Hình 1 .1 Hình ảnh xâm nhập mặn tại Đồng Bằng Sông
Hình 1.10 Bơm cao áp trong hệ thống lọc nước công nghiệp
Bộ phận điều khiển của hệ thống lọc nước trong công nghiệp: Để vận hành trơn tru cả một hệ thống lọc nước công nghiệp cần tới một hệ thống điều khiển phù hợp. Hệ thống điều khiển này bao gồm có các hệ thống bảng mạch điện tử, đồng hồ đo áp, đồng hồ hiển thị các thông số nước đầu vào đầu ra. Với những hệ thống điều khiển điện đại ngày nay, q trình lọc nước được thực hiện hồn tồn và khép kín. Thậm chí với những hệ thống siêu hiện đại chúng có thể gửi dữ liệu về máy tính hoặc điện thoại. Điều này rất tiện lợi cho việc theo dõi của con người.
Ứng dụng của hệ thống lọc nước công nghiệp: Trong thực tế, hệ thống lọc nước trong công nghiệp được ứng dụng vô cùng rộng rãi trong sản xuất và đời sồng. Khơng những vậy, chúng có vai trị khơng thể thiếu. Cụ thể, hệ thống lọc nước trong công nghiệp đáp ứng cho hoạt động sản xuất nước tinh khiết, nước đóng chai, … các nhà máy sản xuất nước ngọt đều cần đến hệ thống lọc công nghiệp.
Các tòa nhà lớn, các trung tâm thương mại cũng là những nơi cần sử dụng đến hệ thống lọc nước công nghiệp.
Sử dụng nước đã qua lọc thô để vệ sinh cho các phương tiện, thiết bị máy móc, đảm bảo hơn nhiều so với việc sử dụng nước chưa qua xử lý chứ nhiều tạp chất, đá vơi… gây ăn mịn bề mặt và làm ố vàng, mất thẩm mỹ các phương tiện, thiết bị.
1.2.2 Hệ thống lọc nước mặn RO của Karofi
Máy lọc nước Karofi được biết đến là sản phẩm chất lượng cùng nhiều tính năng thơng minh được hàng triệu hộ gia đình lựa chọn.
Cơng nghệ lõi lọc nước mặn RO – xử lý nguonf nước nhiễm mặn (nước biển)
Có một điều khẳng định rằng, để lọc một cách triệt để vị mặn trong nước thì người dùng phải sử dụng các dòng máy lọc được trang bị cơng nghệ lọc tiên tiến với kích thước màng lọc chỉ 0,0001 µm cùng cơ chế thẩm thấu ngược thông minh. Đây là công nghệ được áp dụng phổ biến trong sản xuất các thiết bị lọc nước, đặc biệt là máy lọc nước khi có thể cho nguồn nước đầu ra hồn tồn tinh khiết loại bỏ hàm lượng muối cao và các tạp chất có hại, cặn bẩn lơ lửng trong nước.
Hình 1.11: Hệ thống lọc nước biển thành nước ngọt cơng nghiệp Karofi
Q trình xử lý nước mặn trong nước qua máy lọc nước Karofi
Với những ưu điểm mà công nghệ lọc RO mang lại, tất cả sản phẩm máy lọc nước mặn RO của hãng DOW được nhập khẩu chính hãng từ Hoa Kỳ với chất lượng tốt nhất giúp loại bỏ hoàn toàn các tạp chất, vi khuẩn, virus, kim loại nặng có trong nước.
Hình 1.12: Sơ đồ hệ thống máy lọc nước biển thành nước ngọt Karofi
1.3 Giới thiệu về mơ hình lọc nước mặn tự động
1.3.1 Sơ đồ khối của hệ thống lọc nước mặn RO
Hình 1.13: Sơ đồ khối hệ thống
Nguyên lý hoạt động:
Nước nhiễm mặn sẽ được bơm từ giếng lên bể lọc thô rồi xả vào bể chứa 1. Nước sau khi lọc thô được bơm cao áp đẩy vào các ống lọc RO để khử mặn, sau đó được xả vào bể chứa 2. Tại đây, nước được thử độ mặn, nếu đạt dưới 1ppt thì nước được đưa vào bể thành phẩm, nếu trên 1ppt thì nước được đưa vào bể không đạt rồi được bơm quay trở lại để lọc mặn lần 2.
