Khái niệm về tự động hóa hệ thống lạnh Tự động hóa hệ thống lạnh là trang bị cho hệ thống lạnh, các dụng cụ mà nhờdụng cụ đó có thể vận hành toàn bộ hệ thống lạnh hoặc từng phần thiết bị
TỔNG QUAN VỀ TRẠM LẠNH CÔNG NGHIỆP
Khái quát chung về các hệ thống lạnh công nghiệp
1.1.1 Khái niệm về tự động hóa hệ thống lạnh
Tự động hóa hệ thống lạnh trang bị cho hệ thống các dụng cụ giúp vận hành toàn bộ hoặc từng phần thiết bị một cách tự động, đảm bảo an toàn và độ tin cậy cao mà không cần sự can thiệp của công nhân.
Trong quá trình vận hành trạm lạnh, nhiệt độ của đối tượng cần làm lạnh thường bị biến động do tác động của các dòng nhiệt từ bên ngoài hoặc bên trong buồng lạnh Việc duy trì nhiệt độ ổn định hoặc trong phạm vi cho phép là nhiệm vụ quan trọng của hệ thống điều chỉnh máy lạnh Đôi khi, để điều chỉnh các quy trình công nghệ lạnh khác nhau, cần thay đổi nhiệt độ, độ ẩm và các đại lượng vật lý khác theo một chương trình nhất định.
Hệ thống tự động điều khiển toàn bộ hoạt động của máy lạnh, giúp duy trì vận hành tối ưu và giảm thiểu tổn hao sản phẩm trong phòng lạnh Nó tự động duy trì các thông số như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, lưu lượng và mức lỏng trong giới hạn cho phép, đồng thời bảo vệ thiết bị khỏi các chế độ làm việc nguy hiểm, đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Tự động hóa trạm lạnh mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với điều khiển thủ công, như duy trì chế độ làm việc ổn định và hợp lý Những lợi ích này bao gồm tăng thời gian bảo quản sản phẩm, cải thiện chất lượng, giảm tiêu hao điện năng, kéo dài tuổi thọ và độ tin cậy của thiết bị, cũng như giảm chi phí nước làm mát và chi phí vận hành Nhờ đó, giá thành sản phẩm cũng được hạ thấp Hệ thống bảo vệ tự động hoạt động nhanh chóng và đáng tin cậy hơn so với thao tác của con người.
Việc trang bị hệ thống tự động cho trạm lạnh chỉ hợp lý khi tính toán kinh tế mang lại lợi ích, hoặc khi có nhu cầu tự động hóa do không thể điều khiển bằng tay vì yêu cầu độ chính xác cao của quá trình Ngoài ra, công nghệ cũng có thể yêu cầu thực hiện trong môi trường có nguy cơ độc hại hoặc dễ cháy nổ.
Trong tất cả các quá trình tự động hóa như điều khiển, điều chỉnh, báo hiệu, báo động và bảo vệ, quá trình tự động điều chỉnh đóng vai trò quan trọng nhất.
1.1.2 Cấu trúc hệ thống lạnh công nghiệp
Một hệ thống lạnh công nghiệp có cấu trúc cơ bản như sau:
Hình 1.1 Cấu trúc chung hệ thống lạnh
Hệ thống là một hệ kín, sử dụng công chất lỏng dễ bay hơi như NH3, Freon
12 hoặc Freon 22 Công chất khi bay hơi ( từ dạng lỏng sang hơi) sẽ thu nhiệt của buồng lạnh.
Máy nén là thiết bị chủ yếu trong hệ thống lạnh, thường sử dụng loại bơm piston để hút công chất ở dạng hơi từ dàn bay hơi Sau đó, máy nén tạo áp suất cao và chuyển công chất qua bình ngưng, nơi diễn ra quá trình trao đổi nhiệt với nước làm mát, giúp công chất ngưng tụ thành dạng lỏng Khi công chất lỏng đi qua van tiết lưu, nó sẽ trở lại dạng hơi Tùy thuộc vào công suất và nhiệt độ làm lạnh yêu cầu, máy nén có thể có một hoặc nhiều xi lanh, cũng như nén một hay nhiều cấp.
Bình ngưng là thiết bị dùng để chuyển đổi hơi công chất sau máy nén có áp suất và nhiệt độ cao thành dạng lỏng Để thực hiện quá trình này, cần phải lấy nhiệt từ hơi công chất, tức là làm mát công chất Có hai phương pháp cơ bản để thực hiện việc làm mát này.
Sử dụng nước làm mát là phương pháp phổ biến trong các hệ thống lạnh, trong đó nước ngọt thường được dùng để làm mát công chất, trong khi nước biển được sử dụng để làm mát cho nước ngọt Để cung cấp nước làm mát, người ta thường sử dụng một bơm nước riêng biệt.
Dựng quạt gió: Thổi không khí qua làm mát công chất, hay sử dụng trong các hệ thống điều hòa (dàn nóng).
Van tiết lưu là thiết bị giúp giảm áp suất của công chất lỏng, khiến cho công chất chuyển từ trạng thái lỏng sang hơi Quá trình bay hơi này làm giảm nhiệt độ, thu nhiệt từ các vật cần làm lạnh Ngoài ra, van tiết lưu còn có chức năng điều chỉnh lưu lượng chất lỏng cung cấp cho dàn bay hơi, đảm bảo hiệu suất làm lạnh tối ưu.
