Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ổn định điều kiện sấy trong hệ thống sấy dùng kết hợp năng lượng mặt trời Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ổn định điều kiện sấy trong hệ thống sấy dùng kết hợp năng lượng mặt trời Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ổn định điều kiện sấy trong hệ thống sấy dùng kết hợp năng lượng mặt trời Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ổn định điều kiện sấy trong hệ thống sấy dùng kết hợp năng lượng mặt trời
TỔNG QUAN
Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, tóm tắt các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã được công bố
1.1.1 Giới thiệu chung về máy sấy năng lƣợng mặt trời
Hiện nay ở nhiều nước trên thế giới, hệ thống nhiệt năng lượng mặt trời được ứng dụng ở khu vực nông nghiệp để sấy khô và bảo quản rau, quả, cà phê và các nông sản khác, cho thấy tính thực tiễn, hiệu quả kinh tế và thân thiện với môi trường Các hệ thống này giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm lãng phí và tận dụng nguồn năng lượng tự nhiên dồi dào, góp phần cải thiện cuộc sống người dân Tuy nhiên ở nhiều quốc gia nơi cần đến công nghệ chế biến thực phẩm bằng năng lượng mặt trời, thông tin về hệ thống sấy vẫn còn thiếu, khiến người nông dân gặp thách thức khi tiếp cận công nghệ Hiện có nhiều loại máy sấy bằng năng lượng mặt trời với nhiều kích thước thiết kế và chức năng khác nhau, đáp ứng một phần nhu cầu sấy các loại nông sản và hỗ trợ quá trình chế biến thực phẩm bằng nguồn năng lượng sạch.
Nhiều loại trái cây và rau quả có hàm lượng nước cao nên dễ giảm chất lượng hoặc hỏng nếu không được lưu trữ ở điều kiện nhiệt độ phù hợp Bên cạnh hệ thống lưu trữ đáng tin cậy, các phương pháp sau thu hoạch như sấy khô có thể chuyển các sản phẩm dễ hỏng thành dạng ổn định, giúp lưu trữ lâu dài và dễ bảo quản hơn Ngành công nghiệp thực phẩm cũng phổ biến sử dụng các thiết bị sấy như máy sấy đông lạnh, máy sấy phun sương, máy sấy trống quay và máy sấy hơi nước Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho các máy sấy này khá cao và chỉ những doanh nghiệp thương mại quy mô lớn mới có đủ khả năng, nên chi phí đầu tư ban đầu là một yếu tố quyết định khi tiếp cận công nghệ sấy và thúc đẩy tìm kiếm các giải pháp sấy tiết kiệm cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ.
Với đầu tư ban đầu cao, hầu hết các công ty quy mô nhỏ làm việc trực tiếp với nông dân không có khả năng tiếp cận các công nghệ sấy cao cấp để sản xuất sản phẩm chất lượng cao Thay vào đó, việc áp dụng hệ thống sấy bằng năng lượng mặt trời với chi phí rẻ, dễ sử dụng và phù hợp với thực tế đã trở nên hấp dẫn cho các công ty nhỏ và cho người nông dân Bên cạnh đó, công nghệ này còn mang lại lợi ích ở nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như vật liệu xây dựng tự nhiên và nhiên liệu sinh học như gỗ hoặc dược liệu.
Nông sản và các sản phẩm khác đã được sấy khô bằng ánh nắng mặt trời và gió trong không khí tự nhiên từ hàng ngàn năm để bảo quản sử dụng về sau, và đây là quá trình thiết yếu đối với nông sản, thực phẩm cũng như các vật liệu như gỗ, thuốc lá hay dược liệu Hiện nay, ở nhiều khu vực và ngành công nghiệp, sấy khô bằng không khí nóng tự nhiên đã được thay thế phần lớn bằng máy sấy có nồi hơi làm nóng không khí và quạt đẩy luồng khí nóng qua sản phẩm, giúp sấy nhanh hơn và thường cho sản phẩm chất lượng tốt hơn so với phơi ngoài trời Tuy nhiên, các thiết bị sấy hiện đại có giá thành cao và đòi hỏi một lượng nhiên liệu hoặc điện đáng kể để vận hành Trong điều kiện ấy, máy sấy bằng năng lượng mặt trời mang đến phương án tiện lợi để sấy bằng nguồn năng lượng mặt trời nhưng không phơi trực tiếp dưới nắng Ưu điểm của máy sấy năng lượng mặt trời là có thể hiệu quả hơn so với phơi nắng và chi phí vận hành thấp hơn so với các máy sấy khác; một số mẫu thiết kế đã chứng minh khả năng làm việc trong thử nghiệm nhưng vẫn chưa được áp dụng rộng rãi, cho thấy tiềm năng của máy sấy năng lượng mặt trời vẫn rất lớn.
