Thiết kế hệ thống điều khiển tự động thiết bị sấy bơm nhiệt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Viện Công nghệ Sinh học & Cơng nghệ Thực phẩm
Bộ mơn: Q trình và Thiết bị CNSH & CNTP

Đề bài:
Tích hợp điều khiển hệ thống sấy bơm nhiệt sản xuất thực phẩm
Nguyễn Phương Nam – 20124541
Nhóm sinh viên thực hiện:

Nguyễn Hà Ly – 20123344
Trần Thị Phương Huệ– 20123434

HÀ NỘI, 03/2016


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH.............................................................................................3
DANH MỤC BẢNG......................................................................................................5
PHẦN 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG...........................................................................6
1.1.

Tổng quan về sấy bơm nhiệt..........................................................................6

1.1.1.

Đặc điểm..................................................................................................6

1.1.2.

Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng......................................................6

1.2.

Phân tích cấu tạo hệ thống, nguyên lý hoạt động của hệ thống......................7

1.2.1.

Cấu tạo.....................................................................................................7

1.2.2.

Nguyên lý hoạt động................................................................................8

1.3.

Phân tích đối tượng điều khiển.......................................................................9

1.4.

Tính liên động trong điều khiển và điều chỉnh công suất.............................10

PHẦN 2: HỆ THỐNG SẤY BƠM NHIỆT QUY MƠ HỘ GIA ĐÌNH.......................11
2.1.

Đặt vấn đề.....................................................................................................11

2.2.

Xây dựng bài toán điều khiển.......................................................................12

2.2.1.

Sơ đồ chức năng.....................................................................................12

2.2.2.

Phương án điều khiển và lưu ý...............................................................13

PHẦN 3: HỆ THỐNG SẤY BƠM NHIỆT QUY MÔ CÔNG NGHIỆP.....................14
3.1.

Đặt vấn đề.....................................................................................................14

3.2.

Xây dựng sơ đồ chức năng...........................................................................14

3.3.

Chiến lược điều khiển...................................................................................16

3.4.

Lựa chọn thiết bị chấp hành, cảm biến và thiết bị điều khiển......................17


3.4.1.

Chọn cảm biến........................................................................................17

3.4.2.

Chọn thiết bị chấp hành..........................................................................23

3.4.3.

Chọn bộ điều khiển................................................................................35

3.5.

Tính tốn lựa chọn khí cụ, dây dẫn điện......................................................38

3.6.

Thiết kế tủ điện, mạch điện cho hệ thống sấy bơm nhiệt.............................42

3.6.1.

Mạch động lực........................................................................................42

3.6.2.

Mạch điều khiển.....................................................................................43

3.6.3.

Tủ điện điều khiển..................................................................................46

3.7.

Xây dựng sơ đồ giải thuật.............................................................................50

3.8.

Chuẩn đốn lỗi hệ thống...............................................................................54

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Sơ đồ nguyên lý chung của sấy bơm nhiệt........................................................8
Hình 2: Sơ đồ chức năng hệ thống bơm nhiệt hộ gia đình...........................................12
Hình 3: Sơ đồ chức năng hệ thống sấy bơm nhiệt quy mơ cơng nghiệp......................15
Hình 4: Cảm biến VELT-W-TH-I4...............................................................................18
Hình 5: Cảm biến nhiệt độ độ ẩm VELT-W-TH-I4-D..................................................19
Hình 6: Kích thước dầu đo của cảm biến VELT-W-TH-I4-D......................................19
Hình 7: Sơ đồ kết nối cảm biến với bộ đọc tín hiệu.....................................................19
Hình 8: Cách lắp đặt cảm biến nhiệt ẩm trên ống gió..................................................20
Hình 9: Sơ đồ kết nối PT100 với PLC.........................................................................22
Hình 10: Vị trí lắp đặt cảm biến PT100.......................................................................23
Hình 11: Thơng số kỹ thuật máy nén 1........................................................................24


