Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm năng lượng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ………W X……… TRẦN THỊ MỸ NGA NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH LÒ NUNG GỐM TIẾT KIỆM NĂNG LƯNG CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC MÃ SỐ: 2.10.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 01 NĂM 2004 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TSKH LÊ XUÂN HẢI Cán chấm nhận xét 1: ……………………………………………………… Cán chấm nhận xét 2: ……………………………………………………… LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐƯC BẢO VỆ TẠI HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngày tháng năm 2004 Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA … … … W X … … … CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc … … … W X… … … NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN THỊ MỸ NGA Phái: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 27/ 02/ 1978 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC MSHV: CNHH 12- 015 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH LÒ NUNG GỐM TIẾT KIỆM NĂNG LƯNG II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Xây dựng mô tả toán học cho lò gốm sử dụng LPG - Mô hoạt động lò gốm - Xác định chế độ điều khiển tối ưu - Xây dựng thuật toán phần mềm tính toán thông số cấu trúc lò III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: …………………………………………………………………….…………………………………… IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ………………………………….………………………………………………… V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TSKH LÊ XUÂN HẢI CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TSKH LÊ XUÂN HẢI CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH GS.TS MAI HỮU KHIÊM Nội dung đề cương luận văn Thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC tháng năm 2004 KHOA QUẢN LÝ NGÀNH i LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TSKH Lê Xuân Hải, Người Thầy tận tình hướng dẫn giúp đỡ em việc hoàn thành luận án Sự tận tụy Thầy nguồn động viên cho em suốt thời gian thực luận án Xin chân thành cảm ơn ThS Trần Thái Thanh, Ban Giám Đốc toàn thể Cán nhân viên Công ty Sành Sứ Thuỷ Tinh Việt Nam giúp đỡ, tạo điều kiện cho thực khảo sát thực nghiệm góp ý cho luận án Em xin cảm ơn Thầy Cô Bộ môn Máy Thiết Bị Khoa Công Nghệ Hóa học Dầu Khí động viên truyền đạt cho em kiến thức quý báu suốt thời gian bậc Đại học Cao học Em xin cảm ơn Thầy Cô hội đồng chấm luận án dành thời gian q báu để đọc luận án cho nhận xét xác đáng bổ ích Xin chân thành cảm ơn bạn lớp Cao học hoá K12 hỗ trợ giúp đỡ suốt thời gian học Cao học Cuối cùng, xin cảm ơn Gia đình, nguồn động viên điểm tựa vững hỗ trợ tạo cho nghị lực suốt trình học hoàn thành luận án Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng ii TÓM TẮT Mục tiêu đề tài sử dụng phương pháp mô hình hoá toán học để giải vấn đề mô phỏng, tính toán thiết kế quy trình vận hành tối ưu cho lò nung gốm Trên sở đó, luận án trình bày nội dung sau: − Chương 1, tổng quan sản xuất gốm sứ thủ công mỹ nghệ, lò nung gốm mỹ nghệ lò gốm, phương pháp tiếp cận hệ thống trình công nghệ, lý thuyết mô phỏng, nghiên cứu ứng dụng máy tính để mô hình hoá mô với trợ giúp ngôn ngữ lập trình bậc cao Matlab − Chương 2, xây dựng mô tả toán học cho lò gốm hoạt động gián đoạn sử dụng nhiên liệu LPG − Chương 3, mô phân tích trình nung lò nung gốm sứ mỹ − Chương 4, thiết kế sơ lò gốm dung tích 48m3 sở kết nghệ mô − Chương 5, tính toán