Dàn bay hơi : Là nơi công chất lỏng bay hơi, thu nhiệt từ của các vật cần làm lạnh trong buồng lạnh Có hai phương pháp để làm lạnh:
Làm lạnh trực tiếp là phương pháp mà dàn bay hơi được lắp đặt ngay trong buồng lạnh, cho phép trao đổi nhiệt trực tiếp với vật cần làm lạnh Ví dụ điển hình cho phương pháp này là tủ lạnh và điều hòa không khí sử dụng trong gia đình và văn phòng.
Làm lạnh gián tiếp là phương pháp sử dụng một công chất trung gian, như không khí hoặc nước muối, để truyền nhiệt từ dàn bay hơi vào buồng lạnh Phương pháp này thường áp dụng cho các hệ thống làm lạnh lớn, bao gồm nhiều buồng lạnh hoặc khu vực khác nhau, như trong kho lạnh công nghiệp và hệ thống điều hòa không khí trung tâm tại siêu thị và tòa nhà văn phòng Trong hệ thống điều hòa không khí toàn tàu, quạt thông gió thường được sử dụng để thổi không khí qua dàn bay hơi và phân phối vào từng phòng.
Để ngăn ngừa hiện tượng thuỷ kích và hỏng hóc cho máy nén, cần bố trí các bình tách lỏng giữa dàn bay hơi và máy nén, vì công chất ở dạng hơi sau dàn bay hơi có thể lẫn hơi nước hoặc các hạt công chất dạng lỏng.
Tách dầu là quá trình quan trọng khi công chất đi qua máy nén, vì sự hiện diện của dầu bôi trơn có thể ảnh hưởng đến khả năng bay hơi của công chất lỏng Do đó, việc bố trí bình tách dầu sau máy nén là cần thiết để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống.
1.1.3 Phân loại thiết bị tự động hóa hệ thống lạnh
Ta phân loại thiết bị tự động theo các đặc trưng khác nhau: a Theo chức năng có thể phân các thiết bị tự động ra:
Tự động báo hiệu, báo động (âm thanh hoặc ánh sáng).
Hệ thống tự động bảo vệ có thể được phân loại theo đối tượng phục vụ, bao gồm các thiết bị dành cho hệ thống lạnh, bơm nhiệt và hệ thống điều hòa không khí Đặc biệt, hệ thống điều hòa không khí yêu cầu nhiều thiết bị tự động khác nhau để đáp ứng các nhu cầu đặc thù.
Thiết bị ngưng tụ (bình ngưng, dàn ngưng hoặc thiết bị kết hợp làm mát bằng nước, bằng không khí hoặc kết hợp gió nước).
Thiết bị bay hơi (làm lạnh bằng chất lỏng hoặc làm lạnh trực tiếp bằng không khí, trực tiếp sản phẩm…).
Buồng lạnh (trực tiếp hay nước muối).
Các phương pháp làm lạnh
Có nhiều phương pháp làm lạnh buồng và xử lý sản phẩm
Làm lạnh buồng trực tiếp sử dụng dàn bay hơi được lắp đặt trong buồng lạnh để thực hiện quá trình làm lạnh Môi chất lỏng lạnh sẽ hấp thụ nhiệt từ môi trường bên trong buồng lạnh, giúp duy trì nhiệt độ thấp Dàn bay hơi đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất làm lạnh hiệu quả.
Làm lạnh buồng gián tiếp sử dụng các dàn chất tải lạnh như nước muối để làm lạnh không gian Thiết bị bay hơi được lắp đặt bên ngoài buồng lạnh, nơi môi chất lạnh lỏng sôi làm lạnh nước muối Nước muối sau khi được làm lạnh sẽ được bơm tuần hoàn đến các dàn lạnh trong buồng, nơi nó trao đổi nhiệt với không khí Sau khi nóng lên, nước muối sẽ trở lại dàn bay hơi để tiếp tục quá trình làm lạnh Các dàn nước muối có thể hoạt động theo cơ chế đối lưu tự nhiên hoặc đối lưu cưỡng bức.
Các loại dàn trực tiếp hoặc gián tiếp đều đặt trong buồng lạnh còn loại dàn quạt gió cưỡng bức có thể đặt ngoài buồng lạnh.
Xử lý lạnh trực tiếp là phương pháp gia lạnh hoặc kết đông sản phẩm bằng cách sử dụng các dàn lạnh với môi chất lạnh sôi Quá trình này thường được thực hiện thông qua các tổ dàn quạt gió có tốc độ trung bình và gió nhỏ Ngoài ra, có thể sử dụng dàn bay hơi trực tiếp hoặc nhúng sản phẩm vào freôn đang sôi để đạt hiệu quả tối ưu.
Xử lý lạnh gián tiếp bằng nước muối yêu cầu thiết lập một vòng tuần hoàn nước muối giữa các máy lạnh và sản phẩm Quá trình này cho phép sản phẩm thải nhiệt một cách gián tiếp qua nước muối, chuyển nhiệt độ tới môi chất lạnh đang sôi.
Nhiệt độ trong dàn lạnh của hệ thống làm lạnh tự nhiên thường thấp hơn nhiệt độ trong buồng khoảng 10°C Môi chất lạnh lỏng từ thiết bị ngưng tụ đi qua van tiết lưu để vào dàn lạnh, nơi được đặt trong buồng cách nhiệt Tại đây, môi chất lạnh lỏng sẽ sôi, thu nhiệt từ không khí, sau đó được máy nén hút về để nén lên áp suất cao và đẩy trở lại thiết bị ngưng tụ.
