Luận án nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển phản hồi đầu ra cho qua trình đa biến buồng sấy giấy

Nguyên lý buồng sấy đối lưu dùng gió Nhược điểm của phương pháp này là tăng độ ẩm không khí sấy, làm tăng nhiệt độ điểm sương trong buồng, hạn chế quá trình bay hơi; điều này đẫn đến tă

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Độ ẩm giấy là một trong những chỉ tiêu quan trọng của chất lượng giấy, đảm bảo độ ẩm của giấy do hệ thống sấy đảm nhận Để đảm bảo độ ẩm giấy sau khi xeo, người ta điều khiển hai thông số: Công suất nhiệt hơi bão hòa cấp cho lô để cấp nhiệt cho giấy là chính (gọi là sấy tiếp xúc); Công suất nhiệt gió nóng phụ thêm cấp cho buồng sấy (gọi là sấy đối lưu) Tuy nhiên nước chứa trong giấy bay hơi ra không khí của buồng, ngoài nhu cầu cấp nhiệt (như trên đã nêu) còn bị ảnh hưởng rất lớn của thông số môi trường trong buồng sấy Ví dụ, cùng một giá trị công suất cấp nhiệt của sấy tiếp xúc và sấy đối lưu, giấy có thể bị quá khô dễ bị cháy hoặc có thế bị quá ướt (hiện tượng mưa trong buồng sấy)

Đặc trưng cho thông số môi trường trong buồng sấy là nhiệt độ điểm sương (đảm bảo tốc độ bay hơi nước và khả năng ngưng tụ) và phân bố áp suất không khí trong buồng sấy cân bằng gió vào ra (Zero Level) Như vậy đối tượng buồng sấy là

hệ nhiều biến, có biến cần điều khiển chính là độ ẩm, có hai biến tác động (hơi và gió nóng)

Ngoài ra có hai biến phụ cần điều khiển quyết định tới khả năng bay hơi của nước trong giấy là nhiệt độ điểm sương và điểm áp suất không (Zero level) Vì vậy, điều khiển buồng sấy cần có bốn mạch vòng: Điều khiển độ ẩm, điều khiển nhiệt độ điểm sương, điều khiển điểm áp suất không (Zero Level) và điều khiển gia nhiệt gió nóng (Hình 1.4) Các mạch vòng này đều tác động xen kênh (trừ mạch vòng gia nhiệt gió nóng ít ảnh hưởng) Hệ điều khiển buồng sấy là hệ đa biến tác động xen kênh, tuy nhiên thực tế trong công nghiệp hiện nay người ta thiết kế là hệ điều khiển nhiều mạch vòng đơn biến, dẫn đến khó đảm bảo chất lượng và hao phí năng lượng lượng cao

Các công trình nghiên cứu, ứng dụng trước đây tập trung nghiên cứu quá trình sấy trực tiếp (sấy tiếp súc) là sự dụng nhiệt hơi bão hòa cấp cho lô, truyền nhiệt từ

lô sấy sang mặt băng giấy tiếp xúc với lô, điển hình là [1],[2],[3],[15],[16],[18],[23],[24], [25],[30],[31], [34],[35]

2

Trong những năm gần đây người ta dùng sấy đối lưu gió theo công nghệ mới,

có hệ điều khiển gió nóng kết hợp với điều khiển môi trường sấy đã tăng được hiệu quả sấy, tiết kiệm đến 40% lượng hơi bão hòa và tăng tốc độ xeo lên 1,2 lần [2],[3] Nghiên cứu sấy gió hiện nay đã được triển khai, nhưng các công trình nghiên cứu

về điều khiển chưa nhiều, chủ yếu sử dụng cấu trúc đơn biến, trong khi hệ là đa biến tác động xen kênh Việc chỉnh định hệ điều khiển bằng thực nghiệm nên khi thay đổi thông số vận hành hoặc có nhiễu tác động, hệ hoạt động không chính xác gây khó khăn cho vận hành và ảnh hưởng đến chất lượng giấy [3]

Từ những lý do trên, nên nội dung luận án NCS tập trung nghiên cứu điều khiển buồng sấy gió

Nghiên cứu động học và điều khiển buồng sấy dùng gió để có hiểu biết về điều khiển quá trình sấy Giúp cho việc thiết kế hệ thống sấy như lựa chọn các thiết

bị chấp hành, thiết bị đo và thiết kế điều khiển Định hướng cho việc chỉnh định hệ điều khiển

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu xây dựng động học và điều khiển đa biến cho buồng sấy giấy để nâng cao chất lượng điều khiển

3 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu: Hệ điều khiển buồng sấy trong dây chuyền xeo giấy

* Phạm vi nghiên cứu: Động học và thiết kế điều khiển phản hồi đầu ra cho hệ điều khiển đa biến buồng sấy giấy

* Phương pháp nghiên cứu:

- Khảo sát thực tế buồng sấy giấy tại Công ty giấy Bãi bằng

- Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến công nghệ sấy giấy

- Nghiên cứu các công trình công bố tới sấy giấy

- Xây dựng động học và điều khiển cho hệ sấy giấy

- Ứng dụng điều khiển MPC với thuật điều khiển tối ưu hóa từng đoạn cho buồng sấy giấy

- Mô hình hóa mô phỏng đánh giá chất lượng hệ điều khiển

4.2 Ý nghĩa thực tiễn:

- Phân tích được yêu cầu điều khiển hệ sấy trong buồng sấy, giúp người vận hành hiểu rõ tác dụng của các đại lượng điều khiển các đại lượng nhiễu cũng như tính xen kênh ảnh hưởng tới chất lượng sấy, từ đó chỉnh định tham số điều khiển để hệ ổn định

Chương 1: Trình bày tổng quan hệ sấy giấy trong dây chuyền xeo giấy Nội dung

chương này đi trình bày tóm tắt công nghệ sản xuất giấy, dây chuyền xeo giấy; Hệ điều khiển sấy dùng hơi; Các công trình nghiên cứu sấy gió đối lưu và các vấn đề nghiên cứu của luận án

Chương 2: Nghiên cứu động học và điều khiển của các mạch vòng sấy giấy:

Điều khiển độ ẩm, điều khiển cân bằng gió vào-ra và điều khiển nhiệt độ điểm sương

Chương 3: Nghiên cứu điều khiển đa biến cho hệ sấy giấy Thiết kế điều khiển

đa biến với ba đầu vào và ba đầu ra Thiết kế điều khiển đa biến với hai biến đầu vào, hai biến đầu ra và hai nhiễu chính

Chương 4: Thiết kế điều khiển dự báo cho hệ sấy giấy

4

Chương 1 ĐỘ ẨM CỦA GIẤY VÀ CÔNG NGHỆ SẤY

TRONG DÂY CHUYỀN XEO 1.1 Tóm tắt công nghệ sản xuất giấy

Trên Hình 1.1 trình bày tóm tắt các công đoạn công nghệ sản xuất giấy

[1],[2],[10],[11],[12]

Xử lý

NghiềnPhun bột

Ép ướt

Sấy

phẩmCắt cuộn

Cuốn

Hình 1.1 Sơ đồ các công đoạn sản xuất giấy

1.1.1 Công đoạn xử lý nguyên liệu

Hình 1.2 Bãi nguyên liệu

Nguyên liệu đầu vào chủ yếu là tre, nứa và gỗ Tre nứa được đưa từ bãi chứa vào băng chuyền và được rửa sạch trước khi đưa vào máy chặt Tại đây tre nứa được băm thành các mảnh nhỏ có kích thước theo tiêu chuẩn Các mảnh được đưa vào hệ thống

rửa và qua băng tải đến sân chứa mảnh

5

Gỗ được đưa đến bộ phận bóc vỏ bằng băng tải xích Gỗ sau khi đã bóc vỏ được rửa sạch rồi đi vào máy chặt mảnh Mảnh gỗ sau khi chặt có kích thước theo tiêu

chuẩn Mảnh gỗ được đưa qua sàng chọn và đưa ra sân chứa bằng băng tải

Mảnh tre nứa và gỗ được đưa vào nồi nấu bởi hệ thống thổi mảnh Tùy theo yêu

cầu đơn đặt hàng của khách mà có tỷ lệ tre nứa và gỗ khác nhau

1.1.2 Công đoạn nấu bột

Bột được sản xuất theo phương pháp sunphat có thu hồi hóa chất Nguyên liệu được nấu trong 3 nồi có hình trụ đứng Thời gian để hoàn thành một chu kỳ nấu khoảng 240 phút kể cả thời gian nạp mảnh Bột sau khi nấu xong được chuyển sang bể phóng Từ đây bột được chuyển qua máy đánh tơi và được đưa đến bộ phận rửa Năng suất nấu bột khoảng 150 tấn/ngày

