nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nhuộm thí nghiệm gia nhiệt bằng hồng ngoại

HCM 2/ Tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nhuộm thí nghiệm gia nhiệt bằng hồng ngoại Thực hiện theo hợp đồng KHCN số 98.10RD/HD-KHCN ký ngày 25 tháng 02 năm 2010 giữa Bộ công

Trang 1

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

2010

1/ Cơ quan chủ trì:

Phân Viện Dệt-May Tại Thành phố Hồ Chí Minh

Địa chỉ : 345/128A Trần Hưng Đạo, Quận 1, Tp HCM

2/ Tên đề tài:

“Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nhuộm thí nghiệm gia nhiệt bằng hồng ngoại

Thực hiện theo hợp đồng KHCN số 98.10RD/HD-KHCN ký ngày 25 tháng 02

năm 2010 giữa Bộ công thương và Phân Viện Dệt May tại TP.Hồ Chí Minh

3/ Chủ nhiệm đề tài: KS Nguyễn Thanh Tuyến

4/ Cán bộ phối hợp nghiên cứu đề tài:

Nguyễn Văn Chất Kỹ sư cơ khí

Lê Hồng Tâm Kỹ sư dệt

5/ TP Hồ Chí Minh – Tháng 12 năm 2010

Trang 2

MỤC LỤC

Lời nói dầu……… ……….3

1.Mục tiêu đề tài……… ……… … 4

2.Nội dung nghiên cứu……… ……… 4

3.Mô tả phương pháp nghiên cứu……… …… 5

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU .6

I NĂNG LƯỢNG HỒNG NGOẠI 6

1.1 Bức xạ hồng ngoại .6

1.2 Phổ điện từ 7

1.3 Năng lượng hồng sinh ra từ đâu……… …… …8

1.4 Hình thức truyền năng lượng tia hồng ngoại………… …… 8

1.5 Ứng dụng năng lương hồng ngoại………… … 9

1.6 Các lọai đèn hồng ngoại……… …… … 10

II CÁC LOẠI MÁY NHUỘM HỒNG NGOẠI …….…… 11

III Tìm hiểu các qui trình nhuộm thí nghiệm……… 14

IV Phương pháp gia nhiệt và truyền nhiệt ………… 16

CHƯƠNG 2 : THỰC NGHIỆM I.THIẾT KẾ MÁY……… … … 18

1 Sơ đồ nguyên lý máy nhuộm thí nghiệm 18

2 Thiết kế phần cơ khí 19

II Thiết kế điện điều khiển……… 25

III Viết phần mềm……… 29

IV Kiểm tra và hiệu chuẩn hệ thống……… …30

V Chương trình nhuộm mẫu và kết quả chạy thử.……… 32

VI Kết quả thử nghiệm sau khi nhuộm mẫu trên máy đề tài …36

CHƯƠNG 3 : KẾT QỦA VÀ BÌNH LUẬN 45

Kết Luận 48

PHỤ LỤC 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

Trang 3

LỜI MỞ ĐẦU

Nhuộm là công đoạn quan trọng, nó quyết định màu sắc sản phẩm và đáp ứng thị hiếu người tiêu dùng Để sản phẩm nhuộm có màu sắc đẹp, bền thì ngòai các yếu tố qui trình nhuộm, thuốc nhuộm Thiết bị nhuộm rất quan trọng kiểm soát nhiệt độ, thời gian trong suốt quá trình nhuộm

Hiện tại trên thị trường có rất nhiều loại máy nhuộm gia nhiệt bằng điện trở, ga, dầu, hơi nước …nên quán tính nhiệt lớn khó kiểm sóat, giá thành sản phẩm cao và gây ô nhiễm môi trường

Để khắc phục các nhược điểm trên nhóm nghiên cứu ứng dụng năng lượng hồng ngoại vào trong quá trình nhuộm, vì vậy việc kiểm soát nhiệt độ chính xác Máy nhuộm ứng dụng năng lượng bức xạ hồng ngoại hơn hẳn các máy nhuộm thông thường vì kiểm soát được nhiệt độ bên trong cốc nhuộm, tốc độ quay và nhớ được nhiều chương trình nhuộm được cài sẵn