Hình 12: Thơng số kỹ thuật máy nén 1........................................................................24
Hình 13: Quạt hướng trục Duson DS-201CQT-600-4P3.............................................25
Hình 14: Bơm nước Selton ST17.................................................................................26
Hình 15: Quạt giải nhiệt...............................................................................................27
Hình 16: Van điện từ Danfoss EVR25.........................................................................29
Hình 17: Cuộn hút van điện từ Danfoss.......................................................................30
Hình 18: Thanh điện trở sấy khơ 1KW........................................................................31
Hình 19: Bố trí lắp đặt thanh nhiệt...............................................................................32
Hình 20: Cấu tạo chung của biến tần...........................................................................33
Hình 21: Biến tần Delta................................................................................................35
Hình 22: PLC và module mở rộng analog I/O siemens...............................................36

Hình 23: Sơ đồ mạch động lực.....................................................................................42
Hình 24: Sơ đồ đấu nối PLC........................................................................................43
Hình 25: Sơ đồ đấu nối modul mở rộng và biến tần....................................................43
Hình 26: Sơ đồ mạch điều khiển..................................................................................44
Hình 27: Sơ đồ mạch điều khiển - cảnh báo................................................................45
Hình 28: Bố trí thanh cài, máng đi dây........................................................................46
Hình 29: Bố trí các khí cụ điện trong tủ điện...............................................................47
Hình 30: Mặt bên tủ điện.............................................................................................48
Hình 31: Bố trí nút bấm, đèn báo mặt tủ điện..............................................................49
Hình 32: Sơ đồ giải thuật tính tốn chênh lệch độ chứa ẩm........................................50
Hình 33: Sơ đồ giải thuật điều khiển nhiệt độ sấy.......................................................50
Hình 34: Sơ đồ giải thuật điều khiển giai đoạn đầu quá trình sấy...............................51


Hình 35: Sơ đồ giải thuật điều khiển giai đoạn sấy đẳng tốc.......................................52
Hình 36: Sơ đồ giải thuật điều khiển giai đoạn sấy giảm tốc.......................................53

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Thông số kỹ thuật cảm biến VELT-W-TH-I4-D.............................................18
Bảng 2: Thông số cảm biến PT100..............................................................................21
Bảng 3: Thông số bộ chuyển đổi..................................................................................21
Bảng 4: Thông số kĩ thuật quạt....................................................................................25
Bảng 5: Thông số bơm nước giải nhiệt Selton ST17...................................................26
Bảng 6: Thông số kỹ thuật quạt giải nhiệt...................................................................28
Bảng 7: Thông số kỹ thuật van điện từ........................................................................29
Bảng 8: Thông số cuộn hút van....................................................................................30
Bảng 9: Thông số thanh nhiệt......................................................................................31
Bảng 10: Thông số biến tần Delta cho quạt và máy nén..............................................34
Bảng 11: Bảng địa chỉ..................................................................................................37
Bảng 12: Kết quả tính tốn cơng suất dịng điện mạch động lực.................................38

Bảng 13: Các khí cụ dùng trong hệ thống....................................................................39
Bảng 14: Thông số chọn các dây dẫn...........................................................................40
Bảng 15: Bảng kích thước các khí cụ khác..................................................................40
Bảng 16: Bảng chuẩn đoán lỗi hệ thống......................................................................54


PHẦN 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG
1.1.

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 khơng khí sử dụng nhiên
liệu hóa thạch, sinh khối hoặc điện là nguồn năng lượng chính. Tổn thất nhiệt là do
khơng khí thốt 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 mơi trường.
Có rất nhiều các phương pháp sấy được ứng dụng hiện nay: sấy đối lưu, sấy
hồng ngoại, sấy vi sóng, sấy bơm nhiệt kết hợp vi sóng, sấy chân khơng vi sóng, …
tuy nhiên, qua nhiều kết quả nghiên cứu về chất lượng sản phẩm sấy thì phương pháp
sấy tích hợp thêm hệ thống bơm nhiệt cho sản phẩm có sự kết hợp giữa giá trị dinh
dưỡng, kinh tế, vận hành phù hợp nhất.
Sấy bơm nhiệt là phương pháp sấy sử dụng hệ thống bơm nhiệt để tạo ra môi
trường sấy. Nhiệt độ mơi trường sấy có thể điều chỉnh trong giới hạn khá rộng từ nhiệt
độ xấp xỉ môi trường đến nhiệt độ cao hơn, tùy thuộc yêu cầu của vật liệu sấy. Khác
với các thiết bị nhiệt lạnh, khi sử dụng bơm nhiệt để sấy khơ và hút ẩm thì cả dàn
nóng và dàn lạnh đều được sử dụng hữu ích nên năng lượng tiêu thụ ở đây có thể

