Trong hệ thống sấy, một trong những thành phần không thể thiếu đó là kiểm soát nhiệt độ. Nhiệt độ trong buồng sấy phải được điều khiển một cách chính xác để tạo ra sự an toàn cho hệ thống và nhân công. Quan trọng hơn, việc thiết kế hệ thống sấy phải đạt được yêu cầu chính xác về nhiệt độ mà ta đã đặt ra nhằm đảm bảo chất lượng của sản phẩm.
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ, tuy nhiên tùy vào nhu cầu sử dụng về dải đo và khả năng về kinh tế để người ta lựa chọn sao cho hợp lý.
Cặp nhiệt điện:
Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu.
Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi (mV).
Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao.
Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…
Tầm đo: -100 - 1400 0C.
Hình 2.13: Cặp nhiệt điện
Nhiệt điện trở (RTD):
Cấu tạo: gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Niken, Patium,…được quấn theo hình dáng của đầu to.
Nguyên lý: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa 2 đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong 1 khoảng nhiệt độ nhất định.
Ưu điểm: Độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không hạn chế.
Khuyết điểm: Dải đo bé hơn cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn cặp nhiệt điện.
Thường dùng: Trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật liệu, hóa chất,…
Hình 2.14: Nhiệt điện trở RTD
Thermistor:
Cấu tạo: Làm từ hỗn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,…
Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi.
Ưu điểm: Bền, rẻ tiền, dễ chế tạo.
Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp.
Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử.
Tầm đo: 500C.
Bán dẫn:
Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn.
Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản.
Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.
Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử.
Tầm đo: -50 - 150 0C.
Hình 2.16: Cảm biến nhiệt độ - Bán dẫn
Vì trong hệ thống sấy yêu cầu cảm biến nhiệt phải hoạt động ổn định, chính xác, dải đo thấp và giá thành hợp lí nên nhóm chọn loại cảm biến nhiệt Thermocope.
2.2.5. Thiết bị sấy
Trong các lò sấy trong công nghiệp người ta thường sử dụng các loại đèn sấy nhiệt để thực hiện việc gia nhiệt trong lò sấy. Đèn sẽ biến đổi điện năng thành nhiệt năng để cung cấp nhiệt. Có rất nhiều loại đèn sấy như: đèn hồng ngoại(đèn sấy Hallogen), trở sấy, thanh gia nhiêt...
Đèn hồng ngoại là đèn sấy phát ra các bức xạ nhiệt. Các bóng đèn này sẽ phát ra năng lượng bức xạ liên tục với cường độ cao. Ánh sáng này được gọi là “hồng ngoại” –
vùng quang phổ bên ngoài ánh sáng đỏ). Trong các ánh sáng mà mắt người nhìn thấy được, ánh sáng đỏ là ánh sáng nhìn thấy có bước sóng dài nhất.
Đèn sấy hồng ngoại có dây tóc đèn làm bằng vonfram, công suất đèn đạt mức từ 150 – 500 W/h, nhiệt độ của đèn dao động trong mức từ 2.300 – 100 độ K. Tuy có cấu tạo khá đơn giản, cách sử dụng và vận hành đơn giản nên công nghệ sấy bằng đèn hồng ngoại được dùng trong công nghiệp sấy khô thực phẩm vì những lý do nhất định. Người ta mua và bán bóng đèn sấy hồng ngoại chủ yếu dùng trong sấy các sản phẩm cắt lát, hoặc dạng mỏng, dạng bột như trà, bột mỳ, lúa, bột cacao…
Hình 2.17: Bóng sấy hồng ngoại
Trở sấy là một hình thức chuyển đổi từ điện năng sang nhiệt năng. Trở sấy cũng được sử dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm, khả năng làm nóng luồng không khí nhanh. Nó có thể được sử dụng để làm nóng bất kì loại khí. Không dẫn điện và không cháy, không ăn mòn, không ô nhiễm, dải nhiệt độ rộng.
Hình 2.18: Trở sấy nhiệt
Do các sản phẩm sấy của hệ thống thường là dạng cắt lát hoặc dạng mỏng không cần nhiệt độ quá cao nên nhóm sử dụng đèn sấy hồng ngoại (có dây tóc bóng đèn làm bằng Vonfram là loại chuyên dùng để sấy nguyên liệu, cấu tạo và vận hành đơn giản) . Trong hệ thống, sử dụng relay để điều khiển.