1.1.3 Công đoạn rửa sàng

Sau khi được đánh tơi, bột được đưa tới 4 máy rửa lọc chân không Hệ thống rửa lọc chân không có cấu tạo lô hình trụ, được tạo chân không bởi sự chênh lệch áp suất Bên trong lô có hệ thống các đường ống dẫn nước Trên bề mặt lô được chia làm nhiều ngăn và có các ống dùng để dẫn dịch

Quy trình hoạt động của hệ thống rửa như sau: Lô rửa được quay tròn đều Trong quá trình quay, nước dùng để rửa bột sẽ theo các ống dẫn được đưa vào trong lô Do trên bề mặt của lô có các lỗ nên sẽ tạo ra sự chênh lệch áp suất ở bên trong lô và bên ngoài lô Do đó, tạo ra chân không ở bên trong lô Nhờ sự chênh lệch áp suất nên bột

sẽ bám dần trên bề mặt của lô Sau đó, dùng nước để rửa Sau khi rửa bột, bột sẽ rơi xuống hệ thống xoắn vít tải Từ đây, bột sẽ tới các bể chứa và từ các bể chứa này, bột

được đưa lên hệ thống rửa tiếp theo

Hệ thống bao gồm 4 máy rửa và bột được đưa từ máy thứ nhất đến máy thứ 4 Quá trình rửa ở các máy diễn ra như nhau Trong quá trình rửa, nước dùng để rửa sẽ

được dẫn từ máy rửa thứ 4 lần lượt quay trở lại máy thứ 3, 2 và 1 do nước còn sạch

Bột đen sau khi đã rửa sạch được đưa qua hệ thống sàng gồm 2 sàng áp lực, 1 sàng thu và 3 giai đoạn lọc cát Trong quá trình này, các mấu mắt tre, nứa hoặc bột sống sẽ được loại khỏi bột chín, dẫn xuống sàng cô đặc và xuống vít tải thải ra ngoài Bột chín được đưa tới các bể chứa và chuẩn bị cho công đoạn tẩy trắng

Sau khi được đánh tơi, bột được đưa tới 4 máy rửa lọc chân không Hệ thống rửa lọc chân không có cấu tạo lô hình trụ, được tạo chân không bởi sự chênh lệch áp suất

Lô có đường kính d = 3,5m có chiều dài là 4,5m Bên trong lô có hệ thống các đường

6

ống dẫn nước Trên bề mặt lô được chia làm nhiều ngăn và có các ống dùng để dẫn

dịch Trong các ngăn có các tấm sàng và các lỗ mắt sàng

1.1.4 Công đoạn tẩy trắng bột

Bột được Clo hóa bởi Cl2 Sau đó, bột được kiềm hóa để loại bỏ hợp chất màu Clorarlignin ra khỏi bột Sau khi kiềm hóa, bột được tẩy tiếp bởi Nacl để đạt độ trắng theo yêu cầu khoảng 74 - 78% Để bột có độ trắng đồng đều theo yêu cầu phải thực hiện quy trình tẩy trắng phức tạp, duy trì thích hợp các yếu tố nồng độ bột, mức tỉ lệ hóa chất tẩy, nhiệt độ, thời gian và độ pH Bột sau khi tẩy trắng được đưa vào bể chứa

để chuẩn bị cho quá trình nghiền bột

Sau khi nghiền, bột được pha trộn với các phụ gia như: cao lanh, nhựa thông, phèn và một số hóa chất khác tùy theo yêu cầu của sản phẩm Bột đã pha trộn phụ gia trong bể chứa sau đó được đưa qua hệ thống phụ trợ rồi đưa tới hòm phun bột bắt đầu

quá trình sản xuất giấy

1.1.5 Xeo giấy

Xeo giấy tạo ra giấy từ bột, qua các công đoạn như Hình 1.3

Trước khi vào máy xeo, bột giấy được đưa qua hệ thống nghiền côn để tăng diện tích tiếp xúc, tăng khả năng liên kết giữa các sớ sợi với nhau Sau khi nghiền, bột được pha trộn với các phụ gia khác nhau tùy theo yêu cầu của sản phẩm Bột đã pha trộn phụ gia trong bể chứa sau đó được đưa qua hệ thống phụ trợ: Sàng áp lực, lọc cát và các thành phần khác có ảnh hưởng đến tờ giấy rồi được đưa tới hòm phun bột, bắt đầu

quá trình sản xuất giấy

Hình 1.3 Sơ đồ sản xuất giấy

1.1.5.1 Hòm phun bột

Nhiệm vụ của hòm phun bột là phân phối một lưu lượng dung dịch có chứa bột

giấy (nồng độ khoảng 1%), (Hình 1.4) đồng đều trên lưới với tốc độ xeo trên toàn bộ

bề ngang của lưới và giữ cho dòng bột không bị xáo trộn để chống chảy xoáy làm phá

vỡ sự vón cục của dòng bột đã hình thành

7

Hình 1.4 Cấu tạo hòm phun bột

1.1.5.2 Bộ phận lưới

Lưới có nhiệm vụ nhận bột từ hòm phun, hình thành lớp giấy trên mặt lưới, nhờ

bơm hút chân không nước được thoát ra Giấy được hình thành và bắt sang khâu ép

1.1.6 Bộ phận ép

Nhiệm vụ chính của bộ phận ép là tách nước ra khỏi giấy, tăng độ bền và độ nhẵn

của băng giấy; đồng thời bộ phận ép còn có nhiệm vụ dẫn băng giấy đến bộ phận sấy

Băng giấy ướt được chuyển trực tiếp từ lưới tới trục ép hút chân không được bọc chăn của tổ ép 1 Chức năng quan trọng của lưới ép là chống tạo vết trên băng giấy Từ

tổ ép 1, băng giấy được chuyển tới bộ phận ép lưới ở tổ ép 2 Tổ ép 2 gồm lưới nhựa giữa chăn ép và trục ép phía dưới nhằm giảm áp suất thủy tĩnh trong tuyến ép Từ chăn

ép 2, băng giấy được chuyển tới tổ ép 3 qua một khoảng kéo hở Tổ ép này không có

chăn nên không có nhiệm vụ tách nước mà chỉ làm cho băng giấy nhẵn và phẳng hơn

1.1.7 Bộ phận sấy và ép nóng

Khi băng giấy rời bộ phận ép ướt có độ ẩm khoảng 50% và nhiệt độ từ 25-300C Trong bộ phận sấy lượng nước còn lại được tách ra bằng phương pháp bay hơi Sấy là quá trình sử dụng nhiệt năng của hơi nước bão hòa trong lòng lô sấy để cấp nhiệt cho giấy kết hợp với gió nóng thổi vào buồng sấy làm bay hơi nước có trong băng giấy Sau quá trình sấy trước, băng giấy được đưa qua bộ phận ép keo Chức năng của khâu ép keo là phủ lớp keo lên bề mặt giấy, tăng độ bóng, độ dai, bịt các lỗ trên bề mặt

băng giấy Sau khâu ép keo, băng giấy đi tới hệ thống sấy sau

1.1.8 Bộ phận ép quang

Bộ phận ép quang gồm hai lô quay tiếp xúc với nhau Máy ép quang sẽ đảm bảo

độ đồng đều, độ nhẵn bóng bề mặt làm tăng độ bền kéo, độ chịu bục và thấm khí của

tờ giấy

8

Hình 1.5 Bộ phận ép quang

1.1.9 Bộ phận cuốn và cắt cuộn

Hình 1.6 Khổ giấy được cuốn trên các trục thép

Băng giấy hình thành sau ép quang được cuộn lại vào lô cuốn kim loại Hình 1.6

Các cuộn giấy được chuyển sang bộ phận máy cuộn và cắt thành những cuộn giấy thành phẩm có khổ khác nhau tùy theo đơn đặt hàng

1.1.10 Giấy thành phẩm

Từ các cuộn giấy lớn, giấy được chuyển sang phân xưởng hoàn thành để gia công thành các sản phẩm theo đặt hàng: Giấy khổ A3, giấy RAM A4, vở học sinh…

