượng sản phẩm sau khi sấy.
Máy sấy ứng dụng sấy cho các loại nông sản, trái cây và dƣợc phẩm để cho ra những sản phẩm có chất lƣợng đảm bảo
Bài nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo bộ điều khiển nhằm ổn định các điều kiện sấy trong hệ thống sấy kết hợp năng lượng mặt trời, do thời gian nghiên cứu có hạn.
Để tối ưu hóa hệ thống sấy, cần tính toán công suất phù hợp, lựa chọn thiết bị hiệu quả và lắp đặt bộ điều khiển chính xác Đồng thời, việc lắp đặt thiết bị thu nhận dữ liệu ở vị trí tối ưu cũng rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Hệ thống điều khiển cho phép người dùng kiểm soát giá trị nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió trong suốt quá trình sấy Nó giúp thiết lập các điều kiện sấy tối ưu dựa trên các thông số kinh nghiệm, đồng thời hiển thị các giá trị để người sử dụng dễ dàng theo dõi.
Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện, nghiên cứu đề tài, tác giả thực hiện sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
- Phương pháp quan sát khoa học: nhằm thu nhận thông tin đã nghiên cứu trong và ngoài nước về sản phẩm, thiết bị
Phân tích và tổng kết kinh nghiệm là bước quan trọng để đánh giá nhu cầu và khả năng đáp ứng của sản phẩm Quá trình này giúp xác định những hạn chế và điểm yếu của thiết bị, từ đó đưa ra các giải pháp cải tiến và hoàn thiện sản phẩm nhằm nâng cao hiệu quả phát triển.
Phương pháp thực nghiệm là cách đánh giá khả năng đáp ứng của sản phẩm đối với nhu cầu thực tế của thị trường Qua thực nghiệm, chúng ta có thể quan sát kết quả và kết hợp với phân tích để tìm ra các phương pháp cải tiến thiết bị, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm.
SỞ LÝ THUYẾT
Quá trình sấy
Quá trình sấy là quá trình loại bỏ nước khỏi vật liệu nhằm đạt được trạng thái khô ráo, ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật và enzyme, từ đó bảo quản vật liệu lâu dài Quá trình này bao gồm việc khuếch tán hơi ẩm từ bên trong vật liệu ra bề mặt và sau đó chuyển hơi ẩm từ bề mặt ra môi trường xung quanh.
Vật liệu ẩm và các thông số của vật liệu ẩm
Sau khi thu hoạch, rau quả chứa nhiều nước và tiềm ẩn vi sinh vật cùng enzyme hoạt động mạnh, dẫn đến hư hỏng nhanh chóng Do đó, việc bảo quản rau quả ở dạng khô là cần thiết để loại bỏ các vi sinh vật này.
Dựa theo tính chất lý học, người ta có thể chia vật ẩm ra thành ba loại:
- Vật liệu keo: là vật cócó cấu trúc hạt nên có tính dẻo Ví dụ: bột nhào, v.v…
- Vật liệu xốp mao dẫn: nước hoặc hơi ẩm tồn tại ở dạng liên kết cơ học do lực mao dẫn Ví dụ: tinh thể đường, tinh thể muối ăn, v.v…
- Vật liệu keo xốp mao dẫn: bao gồm tính chất của hai nhóm trên Ví dụ: ngũ cốc, các hạt họ đậu, bánh mì, rau, quả v.v
Trong vật liệu ẩm, có nhiều dạng liên kết khác nhau, bao gồm ba nhóm chính: liên kết hóa học, liên kết hóa lý và liên kết cơ lý.
2.2.1 Các đặc trƣng trạng thái của vật liệu ẩm [19]
2.2.1.1 Độ ẩm tương đối Độ ẩm tương đối là số phần trăm khối lượng nước chứa trong 1kg vật liệu ẩm
Trong đó : w : độ ẩm tương đối của nguyên liệu ẩm m: khối lƣợng nguyên vật liệu ẩm m o : khối lƣợng chất khô tuyệt đối
Nếu w = 0 ta sẽ có độ ẩm khô tuyệt đối Độ ẩm tương đối w thường được sử dụng để biểu thị trạng thái ẩm của nguyên vật liệu
2.2.1.2 Độ ẩm tuyệt đối Độ ẩm tương đối W K là số phần trăm khối lượng nước chứa trong 1kg vật liệu khô tuyệt đối
2.2.2Các đặc trƣng nhiệt động của vật liệu ẩm
Thế dẫn ẩm là khái niệm quan trọng trong việc chuyển ẩm và nhiệt giữa các vật thể, yêu cầu phải có sự sai khác thế tương ứng Đơn vị đo của thế dẫn ẩm được ký hiệu là θ.