2.2.6. Cơ cấu chấp hành
Để hệ thống sấy vận hành một cách hiệu quả thì không thể thiếu các cơ cấu chấp hành đi kèm với hệ thống như động cơ và xi lanh, đẩy sản phẩm, động cơ chia sản phẩm, bóng sấy và quạt sấy,...
2.2.6.1. Động cơ
Hệ thống sấy sử dụng hai loại động cơ dựa theo ứng dụng hoạt động. Cả hai động cơ đều cần 1 công suất tương đối để đẩy sản phẩm và chia sản phẩm. Ta có những loại động cơ thường được sử dụng như sau:
năng lượng, động cơ DC sẽ bắt đầu quay, chuyển điện năng thành cơ năng. Hầu hết các động cơ DC sẽ quay với tốc độ rất cao và các động cơ DC đều được ứng dụng để làm quạt làm mát máy tính, hoặc kiểm soát tốc độ quay của bánh xe…
Động cơ AC là động cơ điện được dẫn động bằng dòng điện xoay chiều. Động cơ AC thường bao gồm hai phần cơ bản, một stator bên ngoài có các cuộn dây được cấp dòng xoay chiều để tạo ra từ trường quay và một rotor bên trong được gắn vào trục đầu ra tạo ra từ trường quay thứ hai. Từ trường rotor có thể được tạo ra bởi các nam châm vĩnh cửu, sự lồi từ trở hoặc cuộn dây điện DC hoặc AC.
Động cơ bước : Là một loại động cơ điện đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của roto có khả năng cố định roto vào các vị trí cần thiết. Do đó, nó là một loại động cơ mà chúng ta có thể quy định được góc quay của nó, từ đó giúp nhận biết được chính xác vị trí và số vòng đã quay.
Động cơ bước có ưu điểm là không cần chổi than nên bền bỉ ít hỏng hóc và ít phải bảo dưỡng, moment xoắn cực lớn ở dải vận tốc thấp vào trung bình, dễ dàng điều khiển giá thành thấp. Tuy nhiên Ster motor hay xảy ra hiện tượng trượt lực (do tải lớn hoặc điện áp cấp vào không đủ), gây tiếng ồn lớn và có hiện tượng nóng dần khi vận hành lâu.
Động cơ Servo: Nguyên lý hoạt động của Servo motor cũng tương tự động cơ bước nhưng ít điểm cực hơn và chúng cần phải được mã hóa để xác định chính xác vị trí của các điểm cực vì vậy nó được gắn thêm encoder.
Động cơ Servo vì được kiểm soát bằng encoder nên có sự chính xác cao hơn, do sử dụng bằng cách đếm xung như vậy khi motor bị trượt lực (mất bước) vẫn cho ra kết quả chính xác. Tuy nhiên Driver của Servo đòi hỏi công suất cao hơn so với động cơ bước, có moment yếu hơn và phải bảo dưỡng định kỳ (do sử dụng chổi than).
Trong hệ thống, 2 động cơ yêu cầu cao về độ chính xác theo góc quay để nhận biết hành trình và chia sản phẩm nên nhóm chúng em đã lựa chọn động cơ bước để làm động cơ cho hệ thống vừa tiết kiệm chi phí hơn so với động cơ servo vừa đảm bảo được moment tải và điều khiển dễ dàng.
2.2.6.2. Xy lanh
Hệ thống sấy lát mít trong công nghiệp yêu cầu rất nhiều cơ cấu chấp hành về chuyển động nên không thể thiếu xy lanh. Xy lanh cũng có nhiều loại khác nhau như: Xy lanh điện, xy lanh khí nén và xy lanh thủy lực.
Xy lanh điện là loại xi lanh có cơ cấu dẫn động tuyến tính (loại cơ –điện). Nó hoạt động bằng việc chuyển đổi năng lượng điện thành mô-men xoắn. Động cơ điện dược kết nối với vít dẫn để làm quay vít dẫn. Khi vít dẫn quay, đai ốc di chuyển dọc theo trục của vít dẫn . Hướng đi của đai ốc phụ thuộc vào chiều quay của vít dẫn.
