LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, em xin chân thành cám ơn Thầy Võ Anh Huy - người Thầy em hết mực
kính trọng. Dưới sự dẫn dắt của Thầy em đã học được biết bao điều mà trong trường
không dạy, những kinh nhiệm thực tế sẽ theo em suốt cuộc đời. Thiếu Thầy thì em sẽ
không bao giờ có thể hoàn thành được luận văn này.
Thứ 2, em xin cảm ơn tới toàn thể quý thầy cô thuộc khoa cơ khí cũng như toàn
thể thầy cô giảng viên trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, các anh chị
đang làm việc tại công ty cơ điện tử Quang Huy BK và công ty TNHH FOODVIETS
đã hỗ trợ và cho em rất nhiều kiến thức trong quá trình làm luận văn.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn gia đình, cha mẹ, bạn bè luôn ủng hộ, sát cánh
cùng em trong suốt quá trình học tập và làm việc.
Do bản thân còn nhiều hạn chế về kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tế nên
trong quá trình thực hiện luận văn này em không thể tránh qua những sai sót. Em rất
mong sẽ nhận được sự góp ý, chỉ bảo tận tình từ quý thầy cô và các bạn, đó là những
kinh nghiệm rất quý báu để em bước vào đời.
Em xin chân thành cảm ơn.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Ngọc Thái
i
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này trình bày kết quả tìm hiểu, phân tích cơ khí và thiết hệ thống điện
điều khiển hệ thống thanh trùng nước trái cây. Từ việc phân tích kết cấu cơ khí có sẵn
đưa ra phương án thiết kế P&ID, tính toán truyền nhiệt cho thiết bị, chọn lựa cảm biến,
thiết bị điều khiển, phương án điều khiển và lập trình PLC cũng như giao diện cho HMI.
Từ đó thực hiện quá trình sản xuất các sản phẩm chất lượng, đảm bảo các quá trình vệ
sinh thực phẩm cũng như kiểm định chất lượng phục vụ cho quá trình tiêu thụ sản phẩm.
ii
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ......................................................................................... 1
1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu ............................................................................1
1.1.1 Quá trình nhiệt sản phẩm liên tục ....................................................................1
1.1.2 Các phương pháp nhiệt thực phẩm ..................................................................2
1.1.3 Tổng quan về quá trình truyền nhiệt ..............................................................19
1.1.4 Các phương pháp điều khiển .........................................................................22
1.2 Tổng quan về sự hình thành, phát triển của đề tài ...............................................23
1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi của đề tài ...........................................................24
1.3.1 Mục tiêu .........................................................................................................24
1.3.2 Nhiệm vụ .......................................................................................................24
1.3.3 Phạm vi đề tài ................................................................................................24
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ............... 25
2.1 Giới thiệu..............................................................................................................25
2.2 Tính toán truyền nhiệt thiết bị thanh trùng ..........................................................27
2.3 Tính toán truyền nhiệt làm lạnh đột ngột dung dịch chanh dây...........................36
2.4 Tính toán trao đổi nhiệt cho thiết bị cung cấp nước nóng ...................................42
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ................. 47
3.1 Thiết bị thủy lực ...................................................................................................47
3.1.1 Thiết bị phân tách (separator) ........................................................................47
3.1.2 Lọc y (strainer) ..............................................................................................48
3.1.3 Bẫy nước (steam trap)....................................................................................48
3.1.4 Van điều khiển ...............................................................................................49
3.1.5 Bộ điều khiển vị trí trên van cho hơi .............................................................52
3.1.6 Điều khiển ON- OFF .....................................................................................55
3.1.7 Điều khiển liên tục .........................................................................................57
iii
3.2 Thiết bị điện .........................................................................................................74
3.2.1 Thiết bị điều khiển .........................................................................................74
3.2.2 Thiết bị giao tiếp ............................................................................................78
3.2.3 Thiết bị đóng ngắt nguồn ...............................................................................81
3.2.4 Cảm biến nhiệt độ và cách lấy tín hiệu ..........................................................81
3.2.5 Biến tần ..........................................................................................................86
3.3 Thiết kế sơ đồ mạch điện cho hệ thống................................................................87
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANH
TRÙNG ......................................................................................................................... 90
4.1 Giải thuật vận hành hệ thống thanh trùng và điều khiển nhiệt độ .......................90
4.2 Lập trình trên phần mềm TIA Portal- V13 ..........................................................91
4.2.1 Thiết lập PLC trên màn hình .........................................................................91
4.2.2 Các lệnh dùng trong chương trình và lập trình ..............................................93
4.2.3 Lập trình HMI ................................................................................................97
4.3 Thiết kế hệ thống giám sát SCADA trên phần mềm WinCC 7.4 ........................99
CHƯƠNG 5: TỒNG KẾT ........................................................................................ 105
4.4 Kết quả đạt được .............................................................................................105
4.5 Các vấn đề còn tồn tại .....................................................................................105
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 106
iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1: Quá trình nhiệt sản phẩm liên tục [1, p4] .......................................................1
Hình 1. 2: Biểu đồ nhiệt độ thanh trùng và tiệt trùng từ Tetra Pak .................................2
Hình 1. 3: Phân loại dựa vào thiết bị trao đổi nhiệt [1, p.58] ..........................................3
Hình 1. 4: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (bản mỏng) ..................................................4
Hình 1. 5: Các tấm trao đổi nhiệt bên trong [5] ..............................................................4
Hình 1. 6: Dòng chảy bên trong thiết bị trao đổi dạng tấm [5] .......................................5
Hình 1. 7: Ống trơn (b) Ống xoắn [1, p.73] ....................................................................6
Hình 1. 8: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống [1, p.76] .......................................................7
Hình 1. 9: Thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt cạo (scraped-surface) ......................................8
Hình 1. 10: Thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt cạo .................................................................8
Hình 1. 11: Sơ đồ thể hiện quá trình gia nhiệt trực tiếp [1, p.86] .................................11
Hình 1. 12: Đường cong nhiệt độ- thời gian cho quá trình gia nhiệt trực tiếp liên tục [1,
p.86] ...............................................................................................................................11
Hình 1. 13: (a), ống nguyên liệu lấy hình dáng của ống khuếch tán [1, p.88]; (b) Hơi
nóng được bơm vào tại góc nhọn tới dòng nguyên liệu; (c) nguyên liệu đi qua một ống
venturi và hơi nóng hòa vào tại phần mở rộng của ống venturi ....................................12
Hình 1. 14: Quá trình gia nhiệt dòng chảy liên tục với steam injection và làm lạnh [1,
p.89] ...............................................................................................................................14
Hình 1. 15: Hệ cung cấp nguyên liệu trong infusers [1, p.92] ......................................15
Hình 1. 16: Quá trình gia nhiệt dòng chảy liên tục injusion và phần mạch làm lạnh mở
rộng [1, p.93] .................................................................................................................16
Hình 1. 17: Biểu đồ truyền nhiệt UHT trực tiếp: 1, vùng hồi nhiệt; 2, vùng gia nhiệt
pre-heat; 3, ống holding; 4, vùng làm lạnh nhanh; 5, vùng làm lạnh; CW, nước giải
nhiệt; E, bơm hút; H, đồng hóa; I, điểm injection; S, vùng tách [1, p.246] ..................17
Hình 1. 18: Biểu đồ của truyền nhiệt UHT gián tiếp: 1, vùng hồi nhiệt; 2, vùng gia
nhiệt cuối cùng; 3, ống holding; 4, vùng làm lạnh; CW, nước giải nhiệt; H, đồng hóa;
S, hơi hoặc nước nóng [1-244]So sánh quá trình trao đổi nhiệt của thiết bị trao đổi
trực tiếp và gián tiếp [1, p.101] .....................................................................................17
Hình 1. 19: Dòng chảy countercurrent trong trao đổi nhiệt [9, p.4]..............................19
Hình 1. 20: Dòng chảy cocurrent (song song) trong trao đổi nhiệt [9, p.5] ..................20
v
Hình 1. 21: Mối quan hệ giữa áp suất/ lưu lượng của dòng chảy tầng và chảy rối [19,
p.20] ...............................................................................................................................21
Hình 2. 1: Sơ đồ khối của bài toàn thuận [20, p.172]....................................................25
Hình 2. 2: Biểu đồ lưu chất chuyển động ngược chiều .................................................27
Hình 2. 3: Biểu đồ chênh lệch nhiệt độ .........................................................................30
Hình 2. 4: Biểu đồ lưu chất chuyển động ngược chiều .................................................36
Hình 2. 5: Biểu đồ chênh lệch nhiệt độ trung bình........................................................39
Hình 2. 6: Biểu đồ chênh lệch nhiệt độ trung bình........................................................45
Hình 3. 1: Hệ thống trao đổi nhiệt tấm với đầu vào thay đổi và vận tốc dòng thứ cấp
không đổi [12, p.577] ....................................................................................................47
Hình 3. 2: Mặt cắt bộ phân tách [12, p.31]; (a) Hình dáng khác của bộ phân tách [12,
p.1024] ...........................................................................................................................47
Hình 3. 3: Lọc y [14, p.84]; (b) Mặt cắt lọc y [12, p.31]...............................................48
Hình 3. 4: (a) Bẫy nước với air cock; (b) Bẫy nước với thermostatic air vent [12,
p.955] .............................................................................................................................49
Hình 3. 5: Đặc điểm hình dạng đặc trưng của góc trim phân biệt van [12, p.659] .......49
Hình 3. 6: Đường đặc tính đặc trưng của van globe và rotary [12, p.660] ...................49
Hình 3. 7: Đồ thị lưu lượng/ độ nâng của van tuyến tính [12, p.660] ...........................50
Hình 3. 8: Lưu lượng và độ nâng cho equal percent characteristic với áp suất không
đổi [12, p.662] ...............................................................................................................51
Hình 3. 9: Những thiết bị điều khiển đặc trưng trong hệ thống [12, p.530]..................52
Hình 3. 10: Bộ điều khiển vị trí van ..............................................................................53
Hình 3. 11: Van divert của spirax sarco [27].................................................................54
Hình 3. 12: Van mixing (lưu lượng không đổi, nhiệt độ thay đổi) ...............................54
Hình 3. 13: Van rẽ nhánh (nhiệt độ không đổi trong mạch hoạt động với lưu lượng
thay đổi) .........................................................................................................................55
Hình 3. 14: Điều khiển ON/OFF nhiệt độ nước trong bồn chứa [12, p.533] ................56
Hình 3. 15: Hoạt động ON-OFF của bộ ổn định nhiệt [12, p.534] ...............................56
Hình 3. 16: Nhiệt độ trong bồn theo nhiệt độ [12, p.534] .............................................57
Hình 3. 17: Vòng điều khiển nhiệt độ cho bộ trao đổi nhiệt[12, p.555] .......................58
Hình 3. 18: Mô hình hệ thống trao đổi nhiệt tấm ..........................................................59
vi
Hình 3. 19: Biểu đồ nhiệt độ theo thời gian ..................................................................60
Hình 3. 20: Mô hình hóa hệ thống bằng Matlab Simulink ............................................61
Hình 3. 21: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển P ..................................................................62
Hình 3. 22: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển PI.................................................................62
Hình 3. 23: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển P ..................................................................63
Hình 3. 24: Mô hình hệ thống thanh trùng ....................................................................64
Hình 3. 25: Biểu đồ nhiệt độ theo thời gian ..................................................................65
Hình 3. 26: Mô hình hóa hệ thống bằng Matlab Simulink ............................................66
Hình 3. 27: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển P ..................................................................67
Hình 3. 28: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển PI.................................................................67
Hình 3. 29: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển P ..................................................................68
Hình 3. 30: Mô hình hệ thống làm lạnh nhanh ..............................................................69
Hình 3. 31: Biểu đồ nhiệt độ theo thời gian ..................................................................70
Hình 3. 32: Mô hình hóa hệ thống bằng Matlab Simulink ............................................71
Hình 3. 33: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển P ..................................................................72
Hình 3. 34: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển PI.................................................................72
Hình 3. 35: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển PID ..............................................................73
Hình 3. 36: Rờ-le [14, p.37]; (b) Sơ đồ dây của Rờ-le [17] ..........................................74
Hình 3. 37: Bo mạch có gắn chip vi điều khiển ............................................................75
Hình 3. 38: PLC của hãng Simen ..................................................................................75
Hình 3. 39: Sơ đồ đấu dây của PLC Simen 1200 ..........................................................77
Hình 3. 40: Modun giao tiếp RS485 và modun Analog[14] .........................................78
Hình 3. 41: LCD và Keypad ..........................................................................................79
Hình 3. 42: Màn hình HMI Proface...............................................................................79
Hình 3. 43: Màn hình TP700 [16]; (b) Khi màn hình được đặt nằm ngang [14] ..........80
Hình 3. 44: MCB ...........................................................................................................81
Hình 3. 45: Contactor và Rơ le nhiệt Simen [14, p.84]; (b) Sơ đồ dây của contactor và
Rơ le nhiệt [17] ..............................................................................................................81
Hình 3. 46: Cấu tạo cặp nhiệt điện ................................................................................82
vii
Hình 3. 47: Cấu tạo của RTD ........................................................................................83
Hình 3. 48: Đồng hồ hiển thị nhiệt độ DTK4848 [14];(b) Sơ đồ chân của DTK4848
[14].................................................................................................................................85
Hình 3. 49: Sơ đồ mạch chuyển đổi trong biến tần [15] ...............................................86
Hình 3. 50: Mạch động lực ............................................................................................88
Hình 3. 51: Mạch điều khiển .........................................................................................89
Hình 4. 1: Sơ đồ giải thuật chương trình chính .............................................................90
Hình 4. 2: Sơ đồ giải thuật chương trình con AUTO ....................................................91
Hình 4. 3: Sơ đồ giải thuật chương trình con MANUAL ..............................................91
Hình 4. 4: Thiết lập các I/O ...........................................................................................92
Hình 4. 5: Cài đặt các thông số chuẩn truyền ................................................................92
Hình 4. 6: Thông số Analog đầu vào trên PLC .............................................................93
Hình 4. 7: Giao diện chương trình tại chương trình Main .............................................96
Hình 4. 8: Giao diện chương trình tại chương trình con FC .........................................97
Hình 4. 9: Màn hình Operate .........................................................................................97
Hình 4. 10: Màn hình Overview ....................................................................................98
Hình 4. 11: Màn hình Setting_Values ...........................................................................98
Hình 4. 12: Màn hình Manual .......................................................................................99
Hình 4. 13: Giao diện màn hình SCADA ......................................................................99
Hình 4. 14: Giao diện xuất báo cáo, cảnh báo sử dụng VB Script ..............................100
Hình 4. 15: Giao diện các kết nối ................................................................................100
Hình 4. 16: Giao diện OPC Kepsever .........................................................................101
Hình 4. 17: Chanh dây tách dạng thô ..........................................................................101
Hình 4. 18: Chanh dây qua sàng rung tách xơ ............................................................102
Hình 4. 19: Hệ thống bồn bài khí ................................................................................102
Hình 4. 20: Hệ thống bồn khuấy .................................................................................103
Hình 4. 21: Chanh dây đóng chai bảo quản lạnh.........................................................103
Hình 4. 22: Biểu đồ nhiệt độ quá trình thanh trùng, làm lạnh .....................................104
viii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1: So sánh thanh trùng và tiệt trùng ...................................................................2
Bảng 1. 2: So sánh các dạng thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp ..........................................9
Bảng 1. 3: So sánh trao đổi nhiệt injection và trao đổi nhiệt infusion ..........................16
Bảng 1. 4: So sánh truyền nhiệt trực tiếp và truyền nhiệt gián tiếp ..............................18
Bảng 1. 5: So sánh dòng chảy countercurrent và cocurrent ..........................................20
Bảng 1. 6: So sánh hơi, nước nóng và dầu nóng [12, p.10] ..........................................21
Bảng 2. 1: Các đặc trưng của các dòng lưu chất [20, p.172].........................................26
Bảng 2. 2: Các thông số lưu chất được sử dụng ............................................................27
Bảng 2. 3: Thông số của vật liệu làm ống ( inox 316) [34]...........................................27
Bảng 2. 4: Thông số của dung dịch chanh dây và nước nóng. ......................................28
Bảng 2. 5: Độ nhớt của nước trong đơn vị SI................................................................28
Bảng 2. 6: Thông số của dung dịch chanh dây và nước lạnh ........................................36
Bảng 2. 7: Thông số đặc tính của lưu chất ....................................................................43
Bảng 2. 8: Thông số đầu vào và đầu ra của các lưu chất ..............................................43
Bảng 2. 9: Thông số bộ gia nhiệt tấm Alfa Laval .........................................................45
Bảng 3. 1: Thông số kĩ thuật SP400 ..............................................................................53
Bảng 3. 2: Giá trị cài đặt SP400 ....................................................................................53
Bảng 3. 3: Các hệ số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols 1 ................................61
Bảng 3. 4: Nhận xét các bộ điều khiển ..........................................................................63
Bảng 3. 5: Các hệ số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols 1 ................................66
Bảng 3. 6: Nhận xét các bộ điều khiển ..........................................................................68
Bảng 3. 7: Các hệ số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols 1 ................................71
Bảng 3. 8: Nhận xét các bộ điều khiển ..........................................................................73
Bảng 3. 9: So sánh các thiết bị điều khiển.....................................................................76
Bảng 3. 10: Thông số kĩ thuật của PLC Simen 1200 ....................................................77
Bảng 3. 11: Thông số màn hình HMI TP700 comfort ..................................................80
Bảng 3. 12: Thông số kĩ thuật cảm biến nhiệt độ PT100 ..............................................84
Bảng 3. 13: Thông số kĩ thuật của đồng hồ nhiệt DTA4848.........................................85
Bảng 3. 14: Thông số kĩ thuật của biến tần INVT CHF100A [15, p.74] ......................86
Bảng 3. 15: Kí hiệu trong mạch điện.............................................................................87
Bảng 4. 1: Các lệnh dùng trong chương trình ...............................................................93
ix
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu
1.1.1 Quá trình nhiệt sản phẩm liên tục
[1] Nhiệt thực phẩm có rất nhiều lí do, một trong những lí do chính để bất hoạt
những vi sinh vật gây bệnh, làm hỏng thực phẩm. Những lí do khác bao gồm bất hoạt
những enzymes. Từ đó thực phẩm bảo quản được lâu hơn về mùi vị, màu của thành
phẩm. Ví dụ, thực phẩm sẽ bị hỏng và không thể ăn được dưới phản ứng xúc tác của
những emzymes, như thực phẩm sẽ hóa nâu bởi enzyme polyphenol oxidases (PPO) và
mùi sẽ thay đổi bởi hoạt động của lipase (enzyme xúc tác cho quá trình phân hủy chất
béo) và proteolytic (enzyme phá vỡ protein). Quá trình của nhiệt thực phẩm liên tục sẽ
làm giảm những phản ứng hóa học, như là sự keo hóa, biến tính protein hoặc hóa nâu,
những điều này ảnh hướng tới các đặc điểm như màu, mùi và vị.
