vật liệu nhiệt lạnh

2.2 VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT LẠNH - Những không gian hệ thống cần trì nhiệt độ khác với môi trường xung quanh cần cách nhiệt, cách nhiệt để bảo vệ mơi trường có nhiệt độ thấp nhiệt độ bên gọi cách nhiệt lạnh - Cách nhiệt có hai nhiệm vụ :  Hạn chế đến mức tối ưu (kinh tế nhất) dòng nhiệt thẩm thấu qua vách bao che cách nhiệt từ vào phòng lạnh  Tránh ngưng ẩm bề mặt bên vách cách nhiệt độ ẩm định tuổi thọ hiệu cách nhiệt 2.2.1 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CÁCH NHIỆT LẠNH 2.2.1.1 Cách nhiệt bọt xốp - Các loại bọt xốp nhân tạo polystirol (stirôpo), polyurethan tự nhiên nút chai, bấc… - Hệ số dẫn nhiệt cách nhiệt hệ số dẫn nhiệt tương đương bao gồm thành phần đối lưu nhiệt lỗ ngậm khí, xạ qua thành lỗ xốp Lỗ xốp lớn, hiệu nhiệt độ hai vách cách nhiệt cao, thành phần truyền nhiệt lớn Sự đối lưu khí lỗ xốp dể dàng thành phần truyền nhiệt đối lưu tăng theo Dưới bảng giới thiệu hệ số dẫn nhiệt tương đương khơng khí phụ thuộc vào cỡ bọt khác độ C Khi tăng đường kính lỗ xốp từ mm đến 10 mm hệ số dẫn nhiệt tăng lên đến lần Đường kính bọt xốp (mm) 0.5 10 Hệ số dẫn nhiệt (w/mK) 0.025 0.027 0.033 0.05 0.077 Hình dạng lổ xốp ảnh hưởng tới hệ số dẫn nhiệt cách nhiệt Tấm cách nhiệt sử dụng PU PS có dạng lỗ xốp hình cầu Bọt chia loại theo phương pháp sản xuất khác : Bọt xếp dạng trục bọt xếp dạng hạt Độ bền nén cao : 0.1 - 0.2 N/mm2 Nhiệt độ tới hạn 70 độ C Không sử dụng cho nhiệt độ 70 độ C (hộp cơm nóng, đựng thức ăn, v.v ) Phạm vi ứng dụng : dây chuyền sản xuất vỏ tủ lạnh, cách nhiệt đường ống Phương pháp người ta sử dụng R11 làm chất tạo bọt cho cách nhiệt Polyurethane R11 lại cấu trúc bọt nhờ trở nhiệt cao R11 nên hệ số dẫn nhiệt bọt polyurethane thấp BẢNG SO SÁNH THÔNG SỐ CỦA PU VÀ PS Vật liệu cách nhiệt PS PU Khối Hệ số dẫn Hệ số trở Độ bền nén Nhiệt độ lượng nhiệt (w/mK) ẩm (N/cm2) ứng dụng riệng (o C) (kg/m3) 10….60 0.03…0.04 40…150 10…25 80 30…50 0.023…0.03 30…60 15…30 120 Hệ số dẫn nhiệt thông số quan trọng vật liệu tạo cách nhiệt Trong nhiệt dung riêng khả dẫn nhiệt độ khơng có ý nghĩa vật liệu tạo cách nhiệt Bởi vách cách nhiệt coi dòng nhiệt ổn định truyền từ ngồi vào phòng thơng qua vách cách nhiệt Hệ số dẫn nhiệt tiêu chuẩn số để đánh giá chất lượng cách nhiệt Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số dẫn nhiệt : · Khối lượng riêng · Cấu trúc bọt xốp (Kiểu, độ lớn, cách xếp lỗ chứa khí, thành phần cấu tạo phần rắn mối quan hệ chúng) · Nhiệt độ · Áp suất chất khí ngậm lổ xốp · Độ ẩm độ khuyếch tán nước, khơng khí vào vật liệu tạo cách nhiệt thời gian sử dụng · Có hệ số dẫn nhiệt nhỏ trở nhiệt lớn · Không hút nước độ hút nước nhỏ · Có độ trở thấm