1.1.11 Các chỉ tiêu chất lượng của giấy thành phẩm

Bảng 1-1 Các chỉ tiêu chất lượng của giấy thành phẩm

pháp thử

Định Định lượng g/m2 52; 55; 58; 60; 70; 80 TCVN1270

1.2 Vấn đề độ ẩm của giấy và quá trình sấy trong dây chuyền xeo

1.2.1 Giới thiệu chung

Độ ẩm của giấy là tỷ số giữa khối lượng nước chứa trong giấy và khối lượng giấy tính theo % Quá trình sấy giấy là tách thành phần nước trong giấy, tức là cần cung cấp cho giấy một lượng nhiệt để nước trong giấy bay hơi vào không khí, đồng thời môi trường của buồng sấy phải đảm bảo thuận lợi cho quá trình bay hơi Để sấy giấy ta dùng nhiệt của hơi bão hòa, cấp vào trong lô sấy, mặt lô sấy nhận nhiệt từ hơi bão hòa

truyền sang mặt giấy, người ta gọi là sấy tiếp xúc (hay gọi tắt là sấy hơi) Đồng thời,

khi băng giấy chuyển động trong buồng sấy ta dùng gió nóng khô thổi vào tạo nên quá

trình bay hơi dễ dàng hơn, người ta gọi đó là sấy gió đối lưu (gọi tắt là sấy gió) Hệ thống sấy được chia làm ba buồng Quá trình này được mô tả theo Hình 1.7

10

Hình 1.7 Quá trình sấy giấy

Hệ thống sấy có hai cơ chế sấy cùng tác động để đảm bảo độ ẩm: Sấy dùng hơi bão hòa cấp cho lô sấy truyền nhiệt lên mặt giấy (sấy áp suất hơi); Sấy dùng gió thông qua gió nóng thổi vào mặt giấy (sấy đối lưu), [2], [4],[13],[14],[15]

Hình 1.8 Phân bố các nhóm sấy trên dây chuyền xeo giấy

Nhiệm vụ chính của phân xưởng sấy giấy là sấy khô giấy hay nói cách khác là thay đổi độ ẩm của giấy Độ ẩm của giấy là một thông số quan trọng, quyết định chất lượng của sản phẩm giấy Mặt khác, nếu độ ẩm không được điều khiển một cách hợp

lý, giấy sẽ bị đứt làm quá trình sản xuất bị ngắt quãng, gây ảnh hưởng đến năng suất Giá trị độ ẩm của giấy được điều chỉnh trong khâu sấy giấy Tính từ đầu xeo đến cuối xeo thì độ ẩm của giấy giảm dần Sau công đoạn hình thành tờ giấy, độ ẩm còn khoảng 80% Tiếp đó tờ giấy đi qua công đoạn ép ướt, độ ẩm đạt khoảng 60% Từ đây,

tờ giấy được đưa vào hệ thống sấy Thông qua quá trình sấy, tờ giấy đạt được độ ẩm

ổn định khoảng 5 – 7% Sau đó, tờ giấy được đưa tới các công đoạn cuối cùng để tạo

ra giấy thành phẩm Vì vậy, công đoạn sấy đóng vai trò quan trọng nhất, quyết định đến độ ẩm của tờ giấy

Nguyên lý cơ bản của quá trình sấy giấy là quá trình loại nước khỏi bột bằng việc

ép, gia nhiệt Tại phần đầu dây chuyền xeo, sau khi bột được phun lên lưới hình thành

11

bởi hệ thống vòi phun thì độ ẩm tới 99%, trong khi ở cuối dây chuyền độ ẩm của giấy chỉ còn lại khoảng 5 – 7% trọng lượng của băng giấy Như vậy có ba khâu chính trong quá trình sản xuất giấy ở phân xưởng xeo: Khâu phun bột lên lưới để hình thành tờ giấy với độ ẩm 80%, khâu ép ướt với độ ẩm khi ra khỏi khâu này là 50 – 60% và khâu sấy giấy Sau khi ra khỏi khâu sấy, nước được loại bỏ từ độ ẩm 50% xuống khoảng 5-

7% Hình 1.8 Sau đó, giấy thành phẩm được đưa tới ép quang và cắt cuộn

Hình 1.9 Đường đo của máy Scanner

Trong quá trình sản xuất, độ ẩm của giấy được đo và giám sát online [2], Hình 1.9 Các sản phẩm sẽ được loại bỏ nếu vượt quá các giới hạn xác định Độ ẩm của

cuộn giấy có giá trị ổn định và đồng đều sẽ đảm bảo tỉ lệ phế phẩm ít và đạt năng suất cao

Hệ thống điều khiển chất lượng (QCS) được chia ra thành hai phần: Hệ điều khiển dọc máy MD và hệ điều khiển ngang máy CD Trên thực tế, để đo các tín hiệu phục vụ cho điều khiển MD và CD, ta dùng các cảm biến đơn gắn trên thiết bị đo (scaner platform) Mục đích của việc đo lường này là nhằm điều khiển các thông số Ngày nay, để điều khiển sự thay đổi độ ẩm dọc theo dây chuyền, ta sử dụng áp suất hơi sấy

Hình 1.10 Hệ sấy sử dụng một máy Scanner

12

Cấu hình như trên thường dùng một máy Scanner để phản hồi tín hiệu đầu ra Ngoài ra với các máy có chất lượng điều khiển cao bố trí tới hai máy Scanner để đảm bảo chất lượng điều khiển (một máy đặt giữa các nhóm lô một máy đặt ở cuối quá trình sấy)

Trong sản xuất, độ ẩm của giấy thường đạt từ 5 – 7% Ở độ ẩm này, theo góc độ

kỹ thuật, tờ giấy sẽ đạt tiêu chuẩn để đảm bảo khi in, khi viết không bị nhòe hay loang mực Mặt khác, liên kết bề mặt của tờ giấy sẽ đảm bảo được độ bền và dai thích hợp Nếu độ khô lớn hơn hoặc nhỏ hơn thì tờ giấy dễ đứt Xét về mặt kinh tế thì khi hệ thống làm việc ổn định, có thể nâng độ ẩm của tờ giấy lên tới giá trị mong muốn Việc này mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn thể hiện qua hai khía cạnh: Thứ nhất trong trường hợp sản phẩm được bán theo khối lượng, việc tăng độ ẩm đồng nghĩa với việc nhà máy bán được nhiều sản phẩm hơn Thứ hai là việc tăng độ ẩm sẽ tiết kiệm được năng lượng hơi cung cấp cho quá trình sấy giấy

1.2.3 Cấu hình khâu sấy

Khâu sấy là một buồng sấy dài cỡ hàng chục đến hàng trăm mét tùy thuộc vào công suất yêu cầu của máy xeo giấy Trong buồng sấy giấy chứa các lô sấy được sắp xếp xen kẽ nhau, chia thành hai tầng: lô trên và lô dưới Các lô sấy được phân thành các nhóm sấy khác nhau tùy thuộc vào áp suất hơi đưa vào lô sấy trong quá trình làm việc

Khi hơi được đưa vào lô sấy, hơi truyền nhiệt năng tới thành lô để sấy giấy; đồng thời chuyển thành nước ngưng bám trên bề mặt trong của lô Nước ngưng sau đó được thu hồi bởi các ống dẫn và đưa trở về nồi hơi Việc thu hồi nước ngưng hiệu quả có vai trò quan trọng trong quá trình truyền nhiệt của lô sấy Vì vậy, một phần hơi quá nhiệt

đi qua các ống dẫn cùng với nước ngưng để tăng hiệu suất truyền nhiệt cũng như tăng hiệu quả đẩy nước ngưng, khí ra khỏi các lô sấy

Để hỗ trợ và đẩy tấm giấy di chuyển qua khu vực sấy, người ta sử dụng các cơ cấu làm khô để ép băng giấy vào bề mặt lô sấy làm tăng hiệu quả truyền nhiệt Cơ cấu này được dệt bằng các sợi tổng hợp và không hấp thụ nước (còn được gọi là bạt tổng hợp)

1.3 Sấy hơi và hệ điều khiển sấy hơi

1.3.1 Cấu tạo lô sấy

Tờ giấy được lưới sấy ép sát vào thành lô sấy, khi lưới sấy tiếp xúc với tờ giấy, lượng ẩm chuyển qua chăn một phần là nước phần còn lại là hơi bởi vì sự chênh lệch

13

áp suất hơi giữa lưới và giấy Lưới sấy có nhiệt độ thấp hơn tờ giấy vì vậy nhiệt ngưng

tụ của hơi sấy tăng lên, làm nhiệt độ lưới tăng lên và một lượng hơi sẽ phân tán trực tiếp qua lưới Lưới sấy được ép sát vào lô sấy nhờ lô căng Trong quá trình sấy, một

phần nước được chuyển qua lưới, một phần thoát ra ở khoảng cách giữa các lô Hình 1.12

Hình 1.11 Cấu tạo lô sấy giấy

Hình 1.12 Cấu trúc vỏ lô sấy

1.3.2 Nguyên lý điều khiển công suất sấy

Trong dây chuyền xeo, hệ thống sấy, người ta chia ra các nhóm lô sấy để cấp hơi Khi thiết kế, theo cân bằng năng lượng người ta tính toán được công suất nhiệt sấy cần cấp cho lô:

s s s

Trong đó: Q (kW): công suất nhiệt cấp cho lô,

Ws (kg/s): lưu lượng hơi, cấp cho lô,

14

Cps (kJ/kg.K): nhiệt dung riêng của hơi, cấp cho lô,

Ts (K): nhiệt độ hơi cấp cho lô

Công suất nhiệt sấy được điều chỉnh bởi thông số lưu lượng hơi, thông qua điều chỉnh độ mở của van [4], ta có:

Cv là độ dẫn cực đại của van,

m% độ mở của van điều chỉnh,

∆P = PN- PL là chênh áp giữa áp suất tổng PN và áp suất đầu vào lô PL được điều khiển giữ không đổi theo lượng đặt

Hình 1.13 Cấu trúc điều khiển độ ẩm cho các nhốm lô sấy

Giả thiết áp suất hơi tổng PN, nhiệt dung riêng và nhiệt độ hơi cấp cho lô là không đổi Điều chỉnh công suất sấy hơi bằng điều khiển lưu lượng thông qua mạch vòng điều khiển chênh áp ∆P, có cơ cấu chấp hành là Van Khi lượng đặt chênh áp

nhỏ, lưu lượng lớn tức là công suất sấy lớn và ngược lại Hình 1.14

Trên Hình 1.13 là cấu trúc điều khiển công suất sấy hơi Ứng với từng nhóm lô

ta đặt chênh áp tương ứng với giá trị đặt độ ẩm theo thứ tự các nhóm lô theo quan hệ hàm f(x) [2] (là quan hệ giữa độ ẩm và chênh áp được tính theo công thức):

Trên Hình 1.14 biểu diễn lượng đặt chênh áp theo các nhóm lô Khi giấy vào

đoạn đầu của buồng sấy, giấy có độ ẩm lớn, cần lưu lượng hơi vào lô nhiều nhất, hay chênh áp giữa đường áp suất tổng với áp suất trong lô là nhỏ nhất Cuối buồng sấy, độ

ẩm của giấy giảm, chênh áp lớn, giảm lưu lượng hơi cấp vào lô, công suất nhỏ

Hình 1.14 Chênh áp đặt cho các nhóm lô sấy

1.4 Sấy đối lưu và điều khiển gió trong buồng sấy

Quá trình sấy trong dây chuyền xeo được thực hiện trong hai buồng sấy: Buồng thứ nhất sau ép ướt độ ẩm vào buồng 50%, đầu ra có độ ẩm 5 - 7%, giấy chạy tiếp đến

ép keo và vào buồng sấy thứ hai có độ ẩm khoảng 20% ra buồng sấy 5%, đến ép quang

được cuộn thành lô sản phẩm giấy

1.4.1 Phương pháp sấy đối lưu truyền thống [1]

Trên Hình 1.15 mô tả nguyên lý buồng sấy trong đó sấy đối lưu dùng gió Không

khí khô được trộn với một phần gió thu hồi từ đầu ra của buồng để tận dụng nhiệt thải tái sử dụng nhiệt lấy từ đầu ra buồng sấy Với tác dụng của gió kết hợp với nhiệt sấy cấp từ lô, nước trong giấy sẽ bốc hơi nhanh hơn

Không khí khô, nóng

Không khí cấp cho buồng sấy

Hình 1.15 Nguyên lý buồng sấy đối lưu dùng gió

Nhược điểm của phương pháp này là tăng độ ẩm không khí sấy, làm tăng nhiệt

độ điểm sương trong buồng, hạn chế quá trình bay hơi; điều này đẫn đến tăng lượng hơi tiêu thụ, hay nói cách khác, phương pháp này không kiểm soát được môi trường sấy

1.4.2 Phương pháp sấy đối lưu kết hợp thổi gió nóng lên mặt giấy

1.4.2.1 Vị trí đặt các vòi phun gió:

Hình 1.16 Vị trí của vòi phun không khí

Để khắc phục nhược điểm của phương pháp sấy gió trước đây (phân tích như trên) [2],[17],[18] Người ta áp dụng phương pháp sấy đối lưu kết hợp với thổi gió

nóng trực tiếp vào mặt giấy, như Hình 1.16

Hình 1.17 Các mạch vòng điều khiển của hệ thống sấy gió theo phương pháp mới

Điều khiển nhiệt độ gió nóng, khô cấp cho buồng sấy: Gió lấy từ khí trời lưu lượng Wa1 được gia nhiệt một phần từ không khí thải qua bộ HRU (thu hồi nhiệt), sau

đó gió được đưa sang thiết bị trao đổi nhiệt HEU gia nhiệt bằng hơi bão hòa, điều khiển nhiệt độ gió sấy thông qua van điều khiển lưu lượng hơi Gió nóng, khô được

thổi vào hai mặt giấy bằng vòi phun Hình 1.17 [18],[35],[36]

Điều khiển cân bằng khối lượng ZL (Zero Level): Để đảm bảo cân bằng khối lượng gió vào và ra, hạn chế khí giả (gió lạnh) lọt vào buồng sấy từ ngoài ZL tạo nên phân bố áp suất khoảng nằm giữa hai lô (lô trên và lô dưới) Mạch vòng điều khiển ZL dùng đại lượng tác động là lưu lượng gió vào Wa1

Điều khiển môi trường sấy thông qua nhiệt độ điểm sương Khi nhiệt độ môi trường càng lớn hơn nhiệt độ điểm sương, thì áp suất thành phần của hơi nước tăng lên

và nước có thể bay hơi từ giấy càng nhiều vào không khí Nhiệt độ điểm sương phụ thuộc nhiều vào độ ẩm và nhiệt độ không khí trong buồng sấy, khi nước trong giấy bay hơi càng nhiều thì nhiệt độ điểm sương càng tăng, điều khiển nhiệt độ điểm sương thông qua điều chỉnh lưu lượng gió ra Wa2, giữ nhiệt độ điểm sương khoảng thấp hơn nhiệt độ trung bình trong buồng 15 – 200C

18

1.4.3 Cơ chế sấy

Quá trình sấy được mô tả thành 4 giai đoạn Hình 1.18: [13],[14]

Hình 1.18 Cơ chế sấy cho một lô

(2) Giấy được truyền nhiệt từ lô, nhưng lại được chăn (felt) bao nên nước gần như không bay hơi Giai đoạn này là giai đoạn giấy được gia nhiệt đến nhiệt độ cao hơn, nhiệt độ của giấy lúc này sẽ tăng cao nhất do không có thất thoát nhiệt

(1) và (3) Giấy ra khỏi lô có mặt thoáng nên bốc hơi, một lượng hơi nước nhỏ đi

ra ngoài không khí, nhiệt độ bắt đầu giảm, độ ẩm cũng theo đó giảm theo

(4) Sấy đối lưu: tốc độ bay hơi của giấy lớn nhất, do diện tích của bề mặt giấy tiếp xúc với không khí là lớn nhất

1.4.4 Động học chung quá trình sấy gió

Để mô tả độ ẩm trong giấy, cần viết các phương trình cân bằng khối lượng và cân bằng năng lượng cho băng giấy đi qua mặt lô

1.4.4.1 Cân bằng khối lượng tổng quát

Xét băng giấy đi qua mặt lô trên Hình 1.19, ta có phương trình cân bằng khối

lượng của độ ẩm trong băng giấy (1.4): [16],[19],[20]:

Hình 1.19 Cân bằng khối lượng độ ẩm trên băng giấy

: Độ ẩm tỷ lệ của giấy (kg nước/kg giấy) vào và ra;

wp (kg/s): Lưu lượng giấy chạy qua buồng sấy;

mp (kg): Khối lượng giấy;

wbh (kg/s): Lưu lượng nước bay hơi từ giấy vào không khí;

g (g/m2): Định lượng chuẩn của giấy;

K (m/s): Hệ số chuyển đổi khối;

Mw (kg /mol): Trọng lượng phân tử nước;

ptot (pa): Áp suất tổng;

pv,a (pa): Áp suất thành phần hơi nước trong không khí;

pv,p (pa): Áp suất thành phần của hơi nước trên bề mặt giấy;

Rg (J/mol·K) Hằng số khí;

Tp (K): Nhiệt độ giấy

Các thành phần áp suất pv,a được xác định từ độ ẩm của không khí,

x: Biến tỷ lệ (kg khí ẩm/ kg khí khô)

1690 10.127-

T -43.15 v0

1.4.4.2 Cân bằng năng lượng tổng quát

Cân bằng năng lượng tổng quát [19],[21] của băng giấy được mô tả như trên

Hình 1.20

Hình 1.20 Cân bằng năng lượng tổng quát của băng giấy

Phương trình cân bằng năng lượng của băng giấy khi đi qua mặt lô, (1.11)

m  (kg): Khối lượng giấy có độ ẩm lúc ra;

, (K): Nhiệt độ bề mặt giấy lúc vào và ra buồng sấy;

(kJ/kg K): Nhiệt dung riêng quy đổi của giấy;

Nhiệt dung riêng quy đổi của giấy được xác định (1.15):

p,f p,w p

Tương tự với các những vấn đề đã nêu về sự cân bằng khối lượng, nếu băng giấy

đủ ẩm thì năng lượng này tương đương với nhiệt ẩn của sự bốc hơi nước tự do Nhiệt năng hấp thụ bắt nguồn từ các đường đẳng nhiệt hấp thụ bởi lý thuyết nhiệt động học [23],[25] và mối quan hệ này được gọi là quy luật Clausius-Clapeyron (1.16):

 

 

g s

22

1.4.4.3 Nhận xét:

Quá trình bay hơi của nước từ giấy phụ thuộc vào các yếu tố: Thông số vận hành, kích thước băng giấy, công suất nhiệt cấp cho giấy Qp, nhiệt độ của giấy và hệ số chuyển khối (K chính là hệ số tốc độ bay hơi) Hệ số tốc độ bay hơi phụ thuộc vào môi trường sấy tức là phụ thuộc vào hệ điều không trong buồng sấy Điều này cho thấy môi trường trong buồng sấy có vai trò rất lớn trong hệ thống sấy giấy Như vậy hệ thống sấy gồm hai hệ lớn: Điều khiển công suất hơi cấp cho lô và hệ điều khiển môi trường sấy (hệ điều không trong buồng sấy thường gọi là sấy đối lưu)

1.5 Các công trình nghiên cứu về hệ điều khiển sấy giấy

1.5.1 Các công trình liên quan tới công nghệ sấy giấy

Hệ điều khiển sấy giấy được thiết kế dựa trên nền tảng công nghệ và thiết bị công nghệ sấy giấy Có rất nhiều công trình đã nghiên cứu về công nghệ sấy giấy, được tập hợp trong tài liệu sổ tay tra cứu và các tài liệu kỹ thuật [1],[2],[3],[10],[11],[12],[13], trong đó đã nghiên cứu quá trình bay hơi và ngưng tụ khi sấy giấy - quá trình truyền nhiệt khi sấy hơi, Cơ chế sấy giấy, thiết bị sấy giấy, thông số quá trình sấy Để đảm bảo cơ lý tính của tờ giấy khi sấy các công trình [16],[24],[26],[29] nghiên cứu quá trình vật lý bay hơi của nước trong các sợi của giấy thoát ra ngoài mặt giấy, kết cấu sợi giấy trước và sau khi sấy, yêu cầu cấp nhiệt khi sấy…Các tài liệu này giúp người thiết

kế điều khiển xây dựng động học quá trình sấy cũng như thiết kế điều khiển hệ sấy giấy

1.5.2 Các công trình liên quan tới điều khiển quá trình sấy

Để phục vụ thiết kế điều khiển có các công trình nghiên cứu xây dựng động học quá trình sấy Điển hình ở các tài liệu [18],[19],[20],[21],[22],[23],[24],[25],[26],[27], [28],[29] Trong đó:

- Động học đầy đủ quá trình truyền nhiệt từ hơi đến lô sấy

- Xây dựng hàm truyền đạt độ ẩm giấy và áp suất hơi dạng IPZ

- Động học quá trình của tấm giấy qua mặt lô sấy thể hiện ở hai phương trình cơ bản cân bằng khối lượng và cân bằng năng lượng [16],[19],[20],[21],[22],[26],[28], [29], dẫn ra từ các biểu thức (1.4) đến (1.14)

Về điều khiển hệ sấy giấy có trong các công trình [2],[3],[35],[36],[37],[38], [39],[40],[41],[42], trong đó đề cập và giải quyết các vấn đề

- Thiết kế điều khiển hơi cho một lô sấy dùng hệ điều khiển phản hồi PID và Feed- forward.[15],[16],[19],[29],[30]

23

- Thiết kế điều khiển gió cho buồng sấy giấy [3],[17],[18],[27],[35],[36]

- Thiết kế điều khiển dự báo cho một nhóm lô với đề xuất thuật điều khiển khoảng giữa Mid-Ranging Controller – MPC [19],[37],[42]

Các vấn đề điều khiển trong buồng (sấy đối lưu) có các công trình nghiên cứu về quá trình bay hơi từ gió và ảnh hưởng của môi trường sấy đến độ ẩm [17],[18],[25], [27], các công trình ở dạng tài liệu thiết kế [3],[35],[36] Trong thời gian gần đây do giá năng lượng tăng cao các hãng đã quan tâm thiết kế hệ điều khiển sấy đối lưu với mục đích tiết kiệm năng lượng (Điển hình hãng FORBES MARSHALL đã lắp đặt đây chuyền sấy cho Giấy Bãi bằng 2013) có các tài liệu kỹ thuật vận hành Hệ điều khiển gió cho buồng sấy được thiết kế là hệ điều khiển phản hồi PID nhiều mạch vòng độc lập

1.6 Vấn đề cần nghiên cứu của luận án

Hệ điều khiển sấy gió đã được áp dụng trong sản xuất, tuy nhiên chưa có nghiên cứu đầy đủ về động học quá trình gió trong buồng sấy Hệ điều khiển sấy gió đang sử dụng thiết kế phản hồi PID đơn biến riêng cho từng mạch vòng độc lập, chưa xét tính xen kênh Vì vậy hệ điều khiển khó chỉnh định và chất lượng chưa đảm bảo Từ lý do

đó, luận án đặt vấn đề nghiên cứu các vấn đề sau:

1/ Xây dựng động học quá trình sấy giấy khi có hai đại lượng tác động của hơi và gió trong buồng sấy có nhiều lô của dây chuyền xeo

2/ Nghiên cứu động học quá trình gió và ảnh hưởng môi trường buồng sấy đến khả năng bay hơi nước từ giấy

3/ Nghiên cứu đặc tính xen kênh của hệ điều khiển quá trình sấy gió kết hợp với sấy hơi khi xét đầy đủ các yếu tố môi trường trong buồng sấy khi sử dụng hệ điều khiển phản hồi đơn biến theo mô hình hệ điều khiển buồng trong thực tế 4/ Thiết kế điều khiển đa biến cho buồng sấy giấy sử dụng thuật điều khiển FeedForward để tách kênh

5/ Ứng dụng điều khiển MPC cho hệ điều khiển buồng sấy

24

Chương 2 ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN

QUÁ TRÌNH SẤY GIẤY

Trong Chương 1 đã nêu công nghệ sấy giấy có hai hệ: Hệ sấy hơi và hệ sấy gió Trong chương 2 sẽ đi tập trung phân tích quá trình động học và điều khiển của hệ sấy gió với giả thiết hệ sấy hơi đã hoàn chỉnh Cấu trúc điều khiển buồng sấy được trình

bày trên Hình 1.17 [3], có ba mạch vòng điều khiển (gia nhiệt gió nóng, cân bằng gió

vào – ra và nhiệt độ điểm sương) kết hợp với mạch vòng điều khiển độ ẩm ta có hệ điều khiển sấy gồm bốn mạch vòng chính Mạch vòng điều khiển gió nóng tương đối độc lập, vì vậy giả thiết gió nóng cấp cho buồng sấy là ổn định Nội dung chương này

sẽ tập trung nghiên cứu động học cho từng mạch vòng điều khiển: Độ ẩm, cân bằng gió vào - ra và nhiệt độ điểm sương; Nghiên cứu điều khiển cho 3 mạch vòng độc lập, coi tác động xen kênh là nhiễu tác động

2.1 Động học quá trình sấy và điều khiển độ ẩm trong dây chuyền xeo giấy

2.1.1 Cơ chế sấy [13],[14]

1

2 3

4

Vòi phun Không khí

Hình 2.1 Quá trình sấy cho một lô

Quá trình sấy cho một lô gồm 4 giai đoạn như Hình 2.1:

Giai đoạn (2): Giấy được truyền nhiệt từ mặt lô, nhưng lại được chăn (felt) bao, nước trong giấy không có mặt thoáng nên gần như không bay hơi Giai đoạn này là giai đoạn giấy được gia nhiệt đến nhiệt độ cao từ mặt lô (nhiệt năng của hơi cấp cho lô), nhiệt độ của giấy lúc này sẽ tăng cao nhất vì chăn có tác dụng lớn trong việc giữ nhiệt để truyền đến giấy

