Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp hệ thống điều khiển quá trình nhiệt ẩm trong máy ấp trứng gia cầm có sử dụng năng lượng mặt trời
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.62 MB, 205 trang )
....
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP I
NGUYN VN NG
NGHIÊN CứU TổNG HợP Hệ THốNG ĐIềU KHIểN
QUá TRìNH NHIệT ẩM TRONG MáY ấP TRứNG GIA CầM
Có Sử DụNG NĂNG LƯợng mặt trời
Chuyờn ngnh: in khớ hoỏ sn xuất nông nghiệp
Mã số: 02-18-02
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hướng dẫn khoa học:1. TS. Nguyễn Văn Hoà
2. TS. Trần Quang Khánh
HÀ NỘI - 2005
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
1
LỜI CAM ðOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng mình. Các số
liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả
Nguyễn Văn ðường
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
2
LỜI CẢM ƠN
ðề tài được hồn thành với sự giúp ñỡ của các tập thể và cá nhân, sự cổ
vũ, ñộng viên của bạn bè, ñồng nghiệp, gia ñình và người thân trong suốt q
trình thực hiện đề tài và hoàn thiện luận án.
Trước hết, xin chân thành cảm ơn Bộ mơn Cung cấp và Sử dụng điện, Bộ
mơn ðiện Kỹ thuật, Khoa Cơ-ðiện, Khoa Sau ñại học, Trường ðại học Nơng
nghiệp I đã tạo mọi điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và kỹ thuật để tơi thực
hiện ñề tài này. Xin chân thành cảm ơn Ban quản lý Dự án 322, Bộ Giáo dục và
ðào tạo đã tạo điều kiện thuận lợi cho tơi có cơ hội tiếp cận với phương pháp
nghiên cứu và hệ thống thiết bị hiện đại, triển khai những thí nghiệm quan trọng
cho đề tài tại Viện Khoa học Nơng nghiệp Nhiệt ñới và Cận nhiệt ñới, ðại học
Hohenheim, CHLB ðức.
Xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến tập thể hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn
Hồ, Bộ mơn Tự động điều khiển, Khoa ðiện, Trường ðại học Bách khoa Hà
Nội ; TS. Trần Quang Khánh, Trường ðại học Công nghiệp Hà Nội đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện đề tài và hồn thiện luận
án.
Xin chân thành cảm ơn GS.TS.VS. Muelhbauer, nguyên Viện trưởng Viện
Khoa học Nơng nghiệp Nhiệt đới và Cận nhiệt đới, ðại học Hohenheim, CHLB
ðức đã cho tơi những ý kiến đóng góp q báu, sự giúp đỡ nhiệt tình trong suốt
q trình thực hiện ñề tài.
Xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp, gia đình và người thân ln
cổ vũ, động viên về tinh thần và vật chất để tơi thực hiện đề tài và hồn thành
luận án này.
Tác giả
Nguyễn Văn ðường
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
3
MỤC LỤC
LỜI CAM ðOAN
i
LỜI CẢM ƠN
ii
MỤC LỤC
iii
KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
vi
DANH MỤC HÌNH VẼ
xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU
xiv
MỞ ðẦU
1
Chương 1. TỔNG QUAN, MỤC ðÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
4
1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới
4
1.1.1 Máy ấp trứng gia cầm công nghiệp
5
1.1.2 Cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy ấp trứng cơng nghiệp
7
1.1.3 Quy trình ấp nở và yêu cầu về nhiệt ẩm trong quá trình ấp
13
1.1.4 Một số kết quả nghiên cứu về máy ấp trứng gia cầm
15
1.1.5 Kết luận
20
1.2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
20
1.2.1 Mục đích
20
1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu
21
Chương 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
22
2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