ẩm cao · 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 hóa chất · Khơng bắt mùi khơng có mùi lạ · Khơng ăn mòn tác động gây ăn mòn bề mặt kim loại bề mặt cách nhiệt · Không phát triển ký sinh trùng, nấm mốc, vi trùng · Khơng bị lồi gậm nhấm phá hoại · Tuổi thọ cách nhiệt phải bền lâu, khơng bị lão hóa, thối, hỏng , mục · Phải rẻ tiền, dễ kiếm, dễ gia công chế biến, thuận tiện cho việc vận chuyển, lắp ráp, sửa chữa, có độ tin cậy cao, khơng đòi hỏi bảo dưỡng đặc biệt Thực tế khơng có vật liệu cách nhiệt lý tưởng mà có vật liệu có ưu nhược điểm định Chính lý cần phải chọn vật liệu cách nhiệt phù hợp với ứng dụng cụ thể Các vật liệu phải phát huy ưu điểm hạn chế nhược điểm theo ý đồ người thiết kế - Polyurethan có ưu điểm đặc biệt khác phun trực tiếp bọt lỏng vào vách cách nhiệt nơi thi công Trong cách nhiệt cần đặc biệt ý điền đầy vật liệu cách nhiệt vào vách cách nhiệt, không để khoảng trống, hở khơng có vật liệu - Phương pháp cách nhiệt ứng dụng tốt cho đường ống, bình bay ống vỏ, bình trung gian, bình tách lỏng… vấn đề cách ẩm phải thật hồn hảo phía lạnh hồn tồn khơng thấm ẩm Hình 1: cách nhiệt dạng dạng ống 2.2.1.2 Cách nhiệt điền đầy, nhét đầy - Phương pháp đặc biệt thuận lợi trường hợp vách cách nhiệt khơng phẳng, khơng có hình dáng cố định Ví dụ: vách cách nhiệt thiết bị tách khơng khí lỏng đổ đầy bột cách nhiệt - Các chất cách nhiệt dùng thường loại đá tự nhiên perlit, porosil mà thành phần chủ yếu oxit silic, oxit nhơm, sắt, magiê… Hình 2: Bột cách nhiệt dạng điền đầy 2.2.1.3 Phương pháp cách nhiệt lạnh chân không - Hiệu cách nhiệt vật liệu lỗ nhỏ li ti chứa khơng khí, hệ số dẫn nhiệt vật liệu cách nhiệt lớn hệ số dẫn nhiệt khơng khí - Áp suất khí ngậm lỗ nhỏ li ti vật liệu nhỏ hệ số dẫn nhiệt nhỏ Và chân khơng mơi trường cách nhiệt lí tưởng Đặc biệt cách nhiệt nhiệt độ thấp (từ 82K trở xuống) thiết phải cách nhiệt chân khơng khơng khí hóa lỏng hồn tồn Hình 3: Bình cách nhiệt dạng chân khơng - Cách nhiệt chân khơng cách nhiệt chân khơng lớp nhiều lớp, có khơng có bột điền đầy Khi có bột diền đầy (ví dụ bột đá perlit) người ta sử dụng thêm chất hấp thụ đặc biệt trộn lẫn vào để hấp thụ loại khí sót lại - Các đường ống, bể chứa, thùng chứa có vỏ, nhiều lớp vỏ có chất bột điền đầy - Hiện cách nhiệt chân không nhiều lớp coi loại siêu cách nhiệt, đảm bảo hệ số dẫn nhiệt nhỏ - Đối với bình chứa chất lỏng sơi nhiệt độ thấp hêli hydrơ bố trí thêm vỏ che xạ 2.2.2 CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT 2.2.2.1 Các yêu cầu vật liệu cách nhiệt lạnh Do tính chất đặc biệt cách nhiệt lạnh, vật liệu đòi hỏi phải có tính chất sau: Các nhiệt cần thử nghiệm khả chống gây nấm mốc loại ký sinh trùng chúng khơng làm giảm