Năng lượng điện từ của vi sóng được truyền đến vật liệu rồi mới phátbức xạ nhiệt trên cơ sở tương tác giữ sóng điện từ với vật liệu điện môi nên hầunhư không có sự mất mát năng lượng do
Tổng quan hệ thống
Tổng quan về sấy vi sóng
1.1.1 Đặc điểm của vi sóng.
Vi ba, còn gọi là sóng vi sóng hoặc sóng ngắn, là dạng sóng điện từ có bước sóng dài hơn tia hồng ngoại nhưng ngắn hơn sóng radio, giúp truyền dữ liệu hiệu quả trong các ứng dụng liên lạc không dây Tín hiệu vi ba (tần số SHF) có bước sóng từ khoảng 30 cm với tần số 1 GHz đến 1 cm với tần số 30 GHz, đóng vai trò quan trọng trong công nghệ truyền thông hiện đại và truyền hình số.
Các ứng dụng điển hình của công nghệ vi sóng trong lĩnh vực nhiệt gồm có lò vi sóng dân dụng để nấu ăn hàng ngày, các thiết bị phản ứng hóa học hỗ trợ bằng vi sóng trong ngành công nghiệp, thiết bị thanh trùng – tiệt trùng trong công nghệ sinh học, thiết bị rang và sấy thực phẩm sử dụng công nghệ vi sóng Công nghệ vi sóng mang lại hiệu quả và tiện lợi trong nhiều lĩnh vực, từ gia đình đến công nghiệp, đặc biệt trong các ứng dụng nhiệt và xử lý vật liệu.
Với đặc thù truyền năng lượng qua môi trường như không khí hoặc chân không, công nghệ vi sóng tiêu hao năng lượng cao hơn so với truyền nhiệt qua các phương pháp như bức xạ, đối lưu hay dẫn nhiệt Năng lượng điện từ của vi sóng được truyền đến vật liệu, sau đó phát ra nhiệt dựa trên tương tác giữa sóng điện từ và vật liệu điện môi, giúp giảm thiểu mất mát năng lượng trong quá trình truyền dẫn Hiệu suất sử dụng năng lượng của công nghệ vi sóng cao hơn rõ rệt so với các phương pháp phát nhiệt hiện đại như bức xạ hồng ngoại Vì vậy, công nghệ vi sóng đang trở thành một trong những giải pháp tiên tiến trong kỹ thuật nhiệt phục vụ công nghiệp.
Trong quá trình sấy vi sóng, cần chú ý đặc biệt đến giai đoạn cuối khi lượng ẩm trong vật liệu giảm xuống thấp để tránh hiện tượng quá nóng và cháy vật liệu do công suất phát vi sóng dư lớn Khi phát quá công suất, nhiệt độ của tác nhân sấy thoát ra khỏi buồng sấy thường cao hơn mức bình thường, gây nguy cơ làm hỏng vật liệu và thiết bị Ngoài ra, phát vi sóng quá dư còn có thể dẫn đến hiện tượng rò vi sóng do vật liệu không thể hấp thụ hết năng lượng, ảnh hưởng đến các bộ phận của hệ thống máy móc.
1.1.2 Nguyên lý của sấy vi sóng. Đối với các phương pháp thông thường, tác nhân sấy sẽ tiếp xúc với bề mặt vật liệu, lấy ẩm trên bề mặt Do sự chênh lệch ẩm trên bề mặt với ẩm trong lòng vật liệu, ẩm có xu hướng khuếch tán từ trong vật liệu ra bề mặt ngoài. Động lực của quá trình sấy là sự chênh lệch áp suất trên bề mặt vật liệu với áp suất hơi riêng phần của hơi nước trong môi trường xung quanh.
Nguyên lý của sấy vi sóng khác biệt hoàn toàn so với các phương pháp sấy đối lưu, truyền nhiệt hay bức xạ nhờ khả năng đâm xuyên của sóng vi sóng Khi đâm xuyên qua nguyên liệu, sóng vi sóng tác động làm xoay và định hướng phân tử nước (là phân tử phân cực) theo hướng của điện từ trường, gây ra sự dao động nhanh chóng của các phân tử này với tần số lên tới khoảng 2.45 tỷ lần mỗi giây Quá trình này tạo ra ma sát sinh nhiệt, làm tăng nhiệt độ của vật liệu nhanh chóng và giúp quá trình bay hơi nước diễn ra hiệu quả hơn, góp phần tối ưu hóa quá trình sấy bằng công nghệ vi sóng.
Do đó sấy vi sóng là sấy có bổ sung nhiệt, một quá trình sấy tăng entanpi.
Năng lượng của vi sóng được truyền trực tiếp vào vật liệu sấy, giúp quá trình sấy diễn ra nhanh chóng và hiệu quả Để đảm bảo chất lượng và ổn định của quá trình sấy, việc theo dõi các thông số kỹ thuật như nhiệt độ, mức công suất và thời gian là rất quan trọng Quản lý chính xác các yếu tố này sẽ giúp duy trì quá trình sấy ổn định, hạn chế rủi ro và nâng cao năng suất Ứng dụng công nghệ vi sóng trong sấy giúp tối ưu hóa quá trình, tiết kiệm năng lượng và đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng cao.
1.1.3 Entanpi của quá trình sấy.
Các phương pháp sấy thông thường yêu cầu TNS cần được gia nhiệt trước khi vào buồng sấy và sau khi ra khỏi buồng sấy để đảm bảo quá trình diễn ra hiệu quả Trong quá trình sấy, nhiệt lượng do TNS cung cấp giúp VLS làm nóng và bay hơi nước trong vật liệu, đồng thời lượng ẩm này thải ra không khí mang theo nhiệt lượng từ TNS Nhiệt lượng này dưới dạng nhiệt ẩn của hơi nước và nhiệt vật lý đã tiêu thụ trong quá trình bay hơi trở lại TNS, góp phần làm giảm hiệu quả năng lượng của quá trình sấy.
