Đồ án: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống vệ sinh tự động cho bình ngưng

Tải đồ án nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống vệ sinh tự động cho bình ngưng. Phân tích, tính toán và chế tạo mô hình thực tế, nâng cao hiệu suất.

• Tác giả: Quách Hoàng Khải
• Người hướng dẫn: Đoàn Minh Hùng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Chế Tạo Hệ Thống Vệ Sinh Tự Động Cho Bình Ngưng
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Vệ Sinh Tự Động Bình Ngưng

Hệ thống vệ sinh tự động bình ngưng là giải pháp hiện đại trong lĩnh vực công nghệ nhiệt. Vệ sinh bình ngưng là quy trình quan trọng để duy trì hiệu suất hoạt động của hệ thống nén khí. Bình ngưng thường tích tụ các cặn bẩn do quá trình nén khí, gây ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và tuổi thọ thiết bị. Nghiên cứu thiết kế hệ thống vệ sinh tự động giúp giảm thời gian chết máy, tiết kiệm chi phí lao động và tăng hiệu suất sản xuất. Các phương pháp vệ sinh truyền thống như thủ công hoặc bằng hóa chất có nhiều hạn chế về chi phí và hiệu quả. Do đó, hệ thống tự động được thiết kế để hoạt động sau khi máy nén dừng, tận dụng thời gian rảnh rỗi. Mô hình này kết hợp các bộ phận cơ học và điều khiển điện tử để đảm bảo vệ sinh toàn diện và an toàn.

1.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Bình Ngưng

Bình ngưng hoạt động bằng cách làm lạnh không khí nén để loại bỏ độ ẩm. Quá trình này tạo ra các chất bẩn như dầu, nước và hạt bụi tích tụ trong bình. Những cặn này làm giảm hiệu suất làm việc, gây hư hỏng van và ống dẫn. Cơ chế tạo bẩn xuất phát từ sự gặp gỡ giữa không khí ẩm và bề mặt lạnh của bình. Vì vậy, vệ sinh định kỳ là cần thiết để duy trì chất lượng khí nén.

1.2. So Sánh Các Phương Pháp Vệ Sinh Hiện Có

Các phương pháp vệ sinh bao gồm thủ công, hóa chất và máy móc. Vệ sinh thủ công tốn thời gian và lao động. Phương pháp hóa chất gây ô nhiễm môi trường và chi phí cao. Hệ thống vệ sinh tự động vượt trội vì hoạt động độc lập, không cần can thiệp thủ công, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường. Công nghệ này đã được các nước phát triển áp dụng thành công.

II. Thiết Kế Và Tính Toán Hệ Thống Vệ Sinh Tự Động

Thiết kế hệ thống vệ sinh tự động đòi hỏi tính toán chi tiết các thông số kỹ thuật. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành phân tích nguyên lý hoạt động, tính toán lưu lượng nước, chọn loại bi vệ sinh và thiết kế hệ thống điều khiển. Chế tạo bộ vệ sinh sử dụng bi làm từ vật liệu bền, đảm bảo khả năng làm sạch hiệu quả. Tính toán đường ống dẫn nước và lựa chọn bơm phù hợp là yếu tố then chốt. Các bộ phận được thiết kế trên phần mềm CAD để đảm bảo độ chính xác cao. Hệ thống mạch điện được lập trình để hoạt động tự động dựa trên cảm biến thời gian. Quá trình thiết kế tối ưu hóa chi phí vật tư và năng lượng tiêu thụ.

2.1. Các Bộ Phận Chính Của Hệ Thống

Hệ thống vệ sinh bao gồm bình ngưng, bộ vệ sinh bi, bơm cấp nước, ống dẫn và hệ thống điều khiển. Bộ vệ sinh bi là thành phần quan trọng, sử dụng bi tròn để xáo trộn cặn bẩn. Bơm cung cấp dòng nước có áp lực để rửa sạch. Hệ thống điều khiển điện được lập trình để kích hoạt vệ sinh vào thời điểm thích hợp.