Sấy năng lượng mặt trời (sấy) khác với phơi nắng ở chỗ nó dùng thiết bị để truyền năng lượng bức xạ từ mặt trời đến sản phẩm cần làm khô, giúp kiểm soát quá trình làm khô và chất lượng đầu ra Phơi nắng là một quá trình canh tác phổ biến trong nông nghiệp ở nhiều nước, đặc biệt khi nhiệt độ ngoài trời đạt 30°C hoặc cao hơn Ở khu vực Đông Nam Á, cây gia vị và thảo dược được giữ khô thường xuyên, nhưng điều kiện thời tiết thường không thuận lợi để phơi nắng liên tục Hơn nữa, bất kỳ tiếp xúc trực tiếp nào với ánh nắng mặt trời trong những ngày nhiệt độ cao có thể làm hỏng chất lượng và ảnh hưởng tới đặc tính của sản phẩm.
Ba yếu tố có thể gây ra tình trạng xơ cứng và hình thành lớp vỏ bên ngoài, đồng thời giữ ẩm bên trong sản phẩm, vì vậy sấy bằng năng lượng mặt trời sẽ cho hiệu quả cao hơn nhờ kiểm soát chính xác dòng nhiệt và bức xạ Năng lượng mặt trời đã được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu để sấy thực phẩm, với sự đa dạng của các máy sấy mặt trời phục vụ sấy khô ngũ cốc, trái cây, thịt, rau và cá Máy sấy thực phẩm từ nguồn năng lượng mặt trời điển hình cho thấy ưu điểm so với các hệ thống sấy ngoài trời truyền thống qua các đặc điểm như kiểm soát nhiệt độ và luồng khí hiệu quả, giảm hao hụt chất dinh dưỡng, tiết kiệm chi phí vận hành và tăng hiệu quả sấy.
Máy sấy thực phẩm bằng năng lượng mặt trời cho tốc độ sấy nhanh hơn, giúp thực phẩm được sấy khô chỉ trong thời gian ngắn Việc dùng tấm kính trong suốt ở bộ thu nhiệt tăng nhiệt độ không khí bên trong máy, từ đó đẩy nhanh quá trình sấy Đồng thời, sự linh hoạt của việc mở rộng các bộ thu năng lượng mặt trời cho phép thu nhận nhiều ánh nắng hơn, tối ưu hóa hiệu quả sấy và tiết kiệm thời gian.
Hiệu quả sấy cao hơn cho phép làm khô nhanh, giảm hư hỏng sau thu hoạch ở mức tối thiểu Đối với các sản phẩm yêu cầu làm khô ngay sau thu hoạch, như hạt tươi có độ ẩm cao, giải pháp này giúp tăng năng suất và lượng sản phẩm đến tay người tiêu dùng Đồng thời, thất thoát do rơi vãi, chim và động vật khác được giảm đáng kể nhờ việc đặt sản phẩm trong các khoang kín an toàn.
Thực phẩm sấy khô được xử lý trong môi trường được kiểm soát an toàn giúp giảm thiểu ô nhiễm bởi sâu bệnh và sự phát triển của nấm mốc, từ đó cho ra sản phẩm hợp vệ sinh Quy trình này đảm bảo thực phẩm có chất lượng vệ sinh cao và an toàn cho người tiêu dùng Vì vậy, việc duy trì điều kiện kiểm soát an toàn trong quá trình sấy khô là yếu tố then chốt để đảm bảo vệ sinh thực phẩm.
Việc sấy khô thực phẩm ở nhiệt độ tối ưu và thời gian ngắn giúp giữ lại giá trị dinh dưỡng cao hơn và duy trì chất lượng sản phẩm Thêm vào đó, các sản phẩm sấy có hình dáng và hương vị tốt hơn, từ đó nâng cao khả năng tiếp thị và mang lại lợi nhuận tài chính cao hơn cho người nông dân.
Việc sử dụng năng lượng mặt trời tự do để sấy sản phẩm thay cho nhiên liệu thông thường giúp giảm chi phí vận hành và tăng hiệu quả sản xuất Ngoài ra, có thể dùng một nguồn bổ sung nhiệt từ năng lượng mặt trời giá rẻ để hỗ trợ quá trình sấy, từ đó làm giảm đáng kể sự phụ thuộc vào nhiên liệu thông thường Nhờ tối ưu hóa nguồn năng lượng này, doanh nghiệp có thể tiết kiệm chi phí đáng kể và nâng cao tính bền vững của quy trình sấy.