22
2.1.1 Phương pháp giải tích
22
2.1.2 Phương pháp số
23
2.2 Phương pháp mơ phỏng
26
2.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
27
2.3.1 Xác ñịnh cấu trúc và tham số của mơ hình
28
2.3.2 Phương pháp tổng hợp tối ưu bộ ñiều chỉnh bền vững
31
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
4
2.3.3 Tối ưu hố tham số hệ điều chỉnh nhiều chiều
36
Chương 3. MƠ HÌNH HỐ VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH
NĂNG LƯỢNG TRONG BỘ THU NHIỆT MẶT TRỜI
41
3.1 Phân tích đánh giá mức năng lượng đầu vào
41
3.1.1 Phương pháp phân tích và đánh giá
41
3.1.2 Tính tốn mơ phỏng cường độ bức xạ trên bề mặt tấm thu
45
3.2 Mơ hình hố và mơ phỏng q trình năng lượng trong
bộ thu nhiệt mặt trời
48
3.2.1 Mơ hình năng lượng và q trình truyền nhiệt của bộ thu
48
3.2.2 Xác ñịnh các hệ số tổn thất nhiệt trong collector khơng khí
51
3.2.3 Hệ số hiệu suất của bộ thu năng lượng
56
3.2.4 Tính tốn mơ phỏng nhiệt độ trong bộ thu năng lượng
57
3.2.5 Các thông số cơ bản của collector khơng khí
69
3.3 Khảo nghiệm bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời
61
3.3.1 Hệ thống thiết bị và phương pháp tiến hành thí nghiệm
61
3.3.2 Kết quả thực nghiệm
63
3.4 Kết luận
64
Chương 4. MƠ HÌNH HỐ VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH
NHIỆT ẨM TRONG BUỒNG ẤP
65
4.1 Mơ hình máy ấp trứng gia cầm sử dụng nguồn năng lượng kết hợp
65
4.1.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc
65
4.1.2 Kết cấu và mơ hình hai vùng khơng gian của buồng ấp
66
4.2 Mơ hình hố q trình trao ñổi nhiệt ẩm trong buồng ấp
70
4.2.1 Cấu tạo và thành phần vật chất cơ bản của trứng gia cầm
70
4.2.2 Mơ hình trao đổi nhiệt ẩm của trứng
74
4.2.3 Q trình trao ñổi nhiệt ẩm của một trứng trong buồng ấp
77
4.2.4 Mơ hình hố q trình trao đổi nhiệt ẩm trong vùng
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
5
chứa trứng
78
4.2.5 Q trình trao đổi nhiệt ẩm trong vùng biên
83
4.3 Mơ phỏng q trình nhiệt ẩm trong vùng chứa trứng
85
4.3.1 ðơn giản hố mơ hình nhiệt ẩm trong vùng chứa trứng
85
4.3.2 Xác ñịnh ñộ giảm hàm lượng nước của trứng
bằng thực nghiệm
88
4.3.3 Mơ phỏng q trình nhiệt ẩm trong vùng chứa trứng
93
4.3.4 Phân tích kết quả mơ phỏng và lựa chọn thông số máy ấp
96
4.4 Kết luận
99
Chương 5. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
NHIỆT ẨM TRONG MÁY ẤP TRỨNG GIA CẦM
100
5.1 Mơ hình hố và mơ phỏng mơ hình đối tượng điều khiển
100
5.1.1 Mơ tả tốn học đối tượng điều khiển
100
5.1.2 Mơ phỏng q trình trao đổi nhiệt ẩm trong buồng ấp
103
5.1.3 Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển nhiệt ẩm
trong máy ấp trứng gia cầm
108
5.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh q trình nhiệt ẩm
109
5.2.1 Nhận dạng ñối tượng ñiều khiển bằng thực nghiệm
110
5.2.2 Tổng hợp các bộ điều chỉnh q trình nhiệt ẩm
114
5.2.3 Thực thi các bộ ñiều chỉnh
123
5.2.4 ðánh giá chất lượng hệ thống ñiều khiển bằng thực nghiệm
126
5.3 Kết luận
132
KẾT LUẬN CHUNG VÀ ðỀ NGHỊ
133
CÁC CƠNG TRÌNH ðà ðƯỢC CƠNG BỐ
135
TÀI LIỆU THAM KHẢO
136
PHỤ LỤC
148
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
6
KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Tên gọi
Ký hiệu
ðơn vị
A
Diện tích
m2
Ac
Diện tích mặt cắt ngang
m2
Av
Diện tích trao đổi thể tích
m 2 / m3
a
Hệ số
b
Hệ số
Cp
Nhiệt dung riêng ñẳng áp
J / kg.K
D& ad
Lưu khối dịng khí khuếch tán
kg / s
dk
ðường kính tương ñương
m
F’