2.2. Tính Toán Thông Số Kỹ Thuật

Lưu lượng thể tích được tính dựa trên diện tích mặt cắt ống và tốc độ dòng chảy. Lựa chọn bi phụ thuộc vào kích thước bình và mục tiêu vệ sinh. Áp suất bơm được xác định để đảm bảo hiệu suất làm sạch. Thời gian vệ sinh được cài đặt để tối ưu hóa năng lượng và hiệu quả.

III. Kết Quả Thực Nghiệm Và Vận Hành Hệ Thống

Sau khi chế tạo hệ thống vệ sinh tự động, nhóm tiến hành thử nghiệm và đánh giá hiệu suất. Kết quả vận hành cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đạt các mục tiêu đề ra. Mô hình vệ sinh tự động thành công trong việc loại bỏ cặn bẩn từ bình ngưng. Một thành tựu quan trọng là hệ thống hoạt động sau khi máy nén dừng chạy, giải phóng thời gian sản xuất. Kiểm tra các bộ phận trong quá trình chạy thử cho thấy không có lỗi cơ học hoặc điện. Hiệu suất làm sạch được cải thiện so với phương pháp thủ công. Độ bền của bi vệ sinh cũng được nâng cao, giảm chi phí thay thế. Tiêu thụ nước được kiểm soát ở mức tối ưu, đảm bảo kinh tế.

3.1. Quá Trình Thử Nghiệm Và Kiểm Tra

Vận hành thử hệ thống được thực hiện trong điều kiện bình thường. Kiểm tra bộ vệ sinh bao gồm đo độ sạch bề mặt bình trước và sau vệ sinh. Kiểm tra hệ thống điều khiển để đảm bảo kích hoạt đúng thời điểm. Đo áp suất và lưu lượng nước trong quá trình vệ sinh.

3.2. Đánh Giá Kết Quả Và Hiệu Năng

Hiệu suất vệ sinh đạt trên 90%, vượt mục tiêu dự tính. Chi phí vận hành giảm 60% so với vệ sinh thủ công. Thời gian vệ sinh chỉ mất 15-20 phút sau mỗi chu kỳ nén khí. Độ bền thiết bị tăng do vệ sinh định kỳ và hiệu quả. Hệ thống ổn định và an toàn trong điều kiện hoạt động thực tế.

IV. Ứng Dụng Và Triển Vọng Phát Triển Công Nghệ

Hệ thống vệ sinh tự động bình ngưng có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Công nghệ này đặc biệt phù hợp với các nhà máy sản xuất, xí nghiệp nén khí quy mô lớn. Triển vọng phát triển bao gồm tích hợp cảm biến thông minh để giám sát tình trạng bẩn bụi tự động. Nâng cấp hệ thống điều khiển có thể sử dụng công nghệ IoT để remote monitoring. Tối ưu hóa chi phí thông qua sử dụng năng lượng tái tạo hoặc quản lý năng lượng thông minh. Mở rộng ứng dụng cho các loại thiết bị khác như bộ lọc, tháp giải nhiệt. Nghiên cứu tiếp theo có thể cải thiện độ tự động hóa và khả năng thích ứng với các điều kiện làm việc khác nhau.

4.1. Ứng Dụng Thực Tiễn Trong Sản Xuất

Ứng dụng hệ thống vệ sinh tự động giảm chi phí bảo trì 50-70%. Các nhà máy sử dụng công nghệ này nâng cao chất lượng khí nén. Hiệu suất sản xuất tăng do giảm thời gian dừng máy. Bảo vệ môi trường được cải thiện nhờ giảm sử dụng hóa chất. Độ an toàn của lao động tăng khi không cần can thiệp thủ công.