được tận dụng đến mức cao nhất mà nhiệt độ khơng khí lại có thể chỉ cần duy trì ở
mức nhiệt độ mơi trường hoặc thấp hơn.
Sấy bơm nhiệt có ưu điểm khác biệt là nó tách biệt mơi trường sấy và mơi
trường đặt thiết bị. Vì vậy, ngay cả khi điều kiện thời tiết không thuận lợi như mưa
lạnh, độ ẩm khơng khí cao, … cũng khơng hề ảnh hưởng đến sự hoạt động của hệ
thống. Hệ thống sấy bơm nhiệt là sự kết hợp của nhiều thành phần và phụ thuộc chặt
chẽ các thông số nhiệt động lực học. Bất kì sự thay đổi thành phần hay thơng số nào
cũng kéo theo sự thay đổi của thành phần, thông số khác.


1.1.2. Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng
1.1.2.1. Ưu điểm
- 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 tồn
- Có khả năng điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm tác nhân sấy tùy thuộc vào yêu cầu
và khả năng chịu nhiệt của từng loại sản phẩm nhờ thay đổi công suất nhiệt của
dàn ngưng trong và công suất máy lạnh
- Công suất khá lớn đáp ứng được nhiều chủng loại quy mơ
- Chi phí đầu tư hệ thống thấp hơn so với các phương pháp sấy lạnh khác
1.1.2.2. Nhược điểm
Thời gian sấy thường khá lâu do khơng có thế sấy lớn như sấy nóng, độ chênh
phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy không lớn, đặc biệt ở giai
đoạn vật liệu sấy có hàm lượng ẩm nhỏ.
1.1.2.3. Ứng dụng trong sản xuất thực phẩm
Việt Nam nói riêng và các nước nơng nghiệp nói chung sau khi thu hoạch nơng
sản, thực phẩm thì một phần sẽ được làm sạch và đem sấy nhằm kéo dài thời gian sử
dụng, giảm chi phí đóng gói, giảm khối lượng vận chuyển, giữ được vẻ bề ngồi đẹp,
hương vị ban đầu và duy trì chất dinh dưỡng. Sấy giúp loại bỏ độ ẩm của thực phẩm,

khi đó vi khuẩn, nấm mốc, nấm men khơng thể phát triển và làm hỏng sản phẩm. Có
thể để nguyên hình dáng ban đầu hoặc cắt lát, hoặc nghiền bột để sấy.
- Sấy hoa quả: chuối, mít, xồi, 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, đơng trùng hạ thảo, thảo dược, …
1.2.

Phân tích cấu tạo hệ thống, nguyên lý hoạt động của hệ thống

1.2.1. Cấu tạo
Hình dưới đây mơ tả ngun lý chung của hệ thống sấy bơm nhiệt:

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý chung của sấy bơm nhiệt
Hệ thống gồm:
- Buồng sấy: nơi tách ẩm
- Bộ phận bơm nhiệt, bao gồm: máy nén, dàn nóng (bay hơi), dàn lạnh (ngưng tụ),
van tiết lưu.
- Quạt đối lưu
1.2.2. Nguyên lý hoạt động
Tác nhân sấy
Gồm 4 giai đoạn:


- Giai đoạn 1: Khơng khí sấy đi qua buồng sấy mang ẩm từ vật liệu sấy nên tỷ lệ ẩm
tăng lên, nhiệt độ giảm xuống (có thể giảm xuống bằng nhiệt độ vật liệu).
- Giai đoạn 2: Khơng khí sấy đi qua dàn lạnh sẽ giảm nhiệt độ về đến được nhiệt độ

