Trong những thập kỷ qua, cuộc Cách mạng Khoa học – Kỹ thuật hiện đại đã có vai trò và tác động to lớn đối với sự phát triển kinh tế – xã hội thế giới, đặc biệt là ở các nước phát triển. Gần đây nhất ngành Công nghệ kỹ thuật Nhiệt đóng vai trò quan trọng trong đời sống xã hội cũng như sự thành công của quá trình hiện đại hóa công nghiệp hóa của đất nước. Năng lượng nhiệt là chìa khoá của quá trình sản xuất điện và là thành phần không thể thiếu trong các ngành công nghiệp như: luyện kim, cơ khí chế tạo, dệt may da giày, hóa chất, dầu khí, chế biến thực phẩm…để đáp ứng được các đòi hỏi của sự tiến bộ kỹ thuật nói chung và kỹ thuật nhiệt nói riêng thì đã và đang có rất nhiều loại vật liệu được ra đời. Điển hình cho ngành kỹ thuật nhiệt của chúng ta là các vật liệu cách nhiệt, chịu lửa, cách ẩm, vật liệu chịu lạnh, ... đang phổ biến khá rộng rãi và các sản phẩm cũng rất phong phú và đa dạng về chủng loài, mẫu mã và chất lượng phục vụ cho những ngành công nghiệp nêu trên. Tiểu luận này đề cấp đến những vấn đề trên để hiểu rõ hơn về vật liệu cách nhiệt – lạnh từ đó sử dụng đúng cách nhằm đạt đúng yêu cầu và đem về hiệu quả kinh tế. Vì thông tin được tổng hợp từ nhiều nguồn thông tin khác nhau, phần lơn là ở giáo trình, internet và đã được các thành viên nhóm kiểm tra kĩ lưỡng những không tránh khỏi sai sót, nhóm chúng em mong được sự nhận xét và đánh giá của thầy.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM BÁO CÁO MÔN HỌC: VẬT LIỆU NHIỆT LẠNH ĐỀ TÀI 2: VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT – LẠNH Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2022 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………………… … ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………… BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC MỤC LỤ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài: Mục tiêu nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu: CHƯƠNG VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT – LẠNH 2.1 Khái niệm phân loại 2.1.1 Khái niệm: 2.1.2 Phân loại: 2.2 Các tính chất vật liệu cách nhiệt – lạnh .7 2.2.1 Các yêu cầu vật liệu cách nhiệt – lạnh: 2.2.2 Hệ số dẫn nhiệt: 2.2.3 Một số tính chất khác: .12 2.3 Ứng dụng vật liệu cách nhiệt-lạnh [2]: 14 2.3.1 Trong xây dựng: .15 2.3.2 Trong công nghiệp: 16 2.3.3 Trong vận tải 18 2.3.4 Trong y tế, hóa học 19 2.4 Ví dụ thực tế 20 2.4.1 Khái niệm kho lạnh .20 2.4.2 Cấu tạo kho lạnh bảo quản .20 2.4.3 Nguyên lý hoạt động kho lạnh 27 2.4.4 Bài toán 28 KẾT LUẬN 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO .31 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài: Trong thập kỷ qua, Cách mạng Khoa học – Kỹ thuật đại có vai trị tác động to lớn phát triển kinh tế – xã hội giới, đặc biệt nước phát triển Gần ngành Cơng nghệ kỹ thuật Nhiệt đóng vai trò quan trọng đời sống xã hội thành cơng q trình đại hóa cơng nghiệp hóa đất nước Năng lượng nhiệt chìa khố q trình sản xuất điện thành phần thiếu ngành công nghiệp như: luyện kim, khí chế tạo, dệt may da giày, hóa chất, dầu khí, chế biến thực phẩm…để đáp ứng đòi hỏi tiến kỹ thuật nói chung kỹ thuật nhiệt nói riêng có nhiều loại vật liệu đời Điển hình cho ngành kỹ thuật nhiệt vật liệu cách nhiệt, chịu lửa, cách ẩm, vật liệu chịu lạnh, phổ biến rộng rãi sản phẩm phong phú đa dạng chủng loài, mẫu mã chất lượng phục vụ cho ngành công nghiệp nêu Tiểu luận đề cấp đến vấn đề để hiểu rõ vật liệu cách nhiệt – lạnh từ sử dụng cách nhằm đạt yêu cầu đem hiệu kinh tế Vì thông tin tổng hợp từ nhiều nguồn thông tin khác nhau, phần lơn giáo trình, internet thành viên nhóm kiểm tra kĩ lưỡng khơng tránh khỏi sai sót, nhóm chúng em mong nhận xét đánh giá thầy Mục tiêu nghiên cứu: Tìm hiểu rõ vật liệu cách nhiệt – lạnh , tính chất vật liệu chịu lạnh, hiệu làm việc vật liệu nhiều điều kiện môi trường khác với chất liệu khác nhau, ứng dụng vật liệu chịu lạnh đời sống góp phần nâng cao đời sống vật chất người Phương pháp nghiên cứu: Tổng hợp tài liệu, nghiên cứu từ nguồn liên quan đến vật liệu cách nhiệt, chịu lạnh ứng dụng vật liệu cách nhiệt – lạnh CHƯƠNG VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT – LẠNH 2.1 Khái niệm phân loại 2.1.1 Khái niệm: Vật liệu cách nhiệt hiểu vật liệu có hệ số dẫn nhiệt nhỏ 0.157 W/m.oC Thường sử dụng để giảm truyền nhiệt, thất thoát nhiệt Mục đích việc cách nhiệt giúp bảo tồn giữ cho nhiệt độ bên tòa nhà, hộ gia đình khơng đổi, lị hơi, tủ đơng,… nhiệt độ bên ngồi có thay đổi 2.1.2 Phân loại: Phân loại theo cấu tạo: sợi rỗng (bơng khống, bơng thủy tinh, gốm, ecowhite (bông poiyester) ): hạt rỗng (peclit, vecmiculit, xôvelit, vật liệu vôi cát, v.v ); rỗng tổ ong (bêtông tổ ong, thuỷ tinh bọt, chất dẻo xốp) Phân loại theo hình dạng: theo hình dạng, VLCN thường có loại: khối (tắm, bloc, ống trụ, bán trụ, hình đẻ quạt), cuộn (nỉ, băng, đệm), dây loại rời Phân loại theo nguyên liệu tạo thành: vô loại hữu Phân loại theo thể tích: đặc biệt nhẹ; nhẹ nặng Phân loai theo mức độ chịu nén: mềm (độ lún ép không lớn 30%), bán cứng (độ lún ép — 30%) cứng (độ lún ép nhỏ 6%) Phân loại theo mức độ dẫn nhiệt: nhóm A - dẫn nhiệt kém, nhóm B- dẫn nhiệt trung bình, nhóm C - dẫn nhiệt tốt Vật liệu dẫn nhiệt khả cách nhiệt tốt 2.2 Các tính chất vật liệu cách nhiệt – lạnh 2.2.1 