Hệ số hiệu suất
FR
Hệ số tải nhiệt
H
Entanpi
J
H
Bức xạ trung bình ngày
MJ / m 2
Hd
Bức xạ khuếch tán trung bình ngày
MJ / m 2
Ho
Bức xạ trung bình ngày ngồi trái đất
MJ / m 2
H
Bức xạ trung bình ngày theo tháng
MJ / m 2
h
Entanpi riêng
J / kg
h
Hệ số truyền nhiệt
W / m 2 .K
I
Dịng điện
A
Ib
Bức xạ trực tiếp
MJ / m 2
Id
Bức xạ khuếch tán
MJ / m 2
Ih
Bức xạ tổng theo giờ
MJ / m 2
KT
ðộ giảm khối lượng của trứng
kg / s
kT
ðộ trong bầu khí quyển
Trường ðại học Nơng nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
7
L
Chiều dài
m
m
Khối lượng
kg
m&
Lưu khối
kg / s
MS
ða kỳ
N
Số cánh quạt; nhiễu
n
Tốc ñộ quay
n
Số ngày trong năm
O
ðối tượng
P
Công suất tác dụng
W
p
Áp suất
Pa
Q
Nhiệt lượng
J
Q&
Q&
Dịng nhiệt
W
Dịng nhiệt khuếch tán
W
q&
Mật độ dịng nhiệt
W / m2
R
ðiện trở
Ω
r
Bán kính
m
Rb
Nhiệt liên kết tổng riêng
J / kg
rb
Nhiệt liên kết riêng
J / kg
rv
Nhiệt hoá hơi riêng của nước
J / kg
rvo
Nhiệt hố hơi riêng của nước ở 0oC
J / kg
s
Biến đổi Laplace
SIM
Mơ phỏng
SS
ðơn kỳ
T
Nhiệt độ
C, K, F
t
Thời gian
s
∆t
Bước tính thời gian
s
ad
vịng/phút
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
8
U
ðiện áp
V
U
Hao tổn nhiệt
V
Thể tích
m3
ω
Vận tốc
m/ s
X
Hàm lượng nước
kg/kg
∆X
Chênh lệch hàm lượng nước
kg/kg
Y
Hàm lượng ẩm khơng khí
kg/kg
∆Y
Chênh lệch hàm lượng ẩm
kg/kg
y
Toạ độ theo chiều dịng khí
m
∆y
Bước tính
m
W
Bề rộng
m
W
Hàm truyền
Chữ số Hylạp:
α
Hệ số truyền nhiệt
W/m2.K
α
Góc mở
độ
α
Hệ số hấp thụ
β
Hệ số trao ñổi chất
m/s
β
Góc nghiêng bộ thu
ñộ
δ
Hệ số khuếch tán
m2/s
δ
Góc lệch mặt trời
độ
ϕ
ðộ ẩm tương đối
decimal
φ
Góc vĩ độ
ψ
ðộ rỗng
∆ ad
Hệ số truyền ẩm khuếch tán dọc trục
Λ ad
Hệ số truyền nhiệt khuếch tán
∇
Tốn tử gradient
Trường ðại học Nơng nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
9
∇.
Tốn tử divergence
∇2
Tốn tử Laplace
η
Hiệu suất
λ
ðộ dẫn nhiệt
W/m2.K
µ
ðộ nhớt
kg/s.m
ν
ðộ nhớt ñộng học
m2/s
ρ
Khối lượng riêng
kg/m3
ρ
Hệ số phản xạ
σ
Hệ số phát xạ
τ
Hệ số truyền qua
τ
Thời gian trễ
s
Chỉ số:
O
ði ra
A
Mơi trường ngồi
B
Mặt đáy
a
Khơng khí trong buồng ấp
C
Collector
c
ðối lưu
in
Cách nhiệt
D
Hơi
d
Khuếch tán
d
Dẫn nhiệt
DP
ðọng sương
dr
Khơ
E
ðiện
f
Ẩm
G
Mặt đất
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
10
h
Theo giờ
I
Bên trong
k
Tương ñương
L
Hao tổn
max
Cực ñai
min
Cực tiểu
o
Ban ñầu
p
Áp suất
r
Bức xạ
ref
Tham chiếu
S
Mặt trời
S
Bầu trời
T
Trứng
t
Mặt trên
V
Vách
w
Nước
∗
Cân bằng
1
Kính chắn
2
Tấm hấp thụ
Các số:
Nu
Số Nusselt
Pe
Số Peclect
Pr
Số Prandt
Ra
Số Rayleigh
Re
Số Reynodl
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
11
DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình
Tên hình vẽ
1.1
Máy ấp cơng nghiệp kiểu buồng
6
1.2
Máy ấp kiểu tunel
6
1.3
Máy ấp có hệ thống giá cố ñịnh
7
1.4
Bộ phận tạo nhiệt và quạt gió cưỡng bức
10
1.5
Hệ thống tạo ẩm
10
1.6
Nhiệt lượng của trứng trong quá trình ấp nở
16
1.7
Hệ số thoát hơi nước của trứng
19
2.1
Hệ thống lưới chia hai chiều
25
2.2
ðường cong thực nghiệm h(t)
30
2.3
Hệ thống điều khiển vịng kín SISO
32
2.4
Sơ ñồ cấu trúc hệ nhiều chiều tổng quát
34
3.1
Bản ñồ phân bố năng lượng bức xạ trung bình
42
3.2
Chỉ số độ trong trung bình của bầu khí quyển
43
3.3
Năng lượng bức xạ trên bề mặt bộ thu năng lượng
47
3.4
Mơ hình cấu trúc của collector khơng khí
48
3.5
Mơ hình năng lượng của collector khơng khí
48
3.6
Mơ hình truyền nhiệt
49
3.7
Mơ hình tương tự và mạch tương ñương của bộ thu
