TRSI 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:
Lê Đại Hưng Kỹ sư điện –điện tử
Nguyễn Văn Chất Kỹ sư cơ khí
Lê Hồng Tâm Kỹ sư dệt
Trịnh Thành Trung Kỹ sư cơ khí chế tạo máy 5/ TP. Hồ Chí Minh – Tháng 12 năm 2010 TRSI 2
MỤC LỤC


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.
TRSI 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

- Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị.
- Nghiên cứu thiết kế và viết phần mềm điều khiển.
- Kiểm tra, đánh giá kết quả.

TRSI 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

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:

TRSI 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

- 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
TRSI 11
Đặc điểm kỹ thuật.
- Khối lượng đèn nhẹ.
- Sinh nhiệt rất nhanh, năng suất bức xạ nhiệt 90% .
- Quán tính nhịêt thất.
- Tuổi thọ đèn khỏang 5.000 giờ.
- Nhiệt độ: 250 - 300
o
C.
- Công suất: 300- 2500 w.
- Điện áp: 120-240 v.
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)

Đặc điểm kỹ thuật
Model: RHS-24
Nhiệt độ cao nhất 140°C
Độ chính xác ±1°C
Số lượng cốc 24

Bộ nhớ chương trình nhuộm 50
Trọng lượng 80 kg
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)

Đặc điểm kỹ thuật
Model: THN36
Nhiệt độ cao nhất 140°C
Độ chính xác ±1°C
Số lượng cốc 24
Thề tích cốc nhuộm 150ml, 300ml, 450ml
Hệ thống sưởi Bức xạ hồng ngoại
TRSI 14
Model: THN36
Làm mát Không khí lạnh
Tăng/giảm nhiệt độ 0,2 - 4°C/phút
Tốc độ quay 0-60 vòng/phút
Điều khiển tốc độ quay Inverter
Sensor nhiệt PT100
Chế độ baỏ vệ quá nhiệt có
Trọng lượng 160 kg
Nguồn điện/công suất 220v/3,5kw

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
o

60
o
C
50p
10p
2,5
o
C/p
2,5
o
C/p
2,5
o
C/p
(Nhiệt độ)
(Thời gian)
TRSI 15
STT Trình tự Thời gian
(phút)
Nhiệt độ
(
o
C)
02 Gia nhiệt 30 100
03 Giữ nhiệt độ 10 100
04 Gia nhiệt 15 130
05 Giữ nhiệt độ 50 130
06 Làm mát 30 60
07 Kết thúc - -


o
C/p
1
o
C/p
1
o
C/p
t
o
C
t

(Thời gian)
(Nhiệt độ)
TRSI 16
Bảng2: Thông số qui trình nhuộm vải (cotton 100%)
STT Trình tự Thời gian
(phút)
Nhiệt độ
(
o
C)
01 Khởi động - 30
02 Gia nhiệt 5 40
03 Giữ nhiệt độ 10 40
04 Gia nhiệt 20 60
05 Giữ nhiệt độ 30 60
06 Làm mát 20 40
07 Kết thúc - -


TRSI 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
7 : Đèn hồng ngoại
8 : Encorder

1

2

3


- 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
TRSI 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

C)
1,0 99,64 4,0 143,62
1,5 111,38 4,5 147,92
3,5 138,88 5,0 151,84
( Bảng 3 được trích từ Nhiệt Động Lực Học Kỹ Thuật –Hoàng Đình Tín- Lê Chí
Hiệp-Xuất bản 1997)
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/dm
3

- Nhiệt độ nóng chảy : t
c
= 1400 ÷ 1500
o
C
- Hệ số dẫn nhiệt: 46,5÷58,1w/m
o
C
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.
σ
M
= p
2

tn
tn
RR
RR


(ct 3)
còn mặt ngoài của thân, ứng suất vòng bằng:
σ
K*n
= p
22
2
2
tn
t
RR
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:
σ
td
=
     
222

- bán kính trong thân trụ, thiết kế (24 mm).
p - áp suất thiết kế cốc nhuộm cao áp 10 bar tương đương 1N/mm
2

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).
TRSI 23
Ứng suất cho phép phụ thuộc vào giới hạn chảy của vật liệu ở nhiệt độ làm việc
[σ] =
c
c
n

với n
c
= 2,5÷1,9 là hệ số an toàn theo giới hạn chạy.
Nếu tỷ số β =
t
n
D
D
<1,5 thì tính theo công thức thiết bị vỏ mỏng. Vì vậy phải tính
bề dày của thân tính như sau:
S = R
t




5,2
205
= 82 MPa = 82 N/mm
2
Thay các giá trị vào (ct 7)
S = 24



 

05,0101
12828,0
828,0




= 0,9 mm
b.Tính bề dày đáy cốc nhuộm.
Bề dày của đáy tròn tính theo công thức sau:
S = D
t
 
C
Kp





82
1178,0


= 3 mm
(Các công thức, thông số được trích và lấy từ sách THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN
CÁC CHI TIẾT THIẾT BỊ HÓA CHẤT –HỒ LÊ VIÊN –Nhà xuất bản khoa học và
kỹ thuật Hà Nội 1978)
d. Bảng thông số cốc nhuộm.
Bảng 5:Thông số cốc nhuộm
Ấp
suất
thiết
kế
(bar)
Ấp
suất
làm
việc
(bar)
Bề
dày
thân
(mm)

Bề
dày
đáy
(mm)
Bề

TRSI 25

Hình 16: Cốc nhuộm sau khi gia công

II. Thiết kế hệ thống điện điều khiển.
2.1. Sơ đồ điện điều khiển.
9VAC
PC-COMPUTER
COM1
AN0
BK1
9VAC
OUT
15VAC
15VAC
N
15VAC
220VAC
N
BLK_A
220VAC
L
LCD
BEAKER
MOTOR
9VAC
15A CB1 POWER
1 2
V
L

PT100 PROBE
15VAC
V
15VAC
N
10V
0V
W
BLK_K
15VAC
IN
L
FAN
MOTOR
KEYBOARD
OUT
ALM
20 PIN IDC
0V
SSR 1
10V
0
BK
LINE 1
GND112VDC
N L
0
LCD 240 X 128
10 PIN IDC
U

U
FW1
GND
T1
9VAC
1 5
4 8
DOOR
1 2
9VAC
4 FUNC
KEYPAD
9VAC
SSR 2

Hình 17: Sơ đồ điện điều khiển

2.2. Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển.