tự động hóa trong hệ thống lạnh

Để cho hệ thống hoạt động một cách ổn định và có năng suất lạnh cao.Các thiết bị tự động bao gồm các thiết bị điều chỉnh tự động, các thiết bị đo lường, tín hiệu, cácthiết bị điều khiển.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰ C NGÀNH NHIỆT – ĐIỆN LẠNH



BÁO CÁO

ĐỀ TÀI: TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH

GVHD: TS ĐẶNG THÀNH TRUNG SV:

NGUYỄN MINH QUANG – 09113027 NGUYỄN VĂN LINH – 09113019 NGUYỄN BÁ BẢO – 09113058 NGUYỄN TIẾN TỐ - 0911048 NGUYỄN DUY THỌ - 09113041 NGUYỄN VĂN THU - 07113058

ĐỖ BÁ NÚI – 09113022

NỘI DUNG:

III. MỘT SỐ KHÍ CỤ ĐIỆN TRONG KỸ THUẬT LẠNH

VÍ DỤ VỀ SƠ ĐỒ MỘT HỆ THỐNG LẠNH

LẠNH

I GIỚI THIỆU:

Cùng với công cuộc đổi mới công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, kĩ thuật lạnhđang phát triển rất mạnh mẽ ở Việt Nam Tủ lạnh, máy kem, máy đá, máy điều hòanhiệt độ đã trở nên quen thuộc trong đời sống hàng ngày

Các máy và thiết bị lạnh công nghiệp phục vụ trong các ngành chế biến thực phẩm,bia rượu, sợi, dệt, in ấn, thuốc lá, điện tử, vi điện tử, thông tin, viễn thông, bưuchính, y tế, thể dục thể thao, du lịch…cũng đang phát huy tác dụng thúc đẩy mạnh

mẽ nền kinh tế đi lên

Đặc biệt trong lĩnh vực điều hòa không khí ngày nay đóng vai trò quan trọng, đápứng nhu cầu cấp thiết cho cuộc sống con người Hiện nay có rất nhiều hệ thống đadạng về điều hòa không khí Đặc biệt đối với các tòa nhà lớn cao ốc, siêu thị, trongcông nghiệp…chủ yếu sử dụng hệ thống water chiller, water chiller là hệ thốngđiều hòa dùng nước làm chất tải lạnh

Để cho hệ thống hoạt động một cách ổn định và có năng suất lạnh cao.Các thiết bị

tự động bao gồm các thiết bị điều chỉnh tự động, các thiết bị đo lường, tín hiệu, cácthiết bị điều khiển.Ngày nay người ta sử dụng các thiết tự động như: các van, relay,rơle…

Hệ thống điều khiển tự động của thiết bị lạnh là tổ hợp các thiết bị điều khiển tựđộng và đối tượng điều khiển để đảm bảo khả năng vận hành ở chế độ tối ưu hoặcmột chế độ cho trước nào đó mà không cần phải có sự tham gia của người vậnhành

Các thiết bị điều khiển thường xử lý các sự cố như:

- Tự động ngắt điện khi máy nén quá tải

- Kiểm tra được các thông số: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng môi chất

- Để từ đó so sánh với các thông số đã cài đặc và tự điều chỉnh lại làm cho hệthống lạnh luôn chạy ổn định và đạt năng suất lạnh theo nhu cầu sử dụng của người

sử dụng

II SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ MỘT SỐ THUẬT NGỮ

1. VÒNG ĐIỀU KHIỂN ( CONTROL LOOP )

nào đó ( nhiệt độ, áp suất, độ ẩm ) Gồm các phần tử như: sensor, bộ điềukhiển, cơ cấu chấp hành, tác nhân được điều khiển, đại lượng nhiễu…

điểm cài đặt và suất ra tín hiệu để điều khiển cơ cấu chấp hành ( van, bướmgió )

điều khiển ( đối tượng cần điều chỉnh )

Gồm 2 loại: Vòng điều khiển hở và kín

+ Vòng điều khiển hở:

Là vòng điều khiển không có tín hiệu phản hồi Mạch điều khiển hở phải dự báođược đại lượng bên ngoài( external variable ) sẽ tác động lên hệ thống thế nào VD: Van tiết lưu tay Căn cứ vào nhiệt độ ngoài bể đá và các đại lượng khác nhưnhiệt độ, lượng đá thu hoạch, sự bám tuyết Người ta dự đoán năng suất lạnh đểchỉnh van tiết lưu

VD: Cảm biến nhiệt độ ngoài trời:

On hay Off để đóng ngắt tác nhân cần điều khiển

+ VÒNG ĐIỀU KHIỂN KHÉP KÍN ( CLOSE LOOP )

