BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM ĐÌNH PHÚ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MID RANGING CHO QUÁ TRÌNH SẤY GIẤY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đ[.]
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM ĐÌNH PHÚ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING CHO QUÁ TRÌNH SẤY GIẤY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng - Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM ĐÌNH PHÚ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING CHO QUÁ TRÌNH SẤY GIẤY Chuyên ngành Mã số : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa : 60.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHAN VĂN HIỀN TS TRẦN KIM QUYÊN Đà Nẵng - Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học TS Phan Văn Hiền TS Trần Kim Quyên.Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Phạm Đình Phú TĨM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING CHO Q TRÌNH SẤY GIẤY Học viên: Phạm Đình Phú Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 Khóa: 31 Trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Độ ẩm tờ giấy tiêu chí để đánh giá chất lƣợng giấy Độ ẩm giấy đƣợc định nhà máy xeo giấy mà quan trọng công đoạn sấy buồng sấy Trong năm gần ngƣời ta dùng sấy đối lƣu (Sấy gió) theo cơng nghệ mới, hệ điều khiển gió nóng kết hợp với điều khiển môi trƣờng sấy tăng đƣợc hiệu sấy, tiết kiệm đến 40% lƣợng bão hòa tăng tốc độ xeo lên 1,2 lần Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu quy trình cơng nghệ sấy giấy từ phân tích phƣơng trình động học trình chung, xây dựng mạch vịng điều khiển cho độ ẩm, cân gió vào – (Zerolevel), nhiệt độ điểm sƣơng Cuối nghiên cứu ứng dụng điều khiển Mid-ranging để nâng cao tính ổn định, rút ngắn thời gian đáp ứng loại bỏ nhiễu đầu vào cho hệ thống sấy giấy theo cơng nghệ Tác giả tóm tắt kết đạt đƣợc hƣớng phát triển Từ khóa - Độ ẩm giấy, sấy đối lƣu, mạch vòng điều khiển, Mid-ranging, IMC Midranging RESEARCH APPLICATION MID-RANGING CONTROLS FOR PAPER PROCESSING Abstract - Moisture of paper is one of the criteria for evaluating paper quality The paper moisture is determined in the paper mill, but the most important is the drying in the drying chamber Nowaday, People use convection drying (wind dryer) with new technology, the hot air control combined with the controlled drying environment increases the drying efficiency, saving up to 40% of saturated steam and increasing the vehicle speed by 1.2 times In this essay, the achieved studies the process of drying technology from which to analyze the general equation of dynamics Construction of paper moisture control circuits, control zerolevel, dew point temperature Finally, a Mid-ranging controller application was developed to improve stability, shorten response times, and eliminate input interference for paper-based systems using new technology The achieved results are summarized and perspective of the work is provided Key words – Moistrure of paper, convection drying, loop control, Mid-ranging, Imc Mid-raging MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cấu trúc luận văn CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY GIẤY TRONG DÂY CHUYỀN XEO GIẤY 1.1 TĨM TẮT CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT GIẤY 1.1.1 Công đoạn xử lý nguyên liệu 1.1.2 Công đoạn nấu bột 1.1.3 Công đoạn rửa, sàng 1.1.4 Công đoạn tẩy trắng bột 1.1.5 Xeo giấy 1.1.6 Bộ phận ép 1.1.7 Bộ phận sấy ép nóng 1.1.8 Bộ phận ép quang 1.1.9 Bộ phận cắt cuộn 1.1.10 Giấy thành phẩm 1.1.11 Các tiêu chất lƣợng giấy thành phẩm 1.2 SẤY HƠI VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SẤY HƠI 1.2.1 Cấu tạo lô sấy 1.2.2 Nguyên lý điều khiển công suất sấy 1.3 SẤY ĐỐI LƢU VÀ ĐIỀU KHIỂN GIÓ TRONG BUỒNG SẤY 11 1.3.1 Phƣơng pháp sấy đối lƣu truyền thống 11 1.3.2 Phƣơng pháp sấy đối lƣu kết hợp thổi gió nóng lên mặt giấy 12 1.3.3 Động học chung trình sấy đối lƣu 13 1.4 VẤN ĐỀ ĐỘ ẨM CỦA GIẤY VÀ QUÁ TRÌNH SẤY TRONG DÂY CHUYỀN XEO GIẤY 16 1.4.1 Giới thiệu chung 16 1.4.2 Đo độ ẩm giấy 17 1.4.3 Cấu hình khâu sấy 18 1.