49
3.8
Cân bằng năng lượng trong một phần tử thể tích
50
3.9
Nhiệt độ trong dàn theo chiều dài tấm thu
59
3.10 Nhiệt ñộ dàn thu khi thay ñổi lưu khối gió
60
3.11 Mặt cắt dọc collector khơng khí
60
3.12 Thí nghiệm đánh giá thơng số bộ thu năng lượng
62
3.13 Nhiệt độ trong dàn thu lý thuyết và thực nghiệm
63
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
12
4.1
Mơ hình máy ấp với hệ thống nhiệt kết hợp
65
4.2
Kết cấu buồng ấp
67
4.3
Bộ tạo ẩm trong máy ấp trứng gia cầm
69
4.4
Mơ hình hai vùng khơng gian của buồng ấp
69
4.5
Cấu tạo trứng gà
71
4.6
Mơ hình cân bằng khối lượng và năng lượng
79
4.7
Sơ ñồ hệ thống thí nghiệm ñộ giảm khối lượng của trứng
88
4.8
ðộ giảm khối lượng trứng
91
4.9
Nhiệt độ và độ ẩm dịng khí chế độ 1SS
96
4.10 Nhiệt độ và độ ẩm dịng khí chế độ 16SS
97
4.11 Nhiệt độ và độ ẩm dịng khí chế độ 1MS
98
4.12 Nhiệt độ và độ ẩm dịng khí chế độ 16MS
98
5.1
Mơ hình đối tượng với bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời
104
5.2
Kết quả mô phỏng hệ thống với bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời
105
5.3
Mơ hình đối tượng với bộ tạo nhiệt bằng năng lượng ñiện
106
5.4
Kết quả mô phỏng hệ thống với bộ thu nhiệt bằng năng lượng ñiện
107
5.5
Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển nhiệt ẩm trong máy ấp trứng gia cầm 108
5.6
Hệ thống thiết bị thí nghiệm xác định mơ hình đối tượng
110
5.7
Sơ đồ cấu trúc tối ưu hố tổng qt bộ điều chỉnh MIMO
115
5.8
ðặc tính định thức mềm của hệ thống với mo=0,367
118
5.9
ðặc tính q độ theo kênh điều chỉnh
119
5.10 ðặc tính q độ theo kênh nhiễu
119
5.11 ðặc tính định thức mềm của hệ thống với mo=0,367
121
5.12 ðặc tính q độ theo kênh điều chỉnh
122
5.13 ðặc tính q độ theo kênh nhiễu
122
5.14 ðáp ứng quá ñộ thực nghiệm kênh y1-u1
127
5.15 ðáp ứng quá ñộ thực nghiệm kênh y2-u1
127
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
13
5.16 ðáp ứng quá ñộ thực nghiệm kênh y1-u2
5.17 ðáp ứng quá ñộ thực nghiệm kênh y2-u2
128
128
5.18 ðáp ứng quá ñộ thực nghiệm kênh y1-u1
129
5.19 ðáp ứng quá ñộ thực nghiệm kênh y1-u1
130
5.20 ðáp ứng quá ñộ thực nghiệm kênh y1-u2
130
5.21 ðáp ứng quá ñộ thực nghiệm kênh y2-u2
131
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
14
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng
Tên bảng biểu
Trang
1.1
Bộ phận tạo nhiệt của một số máy ấp trứng đối lưu cưỡng bức
8
1.2
Các thơng số của chế độ ấp đơn kỳ
14
1.3
Tốc độ gió theo khoảng cách giữa các khay
17
1.4
Ảnh hưởng tốc độ quạt gió đến các thơng số của q trình ấp
18
3.1
Thơng số cơ bản collector khơng khí
61
3.2
Thơng số kỹ thuật của FLUKE Hydra Series II
63
4.1
Thành phần vật chất của vỏ trứng gia cầm (%)
72
4.2
Thành phần vật chất của lịng trắng và lịng đỏ (%)
73
4.3
Thông số vật lý và thành phần vật chất của trứng gà tiêu chuẩn
73
4.4
Thơng số vào của các chế độ tính tốn mơ phỏng
96
4.5
Chiều dài khối trứng theo tốc độ dịng khí (ψ = 0.711)
99
5.1
Thơng số kỹ thuật của bộ cảm biến GHTU 2K (Greisinger)
111
5.2
Tham số các bộ ñiều chỉnh PID
126
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
15
MỞ ðẦU
Trong những năm gần đây, chăn ni gia cầm theo hướng hàng hố phát
triển một cách nhanh chóng ở hầu khắp các ñịa phương trên phạm vi cả nước.
ðặc biệt là châu thổ sông Hồng và miền ðông Nam bộ, hai khu vực có nhiều
trang trại với số lượng gia cầm từ vài ngàn ñến hàng chục ngàn con [113].