số thông số điều khiển tự động PI sở kết mô vận dụng phương pháp thoát ly vùng cấm giải toán tối ưu đa mục tiêu − Phần kết luận kiến nghị hướng phát triển đề tài Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng iii ABSTRACT The aim of this thesis is using mathematical modelling method to simulate, calculate and determine optimal operation of ceramic kiln The research content is composed of: − The first chapter of research presents an overview of ceramic manufacture, ceramic and ceramic fiber kiln System approach method, simulation theories, computer simulation and application of computer modelling and simulation by the Matlab 6.0 software are also studied − In the second chapter, the mathematical modelling of ceramic fiber kiln, which operates discontinuously and uses LPG as a fuel is established − Simulating to analyse the effect of controlling and structural variables on firing process is covered at in Chapter − In Chapter 4, based on the simulation results, ceramic fiber kiln with 48 cubic meter volume is preliminary designed − In Chapter 5, basis variables of PI controller is calculated based on the simulation results In this part, release forbidden area method is also applied to solve a problem of muti – criterion optimization − Lastly, the conclusion and suggestion are presented Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng iv MỤC LỤC Trang Lời mở đầu Chương Tổng quan .1 1.1 Sản xuất gốm sứ mỹ nghệ làng nghề truyền thống Việt Nam .1 1.2 Lò nung gốm thủ công mỹ nghệ .2 1.3 Lò goám .5 1.4 Phương pháp tiếp cận hệ thống trình công nghệ 1.4.1 Hệ thống phân tích hệ thống 1.4.2 Mô hình hóa toán học đối tượng công nghệ 10 1.4.2.1 Toán tử công nghệ .10 1.4.2.2 Toán tử quan hệ haøm 12 1.4.2.3 Sự tương thích mô tả toán học .13 1.4.2.4 Các phương pháp xây dựng mô tả toán học – Mô hình toán 14 1.5 Mô hệ thống 14 1.5.1 Khái niệm 14 1.5.2 Quy trình mô 16 1.5.3 Ưu điểm hạn chế mô 19 1.6 Mô hình hóa mô máy tính 19 1.6.1 Sơ ngôn ngữ lập trình Matlab 20 1.6.2 Mô hình hóa mô máy tính toán khoa học 20 Chương Xây dựng mô tả toán học lò gốm 23 2.1 Cấu trúc hoạt động lò gốm 23 Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng v 2.2 Phương pháp mô hình hóa lò gốm 25 2.2.1 Các phương trình bảo toàn vi mô .25 2.2.1.1 Phương trình bảo toàn khối lượng 25 2.2.1.2 Phương trình bảo toàn nhiệt lượng 26 2.2.2 Các phương trình bảo toàn vó mô .26 2.2.2.1 Phương trình bảo toàn khối lượng 27 2.2.2.2 Phương trình bảo toàn lượng 27 2.2.3 Mô tả toán học lò gốm 29 2.2.3.1 Phương trình bảo toàn dòng vật chất 33 2.2.3.2 Phương trình bảo toàn dòng nhiệt lượng 34 2.2.3.3 Các phương trình động học cho trình tham gia vào thành phần bảo toàn 35 2.2.3.4 Các phương trình mô tả trình nung lò 49 2.3 Xây dựng thuật giải mô hình sở ngôn ngữ lập trình Matlab .49 2.4 Kiểm định tương thích mô hình 54 Chương Mô Phân tích trình nung .60 3.1 Mô hoạt động lò theo sản phẩm nung .60 3.1.1 Mô trình nung với lượng sản phẩm nung thay đổi 60 3.1.2 Mô trình nung với loại sản phẩm nung khác 64 3.2 Mô theo kết cấu lò 66 3.2.1 Moâ theo bề dày tường, lò gốm 66 3.2.2 Mô theo loại vật liệu kết cấu lò 68 3.3 Mô trình nung theo phương thức điều khiển hoạt động 69 3.3.1 Mô khả hoạt động lò 18m3 theo phương thức điều khiển hoạt động lò 70 Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng vi 3.3.2 Mô khả hoạt động lò 48m3 theo phương thức điều khiển hoạt động lò 76 3.4 Mô trình nung theo chế độ nhiệt độ 79 3.5 Mô trình nung