VẬT LIỆU NHIỆT LẠNH GỐM CÁCH NHIỆT

Sợi gốm xuất hiện lần đầu tiên tại Hoa Kỳ vào năm 1941, và trong suốt quá trình phát triển từ thời điểm đó đến nay, các loại vật liệu cách nhiệt sản xuất từ sợi gốm đã trở nên phổ biến không chỉ ở Hoa Kỳ mà còn trên toàn thế giới, trong đó có cả Việt Nam. Với các ưu điểm nối bật như đa dạng chủng loại, khối lượng riêng nhỏ, hệ số dẫn nhiệt thấp, khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao, độ bền tốt …, vật liệu gốm cách nhiệt được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như hóa dầu, cơ khí, sản xuất thủy tinh, ô tô… Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch trên thế giới dần cạn kiệt, yêu cầu về việc sử dụng năng lượng một cách hiệu quả cũng tăng cao, với hiệu quả cách nhiệt tốt hơn 1013% so với các loại vật liệu cách nhiệt truyền thống, việc ứng dụng vật liệu gốm cách nhiệt vào việc hạn chế tổn thất năng lượng ngày càng tăng cao. Chính vì những đặc điểm ưu việt kể trên, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài về vật liệu gốm cách nhiệt để tìm hiểu rõ hơn về các đặc tính kỹ thuật của loại vật liệu này, từ đó đánh giá được tính hiệu quả của gốm cách nhiệt và các ứng dụng của nó trong thực tiễn đời sống và sản xuất, góp phần nâng cao kiến thức và mở rộng sự hiểu biết về các loại vật liệu trong mảng nhiệt lạnh.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC  MƠN: VẬT LIỆU NHIỆT LẠNH GỐM CÁCH NHIỆT GVHD: Danh sách thành viên nhóm: STT Họ tên MSSV Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2020 Gốm Cách Nhiệt Hùng Sơn GVHD: TS Đặng NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN MỤC LỤC Gốm Cách Nhiệt Hùng Sơn GVHD: TS Đặng LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: ĐỊNH NGHĨA CẤU TẠO VÀ MỘT SỐ LOẠI GỐM CÁCH NHIỆT 1.1 Định nghĩa, cấu tạo CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT 2.1 Đặc tính nhiệt 2.1.1 Hệ số dẫn nhiệt .5 2.1.3 Nhiệt độ sử dụng 2.1.4 Độ bền sốc nhiệt 2.1.5 Khả phân bố nhiệt 2.2 Độ bền học 2.3 Độ bền hóa học 2.4 Khả cách âm chịu rung động 2.4.1 Tiếng ồn 2.4.2 Rung động 10 CHƯƠNG 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA GỐM CÁCH NHIỆT 11 3.1 Ứng dụng cách nhiệt vách lò ống nước 11 3.2 Một vài ứng dụng khác .12 KẾT LUẬN .15 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 16 Gốm Cách Nhiệt Hùng Sơn GVHD: TS Đặng LỜI MỞ ĐẦU Sợi gốm xuất lần Hoa Kỳ vào năm 1941, suốt trình phát triển từ thời điểm đến nay, loại vật liệu cách nhiệt sản xuất từ sợi gốm trở nên phổ biến khơng Hoa Kỳ mà cịn tồn giới, có Việt Nam Với ưu điểm nối bật đa dạng chủng loại, khối lượng riêng nhỏ, hệ số dẫn nhiệt thấp, khả hoạt động nhiệt độ cao, độ bền tốt …, vật liệu gốm cách nhiệt sử dụng rộng rãi lĩnh vực hóa dầu, khí, sản xuất thủy tinh, ô tô… Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch giới dần cạn kiệt, yêu cầu việc sử dụng lượng cách hiệu tăng cao, với hiệu cách nhiệt tốt 10-13% so với loại vật liệu cách nhiệt truyền