Trong quá trình nhiệt liên tục, quá trình bao gồm khoảng thời gian gia nhiệt lên tới
một nhiệt độ nhất định, giữ tại nhiệt độ đó trong khoảng thời gian ngắn, sau đó làm lạnh
đột ngột. Quá trình xử lí nhiệt sẽ theo một đồ thị nhiệt nhất định dựa vào thành phần vi
khuẩn cần xử lí, yêu cầu của nhà sản xuất. Sau khi xử lí nhiệt thì thực phẩm sẽ được
đóng gói trong môi trường vô trùng. Những thay đổi chất trong dịch sẽ nhỏ nhất bằng
cách sử dụng nhiệt độ cao nhất có thể trong khoảng thời gian nhỏ nhất cần thiết để dịch
được thanh trùng. Chất lượng của sản phẩm sau khi gia nhiệt dựa vào tốc độ gia nhiệt
sản phẩm tới nhiệt độ cuối cùng và tốc độ làm lạnh sản phẩm.
Hình 1. 1: Quá trình nhiệt sản phẩm liên tục [1, p4]
Trong quá trình gia nhiệt để loại bỏ các bào tử trong dịch (nguyên liệu), tránh quá
trình ôxi hóa người ta sẽ cho dịch đi qua bình bài khí được hút bởi bơm chân không và
đồng thời có thể bơm khí vô trùng vào trong dịch để đẩy những bào tử đó ra.
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.2 Các phương pháp nhiệt thực phẩm
- Phân loại dựa vào nhiệt độ
Hình 1. 2: Biểu đồ nhiệt độ thanh trùng và tiệt trùng từ Tetra Pak
Bảng 1. 1: So sánh thanh trùng và tiệt trùng
Thanh trùng
Tiệt trùng
Nhiệt độ gia nhiệt (℃)
72-80
Trung bình 140℃
Thời gian gia nhiệt(s)
15-40 giây với nhiệt độ
4 giây tại 140℃. Thời gian
cao trên 70 ℃)
tỉ lệ nghịch với nhiệt độ,
Không ít hơn 30 phút với
nhiệt độ lớn hơn thì thời
với nhiệt độ tại 63℃.
gian holding sẽ giảm và
ngược lại.
Vi sinh vật bất hoạt chủ
[2] Loại bỏ hoặc phá hủy
Loại bỏ hoặc tất cả hình
yếu
tất cả các hình thức sinh
thức vi sinh vật sống và
vật gây bệnh, chủ yếu là
các tác nhân sinh học.
Clostridium botulinum.
[1] Nhưng Bacillus cereus
2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
(vi khuẩn trực Gram
dương) vẫn có thể sống và
phát triển tại nhiệt độ thấp.
Bảo quản
Sản phẩm phải được giữ
Sản phẩm bảo quản nhiệt
lạnh để bảo quản nhằm
độ thường.
không cho vi sinh vật phát
triển.
Tuổi thọ sản phẩm
7- 10 ngày [1, p.193].
Hơn 6 tháng.
- Phân loại dựa vào thiết bị trao đổi nhiệt
Hình 1. 3: Phân loại dựa vào thiết bị trao đổi nhiệt [1, p.58]
Nhiệt độ sử dụng trong hầu hết mọi thiết bị là hơi nóng hoặc nước nóng, được tạo
từ sự cháy của nhiên liệu rắn, dầu hoặc gas. Trong vài trường hợp, hơi hoặc nước nóng
có thể được tạo ra bằng nồi hơi nước nóng điện, nhưng đó là những trường hợp rất đặc
biệt bởi vì chi phí cao cho việc sử dụng điện. Vì thế em phân tích kĩ trường hợp dùng
hơi hoặc nước nóng.
1.1.2.1 Gia nhiệt gián tiếp (indirect heating)
Bao gồm:
- Thiết bị gia nhiệt dạng tấm (bản mỏng)
- Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống
- Thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt cạo
3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.2.1.1 Thiết bị gia nhiệt dạng tấm (bản mỏng)
Hình 1. 4: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (bản mỏng)
Hình 1. 5: Các tấm trao đổi nhiệt bên trong [5]
[1, p.64] Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm được sử dụng nhiều năm và rộng rãi trong
gia nhiệt dòng liên tục như thanh trùng và thanh trùng sữa, kem, nước ép… Ưu điểm
của thiết bị dạng tấm có thể kích thích chảy rối trong dòng hơi sản phẩm và làm nóng
hoặc làm lạnh qua profile thích hợp của những tấm này với những nếp nhăn trên bề mặt
tấm: kích thước nhỏ nhất giữa các tấm, hiệu suất cao, vì vậy thiết bị này phù hợp với bất
kì nhiệt yêu cầu. Nhiều phần trao đổi nhiệt với những nhiệt độ khác nhau (gia nhiệt, làm
4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
lạnh, hoặc hồi nhiệt) có thể ghép lại với nhau trong một khung duy nhất.Nếu trao đổi
nhiệt cho lưu chất có chứa xơ, như nước ép trái cây, xơ sẽ dính trên những điểm tiếp
xúc và có thể dẫn tới tắc ống của dòng chảy. Những tấm đặc biệt được thiết kế cho
những sản phẩm như thế sẽ không có điểm tiếp xúc.
Hình 1. 6: Dòng chảy bên trong thiết bị trao đổi dạng tấm [5]
Dòng chảy bên trong thiết bị có thể chảy theo single-pass arrangement hoặc multipass arrangement.
1.1.2.1.2 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống
[1, p.72] Rất nhiều ứng dụng khi mà thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm không phù
hợp thì thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng được ưu tiên. So sánh với thiết bị trao đổi
nhiệt dạng tấm, ưu điểm của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng có thể dùng cho những
lưu chất có độ nhớt động học lớn hơn, lưu lượng dòng chảy lớn dòng chảy lớn hoặc lưu
chất có chứa xơ hoặc thậm chí là khối, nhưng diện tích trao đổi nhiệt nhỏ hơn với cùng
thể tích chất lỏng trong thiết bị, chính vì thể tốc độ trao đổi nhiệt của thiết bị ống lồng
sẽ nhỏ hơn thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm.
Có hai kiểu chủ yếu thiết bị trao đổi dạng ống: nhiều ống đồng tâm hoặc ống trong
vỏ. Về kiểu của ống thì ống có thể là ống trơn thẳng hoặc ống bề mặt xoắn. Việc sử
dụng ống có bề mặt xoắn thay cho ống trơn thằng ngày càng phổ biến, những đường
xoắn tăng chảy rối trong lưu chất dẫn tới tăng trao đổi nhiệt. Với những sản phẩm có độ
nhớt động học cao, những đường xoắn kích thích cho dòng chảy rối khi mà bình thường
đó là dòng chảy tầng, thậm chí ảnh hướng tới tốc độ trao đổi nhiệt. Tăng tới 30% hiệu
suất trao đổi nhiệt, giảm diện tích trao đổi nhiệt yêu cầu.
- Dạng các ống đồng tâm (Concentric tube heat exchanger)
5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Hình 1. 7: Ống trơn (b) Ống xoắn [1, p.73]
[1, p.73] Khi có 3 hoặc nhiều hơn những ống đồng tâm, hệ gia nhiệt và làm lạnh
và dòng sản phẩm trong những vành khuyên luân phiên sẽ cho vùng tiếp xúc nhiệt lớn
nhất giữ 2 ống, nhiệt được trao đổi từ 2 bề mặt ống. Hệ 2 ống đồng tâm phù hợp cho
những sản phẩm có solid hoặc pulp hoặc fiber lớn.
[1, p.73] Hệ thống ba ống thường dùng cho giai đoạn gia nhiệt cuối cùng tới nhiệt
độ thanh trùng và giai đoạn làm lạnh cuối cùng, đặc biệt khi tốc độ làm lạnh yêu cầu
nghiêm ngặt bởi nguyên liệu có độ nhớt cao. Hai ống lồng nhau được dùng cho phần
thu hồi nhiệt.
- Dạng ống lồng trong ống (Shell-and-Tube tubular heat exchangers)
Nhiều ống thẳng nhỏ được ghép lại nằm trong một ống lớn, những ống này có
đường kính bằng nhau, thường từ 10 - 15mm. Những ống nhỏ bên trong được nối với
nhau bằng bộ phân phối tại phía cuối của ống lớn bên ngoài, và sản phẩm chạy theo
những đường dẫn song song.
6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Hình 1. 8: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống [1, p.76]
1.1.2.1.3 Thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt cạo
[1, p.79] Thiết bị trao đổi bề mặt cạo bao gồm 1 khối trụ, bên trong khối trụ là
dòng sản phẩm và 1 lớp bên ngoài có thể là dòng nóng hoặc lạnh. Trung tâm của khối
trụ là một trục quay hỗ trợ cho cánh cạo. Sản phẩm được bơm qua khoảng trống giữa
hình trụ và trục quay, vùng gia nhiệt (làm lạnh) là diện tích của khối trụ.
7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Hình 1. 9: Thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt cạo (scraped-surface)
Hình 1. 10: Thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt cạo
[1, p.79] Trục quay có nhiều kích thước, trục quay lớn và khoảng trống nhỏ phù
hợp tốt nhất cho lưu chất có độ vis cao hoặc chứa solid nhỏ, trong khi trục quay nhỏ phù
hợp với lưu chất chứa solid lớn, có thể lên tới 25 mm. Trục quay càng lớn thì tốc độ trao
đổi nhiệt càng nhanh.
Thiết bị trao đổi nhiệt này có rất nhiều nhược điểm, chỉ dùng khi dòng sản phẩm
có độ nhớt động học hoặc độ dính rất cao, chứa solid lớn, hoặc một khi sự kết tinh có
thể xuất hiện.
8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Bảng 1. 2: So sánh các dạng thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp
Bản mỏng
Cấu tạo
Đơn giản và dễ lắp đặt.
Ống trong ống
Đơn giản, dễ lắp đặt,
nhưng khó hơn bản mỏng
trong quá trình gia công.
Rửa
[6] Dễ dàng tháo rời để vệ
Phải có hệ thống CIP
sinh COP (cleaning out
(cleaning in place) riêng.
place).
Khả năng sửa chữa
Kiểm tra
Dễ dàng tháo lắp và thay
Khó thay thế nếu có 1 ống
thế nếu có 1 tấm hỏng.
bên trong bị hỏng.
Khó, vì khó tìm những rò
Dễ dàng tìm ra và thay thế
rỉ với pressure test.
phần bị rò rỉ với pressure
test.
Kiểu dòng chảy
Chảy rối.
Rối hoặc tầng.
Chi phí đầu tư
Lớn hơn ống trong ống vì
Ít hơn bản mỏng vì vật
vật liệu làm tấm là
liệu là inox 316.
Titanium đắt.
Kích thước solid trong lưu Nhỏ hơn ống trong ống.
10-25 mm.
chất có thể gia nhiệt
Áp suất trong lưu chất
Cao hơn ống trong ống. Vì
khoảng cách giữa các bản
nhỏ nên lớp fouling hình
thành nhanh nên áp suất
lưu chất phải cao hơn .
Sự sụt áp
Lớn hơn ống trong ống.
Nhỏ hơn bản mỏng.
Hiệu suất trao đổi nhiệt
Lớn hơn ống trong ống.
Nhỏ nhất.
9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.2.2 Gia nhiệt trực tiếp (direct heating)
[1, p.84] Với hệ thống gia nhiệt trực tiếp, nguyên liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ
tiệt trùng bằng cách trộn nó với khí nóng. Một trong số đó là hơi nước ngưng tụ, từ bỏ
nhiệt độ hóa hơi của nó cho nguyên liệu và tốc độ truyền nhiệt nhanh hơn bất cứ hệ gia
nhiệt gián tiếp. Nếu hơi được bơm vào trong nguyên liệu được gọi là steam injection
hoặc steam-into-product, nếu nguyên liệu được bơm vào trong buồng hơi bằng phun
được gọi là infusion hoặc product-into-steam.
Phương pháp gia nhiệt này có thể dẫn tới sự pha loãng nguyên liệu. Ví dụ, khi
nhiệt độ tới 60℃ bao gồm 11% hơi nước dạng hơi bảo hòa.
[1, p.85] Với nhiều sản phẩm thực phẩm, khi mà không được phép thêm nước,
hoặc yêu cầu làm lạnh rất nhanh, “flashing cooling” có thể được sử dụng. Trong
“flashing cooling”, nguyên liệu được giãn ra thông qua bộ hạn chế vào một mạch làm
mát mở rộng, thường là bình cyclone (chiết tách), tại đây áp suất sẽ nhỏ hơn áp suất khí
quyển. Nước trong nguyên liệu sẽ lập tức xôi, thành hơi nước, được tách từ lưu chất,
được loại ra khỏi mạch, và ngưng tụ. Thêm vào, những khí hòa tan và những phần dễ
bay hơi hoặc vị của nguyên liệu có thể bị loại bỏ. Lượng nước bị loại bỏ, và áp suất của
nguyên liệu được làm lạnh, có thể điều khiển được bằng lượng chân không trong mạch.
Rõ ràng là, thiết bị hạn chế có thể là van hoặc tấm lỗ (orifice plate), những nguyên liệu
dễ biến dạng, hoặc chứa những solid riêng biệt thì không thể làm lạnh theo phương pháp
này.
Hiệu suất nhiệt của gia nhiệt trực tiếp có thể được tăng lên bằng hồi nhiệt gián tiếp
trước khi nguyên liệu được trộn với hơi nóng, điều này có thể làm được qua trao đổi
nhiệt từ phần nguyên liệu đi ra sau mạch làm mát mở rộng (expansion cooling stage),
bời sự thu hồi của nhiệt từ hơi nước thoát ra từ mạch mở rộng. Nhiệt độ nguyên liệu
trước khi trộn với steam phải được kiểm soát, và để làm được điều đó tại vị trí dia nhiệt
(pre-heat) gián tiếp khi mà nhiệt độ đầu ra được điều khiển trước khi vào gia nhiệt trực
tiếp. Điều này bình thường với gia nhiệt trực tiếp để đồng hóa (homogenize) sau thanh
trùng, nếu đồng hóa cần thiết. Quá trình tổng thể được để hiện trong sơ đồ bên dưới.
10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Hình 1. 11: Sơ đồ thể hiện quá trình gia nhiệt trực tiếp [1, p.86]
Hình 1. 12: Đường cong nhiệt độ- thời gian cho quá trình gia nhiệt trực tiếp liên tục
[1, p.86]
11
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.2.2.1 Injection (steam into product)
[1, p.85] Nguyên lí là sự ngưng tụ hơi nước nhanh, để tốc độ gia nhiệt nhanh, và
tránh các bong bóng của hơi nước không đi qua ống giữ (holding tube), điều này sẽ giảm
hiệu quả thời gian giữ tại nhiệt độ thanh trùng vì chúng chiếm chỗ chất lỏng và tăng thể
tích của chất lỏng trong ống giữ. Ngưng tụ nhanh được thực hiện bằng đưa hơi nóng vào
trong chất lỏng bằng dạng những bong bóng nhỏ hoặc dạng of những tấm mỏng rằng dễ
dàng cho vào chất lỏng cả hai bên. Nên có một van áp suất (back-pressure) thích hợp
trong chất lỏng, để tránh hiện tượng sôi. Sự co rút của những bong bóng trong suốt quá
trình ngưng đọng dẫn tới sự thay đổi đột ngột trong áp suất của lưu chất, điều này có thể
làm nhiễu quá trình injectors. Hiện tượng này được biết đến phổ biến như một dạng khác
của steam injection, và một số hình thức hấp thụ âm thanh có thể cần thiết.
