Tiểu luận cuộc thi nghiên cứu khoa học eureka đề tài phân tích sự tối ưu làm sạch quần báo bằng sóng siêu âm và nước nóng

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN Báo Cáo Tiểu Luận Cuộc Thi Nghiên Cứu Khoa Học EUREKA Đề Tài PHÂN TÍCH SỰ TỐI ƯU LÀM SẠCH QUẦN BÁO BẰNG SÓNG SIÊU ÂM VÀ NƯỚC NÓNG S[.]

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

Báo Cáo Tiểu Luận Cuộc Thi Nghiên Cứu Khoa

Học EUREKA

Đề Tài:

PHÂN TÍCH SỰ TỐI ƯU LÀM SẠCH QUẦN BÁO BẰNG

SÓNG SIÊU ÂM VÀ NƯỚC NÓNG

1 Lê Đăng Hòa 19456121

2 Hoàng Văn Khanh

3 Vũ Trọng Anh

4 Phạm Anh Dũng

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022

Mục Lục

I Đặt vấn đề 3

II Tổng quan tài liệu 3

1 Khái niệm máy giặt 3

2 Khái niệm sóng siêu âm 4

3 Các phương pháp làm sạch quần áo hiện nay 5

4 Phương pháp cải tiến 6

III Cấu Tạo Và Chức Năng 6

1 Máy phát điện rung 6

2 Cảm biến rung 7

3 Cảm biến nhiệt độ 8

4 Bộ điều khiển nhiệt độ Arduino Nano 9

5 Điện trở nh 10

5 Nguyên lý hoạt động và phương pháp làm sạch của bộ phát sóng siêu âm 11

6 Nguyên lý hoạt động làm sạch quần áo bằng nước nóng 12

IV Kết quả - thảo luận 13

V Kết quả - đề nghị 14

1 Hạn chế 14

2 Ưu điểm 14

3 Khuyến Nghị 14

VI Tài liệu tham khảo 15

PHÂN TÍCH SỰ TỐI ƯU LÀM SẠCH QUẦN BÁO BẰNG

SÓNG SIÊU ÂM VÀ NƯỚC NÓNG

I Đặt vấn đề

Bước sang thế kỉ XXI, kinh tế ngày càng phát triển, để hội nhập với thị trường trong nước cũng như quốc tế, nhu cầu của con người ngày càng tiến bộ Con người ngày càng được tiếp xúc với các máy móc hiện đại, còn máy móc cũ , công nghệ lạc hậu

sẽ bị dào thải Khi quần áo ra đời thì cũng là lúc con người cần nghĩ cách làm sạch quần áo, ban đầu giặt quần áo bằng tay và bàn chà Nhưng sau đó vào thế kỉ 18, chiếc máy giặt đầu tiên ra đời, từ đó, chúng ta tiếp tục ngiên cứu và cải tiến tới tận bây giờ Có thể nói nhu cầu sử dụng máy giặt của Việt Nam và thế giới là rất lớn và

có thể không bao giờ lỗi thời.Nhưng hiện nay giá thành máy giặt tại Việt Nam chúng

ta vẫn còn khá đắt và cồng kềnh nên chưa thể hướng tới những tầng lớp bình dân và chưa thể thay đổi thói quan của họ về vấn đề giặt quần áo Chính vì thế, ngành công nghiệp giặt được nâng cao, làm sạch bằng sóng siêu âm, và dùng nhiệt để làm sạch quần áo Đề tài nhóm em chọn là “Máy giặt siêu âm kết hợp nhiệt” Giải pháp này có thể giúp mọi người có thể tiếp cận khoa học tiên tiến hơn, tối ưu hơn và giúp khách hàng có thêm nhiều sự lựa chọn về máy giặt

II Tổng quan tài liệu

III Khái niệm máy giặt

Theo Wikipedia, Máy giặt là một thiết bị gia đình được sử dụng để giặt đồ giặt Thuật ngữ này chủ yếu được áp dụng cho các máy sử dụng nước thay vì giặt khô (sử dụng chất lỏng làm sạch thay thế và được thực hiện bởi các doanh nghiệp chuyên nghiệp) hoặc chất tẩy rửa siêu âm Người dùng thêm hóa chất giặt tẩy, có thể ở dạng lỏng hoặc bột, vào ngăn đựng nước giặt của máy