Nghiên cứu chế tạo thành công máy nhuộm gia nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại là thành quả sau quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế Nó mở ra hướng mới trong ngành nhuộm, mang lại hiệu quả cao về kinh tế

Trang 4

1 Mục tiêu của đề tài:

- Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nhuộm thí nghiệm dạng cốc gia nhiệt bằng hồng ngoại cho phép lập trình thời gian, nhiệt độ nhuộm theo chu trình

- Máy nhuộm các mẫu nhỏ đều thỏa mãn tầm rộng yêu cầu của lĩnh vực nhuộm

và thử nghiệm trong môi trường sản xuất của công nghiệp dệt ngày nay

- Với thiết kế của máy chắc chắn, trong khi thao tác dễ dàng thuận tiện

- Máy nhuộm gia nhiệt bằng hồng ngoại có nhiều ưu điểm bao gồm:

+ Người sử dụng có thể tự thiết kế nhiều bước điều khiển

+ Cung cấp 6 vị trí đặt cốc nhuộm hiệu suất cao với dung tỉ thấp cho tất cả các loại chất nền

+ Hệ thống menu dễ điều khiển

+ Lưu trữ được chương trình nhuộm

+ Làm mát bằng không khí nên ít tác động xấu đến môi trường

+ Công nghệ hồng ngoại mới nhất tiết kiệm năng lượng, độ lặp lại, độ tái lặp công thức nhuộm cao, kiểm soát nhiệt độ chính xác

- Thay thế hàng nhập khẩu và trang bị cho xưởng sản xuất thực nghiệm - Phân Viện Dệt May tại TP.HCM

2 Nội dung nghiên cứu

- Nghiêm cứu tìm hiểu các công nghệ nhuộm

- Nghiên cứu tìm hiểu các nguyên lý máy và phương pháp gia nhiệt trong lĩnh vực nhuộm

- Nghiên cứu tìm hiểu các lọai thiết bị cùng lọai hiện có

- Nghiên cứu hệ thống điều khiển

- Nghiên cứu lập trình phần mềm

- Phân tích đánh giá và đề ra giải pháp

Trang 5

- Thiết kế chế tạo máy nhuộm thí nghiệm gia nhiệt bằng hồng ngoại

- Lắp ráp và cân chỉnh máy

- Chạy thử và kiểm tra hiệu chuẩn thiết bị

3 Mô tả phương pháp nghiên cứu

- Tra cứu thông tin mạng và tìm hiểu về các nguyên lý gia nhiệt trong qúa trình nhuộm

- Tra cứu thông tin mạng và tìm hiểu các thiết bị hiện có

- Tra cứu thông tin về các quy trình nhuộm mẫu

- Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị

- Nghiên cứu thiết kế và viết phần mềm điều khiển

- Kiểm tra, đánh giá kết quả

Trang 6

MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU

I NĂNG LƯỢNG HỒNG NGOẠI

1.1 Bức xạ hồng ngoại

Vào năm 1800 Nhà Thiên văn học, Sir William Herschel đã khám phá ra bức xạ hồng ngoại Ông đã tự chế tạo cho mình các kính thiên văn với ống kính và gương Ông biết rằng ánh nắng mặt trời có thể vẽ nên rất nhiều màu sắc bằng phổ của nó

và cũng là nguồn phát nhiệt Ông muốn biết cụ thể màu nào phát sinh nhiệt trong chùm ánh sáng mặt trời

Ông ta đã làm thí nghiệm với lăng kính, bìa giấy và nhiệt kế với bóng sơn đen

để đo lường nhiệt độ từ các màu sắc khác nhau Herschel quan sát sự gia tăng nhiệt

