1) Tổng quan về nguyên liệu sấy:
4.4)Phần làm thêm: Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt bằng PLC
Đề bài: Sử dụng PLC Mitsubishi lập trình điều khiển nhiệt độ cho Máy Sấy:
Hình 4.1 bộ điều khiển PLC mitsubishi
_ Mô-đun (FX 4AD) này có 4 kênh dùng để chuyển đổi bốn tín hiệu tương tự từ những
cảm biến thành giá trị nhị phân trong một khoảng thời gian xác định. Giá trị chuyển đổi này được sử dụng để so sánh, tính toán trong chương trình PLC. Tín hiệu tương tự đi vào mô-đun có thể là điện áp hoặc dòng điện.
67 Hình 4.2 sơ đồ Môđun FX 4AD
68 Hình 4.3 Môđun FX 4AD
_Van điều khiển: hay còn gọi là van hoạt động theo tỷ lệ và cũng là một loại của van điều khiển. Van vận hành trên cở sở nhận tín hiệu 4-20mA hoặc 0-10VDC từ các thiết bị điều khiển (thiết bị đầu cuối) như bộ điều khiển PID, PLC… để điều khiển lưu lượng, áp suất, nhiệt độ theo chế độ tuyến tính hoặc đường đặc tuyến theo dạng tăng giảm tuyến tính.
_Thông thường trên thị trường thường chia ra 2 loại là van điều khiển bằng điện và van điều khiển bằng khí nén. Trong bài toán này ta chọn Van điều khiển bằng động cơ điện
69 _Chọn động cơ 3 pha hộp giảm tốc cho tất cả các thiết bị trong Máy Sấy:
+ 3 Động cơ băng tải + 5 Động cơ quạt thổi + 15 Động cơ quạt hút
+ 2 quạt thổi, quạt hút phụ phẩm
Yêu cầu bài toán:
_Mở khóa hệ thống bằng 4 chữ số cuối của MSSV của từng sinh viên, nếu mở khóa sai 3 lần thì hệ thống khóa cả hệ thống 1h, sau 1h cho phép nhập lại, sau khi mở khóa xong nhập dữ liệu nhiệt độ cài đặt vào D5
_Cho modun FX 4 A/D được gắn ở block thứ 2, 4 kênh dùng cho 4 cảm biến nhiệt độ với ngõ vào điện áp ±10v(nhiệt độ đo ±400 độ C).
_Viết chương trình nhận dạng, khởi tạo, kiểm tra lỗi, _Số lượng lấy mẫu trung bình là 4
_Tốc độ chuyển đổi cần là 10 ms/kênh, đọc nhiệt độ trung bình của cảm biến đọc về, điều khiển nhiệt độ cho khuôn nhiệt.
_Nhiệt độ được lưu vào thanh ghi theo 4 cặp nhiệt điện: D0, D1, D2, D3 _Mô phỏng bàn phím 10 phím để nhập ngõ vào
_Sau khi so sánh nhiệt độ, viết chương trình điều khiển hệ thống.
- Bên ngoài PLC - Bên trong PLC
5 Động cơ quạt thổi: 3 phase 380v AC 15 Động cơ quạt hút: : 3 phase 380v AC 3 Động cơ băng tải: 3 phase 380v AC
2 Động cơ quạt phụ phẩm: 3 phase 380v AC
Y10 Y11 Y12 Y13
70 CB Nhiệt ( Cặp nhiệt điện )
Van 220 V AC Đi xuống Đi Lên Y2, X2 Y3, X3 - Bàn phím 10 số X1-X10 - Nút ON, Off X11, X12 Bảng 4.1: bảng thiết bị ngõ vào/ ra
71 Hình 4.6: SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY TRONG PLC
72 _Van điều khiển (Y2 , Y3) lên xuống bằng cách đổi chiều Động Cơ 3 Pha 380V, Động Cơ có Rơle nhiệt đề phòng quá tải.
Hình 4.7: MẠCH ĐỘNG LỰC CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN
_Tất cả các động cơ trong máy sấy sửa dụng động cơ 3 pha 380V hộp giảm tốc. Ký hiệu ngõ ra: Y10 tới Y13
73 Hình 4.8: Mạch điều khiển chương trình khởi động
_Chương trình khởi động và nhập mật khẩu theo 4 số cuối MSSV, và chuyển dữ liệu vào thanh ghi
74 Hình 4.9: Mạch khởi tạo cảm biến và Calip Cảm biến (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
_Nhận dạng Modun FX 4AD _Khởi tạo
_Kiểm tra lỗi _Xử lý lấy mẫu
75 Hình 4.10: Mạch so sánh giá trị trung bình trên từng kênh
76 Hình 4.11: Mạch lập trình hệ thống
Nguyên lý hoạt động:
_Ta cài đặt giá trị nhiệt độ cần so sánh.