nhanh chóng tuổi thọ cách nhiệt mà tạo mùi lạ làm hỏng ảnh hưởng xấu đến sản phẩm bảo quản Các kho lạnh cách nhiệt vật liệu hữu : mùn cưa, xơ dừa, trấu, v.v có nguy tạo nấm mốc ký sinh trùng cao · Đặc biệt vật liệu hữu nhân tạo : PU, PS không bị nấm mốc ký sinh trùng phá hoại · Ở Việt nam có khí hậu nóng ẩm, điều kiện thuận lợi cho ký sinh trùng nấm mốc phát triển Vì sử dụng cách nhiệt PU, PS tốt cho kho lạnh Việt Nam Tính bắt lửa dễ cháy cách nhiệt Đây tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá vật liệu cách nhiệt tạo cách nhiệt Những vụ hỏa hoạn nhà lạnh gây nhiều thiệt hại người ta coi nhẹ tiêu chuẩn Các vật liệu lý tưởng vật liệu không cháy không bắt lửa thủy tinh, thủy tinh bọt, bơng khống, loại bột đá vật liệu cách nhiệt vô khác Các vật liệu hữu bấc lie, trấu, gỗ, xơ dừa, mùn cưa, than bùn trộn với chất kết dính nhựa bitum chất dễ cháy · Những chất hữu nhân tạo : Polistirol, polyurethane, polyclovinyl có khả bắt lửa cao Các biện pháp chống cháy chống bắt lửa hiệu phủ bề mặt vật liệu khơng cháy Ví dụ : Phủ bề mặt cách nhiệt lớp bê tông bọt dày 2-3 cm Tính tạo mùi lạ bắt mùi lạ cách nhiệt : · Đây tính chất quan trọng phần lớn kho lạnh dùng để chứa thực phẩm Vật liệu tạo cách nhiệt không tạo mùi lạ bắt mùi lạ làm ảnh hưởng đến chất lượng bảo quản Nguyên tính chất thẩm thấu ẩm qua lớp cách nhiệt vào phòng dù với lượng nhỏ · Để tránh ngưng tụ ẩm phía vách cách nhiệt phải có hệ số trở ẩm nhỏ khơng sử dụng lớp cách ẩm phía cách nhiệt buồng lạnh Vì sử dụng chất kết dính có mùi : Phenol, Kresol, Naphtalin phải tẩy hết mùi trước đưa vào kết cấu cách nhiệt Nhất thiết không sử dụng hắc ín làm chất kết dính cách nhiệt Trái lại loại vữa vơi, xi măng sử dụng phải lưu ý vữa vôi phải làm khô trước đưa thực phẩm vào bảo quản Tính ổn định thể tích cách nhiệt : · Các vật liệu tạo cách nhiệt cần phải ổn định thể tích, khơng phụ thuộc vào độ ẩm nhiệt độ Khi độ ẩm thay đổi, vật liệu tạo cách nhiệt không trương phồng teo lại gây hư hỏng cho lớp vữa trát gây kẻ hở cho cầu nhiệt Khi nhiệt độ giảm, vật liệu tạo cách nhiệt không bị co ngót làm đứt mạch cách nhiệt Tính dể gia cơng cách nhiệt : · Tính chất quan trọng Thơng thường vật liệu tạo cách nhiệt có khối lượng riêng nhỏ dể gia cơng độ bền học vật liệu tạo cách nhiệt lại thấp Các vật liệu có độ bền học khơng đảm bảo phải cố định vỏ cứng bọt nhựa nhân tạo Iporka bọt Polyurethane · Lớp vỏ cách ẩm cách nhiệt thường tôn mỏng, polyurethane đồng thời chống khuếch tán ẩm vào cách nhiệt · Bọt thủy tinh có trở ẩm lớn độ bền học cao bề mặt nhẵn gây trở ngại cho việc bám dính vữa, giảm khả ứng dụng rộng rãi cách nhiệt làm nguyên liệu 2.2.2.2 Hệ số dẫn nhiệt - Hệ số dẫn nhiệt thông số quan trọng vật