Van tiết lưu Máy nén Nước làm mát
Hình 1.3 Sơ đồ đơn giản làm lạnh buồng trực tiếp
Dàn bay hơi trực tiếp
Van tiết lưu Máy nénNước làm mát
- Vòng tuần hoàn môi chất lạnh có tác dụng làm lạnh nước muối (chất tải lạnh).
Vòng tuần hoàn nước muối đóng vai trò quan trọng trong việc tải nhiệt từ buồng lạnh đến bình bay hơi, giúp duy trì nhiệt độ ổn định Quá trình này cho phép nước muối cung cấp lạnh hiệu quả từ dàn bay hơi đến buồng lạnh, đảm bảo hệ thống hoạt động tối ưu và tiết kiệm năng lượng.
Trong hệ thống điều hòa không khí, chất tải lạnh chủ yếu là nước Khi nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh đạt đến mức nhất định, có thể sử dụng dung dịch NaCl làm chất tải lạnh Việc lựa chọn chất tải lạnh phù hợp với nhiệt độ bay hơi là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.
Bình giãn nở được dùng để cân bằng dung dịch khi bị giãn nở vì nhiệt đảm bảo sự hoạt động bình thường của bơm.
Nhiệt độ của môi chất lạnh luôn thấp hơn nhiệt độ của nước muối, trong khi đó, nhiệt độ nước muối cũng thấp hơn nhiệt độ không khí trong buồng khi sử dụng dàn đối lưu tự nhiên.
Máy nén lạnh
1.3.1 Khái niệm chung về máy nén
Máy nén lạnh là bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống lạnh Máy lạnh có nhiệm vụ :
Liên tục hút hơi sinh ra ở thiết bị bay hơi.
Duy trì áp suất P và nhiệt độ t cần thiết.
Nén hơi nên áp suất cao tương ứng với môi trường làm mát để đẩy vào thiết bị ngưng tụ.
Chất lỏng được đưa qua thiết bị tiết lưu đến thiết bị bay hơi, tạo ra vòng tuần hoàn kín cho môi chất lạnh Quá trình này liên quan đến việc thu nhiệt từ môi trường lạnh và thải nhiệt ra môi trường nóng, đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Máy nén giữ vai trò quyết định với:
Suất tiêu hao điện năng oC
Tuổi thọ, độ tin cậy và an toàn của hệ thống lạnh.
Chính vì vậy, tự động hóa máy nén lạnh đóng vai trò quan trọng nhất đối với việc tự động hóa hệ thống lạnh.
Tự động hóa máy nén lạnh bao gồm:
Điều chỉnh tự động năng suất lạnh.
Điều khiển và bảo vệ động cơ máy nén.
Để bảo vệ máy nén, cần chú ý đến các chế độ làm việc nguy hiểm như áp suất đầu đẩy quá cao, áp suất hút quá thấp, hiệu áp suất dầu quá thấp, nhiệt độ đầu đẩy và nhiệt độ dầu quá cao, cũng như mức dầu trong cácte quá cao hoặc quá thấp.
1.3.2 Phân cấp để nâng cao hiệu suất Để máy nén hoạt động hiệu quả, tỷ suất nén phải thấp, để giảm áp suất và nhiệt độ đẩy Với những thiết bị ứng dụng nhiệt độ thấp có tỷ suất nén cao và cần giải nhiệt độ rộng, sử dụng máy nén pittông đa cấp hoặc máy nén ly tâm/ trục vít thường được ưa chuộm hơn và mang tính kinh tế hơn.
Hình 1.5 Sơ đồ phân loại máy nén
Máy nén tuabin ly tâm
Máy nén pittông dao động
Máy nén động học Máy nén theo thể tích
Có hai loại hệ thống đa cấp phù hợp cho mọi loại máy nén: hỗn hợp và phân cấp Đối với máy nén rôto hoặc pittông, nên sử dụng máy nén hai cấp khi nhiệt độ tải nằm trong khoảng từ -20 o C đến -58 o C Trong khi đó, máy ly tâm hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ khoảng -43 o C.
Môi chất làm lạnh và chất tải lạnh
Môi chất lạnh, hay còn gọi là tác nhân lạnh, là chất dùng trong chu trình nhiệt động để thu nhiệt từ môi trường lạnh và thải ra môi trường nóng Trong máy lạnh nén hơi, quá trình thu nhiệt diễn ra qua bay hơi ở áp suất và nhiệt độ thấp, trong khi quá trình thải nhiệt diễn ra qua ngưng tụ ở áp suất và nhiệt độ cao Sự thay đổi áp suất này được thực hiện thông qua quá trình nén hơi và tiết lưu hoặc giản nở lỏng.
Chất tải lạnh là môi chất trung gian có nhiệm vụ nhận nhiệt từ đối tượng cần làm lạnh và chuyển giao nhiệt độ này tới thiết bị bay hơi Hệ thống sử dụng chất tải lạnh được gọi là hệ thống làm lạnh gián tiếp.