Có tín hiệu phản hồi sự thay đổi của biến điều khiển ( control variable ) về bộ điềukhiển

Ví dụ: Buồng lạnh điều khiển nhiệt độ bằng van điện từ kết hợp với ro le nhiệt độ

buồng

Ví dụ: Điều khiển hệ thống điều hòa không khí :

2. NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN ( ENERGY SOURCE )

- Hệ điều khiển bằng điện – điện tử: Nếu phần tử cảm biến và truyền tín hiệu đi

là các bán dẫn, hệ được gọi là điện – điện tử hay gọi tắt là điện tử Cần lưu ý làngay cả hệ điện tử thì nguồn năng lượng cung cấp vẫn là điện

- Hệ điều khiển bằng khí nén ( Pneumatic ): Ở đây khí nén là nguồn năng lượng

để cung cấp cho bộ điều khiển để tạo ra lực tác dụng vào phần tử bị điều khiển (van )

- Hệ điều khiển tự cung cấp năng lượng: Năng lượng cần tạo ra lực mở vankhông cần lấy từ bên ngoài mà lấy từ chính tác nhân bị điều khiển

Ví dụ: Khi van cần mở ra thì van SV mở ra cho phép dòng môi chất có as caotác động vào power piston, để đóng van thì van điện từ đóng nhưng 1 van điện

từ khác thông vào đường ống hút MN sẽ mở ra, nhờ vào lò xo sẽ đẩy powerpiston lên

Ví dụ: Nếu đường gas áp suất cao được ngắt thì lò xo làm mở van Nếu cần

đóng van thì gas áp suất cao sẽ tác động piston làm đóng van

- Khi cần xả đá thì van V3 mở ra, van điện từ mở.

Ví dụ: Hệ thống điều khiển bằng khí nén:

3. BỘ ĐIỀU KHIỂN

Bộ điều khiển sẽ đánh giá sự hoạt động của quá trình và xuất tín hiệu để điềukhiển cơ cấu chấp hành, qua đó sẽ điều tiết tác nhân điều khiển Ta sẽ có một

số kiểu điều khiển như sau:

+ Điều khiển On-Off ( điều khiển 2 vị trí ):

Phương pháp điều khiển này điều khiển theo giá trị lớn nhất hay nhỏ nhấtđược yêu cầu Như vậy, tín hiệu ngõ ra của bộ điều khiển không liên tục vàkhông đạt được chính xác nhiệt độ yêu cầu Do đó nên sử dụng trong hệ thốngnhỏ hay dùng trong việc bảo vệ thiết bị

Ví dụ : Để điều chỉnh nhiệt độ không khí trong phòng, máy điều hòa cửa sổthực hiện như sau :

+ Nhiệt độ đặt trong phòng là 22 độ C

+ Khi nhiệt độ trong phòng xuống 21 độC máy sẽ dừng chạy

+ Khi nhiệt độ lên 23 độC thì máy bắt đầu chạy lại

+ Điều khiển 2 vị trí có thời gian trễ :

Do sự đáp ứng của bộ điều khiển không kịp thời do có sai số hoạt động Sai sốhoạt động này do thời gian trễ Thời gian trễ do cảm biến, do truyền tín hiệu, dothiết bị vận chuyển ( nước lạnh vào dàn FCU, gió lạnh ), do cần thời gian để traođổi nhiệt nên việc điều khiển kém chính xác Do đó người ta gắn thêm một điện trởnhỏ vào đầu cảm biến

VD: Lắp thêm điện trở trong quá trình on của quá trình sưởi ấm và off trong

quá trình làm lạnh

Sai số hệ thống thực:

+ Điều khiển theo bước:

Thường được sử dụng cho hệ thống lớn có nhiều máy Phương pháp này có

ưu điểm hạn chế được sự sai lệch lớn công suất giữa các kỳ Nhưng việc điềukhiển nhiệt độ cũng không chính xác

Phương pháp điều khiển bước là thay đổi công suất theo từng bước, tránhcông suất thay đổi quá đột ngột Hệ điều hòa có điều khiển bước phải có nhiều tổmáy Trong hệ thống này bộ điều khiển căn cứ vào tín hiệu của biến điều khiển sẽtác động lên các rơ le hay công tắc và làm thay đổi công suất thiết bị ra theo từngbước hay giai đoạn

Ta nghiên cứu một ví dụ: Thiết bị điều khiển công số một hệ thống điều hòagồm 3 cụm máy chiller

