Đồ án Thiết kế và chế tạo lò sấy nông sản (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế và chế tạo lò sấy nông sản (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO LÒ SẤY NÔNG SẢN GVHD: TS. VŨ QUANG HUY SVTH: ĐẶNG MẬU TÚ DƯƠNG MSSV: 11146024 SVTH: NGÔ THÁI SƠN MSSV: 11146094 S K L 0 0 3 7 1 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2015
2. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn CƠ ĐIỆN TỬ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn: TS. VŨ QUANG HUY Sinh viên thực hiện:Đặng Mậu Tú DƣơngMSSV: 11146024 Ngô Thái Sơn MSSV:11146094 1. Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO LÒ SẤY NÔNG SẢN 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: . . . . . . 3. Nội dung chính của đồ án: . . . . . . . . . . 4. Các sản phẩm dự kiến . . . . 5. Ngày giao đồ án: 6. Ngày nộp đồ án: TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Đƣợc phép bảo vệ (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i
3. LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo lò sấy nông sản - GVHD: TS. Vũ Quang Huy - Họ tên sinh viên: Đặng Mậu Tú Dƣơng MSSV: 11146024 Địa chỉ: Quận 9, Tp. HCM Email: tuduong8782@gmail.com SĐT: 0166 245 8782 - Họ tên sinh viên: Ngô Thái sơn MSSV: 11146094 Địa chỉ: Quận Thủ Đức, Tp. HCM Email: Ngothaisonvn@gmail.com SĐT: 0164 360 4083 - Lớp: 111460B - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 27/07/2015 - Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. Hồ Chí Minh, ngày . tháng . năm 20 Ký tên ii
4. LỜI CẢM ƠN  Đầu tiên, chúng em xin chân thành g ửi lời cảm ơn đến toàn thể quý thầy cô Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, Bộ môn Cơ Điện Tử cũng nhƣ quý thầy, cô, bạn bè đã tạo điều kiện, hƣớng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án. Xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy TS.Vũ Quang Huy, với những lời động viên cũng nhƣ chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu trong học tập , công việc , và những đóng góp chân thành, nhiệt tình của thầy giúp chúng em có thêm ý tƣởng và nghị lực để thực hiện đề tài. Trong quá trình thực hiện đề tài, khó tránh khỏi thiếu sót, kính mong quý thầy cô bạn bè thông cảm và nhiệt tình góp ý để chúng em hoàn thành công việc tốt hơn trong lần sau. Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn . Tp.HCM, ngày tháng năm 2015 iii
5. TÓM TẮT ĐỒ ÁN Nghiên cứu nguyên lý hoạt động các loại lò sấy, phân tích ƣu nhƣợc điểm của từng loại để tìm ra các yêu cầu cần đạt đƣợc của lò sấy và đề xuất phƣơng án thiết kế tối ƣu. Tiến hành thiết kế sơ bộ trên phầm mềm Solidworks các thành phần của lò sấy dựa trên các yêu cầu về tính năng nhƣ phƣơng pháp sấy, công suất sấy, các tính năng cách nhiệt, đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm và an toàn trong vận hành. Hoàn thành thiết kế và thi công phần cơ khí theo bản thiết kế, thi công các mạch điện điều khiển. Sau đó lắp ráp các thành phần cảu lò sấy lại với nhau: hệ thống ống dẫn, quạt hút, quạt thổi, cảm biến và bộ điều khiển. Hiệu chỉnh phần cứng đáp ứng yêu cầu thực tế: tăng đƣờng kính ống dẫn khí, thay đổi dạng quạt thổi. Vận hành chạy thử lò sấy, ghi nhận các thông số để tiên hành tìm hàm truyền phục vụ cho quá trình lập trình điều khiển và vận hành lò. Tính toán tìm hàm truyền, lập trình mô hình lò sấy vào vi điều khiển. Sau đó hiệu chỉnh thông số điều khiển để lò hoạt động chính xác và điều khiển. Ngoài ra nhóm còn lập trình giao diện để phụ vụ cho việc thay đổi thông số và giám sát. Vận hành thực nghiệm và nghiệm thu kết quả. Các vấn đề trên là những vấn đề chúng em đạt đƣợc và đƣợc trình bày kỹ trong đồ án. Kết quả của đồ án là "lò sấy trái cây mini". Lò sấy là kết quả của tất cả những kiến thức mà nhóm đã nghiên cứu về đồ án. Sau quá trình thực nghiệm đã cho những kết quả khả quan và hƣớng phát triển tốt. iv
