Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với năng suất 20m3mẻ, đh kỹ THUÂT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

Đồ án tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện TRƯỜNG ĐẠI HỌC KTCN KHOA ĐIỆN BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc ĐỀ TÀI THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Sinh viên thiết kế: Thân Minh Đức Ngành: Kỹ thuật điện Cán hướng dẫn: PGS.TS Lại Khắc Lãi Ngày giao đề tài: 10/03/2018 Ngày hoàn thành: 20/6/2018 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ: Nội dung cần thực hiện: - Tổng quan công nghệ sấy nông lâm sản - Tính tốn nhiệt hệ thống sấy buồng để sấy gỗ với suất 20m3/mẻ - Chọn thiết bị buồng sấy - Điều khiển ổn định nhiệt buồng sấy - Mơ hình hóa, mơ hệ thống điều khiển Thái Nguyên, Ngày 10 tháng 03 năm 2018 Trưởng môn (ký ghi rõ họ tên) TL/Hiệu trưởng Chủ Nhiệm Khoa Giáo viên hướng dẫn (ký ghi rõ họ tên) PGS TS Lại Khắc Lãi Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ Đồ án tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY NÔNG LÂM HẢI SẢN 1.1 Khái niệm trình sấy 1.1.1 Khái niệm 1.2 Cơ chế thoát ẩm khỏi vật liệu trình sấy 1.2.2 Quá trình khuếch tán ngoại 1.2.3 Mối quan hệ trình khuếch tán nội khuếch tán ngoại 1.3 Các giai đoạn trình sấy 1.3.1 Giai đoạn nung nóng vật liệu sấy 1.3.2 Giai đoạn sấy đẳng tốc 1.3.3 Giai đoạn sấy giảm tốc 1.4 Các nhân tố ảnh hưởng tới tốc độ làm khô .5 1.4.1 Ảnh hưởng nhiệt độ khơng khí 1.4.2 Ảnh hưởng độ ẩm tương đối khơng khí 1.4.3 Ảnh hưởng tốc độ chuyển động khơng khí 1.4.4 Ảnh hưởng áp suất tác nhân sấy 1.4.5 Ảnh hưởng kích thước nguyên liệu 1.4.6 Ảnh hưởng việc ủ ẩm 1.4.7 Ảnh hưởng thân nguyên liệu 1.5 Các phương pháp sấy thiết bị sấy 1.6 Quy trình chế biến sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy 1.6.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ chế biến gỗ nhà máy .8 1.6.2 Thuyết minh q trình cơng nghệ 1.7 Tổng quan công nghệ sấy gỗ 10 1.7.1 Khái niệm sấy gỗ 10 1.7.2 Mục đích sấy gỗ 11 1.7.3 Tầm quan trọng sấy gỗ 11 1.7.4 Các khuyết tật gỗ sấy sản sinh trình sấy 11 1.7.5 Các phương pháp sấy gỗ 12 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ Đồ án tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện CHƯƠNG II: TÍNH TỐN NHIỆT HỆ THỐNG SẤY BUỒNG ĐỂ SẤY GỖ 14 2.1 Chọn chế độ sấy 14 2.2 Khối lượng vật liệu sấy vào giai đoạn 15 2.3 Lượng ẩm cần bốc 15 2.4 Xác định thông số trời 16 2.5 Xác định entanpy tác nhân sấy trước trình sấy 17 2.6 Xây dựng trình sấy lý thuyết 18 2.7 Xác định kích thước hệ thống sấy 20 2.8 Tính tổn thất .22 2.8.1 Giai đoạn 22 2.8.2 Giai đoạn (2) 25 2.8.3 Giai đoạn (3) 27 2.9 Xác định thông số tác nhân sấy sau trình sấy thực .30 2.10 Cân nhiệt hiệu suất nhiệt hệ thống sấy .32 2.11 Tính cơng suất nhiệt hệ thống sấy 35 CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ CỦA BUỒNG SẤY 36 3.1 Tính chọn calorifer 36 3.2 Tính chọn lị .42 3.3 Tính chọn quạt gió 44 CHƯƠNG IV: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH NHIỆT BUỒNG SẤY 48 4.1 Mục đích ổn định nhiệt độ 48 4.