Khác với các thiết bị nhiệt lạnh, khi sử dụng bơm nhiệt để sấy khô 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 m
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
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 không 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 môi 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 khô 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 không khí lại có thể chỉ cần duy trì ở mức nhiệt độ môi trường hoặc thấp hơn
Sấy bơm nhiệt có ưu điểm khác biệt là nó tách biệt môi trường sấy và môi trường đặt thiết bị Vì vậy, ngay cả khi điều kiện thời tiết không thuận lợi như mưa lạnh, độ ẩm không khí cao, … cũng không 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 thông 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
- 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
- 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 mô
- Chi phí đầu tư hệ thống thấp hơn so với các phương pháp sấy lạnh khác
Thời gian sấy thường khá lâu do không 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 nông nghiệp nói chung sau khi thu hoạch nông 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 ngoài 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 không 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, 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
- Giai đoạn 1: Không 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: Không 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 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 cao, nhiệt độ cao và được bơm đến dàn nóng thông qua van đảo chiều Tại dàn nóng hơi môi chất sẽ được giải nhiệt và ngưng tụ thành môi chất lỏng Lượng nhiệt tỏa ra từ dàn nóng sẽ được dòng không 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 không 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 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 ra còn một số các thông số gây nhiễu ảnh hưởng liên quan đến vật liệu và môi trường thì ta không 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, khoáng 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.
HỆ THỐNG SẤY BƠM NHIỆT QUY MÔ CÔNG NGHIỆP
Đặt vấn đề
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.
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 toàn Các thông số cần điều khiển bao gồm:
- 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 2: 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
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 không khí (dây mayso, nhiệt điện trở sấy khô, …)
Trong hệ thống này ta chọn nhiệt điện trở sấy khô.
Nguyên lý, nguyên tắc
Đối với các hệ thống sấy bơm nhiệt có 2 máy nén ta chia công 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 công 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 ngoài, khi nhiệt độ tác nhân sấy lớn hơn nhiệt độ yêu cầu ta khóa dàn nóng trong (ngưng tụ trong) cho môi chất ra dàn nóng ngoài và được giải nhiệt bằng nước và không 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 soát độ ẩm của vật liệu thông 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
11 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, không khí luôn tuần hoàn kín và nhận nhiệt từ dàn nóng nên enthalpy của không khí luôn tăng Đến một ngưỡng nào đó, dàn lạnh không thể ngưng được ẩm của không khí khi đó ta cần phải có dàn nóng ngoài 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).
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
2.4.1.1 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%
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 Ta chọn cảm biến VELT-W-TH-I4-D
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