điểm sương và hơi nước trong không khí ngưng tụ, tách ra ngồi.
- Giai đoạn 3: Khơng khí sấy đi qua dàn nóng được tăng nhiệt độ lên lại.
- Giai đoạn 4: Khơng 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 khơng khí ẩm sẽ được loại bỏ ra ngồi thơng qua bộ xả nước
ngưng.
Ở bộ phận bơm nhiệt:
Môi chất lạnh được máy nén nén thành hơi ở áp suất cao, nhiệt độ cao và được
bơm đến dàn nóng thơng qua van đảo chiều. Tại dàn nóng hơi mơi chất sẽ được giải
nhiệt và ngưng tụ thành môi chất lỏng. Lượng nhiệt tỏa ra từ dàn nóng sẽ được dịng
khơng khí sấy hấp thu để tăng nhiệt độ như trong giai đoạn 3.
Môi chất lỏng tiếp tục đi qua van tiết lưu vào dàn lạnh, thu năng lượng từ
khơng khí, bốc hơi và sau đó trở về van đảo chiều để máy nén bắt đầu lại chu trình. Ở
dàn lạnh lúc này có nước ngưng, phải tách ra ngồi.
1.3.

Phân tích đối tượng điều khiển

Dựa vào nguyên lý hoạt động của sấy bơm nhiệt, có thể thấy các thơng số chính
ảnh hưởng rõ rệt đến chất lượng sản phẩm bao gồm:
- Tốc độ gió,
- Nhiệt độ sấy,
- Bản chất vật liệu ban đầu
Ngồi ra cịn một số các thơng số gây nhiễu ảnh hưởng liên quan đến vật liệu và
mơi trường thì ta khơng đề cập đến ở đây. Như vậy có thể thấy đối tượng điều khiển
sấy bơm nhiệt là đối tượng điều đa thông số vào/ra. Các thông số công nghệ chính là


nhiệt độ/độ ẩm tác nhân sấy và áp suất của máy nén cũng như lưu lượng của tác nhân
sấy. Các tác động chính là tốc độ quạt và năng suất lạnh của máy nén.

Nếu tốc độ gió thấp thì lượng gió vào buồng sấy thấp, lượng ẩm bị cuốn ra thấp,
thời gian sấy sẽ lâu hơn. Tốc độ gió cao thì ngược lại.
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến vấn đề tổn thất hoạt chất sinh học, mùi vị sản
phẩm, màu sắc sản phẩm cũng như hiệu suất sản xuất.
Nhiệt độ càng cao thì khả năng truyền nhiệt từ tác nhân sấy vào vật liệu sấy
càng nhanh, hàm ẩm trên bề mặt vật liệu sấy sẽ bốc hơi nhanh hơn so với nhiệt độ
thấp.
Tuy nhiên, các chất có nguyên liệu như vitamin, khống chất như K, Na, … có
tính nhạy cảm nhiệt nên sẽ mất đi trong quá trình sấy nếu nhiệt độ sấy cao. Và nếu sấy
ở nhiệt độ cao hơn cho phép sẽ có thể gây cháy bề mặt, mùi khét sản phẩm.
1.4.

Tính liên động trong điều khiển và điều chỉnh cơng suất

Tính liên động nhằm đảm bảo an tồn cho con người, thiết bị - máy móc và hệ
thống luôn là yêu cầu bắt buộc đối với các thiết kế hiện đại. Liên động trong điều
khiển nhằm ngắt hệ thống cấp nguồn cho bơm nhiệt trong một số trường hợp
- 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 biểu hiện q dịng tức thì (do ngắn mạch, chập điện, hoặc
các phần tử có sự cố ...) hoặc có biểu hiện quá tải trong một thời gian đủ lớn


PHẦN 2: HỆ THỐNG SẤY BƠM NHIỆT QUY MÔ HỘ GIA ĐÌNH
2.1.