6. ABSTRACT Research operation principles and the corresponding kiln type, to find advantages and disadvantages of each type from which find the required gain of kilns and proposed solutions to optimize designs. Conduct a preliminary design components of the kiln on SolidWorks software, based on the requirements for features such as drying, drying capacity, features, insulation, ensure food safety and safety in operation. Complete design and construct mechanical components according to the design and construct of the control circuit. Then we assemble the component of the kiln together: piping, exhaust fans, blowers, sensors and controllers. Edit the hardware follow the practical requirements: increasing diameter gas pipeline, transfiguration blower. Commissioning kiln, recording operating parameters to find the transfer function first serve process control programmers and operators kiln. Calculator to find the transfer function, programmable kiln models on the microcontroller. Then we adjust parameter controls for precise kiln operation and control. In addition the group also program interface for accessories for changing parameters and monitoring. Experimental operation and test the results. These are my group' s result that we archieved in this project. After the experiment the results is good and can be develop in future. v
7. MỤC LỤC Trang NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỜI CAM KẾT ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv MỤC LỤC vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1 1.1. Mục tiêu đề tài 1 1.2. Giới thiệu 1 1.2.1. Hiện trạng trái cây sấy 1 1.2.2. Giới thiệu lò sấy 1 1.2.3. Tính chất đặc trưng 2 1.2.4. Thành phần lò sấy 2 1.3. Nội dung nghiên cứu 3 1.4. Phƣơng pháp và công cụ nghiên cứu 3 1.4.1. Phương pháp 3 1.4.2. Phương tiện nghiên cứu 3 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ SẤY 5 2.1. Công nghệ sấy 5 2.1.1. Quan hệ giữa nhiệt và truyền ẩm 5 2.1.2. Các giai đoạn sấy 5 2.1.3. Thời gian sấy 6 2.1.4. Vận tốc sấy 6 2.2. Phƣơng pháp và chế độ sấy 7 2.2.1. Phơi sấy bằng năng lượng mặt trời 7 2.2.2. Sấy đối lưu 8 2.2.3. Sấy bức xạ 10 2.2.4. Sấy thăng hoa 11 2.2.5. Sấy bằng điện trường dòng cao tần 14 2.3. Kỹ thuật sấy các loại trái cây 15 2.3.1. Ảnh hưởng của quá trình sấy đến chất lượng sản phẩm 15 2.3.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả sấy 16 2.3.3. Sơ đồ công nghệ sấy trái cây 17 vi
8. 2.4. Xác định chất lƣợng sản phẩm đầu ra 17 Chƣơng 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH LÒ SẤY. 19 3.1. Tổng quan thiết kế 19 3.1.1. Đối tượng sấy 19 3.1.2. Mục tiêu thiết kế 20 3.2. Lựa chọn phƣơng pháp thiết kế 20 3.2.1. Cơ sơ cho việc chọn lựa phương pháp sấy 20 3.2.2. Mô hình được chọn theo phương pháp sấy đối lưu 20 3.3. Phƣơng pháp tạo dựng hệ thống sấy 22 3.4. Tính toán thiết bị sấy 23 3.4.1. Yêu cầu tính toán 23 3.4.2. Nội dung tính toán 23 3.5. Kết quả thiết kế 25 3.5.1. Bản vẽ thiết kế 25 3.6. Mô phỏng động học 26 Chƣơng 4: TÍNH TOÁN, THI CÔNG PHẦN CỨNG 28 4.1. Cơ khí 28 4.1.1. Các phần của lò sấy 28 4.1.2. Kích thước cơ bản của lò sấy 28 4.2. Hệ thống Điện – Điện tử 29 4.2.1. Các thành phần Điện – Điện tử của hệ thống 29 4.2.2. Sơ đồ khối hệ thống 40 4.2.3. Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại cho cảm biến PT100 40 4.3. Lắp ráp và hoàn thành phần cứng 42 4.3.1. Tổng hợp thiết bị 42 4.3.2. Thông số kỹ thuật của lò sấy 42 Chƣơng 5: THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 43 5.1. Thiết kế giao diện 43 5.1.1. Giao diện truyền nhận và giám sát 43 5.1.2. Giao diện lưu trữ dữ liệu và cài đặt thời gian 43 5.2. Lập trình điều khiển 44 5.2.1. Mô tả toán học của lò sấy 44 5.2.2. Chọn phương pháp và giải thuật điều khiển 46 5.2.3. Bộ số PID 47 5.2.4. Thuật toán điều khiển 54 Chƣơng 6: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH 56 vii
9. 6.1. Thực nghiệm 56 6.1.1. Tìm bộ số khâu điều khiển 56 6.1.2. Kết quả thực nghiệm với bộ số PI tìm được 59 6.1.3. Thực nghiệm với 3 loại trái cây 60 Chƣơng 7: KẾT LUẬN 65 7.1. Kết quả đạt đƣợc 65 7.2. Ƣu nhƣợc điểm của sản phẩm 65 7.3. Những khó khăn khi thực hiện 66 7.4. Hƣớng phát triển trong tƣơng lai 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 PHỤ LUC 1: CHƢƠNG TRÌNH THIẾT KẾ GIAO DIỆN I PHỤ LỤC 2: CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VII PHỤ LỤC 3: BẢN VẼ THIẾT KẾ XVIII viii
10. DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 2. 1:Biểu đồ tăng nhiệt độ của quá trình sấy. 6 Hình 2. 2: Mô hình sấy bằng năng lƣợng mặt trời 7 Hình 2. 3: Máy sấy hạt cà phê bằng năng lƣợng mặt trời 8 Hình 2. 4: Mô hình cơ bản sấy đối lƣu không tuần hoàn 8 Hình 2. 5: Lò sấy đối lƣu KingSun cỡ vừa 9 Hình 2. 6: Lƣu thông khí trong lò sấy đối lƣu 10 Hình 2. 7: Mô hình sấy bức xạ-đối lƣu 10 Hình 2. 8: Máy sấy trà Lài 200 vỉ 11 Hình 2. 9: Mô hình sấy thăng hoa cơ bản 12 Hình 2. 10: Sơ đồ 3 pha của nƣớc 12 Hình 2. 11: Hệ thống sấy thăng hoa trong công nghiệp 13 Hình 2. 12: Nguyên lý làm nóng bằng điện trƣờng dòng cao tần 14 Hình 2. 13: Mô hình thiết bị sấy điện trƣờng cao tần 15 Hình 2. 14: Xoài tƣơi và xoài sấy 16 Hình 3. 1: Hình mô tả đơn giản những hợp chất tiêu biểu trong một loại trái cây 19 Hình 3. 2: Mô hình 3D lò sấy 26 Hình 3. 3: Mô hình 3D nhìn bên trong của lò sấy 26 Hình 3. 4: Mô phỏng động học của lò sấy 27 Hình 4. 1: Quá trình lƣu thông khí trong lò sấy 28 Hình 4. 2: Đồ thị đặc tính 29 Hình 4. 3: Pt100 thực tế 30 Hình 4. 4: SSR(Solid State Relay) 31 Hình 4. 5: Sơ đồ nguyên lý SSR 31 Hình 4. 6: Dây trở nhiệt 32 Hình 4. 7: Quạt thổi MB480-D 32 Hình 4. 8: Quạt hút tản nhiệt 33 Hình 4. 9: Mạch nguyên lý nguồn ±12V 33 Hình 4. 10: Mạch thực tế nguồn ±12V 34 Hình 4. 11: Nguồn +24V 34 Hình 4. 12: Module nguồn +5V 35 Hình 4. 13: Module Realtime Clock 35 Hình 4. 14: Nguyên lý giao tiếp I2C 36 Hình 4. 15: Nguyên lý truyền theo phƣơng thức Master/Slave 36 Hình 4. 16: Mạch Arduino Mega 2560 37 Hình 4. 18: LCD 128x64 KS0108 38 Hình 4. 19: Kết nối LCD 128x64 KS0108 38 Hình 4. 20: Relay Omron 24VDC MY4N 39 Hình 4. 21: Sơ đồ khối hệ thống 40 Hình 4. 22: Mạch khuếch đại thuật toán. 41 Hình 4. 23: Mạch nguyên lý mạch khuếch đại 41 Hình 4. 24: Mô hình lò sấy thực nghiệm 42 ix