25

Giai đoạn (1 và 3): Giấy ra khỏi chăn phủ có mặt thoáng nên nước trong giấy bắt đầu bay hơi vào không khí trong buồng, nhiệt độ bắt đầu giảm, độ ẩm cũng theo đó giảm theo

Giai đoạn (4): Giấy được sấy từ gió: giấy được truyền nhiệt thêm từ gió nóng thổi với tốc độ gió không đổi kết hợp với nhiệt đã nhận từ lô, nước trong giấy sẽ bay hơi nhiều Tuy nhiên, trong giai đoạn này quá trình bay hơi của nước còn phụ thuộc vào môi trường và phân bố áp suất trong buồng sấy Nhiệt độ của giấy giảm, độ ẩm của giấy cũng giảm nhanh

2.1.2 Động học quá trình sấy cho một lô

Để xây dựng động học quá trình sấy cho một lô sấy, ta dựa trên phương trình động học tổng quát cho băng giấy chạy qua một lô, với cơ chế sấy 4 giai đoạn cho một

lô mục (2.1.1) Ta sẽ đi xây dựng động học quá trình sấy cho từng đoạn và kết hợp ta được động học cho quá trình sây một lô

2.1.2.1 Phương trình động học cho đoạn (2)

Đặc điểm giấy được truyền nhiệt từ lô với công suất:[5],[16],[19]

2 1

Trong đó:

 η: là hiệu suất truyền nhiệt từ lô vào giấy;

 KT1(kW/m2K):là hệ số truyền nhiệt từ lô vào giấy;

 A1(m2): là diện tích truyền nhiệt từ lô vào giấy;

2.1.2.2 Phương trình động học cho đoạn (1&3)

Đặc điểm giấy được truyền nhiệt từ lô nhưng không bị chăn phủ nên có bốc hơi, nhưng giấy vẫn nhận nhiệt từ lô sấy với công suất (2.1) ta có phương trình như (2.3):

Trong đó:

26

Wbh1: là lưu lượng hơi nước bay vào không khí

Hb1: là nhiệt tiêu thụ khi bay hơi nước trong giấy ở đoạn (1&3)

2.1.2.3 Phương trình động học cho đoạn (4)

Đặc điểm giấy ra khỏi lô không được nhận nhiệt từ lô mà nhận nhiệt từ gió [4],[5],[17],[18], lúc đó ta có phương trình như (2.4):

2 2

Trong đó:

TG (K): là nhiệt độ của gió;

KT2(kW/m2K ): là hệ số truyền nhiệt từ gió vào giấy;

A2(m2): là diện tích truyền nhiệt đoạn (4);

Wbh2,WHb2: là lưu lượng bốc hơi và nhiệt bốc hơi do gió

Thay (2.4) vào phương trình (1.14), giải ra ta được (2.5)

γ

+

Hình 2.2 Mạch vòng điều khiển độ ẩm giấy

Cấu trúc điều khiển mạch vòng điều khiển độ ẩm Hình 2.2, đại lượng cần điều

khiển là độ ẩm giấy, đại lượng điều khiển chính là lưu lượng hơi cấp cho lô thông qua lượng điều khiển ápsuất hơi ∆P* (biến thiên áp suất rơi trên lô) tác động lên quá trình chính Gp1, lượng điều khiển thứ hai là lượng gió nóng ∆Wa1* (biến thiên lưu lượng gió nóng cấp cho buồng sấy) tác động lên quá trình Gp2 Nhiễu đầu vào là biến thiên độ ẩm đầu vào ∆γ1 (do ép keo) tác động lên GD1 và đại lượng xen kênh nhiệt độ điểm sương

∆Td, do ảnh hưởng tốc độ bay hơi K trong biểu thức (1.7) tác động thông qua GTdγ

27

[25]. Bộ điều khiển Gc1 là bộ điều khiển PID Như vậy, mạch vòng điều khiển độ ẩm

có hai lượng tác động (hơi và gió nóng) hai đại lượng nhiễu chính là γ1 (nhiễu đầu vào)

và nhiễu tác động xen kênh Td (gây ra do ảnh hưởng môi trường sấy)

2.2 Động học quá trình cân bằng gió vào – ra (Zero level)

Điều khiển cân bằng gió để đảm bảo gió nóng cấp tập trung vào bề mặt giấy, hạn chế không khí lạnh lọt vào vùng sấy là ít nhất, hiệu quả sấy gió sẽ cao [3],[35],[36]

Để đảm bảo mức cân bằng, người ta xác định lớp mặt phẳng có áp suất bằng áp suất khí quyển gọi là NP – Neutral Pressure, tạo nên màng ngăn gió lạnh Chênh áp của NP với áp suất khí quyển bằng không, nên thường gọi điều khiển cân bằng gió là điều khiển Zero Level

Zero Level là một khái niệm được dùng trong công nghệ sấy giấy để thể hiện sự cân bằng gió vào - ra Cân bằng được gió vào - ra, chúng ta có thể tiết kiệm được đáng

kể năng lượng khi sấy gió, đồng thời, ta có thể điều khiển các thông số khác của không khí trong buồng sấy

2.2.1 Mô hình xác định điểm không áp suất cho buồng sấy

2.2.1.1 Định nghĩa áp suất không trong buồng sấy (Zero level)

Để giải thích điểm áp suất không trong buồng sấy, ta xét sự lưu thông không khí trong buồng kín có không gian cố định Trong đó: F1 là lưu lượng không khí thổi vào buồng, F2 là lưu lượng không khí thoát ra.[31],[32]

Hình 2.3 Áp suất không trong buồng

Lúc này trong buồng sẽ hình thành một mặt phẳng mà tại đó có áp suất không (NP) bằng áp suất khí quyển (1atm) Phía trên NP ta có áp suất lớn hơn áp suất khí quyển (chênh áp dương) Phía dưới NP ta có áp suất thấp hơn áp suất khí quyển (chênh

áp âm) Mặt phẳng này cách nền một khoảng là h1 và cách trần nhà một khoảng là h2

Độ cao h1 và h2 phụ thuộc vào lưu lượng không khí thổi vào F1 và lưu lượng không khí hút ra F2 Khi cân bằng, h1 và h2 phụ thuộc vào lưu lượng không khí vào F1 (2.6) và không khí ra F2, theo (2.6)

Khi F1 hoặc F2 thay đổi NP sẽ biến động (Hình 2.3)

2.2.1.2 Đặc tính gián đoạn nhiệt độ của Zero Level [32],[33]

Nếu nhiệt độ bên trong buồng sấy cao hơn nhiệt độ môi trường ngoài buồng sấy,

ở vùng áp suất âm gần với NP sẽ tồn tại một lớp nhiệt độ tăng đột biến, trên Hình 2.4

biểu diễn đặc tính áp suất là hàm của chiều cao và nhiệt độ Phương trình (2.7) mô tả

đặc tính chung, trong đó y là biến chiều cao, T là nhiệt độ buồng sấy, T0 nhiệt độ môi trường ngoài buồng sấy Phương trình (2.8), mô tả đặc tính tại lớp đột biến nhiệt độ

Vùng gián đoạn nhiệt độ

+ -

Hình 2.4 Đặc tính của điểm không áp suất

 

T 0

ΔP = ρ g 1- y- N

(2.8)Trong một số tài liệu, người ta gọi lớp N-D là NPP (Neutral Pressure Plane)

2.2.2 Động học quá trình cân bằng gió vào-ra

Trên Hình 2.5 mô tả mô hình buồng sấy, trong đó có quạt cấp gió nóng và quạt

hút khí thải, do phía trên và dưới hai lô là các lô chăn, nên gió thoát ra chỉ theo hai khe bên cạnh

29

Áp suất H

Quạt cấp

Quạt hút

NP

+

-Hình 2.5 Mô hình buồng sấy

Từ lý do đó, ta chọn khe gió cạnh buồng để thiết lập cơ cấu đo điểm không áp suất Mô hình khe gió dùng thiết lập điều khiển, cân bằng gió vào – ra được trình bày

trên Hình 2.6 Ta lấy điểm đặt NP tại mặt trên của lô dưới Gọi điểm đặt NP là n có

nhiệt độ Tn, phía trên ta có điểm n+1 có nhiệt độ Tn+1, phía dưới n-1 có nhiệt độ Tn-1

và điểm n-2 có nhiệt độ là Tn-2 Theo tính chất của NP, ta so sánh hiệu nhiệt độ

∆T1=Tn- Tn-1, ∆T 2= Tn+1 - Tn và ∆T3 = Tn-1 -Tn-2 Có ba trường hợp: ∆T1 cực đại thì điểm NP là n, ∆T2 cực đại thì NP là n+1 và ∆T3 cực đại thì NP là n-1 Với thiết kế như vậy ta có ba lớp NPP: Lớp giữa là lớp cần điều khiển duy trì tính từ n đến n-1, lớp dưới tính từ n-1 đến n-2 là lớp gió nóng chạy xuống dưới, lớp trên tính từ n đến n+1 lớp gió nóng chạy lên nên gió lạnh lùa vào vùng sấy