Đặt vấn đề

Hệ thống sấy bơm nhiệt hồn tồn có thể sử dụng cho quy mơ hộ gia đình với
mục đích là giai đoạn sơ chế ban đầu hoặc dùng để bảo quản sản phẩm. Việt Nam
nằm vùng nhiệt đới, khí hậu nóng ẩm và đặc biệt mùa xn độ ẩm rất cao, việc bảo
quản nơng sản rất khó khăn, nếu không được bảo quản ở môi trường khô ráo nấm
mốc rất dễ phát triển. Thêm vào đó là sự nắng mưa thất thường kéo theo việc bảo thu
hoạch và bảo quản không được như ý gây tổn thất rất lớn. Trên cơ sở đó, sấy bơm
nhiệt có thể khắc phục được hạn chế môi trường xung quang gây ra.
Quy mơ hộ gia đình là quy mơ nhỏ, phải đảm bảo tin cậy dễ sử dụng cho người
lao động và chi phí đầu tư ban đầu khơng cao. Thơng thường chúng ta sẽ dùng 1 máy
nén chạy dưới lưới điện dân dụng 1 pha, kết hợp với bộ gia nhiệt khơng khí (thường
là dây mayso) và để kiểm sốt nhiệt độ ta dùng bộ điều khiển là bộ nhiệt độ rời.
Nếu hộ gia đình sử dụng máy nén chạy động cơ 3 pha thì để hệ thống chạy ổn
định trong lưới 1 pha của địa phương có thể làm như sau: đấu động cơ 3 pha theo kiểu
1 pha. Khi đó, cơng suất động cơ có thể sẽ giảm từ 60-90% tùy loại (VD: công suất
định mức < 2kW thì có thể đạt đến 90%, động cơ 15kW có thể sẽ giảm còn 70% mà
dây dẫn điện phải dùng loại to, …). Lưu ý: thêm 1 bộ cáp 3 pha để đấu không bị cháy.
Chúng ta sẽ lắp đặt vào hệ thống thêm dây mayso để đảm bảo không khí sẽ đạt
đến nhiệt độ sấy yêu cầu.


2.2.

Xây dựng bài tốn điều khiển

2.2.1. Sơ đồ chức năng

Hình 2: Sơ đồ chức năng hệ thống bơm nhiệt hộ gia đình

2.2.2. Phương án điều khiển và lưu ý
2.2.2.1. Điều khiển thủ cơng
Với mỗi một loại vật liệu sấy có nhiệt độ sấy khác nhau. Khi hệ thống đang vận hành,
nếu nhiệt độ quá cao thì ta tắt bơm nhiệt cho đến khi nhiệt độ tác nhân sấy giảm hoặc
đạt số giờ sấy theo yêu cầu.
2.2.2.2. Điều khiển tự động
Nhiệt độ tác nhân sấy được đo bằng cảm biến nhiệt độ PT100 và được gửi tín hiệu về
bộ điều khiển nhiệt độ, qua đó tự động bật tắt 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, …


PHẦN 3: HỆ THỐNG SẤY BƠM NHIỆT QUY MÔ CÔNG NGHIỆP
3.1.

Đặt vấn đề

Khác với quy mơ hộ gia đình, quy mô công nghiệp áp dụng cho việc chế biến
sản xuất năng suất lớn địi hỏi độ chính xác và chất lượng sản phẩm cao vì thế sự
chính xác trong các thông số là điều bắt buộc. Tiết kiệm năng lượng cũng là bài toán
hàng đầu cần giải quyết trong việc sản xuất của các doanh nghiệp.
Đối với hệ thống sấy bơm nhiệt ta cần có chiến lược điều khiển thích hợp để
làm sao vừa điều khiển chính xác vừa tiết kiệm năng lượng. Năng lượng chủ yếu tiêu
hao cho hệ thống là năng lượng vận hành cho máy nén. Công suất máy nén để đáp
ứng cho hệ thống sấy thường rất lớn và là động cơ 3 pha. Yếu tố quan trọng nhất là
làm sao tối ưu được khả năng tách ẩm của dàn lạnh. Việc sử dụng 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 với quy mô công nghiệp ta chọn hệ thống sấy bơm nhiệt sử
dụng 2 máy nén 2 nhiệt độ sôi khác nhau để đạt hiệu quả điều khiển và tách ẩm tốt
nhất. Thêm vào đó cần đảm bảo an toàn quá nhiệt quá áp động cơ.
3.2.

Xây dựng sơ đồ chức năng

Xuất phát từ quy mô hệ thống, các thông số công nghệ cần được đo và ghi tự
động trong quá trình vận hành hệ thống sẽ độ phức tạp cao hơn bao gồm:
-

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

Mặt khác cần bảo đảm vận hành tối ưu năng lượng cho các đối tượng vật liệu
sấy khác nhau, các giai đoạn của quá trình sấy, và đảm bảo hệ thống vận hành an tồn.
Các thơng số cần điều khiển bao gồm:
- Cơng suất điện tiêu thụ tức thời
- Điện năng tích lũy trong q trình vận hành
- Các thơng 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

Ghi chú:

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
Lưu ý: Để đạt được nhiệt độ sấy yêu cầu cũng như đáp ứng sự thay đổi về nhiệt độ
sấy ta sử dụng thêm bộ cấp nhiệt phụ. Ở đây bộ cấp nhiệt phụ quy mô công nghiệp sẽ
tận dụng nguồn nhiệt thải, hơi thứ hoặc nước ngưng, … Trong trường hợp cần điều
khiển chính xác ta có thể xem xét đến sử dụng bộ gia nhiệt khơng khí (dây mayso,
nhiệt điện trở sấy khô, …).
Trong hệ thống này ta chọn nhiệt điện trở sấy khô.
3.3.