_Nhập mật khẩu 4 số cuối MSSV để chạy hệ thống
_Cảm biến đọc giá trị về thông qua Modun FX 4AD chuyển dữ liệu thành Digital với 4 kênh, đọc 4 lần và lấy giá trị trung bình so sánh với giá trị cài đặt
_Nếu giá trị lớn hơn hoặc bằng
+ Đóng van điều khiển để không tiếp tục gia nhiệt tác nhân sấy _Nếu giá trị nhỏ hơn
+ Mở van điều khiển để gia nhiệt tác nhân sấy.
77
CHƯƠNG V: MÔ PHỎNG 5.1) Mô phỏng truyền nhiệt và dòng chảy trong buống sấy.
Yêu cầu: Vận tốc dòng tác nhân sấy đi vào buống sấy là 3 m/s với nhiệt độ là 35oC, các băng tải được làm từ vật liệu có nhiệt độ 35oC, nhiệt dung riêng: c = 3,53 kJ/kg độ, hệ số dẫn nhiệt: = 0,59 W/m.K. Kiểm nghiệm nhiệt độ tác nhân sấy đầu ra của buồng và vận tốc của dòng tác nhân sấy.
5.1.1) Lập mô hình cần mô phỏng tính toán.
_Ta thiết lập mô hình buồng sấy với kích thước + Cao 2,8 m
+ Rộng 1,5 m + Dài 1,5 m
+ Các vật liệu sấy dạng lưới cách nhau 0,36 m
Hình 5.1 mô hình buồng sấy
5.1.2) Tiến hành chia lưới phần tử hữu hạn cho hệ thống.
_Khi chia lưới chú ý để các mặt tiếp xúc với khối cần phải chia kích thước cho thích hợp để tăng độ chính xác cũng như không bị lỗi interface.
78 Hình 5.2 mô hình buồng sấy sau khi chia lưới
_Sau khi chia lưới tiến hành thiết lặp các Object: + Khối tác nhân sấy (Fluid domain)
+ Bề mặt vô của tác nhân sấy (Inlet) + Bề mặt ra của tác nhân sấy (Outlet) + Bề mặt của vật liệu sấy (wall dry) + Khối vật liệu sấy (dry)
Hình 5.3 thiết lặp các Object sau khi chia lưới
5.1.3) Tiến hành thiết lập điều kiện biên của bài toán.
_Chọn Steady: chỉ tính hệ thống ở trạng thái ổn định _Thiết lập gia tốc trọng trường 9,81 m/s2
79 Hình 5.4 thiết lập các điều kiện
_Cài đặt thông số vận tốc và nhiệt độ của tác nhân sấy và bề mặt vật liệu sấy
Hình 5.5 thiết lập các điều kiện (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
80 Hình 5.6 thiết lập các điều kiện
Nhiệt độ bề mặt của vật liệu sấy là 35oC
_Thiết lập mô hình toán: Cơ sở lý thuyết:
+ Kích hoạt bài toán phương trình năng lượng do bài toán truyền nhiệt ( thermal tranfer)
+ Độ nhớt động học theo lớp (Viscous – Laminar ) và độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ (Visous- heating)
+ Thành các vật rắn (solid ) làm các lớp lưu chất trượt lên nhau để giảm tài nguyên máy tính và đảm bảo độ ổn định cho hệ thống ( Slip wall )
_Xem xét dòng chất lỏng trên một tấm phẳng, như thể hiện trong hình bên dưới. Biên dạng vận tốc đồng đều chạm vào cạnh hàng đầu của thành vật rắn, và một lớp ranh giới nhiều lớp bắt đầu phát triển. Dòng chảy trong khu vực này rất dễ doán do dòng chảy tầng. Sau một khoảng cách nào đó, các dao động hỗn loạn nhỏ bắt đầu phát triển trong lớp biên và dòng chảy bắt đầu chuyển sang trạng thái chảy rối , cuối cùng trở thành chảy rối hoàn toàn.
81 Hình 5.7 thiết lập mô hình tính toán
_Sự chuyển đổi giữa ba vùng này có thể được xác định theo số Reynolds
_Đó là mật độ chất lỏng; vận tốc; chiều dài đặc trưng (trong trường hợp này là khoảng cách từ cạnh hàng đầu); và là độ nhớt động lực học của chất lỏng.
82
Mô hình k-ε: Giải quyết cho hai biến: k động năng chảy rối
ε (epsilon), tốc độ tiêu tán của động năng nhiễu loạn.