Quá trình sấy đối lưu thông thường thường được coi là quá trình đẳng Entanpi, trong khi phương pháp sấy vi sóng sử dụng không khí tươi ngoài trời làm TNS Trong quá trình sấy bằng vi sóng, VLS được làm nóng dưới tác động của sóng vi sóng, và TNS mang theo hơi ẩm cùng nhiệt lượng vào buồng sấy, giúp quá trình sấy hiệu quả hơn và loại bỏ hơi ẩm ra ngoài không khí.
Vì thế, trong quá trình sấy vi sóng, Entanpi của không khí tăng và đây là quá trình không đẳng Entanpi.
Trong quá trình sấy, sự tăng Entanpi không đều do các đầu phát vi sóng được bật/tắt khác nhau trong từng giai đoạn, ảnh hưởng đến hiệu quả và đồng đều của quá trình sấy.
1.1.4 Ưu, nhược điểm và ứng dụng.
- Độ ẩm cuối có thể đạt rất thấp (thấp hơn nhiều các phương pháp sấy dùng nhiệt thông thường).
- Có thể làm ít ảnh hưởng đến màu sắc và chất lượng nguyên liệu ban đầu.
- Chi phí đầu tư ban đầu cao.
- Đòi hỏi trình độ chuyên môn trong điều khiển và vận hành.
- Quá trình sấy phải sử dụng thêm quạt để tăng hiệu suất tách ẩm.
Sản phẩm sau sấy có độ ẩm thấp nhưng các mao mạch trong sản phẩm bị mở rộng, do đó cần bảo quản cẩn thận để tránh hiện tượng hút ẩm trở lại Việc kiểm soát điều kiện bảo quản là yếu tố quan trọng để giữ cho sản phẩm luôn khô ráo, đảm bảo chất lượng và hạn chế sự phát triển của vi sinh vật Khi bảo quản đúng cách, sản phẩm sẽ duy trì được độ ổn định về chất lượng, tránh tình trạng ẩm mốc hay giảm tuổi thọ sử dụng.
- Dùng để diệt khuẩn, nấm mốc.
- Rã đông nhanh thực phẩm.
- Sấy các loại dược liệu có giá trị kinh tế cao, sấy các loại nông sản thực phẩm.
- Sấy các loại vật liệu có độ ẩm thấp và khó sấy (ví dụ: gỗ,…).
Cấu trúc chung của hệ thống sấy vi sóng
Hình 2 Cấu trúc của hệ thống sấy vi sóng
Cấu trúc chung của hệ thống sấy vi sóng gồm:
- Đường dẫn tác nhân sấy vào - ra
- Hệ thống phát vi sóng.
Tác nhân sấy đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ quá trình thoát ẩm của vật liệu khi được làm nóng nhanh bằng sóng vi sóng Để đảm bảo an toàn, thiết kế đầu vào – ra của hệ thống tác nhân sấy cần phải kín, ngăn ngừa rò rỉ sóng vi sóng ra môi trường bên ngoài Điều này giúp tránh tác động tiêu cực của bức xạ cường độ lớn đối với sức khỏe con người và duy trì hiệu quả của quá trình sấy.
Buồng sấy cần được thiết kế kín đáo để đảm bảo an toàn và hiệu quả sấy, đồng thời vật liệu chế tạo không hấp thụ sóng viễn vọng nhằm tránh mất năng lượng Đầu phát sóng phải được đặt ở vị trí phù hợp để đảm bảo lượng ẩm thoát ra không bị đọng lại, không khí ẩm được thổi ra một cách hiệu quả mà không ảnh hưởng đến các đầu phát sóng Trong thực tế, magnetrons là nguồn phát sóng vi sóng phổ biến được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và y tế để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của thiết bị.
So sánh, đánh giá về phạm vi sử dụng
Trong công nghiệp, có 2 dạng thiết bị sấy vi sóng chính là sấy gián đoạn (Hình 3.a) và sấy liên tục (Hình 3.b) a b
Hình 3 Các thiết bị sấy vi sóng
Thiết bị sấy liên tục hiện đại với hiệu suất sử dụng đầu phát cao và tính tự động hóa vượt trội, giúp nâng cao năng suất và giảm công lao động Tuy nhiên, nhược điểm của loại thiết bị này là yêu cầu vốn đầu tư ban đầu lớn và hệ thống điều khiển phức tạp hơn so với các giải pháp truyền thống Việc lựa chọn thiết bị phù hợp đòi hỏi cân nhắc kỹ lưỡng về ngân sách và khả năng vận hành của công ty Sử dụng thiết bị sấy liên tục giúp đảm bảo quá trình sấy diễn ra liên tục, ổn định và hiệu quả hơn, phù hợp cho các doanh nghiệp cần sản lượng lớn.
Thiết bị sấy gián đoạn đơn giản, dễ vận hành thích hợp cho năng suất trung bình, nhỏ. Đối với vật liệu sấy, do tính năng của vi sóng
Phân tích cấu tạo của hệ thống
1.4.1 Hệ thống quy mô hộ gia đình
- Số đầu phát: 01, công suất: 0.5-3 kW
- Thiết bị sấy theo mẻ với cấu tạo cơ bản bao gồm:
- Các cơ cấu được điểu khiển bao gồm:
1.4.2 Hệ thống quy mô công nghiệp
- Số đầu phát > 5, công suất > 10kW
- Thiết bị sấy theo mẻ với cấu tạo cơ bản bao gồm:
Các đầu phát vi sóng
Hệ thống làm mát vi sóng
- Các cảm ứng sử dụng để đo các thông số:
- Các cơ cấu được điểu khiển bao gồm:
Lựa chọn hệ thống để triển khai sâu
Chúng ta xét hệ thống sấy theo mẻ, quy mô công nghiệp, sử dụng 9 đầu phát 1.5kW để tiếp tục xây dựng hệ thống điều khiển.
Công suất tối đa 13.5kW.
Kích thước buồng sấy là 1.5x1.5x1.5 m 3 , hệ chuyển động và khung khay sấy chưa tối đa 300kg vật liệu sấy (Không sử dụng cho những vật liệu dạng lỏng, bột)
Hình 4 Hình mô phỏng buồng sấy
Phân tích hệ thống điều khiển
Phân tích hệ thống
2.1.1 Phân tích đối tượng điều khiển.
2.1.1.1 Công suất phát vi sóng Đối với hệ thống sấy vi sóng, thông số công nghệ quan trọng nhất là công suất phát từ nguồn phát Giá trị thông số công nghệ này thường được biểu diễn bằng hệ số công suất riêng phần P0 theo lượng ẩm có trong vật liệu đối với phương pháp sấy vi sóng tính theo W/g ẩm Việc tìm giá trị P0 tối ưu rất quan trọng đối với xây dựng và vận hành hệ thống sấy vi sóng Nếu P lớn, thì thời gian sấy sẽ nhanh, nhưng cũng dễ cháy do dư thừa năng lượng và khi sấy những mẻ lớn cần nhiều đầu phát dẫn đến đầu tư ban đầu lớn Ngược lại khi P bé, đầu tư sẽ rẻ hơn nhưng quá trình sấy sẽ lâu hơn kéo theo tiêu tốn năng lượng vào các thiết bị khác của hệ thống như quạt, động cơ Thế nên phải xác định được P0 phù hợp với thiết bị và từng vật liệu sấy P0 thường có giá trị từ 0.5W/g (vật liệu đặc, nhão, khó thoát ẩm) đến 2.5W/g (vật liệu xốp, rỗng, dễ tách ẩm).
Thông số lượng tách ẩm riêng (SMER - Specific Moisture Extraction Rate) là một chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu quả của quá trình sấy, phản ánh lượng ẩm được tách ra trên mỗi kWh tiêu thụ Đơn vị đo của SMER thường là kilogram ẩm tách được trên mỗi kWh, giúp đo lường hiệu quả năng lượng trong quá trình sấy Sử dụng chỉ số này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sấy và nâng cao năng suất, tiết kiệm điện năng một cách hiệu quả.
Trong quá trình sấy vi sóng, việc duy trì thông số công nghệ như cường độ công suất riêng (tỷ lệ giữa công suất nguồn phát và lượng ẩm còn lại trong vật liệu) là rất quan trọng Do đó, thông số công nghệ P (W) hoặc %P thường được điều chỉnh giảm vào cuối mẻ sấy để đảm bảo phù hợp với lượng ẩm còn lại trong vật liệu, giúp tối ưu hóa hiệu quả năng lượng Việc này cũng giúp tránh hiện tượng cháy vật liệu do dư công suất vào cuối quá trình sấy, đảm bảo an toàn và chất lượng sấy.
Ta thường điều chỉnh công suất riêng của thiết bị bằng hai phương pháp chính: thay đổi thời gian phát vi sóng trong một chu kỳ hoặc điều chỉnh số lượng đầu phát sóng trong hệ thống Trong các hệ thống công nghiệp có nhiều đầu phát, phương pháp phổ biến nhất là thay đổi số lượng đầu phát để kiểm soát công suất hiệu quả Việc lựa chọn phương pháp phù hợp giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống phát sóng, nâng cao hiệu suất truyền tải dữ liệu và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng.
2.1.1.2 Vận tốc tác nhân sấy
Tác nhân sấy đóng vai trò hỗ trợ tách ẩm và duy trì nhiệt độ ổn định trong quá trình sấy, đặc biệt trong sấy vi sóng Để đạt hiệu quả cao, cần điều chỉnh cả công suất phát sóng và vận tốc tác nhân sấy phù hợp với từng giai đoạn của quá trình Trong giai đoạn đầu, khi độ ẩm còn cao, công suất phát lớn và vận tốc tác nhân sấy thường được tăng để nhanh chóng loại bỏ độ ẩm do tốc độ thoát ẩm của vật liệu cao Về cuối quá trình, khi độ ẩm giảm, tốc độ thoát ẩm giảm theo và công suất phát vi sóng cũng phải giảm nhằm tránh làm quá nóng vật liệu, do đó có thể giảm vận tốc tác nhân sấy để đảm bảo quá trình sấy hiệu quả và an toàn.
2.1.1.3 Thông số quá trình Để tính toán được lượng ẩm còn lại trong vật liệu, thường ta tính chênh lệch lượng ẩm của tác nhân sấy vào và ra buồng sấy Giá trị này thường được xác định gián tiếp thông qua chênh lệch lượng chứa ẩm vào – ra của tác nhân sấy.
Trong hệ thống sấy vi sóng, không khí tươi ngoài trời được sử dụng làm tác nhân sấy chính Để tính toán chính xác lượng ẩm giảm đi trong quá trình sấy, cần xác định nhiệt độ và độ ẩm tương đối của tác nhân sấy vào và ra khỏi buồng sấy Điều này giúp nâng cao hiệu quả quá trình sấy và đảm bảo độ chính xác trong kiểm soát quá trình sấy.
Trong quá trình sấy, việc theo dõi và cập nhật liên tục các thông số nhiệt độ và độ ẩm tương đối của tác nhân sấy là vô cùng quan trọng để đảm bảo hiệu quả quá trình sấy Nhờ đó, có thể tính toán chính xác hàm ẩm của tác nhân sấy và ước lượng hàm ẩm của vật liệu dựa trên chênh lệch hàm ẩm giữa đầu ra và đầu vào của tác nhân sấy Các bước này giúp kiểm soát chất lượng vật liệu sau sấy một cách tối ưu.