thống, việc ứng dụng vật liệu gốm cách nhiệt vào việc hạn chế tổn thất lượng ngày tăng cao Chính đặc điểm ưu việt kể trên, nhóm chúng em định chọn đề tài vật liệu gốm cách nhiệt để tìm hiểu rõ đặc tính kỹ thuật loại vật liệu này, từ đánh giá tính hiệu gốm cách nhiệt ứng dụng thực tiễn đời sống sản xuất, góp phần nâng cao kiến thức mở rộng hiểu biết loại vật liệu mảng nhiệt - lạnh Gốm Cách Nhiệt Hùng Sơn GVHD: TS Đặng CHƯƠNG 1: ĐỊNH NGHĨA CẤU TẠO VÀ MỘT SỐ LOẠI GỐM CÁCH NHIỆT 1.1 Định nghĩa, cấu tạo Vật liệu gốm cách nhiệt vật liệu cách nhiệt chịu lửa nhẹ, có thành phần chủ yếu Alumina Silica (Al2O3 - SiO2) Tỉ lệ phần trăm Silica Alumina vật liệu thay đổi, thơng thường tỉ lệ 43-54% Alumina 43.5-54% Silica Sợi gốm sản xuất từ loại đất sét hình thành tự nhiên cao lanh từ loại nguyên liệu tổng hợp có độ tinh khiết cao Đối với sợi gốm sản xuất từ nguyên liệu tự nhiên, có tồn sẵn nguyên liệu chất khống hóa TiO 2, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O B2O3, nguyên liệu tổng hợp cần phải thêm vào oxit số oxit khác cho mục đích riêng biệt Vai trò thành phần chưa hiểu rõ, tồn B2O3 oxit bazơ làm giảm nhiệt độ hóa lỏng hỗn hợp Alumina-Silica, chúng đóng vai trị chất trợ chảy trình sản xuất Thành phần ZrO2 ảnh hưởng đến độ nhớt hỗn hợp nóng chảy, từ ảnh hưởng đến q trình tạo thành đặc tính sợi gốm Hình Bông sợi gốm Gốm Cách Nhiệt Hùng Sơn GVHD: TS Đặng Hình Bơng sợi gốm Các dạng sản phẩm gốm cách nhiệt phổ biến: chăn (blanket), giấy, dải (strip), dây, foam, vải nỉ (felt), … Các dạng sản phẩm có đặc tính tương đương nhau, phụ thuộc trực tiếp vào đặc tính sợi gốm sử dụng để sản xuất Hình Chăn gốm (blanket) Gốm Cách Nhiệt Hùng Sơn GVHD: TS Đặng Hình Dải (strip) Gốm Cách Nhiệt Hùng Sơn GVHD: TS Đặng Hình Giấy CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT 2.1 Đặc tính nhiệt 2.1.1 Hệ số dẫn nhiệt Hệ số dẫn nhiệt vật liệu gốm cách nhiệt thấp,thông thường khoảng 0.05 0.06 W/m.K nhiệt độ 260°C , nhiệt độ tăng hệ số dẫn nhiệt tăng theo Hình Quan hệ hệ số dẫn nhiệt với nhiệt độ tỉ trọng (Hình ảnh lấy từ datasheet GLT Products HPS ceramic blanket) Hệ số dẫn nhiệt vật liệu gốm phụ thuộc vào tỉ trọng vật liệu, tỉ trọng lớn hệ số dẫn nhiệt nhỏ Mối quan hệ tỉ trọng đạt khoảng 200 kg/m3, vượt qua mức này, hệ số dẫn nhiệt gần không đổi, nhiên, tỉ trọng đạt khoảng 400 kg/m3, hệ số dẫn nhiệt bắt đầu tăng Hệ số dẫn nhiệt gốm cách nhiệt phụ thuộc vào đặc tính lưu chất tiếp xúc nằm xen kẽ lỗ trống vật liệu Hệ số dẫn nhiệt áp suất Gốm Cách Nhiệt Hùng Sơn GVHD: TS Đặng lưu chất hai thông số quan trọng ảnh hưởng đến thay đổi hệ số dẫn nhiệt gốm cách nhiệt, hai thông số tăng dẫn đến hệ số dẫn nhiệt vật liệu tăng Hình Hệ số dẫn nhiệt sợi gốm môi trường Heli khơng khí 2.1.2 Tỉ trọng, độ giữ nhiệt qn tính nhiệt Gốm cách nhiệt có tỉ trọng thấp, đặc biệt loại chăn gốm cách nhiệt, tỉ trọng khoảng 48-192 kg/m3, số dạng sản phẩm gốm cách nhiệt khác, tỉ trọng lên đến 400 kg/m3 Bảng Tỉ trọng số