Nghiên cứu thiết kế thiết bị lọc bụi tĩnh điện tự động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG MÃ SỐ ĐỀ TÀI: ĐT-2021-25 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TS HÀ XUÂN GIÁP Thanh Hóa, tháng 03 năm 2023 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA TT Họ tên Hà Xuân Giáp Lê Việt Anh Đơn vị công tác lĩnh vực chuyên môn BM Kỹ thuật điện – điện tử, Khoa Kỹ thuật – cơng nghệ Chun ngành Cơng nghệ khí BM Kỹ thuật điện – điện tử, Khoa Kỹ thuật – công nghệ Chuyên ngành Hệ thống điện Nội dung nghiên cứu cụ thể giao Chủ nhiệm đề tài Nghiên cứu tổng quan thiết kế chi tiết phần khí, điều khiển thiết bị Nghiên cứu viên Nghiên cứu phần điện tự động hóa thiết bị MỤC LỤC DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC BẢNG BIỂU iii DANH MỤC HÌNH VẼ .iv THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .v MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Bụi MỊN LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN 1.1 Giới thiệu thiết bị lọc bụi tĩnh điện .3 1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.3 Tình hình nghiên cứu nước 1.4 Cơ sở lý thuyết bụi mịn .6 1.5 Các cơng nghệ xử lý bụi phịng phổ biến .10 1.6 Máy biến áp cao tần sử dụng cho lọc bụi 13 1.7 Các tác dụng phụ máy lọc ion hóa khơng khí 15 CHƯƠNG 2: YÊU CẦU, THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH THIẾT BỊ LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN 16 2.1 Yêu cầu chung thiết kế 16 2.2 Sơ đồ hệ thống mơ hình 16 2.3 Căn lựa chọn linh kiện cho thiết bị 17 2.4 Đề xuất lựa chọn linh kiện cho mơ hình 17 2.4.1 Đề xuất linh kiện 17 2.4.2 Lựa chọn linh kiện 18 2.4.3 Thông tin chi tiết linh kiện .18 2.5 Xây dựng mô hình 24 2.6 Phương pháp thử nghiệm đánh giá 27 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 29 3.1 Tính đảm bảo yêu cầu thiết kế .29 3.2 Khả loại bỏ bụi mịn .29 3.3 Nồng độ ôzôn phát thải 32 3.4 Tốc độ ln chuyển khơng khí .33 3.5 Đánh giá tổng quan thiết bị 34 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu, chữ viết tắt ĐHĐ NC, KN CB Hepa – High Efficiency Particulate Air PM – Particulate Matter ppm – parts per million ppb – parts per billion VOCs – Volatile Organic Compounds CARD – The clean air delivery rate ACH – Air changes per hour UV – Ultraviolet V– Volume LCD – Liquid Crystal Display LED – Light-emitting diode Được hiểu Đại học Hồng Đức Nghiên cứu, khảo nghiệm Cảm biến Bộ lọc khơng khí hiệu suất cao Hạt bụi mịn đơn vị để đo mật độ theo phần triệu đơn vị để đo mật độ theo phần tỷ Hợp chất rắn dễ bay Tốc độ phân phối khơng khí Tốc độ ln chuyển khơng khí Tia cực tím Thể tích Màn hình tinh thể lỏng Diode phát sáng diode phát quang DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Tiêu chuẩn chất lượng khơng khí theo PM Bảng Nồng bụi PM2.5 PM10 (μg /m3) theo thời gian thử nghiệm với quạt hút 30 Bảng Nồng bụi PM2.5 PM10 (μg /m3) theo thời gian thử nghiệm thiết bị không dùng quạt hút 31 Bảng Nồng độ ôzôn theo thời gian thử nghiệm 33 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Cấu tạo thiết bị ion hóa khơng khí điển hình Hình Giản đồ trình ion hóa làm khơng khí [4] Hình Các nguyên nhân gây bụi mịn Hình Hình ảnh mơ tả bụi mịn so với sợi tóc .7 Hình Hình ảnh mơ tả hậu PM2.5 thâm nhập vào quan người .9 Hình Hình ảnh máy lọc bụi theo phương pháp thụ động 10 Hình Hình ảnh màng lọc thô (trái) màng lọc heppa (phải) 11 Hình Hình ảnh màng lọc than hoạt tính màng lọc phấn hoa 11 Hình Hình ảnh máy lọc bụi theo phương pháp chủ động 12 Hình 10 Máy biến áp cao tần .13 Hình 11 Sơ đồ hệ thống thiết bị lọc bụi .16 Hình 12 Bộ nguồn 12VDC (trái) biến áp cao tần (phải) .19 Hình 13 Cảm biến LM35 (trái) cảm biến MH-MQ2 (phải) 20 Hình 14 Sơ đồ nguyên lý cảm biến nhiệt độ LM35 20 Hình 15 Sơ đồ nguyên lý cảm biến gas MH-MQ2 .21 Hình 16 Cảm biến siêu âm (trái) cảm biến ánh sáng (phải) 21 Hình 17 Sơ đồ nguyên lý cảm biến siêu âm (HC-SR04) 22 Hình 18 Sơ đồ nguyên lý cảm biến ánh sáng .22 Hình 19 Bộ vi xử lý Arduino UNO R3 23 Hình 20 Bộ giao tiếp Bluetooth HC06 (trái) relay 5VDC 10A (phải) 23 Hình 21 Quá trình phát ion lọc bụi thiết bị .24 Hình 22 Sơ đồ khối điều khiển .25 Hình 23 Lưu đồ thuật tốn hệ thống điều khiển 26 Hình 24 Sơ đồ đấu dây mạch điều khiển .27 Hình 25 Mơ hình thiết bị thực tế .28 Hình 26 Máy đo bụi mịn Bosch 29 Hình 27 Nồng độ bụi theo thời gian lọc tăng cường 30 Hình 28 Nồng độ bụi theo thời gian lọc tiêu chuẩn .32 Hình 29 Máy đo nồng độ ơzơn khơng khí 32 iii THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung - Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế thiết bị lọc bụi tĩnh điện tự động - Mã số: ĐT 2021-25 - Thời gian thực hiện: 12 tháng, từ tháng 12 năm 2021 đến tháng 12 năm 2022 - Cấp quản lý: Cấp sở - Cơ quan quản lí đề tài: Trường Đại học Hồng Đức - Đơn vị chủ trì đề tài: Khoa Kỹ thuật công nghệ - Chủ nhiệm đề tài: Hà Xuân Giáp Đơn vị công tác: Khoa Kỹ thuật công nghệ - Điện thoại: 0949931189 Email: haxuangiap@hdu.edu.vn Mục tiêu - Chế tạo thành công thiết bị lọc bụi tĩnh điện để bàn với kích thước khoảng 50 cm (cao) x 25 cm (dài) x 25 cm (rộng) - Thiết lập cho máy khả tự động chuyển đổi qua lại chế độ lọc tiêu chuẩn tăng cường tùy theo điều kiện môi trường thiết lập thời gian - Xây dựng hệ điều khiển thiết bị ứng dụng điện thoại kết nối khơng dây Tính sáng tạo Thiết kế xây dựng mơ hình thiết bị lọc bụi tĩnh điện: - Có kích thước nhỏ gọn với khả lọc bụi siêu mịn chất gây dị ứng khơng khí; vận hành bảo trì dễ dàng - Công suất tiêu thụ điện nhỏ (không 75W) độ ồn thấp (chỉ tương đương với tiếng ồn máy tính để bàn) - Làm việc linh hoạt cho phép thiết lập nhiều chế độ thời gian hoạt động khác nhau; Có khả chuyển đổi tự động chế độ làm việc tiêu chuẩn tăng cường có người khơng có người phịng giúp tối ưu hóa hiệu không ảnh hưởng đến sức khỏe, công việc người dùng - Có thể điều kiển từ xa thơng qua giao thức bluetooth mạng internet nhờ ứng dụng điện thoại Kết nghiên cứu - Nguyên lý làm việc, đặc điểm hiệu thiết bị lọc bụi tĩnh điện phân tích so sánh - Dựa lựa chọn tối ưu, thiết kế khí, điện, điện tử điều khiển thiết bị đề xuất - Thiết kế mơ hình thực tế lắp ráp, cải tiến hoàn thiện Thiết bị loại bỏ hạt bụi mịn siêu mịn phòng với hiệu cao Sản phẩm đề tài - Bản thiết kế mô hình hồn chỉnh thiết bị lọc bụi tĩnh điện tự động lọc bụi hiệu phịng tích đến 50 m3 với tính tự động hóa giúp tối ưu hiệu sử dụng đảm bảo an toàn iv - Báo cáo tổng kết, báo khoa học tạp chí chuyên ngành trường Đại học Hồng Đức, hướng dẫn vận hành thiết bị Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả ứng dụng - Cải thiện chất lượng mơi trường sống, mang lại khơng khí lành việc giảm bụi chất gây nhiễm dị ứng bên tồn nhà Kích thước thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp hiệu hoạt động cao giúp tối ưu chi phí điều kiện sử dụng - Sử dụng q trình đào tạo để làm mơ hình cho giảng viên sinh viên tham khảo nghiên cứu phát triển - Làm phong phú thêm kiến thức kinh nghiệm thực tiễn nhằm phục vụ trình đào tạo đại học v MỞ ĐẦU Sự cần thiết đề tài Ngày tác động công nghiệp hóa, nhà máy phương tiện giao thơng ngày nhiều, việc xử lý khí thải hệ thống cầu đường chưa đạt tiêu mơi trường nên tình trạng nhiễm khơng khí ngày trầm trọng Điều gây nên nhiều vấn đề sức khỏe cho cộng đồng, đặc biệt hộ gia đình văn phòng khu vực thành thị Vậy nên việc đảm bảo chất lượng khơng khí nhà nơi làm việc trở nên cấp thiết Nhiều thiết bị lọc bụi sáng chế sản xuất, nhiên chúng có vài nhược điểm số nhược điểm đáng lưu ý sau: giá thành đắt, kích thước lớn, công suất tiêu thụ điện cao, phải thay lọc thường xuyên, không xử lý loại hạt siêu mịn Lọc bụi tĩnh điện từ lâu sử dụng cơng nghiệp có hiệu suất lọc bụi cao, công suất tiêu thụ điện thấp, giá thành rẻ, độ bền lớn không cần thay lọc định kỳ Tuy nhiên, thiết bị lọc bụi tĩnh điện dành cho văn phịng hộ gia đình cịn phát triển Đề tài nghiên cứu thiết kế thiết bị lọc bụi tĩnh điện để bàn nhằm mục đích cải thiện mơi trường sống nhà nơi làm việc với chi phí tiết kiệm Mục tiêu - Chế tạo thành công thiết bị lọc bụi tĩnh điện để bàn với kích thước khoảng 50 cm (cao) x 25 cm (dài) x 25 cm (rộng) - Thiết lập cho máy khả tự động chuyển đổi qua lại chế độ lọc tiêu chuẩn tăng cường tùy theo điều kiện môi trường thiết lập thời gian - Xây dựng lắp đặt hệ điều khiển thiết bị ứng dụng điện thoại kết nối không dây Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Thiết bị lọc bụi tĩnh điện để bàn dùng cho khơng gian làm việc phịng tích khoảng 50 m3 3.2 Phạm vi nghiên cứu Thiết bị lọc bụi sử dụng phương pháp tĩnh điện: - Có khả ion hóa hạt bụi mịn khơng khí hút chúng cực trái dấu - Có khả làm việc tự động kết nối khơng dây qua giao thức bluetooth - Kích thước nhỏ gọn 50 cm x 25 cm x 25 cm Nội dung nghiên cứu - Tìm hiểu tổng quan cấu tạo nguyên lý hoạt động máy lọc bụi tĩnh điện - Thiết kế mơ hình tổng qt sản phẩm - Tính tốn thiết kế hệ thống mạch điện, khí điều khiển cho thiết bị - Ghép nối phần khí, linh kiện điện tử với thành sản phẩm thống nhất, tiến hành thử nghiệm, hiệu chỉnh, đánh giá thiết bị điều kiện thực tế - Cải tiến mơ hình khắc phục vấn đề phát sinh từ đưa sản phẩm hồn chỉnh Cách tiếp cận Lý thuyết thực nghiệm: Nghiên cứu nguyên lý làm việc thiết bị lọc bụi phương pháp mơ q trình lọc bụi tĩnh điện Dựa lý thuyết, thiết kế khí, điện, điện tử điều khiển thiết bị đề xuất Sau hồn thiện thiết kế, mơ hình thực tế lắp ráp, thử nghiệm cải tiến Phương pháp nghiên cứu - Lý thuyết: Nguyên lý làm việc thiết bị lọc bụi phương pháp mơ q trình lọc bụi tĩnh điện Cấu tạo thiết bị lọc bụi tĩnh điện để bàn với thành phần: khí, điện – điện tử, giám sát điều khiển Theo thiết kế, thiết bị cần đáp ứng tiêu chí kích thước, cơng suất, hiệu làm việc, tính khả thi hợp lý chế tạo - Thực nghiệm: Mơ hình thiết bị lọc bụi để bàn đánh giá theo tiêu