4.2. Hướng Phát Triển Tương Lai

Công nghệ thông minh có thể tích hợp AI để dự đoán thời điểm vệ sinh tối ưu. Hệ thống giám sát từ xa thông qua ứng dụng di động. Sử dụng vật liệu thân thiện môi trường trong thiết kế. Nâng cao độ chính xác bằng cảm biến áp suất và độ sạch. Mở rộng thị trường với các biến thể cho khác nhau kích thước bình ngưng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1. Vấn đề nghiên cứu Bảo trì hệ thống lạnh là một việc làm cần thiết để đảm bảo hiệu suất cũng như đảm bảo cho hệ thống hoạt động bình thường , đặc biệt là chiller trong các nhà máy, xí nghiệp, siêu thị, tòa nhà lớn,…Nhưng việc bảo trì cho các chiller này cần tiêu tốn khá nhiều thời gian, nhất là phải vệ sinh từng đường ống bình ngưng đối với chiller giải nhiệt bằng nước. Bên cạnh đó, vệ sinh từng ống tốn thời gian, sức lao động lại còn phải dừng hoạt động chiller gây giảm công sức cho hệ thống. Chính vì những nguyên do trên, nhóm đã bắt đầu đi vào nghiên cứu một hệ thống vệ sinh đáp ứng các tiêu chí: hạn chế dùng sức người, không gian đoạn chiller, khả năng làm sạch tốt bất kể lúc nào.

Từ đó, nhóm đã tìm ra phương pháp vệ sinh tự động sử dụng bi tuần hoàn và đó cũng chính là đề tài mà nhóm nghiên cứu. Tình hình nghiên cứu ngoài nước về các giải pháp vệ sinh bình ngưng 1. Cơ chế tạo bẩn trong đường ống Theo trang Eurotech[1], trong quá trình làm việc với nước, cáu cặn sinh ra và bám trên bề mặt thiết bị bao gồm: cáu cặn cacbonat, vôi, bùn, gỉ sét, silica, các chất kết tủa không tan khác, rác,…Cáu cặn cacbonat (cáu cặn) hình thành và kết tủa bao phủ trên bề mặt làm việc, nhất là trong môi trường nước cứng. Trong nước có muối cacbonat hoặc bicacbonat của cation Canxi (Ca2+), hoặc cation Magiê (Mg2+) là nguyên nhân chính sinh ra loại cáu cặn này.

Cáu cặn sinh ra phổ biến nhất là CaCO3. Trong nước ion Canxi (Ca2+) kết hợp với ion bicacbonat (HCO3–) tạo thành Canxi bicacbonat (Ca(HCO3) 2) : Ca2+ + 2HCO3– → Ca(HCO3)2 Khi nước được gia nhiệt và bốc hơi, cáu cặn kết tủa thành lớp trên bề mặt làm việc của hệ thống thiết bị, đường ống,… Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + CO2↑ + H2O Các sự kết hợp khác của các ion tạo ra nhiều lọai cáu cặn khác nhau. 1  Sự phát triển của vi sinh Quá trình sinh trưởng và phát triển vi sinh diễn ra ở mọi môi trưởng, đặc biệt môi trường điều kiện nhiệt độ nóng ẩm của dàn ngưng, tháp giải nhiệt.Vì dàn ngưng, tháp giải nhiệt có tỷ lệ bay hơi cao và thể tích nước thấp, thì việc khuếch tán và phát triển của vi sinh càng nhanh chóng. Trong bài viết của David Daniels và Tony Selby, màng sinh học là một cấu hình hoặc tập hợp của nhiều loại vi khuẩn khác nhau, được bảo vệ bởi exopolysacarit (EPS)[2] - một chất được sản xuất bởi vi khuẩn trong màng sinh học nói trên.

Màng sinh học có cả lớp hiếu khí và kỵ khí, nơi chứa loại vi khuẩn tương ứng của chúng. Màng sinh học có thể hình thành trên các bề mặt hệ thống như đường ống, tường bể lắng, đáy tháp giải nhiệt và bộ trao đổi nhiệt. Màng sinh học Màng sinh học được hình thành khi vi khuẩn có trong nước xử lý bắt đầu bám vào bề mặt và dấu hiệu cho các vi khuẩn khác tham gia. Tốc độ hình thành vi khuẩn và màng sinh học tăng lên trong nước ngưng tụ ấm hơn và nước làm mát chưa xử lý.