theo chế độ cấp khí α 81 Chương Thiết kế sơ lò gốm dung tích 48m3 .85 4.1 Xác định cấu trúc lò 85 4.2 Xác định công suất béc đốt kết cấu tường lò 87 4.2.1 Xác định kết cấu tường, lò 87 4.2.2 Xác định công suất béc ñoát 87 Chương Tính toán số thông số 92 5.1 Xác lập toán xác định thông số đánh giá hoạt động lò 92 5.2 Phương pháp thoát ly vùng cấm 94 5.3 Phương pháp luân phiên biến 96 5.4 Bài toán tối ưu cho lò gốm sở phương pháp thoát ly vùng cấm 97 KẾT LUẬN 101 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 103 TÀI LIỆU THAM KHAÛO 104 PHUÏ LUÏC 108 Nghieân cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng vii DANH SÁCH CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1– Các ký hiệu sử dụng phần 2.2.3 – Mô tả toán học lò gốm 29 Bảng 2.2 – Sự phụ thuộc khối lượng riêng theo nhiệt độ 58 Bảng 2.3 – Sự phụ thuộc nhiệt dung riêng theo nhiệt độ 58 Bảng 2.4 – Sự phụ thuộc hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ 59 Bảng 2.5 – Các thông số kỹ thuật lò 48m3 59 Bảng 2.6 – Các thông số kỹ thuật lò 18m3 59 Baûng 2.7 – Kết nhiệt độ nung mẻ nung thứ với sản phẩm nung đổ rót đất sét trắng, không men 57 Bảng 2.8 – Kết nhiệt độ nung mẻ nung thứ hai với sản phẩm in, dày nặng có tráng men 57 Bảng 3.1 – Kết mô trình nung lò 48m3 theo công suất mẻ nung với loại sản phẩm nung đổ rót, không men 61 Bảng 3.2 – Kết mô trình nung lò 48m3 theo công suất mẻ nung với loại sản phẩm nung dày, nặng, có tráng men 63 Bảng 3.3 – Tiêu hao nhiên liệu mẻ nung theo bề dày tường vòm lò gốm 67 Bảng 3.4 – Kết mô trình nung với loại vật liệu chịu lửa khác làm kết cấu lò 69 Baûng 3.5 – Kết độ sai lệch nhiệt độ đường cong nung tính toán với đường cong nung quy định trường hợp lò 18m3 điều chỉnh thủ công điều khiển tự động với sản phẩm nung đổ rót, có men, thời gian lưu 100 phút (mẻ nung 01) 71 Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng - 41 - Hệ thống đường ống van điều khiển cấp gas cấp khí lò gốm 48m3 điều khiển tự động Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng Phụ lục - 42 - Các sản phẩm gốm sứ vừa lò Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng Phụ lục - 43 - Kết cấu xe goòng lò gốm 48m3 Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng Phụ lục - 44 - Cấu tạo lò gốm 48m3 điều khiển tự động Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng Phụ lục - 45 - Các sản phẩm nung chất lên xe goòng chuẩn bị cho vào lò Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng Phụ lục 57 Bảng 2.7 – Kết nhiệt độ nung mẻ nung thứ với sản phẩm nung đổ rót, đất sét trắng, không men t 60 150 240 300 360 450 470 510 560 610 730 820 900 960 1080 Tt,i 323 387 471 573 673 773 973 1023 1123 1174 1223 1323 1372 1421 1448 1448 TM,i 313 374 472 574 673 773 972 1026 1122 1168 1227 1325 1370 1424 1446 1450 ΔTi -10 -13 1 0 -1 -1 -6 -2 -2 Bảng 2.8 – Kết nhiệt độ nung mẻ nung thứ hai với sản phẩm in, dày nặng, tráng men t 40 70 90 120 180 210 270 330 390 450 510 570 690 750 810 870 930 990 1050 1110 1170 1240 Tt,i 305 347 357 360 376 408 423 429 460 492 521 556 623 867 983 1071 1163 1274 1323 1412 1469 1468 1468 TM,i 313 337 357 356 376 411 428 431 462 494 523 558 633 868 998 1067 1171 1275 1329 1407 1479 1462 1476 ΔTi -10 -4 2 2 10 15 -4 -5 10 -6 Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng 57 71 Bảng 3.5 – Kết độ sai lệch nhiệt độ đường cong nung tính toán với đường cong nung quy định trường hợp lò 18m3 điều chỉnh thủ công điều khiển tự động với sản phẩm nung