Lô

Lô Wa1+Wbh

Wa2

Wkk

Tn+1TnTn-1Tn-2

(N+1)(N)(N-1)(N-2)

NPP

Hình 2.6 Mô hình khe gió buồng sấy và thiết kế NPP

Từ tính chất gián đoạn nhiệt nêu ở trên, ta có thể thiết kế mô hình đo NPP được gọi là: Mô hình sensor (được nghiên cứu ứng dụng trong thực tế) [3]

30

Như ở (2.2.1) đã giả thiết, lấy điểm NP để tính cân bằng gió, vì vậy để xác định động học quá trình cân bằng ta có giả thiết: Động học cân bằng chỉ quan tâm đến cân bằng khối lượng, không quan tâm đến cân bằng năng lượng

Từ giả thiết trên, động học quá trình cân bằng được xây dựng theo các bước sau:

- Xác định các thành phần lưu lượng gió

- Xây dựng động học cân bằng khối lượng

- Từ phương trình động học quá trình cân bằng, ta tính áp suất tại điểm đặt NP Lưu lượng gió vào NPP gồm ba thành phần:

- Gió nóng đưa vào buồng để sấy cộng với thành phần hơi nước bốc hơi trong quá trình sấy, là Wa1 và Wbh

- Thành phần thứ ba là gió lạnh lùa vào khe gió điểm đặt áp suất không Wkk, lưu lượng gió lạnh phụ thuộc vào chênh áp giữa điểm đặt áp suất không và áp suất khí quyển Nếu tại điểm đặt áp suất không bằng áp suất khí quyển ta có (NP),Wkk =0, nếu tại điểm đặt áp suất không, áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển, điểm NP dịch lên trên Wkk khác không giá trị của nó được tính theo giá trị chênh áp (2.9)

Wkk=a.Cv. | ΔP |

Trong đó: a là hệ số lấy giá trị 1 khi NP dịch lên trên, lấy giá trị 0 khi NP đạt đúng giá trị đặt, Cv là độ dẫn khe hở (m2) được xác định theo thực tế cấu trúc của

buồng sấy, v là thể tích riêng của phần không khí ở dưới( kg m/ 3), ΔP = P - P ZL at

Lưu lượng gió ra là chỉ có một thành phần là Wa2

Phương trình cân bằng khối lượng [6],[33] gió cho khe gió khảo sát:

Wa2 (kg/s): là khí được quạt đưa ra;

Wbh (kg/s): là lưu lượng nước bay hơi;

Wkk (kg/s): là lưu lượng không khí, tính theo (2.9)

Phương trình áp suất tại điểm khảo sát trong khe gió:

T(K): là nhiệt độ của khí tại lớp gián đoạn khảo sát;

M(kg/mol): là khối lượng mol của không khí (0,029)

Thay phương trình (2.10) vào (2.11) ta thu được (2.12):

Từ các phương trình động học ta xác định được mô hình quá trình cân bằng gió

vào-ra được trình bày trên Hình 2.7

Quá trình

level

Hình 2.7 Mô hình quá trình cân bằng gió vào-ra

Trong đó đại lượng cần điều khiển là điểm áp suất không (Zerolevel), đại lượng tác động MV là lưu lượng gió nóng Wa1, cơ cấu chấp hành là quạt thổi, các đại lượng nhiễu làWa2,Wbh,và Wkk

2.2.3 Cấu trúc điều khiển gió vào ra

32

Thiết lập cấu trúc điều khiển được trình bày trên Hình 2.8, trong đó hàm truyền

quá trình được mô tả từ (2.12), Gwa1 là hàm truyền của cơ cấu chấp hành (quạt thổi gió nóng ), Gđo là hàm truyền thiết bị đo

2.3 Động học quá trình nhiệt độ điểm sương

2.3.1 Định nghĩa nhiệt độ điểm sương

Điểm sương (Dewpoint) là điểm không khí trở nên bão hòa hay nói cách khác là điểm chuyển trạng thái của hơi nước sang trạng thái lỏng trong điều kiện áp suất không khí không đổi Khi nhiệt độ cao hơn điểm sương thì áp suất thành phần của hơi nước tăng lên và nước có thể bay hơi vào không khí [28]

Nhiệt độ điểm sương là nhiệt độ của không khí ẩm đạt được khi làm lạnh đến không khí bão hòa Nhiệt độ điểm sương phụ thuộc vào 2 yếu tố Nhiệt độ bầu khô và

độ ẩm có trong không khí

Về mặt vật lý, việc ứng dụng điểm sương để điều khiển độ ẩm của giấy chính là việc điều khiển khả năng bay hơi của nước trong giấy Khi nhiệt độ điểm sương thấp nghĩa là áp suất thành phần của hơi nước trong không khí thấp, dẫn tới sự khác biệt lớn giữa áp suất thành phần hơi nước trong giấy và không khí Sự khác biệt này càng lớn thì nước trong tấm giấy thoát ra càng mạnh Như vậy, việc điều chỉnh điểm sương dẫn tới điều chỉnh tốc độ bay hơi của nước trong băng giấy

Nhiệt độ điểm sương là một yếu tố để đánh giá khả năng chứa thêm hơi nước của không khí ẩm Nhiệt độ điểm sương gần với nhiệt độ trong buồng thì chênh lệch áp suất, khả năng hút ẩm của không khí càng thấp và ngược lại Như vậy tham số nhiệt độ điểm sương trong buồng sấy là đại lượng quan trọng nhất về hệ điều không buồng sấy

Ví dụ, với công suất hơi đảm bảo kết hợp với gió nóng thổi vào mặt giấy có hai trường hợp xảy ra: Nếu nhiệt độ điểm sương lên cao sát với nhiệt buồng sẽ làm cho hơi nước trong giấy khó bay hơi và khi bay hơi vào không khí nó lại bị ngưng tụ thấm vào giấy (thậm chí tạo ra mưa trong buồng) Ngược lại, khi nhiệt độ điểm sương xuống quá thấp so với nhiệt độ không khí trong buồng dẫn đến nước trong giấy bay hơi gần hết dẫn đến giấy quá khô và gây ra cháy trong buồng sấy Trong vận hành cần duy trì nhiệt độ điểm sương ở một nhiệt độ thấp hơn so với nhiệt độ trong buồng là (15-20)0C

Vì vậy, khi vận hành người ta thường phải thay đổi lượng đặt nhiệt độ điểm sương cho phù hợp và nhất thiết phải thiết lập mạch vòng điều khiển nhiệt độ điểm sương [3],[34], [35]

33

2.3.2 Tính toán nhiệt độ điểm sương

Theo [19],[25] Tính toán nhiệt độ điểm sương theo công thức Magnus (2.13)

b + T

Trong đó: a =17,27; b = 237,70C

Td(0C): Nhiệt độ điểm sương

T(0C): Nhiệt độ không khí trong buồng sấy 0 < T <160

RH(%): Độ ẩm tương đối của không khí trong buồng sấy 1% < RH%<100%

2.3.3 Xây dựng động học nhiệt độ điểm sương

Nhiệt độ điểm sương được tính theo (2.13), cách tính toán từ nhiệt độ trung bình

và độ ẩm tương đối của không khí trong buồng, từ đó ta tính được nhiệt độ điểm sương như sau:

2.3.3.1 Tính toán biến thiên nhiệt độ không khí trong buồng sấy

Trên Hình 2.9 mô tả buồng sấy với các lô sấy, các chăn, băng giấy Phương trình cân bằng công suất nhiệt được tính theo mô hình Hình 2.10

Hình 2.9 Lô sấy và bạt sấy

Ta có: Qbuong = QW + QW + Qbx+ Qchan- Qp- QW - Qtt

Trong đó:

Qp: công suất do giấy tiêu thụ;

Qtt: công suất nhiệt thất thoát;

34

QWa2: công suất do gió hút đưa ra;

Qbx: công suất nhiệt bức xạ do lô sấy cấp vào không khí trong buồng sấy;

Qchăn: công suất nhiệt do chăn sấy truyền nhiệt lên không khí trong buồng sấy;

QWa1: công suất nhiệt do gió nóng cấp vào;

QWbh: công suất nhiệt do hơi nước bay ra từ giấy;