Thiết bị trao đổi nhiệt của hệ thống lạnh
Trong hệ thống lạnh hiện nay, thiết bị trao đổi nhiệt chiếm tỷ lệ lớn về khối lượng (52-68%) và thể tích (45-62%) Hai thiết bị trao đổi nhiệt quan trọng nhất là thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi Bên cạnh đó, còn có các thiết bị phụ như thiết bị trao đổi hồi nhiệt, bình trung gian, và bình tách dầu, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động của toàn bộ hệ thống.
Thiết bị trao đổi nhiệt, hay còn gọi là bộ ngưng tụ, có chức năng chuyển đổi hơi môi chất lạnh có áp suất và nhiệt độ cao sau quá trình nén thành trạng thái lỏng Trong một số trường hợp, quá trình này còn bao gồm việc làm lạnh môi chất lỏng xuống nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ ngưng tụ, sử dụng môi trường làm mát như nước hoặc không khí.
Thiết bị bay hơi là công cụ quan trọng trong quá trình thu nhiệt từ môi trường để làm lạnh đối tượng Thiết bị này hoạt động bằng cách chuyển nhiệt từ môi chất làm lạnh tới đối tượng cần làm lạnh Trong một số trường hợp, đối tượng làm lạnh có thể thải nhiệt trực tiếp cho môi chất làm lạnh trong thiết bị bay hơi, được gọi là làm lạnh trực tiếp Ngược lại, nếu quá trình làm lạnh diễn ra thông qua một môi trường trung gian, nó được gọi là chất tải lạnh.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRẠM LẠNH CÔNG NGHIỆP
Khái quát về hệ thống điều khiển và giám sát trạm lạnh công nghiệp
Trong bối cảnh hiện đại hóa và công nghiệp hóa đang diễn ra mạnh mẽ, hệ thống điều khiển và giám sát trạm lạnh công nghiệp hiện đại cần đạt được những mục tiêu quan trọng như nâng cao hiệu suất, đảm bảo an toàn, tối ưu hóa quy trình vận hành và giảm thiểu tác động đến môi trường.
- Đảm bảo tính liên tục của hệ thống.
- Tối ưu hóa các nguồn tài nguyên cũng như chất lượng bảo trì
- Nâng cao năng suất lạnh.
- Tiết kiệm chi phí lắp đặt, bảo trì và nâng cấp
- Bảo đảm an toàn cho người vận hành
Hình 2.1 Chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát
Chức năng QUẢN LÝ: bảo đảm giảm chi phí vận hành, tăng cường tiện nghi & đơn giản hóa công tác bảo trì.
Chức năng ĐIỀU KHIỂN: có khả năng GIÁM SÁT và ĐIỀU KHIỂN TỪ XA mọi thành phần của hệ thống.
Chức năng HIỂN THỊ: thể hiện đầy đủ mọi thông số lưới cũng như luôn kịp thời cảnh báo sự cố nếu có.
Chức năng ĐO LƯỜNG: bảo đảm thu thập được đầy đủ dữ liệu liên quan đến hệ thống.
- Cải thiện tiện nghi khi vận hành
Hệ thống giám sát và điều khiển trạm lạnh công nghiệp hiện đại cần thực hiện bốn chức năng chính: đo lường, hiển thị, điều khiển và quản lý một cách hiệu quả.
2.1.2 Các sensor thường sử dụng trong hệ thống lạnh
1 Các thiết bị điều khiển và bảo vệ Để làm nhiệm vụ điều khiển, đóng mở máy trong các mạch điện người ta sử dụng nhiều thiết bị điện khác nhau. a Aptomat (MCCB) Để đóng ngắt không thường xuyên trong các mạch điện người ta sử dụng các aptomat Cấu tạo aptomat gồm hệ thống các tiếp điểm có bộ phận dập hồ quang, bộ phận tự động cắt mạch để bảo vệ quá tải và ngắn mạch Bộ phận cắt mạch điện bằng tác động điện từ theo dòng cực đại Khi dòng vượt quá trị số cho phép chúng sẽ cắt mạch điện để bảo vệ thiết bị.
Áptomat được sử dụng để đóng và ngắt mạch điện, đồng thời bảo vệ thiết bị khỏi tình trạng quá tải Rơ le nhiệt có chức năng bảo vệ quá dòng và quá nhiệt (OCR), giúp đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.
Rơ le nhiệt là thiết bị quan trọng giúp bảo vệ máy nén khỏi tình trạng quá dòng và quá nhiệt Khi dòng điện vượt quá mức cho phép hoặc nhiệt độ cuộn dây mô tơ tăng cao, rơ le nhiệt sẽ tự động ngắt mạch điện để bảo vệ mô tơ Thiết bị này có thể được lắp đặt bên trong hoặc bên ngoài máy nén, trong đó rơ le bên ngoài thường đi kèm với công tắc tơ để bảo vệ quá dòng hiệu quả Đối với một số máy lạnh nhỏ, rơ le nhiệt được bố trí ngay bên trong đầu máy nén để đảm bảo an toàn tối ưu.
Các công tắc tơ và rơ le trung gian đóng vai trò quan trọng trong việc đóng ngắt các mạch điện Chúng được cấu tạo từ các bộ phận chính, đảm bảo hoạt động hiệu quả và an toàn trong hệ thống điện.