11. Hình 5. 1: Giao diện kết nối, đọc và hiển thị giá trị cảm biến 43 Hình 5. 2: Giao diện lƣu và hiển thị thời gian 44 Hình 5. 3: Đặc tính chính xác của hệ thống quán tính bậc 1 có trễ 45 Hình 5. 4: Đặc tính gần đúng của hệ thống quán tính bậc 1 có trễ 45 Hình 5. 5: Sơ đồ khối điều khiển hồi tiếp 46 Hình 5. 6: Sơ đồ khối điều khiển thẳng 47 Hình 5. 7: Sơ đồ khối điều khiển hồi tiếp PID 47 Hình 5. 8: Đồ thị đặc tính khâu tỉ lệ 48 Hình 5. 9: sơ đồ khối điều khiển hệ thống bằng khâu tỉ lệ 48 Hình 5. 10: Đồ thị đặc tính khâu tích phân 49 Hình 5. 11: Sơ đồ khối điều khiển hệ thống bằng khâu tích phân 49 Hình 5. 12: Đồ thị đặc tính khâu vi phân 50 Hình 5. 13: Sơ đồ khối điều khiển hệ thống bằng khâu vi phân 51 Hình 5. 14: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 51 Hình 5. 15: Đồ thị đặc tính bộ điều khiển PID 52 Hình 5. 16: Đặc tính khâu quán tính bậc một hoặc bậc cao 53 Hình 5. 17: Xấp xỉ về dạng quán tính bậc 1 có trễ 53 Hình 5. 18: Sơ đồ khối điều khiển đối tƣợng bằngKth thay cho bộ PID 53 Hình 5. 19: Đồ thị đặc tính hệ thống điều khiển đối tƣợng bằng Kth thay cho bộ PID 54 Hình 5. 20: Sơ đồ khối thuật toán điều khiển 55 Hình 6. 1: Sơ đồ khối nhận dạng hệ thống vòng hở 56 Hình 6. 2: Sơ đồ khối tìm hàm truyền lò sấy 56 Hình 6. 3: Tìm hàm truyền bằng phƣơng pháp hai điểm quy chiếu 57 Hình 6. 4: Đồ thị đặc tính của đối tƣợng lò sấy 57 Hình 6. 5: Kết quả phân tích nhiễu tần số cao trong miền tần số 58 Hình 6. 6: Đáp ứng của bộ PI tìm đƣợc với Setpoint 70℃ 59 Hình 6. 7: Đáp ứng của bộ PI tìm đƣợc với Setpoint 80℃ 60 Hình 6. 8: Kết quả thực nghiệm chuối sấy 61 Hình 6. 9: Kết quả thực nghiệm mít sấy 62 Hình 6. 10: Kết quả thực nghiệm Carot sấy 63 x
12. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2. 1: Bảng ƣu, nhƣợc điểm các chuyển động khác nhau của tác nhân sấy 9 Bảng 4. 1:Bảng địa chỉ module Realtime Clock 35 Bảng 4. 2: Bảng thông số các chân tín hiệu LCD 128x64 KS0108 38 Bảng 5. 1: Bảng công thức tính bộ số PID bằng phƣơng pháp Ziegler-Nichold 1 53 Bảng 5. 2: Bảng công thức tính bộ số PID bằng phƣơng pháp Ziegler-Nichold 2 54 xi
13. Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1. Mục tiêu đề tài Xây dƣṇ g môṭ hê ̣thống sấy cơ bản hoàn chỉnh bao gồm thành phần gia nhiêṭ , bộ phận cấp khí, bô ̣điều khiển , cảm biến. Tƣ̀ đó kết hơp̣ với kiến thƣ́ c các môn hoc̣ điều khiển quá trình, điều khiển tƣ ̣ đôṇ g, đo lƣờng điều khiển má y tính Để điều khiển thành phần nhiêṭ đô ̣của đối tƣơṇ g lò s ấy. Nhằm xây dựng, bổ sung áp duṇ g kiến thƣ́ c khoa hoc̣ đa ̃ hoc̣ vào thƣc̣ tế , hiểu rõ về mô hình m ột hệ thống nhiêṭ c ụ thể là lò sấy trái cây , hê ̣ thống nhiêṭ và cá ch thƣ́ c điều khiển nhiêṭ đô ̣ . Ngoài ra đây còn là nền tảng để phát triển thành sản phẩm thƣơng mại dân dụng với chức năng tốt hơn so với các sản phẩm hiện hành. 1.2. Giới thiệu 1.2.1. Hiện trạng trái cây sấy Ngoài nhóm thực phẩm tƣơi sống, nông sản sấy khô cũng rất đƣợc ƣa thích vì tính tiện lợi, tuy nhiên cái đƣợc và cái chƣa đƣợc của nhóm thực phẩm này đến nay vẫn chƣa hiểu hết. Nông sản sấy khô là nói về các loại củ quả mà lƣợng nƣớc bên trong của nó đã rút cạn kiệt thông qua kỹ thuật sấy hay phơi tự nhiên. Sản phẩm co ngót ở dạng khô giòn, hay dạng kẹo nhƣng vẫn giàu năng lƣợng, dƣỡng chất. Nông sản sấy khô có chứa lƣợng chất dinh dƣỡng giống nhƣ nông sản tƣơi nhƣng đƣợc cô đọng trong thể tích nhỏ hơn. Theo nhiều nghiên cứu, những ngƣời ăn nông sản sấy khô (đặc biệt là trái cây) ít có xu hƣớng tăng cân nhƣng lại thu nạp nhiều dƣỡng chất hơn. Hơn nữa, một số loại trái cây sấy có tác dụng ngừa bệnh nhƣ nho sấy, chà là sấy, 1.2.2. Giới thiệu lò sấy