Thông số nhiệt độ có ý nghĩa để cảnh báo và dừng phát công suất vi sóng, không phải là thông số điều chỉnh.
2.1.2 Tính liên động trong điều khiển và điều chỉnh công suất. Đối với các hệ thống sấy sử dụng năng lượng như sấy vi sóng, yêu cầu về tính liên động là hết sức quan trọng.
Liên động trong điều khiển nhằm ngắt tức thì hệ thống cấp nguồn cho các đầu phát vi sóng trong một số trường hợp:
- Cửa buồng sấy bị hở hoặc đang mở.
- Nhiệt độ của tác nhân sấy hoặc vật liệu sấy vượt quá ngưỡng báo động.
Hệ thống điện thể hiện rõ các biểu hiện quá dòng tức thì do ngắn mạch, chập điện hoặc các phần tử có sự cố, gây nguy cơ mất an toàn và hư hỏng thiết bị Ngoài ra, quá tải kéo dài trong thời gian đủ lớn cũng làm giảm tuổi thọ hệ thống, gây ra sự cố về điện, ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị điện trong hệ thống Việc phát hiện và xử lý kịp thời các biểu hiện quá dòng và quá tải là rất quan trọng để đảm bảo an toàn, ổn định và duy trì hiệu quả hoạt động của hệ thống điện.
- Khung quay vẫn có thể quay khi cửa mở để bỏ, thêm vật liệu
Liên động trong điều chỉnh công suất phát vi sóng được thực hiện theo nguyên tắc mềm, nghĩa là công suất được điều chỉnh một cách linh hoạt để đảm bảo an toàn Trong quá trình hoạt động, hệ thống tự động trừ đi một lượng công suất hoặc đưa về giới hạn an toàn khi phát hiện rò vi sóng vượt mức cho phép Ngoài ra, nhiệt độ của các thiết bị phụ trợ như biến áp, bộ điều chỉnh công suất hoặc các đầu phát vi sóng sẽ tăng cao vượt mức cho phép nhưng chưa kích hoạt hệ thống bảo vệ liên động ngắt nguồn cấp điện, giúp duy trì hoạt động ổn định và an toàn của hệ thống vi sóng.
Sơ đồ nguyên lý
1,6 Các điểm đặt cảm biến 2 Quạt gió 3 Buồng sấy
4 Hệ thống khay sấy 5 Cửa gió ra 7 Hệ thống phát vi sóng
Hình 5 Sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ chức năng PID
Từ những phân tích trên ta có thể vẽ ra sơ đồ PID như sau:
Sử dụng bộ điều khiển để quản lý hệ thống là rất quan trọng trong việc tối ưu hóa hoạt động của các thiết bị Hệ thống điều khiển quạt bằng biến tần giúp điều chỉnh và giám sát lưu lượng TNS cung cấp, đảm bảo hiệu quả vận hành của hệ thống Ngoài ra, việc điều khiển các cụm phát magnetron để thay đổi công suất phát là yếu tố then chốt giúp nâng cao hiệu suất và mức độ an toàn của quá trình hoạt động.
Sử dụng tín hiệu độ ẩm để tính toán lượng ẩm ra.
Sử dụng tín hiệu nhiệt độ để xác định nhiệt độ sấy.
Các thông số nhiệt ẩm được truyền tải vào PLC để tính toán lượng ẩm còn lại trong vật liệu sấy, giúp điều chỉnh công suất phát vi sóng một cách chính xác Quá trình này dựa trên việc xác định mức độ ẩm còn lại, từ đó điều chỉnh thời gian phát sóng và tốc độ quay của quạt qua biến tần Việc tích hợp cảm biến nhiệt ẩm và hệ thống PLC giúp tối ưu hiệu quả sấy, tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm Tối ưu hóa quá trình sấy bằng cách điều chỉnh liên tục các thông số dựa trên dữ liệu thực tế là yếu tố then chốt trong công nghệ sấy hiện đại.
Chương trình mở cho phép người dùng tùy chỉnh các thiết lập phù hợp với quá trình sấy và loại vật liệu sử dụng Điều này giúp tối ưu hiệu quả sấy, nâng cao chất lượng thành phẩm Việc cài đặt linh hoạt giúp người dùng dễ dàng điều chỉnh các thông số để phù hợp với từng mẻ sấy khác nhau Đưa vào hệ thống các tùy chọn tùy chỉnh giúp nâng cao tính linh hoạt và hiệu quả hoạt động của thiết bị sấy.
Công thức liên hệ giữa nhiệt độ, độ ẩm và độ chưa ẩm là
Xây dựng và phân tích hệ thống
Buồng sấy có kích thước bên trong 1.5x1.5x1.5m3, được trang bị lớp cách nhiệt bên ngoài giúp duy trì nhiệt độ ổn định Cấu trúc gồm một cửa chính và thiết kế có 4 lỗ với 2 lỗ gió vào, 1 lỗ trục quay ở phía dưới và 1 lỗ gió ra phía trên, có lưới chắn sóng để đảm bảo an toàn Ngoài ra, buồng còn có 9 đường dẫn sóng ở thân bên, tối ưu cho quá trình truyền sóng hiệu quả.
Cửa có chốt chặt, 3 công tắc hành trình lắp đều nhau tại mép cửa
2.4.2 Hệ thống phát vi sóng.
Ta cần chọn đầu phát có công suất theo yêu cầu: 1.5kW, có khả năng làm việc liên tục thời gian dài.
Chọn đầu phát vi sóng 2M463K cùng các thiết bị kèm theo đảm bảo đủ công suất phát, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu hoạt động lâu dài Thiết bị được thiết kế làm mát bằng nước, tăng độ bền và hiệu suất làm việc liên tục Việc lựa chọn đầu phát vi sóng chất lượng cao như 2M463K là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả truyền tải dữ liệu ổn định và bền vững lâu dài.