Các yêu cầu vật liệu cách nhiệt – lạnh: Do tính chất đặc biệt vât liệu cách nhiệt – lạnh, vật liệu đòi hỏi phải đảm bảo có đầy đủ tính chất sau: - Có hệ số dẫn nhiệt nhỏ trở nhiệt nhỏ; - Có độ trở thấm ẩm cao; - Khơng hút nước độ hút nước nhỏ; - Có độ bền học đủ lớn, dẻo dai trơ với băng giá; - Có hình dáng hình học cố định; - Có khối lượng riêng nhỏ; - Khơng cháy; - Khơng có phản ứng tác động với chất hóa học; - Khơng có tính bắt mùi mùi lạ; - Khơng ăn mịn hay tác động ăn mịn bề mặt kim loại bề mặt cách nhiệt; - Khơng phát triển loại nấm mốc, kí sinh, vi trùng, ; - Tuổi thọ vật liệu đảm bảo phải lâu bền, khơng bị lão hóa, hỏng, mục,…; - Đảm bảo dễ tìm, thay sửa chửa, có độ tin cậy cao, khơng địi hỏi bảo trì, bảo dưỡng đặc biệt Trên thực tế, khơng có vật liệu cách nhiệt – lạnh đáp ứng hết yêu cầu nêu mà đáp ứng số yêu cầu.Vì nên sử dụng vật liệu cách linh hoạt sử dụng cho trường hợp cụ thể nhằm phát huy tối đa ưu vốn có ưu điểm so với nhược điểm loại vật liệu 2.2.2 Hệ số dẫn nhiệt: Hệ số dẫn nhiệt tiêu chuẩn số để đánh giá chất lượng cách nhiệt Vật liệu cách nhiệt phi kim loại hữu vô Mức độ dẫn nhiệt vật liệu phụ thuộc vào tính chất tự nhiên tỷ trọng vật liệu Tỷ trọng cao dẫn nhiệt tốt, khơng khí mơi trường tĩnh nhiệt tốt Bảng 1: Hệ số dẫn nhiệt số vật liệu [7] Vật liệu Khơng Khí Polystyrene Expanded (XPS) Rock Wool Glass Wool Thạch cao Bê tông Hệ số dẫn nhiệt (W/moK) 0.024 0.030 0.045 0.051 0.58 2.00 Mức độ cách nhiệt vật liệu đo số R= Độ dày(T ) (1) Hệ số dẫn nhiệt () Bảng 2: Phạm vi giá trị hệ số dẫn nhiệt số vật liệu [7] Vật liệu Kim loại Các loại đá Vật liệu xây dựng Vật liệu chất dẻo Vật liệu cách nhiệt Hệ số dẫn nhiệt (W/moK) 20oC 10 400 0,17 0,15 0,5 0,025 0,15 Hệ số dẫn nhiệt yếu tố cố định mà cịn có thay đổi phụ thuộc vào nhiều tố khác Cụ thể yếu số sau: - Khối lượng riêng - Nhiệt độ - Áp suất a./ Sự phụ thuộc hệ số dẫn nhiệt khối lượng riêng Các vật liệu xây dựng cách -40 nhiệt -60 có lỗ -20 hệ số dẫn nhiệt -80 nhỏ chứa khơng -100 khí (vật liệu xốp), -120 -140 độ xốp cao, -160 khối lượng riêng -180 nhỏ hệ số khối lượng riêng kg/m3 dẫn nhiệt nhỏ Hình : Sự phụ thuộc hệ số dẫn nhiệt vào khối lượng riêng vật liệu[7] b./ Sự phụ thuộc hệ số dẫn nhiệt vào nhiệt độ Hệ số dẫn nhiệt loại vật liệu xây dựng cách nhiệt tăng nhiệt độ tăng Bản thân vật liệu lỗ xốp ngậm khí có tính chất chung Nhiều cơng trình cơng bố tìm mơ hình tốn học để mơ tả ảnh hưởng nhiệt độ Trong phạm vi từ nhiệt độ môi trường đến -80oC ảnh hưởng ý nghĩa Bảng 3: Độ tăng hệ số dẫn nhiệt vài vật liệu cách nhiệt hữu [7] Vật liệu Tấm sợi Tấm bấc Tấm đệm sợi Tấm gỗ Cỡ lỗ xốp Mịn Mịn Thô Thô