_Các chức năng Wall được sử dụng trong mô hình này, do đó dòng chảy trong vùng đệm không được mô phỏng. Mô hình k-ε trước đây rất phổ biến cho các ứng dụng công nghiệp do tốc độ hội tụ tốt và yêu cầu bộ nhớ tương đối thấp. Nó không tính toán chính xác các trường dòng chảy thể hiện độ dốc áp suất bất lợi, độ cong mạnh đối với dòng chảy, hoặc có dòng hồi ngược. Nó hoạt động tốt đối với các vấn đề về dòng chảy bên ngoài xung quanh các hình học phức tạp.Các mô hình nhiễu loạn được đều là phi tuyến tính hơn so với mô hình k-ε và chúng thường có thể khó hội tụ trừ khi có một dự đoán ban đầu tốt. Mô hình k-ε có thể được sử dụng để đưa ra một phỏng đoán ban đầu tốt. _Kiểm nghiệm kết quả tính toán: chọn phương pháp tính ( Green- Gause cell based ) cho dạng bài toán phi tuyến
_Chọn tần số tính toán là 50.
Hình 5.9 Mô hình k-ε
Ta có thể thấy các đường tính toán có độ hội tụ cao và ổn định trong hệ thống 5.1.4) Kiểm nghiệm kết quả tính toán mô phỏng.
_Chúng ta chỉ mới xét tới trọng lực chưa xét tới tính đối lưu của không khí và áp suất quạt thổi, quạt hút đồng thời kết quả sự chảy rối của không khí không thể xác định được nên kết quả chỉ có thể tham khảo không tính chính xác được.
83 Hình 5.10 mô phòng dòng không khí trong buồng sấy
Vận tốc không khí đầu ra từ 2-3 m/s
_Nhiệt độ tác nhân sấy phân bố không đều ở output.
_Giá trị trung bình trong buồng sấy của tác nhân sấy là 50-60oC
84 _Đây ta chỉ mô phỏng ở trạng thái steady ( ổn định ) và chưa tính đến thất thoát ra bên ngoài theo thời gian (dt) nên nhiệt độ này là chấp nhận được.
Do đó giá trị mô phỏng gần giống với giá trị tính toán. Việc mô phỏng chỉ mang ý nghĩa kiểm tra tham khảo cần được chứng minh bằng thực nghiệm để ra kết quả chính xác hơn.
5.2) Mô phỏng tĩnh học về ứng suất chịu lực của khung máy.
Yêu cầu: Ta có kết cấu quạt thổi và calorife đặt trên 1 modun khung máy với khối lượng là 300 kg cho 1 quạt thổi và 1 calorife. Kiểm tra ứng suất và biến dạng của kết cấu và kiểm nghiệm đảm bảo độ bền của kết cấu.
5.2.1) Lập mô hình cần mô phỏng tính toán.
Ta thiết lập mô hình kích thước giàn sấy.
Hình 5.12 lập mô hình tính toán giàn sấy
Ta dựng mô hình như thiết kế với thép hộp 50 x 50 x 2 (mm) Vật liệu ta chọn là stainless steel. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
85 Hình 5.13 lập mô hình tính toán giàn sấy
5.2.2) Cài đặt điều kiện biên cho mô phỏng tĩnh học cho cơ cấu.
_Gia tốc trọng trường hướng xuống với giá trị 9,81 m/s2 _Đặt các giá cố định tại các chân của khung.
_Áp lực đặt vào là 300kg cho 1 modun tương đương 1 N/mm cho khung chịu lực với chiều dài 1500 mm.
86
5.2.3) Mô phỏng tĩnh và cho ra kết quả.
a) Kết quả chuyển vị của kết cấu.
Hình 5.15 kết quả chuyển vị của kết cấu
Chuyển vị tối đa 0,62 mm
b) Kết quả ứng suất của kết cấu.
87 Hình 5.17 Biểu đồ ứng suất của một thanh chịu lực trong kết cấu
_Ứng suất tối đa là 18.62 MPa
_Ứng suất đàn hồi của stainless steel là 250 MPa
Do đó theo như mô phỏng tính toán tĩnh học kết cấu đạt đủ yêu cầu về sức bền.
5.3) Mô phỏng truyền nhiệt và dòng chảy trong Calorife.
Yêu cầu: Vận tốc dòng tác nhân sấy đi vào calorife là 7-8 m/s với nhiệt độ là 35oC, các ông gia nhiệt được bơm hơi nước với vận tốc 1m/s nhiệt độ 110oC. Kiểm nghiệm nhiệt độ tác nhân sấy đầu ra của Calorife và vận tốc của dòng tác nhân sấy.
5.3.1) Lập mô hình cần mô phỏng tính toán.
_Ta thiết lập mô hình các giàn gia nhiệt và đồng thời một khối bao bọc bên ngoài để cho các tác nhân sấy có thể đi qua với 10 tần ống gia nhiệt với 0,45 m bước ống.
88 Hình 5.18 Mô hình các ống gia nhiệt
Hình 5.19 Khối tác nhân sấy đi qua
5.3.2) Tiến hành chia lưới phần tử hữu hạn cho hệ thống.