chí: Độ ổn định, khả lọc bụi, độ ồn, khả làm việc tự động điều khiện khác nhau, mức độ tiện lợi vận hành bảo trì, sửa chữa Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Ý nghĩa khoa học: Bổ sung thêm tri thức hiểu biết dùng để chế tạo thiết bị lọc bụi tĩnh điện gia dụng Làm phong phú thêm kinh nghiệm thực tiễn nhằm phục vụ trình đào tạo đại học - Ý nghĩa thực tiễn: Cải thiện chất lượng môi trường sống, mang lại khơng khí lành việc giảm bụi chất gây ô nhiễm dị ứng bên tồn nhà Kích thước thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp hiệu hoạt động cao giúp tối ưu chi phí điều kiện sử dụng Đóng góp đề tài Thiết kế xây dựng mơ hình thiết bị lọc bụi tĩnh điện có kích thước nhỏ gọn với khả lọc bụi siêu mịn chất gây dị ứng khơng khí; vận hành bảo trì dễ dàng Công suất tiêu thụ điện thiết bị nhỏ (không 75W) độ ồn thấp (chỉ tương đương với tiếng ồn máy tính để bàn) Thiết bị làm việc linh hoạt cho phép thiết lập nhiều chế độ thời gian hoạt động khác nhau; có khả chuyển đổi tự động chế độ làm việc tiêu chuẩn tăng cường có người khơng có người phịng giúp tối ưu hóa hiệu không ảnh hưởng đến sức khỏe, công việc người dùng Thiết bị điều kiển từ xa thông qua Bluetooth mạng internet nhờ ứng dụng điện thoại Bên cạnh đó, thiết bị sử dụng làm mơ hình cho sinh viên ngành kỹ thuật điện học tập nghiên cứu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỤI MỊN VÀ LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN 1.1 Giới thiệu thiết bị lọc bụi tĩnh điện Ô nhiễm khơng khí ngày trở nên trầm trọng q trình cơng nghiệp hóa tiến triển Các nhà nghiên cứu tìm thấy nhiều hóa chất độc hại khơng khí gây vấn đề sức khỏe nghiêm trọng người xi măng, sơn, sơn mài, đồ nội thất hoạt động sưởi ấm nấu nướng Việc sử dụng máy làm khơng khí di động theo chế ion hóa ngày trở nên phổ biến nhờ khả loại bỏ chất gây nhiễm khơng khí nhà khơng bao gồm hạt lơ lửng (PM) mà số loại khí hợp chất hữu dễ bay (VOCs) Nguyên tắc hoạt động máy lọc khơng khí ion phát ion thơng qua phóng điện hào quang từ trường tĩnh điện cao tạo từ điện áp cao chiều (cỡ vài kV) Các ion dương âm nhanh chóng đạt nồng độ trạng thái ổn định Quá trình tái kết hợp ion-ion ion-electron tạo ion có phạm vi từ 105 đến 106 hạt cm3 [1] Các ion đơn cực sau tích điện cho hạt khơng khí, khiến chúng đẩy lắng đọng bề mặt lân cận thông qua điện tích hình ảnh nhiễm điện tĩnh (xem Hình 1) Ngồi ra, số máy lọc khơng khí ion hoạt động lọc tĩnh điện; dịng ion định hướng tạo luồng gió mang hạt chảy qua kết tủa hạt tích điện lắng đọng [2] Hình Cấu tạo thiết bị ion hóa khơng khí điển hình Hệ thống ion hóa khơng khí ® Air Ionization System (Luftqualität Inc., Thụy Sĩ) (Hình 2) sử dụng để minh họa ứng dụng máy ion hóa khơng khí mơi trường nhà, Hệ thống hoạt động nhiều vị trí khác nhau, khơng gian kín đóng vai trị xử lý khơng khí trung tâm (AHU) Khơng khí dẫn trực tiếp vào khí quyển, kết hợp với khơng khí bên ngồi trước quay trở lại khơng gian thử nghiệm [3] Ngồi cịn có cảm biến để giám sát chất lượng khơng khí (VOCs PM), giám sát điện tử ion khơng khí, mơ-đun ion hóa tạo ion theo yêu cầu Người dùng điều chỉnh vị trí thiết bị ion hóa khơng khí tùy thuộc vào nguồn mức độ nghiêm trọng VOCs PM Thiết bị ion hóa khơng khí gắn trực tiếp thiết bị HVAC (hệ