Độ tăng hệ số dẫn nhiệt cho độ tăng nhiệt độ 0,001 0,003 W/moK 0,001 0,002 W/moK 0,002 0,004 W/moK 0,006 0,012 W/moK Hệ số dẫn nhiệt khơng khí thường coi giá trị giới hạn vật liệu cách nhiệt Các vật liệu polytirol, perlit, bơng xỉ, thủy tinh bọt ngậm khơng khí lỗ xốp nên hệ số dẫn nhiệt chúng lớn hệ số dẫn nhiệt khơng khí Riêng bọt polyrethan ngậm khí R11 nên hệ số dẫn nhiệt nhỏ hệ số dẫn nhiệt khơng khí c./ Sự phụ thuộc hệ số dẫn nhiệt vào áp suất Áp suất chất khí ngậm lỗ xốp vật liệu nhỏ hệ số dẫn nhiệt nhỏ Chân khơng có khả cách nhiệt tốt nhất, khó thực vật liệu cách nhiệt ẩm khơng khí ln ln khuếch tán vào vật liệu Chỉ thực chân khơng bình vỏ nhiều vỏ phích nước, phích đá, bình cryo … chịu áp lực khơng khí chống khuếch tán nước khơng khí Hình giới thiệu ảnh hưởng áp suất đến hệ số dẫn nhiệt Khoảng thay đổi giá trị λ (diện tích có gạch chéo) hình bao quát toàn vật liệu cách nhiệt lạnh khác với cách bố trí xếp đặt khác Giá trị dọc bên phải hình λ = 0,02 … 0,05(Wm.oK) hệ số dẫn nhiệt hầu hết vật liệu cách nhiệt lạnh áp suất khí xốp polistyrol, polyurethane, lie … cách nhiệt cho vào vách phẳng cho đường ống, loại để nhét đầy vào loại vật liệu dạng bột để điền đầy Giới hạn nhiệt độ khoảng -1900oC khơng khí ngưng tụ thành lỏng Ở nhiệt độ cách nhiệt coi cách nhiệt chân không Cách nhiệt nhiệt chân khơng hồn hảo có hệ Austenite thành Martensite giúp tổ chức vật liệu cứng bền hơn) Ở vật liệu chịu lửa sử dụng làm võ, khung, nắp đậy bình đựng nitơ lỏng Trong công nghiệp khai thác nhiên liệu, vật liệu chịu lạnh ứng dụng để chế tạo thiết bị thăm dò, dẫn truyền lưu trữ sản phẩm Sản phẩm hình thành khơng lưu trữ bảo quản thiết bị đặc thù rị rỉ gây thảm họa cháy nổ Gần người ta hưởng đến khai thác băng cháy (Băng cháy nguồn lượng khổng lỗ, m3 băng cháy giải phóng khoảng 164 m methane, cao gấp - lần khí thiên nhiên, lại sạch, khơng gây nhiễm mơi trường) Do băng cháy hình thành nhiệt độ thấp áp suất thấp nên việc khai thác băng cháy khó khăn Trong lĩnh vực vật liệu chịu lạnh đóng vai trị quan trọng khơng thể thay việc chế tạo mũi khoan thăm dị, đường ống dẫn đến nhà máy chế biến Hình Băng cháy[6] Trong lĩnh vực chế tạo, hoạt động tầng bình lưu (nhiệt độ trung bình khoảng 50°C) tiết lớp vỏ máy bay phải thiết kế để chịu nhiệt độ thấp Thông thường người ta thường chọn nhôm hợp kim nhôm để làm kết cấu vỏ máy bay, phần giúp máy bay nhẹ chống lại phá hủy nhiệt độ thấp b) Trong công nghiệp nhẹ: Trong công nghiệp thực phẩm, vật liệu chịu lạnh sử dụng để sản xuất thiết bị dẫn môi chất lạnh, kết cấu xây dựng không gian làm lạnh Ở nhà máy cấp đông thủy hải sản, yêu cầu phải cấp đông