Mô phỏng hệ thống lạnh bảo quản thực phẩm trên Simscape của Matlab & Simulink

Hơn thế nữa, mô phỏng động học còn cho phép đánh giá chất lượng của thực phẩm bảo quản theo thời gian từ đó có thể ước lượng được thời gian bảo quản tối đa trong hệ t[r]

ISSN: 1859-2171 TNU Journal of Science and Technology 195(02): 61 - 67

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LẠNH BẢO QUẢN THỰC PHẨM TRÊN SIMSCAPE CỦA MATLAB & SIMULINK

Dương Chính Cương1*

, Nguyễn Đức Trung2 1Trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thông – ĐH Thái Nguyên, 2Đại học Bách khoa Hà Nội

TÓM TẮT

Hệ thống lạnh ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực với quy mô khác Đối với hệ thống dân dụng công nghiệp, ứng dụng bật hệ thống lạnh thực nhiệm vụ bảo quản thực phẩm Nhằm tối ưu hoạt động hệ thống, nhiệm vụ tính tốn phân tích biến thiên theo thời gian thông số trạng thái phần tử cần bảo đảm xác cao Sử dụng ngôn ngữ tựa BondGraph, hoạt động hệ thống lạnh bảo quản thực phẩm mô thông qua cơng cụ Simscape gói phần mềm Matlab & Simulink Các điểm làm việc phần tử thay đổi theo thời gian biểu diễn cách liên tục đồ thị logp-i, vốn quen thuộc với kỹ sư nhiệt

Từ khóa: Bảo quản thực phẩm, Simscape, chu trình lạnh, mơ phỏng, đồ thị logp-i

Ngày nhận bài: 02/01/2019; Ngày hoàn thiện: 20/02/2019; Ngày duyệt đăng: 28/02/2019 SIMULATION THE FOOD COLD STORAGE

USING A BOND GRAPH MODEL LIBRARY IMPLEMENTED IN SIMSCAPE Duong Chinh Cuong1*, Nguyen Duc Trung2 1

University of Information and Communication Technology – TNU,

2

Hanoi University of Science and Technology

ABSTRACT

Refrigeration system is widely used in multi domain under different scales For household and industrial system, the typical application of refrigeration system is food preservation In order to optimize system performance, it is necessary to compute and analyze exactly the time – variance of state variable of elements Using pseudo – BondGraph language, the operation of refrigeration system for food preservation is simulated via Simscape toolbox of Matlab & Simulink The variation due to time of operational point of each element is described continously in logp-i diagram which is very acquainted with thermal engineers

Keyword: Food storage, Simscape, refrigeration cycle, simulation, logp-i diagram Received: 02/01/2019; Revised: 20/02/2019; Approved: 28/02/2019

Dương Chính Cương Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 61 - 67

GIỚI THIỆU

Một chu trình lạnh bao gồm thiết bị sau: dàn bay (còn gọi dàn lạnh), máy nén, dàn ngưng tụ (cịn gọi dàn nóng) van tiết lưu nối với thành vịng kín gọi chu trình lạnh mơ tả Hình

Hình Các phần tử đồ thị Log p – i của chu trình lạnh

Một luồng chất lưu dễ bay (lưu chất vận động hay môi chất lạnh) luân chuyển chu trình lạnh với nhiệm vụ vận chuyển nhiệt lượng từ môi trường tiếp nhận mơi trường bên ngồi để mục đích hạ nhiệt độ mơi trường bên ngồi xuống nhiệt độ theo u cầu [1] Việc điều chỉnh suất lạnh tương ứng với công suất máy nén theo nguyên tắc vô cấp thông qua biến tần đơn giản với nguyên lý ON/OFF nhằm bảo đảm ổn định nhiệt độ dải cho phép tính chất quán tính nhiệt Hình mơ tả hệ thống lạnh phòng bảo quản thực phẩm Ở hệ thống nhiệt nhỏ, tích hợp đầu đo cấu điều khiển thiết bị tạo rơ le nhiệt kèm hệ thống mao dẫn chứa có đặc tính áp – nhiệt với độ nhạy cao nhằm thực

nguyên tắc chuyển đổi đồng thời trình: nhiệt học – học – điện từ [2] Nhiệt độ đặt cho phòng bảo quản điều chỉnh cụ thể loại thực phẩm khác