_Khi chia lưới chú ý để các cạnh tiếp xúc với khối cần phải chia kích thước cho thích hợp để tăng độ chính xác cũng như không bị lỗi interface.
89 Hình 5.20 tiến hành chia lưới cho các ống gia nhiệt
Sau khi chia lưới tiến hành thiết lặp các Object: + Khối tác nhân sấy (Fluid domain)
+ Ống dẫn hơi nước (Heat Fuild ) + Bề mặt vô của tác nhân sấy (Inlet) + Bề mặt ra của tác nhân sấy (Outlet)
+ Bề mặt vào của hơi bão hòa ẩm (heat inlet) + Bề mặt ra của hơi bão hoà ẩm (heat outlet)
90 Hình 5.21 tiến hành thiết lập các Object cho các ống gia nhiệt
5.3.3) Tiến hành thiết lập điều kiện biên của bài toán.
_Chọn Steady: chỉ tính hệ thống ở trạng thái ổn định _Thiết lập gia tốc trọng trường 9,81 m/s2
91 _Thiết lập loại lưu chất đi trong fuild domain: Air (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 5.23 tiến hành thiết lập loại lưu chất cho các ống gia nhiệt
_Thiết lập loại lưu chất đi trong heat fuild : water-vapor
92 _Cài đặt thông số vận tốc và nhiệt độ của các lưu chất
Vận tốc tác nhân sấy vào là 7m/s Nhiệt độ hơi nước nóng là 100oC
Hình 5.25 tiến hành thiết lập thông số vận tốc và nhiệt độ cho các ống gia nhiệt
_Thiết lập mô hình toán: Cơ sở lý thuyết:
+ Kích hoạt bài toán phương trình năng lượng do bài toán truyền nhiệt ( thermal tranfer)
+ Độ nhớt động học theo lớp (Viscous – Laminar ) và độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ (Visous- heating)
+ Thành các vật rắn (solid ) làm các lớp lưu chất trượt lên nhau để giảm tài nguyên máy tính và đảm bảo độ ổn định cho hệ thống ( Slip wall )
93 _Xem xét dòng chất lỏng trên một tấm phẳng, như thể hiện trong hình bên dưới. Biên dạng vận tốc đồng đều chạm vào cạnh hàng đầu của thành vật rắn, và một lớp ranh giới nhiều lớp bắt đầu phát triển. Dòng chảy trong khu vực này rất dễ doán do dòng chảy tầng. Sau một khoảng cách nào đó, các dao động hỗn loạn nhỏ bắt đầu phát triển trong lớp biên và dòng chảy bắt đầu chuyển sang trạng thái chảy rối , cuối cùng trở thành chảy rối hoàn toàn.
Hình 5.27 tiến hành thiết lập mô hình tính toán cho các ống gia nhiệt
_Sự chuyển đổi giữa ba vùng này có thể được xác định theo số Reynolds
_Đó là mật độ chất lỏng; vận tốc; chiều dài đặc trưng (trong trường hợp này là khoảng cách từ cạnh hàng đầu); và là độ nhớt động lực học của chất lỏng.
_Chúng ta sẽ giả định rằng chất lỏng là Newton, có nghĩa là ứng suất nhớt tỷ lệ thuận với độ nhớt động lực học là hằng số tỷ lệ thuận với tốc độ cắt. Điều này đúng, hoặc gần như vậy, đối với nhiều loại chất lỏng có tầm quan trọng về mặt kỹ thuật, chẳng hạn như không khí hoặc nước.
_Kiểm nghiệm kết quả tính toán: chọn phương pháp tính ( Green- Gause cell based ) cho dạng bài toán phi tuyến
94 Hình 5.28 tiến hành thiết lập mô hình tính toán cho các ống gia nhiệt
Ta có thể thấy các đường tính toán có độ hội tụ cao và ổn định trong hệ thống 5.3.4) Kiểm nghiệm kết quả tính toán mô phỏng.
_Chúng ta chỉ mới xét tới trọng lực chưa xét tới tính đối lưu của không khí và áp suất quạt thổi, quạt hút đồng thời kết quả sự chảy rối của không khí không thể xác định được nên kết quả chỉ có thể tham khảo không tính chính xác được.
Hình 5.29 vận tốc không khí trong các ống gia nhiệt
95 _Nhiệt độ ống gia nhiệt ở trạng thái ổn định 150oC ở đầu ống về cuối ống thì nhiệt độ càng giảm khoảng 97oC
Hình 5.30 nhiệt độ trong các ống gia nhiệt _Nhiệt độ tác nhân sấy phân bố không đều ở output.
_Giá trị trung bình ngõ ra của tác nhân sấy là 94oC
96 _Đây ta chỉ mô phỏng ở trạng thái steady ( ổn định ) và chưa tính đến thất thoát ra bên