4 Hệ thống tiếp điểm (thường đóng và thường mở) d Rơ le bảo vệ áp suất và thermostat Để bảo vệ máy nén khi áp suất dầu và áp suất hút thấp, áp suất đầu đẩy quá cao người ta sử dụng các rơ le áp suất dầu (OP), rơ le áp suất thấp (LP) và rơ le áp suất cao (HP) Khi có một trong các sự cố nêu trên, các rơ le áp suất sẽ ngắt mạch điện cuộn dây của công tắc tơ máy máy nén để dừng máy Dưới đây chúng là cấu tạo và nguyên lý làm việc của các rơ le áp suất.
Rơ le áp suất dầu của máy nén giữ vai trò quan trọng trong việc duy trì áp suất dầu cao hơn áp suất hút, đảm bảo quá trình lưu chuyển dầu bôi trơn và tác động đến cơ cấu giảm tải Khi hoạt động, rơ le này so sánh hiệu áp suất dầu với áp suất trong cacte máy nén, vì vậy nó còn được gọi là rơ le hiệu áp suất.
1- Phần tử cảm biến áp suất dầu; 2- Phần tử cảm biến áp suất hút;
3- Cơ cấu điều chỉnh; 4- Cần điều chỉnh;
Hình 2.5 Rơle áp suất dầu
Rơ le áp suất cao HP và rơ le áp suất thấp LP
Rơ le áp suất cao và rơ le áp suất thấp có hai kiểu khác nhau :
* Dạng tổ hợp gồm 02 rơ le
* Dạng các rơ le rời nhau
Hình 2.6 hiển thị cặp rơ le tổ hợp áp suất cao (HP) và áp suất thấp (LP), hoạt động độc lập với nhau và mỗi rơ le có ống nối tín hiệu riêng Cụm rơ le LP thường được bố trí bên trái, trong khi cụm rơ le HP nằm bên phải Để tránh nhầm lẫn, có thể phân biệt giữa LP và HP dựa trên giá trị nhiệt độ được chỉ định trên các thang kẻ.
Rơ le áp suất cao và thấp, như hình 2.7, là thiết bị quan trọng trong hệ thống máy nén Rơ le áp suất cao có chức năng bảo vệ máy nén khi áp suất đầu đẩy vượt quá mức cho phép, bằng cách tác động vào tiếp điểm để ngắt mạch điện khởi động của máy nén.
Giá trị đặt của rơ le áp suất cao là 18,5 kG/cm2, thấp hơn giá trị của van an toàn là 19,5 kG/cm2 và có thể điều chỉnh qua vít “A” Độ chênh áp suất làm việc được điều chỉnh bằng vít “B”, giúp kim chỉ áp suất di chuyển trên bảng chỉ thị Sau khi xử lý sự cố áp suất, cần nhấn nút Reset để ngắt mạch và khởi động lại hệ thống.
Rơ le áp suất thấp (LP) tương tự như rơ le áp suất cao (HP) và được sử dụng để tự động điều khiển máy nén trong các hệ thống lạnh tự động Khi nhiệt độ trong buồng lạnh đạt yêu cầu, van điện từ sẽ ngừng cung cấp dịch cho dàn lạnh, máy nén sẽ rút gas về bình chứa, dẫn đến áp suất đầu hút giảm xuống dưới giá trị cài đặt, khiến rơ le áp suất dừng hoạt động của máy Khi nhiệt độ trong phòng lạnh tăng cao, van điện từ sẽ mở, cho phép dịch chuyển vào dàn lạnh, làm tăng áp suất hút vượt quá giá trị cài đặt, và rơ le áp suất thấp sẽ tự động kích hoạt mạch để động cơ hoạt động trở lại.
Thermostat là thiết bị điều khiển quan trọng giúp duy trì nhiệt độ trong phòng lạnh Nó bao gồm một công tắc đổi hướng đơn cực, có chức năng giữ mạch điện kết nối các tiếp điểm khi nhiệt độ cảm biến tăng Khi trục được quay theo chiều kim đồng hồ, nhiệt độ đóng và ngắt của thermostat sẽ tăng lên Ngược lại, việc quay trục vi sai theo chiều kim đồng hồ sẽ làm giảm sự chênh lệch giữa nhiệt độ đóng và ngắt của thiết bị.
Hình 2.9 Cấu tạo bên ngoài của thermostat e Rơ le bảo vệ áp suất nước (WP) và rơ le lưu lượng (Flow Switch)
Để bảo vệ máy nén trong trường hợp các bơm giải nhiệt thiết bị ngưng tụ và bơm giải nhiệt máy nén hoạt động không hiệu quả, người ta sử dụng rơ le áp suất nước và rơ le lưu lượng Rơ le áp suất nước sẽ ngắt điện cuộn dây khởi động từ của máy nén khi áp suất nước thấp, không đảm bảo điều kiện giải nhiệt Trong khi đó, rơ le lưu lượng hoạt động dựa trên dòng chảy; khi có nước chảy qua, hệ thống hoạt động bình thường, nhưng khi không có nước, rơ le sẽ ngắt mạch điện và dừng máy.
Các cảm biến, dùng trong hệ thống
Cảm biến áp suất cao ở cửa đẩy của máy nén, áp suất bình ngưng và áp suất bình chứa cao áp dùng loại: EJA510A-B Capsule của hãng Yakogawa.