Với định hướng phát triển nơng nghiệp nơng thơn đến năm 2010 là đẩy
nhanh cơng nghiệp hố, hiện đại hố nơng nghiệp nơng thơn theo hướng hình
thành nền nơng nghiệp hàng hoá lớn [1], [9], nhiệm vụ chiến lược của ngành
nơng nghiệp là phải đưa chăn ni trở thành một ngành sản xuất chính, trong đó
chăn ni gia cầm được xác định là vị trí thứ hai sau chăn ni lợn [113].
ðể thực hiện nhiệm vụ chiến lược và ñáp ứng nhu cầu phát triển theo
hướng hàng hoá của ngành chăn nuôi, việc sản xuất và cung cấp hàng loạt con
giống với số lượng lớn, chất lượng cao, trong thời gian ngắn, trên ñịa bàn rộng
lớn là một vấn ñề cấp bách của ngành chăn nuôi gia cầm. ðể giải quyết vấn ñề
này, cùng với việc phát triển ñàn gà bố mẹ chất lượng cao, hàng loạt máy ấp
trứng gia cầm dung lượng lớn, mức độ tự động hóa cao, nhập từ Mỹ, Canada và
một số nước Tây Âu như Pháp, Bỉ, Hà Lan ñã ñược ñưa vào sử dụng trong các
cơ sở sản xuất tập trung quy mô lớn. Các máy ấp trứng gia cầm sản xuất trong
nước cũng xuất hiện ngày càng nhiều trong các cơ sở chăn nuôi gia cầm khu vực
nông nghiệp nông thôn, tham gia tích cực vào thị trường cung cấp con giống trên
phạm vi cả nước.
Tuy nhiên, hầu hết các loại máy ấp chế tạo ở trong và ngồi nước đều
được thiết kế sử dụng hồn tồn bằng năng lượng điện. Trong điều kiện các
nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, nguồn điện lưới quốc gia cịn
thiếu, chưa đáp ứng đầy ñủ nhu cầu phát triển của nền kinh tế, giá ñiện phục vụ
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
1
sản xuất còn ở mức cao, việc nghiên cứu ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo
là một hướng ñi ñúng ñang ñược khuyến khích và phát triển.
Nước ta nằm trong khu vực có cường độ bức xạ năng lượng mặt trời trung
bình khá cao, có nhiều lợi thế sử dụng năng lượng mặt trời. ðây là nguồn năng
lượng sạch, thân thiện với môi trường, trữ lượng gần như vô tận ñã và ñang ñược
nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của sản xuất và ñời sống. Nguồn năng
lượng q giá này hồn tồn có thể sử dụng làm nguồn nhiệt hỗ trợ cho máy ấp
trứng gia cầm nhằm tiết kiệm nguồn năng lượng, giảm giá thành sản phẩm, góp
phần giải quyết vấn đề an ninh năng lượng. Việc nghiên cứu xây dựng mơ hình
máy ấp trứng gia cầm có sử dụng năng lượng mặt trời là một địi hỏi cấp thiết
trong q trình cơng nghiệp hố, hiện đại hố nơng nghiệp nơng thơn. Mặc dù có
nhiều ưu điểm nhưng nguồn năng lượng mặt trời phụ thuộc vào vị trí địa lý, thay
đổi theo thời gian và điều kiện thời tiết. Vì vậy, nguồn năng lượng này chỉ có thể
sử dụng ñược với hệ thống tự ñộng ñiều khiển thoả mãn những yêu cầu khắt khe
của quá trình ấp nở.
Từ những vấn đề nêu trên, chúng tơi đã thực hiện ñề tài: “Nghiên cứu
tổng hợp hệ thống ñiều khiển q trình nhiệt ẩm trong máy ấp trứng gia cầm
có sử dụng năng lượng mặt trời” nhằm xác ñịnh các thông số cơ bản của bộ
thu nhiệt năng lượng mặt trời và buồng ấp, xây dựng cơ sở khoa học cho việc
thiết kế mơ hình máy ấp trứng gia cầm có sử dụng năng lượng mặt trời, tổng hợp
hệ thống ñiều khiển tự ñộng các thông số nhiệt ẩm thoả mãn những yêu cầu khắt
khe của quy trình ấp nở, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn nhiệt hỗ
trợ, tiết kiệm nguồn năng lượng ñiện.
ðề tài tập trung giải quyết các vấn đề về q trình chuyển đổi năng lượng
trong bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời, quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong buồng
ấp, xác định một số thông số cơ bản của nguồn nhiệt và buồng ấp, tổng hợp hệ
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
2
thống ñiều khiển tự ñộng cho các máy ấp trứng gia cầm có sử dụng năng lượng
mặt trời.