1.1.2 Phân loại một số máy sấy năng lƣợng mặt trời [1]
Trong quá trình lựa chọn, nghiên cứu và phát triển máy sấy cho một ứng dụng cụ thể, người ta dựa trên các loại máy sấy có sẵn và được sử dụng phổ biến Máy sấy năng lượng mặt trời được phân loại theo ba phương pháp sấy cơ bản: phơi nắng tự nhiên, sấy trực tiếp và sấy gián tiếp, với nguyên lý hoạt động phụ thuộc vào thu nhận ánh nắng và chuyển đổi thành nhiệt để làm khô sản phẩm Do đó, có thể phân loại máy sấy thành máy sấy năng lượng mặt trời trực tiếp, máy sấy năng lượng mặt trời gián tiếp và máy sấy năng lượng mặt trời chuyên dụng Máy sấy trực tiếp đặt vật liệu sấy trong buồng kín có nắp trong suốt, nơi nhiệt sinh ra từ sự hấp thụ bức xạ mặt trời trên sản phẩm và các bề mặt bên trong buồng Ngược lại, máy sấy gián tiếp không để ánh nắng trực tiếp tác động lên vật liệu sấy; không khí được làm nóng ở bộ thu năng lượng mặt trời và sau đó được truyền đến các buồng sấy để làm khô sản phẩm Máy sấy chuyên dụng được thiết kế cho một sản phẩm cụ thể và có thể tích hợp các hệ thống kết hợp nguồn năng lượng khác Mặc dù máy sấy gián tiếp được xem là có hiệu quả cao hơn so với máy sấy trực tiếp, các hệ thống sấy năng lượng mặt trời kết hợp cho phép tăng tốc quá trình sấy bằng cách bổ sung nhiệt từ các nguồn năng lượng khác.
1.1.2.1 Phương pháp phơi nắng trực tiếp
Hình 1.1 thể hiện nguyên tắc hoạt động của phơi trực tiếp bằng năng lượng mặt trời Phương pháp này tận dụng nguồn năng lượng mặt trời để sấy vật liệu, trong đó bức xạ mặt trời có bước sóng ngắn chiếu lên bề mặt vật liệu sấy không đồng đều Một phần năng lượng bị phản xạ khỏi bề mặt, trong khi phần còn lại được hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt, làm gia tăng nhiệt độ bề mặt và thúc đẩy quá trình bay hơi nước, từ đó làm khô vật liệu.
Phần bức xạ còn lại được hấp thụ bởi các bề mặt tùy thuộc vào màu sắc của vật liệu sấy Các bức xạ hấp thụ được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt và làm tăng nhiệt độ của vật liệu sấy Quá trình mất nước diễn ra dưới hình thức bay hơi, từ đó vật liệu sấy được sấy khô.
Hình 1.1 giới thiệu nguyên lý làm việc của phơi nắng trực tiếp: Năng lượng nhiệt từ ánh nắng được hấp thụ và truyền vào bên trong sản phẩm, làm tăng nhiệt độ, hình thành hơi nước trong vật liệu sấy và sau đó khuếch tán ra bề mặt rồi bay vào môi trường Trong giai đoạn đầu, độ ẩm được loại bỏ nhanh chóng; ở các giai đoạn sau, quá trình sấy khô phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của độ ẩm tới bề mặt, bởi quá trình khuếch tán thay đổi theo đặc tính của từng loại sản phẩm.
Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.2.1 Tính cấp thiết của đề tài
Phơi khô bằng cách sử dụng ánh nắng mặt trời trực tiếp để bảo quản thực phẩm và cây nông nghiệp đã đƣợc thực hiện từ thời cổ đại Tuy nhiên, quá trình này có nhiều nhƣợc điểm nhƣ là: sản phẩm hƣ hỏng do mƣa, gió, độ ẩm và bụi, mất mát của sản phẩm do các loài chim và động vật, sự xuống cấp các loại thực phẩm do phân hủy, các cuộc tấn công của côn trùng và nấm,.v.v… Hơn nữa, quá trình này tốn nhiều công sức, thời gian và đòi hỏi phải có một diện tích lớn để trải các sản phẩm ra để phơi khô Các máy sấy nhân tạo đƣợc nghiên cứu và phát triển trong thời gian gần đây, tuy nhiên chúng gây tiêu tốn năng lƣợng , , đắt tiền và cuối cùng là làm tăng giá thành sản phẩm Công nghệ sấy năng lƣợng mặt trời đã cung cấp một giải pháp thay thế có thể xử lý các loại rau và trái cây trong điều kiện sạch sẽ, hợp vệ sinh, đáp ứng tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế với chi phí năng lƣợng bằng không Sấy bằng năng lƣợng mặt trời giúp tiết kiệm năng lƣợng, thời gian, chiếm ít diện tích, cải thiện chất lƣợng sản phẩm, làm cho quá trình đạt hiệu quả hơn và bảo vệ môi trường Sấy bằng năng lượng mặt trời có thể được sử dụng cho quá trình sấy khô hoàn toàn hoặc để bổ sung cho hệ thống sấy nhân tạo, trong trường hợp này giúp làm giảm nhiên liệu cần thiết Công nghệ sấy năng lượng mặt trời có thể đƣợc sử dụng trong các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm quy mô nhỏ để sản xuất hợp vệ sinh, tạo ra các sản phẩm thực phẩm chất lƣợng tốt Đồng thời, điều này có thể đƣợc sử dụng để thúc đẩy phát triển việc khai thác các nguồn năng lƣợng tái tạo
Sấy năng lƣợng mặt trời là một ứng dụng nhiệt có tiềm năng của năng lƣợng mặt trời đặc biệt là ở các nước đang phát triển Tuy nhiên, cho đến nay, chỉ có rất ít lĩnh vực khai thác công nghệ sấy năng lƣợng mặt trời Trong giai đoạn đầu phát triển, để thâm nhập thị trường thì việc xác định các khu vực thích hợp cho việc sử dụng máy sấy năng lƣợng mặt trời sẽ là cực kỳ hữu ích Trong bối cảnh này, một trong những lĩnh vực có thể can thiệp kịp thời ở các nước đang phát triển dường
Việt Nam là nước sản xuất nông nghiệp với sản lượng lớn, nơi sấy khô các loại nông sản như thuốc lá, trà, cà phê, nho khô, ớt, hạt rau mùi, gừng, nghệ, hạt tiêu đen, hành tây và tỏi đóng vai trò quan trọng trong bảo quản và nâng cao giá trị gia tăng Tuy nhiên, quá trình chế biến và lưu trữ còn nhiều hạn chế, các máy sấy kỹ thuật tiên tiến hiện nay lại quá đắt đối với người nông dân nên sản phẩm sau thu hoạch thường không đáp ứng được chất lượng để buôn bán rộng trên thị trường trong nước và quốc tế Xuất phát từ thực tế ấy, nhằm tận dụng nguồn năng lượng mặt trời dồi dào ở nước ta để sấy khô nông sản với giá thành và chi phí thấp, tôi quyết định thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ổn định điều kiện sấy trong hệ thống sấy dùng kết hợp năng lượng mặt trời”.
1.2.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Quá trình thực hiện đề tài là cơ hội để học viên vận dụng kiến thức và kỹ năng đã học nhằm nghiên cứu, phân tích và giải quyết các vấn đề và yêu cầu đặt ra, đồng thời tạo ra một thiết bị công nghệ có thể đưa vào ứng dụng thực tiễn và là nền tảng để phát triển các thiết bị ứng dụng phục vụ sản xuất.
Thiết bị sấy khắc phục được nhu cầu thực tế là sấy khô nông sản và dược liệu với chi phí thấp, phù hợp với điều kiện và nhu cầu của người nông dân Việt Nam, đồng thời nâng cao năng suất lao động và hiệu quả kinh tế Với thiết kế cải tiến và quá trình sấy được giám sát tự động hóa, thiết bị duy trì ổn định các thông số sấy và đảm bảo độ khô cùng gia nhiệt đồng đều Nhờ đó sản phẩm giữ được hương vị và các tính chất sinh học như dược tính và dinh dưỡng ở mức tối ưu nhất.
Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu
Đề tài nhằm tính toán, thiết kế, chế tạo và điều khiển hệ thống sấy kết hợp với năng lượng mặt trời nhằm đảm bảo ổn định điều kiện sấy Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình tính toán phù hợp, thiết kế công nghệ và chế tạo thiết bị sấy cùng với phương án điều khiển tự động để duy trì các thông số sấy như nhiệt độ, độ ẩm và thời gian ở mức tối ưu, giảm biến động và nâng cao hiệu suất sử dụng nguồn năng lượng mặt trời Đồng thời, nghiên cứu tối ưu hóa quá trình sấy, cải thiện chất lượng sản phẩm và tăng tính tin cậy của hệ thống sấy dựa trên năng lượng mặt trời.
Khách thể và đối tượng nghiên cứu là quá trình sấy các loại nông sản, trong đó sự biến đổi của các tham số nhiệt độ, độ ẩm và lưu lượng gió được xem là yếu tố tác động chính đến chất lượng sản phẩm sấy Nghiên cứu tập trung phân tích mối quan hệ giữa nhiệt độ sấy, độ ẩm và luồng gió với các đặc tính của nông sản sau sấy như độ ẩm cuối cùng, màu sắc, độ giòn và thời gian sấy, từ đó xác định điều kiện tối ưu nhằm nâng cao chất lượng và giảm thất thoát trong quá trình sấy.
Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài
Đề tài "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ổn định điều kiện sấy trong hệ thống sấy dùng kết hợp năng lượng mặt trời" nhằm nghiên cứu quy trình và hệ thống sấy các nông sản, dược phẩm và sản phẩm tươi, từ đó thiết kế và chế tạo bộ điều khiển có khả năng duy trì ổn định các tham số sấy như nhiệt độ, thời gian và độ ẩm cuối, tối ưu hóa chất lượng sản phẩm và hiệu quả sấy Nghiên cứu đồng thời đánh giá tích hợp nguồn năng lượng mặt trời với hệ thống sấy để giảm tiêu thụ năng lượng và nâng cao độ tin cậy của quá trình Kết quả dự kiến là một hệ thống sấy được điều khiển tự động, có khả năng thích nghi với nhiều loại nông sản, dược phẩm và sản phẩm tươi, đảm bảo chất lượng, an toàn và hiệu quả kinh tế cho quá trình chế biến.