loại chăn gốm hãng Morgan Avanced Materials Tỷ trọng, kg/m3 (pcf) Cerablanket Cerachem Cerachrome 64, 96, 128, 160 (4, 6, 8, 10) 64, 96, 128, 160 (4, 6, 8, 10) 64, 96, 128, 160 (4, 6, 8, 10) Cùng với đó, nhiệt dung riêng gốm cách nhiệt khoảng 1000 J/kg.K Kết hợp hai tính chất này, ta có loại vật liệu cách nhiệt nhẹ hiệu Bên cạnh gốm cách nhiệt cịn có qn tính nhiệt thấp, thời gian phản ứng vật liệu nhiệt độ thay Gốm Cách Nhiệt Hùng Sơn GVHD: TS Đặng đổi nhanh kể làm nóng làm lạnh, nghĩa độ giữ nhiệt gốm cách nhiệt thấp Bảng Nhiệt dung riêng số loại chăn gốm hãng Morgan Avanced Materials Cerablanket Cerachem Cerachrome 1.13 (0.27) 1.13 (0.27) 1.13 (0.27) Nhiệt dung riêng, kj/kgK (BTU/IbF) 1090°C (1994°F) 2.1.3 Nhiệt độ sử dụng Các sản phẩm gốm cách nhiệt có độ bền nhiệt tốt, thường lựa chọn để cách nhiệt cho thiết bị hoạt động nhiệt độ cao đường ống hơi, lị lửa, lị hơi, tuabin khí Nhiệt độ nóng chảy vật liệu gốm cách nhiệt thông thường 1700°C Nhiệt độ tối đa mà gốm cách nhiệt chịu thơng thường khoảng 10001315°C, số trường hợp sản phẩm gốm cách nhiệt có thêm thành phần ZrO 2, nhiệt độ hoạt động tối đa lên đến 1425°C Tuy nhiên, điều kiện tiếp xúc liên tục với nhiệt độ cao, gốm cách nhiệt chịu đựng nhiệt độ thấp nhiệt độ sử dụng tối đa khoảng 100°C, thông thường nằm khoảng 900-1325°C Bảng Nhiệt độ sử dụng số loại chăn gốm từ Nutec Maxwool Blanket Tính chất vật lý điển hình LTS HPS HTZ Giới hạn sử dụng tối đa, °F (°C) 1832 (1000) 2400 (1315) 2600 (1425) Giới hạn sử dụng liên tục, °F (°C) 1652 (900) 2200 (1204) 2417 (1325) Điểm nóng chảy, °F (°C) 3200 (1760) 3200 (1760) 3200 (1760) 2.1.4 Độ bền sốc nhiệt Các vật liệu gốm cách nhiệt không bị ảnh hưởng sốc nhiệt hoạt động điều kiện khắc nghiệt đột ngột, tính tồn vẹn vật liệu giữ ngun, dẫn đến tính ổn định hồn tồn vật liệu cách nhiệt có sử dụng sợi gốm Một ví dụ cho tính chất việc sử dụng nỉ gốm ướt (wet felt) để quấn đầu đốt khí dư nhà máy lọc hóa dầu giàn khoan biển, phận đặt ngồi trời, tiếp xúc với mưa tuyết đột ngột hoạt động nhiệt độ xấp xỉ 1000°C cần đốt khí dư khẩn cấp Gốm Cách Nhiệt Hùng Sơn GVHD: TS Đặng 2.1.5 Khả phân bố nhiệt Sợi gốm cho thấy đặc tính phân bố nhiệt độ tốt, điểm cộng cho tính hiệu vật liệu cách nhiệt Ví dụ cho đặc tính thực tế việc ứng dụng gốm cách nhiệt để cách nhiệt cho tuabin khí – thiết bị yêu cầu độ chênh lệch nhiệt độ hai đầu lớp vỏ phải giữ mức thấp Hình Tua bin bọc cách nhiệt 2.2 Độ bền học Các sợi gốm thông thường có độ dài dao động từ hàng micromet đến khoảng 250 mm Đặc tính khơng có mối quan hệ xác định với hệ số dẫn nhiệt, sợi gốm dài có định hướng tự cho phép sản xuất loại nỉ gốm không sử dụng chất kết dính chăn gốm Các loại chăn gốm cách nhiệt có độ bền học tốt khoảng nhiệt độ hoạt động Bảng Độ bền kéo số loại chăn gốm hãng Morgan Avanced Materials Gốm Cách Nhiệt Hùng Sơn GVHD: TS Đặng Sợi gốm không bị thấm ướt kim loại nóng chảy, thường dùng ứng dụng tiếp xúc trực tiếp với kim loại nóng chảy