Nội dung và kết quả nghiên cứu ñược thể hiện qua nội dung của luận án
bao gồm: phần Mở ñầu, 5 chương nội dung, phần Kết luận và ñề nghị. Phần mở
ñầu giới thiệu tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của ñề tài. Chương 1 trình
bày tổng quan các vấn ñề nghiên cứu. Chương 2 giới thiệu các phương pháp
nghiên cứu ñược sử dụng ñể giải quyết các vấn ñề khoa học của đề tài. Chương 3
trình bày các vấn đề về nguồn nhiệt năng lượng mặt trời, mơ hình hố và mơ
phỏng q trình chuyển đổi năng lượng trong bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời
tấm phẳng, xác ñịnh các thơng số vào của mơ hình máy ấp. Chương 4 trình bày
mơ hình lý thuyết và mơ phỏng q trình trao ñổi nhiệt ẩm trong máy ấp trứng
gia cầm làm việc với nguồn nhiệt kết hợp ñiện-năng lượng mặt trời. Chương 5
trình bày kết quả tổng hợp hệ thống điều khiển q trình nhiệt ẩm trong buống
ấp.
ðề tài đã phân tích đánh giá được mức năng lượng mặt trời trên bề mặt bộ
thu, thiết lập được mơ hình và mơ phỏng các q trình chuyển đổi năng lượng
trong bộ thu năng lượng, q trình trao đổi nhiệt ẩm trong máy ấp trứng gia cầm
làm việc với nguồn nhiệt kết hợp ñiện-năng lượng mặt trời, ñã tổng hợp ñược hệ
thống ñiều khiển quá trình nhiệt ẩm theo phương pháp tổng hợp bền vững chất
lượng cao với bộ ñiều chỉnh ña kênh có thể tự động thay đổi tham số thoả mãn
các u cầu của q trình ấp nở.
ðề tài được thực hiện và hồn thành tại Bộ mơn Cung cấp và Sử dụng
điện, Khoa Cơ-ðiện, Trường ðại học Nơng nghiệp I.
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
3
Chương 1
TỔNG QUAN, MỤC ðÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC
Ẩp trứng nhân tạo không phải là thành tựu của khoa học hiện ñại mà nó ñã
ñược biết ñến hàng ngàn năm trước ñây [2], [42]. Người Ai Cập ñã biết ấp trứng
nhân tạo lần đầu tiên vào năm 400 và sau đó là người Trung Quốc vào năm 246
trước công nguyên. Ở châu Âu, nhà nghiên cứu gia cầm nổi tiếng người Pháp
Reomur lần đầu tiên đã nghiên cứu thành cơng phương pháp ấp trứng công
nghiệp vào năm 1745. Vào những năm 80 của thế kỷ 19 hàng loạt loại máy ấp
trứng cơng nghiệp đã được ra đời và đưa vào sản xuất với công suất của máy lên
tới hàng chục vạn trứng. Ở Mỹ, máy ấp trứng nhân tạo ñầu tiên xuất hiện vào
năm 1844. Loại máy ấp trứng công nghiệp cơng suất lớn sử dụng gió nóng đối
lưu cưỡng bức xuất hiện vào năm 1918 [42].
Ở Việt Nam, máy ấp trứng cơng nghiệp đã được nghiên cứu sử dụng từ
những năm 70 của thế kỷ 20. Các loại máy ấp KY-50, Bismark, Nationalbrüter
BSp, GX-10000,... của Liên Xơ, Cộng hồ Dân chủ ðức cũ và Hungari ñã ñược
ñưa vào sử dụng trong các xí nghiệp chăn ni gia cầm lớn như Tam ðảo, Ba Vì,
An Khánh... Sau năm 1991 các loại máy ấp thế hệ cũ ñã ñược thay thế bằng các
loại máy hiện ñại của Mỹ và Tây Âu như PETERSIM, CHICK MASTER, PASREFORM... Tuy nhiên, các loại máy này mới chỉ ñược sử dụng trong các viện
nghiên cứu và trung tâm sản xuất giống gia cầm quốc gia.
Trước năm 1990, máy ấp trứng gia cầm ñã ñược chế tạo tại Viện Cơng cụ
và Cơ giới hố Nơng nghiệp hiện nay là Viện Cơ ðiện và Công nghệ sau thu
hoạch. Từ năm 1997 một số loại máy ấp trứng gia cầm cơng nghiệp kiểu đối lưu
Trường ðại học Nơng nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
4
cưỡng bức ñã ñược chế tạo tại Trường ðại học Nông nghiệp I. Tuy nhiên, kết
quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chưa được cơng bố chính thức nên
khơng có cơ sở trích dẫn.
Theo số liệu điều tra của chúng tơi về tình hình sử dụng máy ấp trứng gia
cầm tại một số ñịa phương ở Hà Tây, Hà Nội, Hưng Yên, Hải Dương, Hải Phòng
và Bắc Ninh từ tháng 9 năm 1999 ñến tháng 9 năm 2001 cho thấy: phần lớn máy
ấp trứng gia cầm ñang ñược sử dụng là các loại máy tự chế tạo tại ñịa phương
theo mẫu máy của nước ngoài như HAJDU, GX-10000 của Hungari và SETTER
16800 của Bỉ. Một số máy ñang sử dụng ở Bắc Ninh và Hải phịng được chế tạo
tại Trường ðại học Nông nghiệp I Hà Nội. ðịa phương có nhiều loại máy ấp
cơng suất lớn và sản xuất tập trung là xã ðức Thượng, Hoài ðức, Hà Tây. Dung
lượng của máy ấp khơng thống nhất, phần lớn được chế tạo theo yêu cầu của chủ
trang trại với công suất từ 2000 ñến 16800 trứng.