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ .48 4.2.1 Mô tả chức khối nguyên lý làm việc hệ thống ổn định nhiệt 48 4.2.2 Hàm truyền khối chức 48 4.3 Tổng hợp hệ thống theo phương pháp modul tối ưu .49 4.4 Xác định tham số điều khiển PID 52 4.5 Kết mô 53 4.6 Nhận xét kết luận .55 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ Đồ án tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ chế biến gỗ nhà máy .8 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy nhà máy Hình 1.3 Bó gỗ đưa vào buồng sấy Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống nồi 10 Hình 2.1 Đồ thị I-d trình sấy lý thuyết .18 Hình 2.2 Mặt cắt ngang buồng sấy 21 Hình 2.3 Kết cấu tường buồng sấy .22 Hình 3.1 Calorifer khí - 36 Hình 3.2 Bố trí ống cấu tạo ống 38 Hình 3.3 Calorifer khí - 42 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống nồi 43 Hình 3.5 Hình dạng lị 44 Hình 3.5 Sơ đồ tính tốn khí động 45 Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển buồng sấy 48 Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín .49 Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống 52 Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống dạng chuẩn 52 Hình 4.5: Sơ đồ mô hệ thống điều khiển buồng sấy matlab- Simulink 53 Hình 4.6: Đặc tính làm việc 54 Hình 4.7: Đáp ứng động nhiệt độ với giá trị đặt khác 54 Hình 4.8: Đặc tính làm việc theo hình sin .55 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ LỜI MỞ ĐẦU Sấy q trình cơng nghệ sử dụng nhiều ngành công nông nghiệp Trong công nghiệp sấy công đoạn quan trọng công nghiệp sau thu hoạch Trong công nghiệp công nghiệp chế biến nông hải sản, công nghiệp chế biến gỗ, công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng…kỹ thuật sấy đóng góp vai trị quan trọng dây truyền sản suất Q trình sấy khơng q trình tách nước nước khỏi vật liệu cách đơn mà q trình cơng nghệ Nó địi hỏi sau sấy vật liệu phải đảm bảo chất lượng cao, tiêu tốn lượng ít, chi phí vận hành thấp Chắng hạn, chế biến gỗ, sản xuất vật liệu xây dựng, sản phấm sau sấy không nứt nẻ cong vênh Trong chế biến nông – hải sản, sản phẩm sấy phải đảm bảo trì màu sắc, hương vị, vị lượng Trong sấy thóc phải đảm bảo thóc sau sấy có tỷ lệ nứt gẫy say xát thấp Sấy gỗ phận quan trọng lĩnh vực gia công thuỷ nhiệt gỗ Ý nghĩa q trình gia cơng thủy nhiệt gỗ cơng nhiệp chế biến gỗ nói riêng kinh tế quốc dân to lớn Hiện nay, với yêu cầu chất lượng ngày cao thị trường gỗ công đoạn sấy trở lên quan trọng công nghiệp chế biến gỗ Một yêu cầu quan trọng sản phẩm gỗ phải đạt độ ẩm tiêu chuẩn đồng không cong vênh nứt nẻ Nhất thị trường xuất gỗ vấn đề chất lượng ngày trở lên quan trọng Chúng em xin tìm hiểu đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ” Nội dung gồm phần sau: Chương I: Tổng quan công nghệ sấy nông lâm sản Chương II: Tính tốn nhiệt hệ thống sấy buồng để sấy gỗ Chương III: Tính chọn thiết bị buồng sấy Chương IV: Điều khiển ổn định nhiệt buồng sấy Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY NƠNG LÂM HẢI SẢN 1.1 Khái niệm q trình sấy 1.1.1 Khái niệm Sấy trình tách ẩm khỏi vật liệu phương pháp bay Trong trường hợp sấy nóng nhiệt cung cấp nhằm thực nhiệm vụ nung nóng vật liệu sấy từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ thích hợp để vận chuyển ẩm từ lớp bên bên vận chuyển ẩm từ lớp bề mặt vật liệu sấy vào mơi trường khơng khí 1.1.2 Phân loại phương pháp sấy  Sấy chia làm hai phương pháp: Sấy tự nhiên (phơi nắng): Sử dụng lượng mặt trời để tách ẩm khỏi vật liệu sấy Sấy nhân tạo: Sử dụng tác nhân sấy để thực trình tách ẩm, tác nhân sấy thường sử dụng là: khơng khí ẩm, khói lị, nước q nhiệt…Tuy nhiên khơng khí ẩm tác nhân sấy sử dụng phổ biến  Tác nhân sấy sử dụng nhằm thực hai nhiệm vụ sau: Vận chuyển lượng nhiệt để cung cấp cho vật liệu sấy Vận chuyển lượng ẩm tách khỏi vật liệu sấy ngồi 1.1.3 Mục đích q trình sấy  Chế biến: Dùng phương pháp sấy để chế biến mặt hàng ăn liền  Vận chuyển: Do ta tách bớt ẩm khỏi vật liệu khối lượng giảm nhiều nên q trình vận chuyển đơn giản giảm chi phí  Kéo dài thời gian bảo quản: Lượng nước tự thực phẩm môi trường cần thiết cho vi sinh vật enzyme