Chiến lược điều khiển

Đối với các hệ thống sấy bơm nhiệt có 2 máy nén ta chia cơng suất tổng của hệ
thống bơm nhiệt ra làm ra làm 2. Hệ thống bơm nhiệt 1(hệ thống nhỏ) chiểm khoảng


40% công suất tổng, hệ thống bơm nhiệt 2 (hệ thống lớn) chiếm khoảng 60% công
suất tổng.
Ta sử dụng biến tần cho máy nén có cơng suất lớn vì sẽ điều khiển được dải
công suất rộng và liên tục từ 0-100% hơn so với việc sử dụng biến tần cho máy nén
công suất nhỏ chỉ điều khiển được dài từ 0-40% và 60-100%. Ngoài ra việc sử dụng
biến tần cho máy nén công suất lớn sẽ giúp tránh được hiện tượng sụt áp khi khởi
động động cơ máy nén lớn. Song song với việc điều khiển công suất máy nén, ta cần
điều khiển nhiệt độ tác nhân sấy để đảm bảo yêu cầu công nghệ trong khi sấy.
Trong hệ thống này ta sử dụng 1 dàn nóng ngồi, khi nhiệt độ tác nhân sấy lớn
hơn nhiệt độ yêu cầu ta khóa dàn nóng trong (ngưng tụ trong) cho mơi chất ra dàn
nóng ngồi và được giải nhiệt bằng nước và khơng khí. Nhiệt độ tác nhân sấy giảm
xuống dưới nhiệt độ đặt ta lại mở cho môi chất đi vào dàn nóng trong để gia nhiệt cho
tác nhân sấy. Ta kiểm sốt độ ẩm của vật liệu thơng qua độ chứa ẩm của tác nhân sấy.

Dựa vào đo đạc tính toán chênh lệch giữa độ chứa ẩm tác nhân sấy vào và ra buồng
sấy và độ ẩm tương đối của tác nhân sấy trong dàn lạnh để điều khiển các van, quạt,
máy nén sao cho phù hợp và dừng quá trình đúng thời điểm.
Lưu ý:
Điều khiển hệ thống phải dựa vào nguyên tắc trạng thái năng lượng. Bộ cấp
nhiệt phụ có thể tăng nhiệt độ sấy của hệ thống lên cao nhưng không chạy bộ cấp
nhiệt liên tục. Nguyên nhân chính là gây mất ổn định hệ thống về năng lượng. Dàn
nóng hệ thống bơm nhiệt làm nóng lên bao nhiêu thì dàn lạnh làm lạnh đi bấy nhiêu.
Nhiệt của dàn nóng thu được bằng tổng nhiệt của dàn lạnh và công suất của máy nén.
Nguyên tắc sấy của sấy bơm nhiệt là đối lưu cho nên hệ thống đảm bảo sấy đẳng
enthalpy (đẳng enthalpy là ta xét tại đầu buống sấy và cuối buồng sấy), nhưng bản
chất hệ thống bơm nhiệt là tự tích lũy nhiệt hệ thống, khơng khí ln tuần hồn kín và
nhận nhiệt từ dàn nóng nên enthalpy của khơng khí ln tăng. Đến một ngưỡng nào
đó, dàn lạnh khơng thể ngưng được ẩm của khơng khí khi đó ta cần phải có dàn nóng
ngồi để hạ enthalpy của hệ thống để giải nhiệt. Bộ cấp nhiệt phụ chỉ bật giai đoạn
đầu để phụ trợ gia nhiệt (nâng nhiệt cho vật liệu lên nhiệt độ sấy, nâng nhiệt tác nhân
sấy, ...) và giai đoạn tua gió (giai đoạn cuối của quá trình sấy).
3.4.