1.1.1. Máy ấp trứng gia cầm cơng nghiệp
Có thể chia máy ấp trứng gia cầm cơng nghiệp thành ba loại dưới đây:
a. Máy ấp kiểu buồng
Là loại máy ấp thương mại theo kiểu công nghiệp có dung lượng lớn từ
vài vạn đến vài chục vạn trứng gồm nhiều module đặt trong cùng một buồng.
Máy có dung lượng rất lớn, vốn ñầu tư ban ñầu cao, địi hỏi phải được lắp đặt
trong mơi trường tương đối ổn định, người vận hành phải có trình độ nhất ñịnh,
phù hợp cho các trung tâm sản xuất con giống tập trung quy mơ lớn.
Hình 1.1 là hai loại máy ấp kiểu buồng DINOS và BEKOTO, dung lượng
115 và 300 ngàn trứng do Hà Lan và Pháp chế tạo.
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
5
Hình 1.1. Máy ấp cơng nghiệp kiểu buồng
DINOS 115 (trái), BEKOTO (phải)
b. Máy ấp tunnel
Khác với máy ấp kiểu buồng, máy ấp tunnel có hai khoang. Khoang trên
dùng để lắp ñặt thiết bị tạo nhiệt, tạo ẩm, quạt gió và là vùng trộn khí nóng.
Khoang dưới là buồng ấp được thiết kế chứa từ 4 ÷ 6 xe đựng trứng. Hình 1.2 là
sơ đồ cấu trúc của máy ấp kiểu tunel.
10
9
8
7
1
6
2
3
4
5
Hình 1.2. Máy ấp kiểu tunel
1. Cửa vào trứng ; 2. Xe trứng ñợt 4 ; 3. Xe trứng ñợt 3 ; 4. Xe trứng ñợt 2
5. Xe trứng ñợt 1; 6. Cửa ra trứng ; 7. Bộ tạo ẩm ; 8. Bộ tạo nhiệt ;
9. Quạt gió ; 10. Vỏ máy
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
6
Các xe trứng ñược ñưa vào và lấy ra theo các kỳ và ở hai ñầu khác nhau
của buồng ấp. Máy ấp tunnel có thể sử dụng hợp lý nhiệt lượng sinh học do
trứng sinh ra ở giai ñoạn trước khi nở. Máy có dung lượng lớn, phù hợp cho các
cơ sở sản xuất tập trung lớn và vừa.
c. Máy ấp kiểu buồng có giá cố định
Máy có hệ thống giá treo lắp cố ñịnh vào khung máy. Vỏ máy vừa có tác
dụng cách nhiệt vừa chịu tải trọng của trứng và giá treo. Hệ thống giá ñược chế
tạo theo kiểu trống quay hoặc khung treo. Loại máy ấp này có dung lượng nhỏ từ
500 đến 5000 trứng gà tiêu chuẩn, phù hợp cho các trang trại sản xuất con giống
tập trung quy mơ vừa và nhỏ. Hình 1.3 là cấu tạo máy ấp có hệ thống giá cố định
đang được sử dụng trong thực tế.
Hình 1.3. Máy ấp có hệ thống giá cố ñịnh
Kiểu trống quay (trái) và giá khung treo (phải)
1.1.2. Cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy ấp trứng công nghiệp
a. Bộ phận tạo nhiệt
Hầu hết các loại máy ấp có bộ tạo nhiệt bằng dây điện trở được đốt nóng
khi có dịng điện chạy qua. Bộ tạo nhiệt thường ñặt bên trong vỏ máy cung cấp
nhiệt lượng cần thiết cho quá trình ấp. Sử dụng năng lượng điện có nhiều ưu
Trường ðại học Nơng nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
7
ñiểm: sạch, không gây ô nhiễm môi trường, dễ dàng thực hiện việc tự ñộng ñiều
khiển. Tuy nhiên, bộ phận tạo nhiệt có cơng suất khá lớn, làm việc liên tục, mức
tiêu thụ ñiện năng cao, hiện tại giá ñiện cho sản xuất khơng được ưu đãi nên chi
phí năng lượng vẫn là một vấn ñề ñược nhiều nhà sản xuất quan tâm. Công suất
bộ tạo nhiệt một số loại máy ấp ñược cho trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1. Bộ phận tạo nhiệt của một số máy ấp trứng ñối lưu cưỡng bức
Kiểu máy
Hãng sản xuất
Năng suất (trứng
Công suất phần tử
gà tiêu chuẩn)
ñốt (W)
AS 4H
PETERSIM
18750
3000
AS 85
PETERSIM
38400
3x3000
AS 125
PETERSIM
57600
4x3000
DINOS 38
PAS REFORM
38400
4x1250
DINOS 77
PAS REFORM
76800
8x1250
DINOS 115
PAS REFORM
115200
12x1250
ðể tiết kiệm nguồn năng lượng ñiện, giảm chi phí điện năng và giá thành
sản phẩm, một số máy ấp ñược thiết kế với bộ tạo nhiệt sử dụng bằng nước nóng
cơng nghiệp [97]. ðây là nguồn năng lượng sạch, giá thấp, nhiệt ñộ làm việc của
bề mặt bộ tạo nhiệt không cao, giảm hiện tượng thiếu hụt oxy trong buồng ấp.