Hình Sơ đồ điều khiển hệ thống lạnh theo nguyên tắc đơn giản

Đối tượng nghiên cứu có đặc tính phi tuyến đa biến [3], [4], [5] mô hình ngơn ngữ giả lập Bond Graph mơ Simscape Matlab & Simulink [6], [7], [8], [9], [10] với kết biểu diễn đồ thị logp-i giúp cho không kỹ sư điều khiển đánh giá tính chất biến thiên động theo thời gian phần tử hệ thống mà cho phép kỹ sư nhiệt đánh giá hiệu chỉnh nâng cao hiệu suất hoạt động hệ thống MÔ TẢ TỐN HỌC CHU TRÌNH LẠNH Đối với chu trình lạnh có mơ hình tốn học chi tiết phức tạp [3, 4, 5] Nghiên cứu tóm lược số phương trình Mơ tả tốn học dàn ngưng tụ bay có dạng tương tự Với thông số dàn ngưng tụ (con: condensator): h (400 W/mK), δ (10 mm), d (15 mm) l (15000 mm) đặc trưng cho hệ số dẫn nhiệt, đồ dầy, đường kính chiều dài dàn; nhiệt lượng Qcon môi

chất bị ngưng tụ chuyển qua mơi trường khơng khí làm thay đổi nhiệt độ vào nhiệt độ khỏi dàn ngưng khơng khí theo (1) (4):

 

 

- _

23

-_ _

Qcon mcon conC T Tcon in hcon conA Tcon out Tcon in

con



 

(1)

mconVcon con Aconcon con  (2)

Acon  dcon conl (3)

Entanpi (i)

Log p

Dương Chính Cương Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 61 - 67 2 ln - _ ; - _

2 23 23

1 ( -1 4);

1

1

(Re, , Pr, )

4

- _

23 ( - )

1 1 1

1

t t

Q G h kAcon

con t

t

t T Tcon in t T Tcon out h I I k

f Nu f

i i Halland

dcon conl

G VMC MC MC

T T

Acon con i

G I I

con con                                       -23 _ ln -23 _ n T T con in T T con out (4)

Thiết diện bề mặt dẫn nhiệt Acon khối

lượng mcon tính tốn qua (2)

(3) Q trình đẳng áp, đẳng nhiệt diễn dàn ngưng với nhiệt độ T23 có tượng

ngưng tụ mơi chất khiến cho nhiệt độ môi trường bị tăng lên (Tcon_out>Tcon_in), ngược lại

với trình bay đẳng áp, đẳng nhiệt (T14) dàn bay đặt tiếp xúc với môi

trường cần làm lạnh Q trình trao đổi nhiệt mơ tả cụ thể phương trình (4) với đặc trưng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu phụ thuộc vào chế độ dòng chảy bên ống xác định qua chuẩn số Re, Nu, Pr kết hợp với tương quan Halland với chi tiết [5], [11], [12]

Chu trình lạnh tuần hồn kín mơi chất lạnh có hai cặp (ngưng tụ – bay lỏng; nén – tiết lưu lỏng) tượng vật lý diễn ngược cụm phần tử khác kết nối hệ thống đường ống có yêu cầu bảo ôn đặc biệt đoạn ống kết nối với dàn bay hay gọi dàn lạnh (đặt phía mơi trường cần làm lạnh) Việc khởi động hay dừng máy nén thường dựa so sánh tín hiệu nhiệt độ mong muốn môi trường với nhiệt độ thực tế môi trường

Mơ tả tốn học máy nén với công nén W đưa áp suất khối lượng G từ P1

lên P2 thể qua phương trình sau đây:

   

 

( )

-2 2 1

2

_2 _1

( ) - ( )

2 2 2 1 2

W G E E G I K I K

VEL VEL

G u p v u p v

    

      

 

 

(5)