đổ rót, có men, thời gian lưu 100 phút (mẻ nung 01) t (phuùt) ΔTt ,i ( C) 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 880 0 30 20 22 44 40 10 10 0 ΔTM ,i ( C) 0 0 1 1 1 11 Bảng 3.6 – Kết độ sai lệch nhiệt độ đường cong nung tính toán với đường cong nung quy định trường hợp lò 18m3 điều chỉnh thủ công điều khiển tự động với sản phẩm nung đổ rót, có men, thời gian lưu 30 phút (mẻ nung 02) t (phút) 60 120 180 240 300 360 480 600 720 900 960 1020 1050 ΔTt ,i (0C) 46 40 46 58 0 0 ΔTM ,i (0C) 0 1 0 Baûng 3.7 – Kết độ sai lệch nhiệt độ đường cong nung tính toán với đường cong nung quy định trường hợp lò 18m3 điều chỉnh thủ công điều khiển tự động với sản phẩm nung xoay tay, thời gian lưu 120 phút (mẻ nung 03) t (phút) 120 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 800 920 ΔTt ,i ( C) 10 21 12 19 28 17 12 16 19 ΔTM ,i ( C) 1 0 1 0 2 Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng 71 72 Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng 72 - 38 Bảng 4.3 - Kết tính toán cân nhiệt lò gốm 48m3 theo phương pháp cổ điển có hệ số hiệu chỉnh Các khoảng nhiệt độ trình nung [0C] Các khoản nhiệt [kj] 28-200 200-300 300-500 500-700 700-850 850-950 950-1050 1050-1100 1100-1175 1175 Nhiệt bốc nước 270853 165743 0 0 0 0 Nhiệt nung nóng vl 1641268 937850 1267620 2112700 1584525 1056350 1056350 528175 792263 Nhieät theo khí thải 260105 404795 1900161 2206003 2665002 2938273 4233706 3174714 6040616 2788815 Nhiệt tích luỹ 866121 529296 1034534 986416 745827 481178 505237 264648 384943 24059 Nhiệt truyền mt 62389 100829 249934 316983 260189 467478 589782 458310 733316 638947 Nhieät tổn thất khác 159473 110032 338094 290328 271537 257680 334158 233092 418642 187734 1022 2906 11482 25058 26218 68756 114591 108130 201720 192078 Tổng nhiệt chi 3260214 2247720 6903264 5919629 5536445 5234358 6781939 4720787 8487170 3826113 Nhiệt đốt cháy nl 3189456 2200634 6761876 5806560 5430749 5153609 6683169 4661846 8372849 3746654 Nhiệt vật lí nl 3266 2064 6256 5372 5102 4604 5674 3714 6397 3563 Nhiệt vật lí không khí 63738 44586 135692 107659 100594 76145 93097 55227 119285 62896 3260214 2247720 6903264 5919629 5536445 5234358 6781939 4720787 8487170 3826113 Lượng gas tiệu hao[m3] 37.37 26.14 79.24 68.05 63.64 60.39 78.32 54.63 98.24 43.91 Phần trăm gas tiêu hao [%] 6.13 4.28 12.99 11.16 10.43 9.90 12.84 8.96 16.11 7.20 Nhiệt xạ Tổng nhiệt thu Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng - 38 - - 39 - Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng - 39 - - 39 Bảng 4.4 - Kết tính toán cân nhiệt lò gốm 48m3 theo phương pháp cổ điển (thuần tuý theo độ lệch nhiệt độ) Các khoảng nhiệt độ trình nung [0C] Các khoản nhiệt [kj] 28-200 200-300 300-500 500-700 700-850 850-950 950-1050 1050-1100 1100-1175 1175 Nhiệt bốc nước 270853 165743 0 0 0 0 Nhiệt nung nóng vl 1641268 937850 1267620 2112700 1584525 1056350 1056350 528175 792263 Nhiệt theo khí thải 260105 404795 1900161 2219172 2604852 3176845 4720890 3709178 7211942 3978464 Nhiệt tích luỹ 866121 529296 1034534 986416 745827 481178 505237 264648 384943 24059 Nhiệt truyền mt 62389 100829 249934 337532 324476 635865 850544 687129 1142881 1003676 Nhiệt tổn thất khác 159473 110032 338094 292061 265409 278603 372611 272333 500418 267245 1022 2906 11482 25058 26218 68756 114591 108130 201720 192078 Tổng nhiệt chi 3260214 2247720 6903264 5972996 5427898 5697727 7620299 5569514 10234084 5465448 Nhieät đốt cháy nl 3189456 2200634 6761876 