Ba thiết kế đặc trưng của steam injection được thể hiện bên dưới:
Hình 1. 13: (a), ống nguyên liệu lấy hình dáng của ống khuếch tán [1, p.88]; (b) Hơi
nóng được bơm vào tại góc nhọn tới dòng nguyên liệu; (c) nguyên liệu đi qua một ống
venturi và hơi nóng hòa vào tại phần mở rộng của ống venturi
12
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Hình (a): Ống nguyên
liệu lấy hình dáng của ống
khuếch tán (venturi), hoặc
phần mở rộng của ống
venturi. Hơi nóng được cung
cấp qua 4 ống xung quanh
ống nguyên liệu. Một tập hợp
nhiều lỗ nhỏ dọc đường tiếp xúc của những ống hơi nóng với ống nguyên liệu cho phép
hơi nóng đi vào trong dung dịch dạng những bong bóng nhỏ. Một số ống nhỏ được
khoan xuyên tâm, hoặc một vài có thể được khoan tại một góc nào đó để kích thích chảy
xoáy và rối trong sản phẩm để tăng tốc độ của condensation. Mặc dù hơi nằm dọc trên
chiều dài của của ống nguyên liệu, trao đổi nhiệt từ hơi qua nguyên liệu một cách gián
tiếp trong injectors là nhỏ nhất vì hình thức cấu trúc,với vùng trao đổi nhiệt nhỏ dọc theo
những lines tiếp xúc giữa hơi nóng và ống nguyên liệu.
Hình (b): Hơi nóng được bơm vào tại góc nhọn
tới dòng nguyên liệu, nơi nó ở dạng hình nón mỏng,
hướng vào bên trong. Điều này dẫn tới hòa và
condensation nhanh chóng.
Hình (c): Nguyên liệu đi qua một ống venturi và
hơi nóng hòa vào tại phần mở rộng của ống venturi,
nơi áp suất nguyên liệu tăng lên. Hơi nóng được bơm
vào trong một vành khuyên mỏng bao quanh nguyên
liệu. Vị trí ống venturi thứ 2 gây nên sự giảm và tăng
áp suất của injection và kích thích condensation và sự
khuếch tán. Trong 2 thiết kế cuối, hơi nóng bơm vào
vuông góc với dòng nguyên liệu vì thế trao đổi nhiệt
là nhỏ nhất.
13
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Hình 1. 14: Quá trình gia nhiệt dòng chảy liên tục với steam injection và làm lạnh [1,
p.89]
Nguyên liệu được bơm từ bể chứa (1) tới vị trí gia nhiệt (2) nơi nó được pre-heated
bởi dòng sản phẩm đi ra. Sao đó nguyên liệu được gia nhiệt thêm tới một nhiệt độ không
đổi trong khoảng thích hợp 75 tới 85℃ trong bộ gia nhiệt (3) bởi sự ngưng tụ của hơi
nước dưới chân không hoặc vòng tuần hoàn nước nóng. Nhiệt độ đầu ra của nguyên liệu
được điều khiển của vùng gia nhiệt này được điều khiển bởi bộ điều khiển hơi nước
cung cấp hoặc nhiệt độ của nước. Bơm áp suất cao bơm nguyên liệu tới steam injection
(4) và ống giữ, nơi mà áp suất phải đủ lớn để tránh hiện tượng xôi của nguyên liệu và
phân tách không khí hòa tan, như đã mô tả trong thanh trùng gián tiếp, và ngưng tụ hơi
nước thỏa mãn trong injection. Áp suất quá thấp sẽ khó khan để duy trì nhiệt độ và thời
gian giữ. Áp suất ngược của 1 bar cho gia nhiệt trực tiếp nên được cài đầy đủ. Điều kiện
điển hình của thanh trùng tại 144℃ cho thời gian giữ là 5 giây.
Mạch làm lạnh trực tiếp mở rộng (5) được giữ tại một khoảng trống thích hợp bởi
sự ngưng tụ của hơi nước thoát ra trong water-jet hoặc bề mặt ngưng tụ (6) với một bơm
hồi về. Phần chân không đó để tăng nhiệt của sản phẩm lên 1 − 2℃ cao hơn đầu ra sản
phẩm tại vị trí gia nhiệt (3); sự khác biệt nhiệt độ này là cần thiết để chắc chắn rằng
lượng hơi nước đã được loại bỏ để bù cho lượng hơi đã được thêm vào trong suốt quá
trình gia nhiệt. Một van giới hạn tại vị trí cuối của ống holding để đảm bảo áp suất cao
trong injector và ống holding, và như nguyên liệu chạy qua phần giới hạn với áp suất
thấp trong mạch mở rộng, nó sôi và nhanh chóng được làm lạnh.
14
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.2.2.2 Infusion (product into steam)
Hệ infusion giống hệ injection trong mọi khía cạnh ngoại trừ cách trộn nguyên liệu
với hơi nóng. Thiết kế của infusion được sử dụng khác bởi cách chế tạo khác. Trong
mọi trường hợp, có 1 bình hơi nước nóng dạng hình nón nới nguyên liệu đi vào và từ đó
đến ống giữ. Kích thước và tỉ lệ của bình khác nhau, như những phương áp được áp
dụng của nguyên liệu đi vào hơi nóng, nhưng thời gian gia nhiệt như khi nguyên liệu đi
xuống qua vùng không khí hơi nước không quá nửa giây nên không quá ảnh hưởng tới
hiệu suất thanh trùng.
Hai phương pháp lựa chọn được thể hiện bởi hình bên dưới:
Hình 1. 15: Hệ cung cấp nguyên liệu trong infusers [1, p.92]
Hình (a) nguyên liệu đi vào bát bán cầu với đĩa tròn lỏng với phía trên cùng. Dòng
nguyên liệu từ khoảng trống giữa bát và đĩa tròn lỏng tạo thành một chiếc ô mỏng với
hơi nóng đi vào từ 2 phía. Cho những trường hợp đặc biệt, những nguyên liệu có chứa
những hạt có thể gia nhiệt bằng phương pháp này, đĩa mỏng có thể được nâng lên sao
cho những hạt có thể đi qua cùng lưu chất. Hình (b), dòng nguyên liệu trong những ống
thẳng và song song. Chúng có những khe hở mỏng dọc phía dưới, từ nơi nguyên liệu đi
ra, dòng nguyên liệu rơi tự do một cách liên tục. Tất cả các đường ống có thể được sử
dụng, một vài có thể được đóng lại để tăng khoảng nhiệt dung riêng.
15
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Hình 1. 16: Quá trình gia nhiệt dòng chảy liên tục injusion và phần mạch làm lạnh mở
rộng [1, p.93]
Nguyên liệu được bơm tại (1) để đưa vào mạch injusion (2), nơi đây được cung
cấp hơi dưới sự điều khiển của bộ điều khiển C để cho ra nhiệt độ thanh trùng yêu cầu
trong ống holding. Nguyên liệu được gia nhiệt dưới áp suất của hơi trong ống holding
và bộ giới hạn (4) trong mạch mở rộng (5). Tốc độ dòng nguyên liệu có thể được điều
khiển bởi một bơm PD (3), vị trí quay ngược về được nối với một bộ điều khiển mức
(L) xác định lượng nguyên liệu chảy vào infuser; theo cách này thời gian giữ yêu cầu sẽ
chính xác hơn. Phần mở rộng được duy trì tại chân không cần thiết cho làm lạnh của bộ
ngưng tụ (6) và bơm ngược về loại bỏ những khí không ngưng tụ. Nguyên liệu được
làm lạnh ra khỏi đường dẫn tới một bơm asptic (đóng gói) (7) để cung cấp cho đồng hóa
(8), nếu cần thiết. Để duy trì lượng sản phẩn bơm vào mạch mở rộng, bộ điều khiển (L )
trong trường hợp này thay đổi tốc độ đồng hóa, hoặc bơm PD, như được so sánh với hệ
điều khiển trong steam injection.
Bảng 1. 3: So sánh trao đổi nhiệt injection và trao đổi nhiệt infusion
Injection (steam- into- steam)
Khó hơn injusers
Infusion (product- into- steam)
Dễ dàng hơn injectors, vì hơi
Quá trình
ngưng tụ không bao gồm sự
truyền nhiệt
hình thành những bong bóng
nhỏ và sự xâm thực
16
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Ảnh hưởng
Nhiều hơn injusers
Ít hơn injectors
Không có bình áp suất
Phải có thêm bình áp suất vì để
hóa học
Thiết bị
giữ cho áp suất hoạt động trong
mạch luôn cao
Tốc độ truyền
Phụ thuộc thiết kế injector và áp
Ước lượng khó, khoảng 0,1s cho
nhiệt
suất ngược về
infuser nhỏ (Burton et al.,1977),
và khoảng 0,5s cho hệ thống
tính kinh tế
Đồng hóa
Sau thanh trùng
Sau thanh trùng
Hình 1. 17: Biểu đồ truyền nhiệt UHT trực tiếp: 1, vùng hồi nhiệt; 2, vùng gia nhiệt
pre-heat; 3, ống holding; 4, vùng làm lạnh nhanh; 5, vùng làm lạnh; CW, nước giải
nhiệt; E, bơm hút; H, đồng hóa; I, điểm injection; S, vùng tách [1, p.246]
Hình 1. 18: Biểu đồ của truyền nhiệt UHT gián tiếp: 1, vùng hồi nhiệt; 2, vùng gia
nhiệt cuối cùng; 3, ống holding; 4, vùng làm lạnh; CW, nước giải nhiệt; H, đồng hóa.
17
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Bảng 1. 4: So sánh truyền nhiệt trực tiếp và truyền nhiệt gián tiếp
Truyền nhiệt trực tiếp
Truyền nhiệt gián tiếp
Tốc độ truyền nhiệt
Cao hơn
Thấp hơn
Độ tin tưởng chất
Ít hơn
Cao hơn
Lưu chất có thể
Độ vis cao hơn, ví dụ trong
Độ vis thấp hơn
được gia nhiệt
UHT milk, thời gian không cần
lượng sản phẩm
rửa lớn gấp 2 so với bản mỏng
hoặc ống
Chi phí thiết bị và
Cao hơn vì thiết bị chủ yếu
Rẻ hơn vì tube và plate có
vận hành
không tiêu chuẩn và phải chế
tiêu chuẩn
tạo đặc biệt. Có thêm những
bình mở rộng và bình ngưng.
Nhiều bơm và thiết bị điều
khiển hơn so với gián tiếp. Giá
mua thiết bị gấp hơn 2 gián tiếp.
Chi phí vận hành cũng cao hơn.
Sản phẩm [11]
Thay đổi về chất lượng sản
Thay đổi về chất lượng
phẩm nhỏ hơn indirect vì thời
sản phẩm lớn hơn direct vì
gian gia nhiệt nhỏ hơn.
thời gian gia nhiệt lớn
hơn.
Vấn để chủ yếu
Sự đóng cặn (fouling).
Xử lí hơi và lượng nước
trong quá trình
có trong steam sau truyền
truyền nhiệt
nhiệt có trong dung dịch.
Áp suất
Phải duy trì cao hơn áp suất hơi
bão hòa trong suốt quá trình
truyền nhiệt, cao hơn 1 bar được
khuyến khích.
18
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Để ngăn chặn sự sôi, áp suất ngược phải tồn tại bằng áp suất hơi của sản phẩm ở
nhiệt độ tối đa. Vì sản phẩm thường có hàm lượng nước cao, giá trị này xấp xỉ bằng áp
suất hơi của nước ở nhiệt độ khử trùng. Ở nhiệt độ 135 C, áp suất ngược khoảng 2 bar
(30 lb / in2) là cần thiết để ngăn ngừa sôi. Ở nhiệt độ 150 𝐶, áp suất sẽ phải vào khoảng
3,75 bar (55 lb / in2). Như đã thảo luận trước đó, áp suất vượt quá 1 bar là mong muốn
ngăn cản sự hòa tan của không khí. Áp suất ngược được duy trì bằng cách sử dụng van
áp suất ngược nằm ở cuối phần tái sinh.
1.1.3 Tổng quan về quá trình truyền nhiệt
1.1.3.1 Các kiểu dòng chảy trong ống
[9, p.2] Quá trình trao đổi nhiệt giữa 2 lưu chất khác nhau về nhiệt độ và được
ngăn cách bởi tường khối có trong rất nhiều ứng dụng. Thiết bị được dùng trong trao
đổi này được gọi là bộ trao đổi nhiệt, và những ứng dụng cụ thể có thể tìm thấy như là
lò sưởi, điều hòa nhiệt độ, thiết bị hồi nhiệt. Dòng chảy của nhiệt từ lưu chất qua một
lưu chất khác thường là ngược chiều nhau (encountered) trong thực tế. Trao đổi nhiệt là
sự di chuyển của năng lượng dựa trên sự khác biệt về nhiệt độ.
Chiều dòng chảy lưu chất trong ống trong ống:
Hình 1. 19: Dòng chảy countercurrent trong trao đổi nhiệt [9, p.4]
19
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Hình 1. 20: Dòng chảy cocurrent (song song) trong trao đổi nhiệt [9, p.5]
Bảng 1. 5: So sánh dòng chảy countercurrent và cocurrent
Dòng Countercurrent
Chiều lưu chất
Dòng cocurrent
Lưu chất nóng và lạnh đi ngược
Lưu chất nóng và lạnh đi vào
chiều nhau, đầu vào của lưu chất
cùng một đầu, chảy cùng
này là đầu ra của lưu chất kia.
chiều và đi ra cùng điểm cuối
Hiệu quả
Tốt hơn cocurrent vì dòng lưu
Kém hơn countercurrent
truyền nhiệt
chất lạnh có thể tiếp xúc với điểm
nóng nhất của lưu chất nóng đi
vào tại đầu ra của lưu chất lạnh.
Tốc độ truyền
Kém hơn dòng cocurrent
nhiệt
Tốt hơn dòng countercurrent
vì sự khác biệt nhiệt độ giữa
hai lưu chất lớn hơn, [9, p.5]
vì thế được dùng trong trường
hợp yêu cầu sự thay đổi nhiệt
độ nhanh chóng của một lưu
chất .
20
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.3.2 Chế độ dòng chảy trong ống
Hình 1. 21: Mối quan hệ giữa áp suất/ lưu lượng của dòng chảy tầng và chảy rối [19,
p.20]
Từ hình trên chúng ta có thể thấy:
- Dòng chảy tầng: áp suất sụt tỉ lệ thuận với vận tốc dòng chảy
- Dòng chảy rối: áp suất sụt tỉ lệ bình phương vận tốc dòng chảy
Từ góc độ truyền nhiệt, dòng chảy của lưu chất trong ống được yêu thích là dòng
chảy rối. Nhìn chung, tốc độ truyền nhiệt có thể phân ra dựa trên cơ chế truyền nhiệt
như sau [8, p.59]:
Sự dẫn nhiệt < đối lưu tự nhiên < Đối lưu cưỡng bức chảy tầng < Đối lưu cưỡng
bức chảy rối.
Lí do tốc độ truyền nhiệt của dòng chảy rối tốt hơn dòng chảy tầng là dòng chảy
xoáy di chuyển chất lỏng từ bề mặt này tới bề mặt khác một cách nhanh chóng. Khi xảy
ra điều này, năng lượng nhiệt của lưu chất cũng được vận chuyển theo bản thân chất
lỏng.
1.1.3.3 Các loại lưu chất dùng để truyền nhiệt
Bảng 1. 6: So sánh hơi, nước nóng và dầu nóng [12, p.10]
Hơi nóng
Nhiệt ẩn cao
Nước nóng
Nhiệt ẩn trung bình
21
Dầu nhiệt độ cao
Nhiệt ẩn kém
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
2100 𝑘𝐽/𝑘𝑔
4,19 𝑘𝐽/𝑘𝑔℃
1,69 − 2,93 𝑘𝐽/𝑘𝑔℃
Rẻ
Rẻ
Đắt
Hiệu suất truyền nhiệt cao
Hiệu suất truyền nhiệt
Hiệu suất truyền nhiệt
trung bình
kém
Nhiệt độ cao yêu cầu áp
Nhiệt độ cao yêu cầu áp
Nhiệt độ cao duy nhất khi
suất cao
suất cao
áp suất suất thấp
Yêu cầu bơm tuần hoàn
Yêu cầu bơm tuần hoàn
Đường ống lớn
Những đường ống lớn hơn
Dễ dàng điều khiển với
Phức tạp hơn để điều
Phức tạp hơn để điều
những van 2 hướng
khiển những valve 3
khiển những valve 3
hướng- có thể yêu cầu van
hướng- có thể yêu cầu
áp suất
van áp suất
Temperature breakdown
Temperature breakdown
Temperature breakdown
dễ dàng qua van giảm áp
khó hơn
khó hơn
Yêu cầu bẫy nước
Không yêu cầu bẫy nước
Không yêu cầu bẫy nước
Ngưng tụ cần kiểm soát
Không có ngưng tụ
Không có ngưng tụ
Có hơi nước
Không có hơi nước
Không có hơi nước
Xử lí nước cần thiết để
Ít ăn mòn
Sự ăn mòn có thể bỏ qua
Không nguy cơ cháy
Không nguy cơ cháy
Nguy cơ cháy
Hệ thống rất linh hoạt
Hệ thống kém linh hoạt
Hệ thống không linh hoạt
Không yêu cầu bơm tuần
hoàn
Đường ống nhỏ
tránh sự ăn mòn
1.1.4 Các phương pháp điều khiển
1.1.4.1 Lực dẫn động
Đây là nguồn dẫn động để vận hành điều khiển và dẫn động van hoặc thiết bị được
điều khiển khác. Thông thường nguồn dẫn động là điện, hoặc không khí nén cho hệ
22
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
thống khí, hoặc hỗn hợp của cả hai cho hệ điện khí nén. Những hệ thống tự điều khiển
không yêu cầu bất cứ nguồn năng lượng nào từ bên ngoài, tự chúng tạo ra năng lượng
từ thủy lực hoặc áp suất hơi nước.