- Biến điều khiển là nhiệt độ của nước lạnh vào máy tnv

* Khi nhiệt độ tăng : Khi nước về tnv = 8,5oC chỉ có tổ máy I làm việc Nếu nhiệt

độ tiếp tục tăng đến 9oC thì tổ máy II khởi động và làm việc cùng tổ I Nếu nhiệt

độ tăng đến 9,5oC thì tổ máy thứ III khởi động làm việc

* Khi nhiệt độ giảm : Khi nhiệt độ giảm xuống 7,5 oC thì tổ máy thứ III ngừnghoạt động Nếu tiếp tục giảm xuống 7oC thì tổ máy II dừng tiếp Nếu xuống 6,5oCthì dừng thêm tổ I

Ta nghiên cứu đồ thị thay đổi nhiệt độ và phụ tải:

- Ta có nhận xét là đồ thị công suất thay đổi từng bậc, tránh hiện tượng xung(thay đổi đột ngột)

- Các máy làm việc như sau :

+ Máy I : Làm việc trong khoảng khi nhiệt độ tăng lên 8,5oC và dừng khinhiệt độ giảm xuống 6,5oC Như vậy máy I làm việc trong khoảng thời gian dàinhất

+ Máy II: làm việc trong khoảng khi nhiệt độ tăng lên tới 9oC và dừng khinhiệt độ giảm xuống 7oC

+ Máy III: Làm việc khi nhiệt độ tăng lên 9,5oC và dừng khi nhiệt giảm

Như vậy máy I làm việc nhiều nhất và máy III làm việc ít nhất Để tránh tìnhtrạng đó trong mạch điện ngưòii ta có thiết kế công tắc chuyển mạch để đổi vaitrò các máy cho nhau, tránh cho một máy nén bất kỳ làm việc quá nhiều trong khimáy khác hầu như không hoạt động

* Ưu, nhược điểm của phương pháp điều khiển theo bước :

- Tránh được sự thay đổi công suất quá đột ngột Thích hợp cho hệ thống lớn

- Các máy làm việc không đều nhau nên phải thường xuyên chuyển đổi vai tròcủa các máy

- Biên độ dao động (vi sai) của biến điều khiển tương đối lớn do phải qua từngcấp

+ Điều khiển kiểu phao “ floating “ :Tương tự như việc điều khiển 2 vị trí nhưng

có vị trí giữ “hold” Nó có ưu điểm sẽ làm giảm sai số hoạt động Khi biến điềukhiển nằm trong khoảng cho phép thì bộ điều khiển sẽ ngừng cấp tín hiệu cho cơcấu chấp hành và nó sẽ giữ ở vị trí hold Như vậy cần yêu cầu cơ cấu chấp hànhkhá đặc biệt Cơ cấu chấp hành ( mô tơ mở van ) có thể quay theo chiều kim đồng

hồ hay ngược chiều kim đồng hồ Khi cấp tín hiệu vào cuộn dây common và cuộn

CW ( clock wise ) thì van sẽ mở theo chiều kim đồng hồ Khi cấp vào cuộncommon và COW thì van sẽ quay chiều ngược lại Khi không có tín hiệu cấp vàothì nó sẽ ở vị trí giữ

Kiểu điều khiển này chỉ áp dụng trong vòng điều khiển kín Sai số điềukhiển nằm trong vùng trung hòa “ Neutral Zone “ Sẽ điều khiển chính xác hơn sovới điều khiển on – off

Ví dụ: Khi phụ tải lạnh tăng ( hay giảm ), điểm điều khiển sẽ biến thiên

trong 1 cạnh của vùng trung hòa, chỉ mở một ít lưu lượng của tác nhân điều khiển

để loại bỏ một ít lượng nhiệt thừa Nên điểm cài đặt sẽ ổn định hơn so với điềukhiển on-off Như vậy độ mở của cơ cấu chấp hành nằm bất kỳ ở mọi vị trí ( tương

tự phao nước ) Nhưng do vẫn tồn tại vùng trung hòa nên việc điều khiển cũng kémchính xác

+ Điều khiển tỉ lệ P:

Với phương pháp này bộ điều khiển sẽ xuất tín hiệu về cơ cấu chấp hànhđiều tiết tác nhân điều khiển sao cho tỷ lệ với độ lệch của biến điều khiển so vớiđiểm cài đặt

Phương pháp này có ưu điểm hơn so với các phương pháp khác là không cóvùng trung hòa so với điều khiển phao “floating “ nên biến điều khiển sẽ chính xác

và đáp ứng của bộ điều khiển sẽ nhanh hơn nhưng vẫn tồn tại sai số ổn định so vớiđiểm cài đặt

Ta có hàm truyền của nó như sau:

+ Điều khiển tỷ lệ, tích phân PI:

Được sử dụng để cải thiện kiểu điều chỉnh tỷ lệ P bằng cách đưa vào mộtthành phần tích phân I để loại bỏ sai số ổn định của điều khiển P Do đó, trong điềukhiển PI sẽ có 2 tham số độ lợi Tham số độ lợi của tỷ lệ P sẽ tạo ra đáp ứng ban

đầu để cân bằng năng lượng với phụ tải, còn tham số độ lợi I để hiệu chỉnh ngõ racủa bộ điều khiển để làm giảm thời gian và sai số ổn định tồn tại.