độ khi ông di chuyển nhiệt kế từ ánh sáng màu tím đến ánh sáng màu đỏ trong cầu vồng tạo ra bởi ánh sáng mặt trời qua lăng kính, ông đã phát hiện ra rằng, điểm nóng nhất thật sự nằm phía trên ánh sáng đỏ Bức xạ phát nhiệt này không thể nhìn thấy được, ông đặt tên cho bức xạ không nhìn thấy được này là “tia nhiệt” (calorific ray) mà ngày nay chúng ta gọi nó là tia hồng ngoại

Năng lượng hồng ngoại là một phần của phổ điện từ với các đặc tính tương tự như ánh sáng thông thường nhưng không nhìn thấy được Chúng có khắp không gian và di chuyển với tốc độ của ánh sáng, chúng có thể được phản xạ, khúc xạ, hấp thu và phát xạ

Hình 1: Màu sắc trong dãy bước sóng hồng ngoại

Trang 7

Hình 2 Bước sóng hồng ngoại

Hình 3: Biểu đồ năng lượng nhiệt theo từng bước sóng hồng ngoại

Bước sóng của bức xạ hồng ngoại nằm ở dãy có độ lớn trên bước sóng của ánh sáng thông thường từ 0,7 µm đến 1 mm

1.2 Phổ điện từ

Chúng ta biết rằng phát xạ hồng ngoại là dạng của phát xạ điện từ, chúng có bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng thông thường Các dạng khác còn lại của phát xạ điện từ bao gồm: tia X, tia cực tím,…Phát xạ điện từ được phân loại bằng bước sóng hay tần số

Trang 8

Phần ánh sáng thường của phổ điện từ vào khoảng 0,4 đến 0,75 µm Màu sắc

mà mắt ta thấy được vì ta có thể phân biệt được các bước sóng khác nhau trong khoảng này Phát xạ laser nằm trong khoảng 650 nm (0,65 µm), lúc này phát xạ sẽ

có màu đỏ

1.3 Năng lượng hồng sinh ra từ đâu

Tất cả các vật thể đều phát xạ hồng ngoại như là một đặc tính nhiệt độ của chúng Năng lượng hồng ngoại được tạo ra do rung động và chuyển động quay của nguyên tử và phân tử, nhiệt độ càng cao nguyên tử và phân tử chuyển động càng nhiều, càng tạo ra nhiều bức xạ hồng ngoại

Nhiệt hay năng lượng hồng ngoại là một loại ánh sáng không nhìn thấy được do bước sóng của nó quá dài mà mắt người không thể bắt được, đó là phần của phổ điện từ mà chúng ta biết như là nhiệt Không giống như ánh sáng thường có thể thấy được, trong thế giới hồng ngoại, mọi vật có nhiệt độ trên nhiệt độ không tuyệt đối đều phát xạ nhiệt, thậm chí những vật rất lạnh như băng đá cũng phát ra nhiệt Nhiệt độ càng cao thì bức xạ nhiệt hồng ngoại càng lớn

1.4 Hình thức truyền năng lượng sóng hồng ngoại

Là sự truyền năng lượng nhiệt dưới dạng sóng điện từ (sóng hồng ngoại) xuyên qua khoảng không Sóng bức xạ, giống như sóng radio nằm giữa sóng ánh sáng và sóng radar Vì vậy, khi nói đến sóng bức xạ, ta chỉ đề cập đến bức xạ hồng ngoại Nhiệt bức xạ không nhìn thấy được và không có nhiệt độ, thực chất là một dạng truyền năng lượng Chỉ khi tia bức xạ đập vào một bề mặt, năng lượng bức xạ mới sinh ra nhiệt làm cho bề mặt này nóng lên Các bề mặt này tiếp tục phát xạ xuyên qua không khí Chính bức xạ thứ cấp này là nguyên nhân gây ra sự nóng lên các vật xung quanh

Khái niệm trên có thể hình dung rõ hơn qua ví dụ sau:

Trang 9

Hình 4: Ví dụ hình thức truyền năng lượng hồng ngoại

Vào ngày nắng, nhiệt bức xạ từ mặt trời chiếu vào chiếc xe, đi xuyên qua lớp kính làm cho kính nóng lên Ngoài ra, mặt trời cũng làm cho phần vỏ xe nóng lên

và bức xạ tiếp vào bên trong xe Hệ quả là mọi thứ đều nóng

1.5 Ứng dụng năng lượng hồng ngoại

+ Đo nhiệt độ

Việc thu nhận và đo đạc tia hồng ngoại có thể giúp xác định nhiệt độ của vật

từ xa, nếu chúng là nguồn phát ra các tia thu được Kỹ thuật đo nhiệt độ bằng hồng ngoại được dùng chủ yếu trong quân sự, và ứng dụng công nghiệp

+ Truyền thông

Dùng để truyền tải thông tin trong mạng nhỏ Ví dụ như từ máy tính sang máy tính, máy tính sang điện thoại, điện thoại với điện thoại hoặc các thiết bị hiện đại gia dụng khác

+ Y học

Bức xạ hồng ngoại không có hại cho sức khỏe con người, hơn nữa chúng được ứng dụng để làm thiết bị chăm sóc sức khỏe (đèn hồng ngoại chữa sưng đau khớp, chữa trị vết thương …)

+ Phát nhiệt

Bức xạ hồng ngoại có bức xạ nhiệt mạnh nhất vì vậy được ứng dụng trong các thiết bị có nhiệt độ cao như lò sưởi, bếp nấu thức ăn, thiết bị sấy,… Bếp hồng ngoại ứng dụng nguyên lý bức xạ nhiệt của tia hồng ngoại, mặt bếp chính

Trang 10

là màn lọc "ánh sáng", chỉ cho tia hồng ngoại đi qua và phát nhiệt Do vậy bức

xạ hồng ngoại còn được gọi là tia nhiệt

1.6 Các lọai đèn hồng ngọai

a Đèn hồng ngoại sợi Cacbon

Hình 5: Đèn hồng ngoại sợi Cacbon

Đặc điểm kỹ thuật:

- Điện trở nhiệt và bề mặt nhiệt có thể chỉnh theo thiết kế đặt ra

- Quán tính nhịêt cao

- Tỷ lệ chuyển đổi nhiệt điện sang bức xạ hồng ngoại 97%

- Nhiệt độ đèn: 800-900 oC

- Điện áp:100-480v

- Công suất có thể điều chỉnh:100-3000w

- Tuổi thọ đèn cao 8000 giờ

b Đèn hồng ngoại Halogen

Hình 6: Đèn hồng ngoại Halogen

Trang 11

II CÁC LOẠI MÁY NHUỘM THÍ NGHIỆM HỒNG NGOẠI

Hiện nay trên thế giới có một số hãng sản xuất máy nhuộm thí nghiệm gia nhiệt bằng hồng ngoại như: Starlet (Hàn Quốc), Mathis (Thuỵ Sỹ), Ahiba (Mỹ), Rapid (Đài Loan), Roches (Anh),…

2.1 Máy nhuộm thí nghiệm gia nhiệt bằng hồng ngoại (Đài Loan)

Hình 7: Máy nhuộm hồng ngoại (Đài Loan)

Trang 12

Nguồn điện/công suất 380V-50Hz -3,5W

2.2 Máy nhuộm thí nghiệm gia nhiệt bằng hồng ngoại (Hàn Quốc)

Hình 8: Máy nhuộm hồng ngoại (Hàn Quốc)

Trang 13

Nguồn điện/công suất 400V-3pha (4,3kW)

2.3.Máy nhuộm thí nghiệm gia nhiệt bằng hồng ngoại (Mathis-Thụy Sỹ)

Hình 9: Máy nhuộm hồng ngoại (Mathis- Thụy Sỹ)

Trang 14

III Tìm hiểu các quì trình nhuộm thí nghiệm

3.1.Tìm hiểu qui trình nhuộm mẫu thí nghiệm vải (Polyestes 100%)