Phương trình dựa định luật bảo tồn lượng với công nén tương ứng với phần tổng lượng tăng thêm Tổng lượng (E) dòng xác định tổng entanpi (I: xác định tổng nội u phần lượng pv tạo áp suất p thể tích v) động (K) Quá trình nén thực theo nguyên tắc đoạn nhiệt (đẳng entropi: S2=S1) Đặc trưng

cho việc tính tốn máy nén dựa vào tỉ số nén (K= P23/P41) yêu cầu phụ thuộc vào giá

trị nhiệt độ mong muốn mơi trường cần lạnh Việc làm lạnh sâu đòi hỏi nhiều cấp nén Tùy theo môi chất lạnh mà giới hạn tỷ số nén cấp nén xác định Đối với môi chất lạnh R22 nghiên cứu này, tỉ số tới hạn xác định

Ngược lại với trình nén trình tiết lưu lỏng thực van tiết lưu q trình hạ áp suất đẳng entanpi (khơng thực trao đổi nhiệt với môi trường: I4=I3)

Về mặt lý thuyết, van tiết lưu bảo ôn tuyệt đối Tuy nhiên với thiết bị lạnh công suất nhỏ, van tiết lưu thường thay ống mao dẫn có đường kính nhỏ, đồng thời việc bảo ôn không thiết bắt buộc phải thực nghiêm ngặt Trong trạng thái hoạt động xác lập hệ thống, van tiết lưu hạ áp suất dịng mơi chất lạnh trạng thái lỏng từ P23 P41; trạng thái môi chất lạnh

tại điểm 1, điểm 2, điểm điểm bão hịa khơ, q nhiệt; lỏng bão hịa ẩm thể trênHình

Mô tả trường hợp mô phỏng: bảo quản táo trong kho lạnh siêu thị

Sau thu hoạch, táo thương bảo quản kho lạnh để trước đưa bán siêu thị Nhiệt độ bảo quản tối thiểu 10o

Dương Chính Cương Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 61 - 67

250 kg táo có kích thước (m): 2x3x2 Việc trao đổi nhiệt với môi trường cần làm lạnh hỗ trợ quạt gió vận tốc gió 0,2 m/s Kho lạnh bảo ôn thủy tinh có độ dày 100 mm với lớp bao ngồi tường gạch dầy 120mm, lớp bao khoang lạnh Inox 304 (bảo đảm hợp chuẩn an toàn vệ sinh thực phẩm) có độ dày mm Mơi chất lạnh R22 sử dụng nghiên cứu có thơng số chi tiết [12] đưa vào chương trình mơ Simscape dạng bảng

MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TỐN

Gói cơng cụ Simscape Matlab & Simulink [6,7,8] phát triển dựa việc mô tả thiết bị, phần tử hệ thống thông qua ngôn ngữ tựa BondGraph Simscape phân chia thàn gói tiện ích nhỏ phục vụ mơ lĩnh vực khác như: kỹ thuật điện – điện tử, kỹ thuật thủy lực, kỹ thuật khí nén, kỹ thuật nhiệt trình lai hệ thống phức tạp Vận dụng phần tử có sẵn thơng qua cài đặt tham số cho phép kết nối thiết bị, chương trình mô thực với cấu trúc module Hình đây:

Hình Quá trình nén mơi chất máy nén

Hình 4 Q trình biến đổi áp suất van tiết lưu

Hình Quá trình trao đổi nhiệt cấp lạnh cho phịng qua dàn bay

Hình 6 Q trình trao đổi nhiệt với mơi trường (làm mát dàn ngưng tụ)

Kết mô biểu diễn qua từ Hình đến Hình 10 cho điểm làm việc chu trình lạnh thời điểm đặc trưng khác tương ứng với giai đoạn khởi động hệ thống (chu trình lạnh có mơi chất đồng vị trí), bật máy nén tắt máy nén Hệ thống bảo quản lạnh hoạt động với nhiệt độ đặt: 4oC nhiệt độ mơi

trường bên ngồi khoang bảo quản: 25o

C Dung sai điều khiển 2o

C

Dương Chính Cương Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 61 - 67

Hình 8 Sự biến thiên hệ R22 điểm chu trình lạnh

Hình 9.a Chu trình lạnh đồ thị logp-i với t=1395 s

Dương Chính Cương Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 61 - 67

Hình 10 Nhiệt độ đặt (4oC tương ứng 277K) nhiệt độ thực phòng

Các hình thể kết mơ hệ thống bảo quản lạnh hoạt động với nhiệt độ đặt 4oC nhiệt độ môi trường bên ngồi

khoang bảo quản 25oC Đặc tính điều khiển

kiểu on/off tạo chu kỳ dao động nhiệt độ thực khoang bảo quản 1065 (s) Tính chất chu kỳ thể khơng Hình 10 với đáp ứng nhiệt độ mơi trường bảo quản mà thể hoạt động chu trình lạnh tồn hệ thống với biểu diễn thông qua đồ thị logp-i thời điểm t=291s t=1395s ứng với Hình 9.a Hình 9.b Trạng thái điểm hoạt động phần tử chu trình lạnh biểu diễn vị trí có tọa độ gần giống