Khái niệm ẩm dung riêng bao gồm hai loại: ẩm dung riêng trung bình và ẩm dung riêng cục bộ Ẩm dung riêng trung bình (Cm) thể hiện sự thay đổi hàm lượng khối của vật (Δu) tương ứng với biến đổi thế chuyển khối trên một đơn vị đo, cụ thể là m/m.
C = Δu Δθ (2.3) Ẩm dung riêng cục bộ đẳng nhiệt là : m= θm
2.2.3Các thông số nhiệt - vật lý của vật liệu ẩm
2.2.3.1 Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm
Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm (C M ) đƣợc tính nhƣ là trung bình cộng độ lớn nhiệt dung riêng của chất khô (CK)và nhiệt dung riêng của nước (C n )
Hệ số dẫn nhiệt a là chỉ số quan trọng để đánh giá khả năng quán tính nhiệt của vật liệu; hệ số này càng cao thì tốc độ làm nóng hoặc làm lạnh của vật liệu càng nhanh chóng.
Trong đó : λ - Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu
C – Nhiệt dung riêng ρ – mật độ
Đặc trƣng của không khí ẩm
Không khí ẩm là sự kết hợp giữa không khí khô và hơi nước Mặc dù còn nhiều thành phần khác có mặt trong không khí, nhưng chúng thường có hàm lượng nhỏ và có thể được bỏ qua.
2.3.1 Áp suất không khí ẩm Áp suất không khí ẩm đƣợc tính theo định luật Dalton nhƣ sau:
Trong đó: P: áp suất của không khí ẩm
P KKK : áp suất riêng phần của không khí khô
P hn : áp suất riêng phần của hơi nước
2.3.2 Nhiệt độ không khí ẩm Đƣợc xác định là nhiệt độ làm nóng vật thể Nhiệt độ đƣợc đo bằng nhiệt kế theo thang nhiệt độ Celcius ( 0 C) hoặc Fahreinhei ( 0 F)
2.3.3 Độ ẩm tuyệt đối không khí ẩm Độ ẩm tương đối của không khí ẩm (ρ)được tính là khối lượng hơi nước
(m hn) chứa trong 1m 3 không khí ẩm (V) mhn ρ= V (2.8)
Không khí ẩm bão hòa chứa lượng hơi nước tối đa, dẫn đến độ ẩm tuyệt đối cực đại Độ ẩm này được ký hiệu là ρmax.
2.3.4 Độ ẩm tương đối không khí ẩm Độ ẩm tương đối của không khí ẩm là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối ρ và độ ẩm tuyệt đối cực đại ρmax Ký hiệu độ ẩm tương đối là φ φ= ρ ρmax
(2.9) Độ ẩm tương đối đặc trưng cho khả năng nhận thêm hơi nước Độ ẩm tương đối của không khí ẩm biến đổi trong khoảng : 0% ≤ φ ≤ 100%
2.3.5 Lƣợng chứa ẩm của không khí ẩm
Lượng chứa ẩm của không khí ẩm(d) được tính là khối lượng hơi nước
(m hn) chứa trong 1m 3 không khí khô(m
Năng lƣợng bức xạ mặt trời
Bức xạ mặt trời là dòng vật chất và năng lượng phát ra từ mặt trời, nằm trong một dải phổ rộng Cường độ bức xạ đạt cực đại trong khoảng 10^-1 – 10^3 nm, với phần lớn năng lượng tập trung trong khoảng bước sóng 0.38 – 0.78 µm, và cực đại ở khoảng 0.475 µm, thuộc vùng nhìn thấy của phổ.
