36 Trần Kim Quyên, Đoàn Quang Vinh, Lê Khắc Trường ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ ĐIỂM SƯƠNG TRONG BUỒNG SẤY GIẤY DYNAMICS AND DEW POINT TEMPERATURE CONTROL IN THE PAPER DRYING SECTION Trần Kim Quyên[.]
Trần Kim Quyên, Đoàn Quang Vinh, Lê Khắc Trường 36 ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ ĐIỂM SƯƠNG TRONG BUỒNG SẤY GIẤY DYNAMICS AND DEW POINT TEMPERATURE CONTROL IN THE PAPER DRYING SECTION Trần Kim Quyên1, Đoàn Quang Vinh2, Lê Khắc Trường3 Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa; trankimquyen78@gmail.com Đại học Đà Nẵng; dqvinhdn@gmail.com Đại học Bách khoa Hà Nội; truonglekhac@gmail.com Tóm tắt - Trong dây chuyền xeo giấy, độ ẩm giấy tiêu quan trọng chất lượng giấy, điều khiển độ ẩm giấy hệ thống sấy đảm nhận Điều khiển gió buồng sấy để đảm bảo độ ẩm có ba nhiệm vụ: Điều khiển gia nhiệt thổi gió nóng, điều khiển nhiệt độ điểm sương điều khiển cân gió vào - Nhiệt độ điểm sương buồng sấy đại lượng vật lý quan trọng ảnh hưởng lớn đến tốc độ bay giấy sấy Nhiệt độ điểm sương khơng khí buồng sấy tính thơng qua hai đại lượng độ ẩm tương đối (%RH) nhiệt độ trung bình khơng khí buồng sấy Nội dung báo phân tích, xây dựng động học nhiệt độ điểm sương khảo sát ảnh hưởng yếu tố tới nhiệt độ điểm sương buồng sấy, từ thiết kế hệ điều khiển nhiệt độ điểm sương Abstract - In the line of paper PMs, the paper moisture is an important indicator of the paper quality and the control of the paper moisture is undertaken by the drying system The control of the drying section air to ensure moisture has three tasks: air heating and blowing control, dew point temperature control and inputoutput air balance control Dew point temperature in the drying section is the important physical quantity which has a great effect on the evaporation rate of drying paper Dew point temperature of the air in the drying section is determined by two quantities:the relative humidity (%RH) and the average temperature of the air in the drying section This paper analyzes and discusses the dynamics of dew point temperature and investigates the effect of elements on dew point temperature in order to design the control system of dew point temperature Từ khóa - điểm sương; độ ẩm; cân gió; động học; buồng sấy Key words - dew point; moisture; air balance; dynamics; drying section Đặt vấn đề Sơ đồ nguyên lý điều khiển buồng sấy đối lưu gió trình bày H1 [1], có ba nhiệm vụ, cụ thể: - Điều khiển nhiệt độ gió nóng, khơ cấp cho buồng sấy: Gió lấy từ trời lưu lượng Wa1 gia nhiệt phần từ khơng khí thải qua HRU (thu hồi nhiệt), sau gió đưa sang thiết bị trao đổi nhiệt gia nhiệt bão hòa, điều khiển nhiệt độ gió sấy thơng qua van điều khiển lưu lượng Gió nóng, khơ thổi vào hai mặt