Tuy nhiên, nguồn nước nóng cơng nghiệp là nguồn năng lượng tập trung ở các
khu vực công nghiệp nên loại máy này chỉ ñược chế tạo theo yêu cầu.
Một số ít máy ấp do hãng JAMESWAY chế tạo sử dụng hệ thống nhiệt
ñốt bằng dầu hoả [78]. Ưu ñiểm của loại máy này là chi phí năng lượng thấp do
giá dầu hoả tại thời điểm chế tạo khơng cao. Nhược ñiểm của loại máy này là
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
8
gây ơ nhiễm mơi trường, khó khăn trong việc tự ñộng ñiều khiển nhiệt ñộ buồng
ấp. Mặt khác, trong tình trạng nguồn nhiên liệu ngày càng cạn kiệt, giá dầu hoả
ngày càng tăng nên giải pháp này mất dần ưu thế.
Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch, rẻ tiền, trữ lượng gần
như vơ tận, sẵn có ở khắp nơi. Sử dụng năng lượng mặt trời làm nguồn năng
lượng thay thế là một giải pháp ñúng ñắn ñang ñược khuyến khích và phát triển.
Việc chuyển ñổi năng lượng bức xạ mặt trời thành nhiệt năng tương ñối ñơn
giản, ñã ñược sử dụng trong một số lĩnh vực của sản xuất nông nghiệp. Tuy
nhiên, nguồn năng lượng này phụ thuộc vào vị trí địa lý, thay đổi theo thời gian
và điều kiện thời tiết nên chỉ có thể sử dụng cho máy ấp trứng gia cầm như một
nguồn nhiệt hỗ trợ, kết hợp với năng lượng ñiện.
b. Bộ phận làm mát
Bộ phận làm mát ñược lắp ñặt trong các hệ thống máy chế tạo cho khu vực
có nhiệt độ mơi trường cao hơn nhiệt độ ấp. Phương pháp làm mát chủ yếu là
dùng nước và khơng khí thơng qua bộ phận trao ñổi nhiệt làm mát cho buồng ấp
[97], [103]. Một vài hãng chế tạo áp dụng phương pháp làm mát phun ẩm bay
hơi hạ nhiệt. Nhược ñiểm của phương pháp này là làm thay ñổi ñộ ẩm trong
buồng ấp nên ít được sử dụng.
c. Hệ thống quạt gió cưỡng bức
Quạt gió có nhiệm vụ hồ trộn khơng khí, duy trì nhiệt độ và độ ẩm trong
buồng ấp tương ñối ñồng ñều. Tốc ñộ gió phụ thuộc vào khoảng cách giữa các
khay trứng và hướng chuyển động của dịng khí đối với khay trứng. Hệ thống
quạt gió cưỡng bức thường sử dụng loại quạt có tốc độ thấp sải cách lớn
1,4÷1,8m. Hai loại quạt thường được áp dụng là quạt ñơn và quạt kép [48], [97],
[103], ñược lắp ở vách sau hoặc khoảng giữa các buồng ấp như Hình 1.4.
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
9
Hình 1.4. Bộ phận tạo nhiệt với quạt gió cưỡng bức
Hệ thống quạt ñơn (trái) và quạt kép (phải)
d. Hệ thống tạo ẩm
Hệ thống tạo ẩm có nhiệm vụ điều chỉnh q trình bay hơi nước của trứng
và điều hồ nhiệt ñộ trong buồng ấp. Hai phương pháp tạo ẩm ñược sử dụng phổ
biến trong máy ấp trứng gia cầm: bay hơi và phun ẩm [36], [46]. Hệ thống tạo
ẩm của máy ấp DINOS-115 và DS6-120 được trình bày trên Hình 1.5.
Hình 1.5. Hệ thống tạo ẩm
Tạo ẩm bằng đĩa quay (trái) và phun ẩm (phải)
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Luận Văn Tiến sỹ kỹ thuật ----------- --------------------------------------
10