1.3.2 Sơ đồ hệ thống và nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hình 1.14: Sơ đồ hệ thống
Chú thích:
1. Giếng nước nhiễm mặn
2, 3, 6, 10. Các bơm cao áp lần lượt là bơm 1, 2, 3, 4 4. Các màng lọc thơ (cát, than hoạt tính, sỏi)
5. Bể chứa nước đã được xử lý thô 7. Các màng lọc RO
8. Bể chứa nước thải 9. Bể chứa
11. Bể chứa nước chưa đạt ngọt
12. Bể chứa nước thành phẩm đã đạt ngọt
Ngồi ra cịn có các cảm biến đầy, cạn tại các bể chứa và 1 cảm biến mặn lắp tại bể 9. Nguyên lý hoạt động của hệ thống:
Nhấn khởi động hệ thống cảm biến (CB) cạn tại bể chứa 5 tích cực, nhóm bơm cao áp 1 và 2 luân phiên nhau chạy cho tới khi CB đầy bể chứa 5 tích cực thì ngắt nhóm bơm.
Khi này, bơm 3 hoạt động, bơm nước đẩy vào các màng lọc RO để xử lý mặn, nước sau khi lọc sẽ được xả vào bể chứa 9, tại đây nước sẽ được kiểm tra độ mặn.
Nếu nước sau khi lọc đạt độ mặn dưới 1ppt, mở van xả nước vào bể chứa 12; nếu nước đạt độ mặn trên 1pp, mở van xả nước vào bể chứa 11 và ngắt nhóm bơm luân phiên (nếu đang hoạt động).
Khi CB đầy tại bể 11 tích cực, bơm cao áp 4 chạy, bơm nước quay lại màng lọc RO lọc và kiểm tra lại 1 lần nữa.
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ
2.1 Động cơ bơm nước
2.1.1 Khái niệm chung
Máy bơm là một thiết bị thủy lực dùng để hút và đẩy chất lỏng từ một vị trí này sang một vị trí khác. Để dịch chuyển chất lỏng đi theo đường ống đến một vị trí yêu cầu, máy bơm phải tăng áp suất của chất lỏng ở đầy đường ống để khắc phục lực cản trong đường ống và hiệu áp suất ở hai đầu đường ống.
Máy bơm được sử dụng rộng rãi trong các xí nghiệp, trong cơng nghiệp và cả trong đời sống hàng ngày.
2.1.2 Hai loại máy bơm được sử dụng phổ biến2.1.2.1 Bơm ly tâm 2.1.2.1 Bơm ly tâm
Bơm ly tâm là loại bơm động học có cánh, loại bơm này được được dùng phổ biến vì nó có thể bơm được nhiều loại chất lỏng khác nhau như nước, nước nóng, axit, kiềm, dầu….
Hình 2.1: Cấu tạo bơm ly tâm
Bơm ly tâm gồm các bộ phân chính sau: Vỏ bơm 1 có kiểu dạng hình trơn ốc, trục 4 và bánh xe cơng tác 3 gắn trên trục 4. Trên bánh xe cơng tác 3 có gắn các cánh bơm 7, miệng hút 8 và miệng đẩy 9. Trước khi cho máy bơm hoạt động cần phải mồi bơm
do áp suất của cột nước trong đường ống hút 5. Khi động cơ truyền động bơm quay, bánh xe công tác với các bánh cong sẽ tạo ra lực ly tâm, làm cho chất lỏng trong các rãnh bị nén và đẩy ra phía đầu cuối của các cánh bơm đưa chất lỏng vào buồng trơn ốc và thốt ra ở đường ống số 9.
Bơm ly tâm là loại bơm tốc độ cao, cho nên động cơ truyền động có thể nối trực tiếp vào trục bơm. Bơm ly tâm cho phép khởi động khi đóng van ở đầu ra của bơm, khi đó máy bơm làm việc ở chế độ khơng tải và trị số moment khởi động bằng (0,2 ÷ 0,3) moment định mức của động cơ.
2.1.2.2 Bơm pittong
Bơm pittong là một loại bơm thể tích, cấu tạo của bơm được biểu diễn ở hình sau:
Hình 2.2: Cấu tạo bơm pittong
Khi động cơ truyền động quay quanh trục O, kéo theo hệ thống trục khuỷu – tay biên 3 và 4 và chuyển động quay biens thành chuyển động tịnh tiến qua lại của pittong 2 trong xi lanh 1. Hai cị trí giới hạn hành trình di chuyển của pittong 2 là A1 và A2 ứng với hai điểm chetets C1 và C2. Khi pittong dịch chuyển sang bên trái, thể tích buồng cơng tác 5 tăng lên, áp suất tuyệt đối trong buồng của xi lanh giảm hơn so với áp suất bên mặt thoáng của bể hút, khi đó van nén 7 đóng lại, van hút 6 mở ra và nước từ ống hút chả vào buồng xi lanh. Khi pittong di chuyển sang bên phải, thể tích buồng xi lanh tăng, van o đóng lại, van nén 7 mở ra và nước từ buồng xi lanh sẽ chảy ra đường ống cấp nước.
2.1.2.3 So sánh và lựa chọn
Đặc điểm của bơm pittong là lưu lượng không đồng đều dẫn đến phụ tải của động cơ truyền động không đồng đều, nhưng áp suất cột áp đạt rất cao (trên 200 at).
Đối với bơm ly tâm, lưu lượng đồng đều, nhưng áp suất cột áp khơng cao, nhưng nó có năng suất cao hơn so với bơm pittong, cho nên bơm ly tâm được dùng phổ biến hơn. Vì hệ thống của em có áp suất cột áp nhỏ, lưu lượng đồng đều có lợi cho việc kiểm sốt và điều khiển, vì vậy em chọn bơm ly tâm cho hệ thống của mình.
2.1.3 Tính tốn và chọn bơm
Bài tốn đặt ra cần sử dụng 4 bơm, trong đó có 2 bơm luân phiên dùng để bơm nước từ giếng lên bể chứa, 2 bơm còn lại là 2 bơm tăng áp (bơm RO) được dùng để tạo áp lực bơm nước vào bộ phận lọc RO.
Tính tốn cơng suất của các bơm theo yêu cầu của bài toán: Đối với 2 bơm luân phiên:
Năng suất cần đặt Q = 80m3/h, chiều cao bể chứa là 2,5m
Giả sử, mặt nước tĩnh của giếng là 6m, khối lượng riêng nước lợ là 1030kg/m3. Chọn ống dẫn gang với đường kính 135mm, chiều dài dẫn 20m.
=> Tiết diện ống dẫn s = (0,135)2 . 3,14 = 0,0143 (m2)
4
Lưu lượng nước bơm được: v = 80
0,0143.3600= 1,554 (m/s)
Chiều cao cột áp được tính theo cơng thức sau:
H = Hc + ∆H
Với: Hc: chiều cao cột áp tĩnh. Hc = 6 + 2,5 = 8,5 (m) ∆H: chiều cao cột áp động, được tính theo cơng thức:
∆H = K.1,1.(𝑣)1,75 . 𝑙 = 0,00074.1,1.(1,554)1,75 . 20 = 1,171 (m)
(𝑑)1,75 (0,135)1,75
Công suất bơm cần đạt: Pb1,2 = 𝛾.𝑄.𝐻
102.𝑦.3600 = 1030.80.9,671 102.0,5.3600 = 4,34 (kW)
Trong đó: 𝛾: khối lượng riêng của nước lợ
η: hiệu suất của cơ cấu truyền lực (0,9 ÷ 0,45) Chọn máy bơm chìm nước thải Mastra có thơng số như sau:
Hình 2.3: Máy bơm chìm Mastra
Lưu lượng max: 72 m3/h Cột áp max: 28m Công suất: 5,5kW – 7,5 Hp Nguồn điện: 380V/ 50Hz Họng xả: 100mm Tốc độ vòng tua: 2P/ 2850 rpm Nhiệt độ chất lỏng: 0-35oC Đối với bơm 3:
Q = 80 m3/h, Hc = 4m, l = 10m, chọn ống gang đường kính 135mm Tương tự như bơm 1 và 2, tính tốn được
∆H = 0,00074.1,1.(1,554)1,75 . 10 = 0,586 (m)
(0,135)1,75
H = 4 + 0,586 = 4,586 (m) Pb3 = 1030.80.4,586 = 2,058 9 (kW)
Chọn máy bơm Tsurumi 100B42.2 có thơng số như sau:
Cơng suất: 2,2 kW
Hình 2.4: Máy bơm chìm Tsurumi 100B42.2
Nguồn điện: 380V/3 pha Lưu lượng max: 1,5 m3/phút Cột áp max: 16m
Đối với bơm 4:
Q = 80 m3/h, Hc = 3m, l = 15m, chọn ống gang đường kính 135mm Tương tự như bơm 1 và 2, tính tốn được
∆H = 0,00074.1,1.(1,554)1,75 . 15 = 0,879 (m)
(0,135)1,75
H = 3 + 0,879 = 3,879 (m) Pb3 = 1030.80.3,879 = 1,741 (kW)
102.0,5.3600
2.2 Cảm biến (sensor)
2.2.1 Cảm biến đo mức
Giá thành: 99.380đ
Hình 2.5: Sensor đo mức nước
Điện áp làm việc: 5-24VDC Dòng điện đầu ra tối đa: 1-100mA Làm việc ở nhiệt độ: 0-85oC
Kích thước: 2.8x1.69cm/1.1x0.67icnh Lý do lựa chọn:
Kích thước nhỏ, phù hợp với đặc tính sản phẩm Làm việc ở mơi trường có nhiệt độ cao
Giá thành rẻ
2.2.2 Cảm biến đo độ mặn RSA0100
Cảm biến độ mặn RYLNAN SALLINITY SENSOR sử dụng trong các ứng dụng xử lý nước, quan trắc chất lượng nước.
Thơng số kỹ thuật:
Kích thước: Ø 33 x 150 Khối lượng: 343g Vật liệu: nhựa kỹ thuật Nguồn cấp: 11-30VDC
Thang đo độ dẫn: 0-100 mS range Phương thức đo: cảm ứng từ Bù trừ nhiệt độ: 2.2%/oC 25 oC Sai số tối đa: ± 1% FS
2.3 Lựa chọn van
Hình 2.7: Van điện từ
Thơng số kỹ thuật: Giá thành: 200.000đ
Van điện từ phi 21(luôn đóng)
Nối REN DN 15 (21mm)
Chất liệu: đồng
Kiểu tác động: Trực tiếp Sử dụng: Nước, khí, gas, dầu
Điện áp: 24V, 220V Dòng điện: 0,5 A
Áp lực: 0-7kgf/cm2 (Tối đa: 10kgf/cm2) Lý do lựa chọn:
Dải chịu nhiệt lớn, phù hợp với yêu cầu sản phẩm Tác động tiện lợi, dễ dàng
2.4 Lựa chọn thiết bị điện
2.4.1 Thiết bị bảo vệ 1 động cơ bơm 3 pha, 380V, 5,5 Kw
Dòng điện định mức khi động cơ làm việc ổn định
𝐼𝑑𝑐 = 𝑃 √3𝑈𝑑𝑚 𝑐𝑜𝑠 𝛷 5500 = √3 × 380 × 0,85 = 9,83(𝐴) 𝐼𝑎𝑡 = 1,2 × 9,83 = 11,796 (𝐴) Chọn rơ-le nhiệt (RN1, RN2)
Chọn rơ-le nhiệt Hitachi TR12B-1E-RC (9A - 13A)
Chọn contactor (K1, K2)
Chọn contactor Contactor 3 Pha 12A MAC-312/380 (12 A)
Hình 2.9: Contactor 3 Pha 12A MAC-312/380
Chọn aptomat (AT2, AT3)
Chọn aptomat Aptomat Mitsubitsi chống giật ELCB (30A)
2.4.2 Thiết bị bảo vệ 1 động cơ bơm 3 pha, 380V, 2,2 Kw
Dòng điện định mức khi động cơ làm việc ổn định