Bằng sáng chế đầu tiên thuộc danh mục Máy giặt được cấp năm 1691 tại Anh.Bản

vẽ của một chiếc máy giặt thời kỳ đầu đã xuất hiện trong tháng 1 năm 1752 của The Gentleman's Magazine, một ấn phẩm của Anh Thiết kế máy giặt Jacob Christian Schäffer được xuất bản năm 1767 tại Đức

Năm 1782, Henry Sidgier đã cấp bằng sáng chế của Anh cho máy giặt trống quay và vào những năm 1790, Edward Beetham đã bán rất nhiều cỗ máy có tên là "patent washing mills" ở Anh Một trong những cải tiến đầu tiên trong công nghệ máy giặt là

sử dụng các thùng chứa hoặc bồn chứa có rãnh, ngón tay hoặc mái chèo để giúp chà

và chà xát quần áo Người sử dụng máy giặt sẽ sử dụng một cây gậy để ấn hoặc xoay quần áo dọc theo các mặt có kết cấu của chậu hoặc thùng chứa, khuấy trộn quần

áo để loại bỏ bụi bẩn và bùn đất Công nghệ máy xoay thô này được cung cấp năng lượng bằng tay, nhưng thực sự vẫn hiệu quả hơn so với giặt tay

Nhiều tiến bộ đã được thực hiện đối với công nghệ máy giặt ở dạng thiết kế trống quay Về cơ bản, các bằng sáng chế thiết kế ban đầu này bao gồm một máy giặt trống được quay bằng tay để làm cho trống gỗ xoay Mặc dù công nghệ này đủ đơn giản, nhưng nó là một cột mốc quan trọng trong lịch sử của máy giặt, vì nó đưa ra ý tưởng về trống giặt "chạy bằng điện" Khi trống kim loại bắt đầu thay thế trống gỗ truyền thống, nó cho phép trống quay trên ngọn lửa mở hoặc buồng lửa kín, tăng nhiệt độ nước để giặt sạch hơn.Mãi đến thế kỷ 19, năng lượng hơi nước mới xuất hiện trong các thiết kế máy giặt Năm 1862, một "máy giặt quay hỗn hợp đã được cấp bằng sáng chế, với các con lăn để vắt hoặc cán là vải" của Richard Lansdale ở Pendleton, Manchester, đã được trưng bày tại Triển lãm Luân Đôn 1862 Bằng sáng chế đầu tiên tại Hoa Kỳ ghi "Clothes Washing" đã được cấp cho Nathaniel Briggs của New Hampshire vào năm 1797 Vì vụ cháy Văn phòng Cấp bằng sáng chế năm 1836, không có mô tả nào về thiết bị còn tồn tại Phát minh ra máy giặt cũng được gán cho Watervliet Shaker Village vì bằng sáng chế đã được cấp cho Amos Larcom của Watervliet, New York, vào năm 1829, nhưng không chắc chắn rằng Larcom là Shaker

Một thiết bị kết hợp máy giặt với cơ chế vắt không xuất hiện cho đến năm 1843, khi John John Turnbull của Saint John, New Brunswick được cấp bằng sáng chế "Máy giặt quần áo có con lăn Wringer" During the 1850s, Nicholas Bennett from the Mount Lebanon Shaker Society at New Lebanon, New York, invented a "wash mill", but in 1858 he assigned the patent to David Parker of the Canterbury Shaker Village, where it was registered as the "Improved Washing Machine"

Theo một cách dễ hiểu,máy giặt là thiết bị được thiết kế có lập trình phần mềm để thực hiện các công việc như sau: cho nước, ngâm, giặt, xả nước (giũ), vắt khô quần

áo Một số loại máy giặt hiện đại có thể bao gồm cả tính năng sấy và là quần áo Nguồn năng lượng cung cấp cho máy giặt là điện năng

IV Khái niệm sóng siêu âm

Siêu âm hay sóng siêu âm, có nguồn gốc từ các từ tiếng Latinh “ultra” có nghĩa là vượt ra ngoài và “sonic”, nghĩa là âm thanh Đây là một thuật ngữ dùng để mô tả các sóng âm thanh rung động nhanh hơn mức tai người có thể phát hiện được Đặ