Thông số như bảng sau:
Bảng 2.1 Các thông số của cảm biến áp suất EJA510A-B
Dải đo 0 to 2 Mpa (0 to 290 psi) Độ chính xác 0.2%
Nhiệt độ môi trường -40 to 85 deg C (-40 to 185 deg F) Áp suất cực đại 4 Mpa (580 psi)
Hình 2.10 Hình dáng bên ngoài của EJA510A-B Cảm biến ấp suất thấp ở cửa hút máy nén, áp suất bay hơi: dùng loại EJA 130A
Bảng 2.2 các thông số của cảm biến áp suất EJA 130A
Dải đo 0 to 500 Kpa Độ chính xác 0.065%
Ngõ ra 4 to 20 mA DC
Nhiệt độ môi trường -40 to 85 deg C (-40 to 185 deg F) Áp suất cực đại 32 Mpa (4500 psi)
Hình 2.11 Hình dạng ngoài của cảm biến áp suất EJA 130A
Cảm biến hiệu áp suất dầu bôi trơn máy nén dùng loại cảm biến áp suất tương đối EJA 530A
Bảng 2.3 Các thông số cảm biến áp suất tương đối EJA 530A
Dải đo 0 to 500 Kpa Độ chính xác 0.2%
Ngõ ra 4 to 20 mA DC
Nhiệt độ môi trường -40 to 85 deg C (-40 to 185 deg F) Áp suất cực đại 4 Mpa (580 psi) b Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ TSG được sử dụng để đo lường nhiệt độ ở nhiều vị trí quan trọng trong hệ thống làm lạnh, bao gồm: nhiệt độ hơi môi chất lạnh ở cửa đẩy máy nén, nhiệt độ bình ngưng, nhiệt độ bình chứa cao áp, nhiệt độ nước làm mát và nhiệt độ dầu bôi trơn.
Dải đo : -50 ÷ 400C Đầu ra : 4 ÷ 20mA; 1 ÷ 5VDC; 2 tiếp điểm rơle
Hình 2.13 Hình dạng ngoài của cảm biến nhiệt độ hiển thị số TSG c Biến dòng
Dùng loại Êpoxy CT-06 Máy biến dòng hình xuyến tới 600V Tần số danh định
50 Hz Dòng thứ cấp danh định 5A Dòng sơ cấp 0 ÷ 100A
Xây dựng phương án thiết kế cho hệ thống lạnh công nghiệp
2.3.1 Hệ thống giám sát trạm lạnh công nghiệp
Hệ thống sử dụng hai máy nén trục vít, tạo ra được năng suất lạnh khác nhau, nhằm tạo ra hai mức nhiệt lạnh khác nhau.
Hệ thống có các chế độ vận hành như:
- Chế độ vận hành bằng tay: điều khiển sự hoạt động của hệ thống ngay tại hiện trường.
- Chế độ điều khiển từ xa bằng máy tính: điều khiển hệ thống bằng máy tính ở phòng điền khiển.
Chế độ tự động cho phép người dùng thiết lập nhiệt độ mong muốn, và hệ thống sẽ tự động điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu đó, đây là chế độ hoạt động chính của hệ thống.
Phạm vi điều chỉnh nhiệt độ: - 25 ÷ 25C
Giới thiệu các phần tử trong hệ thống lạnh:
Máy nén lạnh là thiết bị quan trọng trong hệ thống làm lạnh, có chức năng hút hơi ở áp suất và nhiệt độ thấp từ dàn bay hơi, sau đó nén lên áp suất cao để chuyển đến dàn ngưng tụ Hệ thống này sử dụng bốn máy nén trục vít chất lượng cao từ hãng MYCOM.
Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật máy nén trục vít Đặc điểm kỹ thuật Thông số ở điều kiện thường
Thông số ở điều kiện làm việc Nhiệt độ hút vào > - 18 0 C -9,5 đến – 6,5 0 C Áp lực dầu >1.1 bar 2,0 – 2,2bar Áp suất ra 14 – 17,5bar 13 – 13,5bar
Nhiệt độ dầu trong máy nén
Nhiệt độ vách ngăn dầu > 32 0 C 65 – 75 0 C
Phạm vi điều chỉnh năng suất lạnh
Thiết bị ngưng tụ là một thiết bị trao đổi nhiệt quan trọng, chuyển đổi môi chất lạnh từ trạng thái khí có áp suất và nhiệt độ cao sau quá trình nén thành dạng lỏng Quá trình này diễn ra khi hơi môi chất truyền nhiệt cho nước hoặc không khí làm mát, dẫn đến việc mất nhiệt và giảm nhiệt độ xuống mức nhiệt độ bão hòa tại áp suất ngưng tụ, từ đó chuyển đổi thành chất lỏng.
Giám sát áp suất sau van một chiều rất quan trọng để đảm bảo an toàn trong hệ thống Nó giúp phát hiện và cảnh báo khi áp suất vượt quá mức cho phép, đồng thời đảm bảo máy nén hoạt động hiệu quả bằng cách thông báo khi áp suất không đạt yêu cầu.
Thiết bị bay hơi: là thiết bị trao đổi nhiệt trong đó môi chất lạnh lỏng hấp thụ nhiệt từ môi trường lạnh, sôi và hóa hơi.
Tháp giải nhiệt có nhiệm vụ thải nhiệt từ quá trình ngưng tụ của môi chất lạnh trong bình ngưng Nước được sử dụng làm chất tải nhiệt trung gian Nhờ vào quạt gió và dàn phun mưa, nước sẽ bay hơi một phần, giúp giảm nhiệt độ xuống mức yêu cầu để được bơm trở lại bình ngưng.
Bình tách dầu: được sử dụng để tách dầu máy nén lẫn trong môi chất đến bình ngưng.