nhơm, chì, kẽm, đồng hợp kim chúng Sợi gốm dùng ứng dụng “một lần dùng” với sắt nóng chảy hợp kim niken/crơm 2.3 Độ bền hóa học Gốm cách nhiệt chống lại tốt tác động dầu nhớt, nước hầu hết chất hóa học, trừ loại axit flohydric, axit photphoric bazơ mạnh Hầu hết ưu điểm gốm cách nhiệt thu chúng không sử dụng với chất kết dính, số trường hợp cần thiết phải sử dụng chất kết dính, chất phải đảm bảo có thành phần hóa học tương thích với vật liệu gốm cách nhiệt Gốm cách nhiệt hồn tồn khơng bị oxi hóa có độ bền tốt tiếp xúc với chất thải công nghiệp Gốm cách nhiệt chịu tốt tiếp xúc với axit sulfuric nhiệt độ thấp, lý này, gốm cách nhiệt ngày sử dụng nhiều lớp cách nhiệt hỗ trợ cho lò lửa buồng đốt mà sản phẩm cháy có chứa khí SO x ngưng tụ lại vỏ buồng đốt dạng axit sunfuaric 2.4 Khả cách âm chịu rung động 2.4.1 Tiếng ồn Vật liệu gốm cách nhiệt dạng chăn gốm có đặc tính hấp thụ âm tốt, quy luật chung tỉ trọng thấp hấp thụ âm tần số cao ngược lại, tỉ trọng cao hấp thụ âm tần số thấp Bảng So sánh hệ số hấp thụ âm số sợi gốm với vật liệu khác Gốm Cách Nhiệt Hùng Sơn GVHD: TS Đặng Chăn gốm cách nhiệt có khả cách âm tốt (Bảng cho thấy số liệu chi tiết khả giảm âm gốm cách nhiệt ) Hiệu cách âm tốt âm có tần số cao giảm dần âm có tần số trung bình thấp Bảng Khả giảm âm gốm cách nhiệt 2.4.2 Rung động Khả chịu đựng rung động tốt sản phẩm gốm cách nhiệt có sợi gốm dài có định hướng ngẫu nhiên Các sản phẩm bảo tồn tính ngun vẹn số điều kiện mà bơng khống hay sản phẩm gốm cách nhiệt có sợi ngắn bị phá hủy Nhờ đặc tính mà chăn gốm cách nhiệt sử dụng để cách nhiệt cho hệ thống xả khí thải loại động đốt Chăn gốm cách nhiệt thỏa mãn điều kiện thử nghiệm khả hoạt động môi trường nhiều tiếng ồn rung động nhà máy điện hạt nhân, nơi mà vật liệu cách nhiệt phải hoạt động liên tục ba mươi năm mà khơng cần bảo dưỡng 10 Gốm Cách Nhiệt Hùng Sơn GVHD: TS Đặng CHƯƠNG 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA GỐM CÁCH NHIỆT 3.1 Ứng dụng cách nhiệt vách lò ống nước Lò thiết bị hoạt động nhiệt độ cao, nhiệt độ vách ngồi lị cao nhiệt độ môi trường gây nên tổn thất nhiệt tỏa nhiệt môi trường, làm giảm hiệu suất lị Chính lý mà việc cách nhiệt cho lị đóng vai trị quan trọng, góp phần nâng cao hiệu sử dụng nhiên liệu lò Đối với loại lò ống nước, nước ống, tuần hoàn tự nhiên cưỡng bức, nước ống sinh sau gia nhiệt sản phẩm cháy bên ống đưa đến nơi sử dụng Việc tính tốn lớp cách nhiệt cho loại lị toán truyền nhiệt qua vách phẳng, nhiệt lượng tổn thất qua vách tính theo cơng thức : Hình Sơ đồ ngun lý lị ống nước q= t f 1−t f δ δ [W/m2] + + + α λ λ2 α Trong : q - Nhiệt lượng tổn thất (W/m2) t f 1, t f - Nhiệt độ khói lị nhiệt độ khơng khí bên ngồi (C) α 1, α - Hệ số tỏa nhiệt lưu chất bên ngồi lị (W/m2.K) 11 Gốm Cách Nhiệt Hùng Sơn GVHD: TS Đặng λ 1, λ - Hệ số dẫn nhiệt lớp cách nhiệt vách lò (W/m.K) δ 1, δ - Chiều dày lớp cách nhiệt vách lị (m) Hình 10 Bên lị ống nước Hình 11 Lớp cách nhiệt bên lị Với điều