Bảng 1 Thống số đầu phát vi sóng 2M463K
Thiết bị hoạt động với tần số 2458 MHz và đỉnh điện áp anode đạt 4.65kV Dòng điện trung bình của anode là 430mA, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định Hệ thống làm mát sử dụng dòng nước có tốc độ ≥1.4L/phút, với áp lực nước từ 0.1 đến 0.35MPa để duy trì nhiệt độ tối ưu cho thiết bị Ngoài ra, điện áp cho dây tóc (filament) đạt 3.0V, góp phần tăng cường hiệu suất và độ bền của thiết bị.
Hình 9 Đầu phát vi sóng 2M463K
2.4.2.2 Phân bố các đầu phát:
Hình 10 Phân bố 9 đầu phát
Với 9 đầu phát ta sắp xếp sao cho các đầu phát luôn hoạt động đều nhau, và các khu vực được phát sóng luôn đều trong các chế độ phát.
Các đầu phát sử dụng nguồn điện 220V, vì vậy khi sử dụng điện áp 3 pha, cần nhóm 3 đầu phát thành một cụm để đảm bảo cân bằng pha trong quá trình vận hành Với tổng cộng 9 đầu phát, hệ thống sẽ có 3 cụm đầu phát và hoạt động theo phương thức bật tắt (on/off), giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của thiết bị.
Các cụm A (A1, B5, C9), cụm B (A2, B6, C7) và cụm C (A3, B4, C8) được bố trí theo hình vẽ để đảm bảo các khu vực phát sóng đều nhau, bất kể chế độ hoạt động (3/3 cụm, 2/3 cụm hay 1/3 cụm) Phương pháp này giúp đảm bảo sự phân bổ sóng phù hợp và tối ưu hóa việc phủ sóng trong buồng sấy Thiết kế này đảm bảo khả năng phát sóng đồng đều, nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Chúng tôi chọn quạt hướng trục gián tiếp T30C với các thông số điện áp 380V/50Hz, công suất 1.1kW và lưu lượng gió đạt 7667m³/h để phù hợp với nhu cầu lưu lượng lớn của hệ thống Lựa chọn này giúp giảm thiểu chi phí đầu tư, chỉ bằng một phần một đến một phần ba so với quạt ly tâm cùng công suất Quạt hướng trục T30C có khả năng cung cấp lưu lượng gió cao, phù hợp với các thiết bị không yêu cầu áp suất cao, góp phần tối ưu hiệu quả vận hành.
Hình 11 Quạt hướng trục 2.4.3.2 Biến tần
Lưu ý lựa chọn biến tần:
Chọn biến tần phù hợp để điều khiển quạt 1.1kW giúp vận hành ổn định trong thời gian dài và điều chỉnh lưu lượng tác nhân sấy phù hợp với từng giai đoạn sấy Do hệ thống có ba công suất sấy chính, việc điều khiển bằng biến tần mang lại hiệu quả tối ưu và linh hoạt trong quá trình vận hành Việc lựa chọn biến tần phù hợp đảm bảo khả năng kiểm soát chính xác, nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho quá trình sấy.
Việc sử dụng biến tần DO giúp giảm chi phí vì không cần thêm module mở rộng Hơn nữa, hệ thống vẫn có thể vận hành bằng tay trong chế độ điều khiển thủ công khi không có PLC điều khiển Để đảm bảo hiệu quả, nên lựa chọn biến tần có độ chính xác vừa phải, phổ biến và dễ dàng kết nối với PLC, chẳng hạn như Siemens 6SL3210-5BE21-1UV0 có công suất phù hợp với quạt.
Hình 12 Biến tần Siemens 6SL3210-5BE21-1UV0 Điện áp: 380-480V -15% +10%
Tần số có thể tạo ra: 0-550 Hz
Data sheet Biến tần trong phụ lục đi kèm
Ta thiết kế khay sấy 3 tầng, chiều cao phù hợp với vị trí của đầu phát.
Chọn động cơ và hộp giảm tốc với tốc độ quay 10-20 vòng/phút, tải trọng 300kg
2.4.5 Cảm biến và điểm đặt cảm biến:
2.4.5.1 Cảm biến Ở đây vì ta đo thông số nhiệt độ và độ ẩm từ cùng một điểm, cần hiển thị để hỗ trợ theo dõi tại hiệu trường, sấy ở nhiệt độ thấp (20 – 60°C).
Trên thị trường có một số loại cảm biến sau:
Bảng 2 Một số loại cảm biến nhiệt ẩm
Hãng sản xuất Hình ảnh Thông số kỹ thuật Giá thành
Phạm vi Nhiệt độ: -20 ~ +100 o C Độ ẩm: 0 -100 % Tín hiệu đầu ra : 4- 20mA, RS485, 0-10V, 0
Tín hiệu đầu ra: RS485
Tín hiệu đầu ra: RS485, 0-10V, 4-20mA
Để kết nối dễ dàng với PLC, ta chọn cảm biến nhiệt độ và độ ẩm THD-DD1-V của hãng Autonics Nhật Bản, loại có tín hiệu Vôn truyền về Trong môi trường đòi hỏi độ an toàn cao, việc sử dụng cảm biến phù hợp giúp tối ưu hóa tính năng thiết bị và đảm bảo độ chính xác trong quá trình giám sát nhiệt độ, độ ẩm Vì vậy, cảm biến THD-DD1-V là lựa chọn lý tưởng để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và an toàn trong ứng dụng công nghiệp.