Qui trình nhuộm vải (Polyestes 100%): Nhiệt độ tăng và giảm(2- 2,5 oC/phút)

Hình 10: Sơ đồ qui trình nhuộm vải (Polyestes 100% )

Bảng 1: Thông số qui trình nhuộm vải( Polyestes 100%)

(phút)

Nhiệt độ ( o C)

(Thời gian)

Trang 15

STT Trình tự Thời gian

(phút)

3.2.Tìm hiểu qui trình nhuộm mẫu thí nghiệm vải (Cotton 100%)

Qui trình nhuộm vải (Cotton 100%): Nhiệt độ tăng và giảm 1 oC/phút

Hình 11: Sơ đồ qui trình nhuộm vải (cotton 100%)

40oC

60oC

40oC

30p 10p

Trang 16

Bảng2: Thông số qui trình nhuộm vải (cotton 100%)

(phút)

IV Phương pháp gia nhiệt và truyền nhiệt

Có rất nhiều cách gia nhiệt như gia nhiệt bằng điện trở, dầu, ga, hoặc dùng hơi quá nhiệt …để nung sôi nước truyền nhiệt vào bên trong cốc nhuộm, nhưng nước nhiệt độ sôi chỉ đạt 100 oC (ở áp suất 1at), do vậy nó không thể nhuộm thí nghiệm mẫu cho máy nhuộm cao áp

+ Để khắc phục nhược điểm trên dùng chất trung gian để truyền nhiệt vào cốc nhuộm là dầu Glycerin, nhưng nhược điểm của dầu là khó vệ sinh máy, thải ra ngòai gây ô nhiễm môi trường, ăn mòn cốc nhuộm và quán tính nhiệt cao

+ Năng lượng hồng ngọai là giải pháp tốt nhất, nó đáp ứng và lọai bỏ tất các nhược điểm hai phương pháp trên Ngày nay năng lượng hồng ngọai được xem là năng lượng xanh vì chúng không gây ô nhiễm môi trường, không ăn mòn kim lọai, bức xạ hồng ngoại không tác hại đến con người

Trang 17

Hình 12:Bức xạ đèn hồng ngoại Hình 12 mô tả phương pháp gia nhiệt bằng đèn hồng ngoại, sử đèn hồng ngọai phát ra bức xạ hồng ngoại đập vào một bề mặt, năng lượng bức xạ mới sinh ra nhiệt làm cho bề mặt này nóng lên Các bề mặt này tiếp tục phát xạ xuyên qua không khí Chính bức xạ thứ cấp này là nguyên nhân gây ra sự nóng lên các vật xung quanh Đây chính là phương pháp nghiên cứu ứng dụng và chế tạo máy nhuộm thí nghiệm gia nhiệt bằng hồng ngoại

Trang 18

CHƯƠNG 2 : THỰC NGHIỆM

I.THIẾT KẾ MÁY

1.1 Sơ đồ nguyên lý máy nhuộm thí nghiệm

Hình 13: Sơ đồ nguyên lý máy nhuộm thí nghiệm

1 : Bộ truyền tín hiệu nhiệt độ

2 : Motor

3 : Quạt ly tâm

4 : Cốc nhuộm

5 : Cốc gắn sensor đo nhiệt độ

6 : sensor đo nhiệt độ

Trang 19

2.2 Thiết kế phần cơ khí

2.2.1 Thiết kế thân máy

Hình 14:Hình thiết kế máy nhuộm thí nghiệm

- Khung máy được thiết kế thép định hình

- Bên trong buồng nhuộm inox 304

- Vỏ bên ngoài thép tấm được sơn tĩnh điện

- Máy thiết kế 6 vị trí đặt cốc nhuộm, cốc nhuộm được thiết thép không gỉ chịu hóa chất và áp lực