Máy sấy ứng dụng sấy cho các loại nông sản, trái cây và dƣợc phẩm để cho ra những sản phẩm có chất lƣợng đảm bảo
Vì thời gian nghiên cứu có hạn, đề tài được tập trung vào chế tạo và thử nghiệm một bộ điều khiển ổn định để điều chỉnh các điều kiện sấy trong hệ thống sấy kết hợp năng lượng mặt trời Mục tiêu là duy trì nhiệt độ, độ ẩm và lưu lượng gió ở mức tối ưu, đảm bảo chất lượng và đồng đều của sản phẩm trong quá trình sấy Hệ thống sấy tích hợp năng lượng mặt trời sẽ được trang bị cảm biến và thuật toán điều khiển nhằm giảm sự dao động của các thông số sấy và thích nghi với biến động thời tiết Kết quả dự kiến góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời, giảm thiểu tổn thất và tiết kiệm chi phí vận hành cho các cơ sở sấy ứng dụng năng lượng mặt trời.
Để thiết kế và vận hành hệ thống sấy hiệu quả, cần tính toán công suất của hệ thống sấy, từ đó lựa chọn thiết bị tối ưu và lắp đặt bộ điều khiển phù hợp cho hệ thống Việc lắp đặt thiết bị thu nhận dữ liệu ở vị trí tối ưu sẽ đảm bảo thu thập thông tin vận hành chính xác và liên tục, giúp tối ưu hóa quá trình sấy, nâng cao công suất và độ ổn định của hệ thống.
Phần điều khiển của hệ thống cho phép điều khiển và kiểm soát các giá trị nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió qua từng giai đoạn của quá trình sấy Người dùng có thể thiết lập các điều kiện sấy tối ưu dựa trên bộ thông số kinh nghiệm, từ đó tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng sản phẩm Hệ thống tự động điều chỉnh các tham số theo từng giai đoạn để duy trì điều kiện sấy ổn định và đồng nhất, đồng thời hiển thị đầy đủ các giá trị đo được để người dùng theo dõi theo thời gian thực.
Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện, nghiên cứu đề tài, tác giả thực hiện sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
- Phương pháp quan sát khoa học: nhằm thu nhận thông tin đã nghiên cứu trong và ngoài nước về sản phẩm, thiết bị
Phân tích và tổng kết kinh nghiệm giúp đánh giá nhu cầu và khả năng đáp ứng của sản phẩm, đồng thời nhận diện những hạn chế và yếu điểm của thiết bị để đề xuất giải pháp cải tiến và hoàn thiện quá trình phát triển, nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.
Phương pháp thực nghiệm là quá trình thử nghiệm sản phẩm nhằm đánh giá khả năng đáp ứng với nhu cầu thực tế của thị trường Thông qua các thử nghiệm, ta nhận diện được kết quả và hiệu quả của sản phẩm, kết hợp với phân tích dữ liệu để đề xuất phương án cải tiến thiết bị và tối ưu hóa thiết kế, nhằm nâng cao khả năng cạnh tranh và đáp ứng nhu cầu khách hàng.
SỞ LÝ THUYẾT
Quá trình sấy
Quá trình sấy là quá trình loại bỏ nước khỏi vật liệu để đưa vật liệu về trạng thái khô ráo, đồng thời ức chế sự phát triển của vi sinh vật và enzyme nhằm bảo quản vật liệu sấy được lâu hơn Quá trình tách nước diễn ra nhờ khuếch tán nước ở dạng hơi ẩm từ phần bên trong vật liệu sấy ra ngoài bề mặt và sau đó thoát ra môi trường xung quanh.
Vật liệu ẩm và các thông số của vật liệu ẩm
Phần lớn rau quả sau thu hoạch chứa lượng nước lớn và ẩn chứa vi sinh vật cùng các enzyme hoạt động mạnh, khiến chúng dễ bị hỏng Vì vậy, lưu trữ rau quả ở dạng khô là giải pháp hiệu quả để giảm độ ẩm, ức chế sự phát triển của vi sinh vật và kéo dài thời gian bảo quản.
Dựa theo tính chất lý học, người ta có thể chia vật ẩm ra thành ba loại:
- Vật liệu keo: là vật cócó cấu trúc hạt nên có tính dẻo Ví dụ: bột nhào, v.v…
- Vật liệu xốp mao dẫn: nước hoặc hơi ẩm tồn tại ở dạng liên kết cơ học do lực mao dẫn Ví dụ: tinh thể đường, tinh thể muối ăn, v.v…
- Vật liệu keo xốp mao dẫn: bao gồm tính chất của hai nhóm trên Ví dụ: ngũ cốc, các hạt họ đậu, bánh mì, rau, quả v.v
Trong vật liệu ẩm, tồn tại nhiều dạng liên kết khác nhau ảnh hưởng đến tính chất và hành vi của chúng Ba nhóm chính của các dạng liên kết này là liên kết hóa học, liên kết hóa lý và liên kết cơ lý, mỗi nhóm có cơ chế liên kết riêng và đóng vai trò quyết định đối với độ ẩm, độ bền và cách mà vật liệu phản ứng với môi trường.
2.2.1 Các đặc trƣng trạng thái của vật liệu ẩm [19]
2.2.1.1 Độ ẩm tương đối Độ ẩm tương đối là số phần trăm khối lượng nước chứa trong 1kg vật liệu ẩm
Trong đó : w : độ ẩm tương đối của nguyên liệu ẩm m: khối lƣợng nguyên vật liệu ẩm m o : khối lƣợng chất khô tuyệt đối
Nếu w = 0 ta sẽ có độ ẩm khô tuyệt đối Độ ẩm tương đối w thường được sử dụng để biểu thị trạng thái ẩm của nguyên vật liệu
2.2.1.2 Độ ẩm tuyệt đối Độ ẩm tương đối W K là số phần trăm khối lượng nước chứa trong 1kg vật liệu khô tuyệt đối
2.2.2Các đặc trƣng nhiệt động của vật liệu ẩm
Thế dẫn ẩm là đại lượng mô tả sự khác biệt thế dẫn ẩm giữa hai vật, từ đó tạo động lực cho quá trình chuyển ẩm và nhiệt Để di chuyển ẩm và nhiệt từ vật này sang vật kia, cần có sự sai khác thế dẫn ẩm tương ứng giữa hai vật và mức chênh lệch này quyết định tốc độ trao đổi Đơn vị đo của thế dẫn ẩm được ký hiệu θ Hiểu và kiểm soát θ giúp dự báo và tối ưu hóa quá trình trao đổi ẩm và nhiệt trong các hệ vật lý và ứng dụng kỹ thuật.
Khái niệm nhiệt dung riêng có hai loại: nhiệt dung riêng trung bình và nhiệt dung riêng cục bộ Nhiệt dung riêng trung bình đặc trưng cho sự thay đổi nội năng của vật Δu khi nhiệt độ thay đổi, được thể hiện qua công thức Δu = m c ΔT, trong đó m là khối lượng và c là nhiệt dung riêng của vật Nhiệt dung riêng cục bộ mô tả sự phân bố và biến thiên của nhiệt dung ở các vùng khác nhau của vật, phản ánh sự bất đồng về truyền nhiệt trong vật thể Hiểu đúng hai khía cạnh này giúp dự báo phản ứng nhiệt, thiết kế vật liệu và tối ưu quá trình gia nhiệt, phục vụ cho các mục tiêu phân tích nhiệt động và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.
C = Δu Δθ (2.3) Ẩm dung riêng cục bộ đẳng nhiệt là : m= θm
2.2.3Các thông số nhiệt - vật lý của vật liệu ẩm
2.2.3.1 Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm
Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm (C M ) đƣợc tính nhƣ là trung bình cộng độ lớn nhiệt dung riêng của chất khô (CK)và nhiệt dung riêng của nước (C n )
Hệ số dẫn nhiệt a là đặc tính vật liệu dùng để xác định quán tính nhiệt, tức khả năng chống lại sự biến đổi nhiệt của vật thể Với a càng cao, vật liệu hấp thụ và tỏa nhiệt nhanh hơn, khiến quá trình làm nóng hoặc làm lạnh diễn ra nhanh chóng hơn Việc đánh giá hệ số dẫn nhiệt giúp chọn vật liệu phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu kiểm soát nhiệt chặt chẽ và tối ưu hiệu suất gia công cũng như tiết kiệm năng lượng Do đó, a là tham số quan trọng để dự báo tốc độ thay đổi nhiệt và quỹ đạo nhiệt của vật liệu trong các điều kiện làm việc khác nhau.
Trong đó : λ - Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu
C – Nhiệt dung riêng ρ – mật độ
Đặc trƣng của không khí ẩm
Không khí ẩm là một hỗn hợp gồm không khí khô và hơi nước được chứa trong nó Bên cạnh đó, còn có nhiều thành phần khác trong không khí ẩm, nhưng chúng có hàm lượng rất nhỏ và thường được bỏ qua khi phân tích hoặc mô tả đặc điểm của hiện tượng này.
2.3.1 Áp suất không khí ẩm Áp suất không khí ẩm đƣợc tính theo định luật Dalton nhƣ sau:
Trong đó: P: áp suất của không khí ẩm
P KKK : áp suất riêng phần của không khí khô
P hn : áp suất riêng phần của hơi nước
2.3.2 Nhiệt độ không khí ẩm Đƣợc xác định là nhiệt độ làm nóng vật thể Nhiệt độ đƣợc đo bằng nhiệt kế theo thang nhiệt độ Celcius ( 0 C) hoặc Fahreinhei ( 0 F)
2.3.3 Độ ẩm tuyệt đối không khí ẩm Độ ẩm tương đối của không khí ẩm (ρ)được tính là khối lượng hơi nước
(m hn) chứa trong 1m 3 không khí ẩm (V) mhn ρ= V (2.8)
Trong không khí ẩm bão hòa, khối lượng hơi nước chứa trong nó đạt đến mức cực đại Vì thế, ta có độ ẩm tuyệt đối cực đại, tức là lượng hơi nước tối đa có thể có trong một thể tích nhất định Độ ẩm tuyệt đối cực đại được ký hiệu là ρmax.