Siêu âm có tần số cụ thể hoặc số lần dao động trong một giây Con người có thể phát hiện âm thanh trong dải tần từ 20Hz đến 20 KHz Tuy nhiên, dải tần số thường được

sử dụng trong phát hiện siêu âm là 100 KHz đến 50MHz Vận tốc của siêu âm tại một thời điểm và nhiệt độ cụ thể là không đổi trong một môi trường

V Các phương pháp làm sạch quần áo hiện nay

+) Phương pháp giặt khô

Là phương pháp giặt sử dụng dung môi làm dung dịch giặt khô Thay vì sử dụng dung dịch hòa tan bởi nước và xà phòng, người ta dùng dung môi - một loại hóa chất chuyên dụng

Giặt khô giúp giặt sạch quần áo mà không bị bay màu cũng như bị nhăn, giữ màu quần áo sáng như mới Bạn có thể giặt các loại quần áo khó nhằn như chất liệu da, quần áo vest, nhung, lụa mà cách giặt truyền thống với nước và bột giặt thông thường, nhưng nó không đảm bảo được chất lượng ban đầu của quần áo

Ưu - Nhược điểm của phương pháp giặt khô

Các thiết bị giặt khô thường có thành phần cấu tạo cũng như quá trình vận hành tương đối phức tạp Giặt khô thường tốn nhiều nguyên liệu hơn, đòi hỏi bạn phải theo dõi sát sao quá trình giặt

Tuy nhiên, giặt khô giúp bạn dễ dàng loại bỏ các vết bẩn cứng đầu dính trên quần áo như dầu mỡ, xăng, sốt cà chua, mà không phai màu hoặc mất phom dáng của quần

áo Đây là một ưu điểm của giặt khô so với cách giặt ướt mà bạn vẫn thường áp dụng

+) Phương pháp giặt ướt

Giặt ướt chính là cách làm sạch quần áo bởi sự kết hợp giữa hoá chất, nước Sau khi loại bỏ vết bẩn, ố vàng, quần áo sẽ được xả lại với nước rồi vắt cho khô

Ưu - Nhược điểm của phương pháp giặt ướt

Cách giặt ướt truyền thống thông thường sẽ đơn giản hơn, không cần phải liên tục theo dõi quá trình giặt Bạn chỉ cần bấm máy theo đúng mức độ giặt mong muốn và chờ cho đến khi máy giặt xong là được

Cách vận hành tương đối đơn giản nên cách giặt ướt thường sẽ tiết kiệm cho bạn nhiều chi phí hơn so với cách giặt khô Giặt ướt thân thiện với môi trường hơn vì cách giặt này sẽ giúp bạn đơn giản hoá các hoá chất cần sử dụng và không mang tính độc hại

Tuy nhiên, khả năng tẩy giặt của giặt ướt thường kém hơn so với phương pháp giặt khô Bên cạnh đó, cách giặt ướt truyền thống khiến quần áo dễ bị hư hỏng, mất phom dáng ban đầu

VI Phương pháp cải tiến

Công nghệ siêu âm sẽ phát ra một dải âm thanh với tần số 20khz-40khz Đây là khoảng âm thanh con người không thể nghe được Công nghệ sóng siêu âm mang không chỉ mang hiệu quả giặt sạch vượt trội mà còn tiết kiệm lượng bột giặt lên đến 50% so với máy giặt thông thường Theo đó, khi máy giặt hoạt động, mâm giặt sẽ sinh ra các bọt khí, các bọt khí này trong quá trình quay của mâm giặt sẽ vỡ ra tạo thành luồng sóng siêu âm một cách tự nhiên.Quy trình này cứ tiếp tục diễn ra không ngừng, tạo ra hàng triệu bọt khí trong mỗi phút tạo thành những luồng sóng siêu âm hoạt động mạnh mẽ giúp bột giặt hòa tan đều trong nước, từ đó thấm sâu hơn vào từng sợi vải, cho hiệu quả giặt sạch đáng kể, hạn chế hiện tượng nhăn nhúm hay co rút không cần thiết

Hơn thế nữa tùy theo quần áo sẽ cung cấp một nhiệt độ nước cấp vừa đủ nhiệt vào để giúp quần áo dễ dàng được giặt sạch hơn, hòa tan bột giặt tốt hơn và khử vi khuẩn trên quần áo