Bảng 3 Thông số THD-DD1-V
Dải đo độ ẩm 0.0~99.9%RH
Tần số quét 500ms Độ dài đầu cảm biến
Cấp bảo vệ IP65 (trừ phần cảm biến) Sai số nhiệt độ ±1.0℃
Sai số độ ẩm Max ±2.5%RH
Hình 13 Khu vực gió vào
Quạt sẽ thổi gió tươi từ môi trường vào khu vực sấy, đảm bảo cung cấp không khí trong lành và cải thiện quá trình sấy Cảm biến đặt gần quạt giúp đo lường các thông số của môi trường, từ đó tối ưu hóa điều kiện sấy Hệ thống lọc bụi trước quạt giúp loại bỏ bụi bẩn, bảo vệ thiết bị và nâng cao hiệu quả sấy Tại điểm nối với buồng sấy, lưới chắn sóng được lắp đặt để ngăn cản các vật thể lạ, đảm bảo an toàn và hạn chế bụi bẩn xâm nhập vào quá trình sấy.
Hình 14 Khu vực gió ra
Gió ra được hướng qua một đường thoát duy nhất, giúp kiểm soát luồng khí hiệu quả Trên đường thoát này, cảm biến được lắp đặt tại vị trí chính giữa để đo đạc chính xác các chỉ số khí, đảm bảo phản ánh tổng thể của toàn hệ thống Việc tập trung gió qua một điểm giúp tối ưu hoá quá trình giám sát và kiểm soát lưu lượng không khí, nâng cao hiệu quả vận hành.
2.4.6 Lựa chọn thiết bị điều khiển
Bảng 4 Bảng tín hiệu vào, ra
Input Công tắc hành trình cửa
Output Đk đầu phát vi sóng x 3 Đk khung quay x 1 Đk biến tần x 2
Vậy ta có 2 DI, 4 AI, 6 DO
PLC S7-1200 của Siemens là dòng PLC phổ biến tại Việt Nam, được biết đến với mức giá phù hợp cùng chất lượng đảm bảo Tuy nhiên, dòng PLC này thường chỉ tích hợp 2 cổng AI, do đó, cần thêm module AI mở rộng để đáp ứng nhu cầu đo lường và điều khiển nhiều cảm biến hơn Việc mở rộng module AI giúp nâng cao khả năng hoạt động và linh hoạt trong các hệ thống tự động hóa Chọn lựa PLC S7-1200 phù hợp mang lại hiệu quả cao trong thiết kế hệ thống tự động, đồng thời tối ưu chi phí vận hành.
Ta chọn PLC: S7-1200 AC/DC/Rly của Siemens: 6ES7212-1BE40-0XB0
Hình 15 CPU 1212C AC/DC/Rly Data sheet CPU và wiring trong phụ lục đi kèm
Kèm theo module mở rộng SM 1231 AI - 6ES7231-4HD32-0XB0
Hình 16 Module SM 1231Data sheet Module trong phụ lục đi kèm
Nguyên tắc điều khiển
- Khi cửa mở, không được phát vi sóng
- Khi cửa mở, khung quay có thể điều khiển qua nút bấm
- PLC điều khiển các đầu phát trong quá trình hoạt động
- PLC điều khiển chế độ của quạt gió
- PLC điều khiển động cơ quay khung
- Không thể điều khiển các thiết bị qua nút bấm
2.5.3 Chế độ man: Thường sử dụng khi để kiểm tra các thiết bị
- Các cụm phát sóng sẽ hoạt động theo các nút bấm
- Động cơ quay vi sóng sẽ vận hành bằng nút bấm
- Không thể điều khiển các thiết bị qua PLC
Thiết kế mạch điều khiển và mạch động lực
(Bản vẽ phụ lục đính kèm)
Đánh giá chung về đầu tư, kỹ thuật, bảo trì
Các thiết bị bảo vệ
3.1.2 Bảo vệ nhiệt độ đầu phát vi sóng
Hệ thống làm mát bằng nước
Sẽ có cơ chế nghỉ khi hoạt động liên tục quá lâu
Rơ-le nhiệt lò vi sóng (Tecmict bảo vệ) là công tắc an toàn cho lò vi sóng
Rơ-le nhiệt hoạt động dựa trên nguyên lý cảm biến nhiệt độ, khi nhiệt độ môi trường hoặc thiết bị vượt quá mức cho phép, nó sẽ tự động kích hoạt cơ cấu ngắt mạch để bảo vệ thiết bị khỏi tình trạng quá nhiệt Đây là thiết bị quan trọng trong hệ thống điện nhằm đảm bảo an toàn và chống quá tải Việc sử dụng rơ-le nhiệt giúp duy trì hoạt động ổn định của các thiết bị điện tử, ngăn ngừa hư hỏng do quá nhiệt hoặc quá tải điện năng.
Bóng cao tần lò vi sóng hoạt động dựa trên nguồn điện thế cao trải dài tới 4000V, tạo ra sóng có tần số cao để sinh nhiệt nhanh chóng Việc này làm tăng nguy cơ quá nhiệt trong quá trình hoạt động, do đó, hệ thống cần được trang bị các biện pháp bảo vệ quá nhiệt hiệu quả An toàn trong sử dụng lò vi sóng đòi hỏi phải chú trọng đến khả năng kiểm soát nhiệt độ để đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị.
Cấu tạo chung của rơ-le nhiệt:
Hình 18 Cấu tạo relay bảo vệ
Nguyên lý hoạt động của rơ-le nhiệt:
Khi nhiệt độ tiếp xúc tăng cao, lá thép lưỡng kim (màu xanh, gồm hai lớp vật liệu với tỷ lệ dãn nở nhiệt khác nhau) sẽ cong lên và tác động qua chốt đẩy để ngắt mạch điện, đảm bảo an toàn Sau khi mạch điện bị ngắt, nhiệt độ mặt dưới giảm, giúp lá thép lưỡng kim trở lại trạng thái ban đầu và mạch điện được kết nối lại, duy trì hoạt động của hệ thống Trong quá trình chế tạo vật liệu lưỡng kim nhiệt, tỉ lệ độ dày khác nhau sẽ ảnh hưởng đến thông số nhiệt độ ngắt mạch, do đó, việc lựa chọn đúng loại rơ-le nhiệt phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả và an toàn của thiết bị.