1.2 Tổng quan về sự hình thành, phát triển của đề tài
Bảo quản thực phẩm trong hộp kín được cho là công trình tiên phong những năm
1790 của người Pháp Nicolas Appert, mặc dù nghiên cứu gần đây của Cowell (1994 và
1995) đã chỉ ra rằng công trình thí nghiệm về việc hâm nóng và bảo quản thực phẩm
trong hộp kín đã được ghi nhận sớm hơn nhiều. Ông cũng mô tả một số chi tiết về quá
trình thương mại hóa ban đầu của quy trình đóng hộp ở London vào đầu thế kỷ 19, bao
gồm sự đóng góp không chỉ của Nicholas Appert, mà còn của Peter Durand, Bryan
Donkin, John Gamble và Phillipe de Girard. Điều thú vị và đáng lo ngại là các tác nhân
gây ra ngộ độc và hư hỏng thực phẩm vẫn chưa được hiểu rõ cho đến tận cuối thế kỷ đó,
năm 1864 thông qua công trình của Louis Pasteur, người đã xác nhận rằng nhiều quá
trình lên men thực phẩm làm hỏng thực phẩm không phải tự phát mà là kết quả của quá
trình chuyển hóa vi sinh vật. Ông cũng phát hiện ra rằng cả nấm men và các loài
Acetobacter đều có thể bị tiêu diệt bằng cách xử lý nhiệt tương đối nhẹ (khoảng 55 C).
Hiện nay công nghệ xử lí nhiệt độ (thanh trùng và tiệt trùng) được sử dụng rất rộng
rãi trong ngành chế biến thực phẩm, đặc biệt là chế biến sữa, đồ uống,… Tetra Pak là
tập đoàn hàng đầu thế giới về các giải pháp chế biến và đóng gói bao bì giấy cho thực
phẩm dạng lỏng. Tetra Pak Việt Nam được thành lập vào năm 2003 trên cơ sở chuyển
đổi hoạt động của văn phòng đại diện có mặt tại Việt Nam từ năm 1994, là công ty con
của tập đoàn Tetra Pak ra đời từ năm 1951 tại Thụy Điển. Đến nay tập đoàn này đã hoạt
động 165 quốc gia trên thế giới. Các sản phẩm của Tetra Pak giúp bảo tồn giá trị dinh
dưỡng và hương vị nguyên thủy cho các loại thực phẩm đóng hộp như sữa và nước trái
cây các loại. Ngoài hoạt động kinh doanh, Tetra Pak cũng tích cực chia sẻ kiến thức mới
để góp phần nâng cao chất lượng nguồn nhân lực kỹ thuật tại Việt Nam.
Ở Việt Nam, Vinamilk sở hữu hệ thống siêu nhà máy sữa hiện đại và quy mô bậc
nhất trải dài khắp Việt Nam. Toàn bộ sản phẩm sữa thanh trùng và tiệt trùng được sản
xuất trên hệ thống dây chuyền hiện đại bậc nhất thế giới của Tetra Pak từ Thụy Điển.
Quy trình chế biến sữa cũng được diễn ra khép kín, từ khâu tiếp nhận sữa của trạm
23
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
MEGA có thể tiếp nhận 80 tấn sữa tươi mỗi giờ, sữa tươi sau khi qua hệ thống đo lường,
lọc tự động sẽ được đưa qua hệ thống bồn lạnh ở nhiệt độ khoảng 5 𝐶. Từ bồn chứa
lạnh, sữa tươi sẽ trải qua công đoạn tách béo, tách ly tâm và đồng hóa trước khi trải qua
công đoạn thanh trùng và tiệt trùng. Ở giai đoạn thanh trùng sữa tươi được gia nhiệt tới
nhiệt độ 75 𝐶 trong khoảng 30 giây để loại bớt đi một số vi khuẩn có hại sau đó được
đưa tới các bồn chứa để chuyển sang giai đoạn tiệt trùng, tại đây sữa được gia nhiệt tới
nhiệt độ 140 𝐶 trong vòng 4 giây và hạ về nhiệt độ 25 𝐶 để loại bỏ hoàn toàn vi khuẩn
có hại. Sữa sau khi tiệt trùng có thể đưa đến khâu đóng hộp, lưu kho và chuyển tới tay
người tiêu dùng. Sữa thanh trùng giữ được nhiều chất dinh dưỡng và hương vị của sữa
tươi, có thể bảo quản từ 7 tới 10 ngày ở nhiệt độ thấp khoảng 3 − 5 𝐶. Còn sữa tiệt
trùng thì có thể bổ sung thêm một số hương liệu tự nhiên cùng các vitamin cùng khoáng
chất và sữa tiệt trùng có thể để ở nhiệt độ bình thường trong vòng 6 – 12 tháng.
1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi của đề tài
1.3.1 Mục tiêu
Mục tiêu yêu cầu đạt được sau khi hoàn thành luận văn như sau:
- Hệ thống hoạt động theo đúng nguyên lý và sản phẩm đạt kết quả mong muốn.
- Nâng cao kiến thức và trình độ về điều khiển tự động, thiết kế hệ thống tự động,
phát triển dự án.
1.3.2 Nhiệm vụ
Phân tích, thiết kế và điều khiển hệ thống thanh trùng nước trái cây:
- Thiết kế hệ thống điện điều khiển hệ thống.
- Thiết kế giao diện điều khiển hệ thống.
1.3.3 Phạm vi đề tài
Đề tài được thực hiện trên mô hình thực tế và dừng ở giai đoạn thanh trùng nguyên
liệu, chưa thể chuyển sang giai đoạn tiệt trùng do yêu cầu về cơ khí và công nghệ.
24
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
2.1 Giới thiệu
[20, p.203] Đây là bài toán thuận (hay bài toán tính kiểm tra). Nội dung là tính toán
kiểm tra bề mặt truyền nhiệt, các thông số (nhiệt độ, lưu lượng,..) ở đầu vào, đầu ra của
các dòng lưu chất, năng suất truyền nhiệt 𝑄, tổn thất áp suất ∆𝑝… trên cơ sở đã có một
thiết bị cụ thể, có thể đo đạc đầy đủ các thông số hình học và cả một số thông số công
nghệ - kĩ thuật nếu như thiết bị đang hoạt động hay do yêu cầu công nghệ.
Hình 2. 1: Sơ đồ khối của bài toàn thuận [20, p.172]
Tùy theo tính chất đặc trưng về hóa học (độ ăn mòn, độ độc hại, độ cháy nổ…) của
các dòng nóng lạnh mà chúng có thể được tổ chức chảy phía trong hay phía ngoài ống
(vỏ). Mỗi phương án tổ chức dòng chảy đều phải cố gắng đánh giá toàn bộ ưu nhược
điểm của phương án, chú trọng đảm bảo các yêu cầu quan trọng, châm trước những yêu
cầu kém quan trọng hơn, có xét điều kiện, khả năng và tình hình vật tư, công nghệ chế
tạo, điều kiện vận hành…
25
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
Mục đích của tính toán truyền nhiệt:
- Tính toán khả năng gia nhiệt của thiệt bị sẵn có
- Số tiền bỏ ra là ít nhất khi sử dụng lò hơi
Bảng 2. 1: Các đặc trưng của các dòng lưu chất [20, p.172]
TT
Các đặc trưng của
Giá trị ưu tiên các đặc trưng
các dòng lưu chất
của các dòng chảy
Phía vỏ
1
Áp suất
2
Nhiệt độ
Mục đích
Phía ống
Thấp
Cao
Bền cơ học
 Khi đun nóng
Thấp
Cao
Giảm cách nhiệt
 Khi làm lạnh
Cao
Thấp
3
Độ bẩn
Ít
Nhiều
Dễ vệ sinh
4
Độ co giãn
Nhiều
Ít
Lắp vòng co giãn
5
Độ ăn mòn
Ít
Nhiều
Dễ sửa chữa
6
Tổn thất áp suất
Nhỏ
Lớn
Bền cơ học
7
Độ nhớt
Cao
Thấp
Giảm ∆𝑝 khi có
pass
Kết luận [20, p.261]:
- Khi tăng vận tốc dòng chảy thì làm tăng hệ số cấp nhiệt 𝛼(ℎ) lên, nhiều khi tăng
đáng kể.
- Khi tăng các hệ số cấp nhiệt (dù tăng rất đáng kể) nhưng có thể không làm tăng
đáng kể hệ số truyền nhiệt tổng quá 𝑘(𝑈 ).
- Muốn tăng hệ số truyền nhiệt 𝑘(𝑈 ) hiệu quả nhất thì phải tăng hệ số cấp nhiệt
nào nhỏ hơn trong hai hệ số cấp nhiệt 𝛼 .Mặt khác khi cùng tăng cả hai hệ số cấp nhiệt
thì hệ số nào nhỏ hơn phải được tăng mạnh hơn hệ số kia.
- Phải tìm một vận tốc thích hợp cho từng dòng chảy sao cho đạt được hiệu quả
kinh tế cao nhất cho bài toán.
26
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
Bảng 2. 2: Các thông số lưu chất được sử dụng
Đặc tính lưu chất
Chanh dây
Nước nóng
Nước lạnh
(𝑡
(𝑡
(𝑡
=
= 95 𝐶)
= 5 𝐶)
30 𝐶)
Khối lượng riêng (𝑘𝑔/𝑚 )
1050
1000
1000
Độ nhớt động học (𝑃𝑎 − 𝑠)
0,0014
0,0003
0,0015
Độ dẫn nhiệt (𝑊/𝑚 − 𝐶)
0,46
0,6
0,6
Nhiệt dung (𝐽/𝑘𝑔 − 𝐶)
3100
4200
4200
Bảng 2. 3: Thông số của vật liệu làm ống ( inox 316) [34]
Thống số vật liệu
Inox 316
Độ dẫn nhiệt (𝑊/𝑚. 𝐶)
14,6
Khối lượng riêng(𝑘𝑔/𝑚 )
8027
2.2 Tính toán truyền nhiệt thiết bị thanh trùng
Hình 2. 2: Biểu đồ lưu chất chuyển động ngược chiều
Đưa ra bài toán: Yêu cầu sử dụng mô hình ống lồng ống phía trên kiểm tra hiệu
suất trao đổi nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt có phù hợp với các yêu cầu đề ra bởi các
thông số đã được cho bên dưới?
27
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
Bảng 2. 4: Thông số của dung dịch chanh dây và nước nóng.
Đặc tính lưu chất
Chanh dây
Nước nóng (𝑡
(𝑡
95 𝐶)
= 30 𝐶)
Khối lượng riêng (𝑘𝑔/𝑚 )
1050
1000
Độ nhớt động học (𝑁𝑠/𝑚 )
0,0014
0,0003
Độ dẫn nhiệt (𝑊/𝑚 − 𝐶)
0,46
0,6
Nhiệt dung (𝐽/𝑘𝑔 − 𝐶)
3100
4200
Pr
6,7
2,1
.
𝑃𝑟 =
=
(2.1)
Trong đó:
𝜇: Độ nhớt động học hoặc tuyệt đối
𝑐 : Nhiệt dung riêng
𝑘: Độ dẫn nhiệt
Bảng 2. 5: Độ nhớt của nước trong đơn vị SI
Nhiệt độ
Độ nhớt tuyệt đối
Độ nhớt động học
-t-
-𝜇-
-v-
(𝑜 )
(Ns/𝑚 ).10
(𝑚 /𝑠).10
0
1,787
1,787
5
1,519
1,519
10
1,307
1,307
20
1,002
1,004
30
0,798
0,801
40
0,653
0,658
50
0,547
0,553
60
0,467
0,475
70
0,404
0,413
80
0,355
0,365
90
0,315
0,326
100
0,282
0,294
28
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống song song:
Số lượng tubes: 38
Đường kính trong vỏ shell 𝐷 (𝑚): 0.26
Đường kính ngoài tubes 𝑑
(𝑚): 0.038
Đường kính trong tubes 𝑑 (𝑚): 0,036
Chiều dài của tubes 𝑙(𝑚): 1,9
Diện tích trao đổi nhiệt:
𝐴 = 𝑛. 𝜋. 𝑑
(2.2)
.𝑙
Trong đó:
n: số lượng tube
𝑑
: đường kính ngoài của tube
l: chiều dài tube
Ta có: 𝐴 = 𝑛. 𝜋. 𝑑
. 𝑙 = 19. 𝜋. 0,038.1,8.2 = 8,6 𝑚
Thanh trùng dung dịch chanh dây từ 30 𝐶 − 90 𝐶, bằng nước nóng có nhiệt độ 95 𝐶.
 Xác định trao đổi nhiệt: 𝑄 = 𝑄 + 𝑄
Trong đó:
𝑄 : nhiệt lượng trong lưu chất ống shell tỏa ra
𝑄 : nhiệt lượng trong lưu chất ống tube thu vào
𝑄 : nhiệt lưu hao hụt trong quá trình trao đổi nhiệt
Nhiệt lượng trong ống shell tỏa ra:
(2.3)
𝑄 = 𝑚 𝐶 ∆𝑡
Trong đó:
𝑚 (𝑘𝑔): Khối lượng nước chạy qua ống shell
29
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
𝐶 (𝑘𝐽/𝑘𝑔. 𝐶): Nhiệt dung riêng
∆𝑡(𝐶): độ giảm nhiệt độ
Ta có:
𝑄 = 𝑚 . 4200. (95 − 70)
Nhiệt lượng ống tube thu vào:
(2.4)
𝑄 = 𝑚 𝐶 ∆𝑡
Trong đó:
𝑚 (𝑘𝑔/𝑠): Lưu lượng chanh dây chạy qua ống tube
𝐶 (𝑘𝐽/𝑘𝑔. 𝐶): Nhiệt dung riêng
∆𝑡(𝐶): độ giảm nhiệt độ
Ta có:
𝑄 =
. 3100. (85 − 30) = 47361 𝑘𝐽
Bỏ qua sự thất thoát nhiệt:
𝑄 =𝑄
 𝑚 . 4200. (98 − 60) = 47361
 𝑚 ≈ 1068 𝑘𝑔/ℎ
 Tính toán chênh lệch nhiệt độ trung bình (𝛥𝑡
):
Hình 2. 3: Biểu đồ chênh lệch nhiệt độ
30
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
Ta có:
∆𝑇 =
∆𝑇 − ∆𝑇
∆𝑇
ln (
)
∆𝑇
(2.5)
Trong đó:
∆𝑇 = 𝑇
∆𝑇 = 𝑇
−𝑇
−𝑇
Ta có:
∆𝑇 =
∆
∆
∆
(∆
)
=
(
/
)
= 20,32
Diện tích nước lạnh:
𝐴 = (𝜋/4)(𝐷 − 𝑛 . 𝑑
(2.6)
)
Trong đó:
𝐷 : Đường kính trong của shell
𝑑
: Đường kính ngoài của tube
𝑛 : Số lượng ống tube
𝐴 = (𝜋/4)(260 − 19. 38 ) = 31528,74 𝑚𝑚
Chu vi phần tiếp xúc của nước lạnh:
𝑤𝑒𝑡𝑡𝑒𝑑 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 = 𝜋(𝐷 + 𝑛 . 𝑑
(2.7)
)
 𝑤𝑒𝑡𝑡𝑒𝑑 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 = 𝜋(260 + 19.38) = 3080,48 𝑚𝑚
Đường kính ướt:
(2.8)
𝐷 = 4𝐴 /𝑤𝑒𝑡𝑡𝑒𝑑 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟
 𝐷 =
.
,
,
= 41 𝑚𝑚
 Xét tổ chức dòng chảy:
- Cho tubes
Hệ số reynold:
31
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
𝑅𝑒 =
(2.9)
𝑑. 𝑣. 𝜌
𝜇
Trong đó:
d: kích thước hình học
v: tốc độ chuyển động của chất tải nhiệt (m/s)
𝜌: khối lượng riêng của chất tải nhiệt (kg/𝑚 )
𝜇: độ nhớt của chất tải nhiệt (Ns/𝑚 )
𝑅𝑒 =
𝑑. 𝑣. 𝜌 34. 10 . 0,43.1000
=
= 10965 > 10
𝜇
1,4. 10
 Dòng chảy trong ống tube là dòng chảy rối
 Tìm hệ số cấp nhiệt α
Hệ số cấp nhiệt α là lượng nhiệt do một đơn vị bề mặt của vật thể cấp cho
môi trường xung quanh (hay ngược lại nhận nhiệt từ môi trường xung quanh) trong
khoảng thời gian 1s và hiệu số nhiệt độ là 1.
Thứ nguyên của 𝛼 là:
[𝛼] =
=
(2.10)
.
Hệ số cấp nhiệt α phụ thuộc rất nhiều yếu tố:
- Loại chất tải nhiệt: khí, lỏng, hơi và chế độ chuyển động của chất tải nhiệt (dòng
hay xoáy) cũng như tốc độ chuyển động của nó. Nếu tốc độ chất tải nhiệt tăng thì chiều
dày của lớp chảy dòng ở sát thành thiết bị sẽ giảm làm cho nhiệt trở giảm nên hệ số cấp
nhiệt α sẽ tăng.
- Kích thước, hình dạng, vị trí và trạng thái của bề mặt trao đổi nhiệt,…
- Tính chất vật lý của chất tải nhiệt: độ nhớt, độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng,
nhiệt dung riêng, áp suất,… Nếu µ, λ, ρ, c thì α. Như vậy α còn phụ thuộc vào nhiệt độ
vì các tính chất lý học thay đổi theo nhiệt độ.