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG 18 CHƢƠNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH SẤY 19 2.1 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SẤY VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘ ẨM TRONG DÂY CHUYỀN XEO GIẤY 19 2.1.1 Cơ chế sấy 19 2.1.2 Động học q trình sấy cho lơ 19 2.1.3 Phân tích vịng điều khiển độ ẩm 21 2.2 ĐỘNG HỌC Q TRÌNH GIĨ VÀO – RA (ZERO LEVEL) 21 2.2.1 Động học q trình cân gió vào – 21 2.2.2 Cấu trúc điều khiển cân gió vào-ra 24 2.3 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘ ĐIỂM SƢƠNG 24 2.3.1 Tính tốn nhiệt độ điểm sƣơng 24 2.3.2 Xây dựng động học nhiệt độ điểm sƣơng 25 2.3.3 Cấu trúc mạch vòng điều khiển nhiệt độ điểm sƣơng 29 2.4 MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC CÁC QUÁ TRÌNH TRONG BUỒNG SẤY 29 2.4.1 Cấu trúc điều khiển thông số để mô 29 2.4.2 Mô động học điều khiển độ ẩm 30 2.4.3 Mô động học điều khiển cân gió vào – (Zero level) 36 2.4.4 Mô động học điều khiển nhiệt độ điểm sƣơng 37 2.4.5 Cấu trúc điều khiển tổng quát buồng sấy 40 2.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG 40 CHƢƠNG XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING CHO LÔ SẤY GIẤY 42 3.1 GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING 42 3.1.1 Khái niệm Mid-ranging 42 3.1.2 Một số cấu trúc Mid-ranging 42 3.2 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO LÔ SẤY 45 3.2.1 Mơ mạch vịng điều khiển áp suất cho trình sấy 45 3.2.2 Thiết kế mạch vòng điều khiển độ ẩm 47 3.2.3 Cấu trúc IMC cho Mid-Ranging 48 3.2.4 Phƣơng pháp thiết kế IMC Mid-ranging 50 3.3 MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING CHO LÔ SẤY 51 3.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT: Ký hiệu Ý nghĩa CD : Hệ điều khiển ngang máy (Cross Direction) MD : Hệ điều khiển dọc máy(Machine Direction) DMC : Điều khiển ma trận động (DynamicMatrixcontrol) GMV : Cực tiểu tƣơng quan tổng quát (Generalized Minimum Variance) HEU : Bộ trao đổi nhiệt (Heat Exchanger Unit) HRU : Bộ thu hồi nhiệt (Heat Recycle Unit) IMC : Điều khiển theo mơ hình nội (Internal Model Control) IPZ : Đối tƣợng điều khiển có thành phần tích phân, điểm cực điểm zero (Intergator Pole Zero) MPC : Điều khiển mô hình dự báo (Model Predictive Control) NP : Điểm áp suất không (Neutral Pressure) NPP : Mặt phẳng áp suất không (Neutral Pressure Plane) SISO : Hệ đơn biến (Single-Input and Single-Output) ZL : Cân gió (Zero level) SP : Giá trị đặt (Set point) QCS : Hệ thống điều khiển chất lƣợng (Quality control System) CÁC KÝ HIỆU: Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Axy m : Diện tích giấy Cps kJ/kg.K : Nhiệt dung riêng : Độ dẫn cực đại van Cv dy f(x) m : Bề rộng khổ giấy : Hàm độ ẩm g g/m2 : Định lƣợng chuẩn giấy cp kW/m2.K : Hệ số truyền nhiệt từ lô vào giấy G kW/m2.K : Hệ số truyền nhiệt từ gió vào giấy : Hệ số tỉ lệ kn mG kg : Khối lƣợng khơng khí buồng sấy : Độ mở van điều chỉnh m% mg kg : Khối lƣợng giấy Mw kg/mol : Trọng lƣợng phân tử nƣớc : Chỉ số thể nhóm sấy n PN Pa : Áp suất đƣờng tổng PL Pa : Áp suất đầu vào lô sấy ptot Pa : Áp suất tổng Pv,a Pa : Áp suất thành phần nƣớc khơng khí Pv,p Pa : Áp suất thành phần nƣớc bề mặt giấy Pkq Pa : Áp suất khí Pw Pa : Áp suất riêng phần nƣớc Psw Pa : Áp suất riêng phần nƣớc khơng khí bão hịa Qn kW : Cơng suất nhiệt cấp cho lô sấy qbh kg/m2s : Tốc độ bay đơn vị diện tích Qbuồng kW : Cơng suất nhiệt tích lũy buồng sấy Qbx kW : Công suất nhiệt xạ lô sấy truyền vào khơng khí buồng sấy Qchăn kW : Công suất nhiệt chăn sấy truyền nhiệt lên không khí buồng sấy Qp kW : Cơng suất nhiệt giấy tiêu thụ Qtt kW : Công suất nhiệt thất Qwa1 kW : Cơng suất nhiệt gió nóng cấp vào buồng sấy Qwa2 kW : Công suất nhiệt gió đƣợc hút khỏi buồng sấy Qwbh kW : Công suất nhiệt nƣớc bay buồng sấy Rg J/mol.K : Hằng số khí RH% % : Độ ẩm tƣơng đối khơng khí buồng sấy SH kg/kg : Độ ẩm tỉ lệ khơng khí buồng sấy T C : Nhiệt độ khơng khí buồng sấy Ta1, Ta2 C : Nhiệt độ khơng khí thổi vào, hút khỏi buồng sấy Td C : Nhiệt độ điểm sƣơng TG K : Nhiệt độ gió Tm K : Nhiệt độ bề mặt lơ Tn : Nhiệt độ khơng khí buồng sấy Tp K : Nhiệt độ giấy Tp1, Tp2 K : Nhiệt độ bề mặt giấy lúc vào, buồng sấy Ts K : Nhiệt độ V m3 : Thể tích lớp khảo sát vx m/s : Tốc độ xeo giấy Wa1 kg/s : Lƣu lƣợng gió nóng thổi vào buồng sấy Wa2 kg/s : Lƣu lƣợng gió đƣợc hút buồng sấy Wbh kg/s : Lƣu lƣợng nƣớc bay từ giấy vào khơng khí Wp kg/s : Lƣu lƣợng giấy qua buồng sấy Ws kg/s : Lƣu lƣợng Wkk kg/s : Lƣu lƣợng không khí lạnh C δ : Hiệu suất truyền nhiệt từ lô vào giấy , kg nƣớc/ kg giấy : Độ ẩm tỉ lệ giấy vào ∆Hbh kJ/kg : Lƣợng nhiệt cần thiết để nƣớc bay từ giấy vào khơng khí ∆T : Biến thiên nhiệt độ trung bình buồng sấy ∆SH C : Biến thiên độ ẩm tỉ lệ khơng khí buồng sấy Hình 1.7 Cấu tạo lơ sấy giấy Hình 1.8 Cấu trúc vỏ lơ sấy 1.2.2 Ngun lý điều khiển công suất sấy Trong dây chuyền xeo, hệ thống sấy, ngƣời ta chia nhóm lơ sấy để cấp Khi thiết kế, theo cân lƣợng ngƣời ta tính tốn đƣợc cơng suất nhiệt sấy cần cấp cho lô: Qn WsC ps Ts (1.1) Trong đó: Qn (kW): Cơng suất nhiệt cấp cho lơ Ws (kg/s): Lƣu lƣợng cấp cho lô Cps (kJ/kg.K): Nhiệt dung riêng cấp cho lô Ts (K): Nhiệt độ cấp cho lô Công suất nhiệt sấy đƣợc điều chỉnh thông số lƣu lƣợng hơi, thông qua điều chỉnh độ mở van [5], ta có: Ws Cv m% (1.2) P Trong đó: Cv độ dẫn cực đại van m% độ mở van điều chỉnh P PN PL chênh lệch áp áp suất tổng PN áp suất đầu vào lô PL đƣợc điều khiển giữ không đổi theo lƣợng đặt 10 Ống nƣớc ngƣng Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển độ ẩm cho nhóm lô giấy Giả thiết áp suất tổng PN, nhiệt dung riêng nhiệt độ cấp cho lô không đổi Điều chỉnh công suất sấy điều khiển lƣu lƣợng thơng qua mạch vịng điều khiển chênh áp ∆P, có cấu chấp hành Van Khi lƣợng đặt chênh áp nhỏ, lƣu lƣợng lớn tức cơng suất sấy lớn ngƣợc lại Hình 1.10 Trên Hình 1.9 cấu trúc điều khiển cơng suất sấy Ứng với nhóm lơ ta đặt chênh áp tƣơng ứng với giá trị đặt độ ẩm theo thứ tự nhóm lơ theo quan hệ hàm f(x) [8] (là quan hệ độ ẩm chênh áp đƣợc tính theo cơng thức): f n kn r mn kn Với 0 k n Khi mn < Khi mn = (1.3) Trong đó: r: giá trị đặt từ điều khiển độ ẩm kn: hệ số tỷ lệ n: số thể số nhóm sấy Trên Hình 1.10 biểu diễn lƣợng đặt chênh áp theo nhóm lơ Khi giấy vào đoạn đầu buồng sấy, giấy có độ ẩm lớn, cần lƣu lƣợng vào lô nhiều nhất, hay chênh áp đƣờng áp suất tổng với áp suất lô nhỏ Cuối buồng sấy, độ ẩm giấy giảm, chênh áp lớn, giảm lƣu lƣợng cấp vào lô, công suất nhỏ 11 Hình 1.10 Chênh áp đặt cho nhóm sấy 1.3 SẤY ĐỐI LƢU VÀ ĐIỀU KHIỂN GIĨ TRONG BUỒNG SẤY Quá trình sấy dây chuyền xeo đƣợc thực hai buồng sấy: Buồng thứ sau ép ƣớt độ ẩm vào buồng 50%, đầu có độ ẩm - 7%, giấy chạy tiếp đến ép keo vào buồng sấy thứ hai có độ ẩm khoảng 20% buồng sấy 5%, đến ép quang đƣợc cuộn thành lô sản phẩm giấy 1.3.1 Phƣơng pháp sấy đối lƣu truyền thống Trên