3.1.4 Bảo vệ rò vi sóng
- Sử dụng 1 công tác hành trình ở cửa để khi cửa hở hoặc đóng không chặt sẽ không phát vi sóng
- Ở các vị trí hở, như ống gió vào/ra có các lưới có các mắt lưới nhỏ hơn 1/12 lần bước sóng
Thiết kế lựa chọn tủ điện
3.2.1 Thống kê khí cụ điện
STT Khí cụ điện Mã S.lg Ghi chú
6 Biến tần 6SL3210-5BE21-1UV0 01
8 Contactor LS 3P MC-12b 04 Tối thiểu
9 Relay nhiệt LS MT 32 (9-13A) 01 Tối thiểu
10 Đèn báo pha (bộ 3 màu)
- Ta có giá trị dòng lớn nhất giữa đầu phát và quạt, 6.8 A
Dây điện có đa dạng chủng loại và độ dài phù hợp cho các mục đích khác nhau, như cáp tín hiệu xoắn chống nhiễu dành cho tín hiệu AI với chiều dài 2m, dây đơn 2.5mm² dùng để đấu từ tủ điều khiển tới các đầu phát với chiều dài 15m, cáp 3*1mm + 1*0.75mm (vỏ) dành cho động cơ quạt với chiều dài 10m, và dây 0.5mm² cho các tín hiệu điều khiển trong tủ điện với chiều dài 15m.
Lựa chọn tủ điện 700x500x250 (Bản vẽ phụ lục đi kèm)
3.2.3 Lưu ý khi thiết kế, lắp đặt điều khiển và khi vận hành Đảm bảo độ kín cho khu vực sấy Tất cả các khe hở phải được bịt kín hoặc có lưới chắn đủ tiêu chuẩn.
Khi khởi động hệ thống điều khiển, hãy đợi từ 5 đến 10 giây để các cảm biến ổn định thông số và đảm bảo hoạt động chính xác Sau mỗi lần sấy, nên nghỉ khoảng 5 đến 10 phút để cảm biến ổn định lại và đầu phát hạ nhiệt, giúp duy trì hiệu quả và tuổi thọ cho thiết bị.
Yêu cầu vận hành
Vận hành giám sát, đơn giản, phân quyền điều khiển.
3.3.1 Chế độ vận hành Auto
- Mở cửa, nhập nguyên liệu, đóng cửa cẩn thận
- Bật MCCB, đợi màn hình HMI và PLC khởi động xong.
- Chuyển chế độ auto ở switch.
- Trên màn hình HMI, nhập các giá trị M, Wd, Wc, đợi 5-10s rồi bấm start. Thiết bị sẽ tự động vận hành
3.3.2 Chế độ vận hành Man
- Chuyển chế độ man ở switch.
- Mở cửa, nhập nguyên liệu, đóng cửa cẩn thận
Bạn có thể chọn các nút VS_A, VS_B hoặc VS_C phù hợp với mong muốn của mình để vận hành các cụm đầu phát 1, 2, 3 (nhấn VS_A), 4, 5, 6 (nhấn VS_B) hoặc 7, 8, 9 (nhấn VS_C) Thiết bị sẽ tự động hoạt động trong vòng 5 phút rồi tắt, sau đó chờ khoảng 20-30 giây để tiếp tục quá trình vận hành.
3.3.3 Giám sát và lưu trữ dữ liệu
Giám sát và lưu trữ dữ liệu thông qua hệ thống SCADA
Phát hiện và chuẩn đoán lỗi
3.4.1 Nguyên lý Để đơn giản hóa, ta sẽ tập trung vào phân tích những lỗi có thể chuẩn đoán từ 2 cảm biến nhiệt ẩm.
3.4.1.1 Chuẩn đoán dựa theo năng lượng
I = (Cpk t + d (ro + Cph t)) G.ρkkk (kJ)
Cpk - Nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí khô kJ/kg°C
Cph - Nhiệt dung riêng đẳng áp của hơi nước ở 0°C kJ/kg°C r0 - Nhiệt ẩn hóa hơi của nước ở 0°C kJ/kg
Trong quá trình sấy vi sóng, hệ thống đầu phát sẽ phát sóng vi sóng vào vật liệu cần sấy Hiệu quả hấp thụ năng lượng của vi sóng phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của vật liệu sấy, tỷ lệ các thành phần và trạng thái hiện tại của chúng Đặc biệt, nước trong vật liệu hấp thụ sóng vi sóng rất tốt, giúp quá trình sấy diễn ra nhanh chóng và hiệu quả hơn.
Trong trạng thái toàn bộ năng lượng vi sóng chỉ tập trung vào việc thoát ẩm, nghĩa là năng lượng dùng để sấy ra bằng với tổng năng lượng tác nhân sấy vào cộng với năng lượng vi sóng cấp vào Quá trình này đảm bảo hiệu quả làm khô tối ưu bằng cách sử dụng năng lượng vi sóng để nâng cao hiệu suất sấy, tiết kiệm năng lượng và giảm thời gian xử lý Việc hiểu rõ cân bằng năng lượng trong quá trình sấy bằng vi sóng là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa quy trình công nghiệp và nâng cao chất lượng sản phẩm.
Dựa trên các phân tích, ta có thể kiểm tra năng lượng đầu phát cấp vào cũng như số đầu phát đang hoạt động để xác định số lượng đầu phát bị hỏng Để xác định trạng thái năng lượng này, cần xem xét đặc tính của vi sóng trong quá trình sấy, nhận thấy rằng việc bật/tắt đầu phát vi sóng dẫn đến sự thay đổi entanpi trễ sau một khoảng thời gian nhất định do quán tính nhiệt Do đó, để tính toán entanpi của từng chu kỳ, ta lựa chọn khoảng thời gian ổn định nhất, thường là phần cuối của chu kỳ phát vi sóng, khi Δ entanpi gần như không đổi, đảm bảo độ chính xác trong phân tích.