giấy vịi phun Động học q trình sấy gió buồng sấy nghiên cứu [2]; - Điều khiển cân gió vào gió ra, với mục tiêu đảm bảo gió nóng chiếm giữ khoảng khơng hai lô (vùng sấy) để truyền nhiệt cho mặt giấy phục vụ q trình bay hơi, nên cần điều khiển gió nóng thổi vào buồng sấy phải cân với gió hút khí thải khỏi buồng sấy giữ cho khơng có khơng khí lạnh từ ngồi hút vào vùng sấy Hệ điều khiển cân gió vào – gọi điều khiển Zero level, nghiên cứu [3]; - Điều khiển môi trường sấy thông qua nhiệt độ điểm sương: Khi sấy giấy, nước bay vào khơng khí, làm cho độ ẩm khơng khí tăng, dẫn đến tăng nhiệt độ điểm sương Khi nhiệt độ điểm sương tăng cao khả bay nước từ giấy giảm, nhiệt độ điểm sương gần với nhiệt độ mơi trường nước có xu hướng ngưng tụ Nhiệt độ điểm sương buồng sấy giữ ổn định thấp nhiệt độ môi trường sấy khoảng 30 ÷ 40 0C Điều khiển nhiệt độ điểm sương thơng qua điều chỉnh lưu lượng gió Wa2 (dùng quạt hút ID) Nội dung báo nghiên cứu xây dựng mơ hình động học q trình nhiệt độ ẩm tương đối khơng khí buồng sấy, từ tính nhiệt độ điểm sương thiết kế điều khiển nhiệt độ điểm sương, đồng thời khảo sát ảnh hưởng yếu tố khác đến trình 700 kg / h kg / cm 67000 m / h Air TC TC Ngưng tụ 46200 m / h Air 200 C = 0.03 LC Td , TT 23447 kg / h 110 C 33445kg / h 750 C = 0.15kg / kg T = 1100 C u = 001 kg / kg LT 26 Tp , Độ ẩm giấy 0.2 25 28 27 30 29 32 31 34 33 600 m/phút Định lượng 50g / m2 Độ ẩm giấy Hình Sơ đồ P&ID buồng sấy Nội dung 2.1 Xây dựng mơ hình động học cho nhiệt độ điểm sương 2.1.1 Khái niệm chung nhiệt độ điểm sương a Điểm sương nhiệt độ điểm sương Điểm sương (dew point) điểm khơng khí trở nên bão hịa, hay nói cách khác điểm chuyển trạng thái nước sang trạng thái lỏng điều kiện áp suất khơng khí không đổi Nhiệt độ điểm sương nhiệt độ khơng khí ẩm đạt ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(92).2015 làm lạnh đến khơng khí bão hịa Nhiệt độ điểm sương phụ thuộc vào yếu tố Nhiệt độ bầu khơ độ ẩm có khơng khí [4] Nhiệt độ điểm sương yếu tố để đánh giá khả chứa thêm nước khơng khí ẩm Nhiệt độ điểm sương gần với nhiệt độ buồng chênh lệch áp suất khả hút ẩm khơng khí thấp Trong vận hành buồng sấy giấy, cần trì nhiệt độ điểm sương nhiệt độ trung bình buồng khoảng 600C so với nhiệt độ buồng 750C 2.1.2 Tính toán nhiệt độ điểm sương Nhiệt độ điểm sương tính theo cơng thức [4] b. (T , RH ) Td = a − (T , RH ) (2.1) a.T (T , RH ) = + ln( RH ) b+T a = 17.27 b = 237.7 Td(0C): Nhiệt độ điểm sương T(0C): Nhiệt độ trung bình khơng khí buồng sấy RH(%): Độ ẩm tương đối khơng khí buồng sấy 2.2 Xây dựng động học nhiệt độ điểm sương Nhiệt độ điểm sương tính theo cơng thức (2.1) Tính nhiệt độ trung bình độ ẩm khơng khí buồng sấy, từ ta tính nhiệt độ điểm sương sau: 2.2.1 Tính tốn biến thiên nhiệt