Mật độ bức xạ trên 1m² bề mặt vuông góc với tia bức xạ được tính theo công thức q = φD_T C0 (t/100)⁴ Trong đó, hệ số góc bức xạ giữa Trái Đất và Mặt Trời được xác định bằng φD_T = β²/4.
36 β – là góc nhìn mặt trời và β ≈ 32’
C 0 = 5.67W/m 2 K 4 – là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
T ≈ 5762 0 K – là nhiệt độ bề mặt Mặt Trời
2.4.2Tính năng lƣợng bức xạ mặt trời
Cường độ năng lượng bức xạ mặt trời trên bề mặt đất chịu ảnh hưởng bởi góc nghiêng của tia sáng và độ dài đường đi của chúng.
Liên hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và các khoảng thời gian trong năm có thể xác định nhƣ sau :
Trong đó E ng là bức xạ ngoài khí quyển đƣợc đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm
2.4.2.1 Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang
Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ mặt trời [21] đến một bề mặt nằm ngang ngoài khí quyển được tính theo phương trình : ng 0 z
Trong đó θ z là góc giữa phương thẳng đứng và bức xạ tới
2.4.2.2Bức xạ truyền qua kính – hiệu ứng lồng kính
Hiệu ứng lồng kính là hiện tượng tích lũy năng lượng bức xạ mặt trời dưới tấm kính hoặc lớp khí Sự hấp thụ bức xạ trong vật liệu không trong suốt được xác định theo định luật Bougure, cho rằng bức xạ hấp thụ tỷ lệ với cường độ bức xạ và khoảng cách mà bức xạ đi qua Công thức mô tả hiện tượng này là dE = -Ekdx, trong đó K là hằng số tỷ lệ.
2.4.2.3 Tổng năng lƣợng mặt trời hấp thụ đƣợc từ bộ thu
Năng lượng bức xạ mặt trời được hấp thụ qua bộ thu gồm ba thành phần chính: trực xạ, tán xạ và phản xạ từ mặt đất Khi bộ thu được đặt nghiêng với một góc βta, tổng bức xạ mặt trời hấp thụ sẽ được tính toán dựa trên các thành phần này.
Trong đó : E b , E d là cường độ bức xạ trực xạ và tán xạ
B b là tỷ số giữa bức xạ trực xạ trên mặt phẳng nghiêng và trên mặt phẳng ngang
(1+cosβ)/2 và (1-cosβ)/2 là hệ số góc của bộ thu tương ứng đối với bầu trời và mặt đất
(DA) b , (DA) d , (DA) g là tích số hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ tương ứng đối với trực xạ, tán xạ và phản xạ từ mặt đất.
Cơ sở kỹ thuật sấy
2.5.1 Chuyển động ẩm trong vật liệu sấy
Quá trình sấy vật liệu diễn ra qua nhiều giai đoạn, bắt đầu từ việc độ ẩm di chuyển từ bên trong vật liệu ra bề mặt Sau đó, độ ẩm sẽ bay hơi tại bề mặt và chuyển hóa thành dạng hơi, tiếp tục di chuyển từ bề mặt vật liệu vào luồng không khí sấy xung quanh.
Lượng ẩm bay hơi và chuyển từ bề mặt vật liệu ra môi trường xung quanh có thể tính theo phương trình :
P M : áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy (N/m 2 )
P B : áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí (N/m 2 )
T : thời gian sấy (s;h) r : hệ số bốc hơi (kg/N.s hoặc kg/m 2 h)
Vận tốc sấy là lƣợng ẩm bay hơi trong một đơn vị thời gian sấy Vận tốc sấy đƣợc tính theo công thức : u = dW
Trong đó : W : lƣợng ẩm bay hơi trong thời gian sấy (kg/h)
F : tổng bề mặt bay hơi của sản phẩm sấy (m 2 )
Nếu vận tốc sấy không đổi, ta có thể tính đƣợc thời gian sấy theo công thức sau : k 1 2
Trong đó : - G k khối lƣợng vật liệu sấy tính theo khối lƣợng khô tuyệt đối (kg/h)
- W 1 , W 2 độ ẩm ban đầu và ban cuối của sản phẩm sấy tính bằng kg/kg sản phẩm khô tuyệt đối
Những yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sấy là :
- Bản chất của sản phẩm sấy: cấu trúc, thành phần hoá học, đặc tính liên kết…
- Hình dáng và trạng thái của sản phẩm sấy
- Độ ẩm ban đầu, ban cuối và độ ẩm tới hạn của sản phẩm sấy
- Nhiệt độ, độ ẩm và vận tốc của tác nhân sấy
- Chênh lệch nhiệt độ ban đầu và ban cuối của tác nhân sấy
- Cấu tạo của máy sấy, phương thức sấy và chế độ sấy.