Một sự kết hợp của màng sinh học hóa học và hoạt động của vi khuẩn trong màng sinh học có thể hạn chế khả năng hòa tan của các hợp chất mà cuối cùng bắt đầu hình thành cáu cặn khoáng sản trên bề mặt thiết bị. Sự hiện diện của màng sinh học trên một bề mặt hạn 2 chế dòng chảy ngay sát bề mặt, hạn chế trao đổi nhiệt từ bề mặt bên dưới màng sinh học với lượng nước lớn phía trên màng sinh học. Cáu cặn bám cứng trong tháp giải nhiệt và bình ngưng Sự tồn tại của các chất rắn hòa tan không liên quan đến khả năng làm mát của nước. Tuy nhiên các chất rắn hòa tan là rất nhiều các hợp chất sẽ kết hợp với nhau để tạo thành các kết tủa khoáng không tan trên bề mặt truyền nhiệt, thường được gọi là "cáu cặn".

Cáu cặn bám dính vào bề mặt trở nên nhiều hơn sẽ tác động vào hệ thống đường ống (cụ thể là ở tháp giải nhiệt và bình ngưng như hình 1.2), ảnh hưởng đến sự truyền nhiệt và áp lực nước. Các thông số quan trọng của nước giải nhiệt là: tổng chất rắn hòa tan (TDS), độ dẫn điện, độ PH, độ cứng, độ kiềm và chỉ số bão hòa[2]. Tổng chất rắn hòa tan (TDS) và độ dẫn điện: độ dẫn điện là thước đo độ dẫn điện của nước và nó tương quan với số lượng các chất rắn hòa tan trong nước. Nước cất tinh khiết có độ dẫn rất thấp (khoáng chất thấp) và nước biển sẽ có độ dẫn cao (khoáng chất cao).

Sư hiện diện của các chất rắn hòa tan trong nước dễ tạo thành các kết tủa khoáng không tan trên bề mặt truyền nhiệt, thường được gọi là cáu cặn. Cáu cặn bám dính vào hệ thống truyền nhiệt từ từ nhiều lên, ảnh hưởng đến sự trao đổi nhiệt, áp lực nước và hệ thống. Độ cứng: Lượng canxi và magie hòa tan trong nước xác định độ cứng của nước. Độ cứng tổng được chia làm hai loại.

Độ cứng tạm thời phổ biến hơn và là tác nhân chính gây nên sự sự bám cáu cặn trong đường ống thiết bị. 3 pH là thước đo tính Axit, Bazơ của nước. Phạm vi đo từ 0 – 14, còn 7 là trung tính. Kiểm soát độ pH là rất quan trọng.

Nhìn chung khi độ pH biểu thị môi trường Axit thì khả năng ăn mòn tăng, còn khi độ pH biểu thị môi trường Bazơ thì khả năng đóng cặn tăng. Giá trị pH > 7 biểu thị tính kiềm. Khi pH nhỏ hơn 8.3, hầu hết các độ kiềm trong nước ở dạng bicarbonate, và hình thành cáu cặn thường không phải là vấn đề. Tuy nhiên, khi độ pH tăng lên trên 8.3, độ kiềm chuyển đổi từ bicarbonate với cacbonat và cáu cặn sẽ bắt đầu hình thành.

Các nghiên cứu về hệ thống làm sạch ống Công nghệ Innovas đã làm việc với đội ngũ cơ sở tại Đại học Wisconsin Madison[3] để phân tích dữ liệu vận hành chiller trong lịch sử để đánh giá và ước tính tổn thất hiệu quả của chiller do tắc nghẽn ống. Chiến lược cho thử nghiệm là chạy hai chiller giống hệt nhau trong cùng điều kiện và cùng thời gian làm việc, một chiller (Chiller 2) được trang bị thêm với hệ thống vệ sinh tự động Helios (hình 1.3) và chiller còn lại (Chiller 1) không có. Các chiller có chung đường nước làm mát, đường nước ngưng và được theo dõi trong suốt thời gian thử nghiệm. Điều quan trọng đối với thử nghiệm là tận dụng nhiều nguồn dữ liệu so sánh để xác nhận đầy đủ hiệu quả của hệ thống vệ sinh tự động Helios.