Kết hợp 2 công nghệ này sẽ giúp chúng ta giặt thoải mái mà không lo áo quần không

bị nhăn, dễ hư hỏng như đồ len, quần áo đính các hạt,quần áo đắt tiền Đây là những thứ mà máy giặt thông thường không thể làm được

VII Cấu Tạo Và Chức Năng

Để hoàn thành được một chiếc máy giặt siêu âm hoàn chỉnh có thể giặt sạch được mọi loại vết bẩn, chúng ta cần phải sử dụng đến bộ phát sóng siêu âm nhằm giúp lượng sóng vừa đủ để giặt sạch mọi vết bẩn Vậy nên sau đây nhóm đã nghiên cứu

về các thiết bị được dụng để chế tạo ra bộ phát sóng siêu âm và chức năng của từng thiết bị này

1 Máy phát điện rung

Bộ tạo rung dựa trên bộ phản ứng piezoactuators với khả năng điều chỉnh tần số dưới hoạt động ngoại tuyến, được sử dụng do tạo ra rung động trong nước của máy giặt

Bộ truyền động máy giặt này (trong đó đã được đánh giá thuật toán và cảm biến được thiết kế trong bài báo này) được cung cấp bởi người chịu trách nhiệm và nhà thiết kế của máy rửa siêu âm dự án, kỹ sư Benjamín Barriga, cũng là một trong những đồng tác giả của bài báo này Do đó, đề xuất tối ưu hóa trong nghiên cứu này được đảm bảo bởi một nguồn rung động đã được điều chỉnh từ 0Hz đến 45 kHz và được thể hiện trong hình

Hình 1: Máy phát điện rung

Đầu dò siêu âm

Kích thước gốm sứ 35 * 15 * 5

Máy phát điện PCB siêu âm

Kích thước 52cm * 34,5cm * 17cm (chiều dài *

chiều rộng * chiều cao) Tổng trọng lượng: 2kg

2 Cảm biến rung

Để đo độ rung lan truyền trên mặt nước để giặt rửa vải, người ta sử dụng một cảm biến rung, được hiển thị trong hình Phạm vi hoạt động của cảm biến này là từ 0 Hz đến 100 kHz trong quá trình truyền tải tương đương từ 0V đến 5 V

Hình 2: cảm biến rung

Cảm biến rung màng Piezo, tương thích với Arduino Cảm biến này có khả năng phát hiện rung động, linh hoạt, va chạm và cảm ứng

Thông số kỹ thuật

Chế độ giao diện Gravity 3-pin Giao diện Analog và kỹ thuật số Chiết áp để điều chỉnh độ nhạy của giá trị đầu ra Dải động 0,001Hz ~ 1000MHz Nhiệt độ làm việc 0ºC ~ 85ºC Nhiệt độ bảo quản - 40ºC ~ 85ºC Kích thước 27mm × 22mm

3 Cảm biến nhiệt độ

Quy trình giặt quần áo yêu cầu phải ngâm lần đầu trước khi giặt Để giặt quá trình quần áo, cần phải ngâm nó vào nước ở nhiệt độ nhất định ( yêu cầu từ 30 đến 40 độ

C ) Để phân tích phạm vi biến đổi, cảm biến nhiệt độ Lm 35 (như thể hiện trong hình ) dựa trên một mạch tích hợp, đã được sử dụng cho một hoạt động phạm vi 10

mV cho mỗi độ C và phạm vi hoạt động trong phạm vi yêu cầu

Hình 3: cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ LM35 có điện áp Analog đầu ra tuyến tính theo nhiệt độ thường được sử dụng để đo nhiệt độ của môi trường hoặc theo dõi nhiệt độ của thiết bị, , cảm biến có kiểu chân TO-92 với chỉ 3 chân rất dễ giao tiếp và sử dụng

Thông số kỹ thuật

Điện áp hoạt động 4~20VDC Công suất tiêu thụ khoảng 60uA Khoảng đo -55°C đến 150°C Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ 10mV/°C