Hình 1.11 mơ tả nguyên lý buồng sấy sấy đối lƣu dùng gió Khơng khí khơ đƣợc trộn với phần gió thu hồi từ đầu buồng để tận dụng nhiệt thải tái sử dụng nhiệt lấy từ đầu buồng sấy Với tác dụng gió kết hợp với nhiệt sấy cấp từ lô, nƣớc giấy bốc nhanh [7] Hình 1.11 Nguyên lý buồng sấy đối lưu dùng gió Nhƣợc điểm phƣơng pháp tăng độ ẩm khơng khí sấy, làm tăng nhiệt độ điểm sƣơng buồng, hạn chế trình bay hơi; điều đẫn đến tăng lƣợng tiêu thụ, hay nói cách khác, phƣơng pháp khơng kiểm sốt đƣợc môi trƣờng sấy 12 1.3.2 Phƣơng pháp sấy đối lƣu kết hợp thổi gió nóng lên mặt giấy 1.3.2.1 Vị trí đặt vịi phun gió Vịi phun khơng khí Hình 1.12 Vị trí vịi phun khơng khí Để khắc phục nhƣợc điểm phƣơng pháp sấy gió trƣớc (phân tích nhƣ trên) [8],[20] Ngƣời ta áp dụng phƣơng pháp sấy đối lƣu kết hợp với thổi gió nóng trực tiếp vào mặt giấy, nhƣ Hình 1.12 1.3.2.2 Các mạch vòng điều khiển hệ thống sấy đối lưu Hình 1.13 Các mạch vịng điều khiển hệ thống sấy gió phương pháp Điều khiển nhiệt độ gió nóng, khơ cấp cho buồng sấy: Gió lấy từ khí trời lƣu lƣợng Wa1 đƣợc gia nhiệt phần từ khơng khí thải qua HRU (thu hồi nhiệt), sau gió đƣợc đƣa sang thiết bị trao đổi nhiệt HEU gia nhiệt bão hòa, điều khiển nhiệt độ gió sấy thơng qua van điều khiển lƣu lƣợng Gió nóng, khơ đƣợc thổi vào hai mặt giấy vịi phun Hình 1.13 [11],[20],[22] Điều khiển cân khối lƣợng ZL (Zero Level): Để đảm bảo cân khối lƣợng gió vào ra, hạn chế khí giả (gió lạnh) lọt vào buồng sấy từ ZL tạo nên 13 phân bố áp suất khoảng nằm hai lô (lô lô dƣới) Mạch vòng điều khiển ZL dùng đại lƣợng tác động lƣu lƣợng gió vào Wa1 Điều khiển mơi trƣờng sấy thông qua nhiệt độ điểm sƣơng Khi nhiệt độ môi trƣờng lớn nhiệt độ điểm sƣơng, áp suất thành phần nƣớc tăng lên nƣớc bay từ giấy nhiều vào khơng khí Nhiệt độ điểm sƣơng phụ thuộc nhiều vào độ ẩm nhiệt độ khơng khí buồng sấy, nƣớc giấy bay nhiều nhiệt độ điểm sƣơng tăng, điều khiển nhiệt độ điểm sƣơng thơng qua điều chỉnh lƣu lƣợng gió Wa2, giữ nhiệt độ điểm sƣơng khoảng thấp nhiệt độ trung bình buồng 15 – 200C 1.3.3 Động học chung q trình sấy đối lƣu Để mơ tả độ ẩm giấy, cần viết phƣơng trình cân khối lƣợng cân lƣợng cho băng giấy qua mặt lô 1.3.3.1 Cân khối lượng tổng quát Xét băng giấy qua mặt lơ Hình 1.14, ta có phƣơng trình cân khối lƣợng độ ẩm băng giấy (1.4): [5],[16],[25]: vx Hình 1.14 Cân khối lượng độ ẩm băng giấy d ( gAxy ) d y vx g Axy qbh d y vx g dt d mg w g w g w bh dt d w g w g w bh dt mg Trong đó: , : Độ ẩm tỷ lệ giấy (kg nƣớc/kg giấy) vào Wg (kg/s): Lƣu lƣợng giấy chạy qua buồng sấy mg (kg): Khối lƣợng giấy Wbh(kg/s): Lƣu lƣợng nƣớc bay từ giấy vào khơng khí g (g/m2): Định lƣợng chuẩn giấy dy bề rộng khổ giấy (m) vx tốc độ xeo giấy (m/s) Axy diện tích giấy (m2) qbh (kg/m2s): tốc độ bay đơn vị diện tích wg d y vx g (kg / s) (1.4) (1.5) (1.6) 14 wg d y vx g (kg / s) wg vx g (kg / s) Dy vx g (kg / s) wbh Axy qbh (kg / s) mg Axy g (kg ) Lƣu lƣợng nƣớc bay từ giấy đƣợc tính, theo [16],[25] ta có: ptong KM w ptong pv ,a qbh ln (1.7) p p RgTg v, p tong Trong đó: K (m/s): Hệ số chuyển đổi khối Mw (kg /mol): Trọng lƣợng phân tử nƣớc ptổng (pa): Áp suất tổng pv,a (pa): Áp suất thành phần nƣớc khơng khí pv,p (pa): Áp suất thành phần nƣớc bề mặt giấy Rg (J/mol.K): Hằng số khí Tp (K): Nhiệt độ giấy Các thành phần áp suất pv,a đƣợc xác định từ độ ẩm khơng khí, x: Biến tỷ lệ (kg khí ẩm/ kg khí khơ) Áp suất tổng đƣợc tính: x pv ,a ptong (1.8) x 0, 62 Áp suất riêng nƣớc bề mặt giấy: pv, p pv (1.9) Trong đó: pv0 áp suất riêng nƣớc nƣớc tự Đƣợc cho phƣơng trình Antoine: 1690 10,127 T g 43,15 pv 10 Ta có biểu thức thực nghiệm cho giấy, cụ thể là: exp 47,58. 