Hình 2.19: Xy lanh điện
Ưu điểm của xi lanh điện là hiệu suất và độ chính xác cao nhờ việc áp dụng cơ cấu trục vít và đai ốc trong chuyển động của xi lanh, về tiếng ồn khi hoạt động thì xy lanh điện có độ ồn nhỏ hơn rất nhiều so với xy lanh khí nén. Nhưng chi phí lắp đặt của xy lanh điện cao, hạn chế về môi trường sử dụng , nếu muốn thay đổi lực đẩy và tốc độ thì phải thay đổi động cơ.
Xy lanh khí nén là các thiết bị cơ được chạy bằng khí nén. Để thực hiện chức năng của nó, xi lanh khí nén truyền động một lực lượng bằng cách chuyển đổi năng lượng
năng mở rộng, xảy ra do sự chênh áp được thiết lập bởi khí nén được ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển. Sự giãn nở không khí tác động đến một piston di chuyển theo hướng mong muốn.
Hình 2.20: Xy lanh khí nén
Ưu điểm của xy lanh khí nén là tiết kiệm được chi phí, bền hơn so với xy lanh điện do ống dẫn hướng được bít kín hoàn toàn nên bụi bẩn không thể lọt vào, hạn chế ma sát mài mòn. Đặc biệt là có thể thay đổi được tốc độ của việc chuyển động thông qua van dẫn khí.
Xy lanh thủy lực là một thiết bị dùng để chuyển đổi nguồn năng lượng của dầu, chất lỏng thủy lực thành động năng để thực hiện các nhiệm vụ như: ép, nén, kéo đẩy, nghiền... theo yêu cầu. Nó đảm nhiệm những công việc cần sử dụng một lực lớn hoặc những công việc trong môi trường độc hại. Bên cạnh cách gọi xy lanh thì chúng ta có thể gọi là ben thủy lực hay ben dầu.
Xy lanh thủy lực có cấu tạo gồm rất nhiều chi tiết nhỏ nhưng thành phần chính vẫn là ống xy lanh hình trụ và piston. Dầu thủy lực sẽ được truyền năng lượng nhờ bơm thủy lực, qua van phân phối vào buồng trái hoặc phải của xy lanh. Áp suất dầu sẽ tác dụng lực lên piston làm xi lanh chuyển động, đồng thời biến đổi áp năng dầu thủy lực thành lực tác dụng lên đầu cần. Nhờ có van mà dầu thủy lực có thể linh hoạt được bơm vào khoang trái hay phải làm xy lanh tiến hay lùi.
Hình 2.21: Xy lanh thủy lực
Ưu điểm của xy lanh thủy lực là có thể nâng hạ hay đẩy được bằng lực rất lớn và được dùng rất nhiều trong lĩnh vực sản xuất chế tạo những thiết bị cỡ lớn. Nhưng nó có chi phí lắp đặt rất tốn kém và không phù hợp với những hệ thống nhỏ và vừa.
Vì xy lanh khí nén có giá thành hợp lý, dễ dàng lắp ráp bảo trì nên nhóm quyết định sử dụng xi lanh khí nén.
2.2.6.3. SSR (Solid-state relay)
SSR hay còn gọi là Relay bán dẫn,nó cũng có chức năng tương tự với các relay cơ khí thông thường là dùng một dòng điện nhỏ điều khiển một tải tiêu thụ lớn hơn. Nó được tạo ra để khắc phục những nhược điểm của relay cơ khí thông thường như khả năng đóng ngắt rất nhanh trong thời gian ngắn, không phát ra tia lửa điện khi đóng ngắt,...
Thông thường các hệ thống sử dụng SSR vì phải đóng ngắt với cường độ cao và đặc biệt muốn điều khiển Analog cho hệ thống (nó có thể nhận tín hiệu của biến trở,
tín hiệu analog 4-10mA,0-10V,.. để điều khiển dải điện áp từ 0-220V hoặc 380V tùy
mỗi loại SSR).
Các loại SSR phổ biến hiện nay:
Relay bán dẫn điều khiển bằng biến trở:
Hình 2.23: Relay bán dẫn điều khiển bằng trở
Ứng dụng SSR điều khiển bằng biến trở thường được dùng cho bóng đèn sợi tóc, dây điện trở gia nhiệt cho ngành nhựa, lò nung,... Biến trở tăng giảm tương ứng với công suất của tải cũng tăng giảm theo.