hoạt động Do sấy làm giảm lượng ẩm có vật liệu nên kéo dài thời gian bảo quản, làm cho chất lượng sấy bị thay đổi thời gian bảo quản với điều kiện bảo quản tốt 1.1.4 Những biến đổi trình sấy Hai trình bản: Quá trình trao đổi nhiệt: Vật liệu sấy nhận nhiệt để tăng nhiệt độ để ẩm bay vào môi trường Quá trình trao đổi ẩm: Quá trình diễn chênh lệch độ ẩm tương đối vật ẩm độ ẩm tương đối môi trường khơng khí Động lực q trình chênh lệch áp suất bề mặt vật liệu sấy áp suất Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ riêng phần nước mơi trường khơng khí Quá trình thải ẩm diễn độ ẩm vật ẩm độ ẩm vật ẩm cân với mơi trường khơng khí xung quanh Do đó, q trình sấy ta khơng thể sấy đến độ ẩm nhỏ độ ẩm cân Độ ẩm mơi trường khơng khí xung quanh nhỏ q trình sấy nhanh độ ẩm cuối vật liệu thấp Qua kết luận độ ẩm tương đối mơi trường khơng khí xung quanh động lực trình sấy, nguyên nhân sấy bơm nhiệt sấy thời gian sấy giảm nhiều 1.2 Cơ chế ẩm khỏi vật liệu q trình sấy Chia làm hai trình: 1.2.1 Quá trình khuếch tán nội (trong lịng vật liệu sấy) Q trình khuếch tán nội trình dịc chuyển ẩm từ lớp bên lớp bề mặt vật ẩm Động lực trình chênh lệch nồng độ ẩm lớp bên lớp bề mặt Qua nghiên cứu ta thấy ẩm dịch chuyển từ nơi có phân áp suất cao đến nơi có phân áp suất thấp Như ta biết nhiệt độ tang lên phân áp suất giảm Do tùy thuộc vào phương pháp sấy thiết bị sấy mà dòng ẩm dịch chuyển tác động nồng độ dòng ẩm tác động nhiệt độ ngược chiều Ta biểu thị tốc độ khuếch tán nội phương trình sau: Trong đó: W lượng nước khuếch tán (kg) dlà thời gian khuếch tán (giờ) F diện tích bề mặt khuếch tán (m2) k hệ số khuếch tán gradient độ ẩm Nếu hai dòng ẩm dịch chuyển chiều làm thúc đẩy q trình ẩm, rút ngắn thời gian sấy Nếu hai dịng ẩm dịch chuyển ngược chiều kìm hãm thoát ẩm, kéo dài thời gian sấy 1.2.2 Quá trình khuếch tán ngoại Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ Là trình dịch chuyển ẩm từ lớp bề mặt vật liệu sấy vào mơi trường khơng khí xung quanh Động lực trình chênh áp suất bề mặt vật ẩm phân áp suất mơi trường khơng khí Lượng nước bay trình khuếch tán ngoại thực điều kiện áp suất nước bề mặt (Pbm) lớn áp suất riêng phần nước khơng khí (Pkk) Sự chênh lệch là: Lượng nước bay tỉ lệ thuận với P, với bề mặt bay thời gian làm khô ta có: Tốc độ bay nước biểu diễn sau: Trong đó: W- lượng nước bay (kg) F - diện tích bề mặt bay hơi(m3) d thời gian bay hơi(giờ) B - hệ số bay 1.2.3 Mối quan hệ trình khuếch tán nội khuếch tán ngoại Hai q trình có mối quan hệ chặt chẽ với nhau, trình khuếch tán nội động lực trình khuếch tán ngoại ngược lại Tức khuếch tán ngoại tiến hành khuếch tán nội tiếp tục độ ẩm nguyên liệu giảm dần Tuy nhiên trình sấy ta phải cho hai trình ngang với nhau, tránh trường hợp khuếch tán ngoại lớn khuếch tán nội Vì làm cho bay lớp bề mặt diễn mãnh liệt làm cho bề mặt sản phẩm bị khô cứng, hạn chế thoát ẩm Khi xảy tượng ta khắc phục cách sấy gián đoạn (q trình sấy - ủ liên tiếp) mục đích để thúc đẩy trình khuếch tán nội 1.3 Các giai đoạn q trình sấy Q trình làm khơ chia làm ba giai đoạn: 1.3.1 Giai đoạn nung nóng vật liệu sấy Giai đoạn nhiệt độ vật liệu sấy tăng từ nhiệt độ ban đầu nhiệt độ bầu ướt tương ứng với môi trường khơng khí xung quanh, giai đoạn nhiệt độ biến đổi không phụ thuộc vào phương án sấy Ẩm bay chủ yếu ẩm liên kết lý tốc độ sấy tăng dần Đường cong sấy đường cong tốc độ sấy giai đoạn đường cong, lượng liên kết Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ nước liên kết lý nhỏ đường cong sấy đường cong tốc độ sấy thường đường cong lồi 1.3.2 Giai đoạn sấy đẳng tốc Là giai đoạn ẩm bay