1,877 0,10085 Tp 2,73 1,0585 (1.10) 1.3.3.2 Cân lượng tổng quát Cân lƣợng tổng quát [16],[25] băng giấy đƣợc mơ tả nhƣ Hình 1.15 Hình 1.15 Cân lượng tổng quát băng giấy 15 Phƣơng trình cân lƣợng băng giấy qua mặt lô, (1.11) d ( g ( 1) Axy CmpTp2 ) dt Qg d y vx g (1 )CmpTp1 Axy qbh (H bh H s ) d y vx g (1 )CmpTp2 (1.11) Biến đổi: d [mg ( 1)CmpTp2 ] dt Qg w g (1 )CmpTp1 w g (1 )CmpTp2 w bh H b (1.12) Đạo hàm vế (1.12), ta đƣợc: mg ( 1)Cmp dTp2 dt mg CmpTp2 d Qg w g (1 )CmpTp1 w g (1 )CmpTp2 w bh Hb (1.13) dt Giải kết hợp với (1.6), ta có: mg ( 1)Cmp dTp2 dt Qg w g (1 )Cmp (Tp1 Tp2 )+w bhCmpTp2 w bh H b (1.14) Trong đó: Qg (kW): Nhiệt cấp cho giấy sấy H b (kJ/kg): Lƣợng nhiệt cần thiết để nƣớc bay từ giấy vào không khí mg (1 ) (kg): Khối lƣợng giấy có độ ẩm lúc vào mg (1 ) (kg): Khối lƣợng giấy có độ ẩm lúc Tp1 , Tp2 (K): Nhiệt độ bề mặt giấy lúc vào buồng sấy Cmp (kJ/kg K): Nhiệt dung riêng quy đổi giấy Nhiệt dung riêng quy đổi giấy đƣợc xác định (1.15): C Cmp ,w Cmp mp , f (1.15) Trong đó: Cmp, Cmp,f Cmp,w (J/kg.K) nhiệt dung giấy, sợi giấy nƣớc giấy Ta có: Cmp, f 1256( J / (kg.K )) Tƣơng tự với vấn đề nêu cân khối lƣợng, băng giấy đủ ẩm lƣợng tƣơng đƣơng với nhiệt ẩn bốc nƣớc tự Nhiệt hấp thụ bắt nguồn từ đƣờng đẳng nhiệt hấp thụ lý thuyết nhiệt động học [14],[15] mối quan hệ đƣợc gọi quy luật Clausius-Clapeyron (1.16): H s Rg d (ln f ) M w d (1 T g ) (1.16) Thay (1.16) vào biểu thức thực nghiệm cho giấy (1.15), ta nhận đƣợc (1.17): f 1 H s 0,10085 1,0585Tp2 Rg Mw f (1.17) Năng lƣợng cần thiết để làm bay nƣớc từ bề mặt băng giấy đƣợc cho (1.18): H Hbh H s (1.18) 16 Trong đó: ΔHbh nhiệt ẩn riêng hóa (2260kJ/kg, áp suất khí quyển) 1.4 VẤN ĐỀ ĐỘ ẨM CỦA GIẤY VÀ QUÁ TRÌNH SẤY TRONG DÂY CHUYỀN XEO GIẤY 1.4.1 Giới thiệu chung Độ ẩm giấy tỷ số khối lƣợng nƣớc chứa giấy khối lƣợng giấy tính theo % Quá trình sấy giấy tách thành phần nƣớc giấy, tức cần cung cấp cho giấy lƣợng nhiệt để nƣớc giấy bay vào không khí, đồng thời mơi trƣờng buồng sấy phải đảm bảo thuận lợi cho trình bay Để sấy giấy ta dùng nhiệt bão hòa, cấp vào lô sấy, mặt lô sấy nhận nhiệt từ bão hòa truyền sang mặt giấy, ngƣời ta gọi sấy tiếp xúc (hay gọi tắt sấy hơi) Đồng thời,khi băng giấy chuyển động buồng sấy ta dùng gió nóng khơ thổi vào tạo nên q trình bay dễ dàng hơn, ngƣời ta gọi sấy gió đối lƣu (gọi tắt sấy gió) Hệ thống sấy đƣợc chia làm ba buồng Quá trình đƣợc mơ tả theo Hình 1.17 Hệ thống sấy có hai chế sấy tác động để đảm bảo độ ẩm: Sấy dùng bão hịa cấp cho lơ sấy truyền nhiệt lên mặt giấy (sấy áp suất hơi); Sấy dùng gió thơng qua gió nóng thổi vào mặt giấy (sấy đối lƣu), [8], [10],[18],[20] Hình 1.16 Quá trình sấy giấy Hình 1.17 Phân bố nhóm sấy dây chuyền xeo giấy Nhiệm vụ phân xƣởng sấy giấy sấy khơ giấy hay nói cách khác thay đổi độ ẩm giấy Độ ẩm giấy thông số quan trọng, định chất lƣợng sản phẩm giấy Mặt khác, độ ẩm không đƣợc điều khiển cách hợp lý, giấy bị đứt làm trình sản xuất bị ngắt quãng, gây ảnh hƣởng đến suất Giá trị độ ẩm giấy đƣợc điều chỉnh khâu sấy giấy Tính từ đầu xeo đến cuối xeo độ ẩm giấy giảm dần Sau cơng đoạn hình thành tờ giấy, độ ẩm cịn 17 khoảng 80% Tiếp tờ giấy qua công đoạn ép ƣớt, độ ẩm đạt khoảng 60% Từ đây, tờ giấy đƣợc đƣa vào hệ thống sấy Thơng qua q trình sấy, tờ giấy đạt đƣợc độ ẩm ổn định khoảng – 7% Sau đó, tờ giấy đƣợc đƣa tới công đoạn cuối để tạo giấy thành phẩm Vì vậy, cơng đoạn sấy đóng vai trị quan trọng nhất, định đến độ ẩm chất lƣợng tờ giấy Nguyên lý trình sấy giấy trình loại nƣớc khỏi bột việc ép, gia nhiệt Tại phần đầu dây chuyền xeo, sau bột đƣợc phun lên lƣới hình thành hệ thống vịi phun độ ẩm tới 99%, cuối dây chuyền độ ẩm giấy lại khoảng – 7% trọng lƣợng băng giấy Nhƣ có ba khâu q trình sản xuất giấy phân xƣởng xeo: Khâu phun bột lên lƣới để hình thành tờ giấy với độ ẩm 80%, khâu ép ƣớt với độ ẩm khỏi khâu 50–60% khâu sấy giấy Sau khỏi khâu sấy, nƣớc đƣợc loại bỏ từ độ ẩm 50% xuống khoảng 57% (Hình 1.17) Sau đó, giấy thành phẩm đƣợc đƣa tới ép quang cắt cuộn 1.4.2 Đo độ ẩm giấy Hình 1.18 Đường đo máy Scanner Trong trình sản xuất, độ ẩm giấy đƣợc đo giám sát online [8], Hình 1.18 Các sản phẩm đƣợc loại bỏ vƣợt giới hạn xác định Độ ẩm cuộn giấy có giá trị ổn định đồng đảm bảo tỉ lệ phế phẩm đạt suất cao Hệ thống điều khiển chất lƣợng (QCS) đƣợc chia thành hai phần: Hệ điều khiển dọc máy MD hệ điều khiển ngang máy CD Trên thực tế, để đo tín hiệu phục vụ cho điều khiển MD CD, ta dùng cảm biến đơn gắn thiết bị đo (scaner platform) Mục đích việc đo lƣờng nhằm điều khiển thông số Ngày nay, để điều khiển thay đổi độ ẩm dọc theo dây chuyền, ta sử dụng áp suất sấy Nhóm Sấy Nhóm Sấy Nhóm Sấy Nhóm Sấy Nhóm Sấy Hƣớng máy Hình 1.19 Hệ sấy sử dụng máy scanner Nhóm Sấy Máy Qt 18 Cấu hình nhƣ thƣờng dùng máy Scanner để phản hồi tín hiệu đầu Ngồi với máy có chất lƣợng điều khiển cao bố trí tới hai máy Scanner để đảm bảo chất lƣợng điều khiển (một máy đặt nhóm lơ máy đặt cuối trình sấy) Trong sản xuất, độ ẩm giấy thƣờng đạt từ – 7% Ở độ ẩm này, theo góc độ kỹ thuật, tờ giấy đạt tiêu chuẩn để đảm bảo in, viết không bị nhòe hay loang mực Mặt khác, liên kết bề mặt tờ giấy đảm bảo đƣợc độ bền dai thích hợp Nếu độ khơ lớn nhỏ tờ giấy dễ đứt Xét mặt kinh tế hệ thống làm việc ổn định, nâng độ ẩm tờ giấy lên tới giá trị mong muốn Việc mang lại hiệu kinh tế lớn thể qua hai khía cạnh: Thứ trƣờng hợp sản phẩm đƣợc bán theo khối lƣợng, việc tăng độ ẩm đồng nghĩa với việc nhà máy bán đƣợc nhiều sản phẩm Thứ hai việc tăng độ ẩm tiết kiệm đƣợc lƣợng cung cấp cho trình sấy giấy 1.4.3 Cấu hình khâu sấy Khâu sấy buồng sấy dài cỡ hàng chục đến hàng trăm mét tùy thuộc vào công suất yêu cầu máy xeo giấy Trong buồng sấy giấy chứa lô sấy đƣợc xếp xen kẽ nhau, chia thành hai tầng: lô lô dƣới Các lơ sấy đƣợc phân thành nhóm sấy khác tùy thuộc vào áp suất đƣa vào lơ sấy q trình làm việc Khi đƣợc đƣa vào lô sấy, truyền nhiệt tới thành lô để sấy giấy; đồng thời chuyển thành nƣớc ngƣng bám bề mặt lô Nƣớc ngƣng sau đƣợc thu hồi ống dẫn đƣa trở nồi Việc thu hồi nƣớc ngƣng hiệu có vai trị quan trọng q trình truyền nhiệt lơ sấy Vì vậy, phần q nhiệt qua ống dẫn với nƣớc ngƣng để tăng hiệu suất truyền nhiệt nhƣ tăng hiệu đẩy nƣớc ngƣng, khí khỏi lơ sấy Để hỗ trợ đẩy giấy di chuyển qua khu vực sấy, ngƣời ta sử dụng cấu làm khô để ép băng giấy vào bề mặt lô sấy làm tăng hiệu truyền nhiệt Cơ cấu đƣợc dệt sợi tổng hợp không hấp thụ nƣớc (còn đƣợc gọi bạt tổng hợp) 1.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG Trong Chƣơng tác giả đề cập đến vấn đề tổng quan công nghệ Xeo giấy, phân tích hai cơng nghệ sấy truyền thống công nghệ sấy đại Tác giả nghiên cứu phân tích sâu thêm tầm ảnh hƣởng độ ẩm đến q trình sấy khơ tờ giấy chất lƣợng giấy Từ phƣơng trình cân khối lƣợng bảo toàn lƣợng tác giả xây dựng đƣợc động học chung cho trình sấy giấy 19 CHƢƠNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH SẤY 2.1 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SẤY VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘ ẨM TRONG DÂY CHUYỀN XEO GIẤY 2.1.1 Cơ chế sấy Hình 2.1 Q trình sấy cho lơ Q trình sấy [10], [12] cho lơ gồm giai đoạn nhƣ Hình 2.1: Giai đoạn (2): Giấy đƣợc truyền nhiệt từ mặt lô, nhƣng lại đƣợc chăn (felt) bao, nƣớc giấy khơng có mặt thống nên gần nhƣ không bay Giai đoạn giai đoạn giấy đƣợc gia nhiệt đến nhiệt