sản phẩm nhiệt độ khoảng – 40 ℃ nên nên vật liệu chịu lạnh sử dụng để chế tạo khay chứa nguyên liệu, phần vỏ kho cấp đông đáp ứng yêu cầu khơng bị phá hủy, thay đổi lý, hóa tính ảnh hưởng xấu đến sản phẩm Hình Kho lạnh[4] Ở nhà máy sản xuất nước đá, đá tạo nhiệt độ -10 ℃ nên vật liệu chịu lạnh sử dụng làm khuôn đựng nước đá thích hợp Ngồi ra, đời sống ngày vùng có nhiệt độ thấp vật liệu chịu lạnh dùng để cách nhiệt tường cách nhiệt, sàn, trần cách nhiệt, 2.3.3 Trong vận tải Dịch vụ vận tải vật liệu chịu lạnh sử dụng để chế tạo container lạnh (Container lạnh dạng phổ biến container nhiệt, thường sử dụng trường hợp vận chuyển hàng đông lạnh, hàng tươi sống thuốc y tế, với số lượng nhiều với quảng đường dài Container lạnh vận hành hệ thống lạnh gọi Group lạnh từ nhiều nhà sản xuất máy lạnh uy tín Daikin, Carrier, Mitsubishi, Thermoking Phương pháp làm lạnh gián tiếp quạt lạnh với dải nhiệt độ rộng từ +30℃ đến -30℃ phù hợp với nhiều loại hàng hóa khác từ rau củ chạy nhiệt độ dương, đến thịt cá chạy nhiệt độ âm.) Hình Container lạnh[4] 2.3.4 Trong y tế, hóa học Trong y tế, vật liệu chịu lạnh sử dụng hệ thống lạnh dùng y tế Có cơng dụng vào việc: bảo quản máu, mô tủy sống, hạ thân nhiệt nhân tạo, Một số thuốc đòi hỏi bảo quản nhiệt độ -15℃ đến -20℃ Bên cạnh vật liệu chịu lạnh cịn sử dụng hệ thống nhà xác bệnh viện Trong hóa học, vật liệu chịu lạnh dùng để chứa chất hóa học giúp việc vận chuyển an tồn như: bảo quản B2H6 sau hóa lỏng áp suất 8,5 bar nhiệt độ -60℃ , lưu giữ khí Metan sơi nhiệt độ -161℃ , lưu giữ Nito lỏng, Hình Tủ lạnh phịng thí nghiệm[4] 2.4 Ví dụ thực tế 2.4.1 Khái niệm kho lạnh Kho lạnh phòng hay kho chứa thiết kế, lắp đặt với hệ thống làm mát, làm lạnh hay cấp đông để bảo quản, lưu trữ hàng hóa lâu giữ chất lượng sản phẩm tốt Được áp dụng vào khu công nghiệp, nhà máy chế biến, kho xưởng hộ gia đình Đặc điểm kho lạnh tùy thuộc vào mục đích sử dụng khách hàng hay theo loại hàng hóa 2.4.2 Cấu tạo kho lạnh bảo quản Cấu trúc đặc thù kho lạnh cách nhiệt, cách ẩm để giữ nhiệt độ kho thấp nhiệt độ bên Kho lạnh phân loại theo nhiều cách khác cấu tạo thường theo hai phần cách nhiệt làm lạnh - Phần cách nhiệt + Cấu tạo vỏ kho Vỏ kho thường làm từ cách nhiệt panel ngăn cách không gian bên bên ngồi Tấm panel có độ nhẵn bóng cao, mặt ngồi inox tơn sơn tĩnh điện Vật liệu lỗi làm từ xốp cứng có khối lượng nhẹ, khả cách nhiệt tốt độ bền cao Có loại Panel thường sử dụng kho lạnh là: Panel EPS Panel PU Kích thước cách nhiệt lựa chọn phù hợp với thiết kế kho đảm bảo chất lượng khả cách nhiệt Hình 10 Tấm cách nhiệt EPS – Dùng cho kho sử dụng nhiệt độ thấp -70C [3]