Lò sấy là một thiết bị quan trọng việc bảo quản và sơ chế sản phẩm khô. Lò sấy có nhiệm vụ sử dụng nhiệt năng cung cấp từ các nguồn khác nhau (củi, điện, ga ), tác động vào tác nhân sấy từ đó rút giảm lƣợc nƣớc có trong sản phẩm sấy. Ngày nay, việc sử dụng các thiết bị sấy để bảo quản ngày càng phổ biến, đối tƣợng áp dụng rất đa dạng. Nguyên liệu sấy có thể ở các dạng khác nhau nhƣ: lát, bột, trái, củ, Đặc biệt trong các lĩnh vực thực phẩm, dƣợc phẩm, dƣợc liệu, việc đảm bảo các sản phẩm sử dụng đƣợc lâu nãy sinh vấn đề bảo quản cho các đối tƣợng này. Phƣơng pháp đƣợc sử dụng phổ biến hiện nay là sấy khô các sản phẩm này. Lò sấy đƣợc xây dựng dựa trên nhiều yếu tố, phụ thuộc vào nhu cầu và đối tƣợng của lò sấy. Từ yêu cầu xây dựng lò sấy đã tạo ra những loại lò sấy với kích thƣớc và phƣơng pháp sấy khác nhau để phù hợp với từng loại đối tƣợng sấy. Hoạt động của lò sấy chủ yếu dựa trên nguyên lý bốc hơi độ ẩm của của đối tƣợng sấy bằng khí nóng, đối với từng loại phƣơng pháp sấy sẽ phù hợp với những loại đối tƣợng 1
14. khác nhau. Việc chọn phƣơng pháp sấy thích hợp sẽ tiết kiệm chi phí xây dựng lò sấy và đem lại hiệu quả cao nhất cho sản phẩm đầu ra. 1.2.3. Tính chất đặc trưng Chế độ làm việc của hệ thống sấy: các chế độ sấy đƣợc đƣa ra dựa tính chất của từng loại sản phẩm, để giữ lại hàm lƣợng dƣỡng chất có lợi nhiều nhất và tránh quá biến đổi chất làm ảnh hƣởng xấu đến tính chất thành phẩm. Dựa trên lý thuyết và những thực nghiệm đã đƣa ra những quy chuẩn và chế độ sấy đối với từng sản phẩm sấy. Dạng vật sấy: là đối tƣợng bị trực tiếp tác động bởi tác nhân sấy. Vật sấy sẽ đƣợc tách nƣớc và biến đổi trong quá trình sấy nhằm tạo ra thành phẩm đạt yêu cầu về chất lƣợng (hàm lƣợng dinh dƣỡng, độ ẩm, độ chua ). Áp suất bên trong buồng sấy: tác nhân sấy là một đai lƣợng quan thể hiện đặc trƣng cho tác nhân sấy. Áp suất còn tác động trực tiếp đến nhiệt độ của lò sấy, độ khuyếch tán và tốc độ bay hơi của vật sấy. Phƣơng pháp hình thành tác nhân sấy: phƣơng pháp đƣợc sử dụng trong lò sấy nhiệt là nung nóng không khí bằng các nguyên liệu, nhiên liệu (củi, điện, ga ). Chuyển động của tác nhân sấy: là yếu tố tác động lớn đến tốc độ và thời gian của cả quá trình sấy. Tác nhân sấy (không khí nóng) di chuyển trong lò sấy tác động vào vật sấy thúc đẩy quá trình khuyếch tán lƣợng nƣớc trong vật sấy. Do đó vận tốc di chuyển và khả năng phân tán của tác nhân sấy cũng nhƣ thiết kế tạo dòng khí động của lò sấy là yếu tố quan trọng trong việc quyết đinh năng suất cũng nhƣ chất lƣợng của sản phẩm sấy. Sơ đồ làm việc của hệ thống: mỗi phƣơng pháp sấy có thể có nhiều lựa chọn cho sơ đồ làm việc của hệ thống. Sơ đồ làm việc có ảnh hƣởng quan trọng đến chất lƣợng sản phẩm đầu ra và hiệu suất làm việc. Cấu trúc buồng sấy: đƣợc thiết kế phù hợp với từng đối tƣợng sấy, buồng sấy quá rộng sẽ ảnh hƣởng đến chất lƣợng điều khiển và tốn hao năng lƣợng, quá bé sẽ không đủ không gian xếp vỉ và đảm bảo hiệu suất làm việc. 1.2.4. Thành phần lò sấy Thành phần gia nhiệt: là bộ phận chính tạo nên tác nhân sấy. Thành phần gia nhiệt chủ yếu trong lò sấy hiện nay là nhiên liệu (củi, than, ga ), điện (điện trở), năng lƣợng mặt trời Bộ phận thổi khí nóng (quạt): là thiết bị tạo sự thay đổi áp suất để thổi tác nhân sấy qua hệ thống truyền tải phân phối đều khắp lò sấy, tạo sự ổn định và đồng nhất nhiệt độ trong lò sấy, từ đó tạo ra sản phẩm có chất lƣợng tốt và đồng đều. Hệ thống truyền tải tác nhân sấy: đối với một số loại lò sấy hệ thống này là những đƣờng dẫn khí, đƣa tác nhân khí từ bộ phận gia nhiệt trực tiếp đến các vật sấy. Nhằm giảm thiểu suy hao nhiệt của tác nhân sấy, hệ thống ống đƣợc thiết kế nhằm giảm hấp thu và thất thoát nhiệt. 2