Qbuồng: công suất nhiệt tích lũy bên trong buồng sấy

Buồng sấy

Hình 2.10 Cân bằng công suất nhiệt để tính nhiệt độ trong buồng sấy

- Qp, Qchăn, Qbx , Qtt trong điều kiện làm việc ổn định rất ít khi thay đổi và ảnh hưởng của nó đến sự biến động nhiệt độ không khí trong buồng là không đáng kể QWbh, QWa2, QWa1 là các yếu tố tham gia trực tiếp nên có ảnh hưởng mạnh đến sự biến đổi nhiệt độ không khí trong buồng sấy

- Từ nhận xét trên, khi xây dựng động học quá trình nhiệt không khí trong buồng sấy ta bỏ qua ảnh hưởng của Qp, Qchăn, Qbx, Qtt đến biến thiên nhiệt

độ không khí trong buồng sấy Với giả thiết trên mô hình động học của biến

thiên nhiệt độ buồng sấy được mô tả như Hình 2.11

Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát trong buồng sấy:

m(kg): là khối lượng không khí có trong buồng sấy;

C: nhiệt dung riêng của không khí (lấy đẳng trị tại độ ẩm tương đối nhất định);

Wa1 (kg/s): là lưu lượng không khí nóng thổi vào buồng sấy;

Wa2(kg/s): là lưu lượng không khí hút ra khỏi buồng sấy;

Wbh(kg/s): là lượng nước bốc hơi từ giấy;

Cn: là nhiệt dung riêng của hơi nước bay hơi từ giấy

Hình 2.11 Mô hình động học biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy

Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc phương trình (2.15) ta được (2.16)

Hình 2.12 Mô hình động học biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy

Hình 2.13 Mô hình động học độ ẩm tỉ lệ của không khí

Từ phương trình cân bằng khối lượng nước trong không khí của buồng sấy, ta có:

SH: là độ ẩm tỷ lệ của không khí trong buồng (kg/kg);

0,001: là độ ẩm tỷ lệ không khí nóng thổi vào buồng

Với giả thiết như 2.3.2.1, tuyến tính hóa quanh điểm làm việc và biến đổi phương trình (2.19) ta được phương trình động học biến thiên độ ẩm tỷ lệ không khí trong buồng ∆SH:

37

2.3.3.3 Tính toán độ ẩm tương đối trong buồng sấy

Độ ẩm tương đối %RH của không khí trong buồng là tỉ số giữa áp suất riêng phần của hơi nước của không khí trong buồng với áp suất riêng phần của hơi nước tại điểm bão hòa ở cùng một nhiệt độ xác định tính theo %

Công thức tính độ ẩm tương đối như sau:[37]

kq w

7235 77.345+0.0057*(T+273)-

T+273

w sw

Pkq=101325 Pa: là áp suất khí quyển;

Pw (Pa): là áp suất riêng phần của nước;

Psw (Pa): là áp suất riêng phần của nước khi không khí bão hòa tại nhiệt độ xác định;

T (0C): là nhiệt độ của không khí trong buồng;

SH(kg/kg): là độ ẩm tỉ lệ của không khí trong buồng sấy;

%RH(%): là độ ẩm tương đối của không khí trong buồng

2.3.3.4 Mô hình tính toán biến thiên nhiệt độ điểm sương

Nhiệt độ điểm sương tính toán từ công thức (2.18) và công thức (2.21) kết hợp với phương trình biến thiên nhiệt độ, biến thiên độ ẩm, giả thiết phần 2.3.1 và 2.3.2 ta

xây dựng được mô hình để tính toán biến thiên nhiệt độ điểm sương như Hình 2.14

Hình 2.14 Tính toán biến thiên nhiệt độ điểm sương

38

2.3.4 Cấu trúc mạch vòng điều khiển nhiệt độ điểm sương

Kết hợp 3 mô hình Hình 2.12, Hình 2.13, Hình 2.14 ta xây dựng mạch vòng nhiệt

độ điểm sương trên Hình 2.15 trong đó: Biến tác động: ΔWa2; Cơ cấu chấp hành là quạt hút ΔWa2; Biến cần điều khiển: Td; Nhiễu chính là ΔWbh và ΔWa1

Nhiệt độ buồng

Độ ẩm trong buồng

Hình 2.15 Cấu trúc điều khiển nhiệt độ điểm sương buồng sấy

2.4 Mô phỏng động học và điều khiển các quá trình trong buồng sấy

2.4.1 Cấu trúc điều khiển và thông số để mô phỏng

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34

50 /g m

2 0

33445 / 75 0.15 /

a tb kt

23447 / 110

39

Cấu trúc và các thông số điều khiển như Hình 2.16 theo [3],[34],[35], đối tượng

nghiên cứu là buồng sấy 3 trong dây chuyền xeo, có 10 lô được điều khiển trực tiếp độ

ẩm

Hệ thống gió trong buồng gồm một quạt hút không khí ẩm (gọi là quạt hút), quạt cung cấp khí nóng (gọi là quạt cấp), hệ thống các vòi phun gió (pocket ventilation), thiết bị gia nhiệt hồi lưu HRU (Heat Recycle Unit), thiết bị gia nhiệt khí vào HEU (Heat Exchanger Unit)

Điều khiển nhiệt độ gió nóng, khô cấp cho buồng sấy là mạch vòng tương đối độc lập, như ở phần trên đã giả thiết mạch vòng này đảm bảo nhiệt độ gió nóng ổn định và đủ lưu lượng gió cấp cho buồng sấy

Điều khiển cân bằng khối lượng ZL (Zero Level): Để đảm bảo cân bằng khối lượng gió vào và ra, hạn chế khí giả (gió lạnh) lọt vào buồng sấy từ ngoài ZL tạo nên phân bố áp suất khoảng nằm giữa hai lô (lô trên và lô dưới) Mạch vòng điều khiển ZL dùng đại lượng tác động là lưu lượng gió vào Wa1 (điều khiển tốc độ quạt)

Điều khiển nhiệt độ điểm sương thông qua điều chỉnh lưu lượng gió ra Wa2 dùng quạt hút thải không khí ẩm trong buồng ra ngoài, giữ nhiệt độ điểm sương khoảng

600C (với nhiệt độ trung bình trong buồng sấy là 75oC), cơ cấu đo nhiệt độ điểm sương thông qua hai cảm biến (nhiệt độ và độ ẩm tỷ lệ trong buồng) và thiết bị tính toán

%RH

Hệ điều khiển sấy giấy có nhiều mạch vòng điều khiển, nhưng chỉ có đại lượng cần điều khiển duy nhất là độ ẩm giấy và là mục tiêu điều khiển Tất cả các mạch vòng điều khiển đều có ảnh hưởng tới độ ẩm giấy Nên hệ điều khiển sấy là hệ nhiều biến, trong phần này ta tiến hành khảo sát hệ có nhiều mạch vòng hoạt động độc lập, coi xen kênh là nhiễu

Các yếu tố cần được đảm bảo trong buồng sấy gồm có:

- Nhiệt độ khí đầu vào là 1100C với độ ẩm tỷ lệ u=0,001(kg/kg)

- Cân bằng khí vào ra Zero Level

- Nhiệt độ điểm sương của buồng duy trì ở mức 600C, nhiệt độ trung bình không khí trong buồng sấy là 750C

2.4.2 Mô phỏng động học và điều khiển độ ẩm

2.4.2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình sấy

a) Khái quát chung

Mục đích của xây dựng mô hình là xác định được đặc tính của độ ẩm giấy từ khi

40

vào cho đến khi ra khỏi buồng sấy, từ đó tìm đáp ứng của độ ẩm giấy với tác động thay đổi áp suất hơi và thay đổi quá trình gió nóng, phục vụ cho việc thiết kế điều khiển

b) Những giả thiết và phương pháp xây dựng mô hình

- Các quá trình liên quan như: Gia nhiệt gió nóng ổn định, quá trình truyền nhiệt từ hơi vào lô đã ổn định

- Xét quá trình ổn định tại điểm làm việc cho đoạn giấy đi qua buồng

- Mô hình được xây dựng cho từng lô (theo 4 đoạn), sau đó kết nối đồng bộ chuỗi 10

lô (trong buồng sấy thứ hai trong dây chuyền xeo Hình 2.16

Hệ số truyền nhiệt từ lô vào giấy kW/kg.K KT1= 400 + 955*γ

Hệ số truyền nhiệt từ gió vào giấy kW/kg.K KT2 = 200

Kích thước buồng sấy chiều dài x chiều

rộng x chiều cao

d) Mô hình mô phỏng

Thực chất để mô phỏng hệ sấy chính xác là rất khó khăn vì có nhiều tham số vật

lý không kiểm soát được, vì vậy khi xây dựng cần chỉnh định các thông số tốc độ bay hơi sao cho đảm bảo cân bằng vào ra (vào độ ẩm 20% ra là 5%) cho đúng với thực tế