Khi giá trị của entanpi thay đổi đột ngột, ta có thể kiểm tra lỗi của nằm ở cảm biến hay không Rồi ta sẽ xét đến các yếu tố khác như năng lượng vi sóng hay lưu lượng gió cấp vào
3.4.1.2 Chuẩn đoán dựa theo chỉ số SMER
Chúng tôi có thể sử dụng thông số SMER để theo dõi và đánh giá trình trạng của quá trình sấy, giúp đảm bảo hiệu quả của quá trình Thông qua các thử nghiệm, sẽ xác định được giá trị SMER chuẩn để tính toán chính xác thời gian sấy dự kiến Ngoài ra, việc theo dõi SMER còn giúp phát hiện sớm các vấn đề về tiêu thụ năng lượng trong quá trình sấy, từ đó tối ưu hóa hiệu suất Áp dụng SMER vào theo dõi quá trình sấy là bước quan trọng để nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu rủi ro năng lượng.
Trong đó, ta xét 1 khoảng thời gian τ (khoảng 30s), các thông số khác không đổi trong thời gian τ để tính toán ra SMERtt để so sánh.
Δd phụ thuộc vào cảm biến, giúp xác định chính xác trạng thái của hệ thống Lưu lượng G phụ thuộc vào hoạt động của quạt, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất vận hành Công suất P phụ thuộc vào đầu phát, quyết định khả năng cung cấp năng lượng cho hệ thống Khi một bộ phận gặp lỗi, có thể dự đoán dựa trên các chỉ số như SMER, ví dụ: nếu SMERtt vượt quá giá trị chuẩn, thì khả năng lỗi nằm ở Δd hoặc quạt hoạt động yếu hơn mức dự kiến Ngược lại, nếu SMER thấp hơn tiêu chuẩn, có thể do lỗi ở công suất đầu phát hoặc ở Δd, giúp chẩn đoán nhanh chóng chính xác nguyên nhân sự cố.
Nếu các thiết bị và cảm biến hoạt động ổn định, có thể sử dụng số liệu SMER chuẩn để dự đoán độ ẩm hiện có trong vật liệu chỉ dựa trên khối lượng, giúp nâng cao độ chính xác trong quá trình giám sát và kiểm soát độ ẩm.
Để xác định độ ẩm của vật liệu, ta cần cung cấp công suất cố định P của máy và tính toán giá trị SMER phù hợp, sau đó xác định phần trăm độ ẩm dựa trên khối lượng đã nhập Bằng cách kết hợp các giá trị SMER chuẩn và nhiều giá trị công suất phát khác nhau, ta có thể tính chính xác khối lượng ẩm và kiểm tra lại với các giá trị P0i để xác định chính xác độ ẩm của vật liệu Quá trình này đòi hỏi phải có bộ giá trị SMER chuẩn đa dạng về công suất để đảm bảo kết quả chính xác và đáng tin cậy.
Tín hiệu từ cảm biến không chính xác, hỏng trong quá trình vận hành hoặc dây tín hiệu bị nhiễu, đứt A1.1, A1.2 A2, A3, A4, A5, A6
Khung sấy không quay, khung quay có thể bị kẹt, động cơ không hoạt động, tín hiệu và khí cụ điều khiển bị lỗi, nguồn có vấn đề: A1.1, A5
Hệ thống đầu phát không phát đủ năng lượng mong muốn, có thể do chập cháy, khí cụ điểu khiển bị lỗi, nguồn có vấn đề: A1.2
Quạt gió không hoạt động, có thể do khí cụ điều khiển bị lỗi, nguồn có vấn đề, biến tần không hoạt động: A6
3.4.3.1 A1: Tương quan giữa thời gian dự tính và thời gian thực tế
- A1.1: Thời gian dự tính lâu hơn thời gian thực tế: E1, E2
- A1.2: Thời gian dự tính ngắn hơn thời gian thực tế: E1, E3
3.4.3.2 A2:Nhiệt độ, độ ẩm nhảy quá mức trong thời gian ngắn
3.4.3.3 A3:Trong quá trình không hoạt động
Nhiệt độ, độ ẩm 2 cảm biến khi khác nhau quá mức: E1
3.4.3.4 A4: Trong quá trình hoạt động: Độ chứa ẩm, nhiệt độ vào lớn hơn độ chưa ẩm, nhiệt độ ra: E1
3.4.3.5 A5: Nhiệt độ ra tăng đột ngột
3.4.3.6 A6: Độ chứa ẩm ra tăng đột ngột
Triển khai hệ thống điều khiển
Điều khiển bằng tay/chế độ man
Bật tắt các cụm đầu phát vi sóng bằng các công tắc, tự động dừng sau 5-10 phút vận hành Đợi 1 khoảng thời gian rồi tiếp tục vận hành
Triển khai điều khiển bằng PLC/chế độ auto
Bạn cần nhập các thông số đầu vào quan trọng để thực hiện quá trình sấy vật liệu hiệu quả Các tham số bao gồm tổng khối lượng vật liệu sấy (bắt buộc), độ ẩm ban đầu (mặc định 70%), độ ẩm mong muốn sau sấy (mặc định 15%), và công suất vi sóng tối ưu cho từng phần (mặc định 0.5 W/g) Việc cung cấp chính xác các thông số này giúp đảm bảo quá trình sấy đạt hiệu quả cao và tiết kiệm năng lượng.
- Khởi động hệ thống: Bấm Start trên màn hình HMI
- Hệ thống tính các giá trị ban đầu o Mw: Hàm lượng nước hiện tại o Mc: Hàm lượng nước cuối o Md: Khối lượng khô
- Dừng lại khi hàm lượng ẩm đạt bằng hoặc ít hơn yêu cầu.
Hình 20 Thuật toán điều khiển