liệu cách nhiệt, vách cách nhiệt coi có dòng nhiệt ổn định truyền từ ngồi vào phòng - Hệ số dẫn nhiệt tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng chất cách nhiệt Nhưng hệ số dẫn nhiệt vật liệu cách nhiệt cố định mà thay đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác Các yếu tố là:  Khối lượng riêng  Cấu trúc bọt xốp (kiểu, độ lớn, cách xếp lỗ chứa khí, thành phần cấu tạo phần rắn mối quan hệ chúng)  Nhiệt độ  Áp suất chất khí ngậm lỗ xốp  Độ ẩm độ khuếch tán nước khơng khí vào vật liệu thời gian sử dụng Sự phụ thuộc hệ số dẫn nhiệt vào khối lượng riêng Các vật liệu cách nhiệt có lỗ nhỏ chứa khơng khí (vật liệu xốp), độ xốp cao, khối lượng riêng nhỏ hệ số dẫn nhiệt nhỏ Sự phụ thuộc hệ số dẫn nhiệt vào dạng độ lớn lỗ xốp chứa khí + Độ lớn lỗ xốp chứa khí có ảnh hưởng lớn đến hệ số dẫn nhiệt vật liệu xốp + Lỗ xốp lớn, hiệu nhiệt độ hai vách xốp cao, thành phần truyền nhiệt lớn Lỗ xốp lớn đối lưu khí lỗ xốp dễ dàng thành phần truyền nhiệt đối lưu lớn lên Khi tăng đường kính lỗ xốp từ ÷ 10 mm hệ số dẫn nhiệt tăng lên đến lần + Dạng lỗ xốp có ảnh hưởng lớn tới hệ số dẫn nhiệt vật liệu xốp  Ảnh hưởng nhiệt độ + Hệ số dẫn nhiệt loại vật liệu xây dựng cách nhiệt tăng nhiệt độ tăng + Hệ số dẫn nhiệt khơng khí thường coi giá trị giới hạn vật liệu cách nhiệt + Các vật liệu polytirol, perlit, bơng kim loại, thủy tinh bọt ngậm khơng khí lỗ xốp nên hệ số dẫn nhiệt chúng lớn hệ số dẫn nhiệt khơng khí Riêng bọt polyurethan nhỏ hệ số dẫn nhiệt khơng khí  Ảnh hưởng độ ẩm + Khi bị nhiễm ẩm, hệ số dẫn nhiệt tăng nhanh chóng, vật liệu khả cách nhiệt (do có độ chênh lệch nhiệt độ từ mơi trường vào buồng lạnh, ln có tượng khuếch tán nước khơng khí mơi trường vào cách nhiệt để vào buồng lạnh Đây khác biệt cách nhiệt nóng cách nhiệt lạnh) + Để tránh vật liệu cách nhiệt nhiễm ẩm phải chọn vật liệu có trở ẩm lớn Nếu trở ẩm vật liệu khơng đủ lớn thiết phải có cách ẩm đôi với cách nhiệt  Ảnh hưởng áp suất khí + 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 cr…, chịu áp lực khơng khí chống khuếch tán nước khơng khí 2.2.2.3Tính chất vật liệu độ ẩm độ khuếch tán ẩm Các tượng nhiễm ẩm vật liệu cách nhiệt hiểu sau: - Độ cân đẳng nhiệt vật liệu - Độ hút ẩm mao dẫn - Độ khuếch tán ẩm qua vật liệu  Độ ẩm cân vật liệu Ở nhiệt độ độ ẩm khơng khí định, vật liệu có chứa lượng ẩm xác định gọi độ ẩm cân đẳng nhiệt vật liệu  Độ hút ẩm mao dẫn - Độ hút ẩm mao dẫn độ hút ẩm phụ thuộc vào cấu trúc mao mạch vật liệu - Với vật liệu cách nhiệt độ hút ẩm mao dẫn bé tốt Nếu vật liệu có độ hút ẩm mao dẫn nhỏ vách cách nhiệt khó bị thấm ẩm hơn, lâu bị ướt sũng 2.2.2.4 Một số tính chất khác - Gây nấm mốc loại kí sinh trùng  Nấm mốc kí sinh trùng khơng làm