Bình chứa cao áp được đặt dưới bình ngưng để chứa chất lỏng đã ngưng tụ, giúp giải phóng bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ Nó tự duy trì việc cung cấp chất lỏng liên tục cho van tiết lưu.
Bình tách lỏng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống máy lạnh, giúp tách các giọt chất lỏng ra khỏi luồng hơi hút về máy nén Việc này nhằm tránh cho máy nén không hút phải chất lỏng, từ đó ngăn chặn hiện tượng va đập thủy lực có thể gây hư hỏng nghiêm trọng cho máy nén.
Thiết bị hồi nhiệt là một phần quan trọng trong hệ thống làm lạnh, có chức năng làm quá lạnh môi chất sau khi ngưng tụ Thiết bị này sử dụng hơi lạnh từ dàn bay hơi trước khi quay trở lại máy nén, giúp tăng hiệu suất lạnh của chu trình.
Phin sấy và phin lọc là thiết bị quan trọng giúp loại bỏ cặn bẩn cơ học và các tạp chất hóa học, đặc biệt là nước và oxit, ra khỏi vòng tuần hoàn môi chất.
Giám sát áp suất tại cửa hút của máy nén là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động Khi áp suất đầu hút giảm xuống quá thấp, điều kiện bôi trơn sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng Trong trường hợp này, cần phải dừng máy nén ngay lập tức và tiến hành xác định nguyên nhân gây ra sự cố.
Giám sát áp suất tại cửa đẩy của máy nén là rất quan trọng để cảnh báo và bảo vệ máy nén khỏi tình trạng quá tải do tắc nghẽn hoặc van chặn chưa mở, nhằm ngăn ngừa cháy động cơ hoặc hư hại các bộ phận của máy Khi máy nén chính gặp sự cố, cần dừng máy ngay lập tức và chuyển sang máy nén dự phòng để đảm bảo hoạt động liên tục.
Giám sát nhiệt độ bình ngưng là rất quan trọng để bảo vệ thiết bị này, đồng thời giúp tự động điều chỉnh nhiệt độ ngưng tụ và lưu lượng nước làm mát.
Giám sát áp suất bay hơi của môi chất lạnh là yếu tố quan trọng trong việc bảo đảm an toàn cho dàn bay hơi Việc theo dõi áp suất giúp phát hiện sớm các vấn đề, từ đó kích hoạt hệ thống báo động và bảo vệ thiết bị Khi áp suất bay hơi giảm, nhiệt độ bay hơi cũng sẽ thấp, điều này có thể dẫn đến tình trạng đóng băng nước muối trong bình bay hơi, gây ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Giám sát nhiệt độ kho lạnh là một yếu tố quan trọng trong hệ thống lạnh, giúp điều chỉnh công suất máy nén và van tiết lưu để duy trì nhiệt độ theo yêu cầu Bên cạnh đó, tình trạng hoạt động của máy nén lạnh cũng cần được theo dõi, với các thông số quan trọng như áp lực dầu bôi trơn, mức dầu trong caste và nhiệt độ nước làm mát Đặc biệt, áp lực dầu bôi trơn là yếu tố quyết định, vì khi dầu bôi trơn không đủ, máy nén có thể bị hư hỏng nghiêm trọng.
Giám sát áp lực dầu bôi trơn có tác dụng bảo vệ máy nén, báo động và tự động dừng máy nén khi gặp sự cố.
Tổng hợp các thông số cần đo và giám sát:
Thông số đo và giám sát áp suất của máy nén bao gồm các loại cảm biến: áp suất cửa hút máy nén 1, áp suất cửa hút máy nén 2, áp suất cửa đẩy máy nén 1 và áp suất cửa đẩy máy nén 2, tất cả đều sử dụng cảm biến tương tự.
Nhiệt độ hơi môi chất lạnh cửa đẩy máy nén 2 Tương tự Áp suất bình ngưng Tương tự
Nhiệt độ bình ngưng Tương tự Áp suất bay hơi Tương tự
Nhiệt độ kho lạnh Tương tự Áp suất dầu bôi trơn máy nén 1 Tương tự
Mức dầu cacte máy nén 1 Tương tự
Dòng điện động cơ lai máy nén 1 Tương tự Áp suất dầu bôi trơn máy nén 2 Tương tự
Mức dầu cacte máy nén 2 Tương tự
Dòng điện động cơ lai máy nén 2 Tương tự Áp suất bình trung gian 1 Tương tự Áp suất bình trung gian 2 Tương tự
Nhiệt độ bình trung gian 1 Tương tự
Nhiệt độ bình trung gian 2 Tương tự
2.3.2 Chu trình lạnh của hệ thống
Xây dựng công nghệ mạch điều khiển
2.4.1 Mạch động lực của các động cơ máy nén, bơm và quạt
Mạch điện động lực, hay còn gọi là mạch điện nguồn, cung cấp điện cho các thiết bị như máy nén, bơm và quạt Dòng điện trong mạch này thay đổi tùy thuộc vào công suất của thiết bị, do đó công suất của các thiết bị đi kèm cũng phải được lựa chọn tương ứng Nguồn cung cấp cho mạch động lực thường được lấy từ trạm biến áp của nhà máy.
Hình 2.19 Mạch động lực hệ thống quạt giàn lạnh
Hình 2.21 Mạch động lực hệ thống bơm nước làm mát, quạt tháp giải nhiệt và bình ngưng
Hình 2.22 Mạch cung cấp nguồn cho hệ thống điều khiển.