- Nhiệt độ của tường. Vậy α được xác bằng những yếu tố thủy động lực học, vật
lý và hình học. Quan hệ giữa α với các yếu tố đó rất phức tạp, do đó không thể nêu thành
32
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
một công thức lý thuyết chung để tìm α mà chỉ có những công thức thực nghiệm cho
từng trường hợp cụ thể riêng.
Hiện nay , phương pháp thực nghiệm vẫn đóng một vai trò quan trọng để cung cấp
những số liệu cần thiết cho kỹ thuật. Tuy nhiên việc nghiên cứu bằng thực nghiệm cũng
gặp nhiều khó khăn bởi vì quá trình trao đổi nhiệt đối lư tương đối phức tạp, phụ
thuộc nhiều yếu tố. Ngoài ra, phương pháp thực nghiệm còn mang tính cục bộ của từng
trường hợp cụ thể, nếu áp dụng lý thuyết đồng dạng, những khó khăn trên có thể giảm
đi rất nhiều.
 Theo 4.1 [8] ta có công thức tính số Nuselt (Nu):
𝑁𝑢 = 0,023. 𝑅𝑒
𝑃𝑟 =
,
.(
𝐶 .𝜇
) . (𝜇/𝜇 )
𝑘
,
=
𝛼. 𝑑
𝑘
𝜇. 𝑐
𝑘
(2.11)
(2.12)
Trong đó:
Re: Hệ số Reynold
𝛼: Hệ số cấp nhiệt
𝜇: Độ nhớt động học hoặc tuyệt đối
𝑐 : Nhiệt dung riêng
𝑘: Độ dẫn nhiệt
𝜇: độ nhớt của lưu chất ở nhiệt độ trung bình của tường và lưu chất
(kg.s/𝑚 ).
𝜇 : độ nhớt của lưu chất ở nhiệt độ của tường (vỏ bọc ngoài) (kg.s/𝑚 ).
Ta xem:
,
=1
3100.0,0014
𝑁𝑢 = 0,023. 10965 , . (
) = 82,92
0,46
33
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
Vậy hệ số cấp nhiệt (𝛼) phía trong ống là:
𝛼
=
𝑁𝑢 . 𝑘 82,92.0,46
=
= 1059.5 𝑊/𝑚 . 𝐾
𝑑
0,036
- Trong ống Shell
Hệ số reynold dòng nước lạnh trong ống Shell:
𝑅𝑒 =
𝐷. 𝑣. 𝜌
𝜇
(2.13)
Trong đó:
D: kích thước hình học
v: tốc độ chuyển động của chất tải nhiệt (m/s)
𝜌: khối lượng riêng của chất tải nhiệt (kg/𝑚 )
𝜇: độ nhớt của chất tải nhiệt (Ns/𝑚 )
𝑅𝑒 =
𝐷. 𝑣. 𝜌 0,26.0,23.1000
=
= 20. 10 > 10
𝜇
0,3. 10
 Nước trong ống shell là dòng chảy rối.
Theo công thức 4.1[8] với dòng chảy rối:
𝑁𝑢 = 0,023. 𝑅𝑒
,
𝜇
𝑃𝑟 ( )
𝜇
,
=
𝛼
.𝐷
(2.14)
𝑘
 Hệ số cấp nhiệt trong ống shell:
𝛼
= 0,023. 𝑅𝑒
,
.
𝐶 .𝜇
𝑘
:
.
𝜇
𝜇
,
.
𝑘
𝐷
(2.15)
Trong đó:
𝑃𝑟 =
𝜇. 𝑐
𝑘
(2.18)
Trong đó:
Re: Hệ số Reynold
𝛼: Hệ số cấp nhiệt
34
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
𝜇: Độ nhớt động học hoặc tuyệt đối
𝑐 : Nhiệt dung riêng
𝑘: Độ dẫn nhiệt
𝜇: độ nhớt của lưu chất ở nhiệt độ trung bình của tường và lưu chất
(kg.s/𝑚 ).
𝜇 : độ nhớt của lưu chất ở nhiệt độ của tường (vỏ bọc ngoài) (kg.s/𝑚 ).
,
Ta xem:
=1
Ta có:
𝛼
=
0,6
4200.0,0003
. 0,023. (200000) , .
0.041
0,6
𝛼
= 7505 𝑊/𝑚 . 𝐾
 Tính toán hiệu suất truyền:
Ta có hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức 2.19 [8]:
𝑑
𝑑
𝑈 =(
+
𝑑 .𝛼
. ln
2. 𝑘
𝑑
𝑑
+
1
𝛼
𝑅 .𝑑
+
𝑑
(2.19)
+𝑅
)
Trong đó:
𝑑
: Đường kính ngoài của tube
𝑑 : Đường kính trong của tube
k: Hệ số truyền nhiệt của inox
𝛼 : Hệ số cấp nhiệt của tube
𝛼
𝑈 =
: Hệ số cấp nhiệt của shell
38
38 0,038
1
0,001.38
+ ln
.
+
+
+ 0.001
36.1059,5
36 2.14,6 7505
36
Diện tích truyền nhiệt yêu cầu [20, P410]:
35
= 307
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
(2.20)
𝑄 = 𝑈 . 𝐴. ∆𝑇
𝐴 =
𝑄
47361
=
= 7,58 𝑚
𝑈 . ∆𝑇
307.20,32
Ta thấy 𝐴 < 𝐴
Thỏa điều kiện.
2.3 Tính toán truyền nhiệt làm lạnh đột ngột dung dịch chanh dây
Hình 2. 4: Biểu đồ lưu chất chuyển động ngược chiều
Bảng 2. 6: Thông số của dung dịch chanh dây và nước lạnh
Đặc tính lưu chất
Chanh dây
Nước lạnh (𝑡
[32][33]
5 𝐶)
(𝑡
= 80 𝐶)
Khối lượng riêng (𝑘𝑔/𝑚 )
1050
1000
Độ nhớt động học (𝑁𝑠/𝑚 )
0,0004
0,0015
Độ dẫn nhiệt (𝑊/𝑚 − 𝐶)
0,46
0,6
Nhiệt dung (𝐽/𝑘𝑔 − 𝐶)
3100
4200
Pr
2,7
10,5
𝜇. 𝑐
𝑘
Trong đó:
=
(2.21)
𝑃𝑟 =
𝜇: Độ nhớt động học hoặc tuyệt đối
36
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
𝑐 : Nhiệt dung riêng
𝑘: Độ dẫn nhiệt
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống song song:
Số lượng tubes: 38
Đường kính trong vỏ shell 𝐷 (𝑚): 0.26
Đường kính ngoài tubes 𝑑
(𝑚): 0.038
Đường kính trong tubes 𝑑 (𝑚): 0,036
Chiều dài của tubes 𝑙(𝑚): 1,9
Diện tích trao đổi nhiệt:
𝐴 = 𝑛. 𝜋. 𝑑
(2.22)
.𝑙
 Ta có:
𝐴 = 𝑛. 𝜋. 𝑑
. 𝑙 = 19. 𝜋. 0,038.1,8.2 = 8,6 𝑚
Làm lạnh dung dịch chanh dây từ 80 𝐶 − 20 𝐶, bằng nước lạnh có nhiệt độ 5 𝐶.
 Xác định trao đổi nhiệt:
(2.23)
𝑄 = 𝑄 +𝑄
Trong đó:
𝑄 : nhiệt lượng trong lưu chất ống shell thu vào
𝑄 : nhiệt lượng trong lưu chất ống tube tỏa ra
𝑄 : nhiệt lưu hao hụt trong quá trình trao đổi nhiệt
Nhiệt lượng trong ống shell thu vào:
(2.24)
𝑄 = 𝑚 𝐶 ∆𝑡
Trong đó:
𝑚 (𝑘𝑔): Khối lượng nước chạy qua ống shell
37
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
𝐶 (𝑘𝐽/𝑘𝑔. 𝐶): Nhiệt dung riêng
∆𝑡(𝐶): độ giảm nhiệt độ
 𝑄 = 𝑚 . 4200. (30 − 5)
Nhiệt lượng ống tube tỏa ra:
(2.25)
𝑄 = 𝑚 𝐶 ∆𝑡
Trong đó:
𝑚 (𝑘𝑔/𝑠): Lưu lượng chanh dây chạy qua ống tube
𝐶 (𝑘𝐽/𝑘𝑔. 𝐶): Nhiệt dung riêng
∆𝑡(𝐶): độ giảm nhiệt độ
𝑄 =
1000
𝑘𝐽
. 3100. (85 − 20) = 55972 ( )
3600
𝑠
Bỏ qua sự thất thoát nhiệt:
(2.26)
𝑄 =𝑄
 𝑚 . 4200. (30 − 5) = 55972
 𝑚 ≈ 1066 𝑘𝑔/ℎ
 Tính toán chênh lệch nhiệt độ trung bình (𝛥𝑡
38
):
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
Hình 2. 5: Biểu đồ chênh lệch nhiệt độ trung bình
∆𝑇 =
∆𝑇 − ∆𝑇
∆𝑇
ln (
)
∆𝑇
(2.27)
Trong đó:
∆𝑇 = 𝑇
−𝑇
∆𝑇 = 𝑇
 ∆𝑇 =
∆
∆
∆
(∆
)
=
(
/
)
−𝑇
= 23,6
Diện tích nước lạnh:
𝐴 = (𝜋/4)(𝐷 − 𝑛 . 𝑑
(2.28)
)
Trong đó:
𝐷 : Đường kính trong của shell
𝑑
: Đường kính ngoài của tube
𝑛 : Số lượng ống tube

𝐴 = (𝜋/4)(260 − 19. 38 ) = 31528,74 𝑚𝑚
Chu vi phần tiếp xúc của nước lạnh:
39
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
𝑤𝑒𝑡𝑡𝑒𝑑 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 = 𝜋(𝐷 + 𝑛 . 𝑑
(2.29)
)
 𝑤𝑒𝑡𝑡𝑒𝑑 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 = 𝜋(260 + 19.38) = 3080,48 𝑚𝑚
Đường kính ướt:
(2.30)
𝐷 = 4𝐴 /𝑤𝑒𝑡𝑡𝑒𝑑 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟
 𝐷 =
.
,
= 41 𝑚𝑚
,
 Xét tổ chức dòng chảy:
- Cho tubes
Hệ số reynold:
𝑅𝑒 =
(2.31)
𝑑. 𝑣. 𝜌
𝜇
Trong đó:
d: kích thước hình học
v: tốc độ chuyển động của chất tải nhiệt (m/s)
𝜌: khối lượng riêng của chất tải nhiệt (kg/𝑚 )
𝜇: độ nhớt của chất tải nhiệt (Ns/𝑚 )
𝑅𝑒 =
𝑑. 𝑣. 𝜌 36. 10 . 0,43.1000
=
= 10965 > 10
𝜇
1,4. 10
 Dòng chảy trong ống tube là dòng chảy rối
 Theo 4.1 [8] ta có công thức tính số Nuselt (Nu):
𝑁𝑢 = 0,023. 𝑅𝑒
,
.(
 𝛼 = 0,023. 𝑅𝑒
𝐶 .𝜇
) . (𝜇/𝜇 )
𝑘
,
.
.
.
,
,
=
𝛼. 𝑑
𝑘
(2.32)
.
Ta xem:
𝜇
𝜇
,
(2.33)
=1
𝜇: độ nhớt của lưu chất ở nhiệt độ trung bình của tường và lưu chất (kg.s/𝑚 ).
40
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
𝜇 : độ nhớt của lưu chất ở nhiệt độ của tường (vỏ bọc ngoài) (kg.s/𝑚 ).
3100.0,0014
𝑁𝑢 = 0,023. 10965 , . (
) = 82,92
0,46
Vậy hệ số cấp nhiệt (𝛼) phía trong ống là:
𝛼
=
𝑁𝑢 . 𝑘 82,92.0,46
=
= 1059.5 𝑊/𝑚 . 𝐾
𝑑
0,036
- Trong ống Shell
Hệ số reynold dòng nước lạnh trong ống Shell:
𝑅𝑒 =
𝐷. 𝑣. 𝜌
𝜇
(2.34)
Trong đó:
D: kích thước hình học
v: tốc độ chuyển động của chất tải nhiệt (m/s)
𝜌: khối lượng riêng của chất tải nhiệt (kg/𝑚 )
𝜇: độ nhớt của chất tải nhiệt (Ns/𝑚 )
 𝑅𝑒 =
. .
,
=
. ,
.
= 20. 10 > 10
.
 Nước trong ống shell là dòng chảy rối.
Theo công thức 4.1[8] với dòng chảy rối:
𝑁𝑢 = 0,023. 𝑅𝑒
,
𝜇
𝑃𝑟 ( )
𝜇
,
=
𝛼
.𝐷
(2.35)
𝑘
 Hệ số cấp nhiệt trong ống shell:
𝛼
= 0,023. 𝑅𝑒
,
𝐶 .𝜇
.
𝑘
:
.
𝜇
𝜇
,
.
𝑘
𝐷
Trong đó:
𝑅𝑒: hệ số Renold
𝑃𝑟: số Prandlt
41
(2.36)
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
𝐶 (𝑘𝐽/𝑘𝑔. 𝐶): nhiệt dung riêng
𝜇(𝑃𝑎 − 𝑠): độ nhớt động học của lưu chất
𝜇 (𝑃𝑎 − 𝑠): độ nhớt trên thành ống
𝑘(𝑊/𝑚 − 𝐶): độ dẫn nhiệt
𝐷 : đường kính lưu chất chạy qua
Ta xem:
,
𝜇
𝜇
(2.37)
=1
𝜇: độ nhớt của lưu chất ở nhiệt độ trung bình của tường và lưu chất (kg.s/𝑚 ).
𝜇 : độ nhớt của lưu chất ở nhiệt độ của tường (vỏ bọc ngoài) (kg.s/𝑚 ).
Ta có:
𝛼
=
0,6
4200.0,0003
. 0,023. (200000) , .
0.041
0,6
𝛼
= 7505 𝑊/𝑚 . 𝐾
 Tính toán hiệu suất truyền, công thức 3.9 [8]:
𝑑
𝑑
𝑈 =(
+
𝑑 .𝛼
𝑈 =
. ln
𝑑
𝑑
+
2. 𝑘
1
𝛼
𝑅 .𝑑
+
𝑑
(2.38)
+𝑅
)
38
38 0,038
1
0,001.38
+ ln
.
+
+
+ 0.001
36.1059,5
36 2.14,6 7505
36
= 333,66 𝑚
Diện tích truyền nhiệt yêu cầu:
(2.39)
𝑄 = 𝑈 . 𝐴. ∆𝑇
 𝐴 =
.∆
=
,
.
,
= 7,1 𝑚
Vậy 𝐴 < 𝐴
 Thỏa điều kiện.
2.4 Tính toán trao đổi nhiệt cho thiết bị cung cấp nước nóng
42
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
Thiết bị sử dụng là thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (Plate Heat Exchanger). Bộ trao
đổi nhiệt dạng tấm sử dụng các tấm kim loại để truyền nhiệt giữa hai chất lỏng. Chúng
cung cấp diện tích bề mặt lớn hơn để truyền nhiệt so với các thiết bị trao đổi nhiệt dạng
ống và vỏ thông thường, làm tăng đáng kể tốc độ thay đổi nhiệt độ. Các tấm, làm bằng
vật liệu như thép không gỉ, nhôm và titan, được gắn vào một khung lớn bằng các miếng
đệm cao su được đặt giữa mỗi tấm.Ta cần tính toán thiết bị cần thiết để làm nóng nước
cung cấp cho quá trình thanh trùng. Với nước được chạy tuần hòa và các dữ kiện cho
như bên dưới.
Bảng 2. 7: Thông số đặc tính của lưu chất
Đặc tính lưu chất
Không khí khô (𝑡
Khối lượng riêng (𝑘𝑔/𝑚 )
0,7844
Độ nhớt động học (𝑃𝑎 − 𝑠)
2,485e-5
Độ dẫn nhiệt (𝑊/𝑚 − 𝐶)
0,0371
= 160 𝐶)
Nhiệt dung (𝐽/𝑘𝑔 − 𝐶)
𝐶 (𝑘𝐽/𝑘𝑔. 𝐾)
1,02
𝐶 (𝑘𝐽/𝑘𝑔. 𝐾)
0,733
Bảng 2. 8: Thông số đầu vào và đầu ra của các lưu chất
Hơi nóng
Áp suất
Nhiệt độ
Nước nóng
6 bar
Đầu ra
Đầu ra
Đầu vào
Đầu ra
160 𝐶
100 𝐶
25 𝐶
98 𝐶
Từ quá trình tính toán ở 3.1 ta xác định được nhiệt lượng cần thiết là
𝑄 = 47361 𝑘𝐽/𝑠
Xác định trao đổi nhiệt bỏ qua thất thoát nhiệt:
(2.40)
𝑄 =𝑄
Trong đó:
𝑄 : nhiệt lượng cần thiết của nước nóng
43
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
𝑄 : nhiệt lượng hơi nóng tỏa ra
Chọn nhiệt độ lưu chất ở thành tấm:
𝑡
= 160℃
𝑡
=
98 + 60
= 79℃
2
Chọn 𝑡
= 158℃; 𝑡
= 157℃
Tính mật độ dòng nhiệt [23, p.28]:
𝑞=
𝛾
(𝑡
𝛿
(2.41)
−𝑡 )
Trong đó:
- 𝛾: Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (inox)
- 𝛿: Độ dày của lớp vật liệu
- 𝑡 : vách bên phía khí
- 𝑡 : vách bên phía nước
 𝑞 = (𝑡
−𝑡 )=
,
.