nhiệt độ không đổi (nhiệt độ bầu ướt), chênh lệch nhiệt độ vật liệu sấy nhiệt độ tác nhân sấy không đổi nên tốc độ sấy khơng đổi Do đó, đường cong sấy đường cong tốc độ sấy giai đoạn đường thẳng Ẩm tách giai đoạn chủ yếu ẩm liên kết lý ẩm liên kết hóa lý 1.3.3 Giai đoạn sấy giảm tốc Ở giai đoạn sấy lượng nước cịn lại ngun liệu chủ yếu nước liên kết có lượng liên kết lớn Vì vậy, việc tách ẩm khó khăn cần lượng lớn nên đường cong sấy đường cong tốc độ sấy thường có dạng cong Tuy nhiên, hình dạng đường cong phụ thuộc vào dạng liên kết ẩm vật liệu tùy thuộc vào dạng vật liệu sấy Độ ẩm vật liệu cuối trình sấy tùy thuộc vào độ ẩm mơi trường khơng khí xung quanh 1.4 Các nhân tố ảnh hưởng tới tốc độ làm khô 1.4.1 Ảnh hưởng nhiệt độ khơng khí Trong điều kiện khác khơng đổi độ ẩm khơng khí, tốc độ gió… nâng cao nhiệt độ khơng khí làm nâng cao q trình làm khơ Như nhiệt độ sấy cao tốc độ làm khô tốc độ làm khô nhanh Tuy nhiên, nhiệt độ tăng cao phải giới hạn cho phép, nhiệt độ cao ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Mặt khác, cân trình khuếch tán nội khuếch tán ngoại bị phá vỡ, khuếch tán ngoại lớn cịn khuếch tán nội nhỏ dẫn đến tượng vỏ cứng ảnh hưởng di chuyển nước từ Nhưng nhiệt độ làm khô thấp giới hạn cho phép q trình làm khơ chậm lại dẫn đến thối giữa, hủy hoại thịt cá Nhiệt độ làm khô tùy thuộc vào loại nguyên, kết cấu tổ chức thịt, phương pháp chế biến nhiều phương pháp khác 1.4.2 Ảnh hưởng độ ẩm tương đối khơng khí Độ ẩm tương đối khơng khí có ảnh hưởng lớn đến q trình làm khơ Độ aẩm khơng khí tương đối lớn q trình làm khơ chậm Khi khơng khí khơ tức độ ẩm thấp q trình khuếch tán tăng, ẩm dễ thoát Tuy nhiên, cần ý đến tượng cân trình khuếch tán nội ngoại, gây tượng tạo màng cứng Để tránh tượng người ta áp dụng phương pháp làm khô gián đoạn, tức vừa sấy vừa ủ ẩm 1.4.3 Ảnh hưởng tốc độ chuyển động khơng khí Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ Gây ảnh hưởng đến tốc độ làm khô Tốc độ không khí q lớn q nhỏ khơng có lợi cho trình sấy Nếu tốc độ lớn làm bay sản phẩm hay khó giữ nhiệt liệu nguyên liệu để cân trình sấy Tốc độ nhỏ làm cho trình sấy lâu dẫn đến hư hỏng sản phẩm Khi ngồi sản phẩm lên mốc gây thối rữa tạo thành lớp dịch nhày có màu sắc mùi vị khó chịu Vì cần có tốc độ gió thích hợp, giai đoạn đầu trình làm khô 1.4.4 Ảnh hưởng áp suất tác nhân sấy Tốc độ sấy khí nhiệt độ định biểu thị: Trong đó: P1 Phân áp suất nước bề mặt nguyên liệu (mmHg) P2 Phân áp suất riêng phần nước khơng khí (mmHg) B Hệ số bay nước tong khơng khí B phụ thuộc vào tốc độ gió, hướng gió cấu tạo nguyên liệu Khi sấy áp lực thường có tốc độ gió khơng đổi B số phụ thuộc vào truyền dẫn ẩm phần nguyên liệu trao đổi chất máy sấy, Lúc hệ số bay B đặc trưng hệ số K, tức là: Như sấy chân khơng có nhiệt độ khơng đổi tốc độ sấy tỉ lệ với hiệu số áp suất bề mặt nguyên liệu hệ thống sấy Áp suất P máy sấy giảm tốc độ sấy tăng, quan hệ khơng phải quan hệ bậc 1.4.5 Ảnh hưởng kích thước nguyên liệu Nói chung nguyên liệu nhỏ, mỏng tốc độ sấy nhanh Như nói hai trình khuếch tán nội khuếch tán ngoại tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt nguyên liệu Khi vật có bề mặt nước lớn nước nguyên liệu dễ bay hơi, vật liệu nhanh khô Trong điều kiện khác tơc độ sấy tỷ lệ thuận với diện ích bề mắt, Và tỷ lệ nghịch với chiều dày nguyên liệu Trong đó: S diện tích bề mặt bay nhiên liệu chiều dày nguyên liệu B hệ số bay đặc trưng cho bề mặt nguyên liệu 1.4.6 Ảnh hưởng việc ủ ẩm Ủ ẩm công đoạn bán thành phẩm, sau sấy khơ thời gian Vì ủ ẩm mục đích q trình sấy khơ gián đoạn để đảm bảo di chuyển nước sản phẩm bề mặt