Relay bán dẫn điều khiển bằng bộ điều khiển
Loại relay bán dẫn tín hiệu điều khiển 3~32 VDC cho phép nhập tín hiệu từ bộ điều khiển (Bộ PID) có ngõ ra là SSR 12VDC , điều khiển trực tiếp không cần liên quan đến nguồn DC rời. ứng dụng trong điều khiển máy bơm nước, motor kéo,...
Hình 2.24: Relay bán dẫn tín hiệu điều khiển 3~32 VDC
Loại relay bán dẫn tín hiệu điều khiển 90-250VAC cũng tương tự nhưng nhận dòng tín hiệu AC.
Loại relay bán dẫn tín hiệu điều khiển analog (4-20mA hay 0-10V). Tín hiệu cho phép có thể nhận được từ bộ điều khiển PLC.
Hình 2.26: Relay bán dẫn tín hiệu điều khiển analog
Để hệ thống sấy giảm thiểu tối đa sự sai số của nhiệt độ (chênh lệch giá trị giữa nhiệt độ đặt và nhiệt độ mong muốn) nhóm sử dụng relay bán dẫn điều khiển đóng cắt điều khiển bóng sấy cho hệ thống.
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
3.1. Yêu cầu thiết kế
Yêu cầu cần đạt của hệ thống sau khi thiết kế là:
Đạt được tỉ lệ sai số khối lượng cho phép chỉ ở 5%.
Hệ thống đảm bảo việc sấy các lát mít ổn định, không để tình trạng nhiệt độ đáp ứng chậm dẫn đến ảnh hưởng quy trình.
Thời gian delay cho feedback tín hiệu cảnh báo gần như không có.
Việc đảm bảo thiết bị an toàn và bền trong điều kiện nhiệt độ cao, hoạt động theo chu trình trong thời gian dài.
3.3. Tính toán và bản vẽ
3.3.1. Yêu cầu về phần cứng cơ khí
Dựa vào quy trình vận hành của hệ thống, để đảm bảo cho mô hình vận hành theo đúng yêu cầu thì phần cơ khí bao gồm 5 phần: Thùng sấy, máng hứng sản phẩm, băng tải vít chia sản phẩm, hệ thống cân và đóng gói, chân đế.
Thùng sấy nhiệt: gồm 2 khay đựng sản phẩm sấy, bên cạnh là bóng sấy và cảm biến nhiệt.
Máng hứng sản phẩm: Đặt dưới cửa tự động của thùng nhiệt, sau khi sản phẩm được sấy xong, cần gạt bên trong thùng sấy sẽ gạt sản phẩm xuống máng này.
Băng tải: Được đặt ở bên dưới máng hứng. Băng tải hoạt động sẽ di chuyển sản phẩm từ máng hứng xuống hệ thống cân.
Hệ thống cân và đóng gói: Đặt ở dưới mép của băng tải để nhận sản phẩm và đóng gói sản phẩm.
Chân đế: đỡ thùng sấy, máng hứng sản phẩm, băng tải vít, hệ thống cân và đóng gói. Chiều cao thiết kế đủ để người vận hành đóng gói sản phẩm, đủ chiều rộng để đặt bảng điều khiển.
Để hệ thống được vận hành ổn định, nhóm đặt ra các yêu cầu về phần cứng cơ khí như sau:
Lỗ thông khí ở thùng sấy phải đúng kích thước để tránh việc tổn hao nhiệt độ hoặc không kịp thoát nhiệt.
Chiều cao của gá đỡ động cơ đẩy sản phẩm của thùng sấy phải cao bằng với vị trí nằm của thanh đẩy sản phẩm.
Cửa tự động của thùng sấy phải đóng mở chính xác nhằm tránh việc hở cửa làm tổn hao nhiệt.
Ngoài ra việc gia công hệ thống phải giúp vận hành ổn định chắc chắn, tránh việc bị móp méo trong quá trình vận hành.
3.3.1.1. Thùng sấy
Vì là mô hình hệ thống nên sức chứa sản phẩm sấy tối đa của 2 khay là 3 kg nguyên liệu, ngoài ra 2 khay chứa sản phẩm còn được sơn 1 lớp sơn chống dính và bề mặt có nhiều lỗ nhỏ để giúp sản phẩm được khô ráo, tránh đọng nước.