(158 − 157) = 14600 𝑊/𝑚
Hệ số truyền nhiệt:
𝑘=
𝑡
𝑞
−𝑡
 𝑘=
(2.42)
=
= 180 𝑊/𝑚 . 𝐶
44
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
Hình 2. 6: Biểu đồ chênh lệch nhiệt độ trung bình
Tính ∆𝑡:
∆𝑡
=
∆𝑡 − ∆𝑡
∆𝑡
𝑙𝑛
∆𝑡
(2.43)
Trong đó:
 ∆𝑡 = 𝑇
 ∆𝑡 = 𝑇
−𝑇
= 160 − 98 = 62℃
−𝑇
= 100 − 60 = 40℃
∆𝑡
=
∆𝑡
− ∆𝑡
∆𝑡
𝑙𝑛
∆𝑡
=
62 − 40
= 50,2℃
62
𝑙𝑛
40
Tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, công thức 4.1 [9, p.4]:
(2.44)
𝑄 = 𝑘. 𝐴 . ∆𝑡
 𝐴 =
.∆
=
.
,
= 5,23 𝑚
 Bộ gia nhiệt tấm Alfa Laval có sẵn thỏa yêu cầu.
Bảng 2. 9: Thông số bộ gia nhiệt tấm Alfa Laval
Model
Plate types
M6
Frame types
FD
Height, H [mm]
940
45
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
Width, W [mm]
330
Min lenght, L [mm]
500
Max lenght, L [mm]
1500
Max temprature [𝑜 ]
180
Max pressure [bar]
25
Flange size
DN50/2”
Pipe size
2”
Max flow rate [kg/s]
16
Heat transfer surface
15 𝑚
46
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.1 Thiết bị thủy lực
Hình 3. 1: Hệ thống trao đổi nhiệt tấm với đầu vào thay đổi và vận tốc dòng thứ cấp
không đổi [12, p.577]
3.1.1 Thiết bị phân tách (separator)
Hình 3. 2: Mặt cắt bộ phân tách [12, p.31]; (a) Hình dáng khác của bộ phân tách [12,
p.1024]
47
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hơi nóng nên khô nhất có thể để đảm bảo hiệu quả truyền nhiệt. Một bộ phân tách
tại đầu đường ống làm việc, nó bao gồm nhiều tấm mỏng và baffles để chia tách đường
hơi. Hơi đụng vào những bản mỏng, bất cứ hạt nước nào rơi từ hơi sẽ ở trên những tấm
mỏng đó, trước khi thoát ra từ phía cuối của bộ phân tách.
3.1.2 Lọc y (strainer)
Hình 3. 3: Lọc y [14, p.84]; (b) Mặt cắt lọc y [12, p.31]
Điều quan trọng đó là đảm bảo hơi nước khi ra khỏi nồi hơi chạy trong hệ thống
trong điều kiện thích hợp. Để có được điều đó thường hơi sẽ đi qua bộ lọc, bộ phân tách
và bẫy nước.
Lọc y là một kiểu sàng trong đường ống làm việc. Nó chứa một cái lưới sắt nơi mà
hơi nóng phải đi qua. Bất cứ debris trong hơi đi tới lọc thì sẽ bị giữ lại. Bộ lọc nên được
vệ sinh định kì để tránh blockage. Debris nên được loại bỏ dòng hơi bởi vì nó có thể rất
nguy hiểm cho nhà máy, và nó cũng có thể làm hỏng sản phẩm.
3.1.3 Bẫy nước (steam trap)
Bẫy nước là thiết bị bắt buộc trong bất cứ hệ thống hơi. Thiết bị quan trọng nằm
giữa hơi và nước ngưng tụ, duy trì hơi trong hệ thống cho lượng nhiệt tối đa được sử
dụng.
48
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 3. 4: (a) Bẫy nước với air cock; (b) Bẫy nước với thermostatic air vent [12,
p.955]
3.1.4 Van điều khiển
Hình 3. 5: Đặc điểm hình dạng đặc trưng của góc trim phân biệt van [12, p.659]
Hình 3. 6: Đường đặc tính đặc trưng của van globe và rotary [12, p.660]
49
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
- Mở tức thì (Fast opening characteristic)
Mở tức thì tạo ra thay đổi lớn trong vận tốc dòng chảy từ vị trí đóng khi van mới
mở nhỏ. Ví dụ, van mới mở 50% nhưng dòng chảy đã đạt 90% giá trị dòng chảy lớn
nhất có thể.
Không giống như van tuyến tính, độ mở van bằng với tỉ lệ dòng chảy, hình dạng
đường cong curve của van tức thì không được định dạng trong những tiêu chuẩn. Vì
vậy, với hai van, một cho 80% dòng chảy với độ mở 50%, van kia cho 90% dòng chảy
với độ mở 50%.
Những van đóng mở tức thì thường là điện hoặc khí nén dùng để đóng mở
ON/OFF.
Hình 3. 7: Đồ thị lưu lượng/ độ nâng của van tuyến tính [12, p.660]
Van tuyến tính
- Van không tuyến tính
Công thức thể hiện mối quan hệ giữa độ mở van và kích thước (và dẫn tới lưu
lượng) không phải tuyến tính nhưng logarit.
Công thức [12, p661]:
𝑉̇ =
(3.1)
𝑒
𝑉 ̇
𝜏
Trong đó:
𝑉̇ : lưu lượng qua van tại độ mở H
50
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
𝑥 = (𝑙𝑛 𝜏). 𝐻
𝜏: chỉ số chỉ khoảng (rangeability hoặc effective range)(tỉ số của dòng điều khiển
lớn nhất trên nhỏ nhất, đặc trưng là 50 cho van glode).
H: độ mở của van (0 = đóng hoàn toàn; 1 = mở hoàn toàn)
𝑉 ̇ : lưu lượng lớn nhất chảy qua van
Hình 3. 8: Lưu lượng và độ nâng cho equal percent characteristic với áp suất không
đổi [12, p.662]
Điều khiển tự động
[12, p.525] Ba lí do chính tại sao những thiết kế hoặc quy trình yêu cầu tự động:
- An toàn: Những quy trình càng nguy hiểm hoặc phức tạp thì yêu cầu tự động
càng cao.
- Ổn định: Quy trình có thể lặp lại, không bị ngừng đột ngột.
- Chính xác: Tránh những trường hợp hư hỏng, tăng chất lượng sản phẩm.
51
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 3. 9: Những thiết bị điều khiển đặc trưng trong hệ thống [12, p.530]
Điều khiển nhiệt độ tự động bao gồm van, thiết bị truyền động, bộ điều khiển và
sensor xác định nhiệt độ trong phòng. Hệ điều khiển được gọi “balance” khi cảm biến
nhiệt độ không ghi giá trị nhiệt độ cao hơn hay thấp hơn giá trị được cài đặt bởi bộ điều
khiển. Khi cảm biến nhiệt độ nhận được khác với giá trị cài đặt thì tùy vào cách điều
khiển được hệ thống sử dụng. Qua hệ giữa chuyển động của van và sự thay đổi nhiệt độ
được điều khiển được gọi là mode điều khiển hoặc luật điều khiển.
[12, p.533] Trong thực tế, để điều khiển nhiệt thì người ta dùng hai luật điều khiển
sau:
- Điều khiển ON/OFF- Van sẽ được đóng hoặc mở hoàn toàn, không có trạng thái
ở giữa.
- Điều khiển liên tục- Van có thể di chuyển giữa đóng hoàn toàn và mở hoàn toàn,
hoặc có thể được giữ lại tại vị trí giữa.
3.1.5 Bộ điều khiển vị trí trên van cho hơi
Bộ điều khiển vị trí trên van là bộ chuyển đổi tín hiệu dòng điện từ bộ điều khiển
thành tín hiệu.
52
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 3. 10: Bộ điều khiển vị trí van
Bảng 3. 1: Thông số kĩ thuật SP400
STT
Đặc tính kỹ thuật
Thông tin kỹ thuật
1
Tín hiệu điều khiển
4-20 mA
2
Áp suất không khí tối thiểu cung
1,4 bar
cấp
3
Áp suất không khí tối đa cung cấp
7 bar
4
Áp suất ra
0-100% áp suất vào
5
Lưu lượng khí tối đa
4,2 𝑚 /ℎ ở 1,4 bar và 8,5 𝑚 /ℎ ở 6
bar
6
Điểm kết nối không khí
1/4" NPT
7
Loại van kết nối
2 cửa
Bảng 3. 2: Giá trị cài đặt SP400
Giá trị cài đặt
Giá trị dòng điện
0%
4 mA
50 %
12 mA
100 %
20 mA
53
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Van điều khiển lưu lượng divert van của hãng spirax sarco: Van QL63D
Hình 3. 11: Van divert của spirax sarco [27]
[12, p621] Để điều khiển lưu lượng cho lưu chất thì chúng ta dùng van 3 cửa. Van
3 cửa có thể xem như là van có lưu lượng không đổi, vì dù mixing hoặc divert thì tổng
lưu lượng qua van là hằng số. Tùy từng trường hợp mà van được sử dụng, nước trong
mạch sẽ được chia làm 2 chu kì riêng biệt, dòng không đổi và dòng thay đổi.
Hình 3. 12: Van mixing (lưu lượng không đổi, nhiệt độ thay đổi)
54
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 3. 13: Van rẽ nhánh (nhiệt độ không đổi trong mạch hoạt động với lưu lượng
thay đổi)
Nhiệt độ của nước trong mạch tải sẽ là hằng số, van nhận nước từ mạch gia nhiệt
nước không phụ thuộc vào vị trí van. Lượng nhiệt có thể được truyền phụ thuộc vào
lượng nước chạy qua mạch boiler, lượng nước trong mạch tải, phụ thuộc vào độ mở của
van chia nhánh.
3.1.6 Điều khiển ON- OFF
Được biết như điều khiển hai bước hoặc hai vị trí, đây là mô hình điều khiển cơ
bản nhất. Như bể nước được thể hiện trong hình dưới, vật dùng để gia nhiệt nước trong
bể sử dụng năng lượng là cuộn dây hơi đơn giản. Từ đường ống tới cuộn dây, một van
hai cửa và bộ truyền động được lắp, nối với một bộ ổn nhiệt, được đặt tại vị trí trong
nước của bể.
55
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 3. 14: Điều khiển ON/OFF nhiệt độ nước trong bồn chứa [12, p.533]
Cảm biến nhiệt độ được cài đặt giá trị 60℃, nhiệt độ yêu cầu của nước trong bể.
Suy luận rằng nếu điểm chuyển đổi được cài thật sự là 60℃ thì hệ thống sẽ không thể
hoạt động, bởi vì van không biết liệu nên mở hay đóng tại 60℃. Từ đó nó sẽ đóng hoặc
mở liên tục.Vì lí do đó, cảm biến nhiệt độ sẽ có điểm tới hạn trên và tới hạn dưới. Điều
này cần thiết là phải tránh chu kì quá nhanh. Trong trường hợp điểm giới hạn trên có thể
61℃ (điểm bộn ổn định nhiệt truyền tín hiện cho van đóng) và điểm giới hạn dưới (điểm
mà van sẽ mở) hay còn gọi là sai số. Vì vậy điểm đóng mở trong cảm biến nhiệt độ
±1℃ khi mà giá trị nhiệt độ cài đặt là 60℃.
Hình 3. 15: Hoạt động ON-OFF của bộ ổn định nhiệt [12, p.534]
56
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 3. 16: Nhiệt độ trong bồn theo nhiệt độ [12, p.534]
3.1.7 Điều khiển liên tục
Điều khiển liên tục thường được gọi là điều khiển modulating. Có nghĩa là van có
khả năng di chuyển một cách liên tục để thay đổi góc mở hoặc đóng của van. Nó không
chỉ di chuyển một là hoàn toàn đóng hoặc hoàn toàn mở, như với điều khiển ON-OFF.
Ba thông số thường được dùng trong điều khiển liên tục:
- Tỉ lệ (P)
- Vi phân (I)
- Đạo hàm (D)
Vòng điều khiển đóng cho nhiệt độ:
57
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 3. 17: Vòng điều khiển nhiệt độ cho bộ trao đổi nhiệt[12, p.555]
Thông số được điều khiển duy nhất trong hình trên là nhiệt độ của nước khi ra khỏi
bộ phận trao đổi nhiệt. Điều này đạt được bằng cách điều khiển van hơn 2 cửa dòng hơi
cung cấp cho bộ trao đổi nhiệt. Cảm biến nhiệt độ nước có thể là cặp nhiệt điện
(thermocouple) hoặc điện trở PT100 (resistance thermometer).
Bộ điều khiển so sánh những tín hiệu từ cảm biết với giá trị cài đặt. Nếu có sự khác
biệt, bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu tới thiết bị truyền động của valve, điều này sẽ làm xê
dịch van tới vị trí mới. Bộ điều khiển có thể bao gồm đồng hồ ngõ ra, để hiển thị phần
tram mở của van.
Những điều kiện được sử dụng cho vòng điều khiển đơn bao gồm:
- Cài đặt giá trị mong muốn.
- Vòng điều khiển kín.
- Tín hiệu feedback điều khiển.
Trong phần này, em sẽ sử dụng Matlab làm công cụ để phân tích và mô phỏng hệ
các hệ thống điều khiển tự động.
58
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.1.7.1 Bộ trao đổi nhiệt tấm
Hình 3. 18: Mô hình hệ thống trao đổi nhiệt tấm
Cơ sở lí thuyết: Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm có đầu vào sơ cấp là hơi nóng 160 độ
C ở áp suất 6 bar và đầu thứ cấp là nước nóng ở áp suất khí quyển (1,013 bar) cung cấp
cho hệ thanh trùng. Khi lưu lượng hơi ở đầu sơ cấp được van cung cấp càng nhiều thì
nhiệt đầu ra thứ cấp càng cao. Hàm truyền của bộ truyền nhiệt được xác định bằng
phương pháp thực nghiệm. Cấp 100% lưu lượng hơi nóng vào bộ trao đổi nhiệt, nước
đầu ra thứ cấp sẽ tăng dần, sau một thời gian nhiệt độ nước sẽ tăng đến nhiệt độ bão hòa.
 Thiết lập mô hình toán học của hệ trao đổi nhiệt tấm.
Do đây là hàm nhiệt độ nên hàm truyền hệ thống này có dạng bậc nhất, do hệ
thống có cảm biến phản hồi về nên sẽ có khoảng thời gian trễ, vì vậy hàm truyền có
dạng:
𝐾. 𝑒 .
𝐺(𝑠) =
𝑇 .𝑠 + 1
(3.2)
Trong đó:
K: Hệ số tỉ lệ
T1: Thời gian trễ
T2: Thời gian đáp ứng
59
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Dạng đồ thị của hàm truyền tương ứng:
Hình 3. 19: Biểu đồ nhiệt độ theo thời gian
 Hàm truyền tương ứng: 𝐺(𝑠) =
.
.
.
Yêu cầu hệ thống: thời gian đáp ứng nhanh, độ vọt lố nhỏ, độ ổn định cao.
Bộ điều khiển PID với thời gian liên tục:
𝑦(𝑡) = 𝑘
𝑒(𝑡) +
1
𝑇 ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡
+𝑇
𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡
(3.3)
Bộ điều khiển PID dưới dạng laplace:
𝐺
( )
= 𝐾 (1 +
(3.4)
1
+ 𝑇 . 𝑠)
𝑇.𝑠
Trong đó:
𝐾 : hệ số khuếch đại
𝑇 : hằng số tích phân
𝑇 : hằng số vi phân
60
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Tìm các hệ số PID bằng phương pháp Ziegler – Nichols thứ nhất:
Bảng 3. 3: Các hệ số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols 1
Type
𝐾
P
5,55
PI
4,995
333
PID
6,66
200
𝑇
Hình 3. 20: Mô hình hóa hệ thống bằng Matlab Simulink
61
𝑇
50
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 3. 21: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển P
Hình 3. 22: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển PI
62
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 3. 23: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển P
Nhận xét:
- Từ biểu đồ đáp ứng nhiệt độ sau mô phỏng nhận thấy bộ điều khiển P hoạt động
rất tốt với thời gian đáp ứng nhanh và độ vọt lố nhỏ.
- Các bộ điều khiển còn lại tuy kết quả vẫn ổn định nhưng thời gian đáp ứng khá
lớn và độ vọt lố cao.
- Quá trình mô phỏng dù lấy số liệu từ thực tế nhưng chưa sát và còn nhiều yếu tố
ảnh hưởng như nhiễu và trễ.
Bảng 3. 4: Nhận xét các bộ điều khiển
Độ vọt lố (ºC)
Thời gian đáp ứng (s)
P
PI
PID
1
25
26
780
2625
2300
63
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.1.7.2 Bộ thanh trùng
Hình 3. 24: Mô hình hệ thống thanh trùng
Cơ sở lí thuyết: Bộ trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có đầu vào sơ cấp là nước
nóng khoảng 95 độ C ở áp suất khí quyển (1,013 bar) và đầu thứ cấp là nguyên liệu cần
thanh trùng ở áp suất khí quyển. Khi nguyên liệu đi trong ống từ đầu tới cuối sẽ được
gia nhiệt từ 25 tới 85 độ C, yêu cầu nhiệt độ đầu ra của sản phẩm phải đạt nhiệt độ cài
đặt. Tốc độ sản phẩm đi trong ống được thay đổi bằng tốc độ của bơm. Hàm truyền của
hệ được xác định bằng phương pháp thực nghiệm.