hơn, rút ngắn thời gian sấy khơ Nhưng q trình ủ ẩm phải thời gian định thời gian sấy khô ban đầu không ngắn dài Nếu thời gian sấy ngắn bề mặt Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ Đồ án tốt nghiệp Chuyên ngành Kỹ thuật điện tw - Nhiệt độ bề mặt vách Khi nhiệt độ tnmg bình nước t = tw – tf Ứng với nhiệt ngưng tụ nước t n = 143°C áp suất ngưng tụ p = 4at Tra bảng thông số vật lý nước đường bão hoà ta được: r = 2423 kJ /kg = 994,7 kg /m3  = 62,3.10-2 W / m K = 0,761.10-6 m2/s Ở ta chưa biết nhiệt độ vách tw, giá trị lớn nhiều chọn t=1oC từ đó: 2423.994, 7.9,81.0,6233  n  0, 72  81, 0, 761.0, 046.1  n  81,1 W / m K 1  1, 2. n  1, 2.81,  97, 68W / m K Hệ số tỏa nhiệt 1  97, 68W / m K Với =0,5(d2 – d1 )=0,5.(80 - 75 )=2,5mm kF1   21,8W / m K 0,0025   97, 68 45 6, 63.4, 24 Vậy tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt calorifer là: F1  Q 158000   71m k f 1.t 21,8.102 Vậy diện tích theo 4m chiều dài ống: F1  F0  Fc  0,862  3, 05  3,912 m2 Vậy số ống n xác định sau: n  F / F1  71/ 3,912  18 ống Tổng chiều dài ống có cánh là: L  4.18  72m Để thiết bị thích hợp với buồng sấy ta chọn ống so le Vậy chiều rộng thiết bị là: Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ 41 Đồ án tốt nghiệp Chuyên ngành Kỹ thuật điện b  n.(d c  s )  9.(90  30) /  0,54m Vậy chiều cao giàn ống với khoảng cách ống theo chiều cao 20mm là: H  0,1  2.0, 09  0, 28m Xác địn lại hệ số truyền nhiệt chùm ống bố trí so le sau:  1    (n  2) n  , Với hệ số tỏa nhiệt hàng ống thứ nhất, thứ hai; nhiệt tương đương toàn bề mặt vác có cánh với:  hệ sơ tỏa 1  0, 7. ;   0,9. ;   6, 63W / m K     6, 63W / m K Hình 3.3 Calorifer khí - 3.2 Tính chọn lị Lị hay cịn gọi nồi thiết bị sinh ứng dụng rộng rãi thực tế nhà máy nhiệt điện, nhà máy chế biến… hệ thống sấy sử dụng nồi sản xuất nóng làm chất tải nhiệt phổ biến Trong đồ án chất tải nhiệt nước lên việc tính tốn thiết kế phải tính chọn hệ thống nồi cho phù hợp Nồi thiết bị sinh cách cấp nhiệt cho nước làm nước nóng lên sinh Nhiên liệu dùng để đốt nóng nước người ta thường dùng: dầu (DO,FO) than.Tuy nhiên để đen lại hiệu kinh tế ta thay dùng than làm chất đốt ta dùng củi gỗ nhà máy, tận dụng lại phế liệu gốc Nước trước đưa vào nồi phải làm mềm, xử lý ta tận dụng lại lượng nược ngưng khỏi buông sấy hồi lưu chở lại buồng Để tính chọn nồi trước hết ta phải tính lượng dùng để cung cấp nhiệt cung cấp ẩm ta chọn lượng cung cấp ẩm đủ q trình sấy Vì ta cần tính sản lượng cho q trình sấy cịn ảnh hưởng khác ta chọn Sau lượng cần thiết dựa vào đõ ta tính lượng nước sản xuất thực tế Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ 42 Đồ án tốt nghiệp Chuyên ngành Kỹ thuật điện Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống nồi 1- Nhiên liệu vào ; 2- quạt ; – balong + nước ; – balong nước ; – hệ thống ống xem mức ; - ống hút khói ngồi ; 7- đồng hôc đo áp suất ; – cấp ;9 – van an toàn ; 10 – đượng xả đáy ; 11- đượng nước cấp Để chọn nồi phù hợp trước tiên ta phải tính lượng cần cấp cho buồng sấy Khi biết lượng nhiệt tiêu hao áp suất làm việc nước ống ta tính cần thiết sau: Trong đó: Q – tổng lượng nhiệt tiêu hao giai đoạn 1, Q = 573906,53 (kJ/h) - hiệu suất calorifer , chọn =0.95 - nhiệt ẩm hóa hơi nước ứng với áp suất 4at tra r = 2133 kJ/kg Vậy G = 283,22 (kg/h) Khi biết lượng nước cần cung cấp cho nồi hơi, dựa vào catalog để ta tra nồi đáp ứng dung yêu cầu với thông số sau:  Đặc tính kỹ thuật: Kiểu nồi đốt than - Kiểu ống nước, tuần hoàn tự nhiên Hai balong bố trí theo chiều ngang Ghi tĩnh Cấp củi, thải xỉ thủ công Nhiên liệu: Than củi Mã hiệu Năng suất sinh tối Áp suất