Trên Hình 8, trạng thái điểm hoạt động phần tử biểu có vị trí gần thời điểm sau khởi động hệ thống thể thay đổi trạng thái có qn tính mơi chất lạnh đường ống (vẫn trạng thái bão hòa ẩm) Sự biến đổi diễn trạng thái hoạt động ổn định có tính chu kỳ Trong chu kỳ, tính chất biến thiên độ trạng thái mơi chất lạnh liên tục diễn Hình Hình 9.a Hình 9.b có tính chất mơ tả diễn tiến q trình, thơng số cụ thể phần tử thể Hình

KẾT LUẬN

Mô động lực học hệ thống bảo quản lạnh thực phẩm thực nghiên cứu cho phép xác định xác nhiệt độ mơi trường bảo quản, trạng thái chế độ hoạt

động phần tử chu trình lạnh (máy nén, dàn ngưng tụ, dàn bay hơi, van tiết lưu) Nghiên cứu thực việc chuyển trạng thái động học điểm làm việc đồ thị logp – i cho phần tử kể 50h làm việc liên tục tính từ đưa tải cần làm lạnh: 250 kg táo vào phịng lạnh có kích thước 12 m3 Tính lặp lại trạng thái hệ

thống thể rõ tùy theo đặc tính hoạt động máy nén cụ thể thông qua biểu diễn đồ thị logp – i giản đồ thời gian thông số lưu lượng môi chất lạnh, tỷ số nén, áp suất vào máy nén hay hệ số trạng thái (tỷ số hơi) môi chất lạnh

Với kết mô trên, việc thiết kế hệ thống bảo đảm độ xác cao Hơn nữa, mơ động học cịn cho phép đánh giá chất lượng thực phẩm bảo quản theo thời gian từ ước lượng thời gian bảo quản tối đa hệ thống, đồng thời cho phép đánh giá lượng tiêu hao trình bảo quản với phụ tải (máy nén quạt thơng gió)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Granryd E et al (2009), “Refrigerating engineering”, Royal Institute of Technology KTH – Stockholm Press, ISBN: 917415415X, 9789174154153

2 Larsen F.S (2006), “Model based control of refrigeration systems”, Ph.D thesis, Aalborg University

3 He X D., Liu S., Asada H H., Itoh H (1998), “Multivariable Control of Vapour Compression Systems”, Int J HVAC&R Vol 4, No 3, pp 205-230

4 Nyers J and Stoyan G (1992), “A Dynamical Model Adequate for Controlling the Evaporator of a Heat Pump”, Int J Refrig Vol 17, pp 101-108 Çengel Y.A., Boles M.A (2003), “Thermodynamics: an engineering approach”, Mc-Graw Hill, ISBN-13: 9780072884951, ISBN-10: 0072884959

Dương Chính Cương Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 61 - 67

7.Mohammad Nuruzzaman (2005), “Modeling and Simulation In SIMULINK for Engineers and Scientists,” AuthorHouse Press, ISBN-13: 978-1418493837, ISBN-10: 141849383X

8.Harold Klee, Randal Allen (2017), “Simulation of Dynamic Systems with MATLAB and Simulink, Second Edition”, CRC Press, ISBN-13: 978-1439836736, ISBN-10: 1439836736

9.Agam Kumar Tyagi (2012), “Simulation of Dynamic Systems with MATLAB and Simulink,

Third Edition”, Oxford University, ISBN: 9780198072447

10.https://mathworks.com/help/physmod/simscap e (truy cập 11h35’/20/11/2019)

11.J P Holman (1997), “Heat Transfer”, McGraw-Hill, ISBN: 9780070297234, pp 289-311

10