độ khơng khí buồng sấy Trên Hình mơ tả buồng sấy với lơ sấy, chăn, băng giấy Phương trình cân cơng suất nhiệt tính theo mơ hình Hình 37 nhiệt thất thốt; QWa2 cơng suất gió hút đưa ra; Qbx công suất nhiệt xạ lô sấy cấp vào khơng khí buồng; Qfelt cơng suất nhiệt chăn sấy truyền nhiệt lên khơng khí buồng; QWa1 cơng suất nhiệt gió nóng cấp vào; QWbh công suất nhiệt nước bay từ giấy; Qbuồng cơng suất nhiệt tích lũy bên buồng Qp, Qfelt, Qbx, Qloss điều kiện làm việc ổn định thay đổi ảnh hưởng đến biến động nhiệt độ khơng khí buồng không đáng kể QWbh, QWa2, QWa1 yếu tố tham gia trực tiếp, nên có ảnh hưởng mạnh đến biến đổi nhiệt độ khơng khí buồng sấy Từ nhận xét trên, xây dựng động học q trình nhiệt khơng khí buồng sấy, ta bỏ qua ảnh hưởng Qp, Qfelt, Qbx, Qloss đến biến thiên nhiệt độ khơng khí buồng sấy Với giả thiết mơ hình động học biến thiên nhiệt độ buồng sấy mơ tả Hình QW = Wa1.C.Ta1 + Qbh = Wbh C n Tbh + Buồng sấy a1 QW = Wa2 C.(T0 + T ) T - a2 Hình Mơ hình động học biến thiên nhiệt độ trung bình buồng sấy Phương trình cân lượng tổng quát buồng dT m.C = Wa1.C.Ta1 + Wbh Cn Tn − Wa C.T (2.3) dt Trong đó: m(kg) khối lượng khơng khí có buồng; C nhiệt dung riêng khơng khí; Wa1 (kg/s) lưu lượng khơng khí nóng thổi vào buồng sấy; Wa2(kg/s) lưu lượng khơng khí hút khỏi buồng; Wbh(kg/s) lượng nước bốc từ giấy; Cn nhiệt dung riêng nước bay từ giấy Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc (2.3): Wa1 = Wa10 + Wa1 Wa = Wa 20 + Wa Wbh = Wbh + Wbh T = T0 + T Hình Lơ sấy bạt sấy QW a1 Qfelt Qcyl Qbh QW a2 Qpaper Qloss + + + + - Buồng Buồng sấy sấy T Hình Cân cơng suất nhiệt để tính nhiệt độ buồng sấy Ta có: Q = QW + QW + Qbx + Q felt − Qp − QW − Qloss (2.2) buồng a1 bh a2 Trong đó: Qp công suất giấy tiêu thụ; Qloss công suất Giả thiết biến thiên khối lượng buồng sấy mạch vịng cân gió điều khiển Zero Level đáp ứng nhanh nên biến thiên m không xét đến Nhiệt độ khơng khí vào Ta1 điều khiển ổn định, nhiệt độ nước khơng khí Tn gần không đổi m.C d T = Wa1.C.Ta1 + Wbh Cn Tn − Wa C.T0 dt − Wa20 C.T (2.4) Biến đổi ta thu được: k ( s + 1)T = Wa1.C.Ta1 + Wbh Cn Tn − Wa C.T0 Trong đó: = m ; Wa 20 (2.5) k = Wa 20 C Mơ hình động học biến thiên nhiệt độ trung bình buồng sấy thể Hình Trần Kim Qun, Đồn Quang Vinh, Lê Khắc Trường 38 2.2.3 Tính tốn độ ẩm tương đối buồng sấy Độ ẩm tương đối RH không khí buồng tỉ số giữ áp suất riêng phần nước khơng khí buồng với áp suất riêng phần nước điểm bão hòa nhiệt độ xác định Cơng thức tính độ ẩm tương đối sau: Wa1 C.T1 Wa2 + - C.T0 + T k( s + 1) Pw = Cn Tbh 1.6078* Pbaro * SH + 0.678* SH 77.345+ 0.0057* (T + 273) − Psw = Wbh Hình Mơ hình động học biến thiên nhiệt độ trung bình buồng sấy 2.2.2 Động học trình độ ẩm tương đối khơng khí buồng sấy Từ phương trình cân khối lượng nước khơng khí buồng sấy, ta có: m dSH = Wa1.0, 001 + Wbh − Wa SH dt (2.6) Trong đó: SH độ ẩm tỷ lệ khơng khí buồng (kg/kg), 0,001 độ ẩm tỷ lệ khơng khí nóng thổi vào buồng Với giả thiết 2.2.1, tuyến tính hóa quanh điểm làm việc biến đổi phương trình (2.6) ta phương trình động học biến thiên độ ẩm tỷ lệ khơng khí buồng ∆SH: m d SH = Wa1.0, 001 + Wbh − Wa SH − Wa 20 SH dt (2.7) Biến đổi (2.7) ta có: kn ( n s + 1).SH = Wa1.0, 001 + Wbh − Wa SH Với: n = m ; Wa 20 (2.8) kn = Wa 20 e Trong đó: Pbaro=101325 Pa áp suất khí quyển; Pw Áp suất riêng phần nước; Psw Áp suất riêng phần nước khơng khí bão hòa nhiệt độ xác định; T nhiệt độ khơng khí buồng tính 0C; SH độ ẩm tỉ lệ khơng khí buồng sấy (kg/kg); %RH độ ẩm tương đối khơng khí buồng (%) 2.3 Mơ hình tính tốn biến thiên nhiệt độ điểm sương Nhiệt độ điểm sương tính tốn từ công thức (2.1) công thức (2.9) kết hợp với phương trình biến thiên nhiệt độ, biến thiên độ ẩm, giả thiết phần 2.1 2.2, ta xây dựng mơ hình tính biến thiên nhiệt độ điểm sương Hình T Tính tốn nhiệt độ điểm sương + - + kn ( ns + 1) Hình Tính tốn biến thiên nhiệt độ điểm sương SH 2.4 Xây dựng mạch vòng điều khiển nhiệt độ điểm sương Kết hợp mơ hình Hình 5, Hình 6, Hình 7, ta xây dựng mạch vịng nhiệt độ điểm sương Hình 9, đó: Biến tác động: ΔWa2; Biến cần điều khiển: ΔTd; Nhiễu ΔWbh ΔWa1; Cơ cấu chấp hành quạt hút Gch Wbh Hình Mơ hình động học độ ẩm tỉ lệ khơng khí buồng sấy Wa1 Td −sp + - PID Td SH 0.001 SH (2.9) (T + 273)8.2 P %RH = 100* s Psw Wa1 Wa2 7235 T + 273 Gch Nhiệt độ buồng T Wa2 Tính tốn nhiệt độ điểm sương Độ ẩm buồng Wbh Hình Cấu trúc điều khiển nhiệt độ điểm sương buồng sấy SH Td ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(92).2015 39 2.4.1 Sơ đồ mô điều khiển nhiệt độ điểm sương Matlab Simulink Hình Sơ đồ mô mạch điều khiển nhiệt độ điểm sương Matlab Simulink 2.4.2 Mô Thông số mô phỏng: SH = 0.15 kg / kg Wa20 = 4.75(kg / s) T0 = 75o C m = 120(kg) C = 1005( J / kg.( C + 273)) Cn = 1872( J / kg.( C + 273)) Td = 600 C Tn = 750 C Ta1 = 1100 C Wa10 = 3,25kg / s Wbh0 = 1.5kg / s Mơ hệ thống kín - Xác định tham số PID theo toolbox matlab, ta nhận đáp ứng Hình 11 - Ta khảo sát thay đổi đại lượng vật lý buồng thay đổi điểm đặt ΔTd xét ảnh hưởng nhiễu Wa1 Wbh 2.4.3 Kết mô a Đáp ưng theo lượng đặt nhiệt độ điểm sương Trên Hình 11 biểu diễn đáp ứng, cụ thể: Khi thay đổi lượng đặt Td, ta có đại lượng vật lý hệ biến đổi theo dạng đồ thị Hình 11 Trong đó: Đồ thị thay đổi lượng đặt nhiệt độ điểm sương (%), đồ thị đáp ứng lưu lượng gió hút Wa2, đồ thị tương ứng biến thiên độ ẩm đồ thị nhiệt độ buồng Nhận xét: Khi tăng lượng đặt nhiệt độ điểm sương, khả bay nước từ giấy giảm dẫn đến nhiệt độ bên buồng sấy giảm theo, ngược lại Khi