làm việc Áp suất thử lớn Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ Nhiệt độ bão hòa 43 Đồ án tốt nghiệp Chuyên ngành Kỹ thuật điện đa (kg/h) LT0,5/8E2 500 lớn (bar) (bar) 12 () 175 Hình 3.5 Hình dạng lị 3.3 Tính chọn quạt gió Q trình vận chuyển tác nhân sấy hệ thống sấy thường dùng hai loại quạt: quạt ly tâm quạt hướng trục chọn quạt số hiệu phụ thuộc vào đặc trưng hệ thống sấy Trên sở thiết kế bố trí hệ thống sấy buồng, quạt thiết bị dùng để vận chuyển đẩy đưa khơng khí qua calorifer vào buồng sấy để thực trình sấy mang ẩm thải vào mơi trường Dựa vào đặc tính cơng nghệ, yêu cầu thiết kế cách bố trí thiết bị ta cần tính tốn hệ thống quạt phân phối gió Do để chọn quạt cần bố trí hệ thống sấy vào cách bố trí để tiến hành tính tốn trở lực Khi có tổng trở lực lưu lượng tác nhân sấy cần thiết tính tốn cân nhiệt ẩm chọn quạt Trên sở suất cột áp quạt tính sau:  Năng suất quạt Năng suất quạt V xác định sở tính tốn nhiệt tính tốn nhiệt mà ta tính tốn chương II Trong tính tốn nhiệt ta tính tốn nhiệt hệ thống sấy ta tính tốn lưu lượng khơng khí khơ cần thiết L kg/h Theo phụ lục [1] “thế tích khơng khí ẩm kg khơng khí khơ” áp suất p = 760 mmHg tìm thể tích khơng khí ẩm V nhiệt độ trung bình độ ẩm tương đối tác nhân sấy Do thê tích V bằng: V= L.v = L/p Trong đó: Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ 44 Đồ án tốt nghiệp Chuyên ngành Kỹ thuật điện - L: lượng khơng khí khơ = 22158,73 kgkkkhơ /h (đã tính chương 2) - v: thể tích khơng khí ấm kg khơng khí khơ, tra phụ lục ứng với nhiệt độ 36°c độ ấm tương đối 61%, v 0,927(m3/kg kk) Vậy V = 22158,73 0,927 = 20541,14 (m3/h.)  Tính tốn khí động Hình 3.5 Sơ đồ tính tốn khí động - kênh dẫn khí; - calorifer; 4, 5, 24, 25 chỗ ngoặt; 6, 21 đột khép; 7,10 22 kiêu gỗ; , 11, 23 đột mở Trở lực hệ thống bao gồm: trở lực calorifer, trở lực ma sát kênh dẫn khí trở lực cục tiết diện tương ứng hình 3.5  Trở lực phía đường khơng khí calorfer: Để tính trở lực qua calorifer ta tính lưu tốc khơng khí ta tra bảng tìm trở lực Ta có lưu tốc khơng khí là: pv = Trong đó: L lượng khơng khí khơ = 22158,73 kgkk khơ/h f tiết diện thơng gió f = 0,96m2 Do : pv = = 6,41 kg/m2 s Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ 45 Đồ án tốt nghiệp Chuyên ngành Kỹ thuật điện Dựa vào bảng tra trang 181 [2] ta tìm trở lực khơng khí qua calorifer là: 6,6 mmH20  Trở lực ma sát kênh dẫn khí kiêu gỗ: Tổn thất áp suất ma sát khơng khí chuyển động bề mặt vật liệu là: L.w pl    2d (N/m2) Trong đó: - L chiều dài xếp vật liệu L=Lm -  khối lượng riêng khơng khí buồng sấy - w tốc độ không khí buồng sấy -  hệ số trở lực ma sát - d đường kính khe thơng gió Kết tính liệt kê bảng sau: STT Vị trí gây trở lực 6,9, …,21 7, 10, 22 8, 11, 23 24 25 Tổng Kênh dẫn Calorifer Ngoặt 90o Ngoặt 90o Đột kép Khối Tốc độ Chiều Đường Hệ số trở Hệ số Tổn thất áp lượng khí v dài L kính (m) lực ma trở lực suất riêng (m/s) (m) sát cục (N/m2)  (kg/m3) 1,165 0,6 0,04 5,825 66,36 1,093 1,1 9,62 1,093 1,1 5,41 1,128 0,18 2,43 Trong kiêu 1,128 0,06 0,05 11,28 Đột mở 1,128 0,25 3,384 Ngoặt 90o Ngoặt 90o 1,128 1,165 3 1,1 1,1 5,58 5,58 115,47  Trở lực cục tiết diện tính theo cơng thức: W2 pc  � N / m2   Ở dây hệ số trở lực cục xác định theo Tài liệu [3] Các kết tính đưa bảng: Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ 46 Đồ án tốt nghiệp Chuyên ngành Kỹ thuật điện Ta có tổng trở lực cục hệ thống 115,47 N/m2 điều kiện nhiệt độ khơng khí t = 36 với = 1,128 Kg/m3 Chuyển trở lực điều kiện chuẩn kỹ thuật ta được: N/m2 = 12 mmH2O  Xác định công suất quạt Theo cơng thức (17.38) trang 334 ta có suất quạt N là: N k