15. Cảm biến nhiệt độ : là thiết bị đo sự thay đổi nhiệt độ trong lò sấy, từ đó dẫn tìn hiệu thu đƣợc vào mạch xử lý và truyền về bộ điều khiển trung tâm để đƣa ra phƣơng án điều khiển tối ƣu. Bô ̣điều khiển: điều khiển trực tiếp bộ phận gia nhiệt, bộ phận thổi khí nóng của lò sấy, đƣa ra cách lệnh điều khiển phù hợp với các phƣơng án đƣợc lập trình trƣớc. Ngoài ra còn hiển thị thông báo các trạng thái của lò sấy. Bộ hiển thị: hiển thị trạng thái và thông số của lò sấy. 1.3. Nội dung nghiên cứu Cơ sở lý thuyết công nghệ sấy: tìm hiểu đầy đủ các phƣơng pháp sấy, ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp, các yêu cầu đặc trƣng của quá trình sấy và của từng phƣơng pháp sấy. Để từ đó có lựa chọn phù hợp cho thiết kế và thi công. Thiết kế mô hình lò sấy: Thực hiện tính toán từ các giá trị đầu vào cho trƣớc để đƣa ra những giá trị thích hợp với yêu cầu đặt ra cho bản thiết kế. Xây dƣṇ g giải thuâṭ điều khiển : giải thuật điều khiển sẽ đóng vai trò quan trọng đối với chất lƣợng của sản phẩm, yêu cầu đối với giải thuật điều khiển phải tối ƣu và chính xác. Tính toán, thiết kế , thi công mac̣ h điêṇ hỗ trơ ̣ phần cƣ́ ng thu thâp̣ dƣ̃ liêụ : việc tính toán và thiết kế phần cứng thu thập dữ liệu nhằm mục đích hỗ trợ cho việc điều khiển chính xác. Từ những phân tích cụ thể của số liệu thu đƣợc sẽ đƣa ra những điều chỉnh từ giải thuật cho đến phần cứng để đạt hiệu quả tốt nhất. Xây dƣṇ g giao diêṇ giám sát v à điều khiển trên máy tính : nhằm hỗ trợ cho việc thu thập, lƣu trữ dữ liệu. Các dữ liệu lƣu trữ sẽ đƣợc phân tích cẩn thận để đƣa ra nhận xét và hiệu chỉnh tốt nhất cho giải thuật điều khiển và thiết kế cơ khí. Thi công hoàn thành phần cƣ́ ng hê ̣thống. Lâp̣ trình điều khiển , giám sát : board Arduino Mega 2560 sẽ đƣợc sử dụng để điều khiển. Kiểm tra, đánh giá và hiêụ c hỉnh thông số của hệ thống : thông qua thực nghiệm sẽ có những đánh giá khách quan nhất và sẽ thực hiện hiệu chỉnh hệ thống cho phù hợp. 1.4. Phƣơng pháp và công cụ nghiên cứu 1.4.1. Phương pháp Áp dung kiến thƣ́ c đƣơc̣ học tại trƣờng đặc biệt là các môn điều khiển tự động , điều khiển máy tính, điều khiển quá trình Tham khảo tài liêụ tƣ̀ sách, giáo trình môn học và từ Internet. Thiết kế, tính toán, thi công cơ khí và các mạch điện. Xây dƣṇ g giải thuâṭ điều khiển tối ƣu. Tham khảo ý kiến của thầy cô có kinh nghiêṃ trong liñ h vƣc̣ nghiên cƣ́ u . 1.4.2. Phương tiện nghiên cứu Phần mềm Visual Studio 2008 để lập trình giao diện giám sát điều khiển. Phần mềm Solidworks 2014 để thiết kế, mô phỏng phần cứng hệ thống. 3
16. Phần mềm Proteus 7.8 để thiết kế mạch điện cho đồ án. Phần mềm Arduino để lâp̣ trình cho board thu thâp̣ dƣ̃ liêụ . Phần mềm Matlab để phân tích dƣ̃ liêụ . Phần mềm Ansys để phân tích luồng khí. Tài liêụ tham khảo. Các thiết bị, dụng cụ hỗ trợ gia công cơ khí, điêṇ tƣ̉ . 4
17. Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ SẤY 2.1. Công nghệ sấy 2.1.1. Quan hệ giữa nhiệt và truyền ẩm Thông thƣờng khi sấy, ẩm tách khỏi vật sấy dƣới dạng hơi. Trừ một số trƣờng hợp do nhiệt độ cao, trƣờng nhiệt độ lớn dẫn tới trƣờng áp suất tăng, đẩy ẩm ở dạng lỏng ra bề mặt vật sấy, bay hơi mạnh và làm văng cả các hạt lỏng vào môi trƣờng sấy. Quan hệ giữa nhiệt và truyền ẩm thể hiện ở các phƣơng trình vi phân sau: 푡 푄 = + (2,1) 1 0 0 푛 푛 휏 푄 = 푛 = . . (2,2) 2 휏 0 휏 Trong đó: 0, 푛 : nhiệt dung riêng của chất khô, ẩm (nƣớc), kJ/Kg.độ r: nhiệt hóa hơi của nƣớc lien kết trong vật ẩm, kJ/kg 0, 푛 : khối lƣợng chất khô, nƣớc trong vật ẩm, kg 푄1, 푄2: nhiệt lƣợng nung nóng vật ẩm, nhiệt lƣợng để nƣớc bay hơi. 2.1.2. Các giai đoạn sấy Trong quá trình sấy, độ ẩm của vật sấy liên tục thay đổi theo hƣớng giảm dần. Tùy độ ẩm của vật sấy và phƣơng pháp sấy mà độ ẩm và nhiệt độ của vật sấy ở các phần trong và trên bề mặt cũng khác nhau theo từng giai đoạn sấy. Các giai đoạn sấy gồm: giai đoạn đầu hay còn gọi là giai đoạn nung nóng vật sấy đến nhiệt độ bay hơi của ẩm, giai đoạn thứ hai hay còn gọi giai đoạn tốc độ sấy giảm dần. a) Giai đoạn 1: nung nóng Ở giai đoạn đầu (nung nóng), nhiệt độ tác nhân sấy cao hơn nhiệt độ bay hơi của ẩm, nhiệt độ của vật sấy đƣợc nâng lên đến nhiệt độ bay hơi của ẩm. Quá trình sấy chỉ xảy ra khi nhiệt độ của vật sấy cao hơn nhiệt độ điểm sƣơng của tác nhân sấy, nếu ngƣợc lại hơi nƣớc từ tác nhân sấy sẽ ngƣng và thấm vào vật sấy. Trong giai đoạn này nhiệt độ của vật sấy bằng nhiệt độ bay hơi của nƣớc. Tốc độ bay hơi nƣớc và nhiệt độ của vật sấy là không thay đổi. Nhiệt lƣợng từ tác nhân sấy truyền cho vật sấy cấp hết cho nƣớc bay hơi. Nƣớc bay hơi tự do trong vật sấy, hơi bay lên từ bề mặt vật sấy là hơi nƣớc bão hòa, nhiệt hóa hơi bằng nhiệt hóa hơi của nƣớc tự do. Mặc khác, trong giai đoạn này lƣợng ẩm bay hơi bằng lƣợng ẩm bên trong truyền ra ngoài. Do đó giai đoạn này có tốc độ sấy không đổi. b) Giai đoạn 2: giảm tốc độ sấy Giai đoạn thứ nhất nếu dẫn ẩm không kịp bay hơi thì vùng bay hơi ẩm sẽ lấn sâu vào phía tâm của vật sấy. Khi đó ở vật sấy hình thành 3 vùng có nhiệt độ khác nhau. Vùng 5
18. tâm của vật sấy gọi là vùng ẩm, vùng tiếp theo là vùng bay hơi ẩm, vùng thứ 3 là vùng sấy hoàn thành. Nhiệt độ tƣơng ứng của từng vùng thõa mãn điều kiện sau: t1 < t2 < t3 Hình 2. 1:Biểu đồ tăng nhiệt độ của quá trình sấy. Nhiệt độ của vùng khô chính là nhiệt độ bề mặt sấy, nhiệt độ vùng hai bằng nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ của vùng 3 tăng dần và bằng nhiệt độ tác nhân sấy. Vùng 2 càng lấn sâu vòa trong thì vùng 1 co lại, vùng 3 đƣợc mở rộng. Trong quá trình này thì nhiệt độ trung bình của vật sấy tăng dần. 2.1.3. Thời gian sấy Thời gian sấy kí hiệu là t, nó là thông số quan trọng để tính hệ thống máy sấy. t = t1 + t2 t1, t2: thời gian sấy của giai đoạn thứ nhất, giai đoạn thứ hai. Tốt nhất là với mỗi loại vật sấy, ta tiến hành sấy thí nghiệm ở chế độ thích hợp để xác định thời gian sấy, từ đó tính thiết kế cho thích hợp. 2.1.4. Vận tốc sấy dW u = ( / 2. 푕) (2,3) F. dT Trong đó: 푊: lƣợng ẩm bay hơi trong thời gian sấy ( /푕) F: tổng bề mặt bay hơi của sản phẩm sấy ( 2) T: thời gian sấy (푕) Nếu vận tốc sấy không đổi, khi biết vận tốc sấy, thời gian sấy có thể tính theo công thức: G (W − W ) T = k 1 2 푕 (2,4) uF Trong đó: Gk: khối lƣợng vật liệu sấy tính theo khối lƣợng khô tuyệt đối ( /푕) 6
