Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình gia nhiệt phục vụ công nghệ sấy nông sản dạng hạt
Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut i Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học nông nghiệp Hà Nội ------ Phạm Minh Thành Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình Gia nhiệt phục vụ công nghệ sấy nông sản dạng hạt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành : Điện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn Mã ngành : 60.52.54 Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Văn Hoà Hà Nội - 2008 i Lời cam đoan - Tôi xin cam đoan: Kết quả nghiên cứu và các số liệu trong luận văn này là trung thực và cha đợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào. - Tôi xin cam đoan: mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đ đợc chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả Phạm Minh Thành ii Lời cảm ơn Trong quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ khoa học: Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình sấy nông sản dạng hạt Tôi đ nhận đợc sự giúp đỡ nhiệt tình của các tập thể, đồng nghiệp và những ngời thân. Tôi xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ: Nguyễn Văn Hoà đ tận tình hớng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn: Bộ môn Điều khiển tự động - Khoa Điện Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đ tạo điều kiện tốt nhất để tôi thực hiện luận văn này. Tôi xin cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo Bộ môn cung cấp và sử dụng điện, Bộ môn điện kĩ thuật Khoa Cơ Điện Trờng Đại học Nông Nghiệp Hà Nội đ đóng góp những ý kiến quý báu để tôi hoàn thiện luận văn này. Tác giả Phạm Minh Thành iii Mục lục Lời cam đoan i Lời cảm ơn .ii Mục lục iii Danh mục các bảng v Danh mục các hình .vi Lời mở đầu .1 Chơng 1- Đặc điểm quá trình và thiết bị sấy .4 1.1. Tổng quan về hệ thống sấy 4 1.1.1. Phơng pháp sấy 5 1.1.2. Phân loại hệ thống sấy .6 1.1.3. Hệ thống sấy tháp và một số kiểu tháp sấy thông dụng 8 1.1.4. Chế độ sấy 11 1.2. Tính chất ẩm của vật liệu sấy và tác nhân sấy 12 1.2.1. Tác nhân sấy 12 1.2.2. Tính ẩm của vật liệu sấy 18 1.3. Các thông số cơ bản của quá trình sấy đối lu 20 1.3.1. Tính chất nhịêt vật lý của nông sản .20 1.3.2. Tính lợng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1 kg ẩm .21 1.3.3. Lợng nhiệt tiêu hao cho quá trình sấy lý thuyết 22 1.3.4. Công nghệ sấy nông sản dạng hạt .23 1.3.5. Nhiệt độ cho phép của hạt .24 Chơng 2 - Xây dựng mô hình quá trình sấy .25 A - Xây dựng mô hình động học quá trình sấy .25 2.1. Các đặc trng của quá trình sấy 25 2.2. Mô hình sấy tĩnh nông sản 29 2.2.1. Mô hình quá trình đốt nóng liệu 30 2.2.2. Xây dựng mô hình quá trình sấy .33 iv B - Xây dựng hệ thống thí nghiệm khảo sát quá trình sấy 38 2.1. Tổng quát chung về mô hình sấy 38 2.2. Nghiên cứu, khảo sát, hiệu chỉnh các phần tử .41 2.2.1 Giới thiệu về Triac .41 2.2.2 Giới thiệu về TCA785. 44 2.2.3 Bộ chuyển đổi R/U 50 2.2.4 Bộ khuếch đại tín hiệu cặp nhiệt .52 2.2.5 Giao diện với máy tính: Card A/D D/A 53 Chơng 3 - Tổng hợp hệ thống đIều khiển 56 3.1. Các phơng pháp xác định đặc tính động học của đối tợng 56 3.1.1. Cơ sở lý thuyết .57 3.1.2. Xác định mô tả toán học của đối tợng .59 3.2. Các bớc xác định thông số của bộ điều khiển .61 3.2.1. Xác định thông số bộ điều khiển theo đặc tính thời gian của đối tợng điều khiển 62 3.2.2 Tổng hợp theo Chien, Hrone và Reswich .64 3.2.3. Xác định thông số bộ điều khiển PI bằng thực nghiệm 66 3.3. Khảo sát thực nghiệm hệ thống điều khiển nhiệt độ gió .69 