1KVA Đến PC Đến mạch tạo nguồn
Hệ thống lạnh thực phẩm gồm các thiết bị chính sau đây:
Hai máy nén với mô tơ 2 x 75 kW
Bơm cấp môi chất 2 x 1,5 kW
Bơm nước giải nhiệt máy nén và bình ngưng 1 x 7,5 kW
Quạt giải nhiệt tháp giải nhiệt 1,5 kW
Quạt giải nhiệt bình ngưng 1,5 kW
Quạt giải nhiệt dàn lạnh : 3 x 2,2 kW
Mạch động lực gồm các thiết bị chính sau:
AP1, AP2, …, AP18 : Áptômát cấp nguồn cho hệ thống.
OCR1, OCR2, …, OCR18 : Over current relay – Tiếp điểm Rơle nhiệt
K1, K4, K7, K10: Tiếp điểm khởi động từ cuộn chạy máy nén.
K2, K5, K8, K11: Tiếp điểm khởi động tam giác.
K3, K6, K9, K12: Tiếp điểm khởi động sao.
M1, M2: Động cơ lai máy nén tương ứng
FM1, FM2, FM3: Động cơ quạt giàn lạnh
PM1, PM2: Động cơ bơm môi chất
PM5: Động cơ bơm mước giải nhiệt máy nén
PM6: Động cơ bơm mước giải nhiệt bình ngưng.
FM7: Động cơ quạt giải nhiệt bình ngưng
FM8: Động cơ quạt tháp giải nhiệt.
TU1, TU2, …, TU18: Biến áp
TI1, Tl2, …, TI18: Biến dòng
Thuyết minh mạch động lực:
+ Đối với động cơ máy nén quá trình khởi động diễn ra như sau :
Khi nhấn nút START trên mạch điều khiển, cuộn dây khởi động từ (K1) sẽ có điện và đóng tiếp điểm thường mở K1, cho phép máy chạy theo sơ đồ sao với dòng khởi động giảm đáng kể Sau thời gian cài đặt, rơ le thời gian sẽ ngắt điện cuộn (K3) và cấp điện cho cuộn (K2), làm cho các tiếp điểm trên mạch động lực K2 đóng và K3 mở, chuyển máy từ sơ đồ nối sao sang sơ đồ tam giác Đối với các thiết bị công suất nhỏ như bơm và quạt, dòng khởi động nhỏ nên không cần khởi động theo sơ đồ sao – tam giác như máy nén.
CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
Lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ kho lạnh
Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ kho lạnh
Soạn thảo chương trình trên phần mềm STEP7
Hình 3.2 Khai báo cấu hình phần cứng của trạm PLC.
Mô phỏng kết quả trên PLCSIM
Sau khi ghi chương trình lên CPU và tiến hành nạp các giá trị đầu vào, cho CPU chạy ở chế độ Run thì ta được kết quả như sau:
Khi các điều kiện trong lưu đồ thuật toán được thỏa mãn, động cơ sẽ khởi động ở chế độ sao Sau khoảng 5 giây, động cơ sẽ chuyển sang chế độ tam giác, điều này liên quan đến các đầu ra Q17.2 – Q17.7, bao gồm các bơm và quạt.
Hình 3.3 Kết quả khởi động động cơ ở chế độ sao
Hình 3.4 Kết quả sau 5s khi khởi động động cơ
- Trong trường hợp không thoả mãn một số điều kiện:
Bảng thông số chuyển đổi tín hiệu từ nhiệt độ vào PLC Nhiệt độ
Giá trị đọc được ở PLC
Thông qua cách tính chéo giữa các cột: { 10 10 z '648 x = 10 y y }
27648 ( PIW256 là một địa chỉ nhớ lấy làm ví dụ ) + Đầu vào PIW256:
Khi giá trị được cung cấp trong khoảng từ 0 đến 27648, sau khi chuyển đổi dữ liệu sang số thực và áp dụng công thức tính toán áp suất qua các lệnh trong PLC, ta nhận được giá trị áp suất nhỏ hơn 10 bar.
Hình 3.5 kết quả so sánh khi thỏa mãn điều kiện
Khi đầu vào nhận giá trị lớn hơn 10 bar, quá trình tính toán sẽ dẫn đến việc giá trị vượt quá ngưỡng này, khiến cho đầu ra M56.0 không hoạt động Điều này dẫn đến việc không thỏa mãn các điều kiện cần thiết và tự động kết thúc chương trình khởi động.
Hình 3.6 Kết quả so sánh khi cho số liệu vượt ngoài giá trị cho phép
Khi chuẩn hóa tín hiệu áp suất vào PLC với áp suất máy nén là 8 bar, giá trị áp suất từ 0 đến 22000 sẽ được tính toán trong PLC để đảm bảo thỏa mãn các điều kiện yêu cầu.
Hình 3.7 Khi cho giá trị đầu vào thỏa mãn điều kiện
Khi giá trị đầu vào vượt quá 22000, kết quả sẽ lớn hơn 8 bar, dẫn đến việc không đáp ứng được điều kiện của máy nén Trong trường hợp này, đèn cảnh báo sẽ hoạt động và cho phép động cơ ngừng hoạt động.
Hình 3.8 Khi cho giá trị đầu vào vượt ngoài giá trị cho phép