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

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
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

TRSI 12
Model: RHS-24
Thề tích cốc nhuộm 250 ml
Hệ thống sưởi Bức xạ hồng ngoại
Làm mát 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
Trọng lượng 165kg
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)

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 Bức xạ hồng ngoại
Làm mát 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 PT100

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

C/phút)






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


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

STT Trình tự Thời gian
(phút)
Nhiệt độ
(
o
C)
01 Khởi động - 30
t
o
C
t

100
o
C
130
o
C

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 - -

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
o
C/phút








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





40
o
C
60
o
C
40
o
C
30p
10p
1

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 - -

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
o
C (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.
TRSI 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.

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

4

5

8

6

7

TRSI 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
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

không gỉ và chịu hóa chất .
- Nhiệt độ bên trong cốc nhuộm thiết kế đạt tới 150
o
C, 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.
Ốc giữ nắp
Ngàm gi
ữ
N
ắp cốc

roong n
ắp

Thân c
ốc
TRSI 21
Bảng 3: Nước và hơi nước bảo hòa (theo áp suất)
Áp suất
P (bar)
Nhiệt độ
t (
o
C)
Áp suất
P (bar)
Nhiệt độ
t (
o

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

2
2
tn
t
RR
R

(ct 1)
Trong đó p : ấp suất làm việc bên trong thiết bị, N/mm
2

R
n
và R
t
: bán kính ngoài và bán kính trong thân trụ, mm

TRSI 22
Ứng suất hướng kính có giá trị lớn nhất ở mặt trong của thân trụ và bằng giá
trị của áp suất:
σ
r
=- 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:
σ
K*t
= p
22
22

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

2
1
rMMKKr


≤ [σ ] (ct 5)
Thay ứng suất tương đương bằng ứng suất cho phép, thay các giá trị của
công thức ct1,2,3 vào ct 5. Sau khi biến đổi ta được công thức để xác định bề
dày thân thiết bị cao áp như sau:
S = R
t



 

C
p


1
73,1


(ct 6)
Trong đó:[σ]- ứng suất cho phép, N/mm
2
.
R
t

- 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




 

C
p


1
2


(ct 7)
Bảng 4:Thông số thép không gỉ SUS304 (theo tiêu chuẩn JIS 4303-91)
Mô đun đàn hồi E 2,1×10
5
MPa
Ứng suất bền σ
b
520 MPa
Ứng suất chảy σ
c
205 MPa
Ứng suất uống cho phép [σ
u
] 137 MPa
Ứng suất cắt cho phép [τ] 78 MPa
Để an toàn chọn hệ số an toàn theo giới hạn chảy n
c
= 2,5 tra bảng tìm ứng suất
chảy của thép bảng 4.
[σ] =

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




TRSI 24
Trong đó: p - áp suất tính toán, 1N/mm
2

K - hệ số tùy thuộc vào kết cấu của đáy, kết cấu hàn đáy (K =0,5)
D
t
– đường kính trong cốc nhuộm (48 mm)
S = 48
 
05,010
82
5,01


= 4,3 mm
c.Tính bề dày nắp cốc nhuộm.
Bề dày của nắp phẳng của cốc nhuộm tính công thức sau:
S = D
t
 
C
p


178,0

= 48
 
05,010

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

dày
nắp
(mm)

Thể
tích
(ml)
Chiều
cao
(mm)
Đường
kính
trong
(mm)
Đường
kính
ngoài
(mm)
Nhiệt
độ cao
nhất
(
o
C)
10 5 0,9 4,3 3 250 137 48 49,8 150
o
C


.

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

BLK_K
HEATER
DB 9
FAN
1 2
START
BLK_A
220VAC
PT100
TRANSMITTER
4-20 mA
15VAC
AGND
12V
15VAC
STOP
N
STOP
1 2
12V
T1
15VAC X 2
1 5
4 8
16 KEYPAD
0V
FW
MAY NHUOM IR
MAIN BOARD
KEYBOARD

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

START
1 2
SPEED
COUNTER
0V
IR
HEATER
9VAC
N
15VAC
GND1
LINE1
T1
15VAC
1 5
4 8
AC
INVERTER
SSR 3
RS232
SOUND ALM
15VAC
W
4 FUNC
AGND
TEMP. INPUT
15VAC
15VAC
0
DOOR

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.