giảm lượng đặt cho nhiệt độ điểm sương, Quạt Wa2 tăng công suất để đưa nhiều nước bên ngồi, độ ẩm khơng khí buồng giảm xuống ngược lại Đáp ứng phù hợp với thực tế vận hành nhà máy Hình 11 Đồ thị đáp ứng với thay đổi lượng đặt b Đáp ứng với nhiễu ∆Wa1 ∆ Wbh Ta khảo sát đáp ứng nhiễu Wa1, Wbh Hình 12 Hình 12 Đồ thị đáp ứng với nhiễu Wa1 Wbh Đồ thị nhiệt độ điểm sương tính đơn vị %; Trần Kim Qun, Đồn Quang Vinh, Lê Khắc Trường 40 Đồ thị ∆Wa2(%); Đồ thị ∆Wbh (%) (Tác động vào thời điểm t=200); Đồ thị ∆Wa1 (%) (Tác động vào thời điểm t=600); Đồ thị %RH; Đồ thị T (0C) Nhận xét: Khi giảm Wa1 xuống nhiệt độ buồng giảm dẫn đến độ ẩm tương đối khơng khí buồng tăng lên theo, nên nhiệt độ điểm sương buồng thay đổi Khi tăng Wbh, độ ẩm buồng (đồ thị 5) tăng lên, nhiệt độ điểm sương tăng theo Để đảm bảo cân khí vào - buồng sấy, điều khiển tác động Wa1 tăng lên làm tăng nhiệt độ buồng.Bộ điều khiển tác động Wa2 tăng lên làm giảm độ ẩm khơng khí buồng, nhiệt độ điểm sương giảm theo Kết luận -Bài báo xây dựng động học nhiệt độ điểm sương buồng sấy giấy -Xét ảnh hưởng lưu lượng nước bay hơi, lưu lượng gió nóng thổi vào buồng nhiệt độ buồng sấy, tới nhiệt độ điểm sương - Thiết lập cấu trúc điều khiển mơ điều khiển q trình nhiệt độ điểm sương, đáp ứng thu phù hợp với thực tế vận hành nhà máy TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Forbes marshall – hood and pv system of Bai Bang Paper – Viet Nam, 2013 [2] Trần Kim Quyên, Bùi Quốc Khánh, Lê Khắc Trường, Động học q trình sấy giấy đối lưu, Hội Tự động hóa Việt Nam, Tạp chí Tự động hóa ngày nay, chun san Điều khiển Tự động hóa số 11, tháng 12 năm 2014, pp 58-63 [3] Trần Kim Quyên, Lê Khắc Trường, Phạm Văn Tuynh, “Động học trình cân gió -Zerolevel buồng sấy giấy”, Hội Tự động hóa Việt Nam, Tạp chí Tự động hố ngày nay, chuyên san Điều khiển Tự động hoá số 12, tháng 4/2015, pp 36-41 [4] Taylor & Francis Group, LLC - Handbook of Industrial DryingP82, 2006 [5] Công ty Giấy Bãi Bằng, Tài liệu kỹ thuật xí nghiệp bảo dưỡng, (2014) (BBT nhận bài:15/07/2015; phản biện xong: 25/07/2015) ... suất Giả thiết bi? ?n thi? ?n kh? ?i lượng buồng sấy mạch vòng c? ?n gió ? ?i? ??u khi? ?n Zero Level đáp ứng nhanh n? ?n bi? ?n thi? ?n m khơng xét đ? ?n Nhiệt độ khơng khí v? ?o Ta1 ? ?i? ??u khi? ?n ? ?n định, nhiệt độ n? ?ớc... thi? ?n độ ẩm, giả thiết ph? ?n 2 .1 2.2, ta xây dựng mơ hình tính bi? ?n thi? ?n nhiệt độ ? ?i? ??m sương Hình T Tính t? ?n nhiệt độ ? ?i? ??m sương + - + kn ( ns + 1) Hình Tính t? ?n bi? ?n thi? ?n nhiệt độ ? ?i? ??m sương... Việt Nam, Tạp chí Tự động hố ngày nay, chun san ? ?i? ??u khi? ?n Tự động hoá số 12 , tháng 4/2 015 , pp 36- 41 [4] Taylor & Francis Group, LLC - Handbook of Industrial DryingP82, 2006 [5] Công ty Giấy Bãi