2.3.4 Độ ẩm tương đối không khí ẩm Độ ẩm tương đối của không khí ẩm là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối ρ và độ ẩm tuyệt đối cực đại ρmax Ký hiệu độ ẩm tương đối là φ φ= ρ ρmax
(2.9) Độ ẩm tương đối đặc trưng cho khả năng nhận thêm hơi nước Độ ẩm tương đối của không khí ẩm biến đổi trong khoảng : 0% ≤ φ ≤ 100%
2.3.5 Lƣợng chứa ẩm của không khí ẩm
Lượng chứa ẩm của không khí ẩm(d) được tính là khối lượng hơi nước
(m hn) chứa trong 1m 3 không khí khô(m
Năng lƣợng bức xạ mặt trời
Bức xạ mặt trời là dòng vật chất và năng lượng phát ra từ mặt trời, nằm trong một dải phổ rộng Cực đại của cường độ bức xạ xuất hiện ở vùng bước sóng từ 0,38 đến 0,78 μm, và phần lớn năng lượng tập trung tại khoảng 0,475 μm, đây là đỉnh phổ được quan sát trong phổ bức xạ của mặt trời.
Mật độ bức xạ tính cho 1 m^2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ được xác định theo công thức: q = φ_D_T · C_0 (t/100)^4 (2.11) Trong đó φ_D_T là hệ số góc bức xạ giữa Trái Đất và Mặt Trời; φ_D_T = β^2 / 4 (2.12).
36 β – là góc nhìn mặt trời và β ≈ 32’
C 0 = 5.67W/m 2 K 4 – là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
T ≈ 5762 0 K – là nhiệt độ bề mặt Mặt Trời
2.4.2Tính năng lƣợng bức xạ mặt trời
Để hiểu cường độ bức xạ mặt trời xuống mặt đất, ta nhận thấy nó phụ thuộc hai yếu tố chính: góc nghiêng của tia sáng so với mặt phẳng bề mặt và độ dài đường đi của các tia sáng Tia sáng tới gần vuông góc với mặt đất cho cường độ nhận được lớn hơn, trong khi tia tới ở góc nghiêng làm giảm cường độ Đồng thời, đường đi dài hơn sẽ làm giảm cường độ bức xạ tại mặt đất do tác động của quãng đường xuyên qua môi trường giữa mặt trời và mặt đất.
Liên hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và các khoảng thời gian trong năm có thể xác định nhƣ sau :
Trong đó E ng là bức xạ ngoài khí quyển đƣợc đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm
2.4.2.1 Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang
Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ mặt trời [21] đến một bề mặt nằm ngang ngoài khí quyển được tính theo phương trình : ng 0 z
Trong đó θ z là góc giữa phương thẳng đứng và bức xạ tới
2.4.2.2Bức xạ truyền qua kính – hiệu ứng lồng kính
Hiệu ứng lồng kính là hiện tượng tích lũy năng lượng bức xạ mặt trời phía dưới một tấm kính hoặc một lớp khí Sự hấp thụ bức xạ trong vật liệu không trong suốt được xác định bởi định luật Bouguer, dựa trên giả thiết bức xạ bị hấp thụ tỷ lệ với cường độ bức xạ qua vật liệu và khoảng cách mà bức xạ đi qua: dE = -E k dx (2.15); trong đó K là hằng số tỷ lệ.
2.4.2.3 Tổng năng lƣợng mặt trời hấp thụ đƣợc từ bộ thu
Năng lượng bức xạ mặt trời được bộ thu hấp thụ gồm ba thành phần chính: trực xạ, tán xạ và phản xạ của mặt đất Với bộ thu đặt nghiêng ở một góc βta, tổng bức xạ mặt trời hấp thụ bởi bộ thu được xác định bằng sự kết hợp của ba thành phần trên và phụ thuộc vào góc nghiêng βta cũng như điều kiện khí quyển.
Trong đó : E b , E d là cường độ bức xạ trực xạ và tán xạ
B b là tỷ số giữa bức xạ trực xạ trên mặt phẳng nghiêng và trên mặt phẳng ngang
(1+cosβ)/2 và (1-cosβ)/2 là hệ số góc của bộ thu tương ứng đối với bầu trời và mặt đất
(DA) b , (DA) d , (DA) g là tích số hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ tương ứng đối với trực xạ, tán xạ và phản xạ từ mặt đất.
Cơ sở kỹ thuật sấy
2.5.1 Chuyển động ẩm trong vật liệu sấy
Trong quá trình sấy vật liệu, quá trình chuyển ẩm diễn ra qua nhiều giai đoạn: độ ẩm di chuyển từ bên trong vật liệu ẩm ra tới bề mặt của nó, nơi ẩm được bay hơi tại bề mặt; sau đó, ẩm ở dạng hơi tiếp tục di chuyển từ bề mặt vật liệu vào luồng không khí sấy ở môi trường xung quanh, từ đó làm giảm độ ẩm của vật liệu.