Kích thước 4.3 × 4.3mm

4 Bộ điều khiển nhiệt độ Arduino Nano

Đối với bộ điều khiển nhiệt độ, sau khi nghiên cứu mô hình toán học vòng mở, một bộ điều khiển thuật toán nhiệt độ được thực hiện và giá trị tần số yêu cầu được điều chỉnh Tín hiệu điều khiển được gửi bởi nano Arduino (như được hiển thị trong hình) sẽ thực hiện một hoạt động rất đơn giản và kiểm soát chức năng cho nhiệm vụ này

Hình 4: bộ điều khiển Arduino Nano

Arduino Nano là một bo mạch nhỏ, hoàn chỉnh và thân thiện với breadboard dựa trên ATmega328 (Arduino Nano 3.x) Nó ít nhiều có cùng chức năng với Arduino Duemilanove, nhưng ở một gói khác Nó chỉ thiếu giắc cắm nguồn DC và hoạt động với cáp USB Mini-B thay vì cáp tiêu chuẩn

Thông số kỹ thuật

Điện áp hoạt động 5 V

Bộ nhớ flash 32 KB trong đó 2 KB được bộ nạp

khởi động sử dụng

Dòng DC trên mỗi chân I/O 40 mA (I / O Pins)

Chân I/O kỹ thuật số 22 (6 trong số đó là PWM)

Kích thước PCB 18 x 45 mm

5 Điện trở nh

Đối với hệ thống đã phát triển, cần có một kháng điện mà thông qua hiệu ứng Joule, nó có thể cung cấp nhiệt cho dòng nước được sử dụng cho quá trình giặt (như điện trở mô hình được hiển thị trong hình )

Hình 5: điện trở nhiệt

VIII Nguyên lý hoạt động và phương pháp làm sạch của bộ phát sóng siêu âm

Với máy giặt làm sạch bằng sóng siêu âm bạn chỉ cần nhúng những chi tiết cần phải làm sạch vào bể chứa dung dịch rửa (như xà phòng, nước giặt…) sau đó đưa sóng siêu âm vào dung dịch rửa, chỉ trong chốc lát các chi tiết đã sạch sẽ Khi khởi động máy giặt siêu âm sẽ hoạt động dựa trên nguyên lý của sóng siêu âm dưới tác dụng của sóng siêu âm, dung dịch rửa lúc thì bị ép lại đặc hơn, lúc thì bị dãn ra loãng hơn Do dung dịch chịu không nổi lực kéo nên khi bị kéo ra loãng hơn đã tạo thành những chỗ trống, sinh ra rất nhiều bọt không khí nhỏ vì do có tần số cao lên đến 38.000 xung va đập một giây, tạo ra các bọt chân không ở trong nước Những bọt khí này được tạo thành liên tục và cũng nhanh chóng tan đi, với kích thước siêu nhỏ của mình, bọt khí có thể len vào mọi ngóc ngách để làm sạch vật cần tẩy rửa Bọt chân không lớn dần đến một giới hạn nhất định sẽ tự nổ tung và tạo ra năng lượng đánh bay các vết bẩn hiệu quả mà không cần tới các thao tác can thiệp mạnh vốn dễ gây

xơ vải Quá trình vỡ bọt sinh ra những luồng sóng xung kích nhỏ rất mạnh, được gọi

là “hiện tượng tạo chân không” Khi những bọt khí bị vỡ sẽ sinh ra một lực rất mạnh Lực này kết hợp với sóng siêu âm sẽ tăng khả năng hòa tan bột giặt và đem bột giặt đi sâu vào từng sợi vải từ đó tăng khả năng làm sạch trong khi giặt Với nguyên lý hoạt động thông minh, khoa học, người sử dụng hoàn toàn có thể sử dụng thiết bị để giặt tẩy vết bẩn chỉ bằng nước thông thường Khi cần thiết, chúng ta có thể sử dụng thêm một số chất tẩy rửa (dạng lỏng) như nước giặt, nước rửa tay…để

xử lý các vết bẩn cứng đầu trên bề mặt quần áo Nhờ sử dụng sóng siêu âm nên các vết bẩn này sẽ được tẩy sạch trong thời gian cực ngắn và không làm hư hại đến sợi vải Đặc biệt đối với những chất liệu vải cao cấp hoặc những chất liệu vải dễ bị hư hại khi làm sạch theo cách thông thường thì sản phẩm tẩy rửa này thực sự là một giải pháp an toàn và hiệu quả Những thử nghiệm thực tế cho thấy máy giặt siêu âm