Cơ sở lý thuyết điều khiển
Điều khiển là quá trình bao gồm việc thu thập và xử lý thông tin nhằm tác động lên hệ thống, giúp hệ thống hoạt động gần với mục tiêu đã đề ra.
Quá trình điều khiển giúp hệ thống hoạt động chính xác hơn, tăng năng suất và tăng hiệu quả kinh tế
Một hệ thống điều khiển cơ bản đƣợc thể hiện nhƣ hình sau:
Trong đó : r(t) : Tín hiệu đầu vào c(t) : Tín hiệu đầu ra u(t) : Tín hiệu điều khiển c ht (t): Tín hiệu hồi tiếp e(t) : Sai số
Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
2.6.1 Lý thuyết điều khiển PID Điều khiển PID [23] là giải thuật điều khiển đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống điều khiển
Giải thuật PID bao gồm ba khâu điều chỉnh đó là khâu điều chỉnh tỷ lệ (P), khâu điều chỉnh tích phân (I), khâu điều chỉnh vi phân (D),
- Khâu điều chỉnh tỷ lệ (P) : là khâu điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỷ lệ với tín hiệu sai lệch đầu vào
Khâu điều chỉnh tích phân (I) được thiết kế để tạo ra tín hiệu điều chỉnh với giá trị sai lệch nhỏ nhất Tín hiệu điều chỉnh này tỷ lệ thuận với tích phân của tín hiệu sai lệch, giúp cải thiện độ chính xác trong quá trình điều chỉnh.
- Khâu điều chỉnh vi phân (D) : là khâu tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỷ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào
Phương trình vi phân của bộ PID lý tưởng là : de(t) u(t) = K e(t) + K e(t)dt +Kp i d dt (2.20)
Với K p : Hệ số khuếch đại
Bộ điều khiển Đối tƣợng
2.6.2 Lý thuyết điều khiển PID của PLC S7_1200
Hàm PID [24] đƣợc xây dựng tích hợp trên PLC S7_1200 của Siemens
Trong bài viết này, các ký hiệu quan trọng được định nghĩa như sau: y đại diện cho giá trị đầu ra, kp là hệ số khuếch đại tỷ lệ, s là toán tử Laplace, b là hệ số tỷ lệ, w là giá trị cài đặt, x là giá trị thực tế, ti là thời gian, a là hệ số trễ, và b cũng là hệ số tỷ lệ.
Hình 2.2 Sơ đồ khối PID_Compact
Hình 2.3 Sơ đồ khối PID_Compact
Lý thuyết truyền thông RS_485
Truyền thông RS_485 là chuẩn truyền thông hai dây đƣợc phát triển từ năm
Vào năm 1983, công nghệ đã đạt được những ưu điểm vượt trội, cho phép liên kết lên đến 32 trạm thu phát trên cùng một đường truyền Tốc độ truyền nhận đạt 115.200 bit/giây, với khoảng cách truyền nhận lên tới 1.200 mét.
Truyền thông RS_485 sử dụng có cấu trúc hai dây, sử dụng sự chênh lệch điện áp giữa hai dây để biểu diễn mức logic của tín hiệu
Hình 2.4 Sơ đồ kết nối RS-485
Thông số Tối thiểu Tối đa Điện áp đầu ra khi hở mạch 1,5V 6V Điện áp đầu ra khi có tải 1.5V 5V
Dòng điện khi ngắn mạch 250mA
Thời gian quá độ đầu ra 30% T b * Điện áp ở chế độ chung đầu ra -1V 3V Điện áp chế độ chung VCM -7V 12V
Bảng 2.1 Các thông số quan trọng của RS-485