Hàm truyền của điều khiển tỷ lệ, tích phân PI:

Việc lợi chọn tham số độ lợi ( hằng số dư ) Kp và Ki rất quan trọng Nếu Kp

và Ki càng tăng thì thời gian đáp ứng của bộ điều khiển càng nhanh nhưng gây mất

ổn định Do đó phải lựa chọn chính xác để đạt một hiệu quả cao Kiểu điều khiển này thường sử dụng trong hệ thống lạnh, điều hòa không khí

+ Điều khiển tỷ lệ tích phân, vi phân PID:

Là điều chỉnh PI có thêm vào thành phần vi phân của sai số theo thời gian.Hàm truyền của nó như sau:

Phần vi phân được thêm vào để triệt tiêu sai số ổn định của hệ thống nhưnglàm cho bộ điều khiển trở nên nhạy cảm hơn và khó điều chỉnh hơn so với của PI.Trong hệ thống điều hòa không khí thì điều khiển PI đã đáp ứng yêu cầu nên ít khidùng kiểu PID

Đặc tính điều khiển của PID:

4. CẢM BIẾN ( SENSOR )

vật lý khi biến điều khiển bị thay đổi Những sự thay đổi về độ dài, vị trí,điện dung, điện trở… đều được chuyển thành tín hiệu ngõ ra phù hợp với cơcấu chấp hành Các thiết bị cảm biến được chế tạo bằng các vật liệu và cáccấu trúc khác nhau để phù hợp với việc điều khiển trong hệ thống HVACR.Các thông số đặc trưng gồm có như sau :

+ Khoảng hoạt động ( Scale range ): VD: -20 độC ~ +5độC

+ Mức tín hiệu ( Signal span ) : là độ chênh lệch giữa giá trị cực đại và cựctiểu của khoảng hoạt động VD : 20 độC ~ 50 độC thì mức tín hiệu là 30 độC

+ Độ chính xác ( Accuracy ) : là chênh lệch giữa giá trị thực và giá trị hiểnthị của sensor

+ Độ nhạy ( Sensitivity ): Hiển thị lượng thay đổi của tín hiệu ngõ ra so với

sự thay đổi của tín hiệu ngõ vào

VD: tín hiệu ngõ ra của sensor 4mmA đến 7mmA với khoảng hoạt động của

tín hiệu ngõ vào 5độC đến 20 độ C vậy độ nhạy là 3mmA/15độC

+ Độ phân giải ( Resolution ) : Cảm biến có độ phân giải cao có thể đo được

sự thay đổi nhỏ nhất của biến điều khiển và cho phép vòng điều khiển có sựđáp ứng nhanh hơn để làm giảm sai số hoạt động

+ Thời gian trễ ( Lag time ) : Là thời gian để cảm biến xuất ra tín hiệu khicảm nhận được biến điều khiển

a Cảm biến nhiệt độ RTD ( resistance temperature detector ):

Có 2 loại cảm biến nhiệt độ RTD:

2.Semi-conductor devides

+ Loại dây kim loại RTD:

Khi nhiệt độ tăng, điện trở của dây kim loại cũng tăng Vật liệu chế tạo gồm

có platium và niken Cả hai loại này đều có sự gia tăng điện trở một cách tuyếntính với sự thay đổi nhiệt độ Sensor loại này có khối lượng bé nên thời gian trễnhỏ bởi vì nếu khối lượng lớn thì phải tốn thời gian hấp thụ nhiệt nên làm tăng thờigian trễ Nhưng loại này có độ nhạy bé VD: platinum (0,1ohm/F) nên phải sửdụng kết hợp với bộ biến đổi tín hiệu Nếu không thì dây dẫn sensor không thể kéo

đi xa

+ Loại bán dẫn RTD:

Chế tạo bởi vật liệu Si và Ge Bán dẫn RTD còn gọi là thermistor Loại này

có độ nhạy cao 100ohm/F nghĩa là độ nhạy lớn hơn 1000 lần so với kim loại RTD

Do đó không cần bộ khuyếch đại tín hiệu và có thể kết nối trực tiếp vào bộ điềukhiển với khoảng cách xa