 Thiết lập mô hình toán học của hệ trao đổi nhiệt ống lồng ống.
Do đây là hàm nhiệt độ nên hàm truyền hệ thống này có dạng bậc nhất, do hệ
thống có cảm biến phản hồi về nên sẽ có khoảng thời gian trễ, vì vậy hàm truyền có
dạng:
𝐾. 𝑒 .
𝐺(𝑠) =
𝑇 .𝑠 + 1
(3.5)
Trong đó:
K: Hệ số tỉ lệ
T1: Thời gian trễ
T2: Thời gian đáp ứng
64
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Dạng đồ thị của hàm truyền tương ứng:
Hình 3. 25: Biểu đồ nhiệt độ theo thời gian
 Hàm truyền tương ứng: 𝐺(𝑠) =
.
.
.
Yêu cầu hệ thống: thời gian đáp ứng nhanh, độ vọt lố nhỏ, độ ổn định cao.
Bộ điều khiển PID với thời gian liên tục:
𝑦(𝑡) = 𝑘
𝑒(𝑡) +
1
𝑇 ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡
+𝑇
𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡
(3.6)
Bộ điều khiển PID dưới dạng laplace:
𝐺
( )
= 𝐾 (1 +
(3.7)
1
+ 𝑇 . 𝑠)
𝑇.𝑠
Trong đó:
𝐾 : hệ số khuếch đại
𝑇 : hằng số tích phân
𝑇 : hằng số vi phân
65
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Tìm các hệ số PID bằng phương pháp Ziegler – Nichols thứ nhất:
Bảng 3. 5: Các hệ số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols 1
Type
𝐾
P
14,5
PI
13,05
13,32
PID
17,4
8
𝑇
Hình 3. 26: Mô hình hóa hệ thống bằng Matlab Simulink
66
𝑇
2
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 3. 27: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển P
Hình 3. 28: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển PI
67
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 3. 29: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển P
Nhận xét:
- Từ biểu đồ đáp ứng nhiệt độ sau mô phỏng nhận thấy bộ điều khiển P hoạt động
rất tốt với thời gian đáp ứng nhanh và độ vọt lố nhỏ.
- Các bộ điều khiển còn lại tuy kết quả vẫn ổn định nhưng thời gian đáp ứng khá
lớn và độ vọt lố cao.
- Quá trình mô phỏng dù lấy số liệu từ thực tế nhưng chưa sát và còn nhiều yếu tố
ảnh hưởng như nhiễu và trễ.
Bảng 3. 6: Nhận xét các bộ điều khiển
P
PI
PID
Độ vọt lố (ºC)
1
28
29
Thời gian đáp ứng (s)
58
170
220
68
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.1.7.3 Bộ làm lạnh
Hình 3. 30: Mô hình hệ thống làm lạnh nhanh
Cơ sở lí thuyết: Bộ trao đổi nhiệt dạng ống lồng có đầu vào sơ cấp là nước lạnh
5ºC và đầu thứ cấp là sản phẩm sau quá trình thanh trùng ở áp suất khí quyển (1,013
bar). Khi nguyên liệu đi trong ống từ đầu tới cuối sẽ được hạ nhiệt nhanh từ 85ºC về
20ºC, yêu cầu nhiệt độ đầu ra của sản phẩm phải đạt nhiệt độ cài đặt. Tốc độ làm lạnh
và nhiệt độ sản phẩm đầu ra được thay đổi bằng tốc độ của bơm nước lạnh. Hàm truyền
của hệ được xác định bằng phương pháp thực nghiệm.
Do đây là hàm nhiệt độ nên hàm truyền hệ thống này có dạng bậc nhất, do hệ thống
có cảm biến phản hồi về nên sẽ có khoảng thời gian trễ, vì vậy hàm truyền có dạng:
𝐺(𝑠) =
𝐾. 𝑒 .
𝑇 .𝑠 + 1
(3.8)
Trong đó:
K: Hệ số tỉ lệ
T1: Thời gian trễ
T2: Thời gian đáp ứng
69
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Dạng đồ thị của hàm truyền tương ứng:
Hình 3. 31: Biểu đồ nhiệt độ theo thời gian
 Hàm truyền tương ứng: 𝐺(𝑠) =
.
.
.
Yêu cầu hệ thống: thời gian đáp ứng nhanh, độ vọt lố nhỏ, độ ổn định cao.
Bộ điều khiển PID với thời gian liên tục:
𝑦(𝑡) = 𝑘
𝑒(𝑡) +
1
𝑇 ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡
+𝑇
𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡
(3.9)
Bộ điều khiển PID dưới dạng laplace:
𝐺
( )
= 𝐾 (1 +
1
+ 𝑇 . 𝑠)
𝑇.𝑠
(3.10)
Trong đó:
𝐾 : hệ số khuếch đại
𝑇 : hằng số tích phân
𝑇 : hằng số vi phân
70
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Tìm các hệ số PID bằng phương pháp Ziegler – Nichols thứ nhất:
Bảng 3. 7: Các hệ số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols 1
Type
𝐾
P
14,5
PI
13,05
13,32
PID
17,4
8
𝑇
Hình 3. 32: Mô hình hóa hệ thống bằng Matlab Simulink
71
𝑇
2
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 3. 33: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển P
Hình 3. 34: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển PI
72
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 3. 35: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển PID
Nhận xét:
- Từ biểu đồ đáp ứng nhiệt độ sau mô phỏng nhận thấy bộ điều khiển P hoạt động
rất tốt với thời gian đáp ứng nhanh và độ vọt lố nhỏ.
- Các bộ điều khiển còn lại tuy kết quả vẫn ổn định nhưng thời gian đáp ứng khá
lớn và độ vọt lố cao.
- Quá trình mô phỏng dù lấy số liệu từ thực tế nhưng chưa sát và còn nhiều yếu tố
ảnh hưởng như nhiễu và trễ.
Bảng 3. 8: Nhận xét các bộ điều khiển
P
PI
PID
Độ vọt lố (ºC)
1
28
29
Thời gian đáp ứng (s)
58
170
220
73
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.2 Thiết bị điện
3.2.1 Thiết bị điều khiển
Trong vận hành điều khiển, các hệ thống thường có ba nhóm được sử dụng kết hợp
với nhau: rờ le, vi điều khiển, PLC.
Rờ le
Hình 3. 36: Rờ-le [14, p.37]; (b) Sơ đồ dây của Rờ-le [17]
Ưu điểm:
- Rơ- le là một công tắc điện có khả năng chịu dòng cao, được tác động gián tiếp
bởi dòng điện có cường độ thấp.
- Được dùng để khuếch đại công suất các tín hiệu điện để truyền đi xa.
- Hệ thống dùng rơ-le dễ thiết kế và lắp đắt.
- Có thể nối các tiếp điểm ở ngõ vào và ngõ ra của các rơ-le theo kiểu nối tiếp hoặc
song song.
Nhược điểm:
- Các cơ-le đều có cấu tạo cơ đóng/mở tiếp điểm. Vì vậy, sau một khoảng thời gian
các tiếp điểm rơ-le sẽ bị mòn dẫn tới rơ-le bị ảnh hưởng như tốc độ tác động, tuổi thọ
và độ tin cậy.
- Rơ-le cồng kềnh và chiếm nhiều không gian trong tủ điện.
- Việc tổ hợp các phần tử khác nhau có thể tạo ra các chương trình phức tạp. Đối
với bộ điều khiển phức tạp, cần tín hiệu và xử lí thông tin thì rơ-le không làm được.
- Khó khăn thay đổi chức năng của tủ điện.
74
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Vi điều khiển
Hình 3. 37: Bo mạch có gắn chip vi điều khiển
Ưu điểm:
- Khả năng tính toán và tốc độ xử lí tín hiệu cao.
- Dùng trong các thiết bị cần độ chính xác, nhỏ gọn và độ thẩm mĩ cao.
- Giá thành sản phẩm thấp.
Nhược điểm:
- Không được dùng phổ biến trong công nghiệp vì vi điều khiển dễ bị ảnh hưởng
từ môi trường như từ tính, nhiệt độ, áp suất… dẫn tới nhiễu.
- Dung lượng bộ nhớ giới hạn.
- Giao diện và ngôn ngữ lập trình không thân thiên với người dùng.
PLC (Program Logictic Controller)
Hình 3. 38: PLC của hãng Simen
75
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Ưu điểm:
- Sử dụng phổ biến trong công nghiệp, hệ thống thay đổi linh hoạt.
- Chiếm diện tích nhỏ trong tủ điện.
- Nhiều chức năng điều khiển.
- Tốc độ xử lí cao.
- Có khả năng mở rộng số lượng đầu vào/ ra khi nối thêm các khối mở rộng .
- Làm việc tốt trong môi trường công nghiệp do không dễ bị nhiễu.
Nhược điểm:
- Giá thành cao.
- Nâng cấp liên tục dẫn đến quá trình tiếp cận và cập nhật phần mềm khó khăn.
Bảng 3. 9: So sánh các thiết bị điều khiển
Chỉ tiêu so sánh
Rơ- le
Vi điều khiển
PLC
Giá
Thấp
Thấp
Cao
Kích thước hệ
Lớn
Nhỏ
Nhỏ
Chậm
Rất nhanh
Nhanh
Tốt
Kém
Kém hơn rơ-le
Tốn nhiều thời
Tốn nhiều thời
Lắp đặt đơn giản,
gian thiết và lắp
gian thiết kế
nhanh chóng
Không
Có, hạn chế
Có
Khó
Linh hoạt nhưng
Đơn giản
thống
Tốc độ điều khiển
Tiếp điểm cơ
Khả năng chống
nhiểu
Thiết kế và lắp đặt
đặt
Khả năng điều
khiển tác vụ
Lập trình
phức tạp
76
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Dựa vào các chỉ tiêu so sánh, em chọn PLC làm thiết bị điều khiển cho hệ thống.
Trên thị trường hiện có rất nhiều hãng bán thiết bị PLC như Omon, Simen,
Mitsu…nhưng với yêu cầu cần điều khiển PID, lập trình đơn giản, nhiều tài liệu hướng
dẫn thì em chọn PLC Simen làm thiết bị điều khiển.
Hình 3. 39: Sơ đồ đấu dây của PLC Simen 1200
Bảng 3. 10: Thông số kĩ thuật của PLC Simen 1200
Thông số
PLC Simen 1200
Dòng điện
115/230 VAC
Điện áp
24 VDC
Số lượng I/O trên board
 Digital
 8 ngõ vảo
6 ngõ ra
 Analog
 2 ngõ vào
Chuẩn truyền thông
Profibus và kết nối PTP
Module truyền thông
3 (mở rộng về bên trái)
77
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Thẻ nhớ
Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)
Tốc độ thực thi tính toán thực
18 𝜇𝑠/lệnh
Tốc độ thực thi Boolean
0,1 𝜇𝑠/lệnh
Phần mềm lập trình
Step7 Basic
Kích thước (𝑚𝑚)
90 × 100 × 75
 Các modun mở rộng
Hình 3. 40: Modun giao tiếp RS485 và modun Analog[14]
3.2.2 Thiết bị giao tiếp
Thiết bị tương tác giữa người- máy là thiết bị cần thiết cho hệ thống công nghiệp
có vai trò giám sát, quản lí, điều khiển hệ thống giúp người vận hành và thiết lập các
thông số điều khiển. Trong môi trường công nghiệp yêu cầu đơn giản, dễ vận hành sửa
chữa, có khả năng kế nối với nhiều thiết bị, khả năng chống nhiểu cao.
Thiết bị tương tác giữa người và máy thường có ba dạng:
- LCD và Keypad
- HMI Proface
- HMI Monitor
78
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
LCD và Keypad
Hình 3. 41: LCD và Keypad
Ưu điểm:
- Giá thành thấp, kích thước nhỏ gọn.
Nhược điểm:
- Lập trình điều khiển chỉ cho những thiết bị đơn giản, khó mở rộng .
- Khó thiết kế giao diện.
- Dễ bị nhiễu tín hiệu điều khiển, độ tin cậy thấp.
HMI
Hình 3. 42: Màn hình HMI
Ưu điểm:
- Kích thước nhỏ gọn
- Tương tác cao, dễ lắp đặt, sửa chữa và nâng cấp
79
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
- Có khả năng giao tiếp tốt với nhiều thiết bị, nhiều loại giao thức
- Độ phân giải cao, giao diện thiết kế sắc nét, rõ ràng
Nhược điểm:
- Giá thành cao
Chọn màn hình HMI thông dụng trong công nghiệp của hãng Siemens.
Chọn màn hình loại: TP400 Comfort loại 6AV2 124-0GC01-0AX0.
Hình 3. 43: Màn hình TP400 [16]; (b) Khi màn hình được đặt nằm ngang [14]
Bảng 3. 11: Thông số màn hình HMI TP400 comfort
STT
Thông số kĩ thuật
Đặc tính kĩ thuật
1
Điện áp đầu vào
24 V/AC
2
Công suất hoạt động
12 W
3
Giao tiếp PLC
Chuẩn truyền thông profinet
4
Độ phân giải
800𝑥480 pixel
5
Kích thước màn hình
7 inch
6
Dãy màu
16777216 đơn vị
7
Bộ nhớ
12 Mbyte
80
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.2.3 Thiết bị đóng ngắt nguồn
 MCB
Hình 3. 44: MCB
 Khởi động từ (Contactor) và Rơ le nhiệt
Hình 3. 45: Contactor và Rơ le nhiệt Simen [14, p.84]; (b) Sơ đồ dây của contactor và
Rơ le nhiệt [17]
3.2.4 Cảm biến nhiệt độ và cách lấy tín hiệu
3.2.4.1 Cảm biến nhiệt độ
Với yêu cầu đo nhiệt độ trong lòng lưu chất, như trong đường ống, bể chứa thì có
các loại cảm biến nhiệt độ phù hợp:
- Cặp nhiệt độ (Thermocouple)
- Nhiệt điện trở (RTD)
81
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Cặp nhiệt độ (thermocouple)
Hình 3. 46: Cấu tạo cặp nhiệt điện
Cấu tạo: Gồm 2 kim loại chất liệu khác nhau được hàn dính một đầu.
Nguyên lý: Với hệ số giãn nở từng kim loại đã biết người ra, khi nhiệt độ môi
trường xung quanh cặp nhiệt điện tăng lên, người ta dựa vào suất điện động do sự chênh
lệch giãn nở để suy ra nhiệt độ xung quanh cặp nhiệt điện.
Ưu điểm: Bền, khoảng nhiệt độ đo lớn.
Nhược điểm: Dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu, độ nhạy không cao.
Thường dùng: Lò nhiệt, nhiệt nhớt máy nén…
Dải đo nhiệt: −100℃~1400℃
Ứng dụng: sản suất công nghiệp, luyện kim…
Ghi chú khi sử dụng chú ý các điểm sau đây:
- Dây nối từ đầu đo đến bộ điều khiển càng ngắn càng tốt (vì tín hiệu truyền đi
dưới dạng điện áp mV nên dây càng dài thì sai số càng lớn).
- Thực hiện việc cài đặt giá trị bù nhiệt (Offset) để bù lại tổn thất trên đường dây.
Giá trị Offset lớn nhỏ phụ thuộc vào độ dài, chất liệu dây và môi trường lắp đặt.
- Không để đầu dây nối của cặp nhiệt độtiếp xúc với môi trường cần đo.
- Nối đúng cực âm cực dương cho cặp nhiệt điện.
82
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Nhiệt điện trở (RTD)
Hình 3. 47: Cấu tạo của RTD
Cấu tạo: Gồm dây kim loại làm từ: đồng, nikel, platinum…đường quấn tùy theo
hình dàng của đầu đo.
Nguyên lý: Khi nhiệt độ môi trường xung quanh RDT thay đổi, điện trở giữa 2 đầu
dây kim loại này sẽ thay đổi, tùy theo mỗi kim loại sẽ có độ thay đổi tuyến tính nhất
định, người ra dựa vào sự thay đổi này suy ra nhiệt của môi trường.
Ưu điểm: Độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây
không hạn chế.
Nhược điểm: Dải đo nhiệt nhở hơn cặp nhiệt độ, giá thành cao hơn cặp nhiệt độ.
Dải đo nhiệt: −200℃~700℃
Ứng dụng: Trong các ngành công nghiệp chung, gia công vật liệu, hóa chất…Hiện
nay phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ platinum.
Ghi chú khi sử dụng chú ý các điểm sau đây:
- Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài.
Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm (khi ở 0 oC). Điện trở càng cao thì độ nhạy
nhiệt càng cao.
- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây. Loại 4 dây cho kết quả đo chính xác
nhất.
- PT100 cấu tạo gồm thành hai phần chính: Pt100 (Ptatinum) và Ni100 (Niken).
83
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Điện trở vả nhiệt độ có mối quan hệ với nhau thông qua biểu thức:
(3.2)
𝑅 = 𝑅 (1 + 𝐴. 𝑇 + 𝐵. 𝑇 + 𝐶. (𝑇 − 100). 𝑇 )
Trong đó:
𝐴 = 3,9083. 10
𝐵 = 5,775. 10
𝐶 = −4,183. 10
(𝑡 < 0℃), 𝐶 = 0 (𝑡 > 0℃)
𝑅 = 100 𝑜ℎ𝑚 tại 0℃
Chọn loại cảm biến: PT100
Bảng 3. 12: Thông số kĩ thuật cảm biến nhiệt độ PT100
STT
Đặc tính kĩ thuật
Thông số
1
Khoảng nhiệt độ đo được
0 − 250℃
2
Đường kính ngoài
4,8 𝑚𝑚
3
Thời gian đáp ứng
4𝑠
4
Số dây
3
3.2.4.2 Cách lấy tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến
Các cách để lấy tín hiệu nhiệt độ:
- Dùng đồng hồ nhiệt độ và modun RS485.