độ cao từ mặt lô (nhiệt cấp cho lô), nhiệt độ giấy lúc tăng cao chăn có tác dụng lớn việc giữ nhiệt để truyền đến giấy Giai đoạn (1 3): Giấy vừa vào khỏi chăn phủ Chăn phủ có mặt thoáng nên nƣớc giấy bắt đầu bay vào khơng khí buồng, nhiệt độ bắt đầu giảm, độ ẩm theo giảm theo Giai đoạn (4): Giấy đƣợc sấy từ gió: giấy đƣợc truyền nhiệt thêm từ gió nóng thổi với tốc độ gió khơng đổi kết hợp với nhiệt nhận từ lô, nƣớc giấy bay nhiều Tuy nhiên, giai đoạn q trình bay nƣớc cịn phụ thuộc vào môi trƣờng phân bố áp suất buồng sấy Nhiệt độ giấy giảm, độ ẩm giấy giảm nhanh 2.1.2 Động học trình sấy cho lơ Để xây dựng động học q trình sấy cho lơ sấy, ta dựa phƣơng trình động học tổng quát cho băng giấy chạy qua lô, với chế sấy giai đoạn cho lô Mục 2.1.1 Ta xây dựng động học trình sấy cho đoạn kết hợp ta đƣợc động học cho q trình sấy lơ 20 2.1.2.1 Phương trình động học cho giai đoạn (2) Đặc điểm giấy đƣợc truyền nhiệt từ lô với công suất: [13],[25] Qp cp A1 (Tm Tp ) Trong đó: : cp (kW/m2K): A1 (m2): Tm (K): (2.1) hiệu suất truyền nhiệt từ lô vào giấy hệ số truyền nhiệt từ lơ vào giấy diện tích truyền nhiệt từ lô vào giấy nhiệt độ mặt lô Giấy đƣợc phủ chăn nên gần không bay (Wbh ≈ 0), , thay vào (1.14) biến đổi ta có: mg ( 1)Cmp dTp2 dt w g (1 )Cmp (Tp1 Tp2 ) cp A1 (Tm Tp2 ) (2.2) 2.1.2.2 Phương trình động học cho đoạn (1&3) Đặc điểm giấy đƣợc truyền nhiệt từ lô nhƣng không bị chăn phủ nên có bốc hơi, nhƣng giấy nhận nhiệt từ lơ sấy với cơng suất (2.1) ta có phƣơng trình nhƣ (2.3): mg 1 Cmp dTp2 dt cp A1 Tm Tp2 w g 1 Cmp Tp1 Tp2 qbh1 CmpTp2 qbh1 H b1 (2.3) Trong đó: qbh1: lƣu lƣợng nƣớc bay vào khơng khí ∆Hb1: nhiệt tiêu thụ bay nƣớc giấy giai đoạn (1&3) 2.1.2.3 Phương trình động học cho giai đoạn (4) Đặc điểm giấy khỏi lô không đƣợc nhận nhiệt từ lô mà nhận nhiệt từ gió [21], lúc ta có phƣơng trình nhƣ (2.4): Q G A2 TG Tg2 Trong đó: TG (K): G (kW/m2K): (2.4) nhiệt độ gió hệ số truyền nhiệt từ gió vào giấy A2 (m2): diện tích truyền nhiệt đoạn (4) Wbh2, WHb2: lƣu lƣợng bốc nhiệt bốc gió Thay (2.4) vào phƣơng trình (1.14), giải ta đƣợc (2.5): mg 1 Cmp dTp2 dt G A2 Tm Tp2 w g 1 Cmp Tp1 Tp2 w bh2 CmpTp2 w bh2 H b2 (2.5) 21 2.1.3 Phân tích vịng điều khiển độ ẩm Hd1 + - HC1 Hp1 - + - + Hp2 Hình 2.2 Mạch vịng điều khiển độ ẩm Cấu trúc điều khiển mạch vịng điều khiển độ ẩm Hình 2.2, đại lƣợng cần điều khiển độ ẩm giấy, đại lƣợng điều khiển lƣu lƣợng cấp cho lô thông qua lƣợng điều khiển áp suất ∆P* (biến thiên áp suất rơi lô) tác động lên q trình Hp1, lƣợng điều khiển thứ hai lƣợng gió nóng thơng qua lƣợng điều khiển ∆Wa1* (biến thiên lƣu lƣợng gió nóng cấp cho buồng sấy) tác động lên trình Hp2 Nhiễu đầu vào biến thiên độ ẩm đầu vào (do ép keo) tác động lên Hd1 đại lƣợng xen kênh nhiệt độ điểm sƣơng ∆Td, ảnh hƣởng tốc độ bay K biểu thức (1.7) tác động thông qua H Td [28] Bộ điều khiển Hc1 điều khiển PID Nhƣ vậy, mạch vòng điều khiển độ ẩm có hai lƣợng tác động (hơi gió nóng) hai đại lƣợng nhiễu (nhiễu đầu vào) nhiễu tác động xen kênh Td (gây ảnh Tải FULL (77 trang): https://bit.ly/3UggF2R hƣởng môi trƣờng sấy) Dự phịng: fb.com/TaiHo123doc.net 2.2 ĐỘNG HỌC Q TRÌNH GIÓ VÀO – RA (ZERO LEVEL) Điều khiển cân gió để đảm bảo gió nóng cấp tập trung vào bề mặt giấy, hạn chế khơng khí lạnh lọt vào vùng sấy nhất, hiệu sấy gió cao [9],[11],[22] Để đảm bảo mức cân bằng, ngƣời ta xác định lớp mặt phẳng có áp suất áp suất khí gọi NP – Neutral Pressure, tạo nên màng ngăn gió lạnh Chênh áp NP với áp suất khí khơng, nên thƣờng gọi điều khiển cân gió điều khiển Zero Level Zero Level khái niệm đƣợc dùng công nghệ sấy giấy để thể cân gió vào - Cân đƣợc gió vào - ra, tiết kiệm đƣợc