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 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 TRSI 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. 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 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. TRSI 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. 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 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 TRSI 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. TRSI 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: 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 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 TRSI 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 o C. - 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 [...]... 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 TRSI 18 CHƯƠNG 2 : THỰC NGHIỆM I.THIẾT KẾ MÁY 1.1 Sơ đồ nguyên lý máy nhuộm thí nghiệm 7 5 6 1 4 8 2 3 Hình 13: Sơ đồ nguyên lý máy nhuộm. .. 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 TRSI 19 2.2 Thiết kế phần cơ khí 2.2.1 Thiết kế thân máy 850 mm 630 mm 750 mm 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... (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 TRSI 12 Model: RHS-24 Thề tích cốc nhuộm Hệ thống sưởi Làm mát 250 ml Bức xạ hồng ngoại Không khí Tăng/giảm nhiệt độ 0,5 - 4°C/phút Tốc độ quay 5-70 vòng/phút Điều khiển nhiệt độ PLC Sensor nhiệt PT100... 1oC/p 40 oC (Thời gian) Hình 11: Sơ đồ qui trình nhuộm vải (cotton 100%) t TRSI 16 Bảng2: Thông số qui trình nhuộm vải (cotton 100%) STT Trình tự Thời gian Nhiệt độ (phút) (oC) 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 - - IV Phương pháp gia nhiệt và truyền nhiệt Có rất nhiều cách gia nhiệt như gia nhiệt bằng điện trở,... trình nhuộm Trọng lượng Nguồn điện/công suất 50 80 kg 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 Hệ thống sưởi 150ml, 300ml, 450ml Bức xạ hồng ngoại TRSI 14 Model: THN36 Làm mát Không khí lạnh Tăng/giảm nhiệt. .. 2.2 Máy nhuộm thí nghiệm gia nhiệt bằng hồng ngoại (Hàn Quốc) Hình 8: Máy nhuộm hồng ngoại (Hàn Quốc) Đặc điểm kỹ thuật Model: 323E Nhiệt độ cao nhất 140°C Độ chính xác ±1°C Số lượng cốc 20 Thề tích cốc nhuộm 100ml, 150ml, 200ml TRSI 13 Model: 323E Hệ thống sưởi Làm mát Bức xạ hồng ngoại Nước lạnh Tăng/giảm nhiệt độ 0,2 - 4°C/phút Tốc độ quay 0-50 vòng/phút Điều khiển tốc độ quay Inverter Sensor nhiệt. .. trình nhuộm vải( Polyestes 100%) STT Khởi động Thời gian Nhiệt độ (phút) 01 Trình tự (oC) - 30 t TRSI 15 STT Trình tự Thời gian Nhiệt độ (phút) (oC) 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 - - 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 t oC (Nhiệt. .. 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 oC - 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),... 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 TRSI 20 2.2.2 Thiết kế cốc nhuộm 1 Cốc nhuộm Ốc giữ nắp Ngàm giữ Nắp cốc roong nắp Thân cốc 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... thời gian nhiệt độ trong cốc nhuộm đạt 150 oC là 31 phút Nhiệt lượng cung cấp cho 1 cốc nhuộm Q1c=(MH2O×CH2O)×( Tn – Tl) = (0,165×4200))×(150-29)/1000 = 83,9 kJ + Máy nhuộm thiết kế 12 vị trí đặt cốc nhuộm Q12c= Q 1cx 12 = 83,9 x 12 = 1006,2 kJ  Nhiệt lượng cần thiết gia nhiệt buồng nhuộm và cốc nhuộm từ 29oC lên 150oC Qbc= Q 1c=(Mbc×Cinox)×( Tn – Tl) = (57,2×460)×(150-29)/1000 = 3183,8 kJ  Nhiệt . pháp nghiên cứu ứng dụng và chế tạo máy nhuộm thí nghiệm gia nhiệt bằng hồng ngoại. TRSI 18 CHƯƠNG 2 : THỰC NGHIỆM I.THIẾT KẾ MÁY. 1.1 Sơ đồ nguyên lý máy nhuộm thí. có. - Nghiên cứu hệ thống điều khiển. - Nghiên cứu lập trình phần mềm. - Phân tích đánh giá và đề ra giải pháp. TRSI 5 - Thiết kế chế tạo máy nhuộm thí nghiệm gia nhiệt bằng hồng ngoại. . 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