Không giống như loại RTD kiểu kim loại, sự thay đổi điện trở ngõ ra của nókhông tuyến tính Có 2 loại NTC và PTC ( possitive temperature coeffience ) vàkhi sử dụng ta không thể hoán đổi cho nhau được

b CẢM BIẾN KHÍ NÉN:

Van điều khiển bằng khí nén:

c CẢM BIẾN ĐỘ ẨM:

Sử dụng các vật liệu thay đổi kích thước với sự thay đổi độ ẩm kết hợp với

bộ chuyển đổi tín hiệu ngõ ra để đưa vào bộ điều khiển

d CẢM BIẾN ÁP SUẤT:

e CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG:

Thiết bị gồm một dây điện trở và một cảm biến nhiệt độ Môi chất đi quadây điện trở và làm lạnh nó, tốc độ gió tỷ lệ với công suất điện cần thiết để duy trìnhiệt độ chuẩn dùng đối chiếu

Vòng chân vịt chuyển động xoay dưới tác dụng của dòng chảy, vòng xoay càngnhanh thì tốc độ dòng chảy càng lớn Thiết bị được nối với cơ cấu đo để chỉ thị lưulượng

- Cảm biến lưu lưong sử dụng tấm đục lỗ:

Người ta nhận thấy sự thay đổi áp suất tĩnh phía trước và phía sau của vòngphụ thuộc vào lưu lượng theo quan hệ sau đây:

6. CƠ CẤU CHẤP HÀNH

Gồm có van điều khiển, bướm gió…

III MỘT SỐ KHÍ CỤ ĐIỆN TRONG KỸ THUẬT LẠNH

1 Các loại khí cụ điện thường sử dụng trong KTL:

a Contactor, các rơ le bảo vệ:

+ Aptomat (MCCB):

b CÔNG TẮC VÀ NÚT BẤM:

Công tắc S1 và contactor K1:

c RƠ LE THỜI GIAN:

Gồm có 2 loại :

d ĐỒNG HỒ PHÁ BĂNG:

Đồng hồ phá băng loại có thời gian trễ cho quạt dàn lạnh ( tiếp điểm 5-6)

e ĐIỆN TRỞ PHÁ BĂNG VÀ ĐIỆN TRỞ SƯỞI:

f RƠ LE NHIỆT ĐỘ VÀ RƠ LE ÁP SUẤT:

g CÁC LOẠI RƠ LE BẢO VỆ KHÁC: Role bảo vệ áp suất dầu, nước…

6 van điều chỉnh áp suất ngưng tụ.

7 van điều chỉnh nước giải nhiệt cho bình ngưng

8 van pybass

1 VAN TIẾT LƯU

a Cấu tạo:

b Nguyờn lý hoạt động:

-khi bầu cảm biến được đốt núng ỏp suất hơi bờn trong bầu cảm biến tăng lờn,ỏpsuất này truyền theo ống mao và tỏc động lờn màng ngăn và ộp 1 lực ngược lại lựccủa lũ xo lờn thanh chốt kết quả khe hở được mở rộng ra lượng mụi chất đi qua vantiết lưu nhiều hơn để vào thiết bị bay hơi

-khi nhiệt độ bầu cảm biến giảm xuống hơi trong bầu cảm biến ngưng lại 1 phần

ỏp suất trong bầu cảm biến giảm,lực lũ xo thắng lực ộp của hơi và đẩy thanh chốtlờn phớa trờn kết quả van khộp lại 1 phần và lưu lượng mụi chất đi qua van giảm.-như vậy trong quỏ trỡnh làm việc van tự động điều chỉnh khe hở giữa chốt van vàthõn van nhằm khống chế mức mụi chất vào dàn bay hơi vừa đủ để duy trỡ hơi đầu

ra thiết bị bay hơi cú 1 độ quỏ nhiệt nhất định,độ quỏ nhiệt này cú thể điều chỉnhđược bằng cỏch tăng độ căng của lũ xo thỡ độ căng của lũ xo tăng,độ quỏ nhiệttăng

-van tiết lưu là 1 trong 4 thiết bị quan trọng khụng thể thiếu trong cỏc hệ thốnglạnh

-van tiết lưu tự động cú 2 loại:

+ Van tiết lưu cõn bằng trong: chỉ lấy tớn hiệu nhiệt độ đầu ra cuả thiết bị bayhơi,van tiết lưu tự động cõn bằng trong cú 1 cửa thụng giửa khoang mụi chất

Màng ngăn

Cửa cân bằng trong Chốt van

Từ BCCA đến

Lò xo ống mao Chốt van