19. W1, W2: độ ẩm lúc đầu và cuối của sản phẩm tính bằng / sản phẩm khô tuyệt đối. Các yếu tố ảnh hƣởng đến thời gian sấy: - Bản chất của sản phẩm sấy: cấu trúc, thành phần hóa học, đặc tính của liên kết ẩm. - Hình dáng và trạng thái của sản phẩm sấy. - Độ ẩm đầu, cuối và độ ẩm tới hạn của sẩn phẩm sấy. - Nhiệt độ, độ ẩm và vận tốc của tác nhân sấy. - Chênh lệch nhiệt độ đầu và cuối của tác nhân sấy. - Cấu tạo của máy sấy, phƣơng thức sấy và chế độ sấy. 2.2. Phƣơng pháp và chế độ sấy 2.2.1. Phơi sấy bằng năng lượng mặt trời a) Nguyên lý hoạt động - Sấy bằng cách phơi nắng (không sử dụng thiết bị sấy) đƣợc sử dụng rộng rải nhất trong chế biến nông sản. - Các phƣơng pháp phức tạp hơn (sấy bằng năng lƣợng mặ trời), năng lƣợng mặt trời thu nhận để làm nóng không khí. Sau đó không khí nóng đƣợc sử dụng để sấy. Hình 2. 2: Mô hình sấy bằng năng lƣợng mặt trời b) Phân loại thiết bị sấy Thiết bị sấy bằng năng lƣợng mặt trời có thể phân ra các loại sau: - Thiết bị sấy trực tiếp có tuần hoàn khí tự nhiên (gồm thiết bị thu năng lƣợng kết hợp với buồng sấy). - Thiết bị sấy trực tiếp có bộ phận thu năng lƣợng riêng biệt. - Thiết bị sấy gián tiếp có dẫn nhiệt cƣỡng bức ( thiết bị thu năng lƣợng và buồng sấy riêng biệt). c) Ưu điểm - Công nghệ đơn giản chi phí đầu tƣ và vận hành thấp. - Không đòi hỏi cung cấp năng lƣợng lớn và nhân công lành nghề. - Có thể sấy phần lớn vụ mùa với chi phí thấp. d) Nhược điểm 7
20. - Kiểm soát điều kiện sấy rất kém. - Tốc độ sấy chậm hơn so với sấy bằng thiết bị, do đó chất lƣợng sản phẩm cũng kém và dao động hơn. - Quá trình sấy phụ thuộc thời tiết và thời gian trong ngày. - Đòi hỏi nhiều nhân công. Hình 2. 3: Máy sấy hạt cà phê bằng năng lƣợng mặt trời 2.2.2. Sấy đối lưu a) Nguyên lý hoạt động - Không khí lò hoặc khói lò đƣợc dùng làm tác nhân sấy có nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ phù hợp, chuyển động chảy trùm lên vật sấy làm cho ẩm trong vật sấy bay hơi rồi đi theo tác nhân sấy. - Không khí có thể chuyển động cùng chiều, ngƣợc chiều hoặc cắt ngang dòng chuyển động của sản phẩm. - Sấy đối lƣu có thể thực hiện theo mẻ (gián đoạn) hay liên tục. - Sản phẩm sấy có thể lấy ra khỏi buồng sấy theo mẻ hoặc liên tục tƣơng ứng với nạp vào. Hình 2. 4: Mô hình cơ bản sấy đối lƣu không tuần hoàn 8
21. - Kết cấu thực của hệ thống rất đa dạng, phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: chế độ làm việc, dạng vật sấy, cách nung nóng không khí, chuyển động của tác nhân sấy, sơ đồ làm việc, cấu trúc buồng sấy, Sấy đối lƣu có thể làm việc ở các chế độ: sấy gián đoạn, theo chu kỳ, sấy liên tục. Sấy gián đoạn có ƣu điểm đơn giản dễ chế tạo, dễ vận hành nhƣng năng suất thấp, ngƣợc lại sấy theo chu kỳ và liên tục có ƣu điểm về năng suất, chất lƣợng đồng đều, tốn ít năng lƣợng, mức độ cơ giới hóa và tự động cao. Vật liệu đem sấy có các dạng : hạt, mảnh, lá, rời xếp lớp, dạng bột, dạng kem, dạng dung dịch. Căn cứ vào dạng vật sấy ta có thể lựa chọn hệ thống thích hợp. Để nung nóng không khí ta có nhiều cách với các nguồn nhiệt khác nhau nhƣ: hơi nóng lấy từ lò hơi, điện, dây đốt, than, củi, Hình 2. 5: Lò sấy đối lƣu KingSun cỡ vừa b) Các hình thức chuyển động khác nhau của tác nhân sấy Bảng 2. 1:Bảng ƣu, nhƣợc điểm các chuyển động khác nhau của tác nhân sấy Hƣớng chuyển động TNS Ƣu điểm Nhƣợc điểm Cùng chiều Tốc độ sấy ban đầu cao, ít Khó đạt đƣợc độ ẩm cuối bị co ngót, tỷ trọng thấp, thấp vì không khí nguội sản phẩm ít hƣ hỏng. và ẩm thổi qua sản phẩm. Ngƣợc chiều Năng lƣợng đƣợc sử dụng Sản phẩm dễ bị co ngót, kinh tế hơn, độ ẩm cuối hƣ hỏng do nhiệt. cùng thấp hơn. Dòng khí thoát ở trung Kết hợp ƣu điểm của sấy Phức tạp và đắt tiền hơn. tâm cùng chiều và ngƣợc chiều. 9
22. S K L 0 0 2 1 5 4