Hệ thống làm sạch ống Helios ở Đại học Wisconsin – Madison 4 Sau khi phân tích cẩn thận dữ liệu, rõ ràng hệ thống vệ sinh tự động Helios đã mang lại sự cải thiện hiệu quả rất đáng kể cho Chiller 2 khi so sánh trực tiếp với Chiller 1.4 so sánh các đường cong hiệu suất của Chiller 2 từ năm 2017 (trước khi có vệ sinh tự động) và 2018 (sau khi có vệ sinh tự động) với nhiệt độ nước vào làm mát 40oF và nhiệt độ nước vào thiết bị ngưng tụ là 65oF và cho thấy cải thiện hiệu suất 14%. So sánh các hiệu suất của Chiller 2 ở nhiệt độ nước ngưng tụ 65oF Hệ thống Helios giữ cho các ống sạch sẽ và tối ưu hóa hiệu quả truyền nhiệt, tăng công suất chiller và sản lượng làm mát.5 nêu lên hiệu suất tăng của Chiller 2 so với Chiller 1 ở nhiệt độ nước vào thiết bị ngưng tụ ở 75oF. Ở điều kiện hoạt động giống hệt nhau, Chiller 2 tạo ra khả năng làm mát nhiều hơn 400 tấn so với Chiller 1 ngay cả khi tiêu thụ ít năng lượng hơn Chiller 1. So sánh hiệu suất của 2 Chiller với nhiệt độ nước vào bình ngưng 75oF Tương tự với nghiên cứu của Mike O’Malley tại một nhà máy năng lượng Xcel Energy ở Denver, Colorado[4].

Mike đưa ra kiến thức về tác động tiêu cực của bình ngưng tắc nghẽn ống và tìm kiếm một phương pháp để nâng cao hiệu quả làm lạnh đã đưa anh ta đến với hệ thống vệ sinh tự động cho bình ngưng (như hình 1. Để áp dụng sáng tạo công nghệ mới đòi hỏi mức độ đánh giá cao và xem xét mức độ ảnh hưởng của phương pháp mới. Mike giữ vai trò là người luôn có ý tưởng mới lạ và tích hợp cho hệ thống vệ sinh tự động cho chiller 2. Ông nhìn thấy và hiểu được tiềm năng đã tiết kiệm được một khoản lớn năng lượng nhờ vào hệ thống.

Hệ thống làm sạch ống Helios ở Denver, Colorado Nghiên cứu trường hợp ở Trung tâm y tế VCU[5], việc triển khai hệ thống làm sạch ống Helios giúp cải thiện 8% hiệu suất làm lạnh và giảm mức tiêu thụ năng lượng hơn 2 triệu kW/giờ. So sánh hiệu suất của chiller trước và sau khi gắn Helios 7 Dữ liệu màu cam (hình 1.7) cho thấy hiệu quả của chiller sẽ không được lắp đặt Helios và dữ liệu màu xanh lam chứng minh hiệu quả làm lạnh thực tế với hệ thống Helios đang hoạt động. Với một tuổi thọ dự án dự đoán 15 năm, hình 1.8 cho thấy mức tiết kiệm chi phí năng lượng cho vòng đời của dự án vượt quá 170.000 đô la và dự án đã giúp giảm hơn 1.600 tấn khí thải GHG. Tiết kiệm chi phí năng lượng cho dự án được dự đoán sau 15 năm Một nghiên cứu điển hình khác về hệ thống làm sạch ống tự động của Helios: Trung tâm y tế Holy Heart.

Pat Lamb, Trưởng nhóm Nhà máy Tiện ích Trung tâm[6], đã nghiên cứu các ứng dụng hóa học thay thế, các phương pháp cạnh tranh để xử lý không hóa chất. Sau khi nghiên cứu kỹ lưỡng, Pat đã chọn quả bi xốp là giải pháp tốt nhất để kiểm soát các vấn đề ô nhiễm đáng kể trong hệ thống nước lạnh của mình. Vấn đề về hiệu suất làm lạnh bị suy giảm do tắc nghẽn cho thấy đáng chú ý nhất là ở chênh lệch nhiệt độ chiller tăng nhanh. Sau khi cài đặt lần đầu vào năm 2013, các hệ thống vệ sinh ống tự động đã cung cấp giải pháp ngăn chặn và làm sạch đặc biệt tại PeaceHealth ở RiverBend.

Trên thực tế, đội ngũ bảo trì đã không phải làm sạch thủ công bình ngưng kể từ ngày có hệ thống vệ sinh tự động. Ngoài ra, PeaceHealth sử dụng mô hình vận hành chiller theo giai đoạn.