Chơng 4 - Khảo sát thực nghiệm quá trình sấy .73 4.1. Khảo sát quá trình nung liệu khô 73 4.2 Khảo sát quá trình nung liệu ẩm .76 4.3. Khảo sát sự thay đổi độ ẩm theo thời gian sấy 81 Kết luận và kiến nghị .83 1.1. Kết luận .83 1.2. Kiến nghị .83 Tài liệu tham khảo .84 Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut v Danh mục các bảng Bảng 1. Đặc trng kỹ thuật của hệ thống sấy chớp .10 Bảng 2. Đặc trng kỹ thuật của máy .11 Bảng 3. Độ ẩm bảo quản các hạt ngũ cốc 19 Bảng 4. Bảng độ ẩm giới hạn bảo quản và nhiệt độ giới hạn khi sấy 23 Bảng 3.1. Thông số bộ điều khiển theo công thức thực nghiệm .63 Bảng 3.2 Thông số bộ điều khiển theo công thức kinh nghiệm 63 Bảng 3.3 Công thức tính toán thông số bộ điều khiển theo Chien, Hrone và Reswich 64 Bảng 3.4. Công thức tính toán thông số bộ điều khiển u tiên thời gian quá độ ngắn theo Chien, Hrone và Reswich .64 Bảng 3.5 Thông số bộ điều khiển theo Chien, Hrone và Reswich 64 Bảng 3.6. Thông số bộ điều khiển u tiên thời gian quá độ ngắn theo Chien, Hrone và Reswich 65 Bảng 4.1: Kết quả tính toán thông số nung .76 Bảng 4.2: Kết quả đo và tính toán hệ số truyền nhiệt 80 Bảng 4.3 Kết quả khảo sát quá trình sấy ngô 81 Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut vi Danh mục các hình Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị I-d của hệ thống sấy có đốt nóng trung gian 11 Hình 1.2. Đồ thị I-d của quá trình sấy 16 Hình 2.1. Sự thay đổi độ chứa ẩm và nhiệt độ vật trong quá trình sấy .26 Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc sấy tĩnh 29 Hình 2.3. Mô hình cân bằng nhiệt 30 Hình 2.4. Mô hình động học của lớp liệu .32 Hình 2.5. Mô hình nung 5 lớp 34 Hình 2.6. Mô hình quá trình sấy .37 Hình 2.7. Sơ đồ mô hình sấy 39 Hình 2.8. Triac BTA41 .41 Hình2.9. Cấu trúc bán dẫn .42 Hình 2.10. Kí hiệu Triac 42 Hình 2.11. Đặc tính V-A .43 Hình 2.12. Điều khiển Triac bằng dòng điều khiển âm 43 Hình 2.13. Mô hình TCA785 .44 Hình 2.14. Chức năng các chân của TCA785 45 Hình 2.15. Mô hình tạo xung của TCA785 .46 Hình 2.16. Cấu tạo bên trong TCA785 47 Hình 2.17. Mạch khuyếch đại công suất .49 Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi R/U .50 Hình 2.19. Sơ đồ mạch khuyếch đại tín hiệu cặp nhiệt .52 Hình 2.20. Sơ đồ nguyên lý Card A/D - D/A 54 Hình 3.1. Đờng qúa độ của đối tợng tự cân bằng 57 Hình 3.2. Đồ thị đờng quá độ H 1 (t) 58 Hình 3.3 Đờng quá độ của đối tợng điều khiển .60 vii Hình 3.4. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều chỉnh nhiệt độ gió .61 Hình 3.5. Hàm quá độ của đối tợng tự cân băng và cách xác định T và .62 Hình 3. 6. Kết quả mô phỏng với K = 4,86 T i = 139 .63 Hình 3.7 Kết quả mô phỏng với K m = 4,125 T i = 69 65 Hình 3.8 Kết quả mô phỏng với K m = 4.125 T i = 198 65 Hình 3.9 Kết quả khảo sát với Km = 2,8 Ti = 0 .67 Hình 3. 10 Kết quả mô phỏng với Km = 2,8 Ti = 201 68 Hình 3.11 Kết quả khảo sát với T i = 201 và K m = 3.2 K m = 4 K m = 4,5 .68 Hình 3.12. Sơ đồ cấu trúc thiết bị điều chỉnh trong Real Time Toolbox 69 Hình 3.13 Kết quả khảo sát thực nghiệm đờng .70 Hình 3.14 Kết quả khảo sát với K m = 5 71 Hình 3.15. Kết quả khảo sát với Km = 5 và Ti = 148 71 Hình 3.16 Xác định thông số bộ điều khiển bằng thực nghiệm .72 Hình 4.1. Đồ thị thay đổi nhiệt độ khi nung liệu khô 74 Hình 4.2 Kết quả thí nghiệm khảo sát quá trình sấy .77 1 lời mở đầu Hiện nay Việt Nam là nớc có khoảng 80% dân số làm nông nghiệp. Nh vậy vấn đề bảo quản thực phẩm và nông sản là một vấn đề rất đợc quan tâm, chú trọng nhất là đối với nớc có khí hậu nhiệt đới nh nớc ta. Với đặc điểm nắng nóng, ma nhiều không