750 mm

630 mm

850 mm

Trang 20

2.2.2 Thiết kế cốc nhuộm

1 Cốc nhuộm

Hình 15: Các chi tiết cốc nhuộm

- Cốc nhuộm được thiết kế làm việc trong môi trường hóa chất, chọn thép không gỉ và chịu hóa chất

- Nhiệt độ bên trong cốc nhuộm thiết kế đạt tới 150oC, trong bảng 3 thì áp suất bên trong cốc 5 bar Do đó cốc được thiết kế chịu áp suất được gấp (1,5-2 lần) áp suất làm việc

Trang 21

Bảng 3: Nước và hơi nước bảo hòa (theo áp suất)

2 Tính toán thiết kế cốc nhuộm

Vì cốc nhuộm thường tiếp xúc với hóa chất và phải chịu được áp suất khi

làm việc nên chọn loại thép không gỉ (inox 304)

Các thông số đặc trưng của thép

- Khối lượng riêng : ρ = 7,85 kg/dm3

- Nhiệt độ nóng chảy : tc = 1400 ÷ 1500 oC

- Hệ số dẫn nhiệt: 46,5÷58,1w/m oC

a.Tính bề dày thân cốc nhuộm

Trong một thân trụ có lắp đáy và nắp làm việc với ứng suất trong thì nó chịu tác dụng của ứng suất vòng, ứng suất chiều trục và ứng suất hướng kính

Ứng suất vòng và ứng suất chiều trục gây ra sự kéo, còn ứng suất hướng kính gây ra nén Ứng suất chiều trục phân bố đều theo chiều dày thân

σM = p

2 2 2

t n

t R R

R

 (ct 1)

Trong đó p : ấp suất làm việc bên trong thiết bị, N/mm2

Rn và Rt : bán kính ngoài và bán kính trong thân trụ, mm

Trang 22

Ứng suất hướng kính có giá trị lớn nhất ở mặt trong của thân trụ và bằng giá trị của áp suất:

σr =- p (ct 2)

còn ứng suất ở mặt ngoài thân thì bằng không (σr =0)

Ứng suất vòng có giá trị lớn nhất ở mặt trong của thân trụ bằng:

σK*t = p 2 2

2 2

t n

t n R R

R R



 (ct 3)

còn mặt ngoài của thân, ứng suất vòng bằng:

σK*n = p 2 2

2

t n

t R R

R

 (ct 4) Như vậy giá trị lớn nhất trong ba loại ứng suất là ứng suất vòng và nó có giá trị lớn nhất ở mặt trong của thiết bị

Hiện nay, trong lĩnh vực thiết kế thiết bị cao áp người ta dùng phổ biến thuyết bền năng lượng

Theo thuyết bền năng lượng, ứng suất tương đương bằng:

Trong đó:[σ]- ứng suất cho phép, N/mm2

Rt - bán kính trong thân trụ, thiết kế (24 mm)

p - áp suất thiết kế cốc nhuộm cao áp 10 bar tương đương 1N/mm2

C - hệ số bổ sung do ăn mòn, mm Thép chọn gia công cốc nhuộm có độ bền cấp 4 (0,01÷0,05) mm/năm chủ yếu là do ăn mòn hóa học và cơ học của môi trường Tuổi thọ thiết kế thiết bị 10 năm

γ - hệ số bền của mối hàn, vì phương pháp hàn giáp mối một phía (γ =0,8)

Trang 23

Ứng suất cho phép phụ thuộc vào giới hạn chảy của vật liệu ở nhiệt độ làm việc

<1,5 thì tính theo công thức thiết bị vỏ mỏng Vì vậy phải tính

bề dày của thân tính như sau:

Bảng 4:Thông số thép không gỉ SUS304 (theo tiêu chuẩn JIS 4303-91)

Ứng suất uống cho phép [σu] 137 MPa

Để an toàn chọn hệ số an toàn theo giới hạn chảy nc = 2,5 tra bảng tìm ứng suất chảy của thép bảng 4

[σ] =

5 , 2

205 = 82 MPa = 82 N/mm2

Thay các giá trị vào (ct 7)