V 0 ptc 3600.102. q Trong đó: V l lưu lượng nhiệt độ trung bình t tác nhân sấy, m3/h tổng cột áp quạt phải thực hiện, mmH20 k hệ số dự phòng, k= (1,1 -1,2) Chọn k= , ɳq hiệu suất quạt, = (0,4 - 0,6) Chọn ɳq = 0,5 Khối lượng riêng khơng khí điều kiện chuẩn, Kg/m3 o = 1,293 kg/m Khối lượng riêng khơng khí nhiệt độ trung bình TNS Kg/m3 o Thay số ta có: N = 1,5(kW) Từ suất quạt N cột áp ta dựa vào bảng tra trang 363,3 ta chọn quạt hướng trục Các thơng số kích thước chủ yếu quạt sau: Năng suất quạt: V = 7200m3/h Cột áp quạt: = 25mmH2O Hiệu suất 54% Tốc độ 1440 vòng/phút Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ 47 Đồ án tốt nghiệp Chuyên ngành Kỹ thuật điện CHƯƠNG IV: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH NHIỆT BUỒNG SẤY 4.1 Mục đích ổn định nhiệt độ Để đảm bảo tính ổn định thời gian làm việc buồng sấy nhiệt độ, ta cần thiết kế mạch điều khiển để ổn định nhiệt độ theo yêu cầu người sử dụng Mạch điều khiển phải đảm bảo khoảng dao động nhiệt độ mà người thiết kế, sử dụng cho phép 4.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ 4.2.1 Mô tả chức khối nguyên lý làm việc hệ thống ổn định nhiệt uđặt u (-) u PID Van u Cảm biến Buồng sấy to to Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển buồng sấy 4.2.2 Hàm truyền khối chức Tín hiệu u điều khiển là: u(t)=Kp.e(t) + KI.e(t)dt Bộ điều chỉnh PI tạo thành tín hiệu chậm sau đảm bảo độ xác trạng thái ổn định, lại bị hạn chế độ nhạy W(p)=  Bộ điều khiển tích phân tỉ lệ:PD Tín hiệu u điều khiển là: u(t)=Kp.e(t) + KD.de(t)/dt Tạo thành hiệu chỉnh vượt trước, tăng nhanh tốc độ tác động (nhanh quy luật tỉ lệ), thành phần vi phân phản ứng với nhiễu cao tần có biên độ nhỏ không làm giảm sai lệch dư đồng thời độ xác trạng thái ổn định lại bị ảnh hưởng W(P)=  Bộ điều khiển tích phân tỉ lệ: PID Tín hiệu u điều khiển là: Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ 48 Đồ án tốt nghiệp Chuyên ngành Kỹ thuật điện u(t) = Kp e(t) + KI.e(t)dt + KD.de(t)/dt Bộ điều chỉnh PID tạo thành có ưu điểm tất điều chỉnh nói trên, nâng cao tồn diện tính điều khiển hệ thống, mạch điện cách thử nghiệm lại phức tạp a Tạo xung điều khiển W1  K e 1s  Hàm truyền: Trong đó: K=1,5 �1=0,05 (S) K 1,5    1S  0, 05S b Buồng sấy W2  K K 50 e s   TS  (TS  1).( S  1) (200 S  1).(50 S  1) Hàm truyền: Trong đó: K=50 T=200S �2=50 (S) c Hàm số truyền cảm biến nhiệt độ W3 = K Với K=0,1 4.3 Tổng hợp hệ thống theo phương pháp modul tối ưu Phương pháp tối ưu modul phương pháp lựa chọn tham số điều khiển PID cho đối tượng có đáp ứng tín hiệu vào hàm nấc có dạng hình chữ S [4] Xét hệ thống điều khiển kín Bộ điều khiển R(s) cho đối tượng S(s) Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín Phương pháp tối ưu modul áp dụng để chọn tham số điều khiển PID điều khiển đối tượng S(s) có chất quán tính Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ 49 Đồ án tốt nghiệp Chuyên ngành Kỹ thuật điện  Đối với đối tượng điều khiển khâu quán tính bậc nhất: S  s  k  Ts Phương pháp tối ưu modul đưa điều khiển khâu tích phân: R  s  kp  TI s Hàm truyền đạt hệ kín: G  s  TR  k TR s (1  Ts)  k T1  2kT kP Với  Trường hợp đối tượng điều khiển có dạng: S  s  k (1  T1s )(1  T2 s ) (1  Tn s ) Với T1, T2, …,Tn nhỏ, dung phương pháp tổng số thời gian nhỏ để chuyển mơ hình dạng xấp xỉ khâu quán tính bậc Bộ điều khiển tối ưu modul khâu tích phân với tham số: TR  n T1  2k �Ti kP i 1  Đối với đối tượng khâu quán tính bậc 2: S  s  k (1  T1s)(1  T2 s) Bộ điều khiển tối ưu modul điều khiển PI: � � k p (1  TI s ) (1  TI s) T R  s  kp � 1  ; TR  I � TI s TR s kP � TI s � TI  T1 ; k P  T1 2kT2 Với tham số  Trường hợp đối tượng điều khiển có dạng: S  s  k (1  T1s)(1  T2 s) (1  Tn s) Với T2,T3,…,Tn nhỏ so với T1 , dung phương pháp tổng hợp số thời gian nhỏ để chuyển mô hình dạng xấp xỉ: S  s  n k ; T  �Ti (1  T1s )(1  Ts) i 2 Bộ điều khiển tối ưu modul điều khiển PI có tham số: Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ 50 Đồ án tốt nghiệp Chuyên ngành Kỹ thuật điện TI  T1 kP  T1 n 2k �Ti i 2  Đối với điều khiển khâu quán tính bậc 3: S  s  k (1  T1s )(1  T2 s )(1  T3 s ) Bộ điều khiển tối ưu modul điều khiển PID: � � (1  TA s )(1  TB s ) T R s  kp � 1  TD s � ; TR  I TR s kP � TI s � Với tham số: TI  T1  T2 TD  T1T2 T1  T2 kP  T1  T2 2kT3  Trường hợp đối tượng điều khiển có dạng: S  s  k (1  T1s )(1  T2 s ) (1  Tn s ) Với T3, T4, …,Tn nhỏ so với T1 T2 dùng phương pháp tổng số thời gian nhỏ để chuyển mơ hình dạng xấp xỉ: S  s  k (1  T1s )(1  T2 s )(1  Ts ) n T  �Ti i 3 Trong Bộ điều khiển tối ưu modul điều khiển PID có tham số: TI  T1  T2 TD  kP  T1T2 T1  T2 T1  T2 n 2k �Ti i 3 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ 51 Đồ án tốt nghiệp Chuyên ngành Kỹ thuật điện 4.4 Xác định tham số điều khiển PID  Ta có: Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống W1  K e 1s  W2  K 1,5    1S  0, 05S K K 50 e  s   TS  (TS  1).( S  1) (200 S  1).(50 S  1) W3  0,1 Đưa dạng chuẩn tín hiệu phản hồi (-1) Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống dạng chuẩn W(s)  W1.W2 W3  1,5 50 7,5 0,1   0, 05S (200 S  1).(50 S  1) (1  200 S ).(1  50 S ).(1  0, 05S ) Với hàm truyền đối tượng có dạng T nhỏ so với T1 T2 nên ta dung phương pháp tổng số thời gian nhỏ Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ 52 Đồ án tốt nghiệp Chuyên ngành Kỹ thuật điện Bộ điều khiển tối ưu modul điều khiển PID có tham số: kP  T1  T2 n 2k �Ti  200  50  333 2.7, 5.0, 05 i 3 TI  T1  T2  200  50  250  TD  T1T2 200.50   40 T1  T2 200  50 kI  k P 333   1.33 TI 250  k D  k P TD  333.40  13320 4.5 Kết mô Tiến hành mô hệ thống phần mềm Matlab-Simulink ta có sơ đồ mơ hệ thống điều khiển buồng sấy hình 4.5, kết mơ hình 4.6 Hình 4.5: Sơ đồ mơ hệ thống điều khiển buồng sấy matlab- Simulink tođặt Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ 53 Đồ án tốt nghiệp Chuyên ngành Kỹ thuật điện 0 50 tothực 100 150 200 250 300 350 400 Hình 4.6: Đặc tính làm việc tođặt tothực 2.5 1.5 0.5 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Hình 4.7: Đáp ứng động nhiệt độ với giá trị đặt khác Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ 54 Đồ án tốt nghiệp Chuyên ngành Kỹ thuật điện tođặt z tothực 50 100 150 200 250 300 350 400 Hình 4.8: Đặc tính làm việc theo hình sin 4.6 Nhận xét kết luận  Từ kết mô ta thấy đáp ứng độ hệ thống bám sát lượng đặt, thời gian độ khoảng 80 giây (t qd=80s), độ điều chỉnh không (=0) Vậy hệ thống thiết kế đáp ứng yêu cầu cơng nghệ  Khảo sát tính ổn định hệ thống  Mô hệ thống phần mềm matlab Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ 55 ... ra: Hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy thùng quay, hệ thống sấy tháp, hệ thống sấy khí động Hệ thống sấy tiếp xúc: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ bề mặt nóng Như vậy, hệ thống sấy. .. .55 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ LỜI MỞ ĐẦU Sấy q trình cơng nghệ sử dụng nhiều ngành công nông nghiệp Trong công nghiệp sấy công đoạn quan trọng công nghiệp sau... IV: Điều khiển ổn định nhiệt buồng sấy Thiết kế hệ thống điều khiển sấy gỗ với suất 20m3/mẻ CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY NƠNG LÂM HẢI SẢN 1.1 Khái niệm q trình sấy 1.1.1 Khái niệm Sấy