khí luôn có độ ẩm lớn gây nhiều khó khăn cho việc bảo quản nông sản. Đ không ít những vụ mùa nông dân phải chịu những thiệt hại nghiêm trọng do nông sản thu hoạch đợc bị hỏng, ẩm mốc chỉ vì không kịp xử lý đúng cách. Có rất nhiều phơng pháp để bảo quản tuỳ theo từng loại nông sản, một trong những phơng pháp đợc sử dụng phổ biến nhất là sấy khô. Đây là phơng pháp truyền thống, đợc sử dụng từ rất xa xa và cho đến nay nó vẫn là phơng pháp chủ yếu để bảo quản nông sản. Do vậy, việc nghiên cứu nhằm tìm kiếm các giải pháp công nghệ sấy khô nông sản sau thu hoạch là một vấn đề rất cần thiết. Các giải pháp này cần phù hợp với đặc điểm sản xuất hộ gia đình của nớc ta, đặc điểm thời tiết trong vụ thu hoạch, tập quán sản xuất và điều kiện kinh tế vùng nông thôn. Ta chia sấy làm hai phơng pháp là sấy tự nhiên và sấy nhân tạo: + Phơng pháp sấy tự nhiên: Là phơng pháp phổ biến nhất mà nông dân thờng dùng. Ngời ta phơi nắng tự nhiên cho nông sản khô đi. Đây là phơng pháp rẻ tiền do phải đầu t ít và đơn giản nhất do tận dụng đợc nguồn năng lợng mặt trời nhng có nhợc điểm sau: - Không thể làm khô sản phẩm thu hoạch trong mùa ma ẩm - Năng suất không cao do thực hiện thủ công và chỉ thực hiện đợc khi điều kiện thời tiết thuận lợi - Chất lợng của sản phẩm không đợc đảm bảo, không có độ khô đồng đều trong sản phẩm sấy. Chất lợng phụ thuộc vào tình trạng thời tiết. Những 2 ngày nắng to sản phẩm dễ bị làm khô quá mức, những ngày thời xấu tốc độ làm khô chậm dễ gây ra ẩm mốc nhất là trong những ngày ma. + Phơng pháp sấy nhân tạo: Đây là phơng pháp mang tính tích cực chủ động, đảm bảo đợc năng suất và chất lợng nh ý muốn trong mọi điều kiện thời tiết và tuỳ vào mục đích của ta là bảo quản nông sản để làm giống hay làm lơng thực mà ta sẽ áp dụng các công nghệ sấy khác nhau. Hiện nay trên thế giới đ có rất nhiều thiết bị sấy hiện đại nhng khó để áp dụng đợc ở Việt Nam vì những lý do sau: - Giá thành của thiết bị qúa cao - Quy mô các thiết bị sấy là quá lớn không đảm bảo tính kinh tế khi áp dụng với điều kiện sản xuất nhỏ theo nông hộ ở nớc ta. - Giá thành của sản phẩm sấy đắt do chi phí quá lớn trong quá trình thực hiện sấy Tuy nớc ta đ có các công trình nghiên cứu về việc bảo quản các nông sản nhng việc áp dụng các công trình này vào thực tế còn gặp nhiều vấn đề, nhất là việc tìm ra đợc một hệ thống thực sự thích hợp có thể đợc áp dụng rộng ri trong sản xuất. Nguyên nhân là do kết quả khảo sát của các công trình nghiên cứu này còn cha đợc thử nghiệm đủ nhiều để đảm bảo rằng kết quả thu đợc là hoàn toàn thích hợp với đặc điểm của các sản phẩm nông nghiệp, đặc điểm của thời tiết, khí hậu, điều kiện tự nhiên cũng nh tình hình kinh tế của nớc ta hiện nay. Mặt khác một số các hệ thống sấy đang đợc dùng trong nông nghiệp thờng là các sản phẩm đợc chế tạo dựa trên kinh nghiệm đúc kết đợc từ thực tế sản xuất, nh vậy thì chúng chỉ có thể đợc dùng trong một điều kiện nhất định nào đấy, cho một sản phẩm nông nghiệp nhất định nên không có tính linh hoạt và cũng không đảm bảo đợc chất lợng của nông sản đợc sấy khi các điều kiện thay đổi. Nhng điều đó cũng cho ta thấy rằng việc nghiên cứu, xây dựng các hệ thống sấy thực nghiệm trong nhiều trờng hợp khác nhau là rất cần thiết để . " ;Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình gia nhiệt phục vụ công nghệ sấy nông sản dạng hạt& quot; 4 Chơng 1 đặc đIểm quá trình và thiết bị sấy 1.1.. Trờng đại học nông nghiệp Hà Nội ------ Phạm Minh Thành Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình Gia nhiệt phục vụ công nghệ sấy nông sản dạng hạt luận văn