đáng kể lƣợng sấy gió, đồng thời, ta điều khiển thơng số khác khơng khí buồng sấy 2.2.1 Động học q trình cân gió vào – Trên Hình 2.3 mơ tả mơ hình buồng sấy, có quạt cấp gió nóng quạt hút khí thải, phía dƣới hai lơ lơ chăn, nên gió theo hai khe bên cạnh 22 Hình 2.3 Mơ hình gió vào – buồng sấy Từ lý đó, ta chọn khe gió cạnh buồng để thiết lập cấu đo điểm khơng áp suất Mơ hình khe gió dùng thiết lập điều khiển, cân gió vào – đƣợc trình bày Hình 2.4 Ta lấy điểm đặt NP – Neutral pressure mặt lô dƣới Gọi điểm đặt NP n có nhiệt độ Tn, phía ta có điểm n+1 có nhiệt độ Tn+1, phía dƣới n1 có nhiệt độ Tn-1 điểm n-2 có nhiệt độ Tn-2 Theo tính chất NP, ta so sánh hiệu nhiệt độ T1 Tn Tn1 , T2 Tn1 Tn T3 Tn1 Tn2 Có ba trƣờng hợp: ∆T1 cực đại điểm NP n, ∆T2 cực đại NP n+1 ∆T3 cực đại NP n-1 Với thiết kế nhƣ ta có ba lớp NPP: Lớp lớp cần điều khiển trì tính từ n đến n-1, lớp dƣới tính từ n-1 đến n-2 lớp gió nóng chạy xuống dƣới, lớp tính từ n đến n+1 lớp gió nóng chạy lên nên gió lạnh Tải FULL (77 trang): https://bit.ly/3UggF2R lùa vào vùng sấy Dự phịng: fb.com/TaiHo123doc.net Hình 2.4 Mơ hình khe gió buồng sấy thiết kế NPP-Neutral Pressure Plane Từ tính chất gián đoạn nhiệt nêu trên, ta thiết kế mơ hình đo NPP đƣợc gọi là: Mơ hình sensor (đƣợc nghiên cứu ứng dụng thực tế) [9] Lấy điểm NP để tính cân gió, để xác định động học q trình cân ta có giả thiết: Động 23 học cân quan tâm đến cân khối lƣợng, không quan tâm đến cân lƣợng Từ giả thiết trên, động học trình cân đƣợc xây dựng theo bƣớc sau: - Xác định thành phần lƣu lƣợng gió - Xây dựng động học cân khối lƣợng - Từ phƣơng trình động học trình cân bằng, ta tính áp suất điểm đặt NP Lƣu lƣợng gió vào NPP gồm ba thành phần: - Gió nóng đƣa vào buồng để sấy cộng với thành phần nƣớc bốc trình sấy, Wa1 Wbh - Thành phần thứ ba gió lạnh lùa vào khe gió điểm đặt áp suất khơng Wkk, lƣu lƣợng gió lạnh phụ thuộc vào chênh áp điểm đặt áp suất không áp suất khí Nếu điểm đặt áp suất khơng áp suất khí ta có (NP), Wkk=0, điểm đặt áp suất không, áp suất nhỏ áp suất khí quyển, điểm NP dịch lên Wkk khác khơng giá trị đƣợc tính theo giá trị chênh áp (2.6) P v Wkk aCv (2.6) Trong đó: a hệ số lấy giá trị NP dịch lên trên, lấy giá trị NP đạt giá trị đặt, Cv độ dẫn khe hở (m2) đƣợc xác định theo thực tế cấu trúc buồng sấy,v thể tích riêng phần khơng khí dƣới (kg/m3), P PZL Pat Lƣu lƣợng gió có thành phần Wa2 Phƣơng trình cân khối lƣợng [1] gió cho khe gió khảo sát: dmg dt Wa1 Wbh aCv P Wa v (2.7) Trong đó: Wa1(kg/s): khí cấp vào Wa2(kg/s): khí đƣợc quạt đƣa Wbh(kg/s): lƣu lƣợng nƣớc bay Wkk(kg/s): lƣu lƣợng khơng khí, tính theo (2.6) Phƣơng trình áp suất điểm khảo sát khe gió: dp RT dmg RT Wa1 Wbh aCv dt M dt M Wa v P Trong đó: p(kpa): áp suất điểm khảo sát (Điểm đặt ZL) V(m3): thể tích lớp khảo sát R(8.314J/mol.K): số khí lý tƣởng T(K): nhiệt độ khí lớp gián đoạn khảo sát M(kg/mol): khối lƣợng mol khơng khí (0,029) 7740414 (2.8) ... ? ?Nghiên cứu ứng dụng điều khiển Mid-ranging cho trình sấy giấy ” Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng động học cấu trúc điều khiển độ ẩm cho trình sấy giấy Ứng dụng điều khiển Mid-ranging cho trình sấy. .. vi nghiên cứu * Đối tƣợng nghiên cứu: Điều khiển độ ẩm cho buồng sấy giấy dây chuyền Xeo giấy * Phạm vi nghiên cứu: Động học ứng dụng điều khiển Mid-ranging cho buồng sấy giấy Phƣơng pháp nghiên. .. chung cho trình sấy giấy 19 CHƢƠNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH SẤY 2.1 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SẤY VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘ ẨM TRONG DÂY CHUYỀN XEO GIẤY 2.1.1 Cơ chế sấy Hình 2.1 Q trình sấy cho lơ Q trình