𝐼𝑑𝑐 = 𝑃 √3𝑈𝑑𝑚 𝑐𝑜𝑠 𝛷 2200 = √3 × 380 × 0,85 = 3,93(𝐴) 𝐼𝑎𝑡 = 1,2 × 3,93 = 4,72 (𝐴) Chọn rơ-le nhiệt (RN3, RN4)
Chọn rơ-le nhiệt Hitachi TR12B-1E-RC (9A - 13A)
Hình 2.11: Relay Hitachi TR12B-1E-RC
Chọn contactor (K3, K4)
Chọn contactor Contactor 3 Pha 12A MAC-312/380 (12 A)
Chọn aptomat (AT4, AT5)
Chọn aptomat Mitsubitsi chống giật ELCB (30A)
Hình 2.13: Aptomat Mitsubitsi chống giật ELCB
2.4.3 Thiết bị bảo vệ van điện từ
Dòng làm việc của van điện từ là 0,5A. Dịng điện an tồn khi chọn thiết bị bảo vệ là 𝐼𝑎𝑡 = 1,2 × 0,5 = 0,6 (𝐴)
Chọn contactor 1 pha Chint NCH8-25/20 25A 2NO 1P
Chọn rơ-le nhiệt Mitsubishi TH-T18KP 0,7A
Hình 2.15: Rơ-le nhiệt TH-18KP 0,7A
2.4.4 Thiết bị bảo vệ tồn hệ thống
Cơng suất tổng của 4 bơm là:
Pbơm= 5,5.2 + 2,2.2 = 15,4 (kW) Dòng điện định mức khi hệ thống làm việc ổn định
𝐼𝑑𝑐 = 𝑃 √3𝑈𝑑𝑚 𝑐𝑜𝑠 𝛷 + 𝐼𝑣𝑎𝑛 = 15400 √3 × 380 × 0,85+ 0.6 × 2 = 28,73(𝐴) 𝐼𝑎𝑡 = 1,2 × 28,73 = 34,48 (𝐴) Chọn aptomat (AT1)
Chọn aptomat Aptomat Mitsubitsi chống giật (40A)
2.4.5 Lựa chọn dây dẫn
Lựa chọn dòng điện của dây dẫn : Idây tt ≥ I AT1 = 40 (A) Chọn cáp điện lực cách điện 4 CU/XLPE (1 x 4)mm2 ( 44A)
2.5 Lựa chọn PLC sử dụng cho hệ thống
Phân tích bài tốn: Hệ thống có 1 đầu vào AI; 8 cảm biến digital, 14 nút nhấn chuyển chế độ, nên tổng số đầu vào DI là 22; đầu ra bao gồm 4 bơm, 2 van nên tổng số đầu ra DO là 6.
Dựa vào số lượng đầu vào, đầu ra yêu cầu của bài toán, lựa chọn được PLC.
2.5.1 PLC S7-1200
PLC viết tắt của Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các thực tốn điều khiển logic thơng qua một ngơn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện mơt loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định kì hay thời gian được đếm. Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF các thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục lặp trong chương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình.
Hình 2.17: PLC S7-1200 12/14 AC/DC/RL
Thơng số cơ bản của PLC S7-1214c/ac/dc/Rly (6ES7214-1BG40-0XB0) Giá 5.454.000đ chưa VAT
Điện áp ra: 24V DC
Tần số hoạt động: 47-63 Hz Đầu vào kĩ thuật số: 14 DI Đầu ra kĩ thuật số: 10 DO, relay Đầu vào tương tự (AI): 2
Bộ nhớ:
+ Bộ nhớ làm việc: 100 kbyte
+ Bộ nhớ tải: 4Mbyte và thẻ nhớ SIMATIC
Cấu hình phần cứng: 3 modules giao tiếp và 8 modules tín hiệu để mở rộng đầu vào/đầu ra
2.5.2 Bộ cấp nguồn
Hình 2.18: Bộ nguồn PLC S7-1200-6EP1332-1SH71
Thơng số kỹ thuật:
Đầu vào 1 pha: 85 ÷ 132 V 176 ÷ 264 V Cấp nguồn: 120VDC/1,2 A