5841222 5308176 5572052 7452220 5446669 10008353 5344898 Nhiệt vật lí nl 3266 2064 6256 5405 4916 5156 6895 5040 9260 4945 Nhiệt vật lí không khí 63738 44586 135692 126340 114810 120519 161184 117806 216471 115605 3260214 2247720 6903264 5972996 5427898 5697727 7620299 5569514 10234084 5465448 Lượng gas tiệu hao[m3] 37.37 26.14 79.24 68.45 62.21 65.30 87.33 63.83 117.28 62.63 Phần trăm gas tieâu hao [%] 5.58 3.90 11.83 10.22 9.29 9.75 13.04 9.53 17.51 9.35 Nhiệt xạ Tổng nhiệt thu Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng - 39 - - 40 - Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng - 40 - 91 Bảng 4.2 - Kết tính toán cân nhiệt lò gốm 48m3 theo phương pháp cổ điển Các khoảng nhiệt độ trình nung [0C] Các khoản nhiệt [kj] 28-200 200-300 300-500 500-700 700-850 850-950 950-1050 1050-1100 1100-1175 1175 Nhiệt bốc nước 270853 165743 0 0 0 0 Nhiệt nung nóng vl 1641268 937850 1267620 2112700 1584525 1056350 1056350 528175 792263 Nhiệt theo khí thải 258447 385809 1836879 2070309 2499611 2535088 3576339 2544349 4818063 1581213 Nhiệt tích luỹ 866121 529296 1034534 986416 745827 481178 505237 264648 384943 24059 Nhiệt truyền mt 44434 46054 94061 105345 97734 183031 238013 188354 305756 268640 Nhiệt tổn thất khaùc 158456 106300 326834 272470 254686 222322 282274 186810 334313 106215 1022 2906 11482 25058 26218 68756 114591 108130 201720 192078 Tổng nhiệt chi 3240601 2173959 6684109 5572297 5208599 4546726 5772804 3820466 6837057 2172204 Nhiệt đốt cháy nl 3169122 2126008 6536594 5449394 5093714 4445908 5645475 3736183 6686270 2124308 Nhiệt vật lí nl 2932 1967 6048 5042 4713 4114 5224 3457 6187 1966 Nhiệt vật lí không khí 63335 42488 122471 85083 79531 62451 84621 55997 100219 31840 3240601 2173959 6684109 5572297 5208599 4546726 5772804 3820466 6837057 2172204 Lượng gas tieäu hao[m3] 37.14 24.91 76.60 63.86 59.69 52.11 66.16 43.78 78.35 24.89 Phần trăm gas tiêu hao [%] 7.04 4.72 14.52 12.11 11.32 9.88 12.54 8.30 14.85 4.72 Nhieät xạ Tổng nhiệt thu Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng 91 92 Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng 92 TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: TRẦN THỊ MỸ NGA Ngày, tháng, năm sinh : 27/02/1978 Nơi sinh : Tp Hồ Chí Minh Địa liên lạc: 126/24.100 Bình Thới P14 Q11 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: − Tháng 09/1996 ÷ 01/2001: học đại học Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM - Khoa CNHH & DK - Chuyên ngành: Máy & Thiết Bị − Tháng 09/2001 ÷ 12/2003: học cao học Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM chuyên ngành Công nghệ Hoá Học QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC: − Tháng 01/2001 ÷ 01/2002: CBGD Trường Cao Đẳng Công Nghiệp IV − Tháng 01/2002 ÷ 09/2003: nhân viên Công ty QTI (Consulting Services) ... tự động Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng xvi phần mềm mô hình hoá mô trình nung lò nung gốm, thiết kế mở rộng dung tích lò Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm. .. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH LÒ NUNG GỐM TIẾT KIỆM NĂNG LƯNG II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Xây dựng mô tả toán học cho lò gốm sử dụng LPG - Mô hoạt động lò gốm - Xác định chế độ điều khiển... Nghiên cứu chế độ vận hành lò nung gốm tiết kiệm lượng 22 Ở luận án này, tiếp cận hệ thống với phương pháp mô hình hoá toán học mô khai thác áp dụng để nghiên cứu trình nung gốm lò gốm tiết kiệm