Lượng ẩm bay hơi và chuyển từ bề mặt vật liệu ra môi trường xung quanh có thể tính theo phương trình :
P M : áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy (N/m 2 )
P B : áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí (N/m 2 )
T : thời gian sấy (s;h) r : hệ số bốc hơi (kg/N.s hoặc kg/m 2 h)
Vận tốc sấy là lƣợng ẩm bay hơi trong một đơn vị thời gian sấy Vận tốc sấy đƣợc tính theo công thức : u = dW
Trong đó : W : lƣợng ẩm bay hơi trong thời gian sấy (kg/h)
F : tổng bề mặt bay hơi của sản phẩm sấy (m 2 )
Nếu vận tốc sấy không đổi, ta có thể tính đƣợc thời gian sấy theo công thức sau : k 1 2
Trong đó : - G k khối lƣợng vật liệu sấy tính theo khối lƣợng khô tuyệt đối (kg/h)
- W 1 , W 2 độ ẩm ban đầu và ban cuối của sản phẩm sấy tính bằng kg/kg sản phẩm khô tuyệt đối
Những yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sấy là :
- Bản chất của sản phẩm sấy: cấu trúc, thành phần hoá học, đặc tính liên kết…
- Hình dáng và trạng thái của sản phẩm sấy
- Độ ẩm ban đầu, ban cuối và độ ẩm tới hạn của sản phẩm sấy
- Nhiệt độ, độ ẩm và vận tốc của tác nhân sấy
- Chênh lệch nhiệt độ ban đầu và ban cuối của tác nhân sấy
- Cấu tạo của máy sấy, phương thức sấy và chế độ sấy.
Cơ sở lý thuyết điều khiển
Điều khiển là quá trình thu thập dữ liệu, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để các đáp ứng của hệ thống đi gần với mục tiêu đã được định trước, nhằm tối ưu hiệu suất và đảm bảo hệ thống hoạt động đúng yêu cầu.
Quá trình điều khiển giúp hệ thống hoạt động chính xác hơn, tăng năng suất và tăng hiệu quả kinh tế
Một hệ thống điều khiển cơ bản đƣợc thể hiện nhƣ hình sau:
Trong đó : r(t) : Tín hiệu đầu vào c(t) : Tín hiệu đầu ra u(t) : Tín hiệu điều khiển c ht (t): Tín hiệu hồi tiếp e(t) : Sai số
Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
2.6.1 Lý thuyết điều khiển PID Điều khiển PID [23] là giải thuật điều khiển đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống điều khiển
Giải thuật PID bao gồm ba khâu điều chỉnh đó là khâu điều chỉnh tỷ lệ (P), khâu điều chỉnh tích phân (I), khâu điều chỉnh vi phân (D),
- Khâu điều chỉnh tỷ lệ (P) : là khâu điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỷ lệ với tín hiệu sai lệch đầu vào
Khâu điều chỉnh tích phân (I) nhằm tạo ra tín hiệu điều chỉnh có giá trị sai lệch tối thiểu Tín hiệu điều chỉnh tỷ lệ với tích phân của tín hiệu sai lệch.
- Khâu điều chỉnh vi phân (D) : là khâu tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỷ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào
Phương trình vi phân của bộ PID lý tưởng là : de(t) u(t) = K e(t) + K e(t)dt +K p i d dt (2.20)
Với K p : Hệ số khuếch đại
Bộ điều khiển Đối tƣợng
2.6.2 Lý thuyết điều khiển PID của PLC S7_1200
Hàm PID [24] đƣợc xây dựng tích hợp trên PLC S7_1200 của Siemens
Trong đó y là giá trị đầu ra, kp là hệ số khuếch đại tỷ lệ, s là toán tử Laplace, b là hệ số tỷ lệ, w là giá trị cài đặt, x là giá trị thực tế, t_i là thời gian, a là hệ số trễ Mô tả này giúp hiểu cách các tham số kp, b, s, w, x, t_i và a tác động đến y trong quá trình điều khiển, với s làm nhiệm vụ xử lý miền tần số qua toán tử Laplace, kp và b xác định mức khuếch đại, a và t_i liên quan đến trễ và thời gian đáp ứng, còn x và w cho biết giá trị thực tế và giá trị thiết lập ban đầu.
Hình 2.2 Sơ đồ khối PID_Compact
Hình 2.3 Sơ đồ khối PID_Compact
Lý thuyết truyền thông RS_485
Truyền thông RS_485 là chuẩn truyền thông hai dây đƣợc phát triển từ năm
Vào năm 1983, hệ thống ghi nhận những ưu điểm vượt trội như liên kết lên tới 32 trạm thu phát trên cùng một đường truyền, tốc độ truyền nhận đạt 115.200 bit/giây và khoảng cách truyền nhận lên tới 1.200 mét.
Truyền thông RS_485 sử dụng có cấu trúc hai dây, sử dụng sự chênh lệch điện áp giữa hai dây để biểu diễn mức logic của tín hiệu
Hình 2.4 Sơ đồ kết nối RS-485
Thông số Tối thiểu Tối đa Điện áp đầu ra khi hở mạch 1,5V 6V Điện áp đầu ra khi có tải 1.5V 5V
Dòng điện khi ngắn mạch 250mA
Thời gian quá độ đầu ra 30% T b * Điện áp ở chế độ chung đầu ra -1V 3V Điện áp chế độ chung VCM -7V 12V
Bảng 2.1 Các thông số quan trọng của RS-485