kiện thơng số t f 1, t f , α 1, α 2, λ δ cho trước, nhiệt lượng tổn thất nhỏ δ1 tăng Việc tăng chiều dày lớp cách nhiệt làm tăng kích thước lị λ1 chi phí lắp đặt, nhiên, gốm cách nhiệt có hệ số dẫn nhiệt thấp, khoảng 0.3-0.4 W/m.K nhiệt độ 1200C, khơng cần sử dụng lớp cách nhiệt q dày mà 12 Gốm Cách Nhiệt Hùng Sơn GVHD: TS Đặng trì tổn thất nhiệt mức thấp, đồng thời giảm nhiệt độ vách ngồi lị đến mức an toàn cho người tiếp xúc 3.2 Một vài ứng dụng khác Với ưu điểm : - Hiệu cách nhiệt tốt - Độ bền học cao có khả chống lại ảnh hưởng hầu hết chất hóa học - Khả hấp thụ âm tốt - Độ giữ nhiệt thấp - Có khả chống lại sốc nhiệt - Dễ lắp đặt Gốm cách nhiệt sử dụng số ứng dụng : - Cách nhiệt cho thiết bị hoạt động nhiệt độ cao buồng lửa, lị nung, lị sấy, tuabin… Hình 12 Gốm cách nhiệt lò lửa 13 Gốm Cách Nhiệt Hùng Sơn GVHD: TS Đặng - Cách nhiệt cho đường ống dẫn chất lưu nhiệt độ cao nước, dầu … Hình 13 Cách nhiệt đường ống gốm cách nhiệt - Sử dụng làm lớp cách nhiệt hỗ trợ lò nung thủy tinh, máng dẫn kim loại nóng chảy … Hình 14 Máng dẫn kim loại nóng chảy - Cách nhiệt cho thiết bị dân dụng máy sấy quần áo, lò nướng - Ngồi cịn sử dụng cho ứng dụng cách nhiệt nhà máy điện hạt nhân, loại lị cơng nghiệp, rèm cách nhiệt lị, ống khói nhiệt độ cao, ống lót dẫn khí khe co giãn, thiết bị hóa dầu, container, quần áo bảo hộ, găng tay, mũ bảo hiểm, chắn nhiệt động tơ, gói ống xả động dầu, miếng ma sát phanh hỗn hợp xe đua tốc độ cao, chất độn miếng đệm cho máy bơm, máy nén, van cho chất lỏng khí nhiệt độ cao, cửa chống cháy, rèm chống cháy, chăn chữa cháy, rèm tự động cho 14 Gốm Cách Nhiệt Hùng Sơn GVHD: TS Đặng nơi quan trọng tòa nhà văn phòng cao cấp kho lưu trữ, kho tiền tủ an toàn,… KẾT LUẬN Qua phân tích trên, thấy vật liệu gốm cách nhiệt loại vật liệu tuyệt vời với trọng lượng nhẹ, chịu nhiệt cao, ổn định nhiệt tốt, hệ số dẫn nhiệt thấp, nhiệt dung riêng rung động học thấp, dễ gia công thi cơng thuận tiện. Do đó, sản phẩm sợi gốm sử dụng rộng rãi khí, luyện kim, hóa chất, dầu khí, gốm, thủy tinh, điện tử ngành công nghiệp khác Các sản phẩm làm từ sợi gốm sản xuất công nghệ thiết bị đặc biệt có độ bền kéo cao, chống rung chống va đập nhiệt độ cao, đặc biệt hiệu tiết kiệm lượng đáng ý Mặt khác chúng em nhận thấy tầm quan trọng việc phát triển công nghệ gốm cách nhiệt phần để tiết kiệm lượng nỗ lực kiềm chế nóng lên tồn cầu Điều cho thấy khơng có kết thúc việc cải thiện chất lượng vật liệu cách nhiệt Do cần phát triển loại vật liệu cách nhiệt để giúp bảo tồn lượng bảo vệ môi trường, tài nguyên thiên nhiên để tạo lượng vô hạn 15 Gốm Cách Nhiệt Hùng Sơn GVHD: TS Đặng DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO J.Fryatt (1976) Basic properties of ceramic fibres and their effect on insulation performance, , xem 10/5/2020 Hoàng Đình Tín, Cơ sở truyền nhiệt & thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt, NXB Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh, 2013 16