Lựa chọn thiết bị chấp hành, cảm biến và thiết bị điều khiển

3.4.1. Chọn cảm biến
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 mơi trường: ngồi trời hay trong nhà và hoạt động có ổn định khơng.
Chi phí

3.4.1.1. Cảm biến đo nhiệt độ độ ẩm
Trong bài tốn này ta cần đo các thơng số nhiệt độ, độ ẩm trước và sau buồng
sấy, nhiệt độ sấy thấp (20˚C - 60˚C), độ ẩm từ 0 - 100%.
Vị trí lắp đặt cảm biến trên đường ống dẫn tác nhân sấy, làm việc trong môi
trường nhiệt độ thấp, số cho phép trong khoảng chấp nhận được, chi phí kinh tế hợp
lý, dễ dàng lắp đặt, có thể kết nối đa chức năng với các thiết bị ngoại vi (PLC, màn
hình hiển thị…), tích hợp sẵn bộ chuyển đổi tín hiệu, có màn hình hiển thị đi kèm.
Với lý do trên ta chọn cảm biến VELT-W-TH-I4.

Hình 4: Cảm biến VELT-W-TH-I4
Trong dịng cảm biến trên có các loại như:
-

VELT-W-TH-I4-P: Sử dụng trong mơi trường ẩm cao, khơng 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 lị sấy
VELT-W-TH-I4-D: Đo ẩm, nhiệt độ khơng khí trong đường ống


Trong hệ thống sấy bơm nhiệt, cảm biến được lắp đặt trên đường ống cùng với
dải nhiệt độ sấy không cao (20-60˚C) ta chọn dịng cảm biến VELT-W-TH-I4-D.
Thơng số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ - độ ẩm VELT-W-TH-I4-D:
Bảng 1: Thông số kỹ thuật cảm biến VELT-W-TH-I4-D
Mã

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

Nguồn cấp

10 - 30VDC

Thời gian đáp ứng

<8s (tốc độ gió 1m/s), <25s (tốc độ gió 1m/s)

Hình 5: Cảm biến nhiệt độ độ ẩm VELT-W-TH-I4-D

Hình 6: Kích thước dầu đo của cảm biến VELT-W-TH-I4-D


Hình 7: Sơ đồ kết nối cảm biến với bộ đọc tín hiệu

3.4.1.2. Lắp đặt cảm biến nhiệt độ - độ ẩm

Hình 8: Cách lắp đặt cảm biến nhiệt ẩm trên ống gió
Về nguyên tắc đầu cảm biến lắp trong đường ống phải đặt ở vị trí có chuẩn số
Reynolds lớn, là chuẩn số đặc trưng giữa lực quán tính và lực ma sát mơi trường.
Thường thì vị trí này sẽ nằm chính giữa đường ống.


Cảm biến nhiệt ẩm có đầu nhạy dài 50mm, đây cũng là khoảng sai lệch ta lắp để đầu
nằm chính tâm của đường ống.
Do cảm biến chỉ có chiều dài 16,2cm, trong khi đường ống lại có bán kính là 30cm.
Vậy ta cần thiết kế thêm ống nối có cỡ là ống Ø21 để nối thêm. Cuối ống có cút ren
để cố định, tại đó bảo ơn được kht để dễ dàng tháo kiểm tra.
Bộ chuyển đổi được đặt tại vị trí gần đó trên panel. Nếu có tường gần đó panel có thể
đặt gắn lên tường.
3.4.1.3. Cảm biến đo nhiệt độ
Ta sử dụng một cảm biến để đo nhiệt độ sau dàn lạnh của hệ thống bơm nhiệt
với mục đích xác định thơng số nhiệt độ độ ẩm của khơng khí. Cảm biến nhiệt độ đặt
sau dàn lạnh nên khó tránh việc đọng nước (do dưới điểm đọng sương). Một số cảm
biến đo nhiệt ẩm không bền, nhanh hỏng khi có nước hoặc nếu có chống nước thì giá
thành rất cao. Vì vậy ta chọn cảm biến đầu kim loại PT100 và lắp thẳng đứng để tránh
đọng nước. Và thông qua giá trị nhiệt độ thu được cùng các giá trị nhiệt ẩm trước và
sau buồng sấy ta xác định được độ ẩm của khơng khí tại dàn lạnh.
Cảm biến dạng củ hành lắp trực tiếp sau dàn lạnh và sau quạt. Đầu cảm biến cố
gắng lắp tại điểm có xáo động khơng khí mạnh nhất, thường gần giữa đường ống.
Ta sử dụng loại PT100 và cũng hỗ trợ của bộ chuyển đổi tín hiệu là 0-20mA. Theo
tìm hiểu ta chọn dịng Seneca T120.
Bảng 2: Thơng số cảm biến PT100
Chiều dài

300mm

Đường kính đầu dị

8mm

Dãy đo nhiệt độ

-50 – 600˚C

Tiêu chuẩn kết nối

3 dây

Kết nối ren

½ inch, 21mm
Bảng 3: Thơng số bộ chuyển đổi

Nguồn cấp

5-30VDC


Sai số

1%

Thời gian đáp ứng

< 620ms

Loại kết nối

Gắn trên đầu củ hành

Kích thước

43.7x20mm

Loại

Trịn

Nhiệt độ cài đặt cho cảm biến

-200 – 650˚C

Thang đo nhỏ nhất

0-20˚C

Tín hiệu đầu ra

4-20mA - 2 dây chung nguồn cấp 12-24VDC

Tín hiệu đầu vào

PT100 - RTD

Hình 9: Sơ đồ kết nối PT100 với PLC
3.4.1.4. Lắp đặt cảm biến PT100
Cảm biến được đặt sau dàn lạnh. Do có quạt công suất lớn làm tăng hệ số
Reynolds nên ta chấp nhận đặt đầu cảm biến xa tâm hơn một chút. Đặc điểm của đầu


đo dạng củ hành là dễ dàng lắp đặt do đã có ren xốy. Bộ chuyển đổi đặt trong củ
hành nối dây trực tiếp về PLC.

Hình 10: Vị trí lắp đặt cảm biến PT100
3.4.2. Chọn thiết bị chấp hành
3.4.2.1. Máy nén
Máy nén là bộ phận quan trọng trong hệ thống bơm nhiệt, nó đóng vai trị duy
trì cho hệ thống hoạt động ổn định. Dựa theo hiệu suất làm việc và đặc trưng cơ học,
hiện nay máy nén được chia làm các loại chính: máy nén piston, máy nén trục xoay,
máy nén trục vít, máy nén xoắn ốc.
Trong hệ thống sấy bơm nhiệt, ta chọn máy nén piston bởi ưu điểm giá thành
rẻ,
cấu tạo đơn giản, dễ dàng vận hành hoặc thực hiển sửa chữa và bảo dưỡng và rất phù
hợp khi yêu cầu nén môi chất lạnh đến nhiệt độ cao, áp suất cao.
Máy nén 1: Ta chọn máy nén model 4EES-4Y-40S của hãng Bitzer sử dụng môi chất
R134a với các thông số kỹ thuật ở Te = 10 oC và Tc = 50oC như sau:


Hình 11: Thơng số kỹ thuật máy nén 1
Máy nén 2: Ta chọn máy nén model 4PES-10Y-40P của hãng Bitzer sử dụng môi chất
R134a với các thông số kỹ thuật ở Te = 0 oC và Tc = 45oC như sau:

Hình 12: Thơng số kỹ thuật máy nén 1
Ghi chú:

- Te: nhiệt độ bay hơi


- Tc: Nhiệt độ ngưng tụ
3.4.2.2. Quạt
Chọn quạt hướng trục vì: Khơng cần tạo áp suất cao (áp suất cao tương ứng
với công suất đầu vào của quạt cao) nhưng cần lưu lượng gió lớn. Quạt hướng trục
với ưu điểm là có thể tạo ra luồng gió di chuyển từ nơi này ra nơi khác, làm mát trong
một không gian bị hạn chế và rất phù hợp với các hệ thống sấy có khơng khí lưu
chuyển tuần hồn như hệ thống sấy bơm nhiệt.
Chọn quạt Duson DS-201CQT-600-4P3

Hình 13: Quạt hướng trục Duson DS-201CQT-600-4P3
Thông số kỹ thuật quạt hướng trục:
Bảng 4: Thơng số kĩ thuật quạt
Đường kính guồng
cánh

600mm

Lưu lượng

18000 m3/h

Áp lực

200Pa