- Modun đặc biệt cho cảm biến, tuy nhiên modun đặc biết rất đắt nên em bỏ qua
trường hợp này.
- Dùng đầu chuyển nhiệt độ tín hiệu điện trở cùng modun A-I.
Dùng đồng hồ đo nhiệt tích hợp modun RS485
[21] Thông thường tín hiệu điện trở từ PT100 được chuyển về dạng analog 4-20
mA/ 0-10V trước khi về PLC. Tuy nhiên, một số trường hợp cần vừa hiển thị nhiệt độ
tại chỗ và vừa đưa về PLC với giá trị chính xác, giảm thiểu nhiễu trên đường truyền. Để
đáp ứng nhu cầu này, các bộ xử lí nhiệt độ PT100 hay hiển thị nhiệt độ PT100 ra đời.
84
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 3. 48: Đồng hồ hiển thị nhiệt độ DTK4848 [14];(b) Sơ đồ chân của DTK4848
[14]
Bảng 3. 13: Thông số kĩ thuật của đồng hồ nhiệt DTA4848
STT
Đặc tính kỹ thuật
Thông số kĩ thuật
1
Điện áp đầu vào
100-240 V/AC 50-60 Hz
2
Dòng điện ngõ ra
4-20 mA
3
Điều khiển
PID, ON-OFF
4
Giao tiếp
Chuẩn truyền thông RS485
5
Kích thước
48𝑥48 mm
6
Thông số lập trình
Địa chỉ
Chức năng
4700H
Process Value (PV), chu
kỳ: 0,5s
4701H
Set point (SV)
4708H
Kp
4709H
Ki
470AH
Kd
4711H
Kiểu điều khiển: 0_PID
(default); 1_0n/Off;
2_manual (tuning)
85
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.2.5 Biến tần
[15] Biến tần là thiết bị chuyển đổi dòng điện xoảy chiều ở tần số này thành dòng
điện xoay chiều ở tần số khác.
Nguyên lí hoạt động: Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha được chỉnh
lưu vào lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ
chỉnh lưu và cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của biến tần đều có
giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất là 0,96. Điện áp một chiều này được
biến đổi nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này được thực
hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực) bằng phương pháp điều chế rộng xung
(PWM). Tần số PWM càng cao thì tần số băm xung càng nhỏ, độ chính xác càng cao.
Hình 3. 49: Sơ đồ mạch chuyển đổi trong biến tần [15]
Hệ thống điện áp 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tùy
theo bộ điều khiển. theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tùy
theo chế độ điều khiển. Đối với tải có moment không đổi, tỉ số điện áp- tần số là không
đổi. Tuy nhiên với tải bơm và quạt, quy luật này là hàm bậc 4. Điện áp làm hàm bậc 4
của tần số. Điều này tạo ra đặc tính moment là hàm bậc 2 của tốc độ phù hợp với yêu
cầu của tải bơm/quạt do bản thân moment cũng là hàm bậc 2 của điện áp.
Biến tần được sử dụng trong luận văn là loại INVT: CHF100A.
Bảng 3. 14: Thông số kĩ thuật của biến tần INVT CHF100A [15, p.74]
STT
Đặc tính kĩ thuật
Thông số kĩ thuật
1
Điện áp đầu vào
220-380 V/AC
2
Tần số điện đầu vào
47-63 Hz
86
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3
Công suất ngõ ra
0,75- 500 kW
4
Thời gian chịu được quá tải
150% dòng định mức: 1 phút
180% dòng định mức: 18s
200% dòng định mức: 1s
5
Nhiệt độ hoạt động
−10 − 50℃
6
Phương thức giao tiếp
Chuẩn truyền 485, Mobbus
3.3 Thiết kế sơ đồ mạch điện cho hệ thống
*Sơ đồ mạch điện được trình bày rõ hơn trong bản vẽ đính kèm.
Hệ thống điện gồm có thiệt bị điều khiển, các động cơ, cảm biến và các bộ điều
khiển van kiểm soát lưu lượng hơi vào bộ thanh trùng.
Hệ thống điện gồm hai phần chính: khối mạch điều khiển vận hành các động cơ
và khối mạch động lực các động cơ.
Bảng 3. 15: Kí hiệu trong mạch điện
STT
Kí hiệu
Tên gọi
1
𝐿 ,𝐿 ,𝐿
Nguồn áp 3 pha 380V
2
ES
Contactor
3
OL
Rơ le nhiệt
4
CB
Cầu dao tổng
5
INVT-CHF100A
Biến tần
6
M
Động cơ
7
R,S,T
Nguồn áp ngõ vào biến tần
8
U,V,W
Nguồn áp ngõ ra biến tần
87
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 3. 50: Mạch động lực
88
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
s
Hình 3. 51: Mạch điều khiển
89
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANH TRÙNG
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANH
TRÙNG
4.1 Giải thuật vận hành hệ thống thanh trùng và điều khiển nhiệt độ
*Trình bày rõ hơn trong bản vẽ đính kèm.
Hình 4. 1: Sơ đồ giải thuật chương trình chính
90
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANH TRÙNG
Hình 4. 2: Sơ đồ giải thuật chương trình con AUTO
Hình 4. 3: Sơ đồ giải thuật chương trình con MANUAL
4.2 Lập trình trên phần mềm TIA Portal- V13
4.2.1 Thiết lập PLC trên màn hình
Từ việc lựa chọn phần cứng và dựa trên phần mềm TIA Portal để kích hoạt cờ nhớ,
các tiếp điểm tạo xung nhịp, thường đóng và thường mở có sẵn trong bộ nhớ của PLC.
91
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANH TRÙNG
Hình 4. 4: Thiết lập các I/O
Hình 4. 5: Cài đặt các thông số chuẩn truyền
Với:
- Baud rate: Tốc độ truyền thông của PLC với các thiết bị ngoại vi, tốc độ này phải
bằng với tốc độ cài trên các thiết bị.
- Parity: Biến kiểm tra chẵn lẻ.
92
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANH TRÙNG
- Data bits: Độ dài của một fame truyền dữ liệu.
- Stop bits: Số bit stop.
- Wait time: Thời gian tối đa cho kết nối.
Hình 4. 6: Thông số Analog đầu vào trên PLC
4.2.2 Các lệnh dùng trong chương trình và lập trình
Bảng 4. 1: Các lệnh dùng trong chương trình
Lệnh
Di chuyển
Chức năng
Các chân
Sao chép một phần tử dữ
IN: địa chỉ hoặc dữ liệu
liệu tại một địa chỉ xác
muốn sao chép
định tới một địa chỉ mới
OUT: địa chỉ lưu mới
93
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANH TRÙNG
Tăng giá trị
Tăng giá trị một phần tử
IN/OUT: địa chỉ muốn tăng
dự liệu được lưu trữ tại
giá trị
một địa chỉ xác định lên
một đơn vị
Bộ định thì
Sau khoảng thời gian được PT: giá trị thời gian delay
cài đặt thì ngõ ra Q sẽ có
ET: hiển thị thời gian hoạt
tín hiệu
động
Q: ngõ ra
Norm-X
Định tỉ lệ thông số Value
MIN: giá trị nhỏ nhất
trong phạm vi được xác
MAX: giá trị lớn nhất
định bởi thông số MIN và
MAX
Value: giá trị mong muốn
chuẩn hóa
OUT: OUT = (VALUEMIN)/ (MAX - MIN)
Scale
Định tỉ lệ thông số Value
MIN: giá trị nhỏ nhất
được chuẩn hóa thành kiểu MAX: giá trị lớn nhất
dữ liệu và phạm vi xác
OUT: OUT = VALUE.
định bởi thông số MIN và
(MAX - MIN) + MIN
MAX
MB-Master
Cho phép chương trình
REQ: ngõ vào yêu cầu (0:
giao tiếp như một phần
không có yêu cầu giao tiếp,
chủ Modbus sử dụng một
1: có yêu cầu giao tiếp)
cổng trên module PtP CM
MB_ADDR: địa chỉ slave
1241 RS485. Ta có thể
muốn giao tiếp (1 – 247)
truy suất dữ liệu trong một
94
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANH TRÙNG
hay nhiều thiết bị phần
DATA_ADDR: địa chỉ
phụ thuộc Modbus
thanh ghi muốn truy xuất tới
MODE: chọn chế độ giao
tiếp (0: read; 1: write)
DATA_LEN: số lượng
thanh ghi muốn trỏ tới khi
giao tiếp
DATA_PIR: vị trí con trỏ
là một cờ nhớ hay là Data
Block
DONE: thể hiện quá trình
kết nối (0: chưa kết nối; 1:
đã kết nối)
ERROR: báo lỗi truyền
thông (0: không có lỗi; 1:
lỗi truyền thông)
STATUS: mã lỗi cấu hình
cổng
MB_COMM_LOAD
Cấu hình một cổng trên
REQ: ngõ vào yêu cầu (0:
các module truyền thông
không thực hiện; 1: có yêu
PtP CM 1241 RS485 cho
cầu giao tiếp giao tiếp)
các truyền thông Modbus
PORT: định danh cổng
RTU. Khi bắt đầu chương
truyền thông (Hardware
trình, hàm
Identifier: 269; 270)
MB_COMM_LOAD sẽ
được thực hiện ngay và
thực hiện 1 lần toàn bộ
chương trình.
95
BAUD: tốc độ truyền thông
(9600; 19200…)
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANH TRÙNG
PARITY: xác định các số
chẵn lẻ (0: không lựa chọn;
1: lẻ; 2: chẵn)
MB_DB: tham chiếu đến
Data Block của các lệnh
MB (các master hoặc slave)
DONE: thể hiện quá trình
kết nối (0: chưa kết nối; 1:
đã kết nối)
ERROR: báo lỗi truyền
thông (0: không có lỗi; 1:
lỗi truyền thông)
STATUS: mã lỗi cấu hình
cổng
Hình 4. 7: Giao diện chương trình tại chương trình Main
96
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANH TRÙNG
Hình 4. 8: Giao diện chương trình tại chương trình con FC
4.2.3 Lập trình HMI
Hình 4. 9: Màn hình Operate
97
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANH TRÙNG
Hình 4. 10: Màn hình Overview
Hình 4. 11: Màn hình Setting_Values
98
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANH TRÙNG
Hình 4. 12: Màn hình Manual
4.3 Thiết kế hệ thống giám sát SCADA trên phần mềm WinCC 7.4
Hình 4. 13: Giao diện màn hình SCADA
99
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANH TRÙNG
Hình 4. 14: Giao diện xuất báo cáo, cảnh báo sử dụng VB Script
Hình 4. 15: Giao diện các kết nối
100
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANH TRÙNG
Hình 4. 16: Giao diện OPC Kepsever
4.4 Điều khiển sản xuất thực tế
Trong quá trình sản xuất thực tế,
nguyên liệu từ quả chanh dây sẽ được nhân
công tách lấy phần thịt bên trong. Phần này
sẽ bao gồm xơ, thịt, hạt, nước chanh dây và
tất cả sau khi tách ra sẽ được bảo quản lạnh
ở 5ºC.
Bắt đầu quá trình sản xuất, nguyên liệu
sẽ được đưa qua sàng rung để bắt đầu quá
trình tách. Phần hạt và phần nước sẽ được
tách ra để đi đi qua thanh trùng, phần xơ sẽ
được đưa qua một quá trình khác.
101
Hình 4. 17: Chanh dây tách dạng thô
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANH TRÙNG
Hình 4. 18: Chanh dây qua sàng rung tách xơ
Phần chanh dây sau khi được tách sẽ được đưa qua hệ thống bồn bài khí, bơm
chân không sẽ rút bớt không khí ra ngoài, quá trình bài khí sẽ giúp hạn chế sự phát triển
của vi sinh vật hiếu khí tồn tại sau quá trình thanh trùng, ngoài ra sẽ làm giảm hiện tượng
tạo thành màng bọt lúc thanh trùng cũng như chiết rót sản phẩm.
Hình 4. 19: Hệ thống bồn bài khí
Sau khi qua bồn bài khí nguyên liệu sẽ đi vào bồn khuấy và hệ thống thanh trùng.
Nhiệt độ thanh trùng , nhiệt độ làm lạnh, lưu lượng tối đa được đặt theo yêu cầu của
người vận hành để đạt hiệu quả tốt nhất.
102
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANH TRÙNG
Hình 4. 20: Hệ thống bồn khuấy
Kết thúc quá trình thanh trùng, làm lạnh. Nguyên liệu sẽ được bảo quản trong bồn
lạnh 5ºC hoặc đóng bao bì trong môi trường vô trùng và cũng được bảo quản lạnh.
Hình 4. 21: Chanh dây đóng chai bảo quản lạnh
103
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANH TRÙNG
Hình 4. 22: Biểu đồ nhiệt độ quá trình thanh trùng, làm lạnh
Nhận xét:
- Nhiệt độ được duy trì rất ổn dịnh cho dòng nhiệt nóng và dòng nhiệt lạnh.
- Nhiệt độ đạt đúng nhiệt độ yêu cầu với nhiệt độ cài đặt.
104
CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT
CHƯƠNG 5: TỒNG KẾT
5.1 Kết quả đạt được
Hoàn thành mô hình 3D từ kết cấu cơ khí có sẵn.
Xây dựng lưu đồ giải thuật và lập trình mô phỏng Matlab.
Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị.
Thiết kế hệ thống điện điều khiển, giám sát qua màn hình.
Có sản phẩm thực tế và đã được kiểm tra chất lượng.
5.2 Các vấn đề còn tồn tại
Chương trình điều khiển chưa tối ưu, cần chạy thực nghiệm nhiều hơn để giải quyết
các vấn đề phát sinh trong quá trình vận hành.
Vấn đế quan trọng trọng thanh trùng ống là hệ thống vệ sinh vẫn chưa tối ưu, mất
nhiều thời gian để vận hành.
5.3 Hướng phát triển đề tài
Tối ưu chương trình, xây dựng hoàn thiện hệ thống cảnh báo.
Phát triển hệ thống giám sát, điều khiển từ xa.
105
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. [Michael_J._Lewis, Neil_J._Heppell] (2000), Continous Thermal Processing of
Foods Pasteurization and UHT Sterilization
[2]. Website\Process Info_ Pasteurization in dairies - Efficiency Finder.html
[3]. Website\pharmaceuticalguide_ Process Heating by Direct Steam Injection.html
[4]. Website\Indirect fired hot water heater FAQs.html
[5]. Website\How-does-a-plate-heat-exchanger-work.htm
[6]. Website\Comparison between shell and plate type Heat Exchangers _ Marine
InfoSite.html
[7]. Website\Cyclonic separation - Wikipedia.html
[8]. [Thomas_Lestina, Robert_W._Serth] (2007), Process Heat Transfer_Priciples and
Applications
[9]. Chapter4.pdf
[10]. [Rajiv_Mukherjee] , Practical Thermal Design of Shell-and-Tube Heat
Exchangers
[11]. Website\Dairy and Food Engineering_ Lesson 13. Working principles of
equipment for sterilization of milk.html
[12]. [Spirax_Sarco]_The Steam and Condensate Loop Book
[13]. Website\UHT processing of milk - New Food Magazine.html
[14]. Quy_luanvan
[15]. Website\Biến tần là gì_ Nguyên lý hoạt động biến tần_.html
[16]. Hmi_comfort_panels_outdoor_operating_instructions_en-US_en-US.pdf
[17]. Https://www.how-to-wire-it.com/how-to-wire-a-relay.html
[18]. Website\Electrical Mcb Wiring Diagram New Schneider Valid For A Contactor allove.me.html
106
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[19] [G.J.PrinslooThesisProject] (2011), Design and Development of an Inlet Air Flow
Meter for an Internal Combustion Engine_Mechatronics Project 478
[20] [Phạm Văn Bôn_Nguyễn Đình Thọ] (1991) (Quyển 1_Tập 5), Giáo trình Các quá
trình và thiết bị truyền nhiệt - ĐHBKTPHCM
[21]. Website\Bộ Điều Khiển Nhiệt Độ PT100 _ Hiển Thị Nhiệt Độ Ngõ Ra Analog +
Relay.html
[22]. Website\Module chuyển đổi nhiệt độ Pt100 sang tín hiệu 4-20mA. _
LinkedIn.html
[23]. [Tiểu luận], Thiết Kế Thiết Bị Đun Nóng Sữa Đậu Nành.pdf
[24]. Pt100.pdf
[25]. 10.11648.j.acis.20140201.11.pdf
[26]. Website\CONTROL VALVES_ CHARACTERISTICS, GAIN & TRANSFER
FUNCTION.html
[27]. P359_14_divert_valve_spirax.pdf
[28]. 0699p001 3-port valves electrically actuated.pdf
[29]. P323_30.pdf
[30]. Website\Các Loại Cảm Biến Đo Mức Nước ON _ OFF và Liên Tục 420mA.html
[31]. Website\Cảm Biến Đo Mức Bằng Áp Suất FKE _ Georgin - France _ Chất
Lỏng.html
[32]. [M. Anandha Rao, PhD] (1999), Rheology of Fluids and Semisolid Foods
[33]. Dau-Thi-Nhu_viscosity.pdf
[34]. Https://www.upmet.com/products/stainless-steel/316316l#Physical-Properties
[35]. P047_04.pdf
107