giảm nhanh chóng tuổi thọ vật liệu cách nhiệt mà tạo mùi lạ làm hỏng ảnh hưởng xấu đến sản phẩm bảo quản Hình: Cách ẩm khơng tốt  Các vật liệu vơ bơng thủy tinh, bơng khống, xỉ vật liệu hữu nhân tạo polytirol, polyurethan, polyclovinyl… khơng bị nấm mốc kí sinh trùng phá hoại - Tính dễ bắt lửa dễ cháy  Tính dễ bắt lửa dễ cháy tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá vật liệu cách nhiệt  Những chất hữu nhân tạo polytirol, polyurethan, polyclovinyl… có khả bắt lửa cao  Biện pháp chống cháy chống bắt lửa hiệu phủ bề mặt vật liệu khơng cháy - Tính tạo mùi lạ bắt mùi lạ  Đây tính chất quan trọng phần lớn kho lạnh dùng để chứa thực phẩm Vật liệu cách nhiệt không tạo mùi lạ làm ảnh hưởng đến chất lượng bảo quản  Để tránh ngưng đọng ẩm phía vách phải có hệ số trở ẩm nhỏ khơng sử dụng lớp cách ẩm phía buồng lạnh  Các loại vữa vơi, ximăng vữa vơi sử dụng phải lưu ý vữa vôi phải làm khô vôi phải liên kết với chất vữa trước đưa thực phẩm vào bảo quản - Tính ổn định thể tích Các vật liệu cách nhiệt cần phải ổn định thể tích, khơng phụ thuộc vào độ ẩm nhiệt độ  Khi độ ẩm thay đổi, vật liệu không trương phồng teo lại gây hư hỏng cho lớp vữa trát gây kẽ hở cho cầu nhiệt - Tính dễ gia cơng  Tính dễ gia cơng tiêu chuẩn đánh giá vật liệu cách nhiệt Tuy nhiên tính chất khơng quan trọng Thường vật liệu có khối lượng riêng nhỏ dễ gia cơng độ bền học vật liệu lại thấp  Thủy tinh bọt có độ trở ẩm lớn độ bền học cao bề mặt nhẵn gây trở ngại cho việc bám dính vữa, giảm khả ứng dụng rộng rãi 2.2.3 MỘT SỐ VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT LẠNH THÔNG DỤNG 2.2.3.1 Vật liệu cách nhiệt - Vật liệu cách nhiệt thường vật liệu vô hữu tự nhiên - Các vật liệu gốc vô gia công trực tiếp thành vật liệu cách nhiệt loại khống khác (bơng thủy tinh, bơng đá, bơng xỉ), sản xuất trực tiếp từ nung chảy silicát, hạt perlit sản xuất xử lí nhiệt loại đá tự nhiên nghiền nhỏ, loại thủy tinh bọt 10 Hình: Bơng thủy Tinh cách nhiệt,cách ẩm - Nhờ bảng nhôm mỏng người ta tạo phương pháp cách nhiệt nhiều lớp - Các vật liệu gốc hữu tự nhiên ngày có ý nghĩa thực tiễn - Các vật liệu hữu nhân tạo sử dụng rộng rãi sản xuất bọt xốp cách nhiệt Chúng đáp ứng tốt yêu cầu cao cách nhiệt lạnh, giá thành tương đối rẻ thuận tiện việc lắp ráp 11 Hình: xốp cách nhiệt dạng tấm,ống - Loại bột xốp cách nhiệt quan trọng bọt xốp polytirol polyurethan Được sử dụng rộng rãi khoảng nhiệt độ từ + 30 oC đến -170 oC Hình: Cách nhiệt polyurethan 12 - Bọt polyurethan có ưu điểm lớn tạo bọt khơng cần gia nhiệt không cần áp suất Với polyurethan người ta áp dụng phương pháp cách nhiệt kinh tế với hiệu cách nhiệt cao dây chuyền sản xuất tủ lạnh, loại buồng lạnh lắp ghép với đơn vị cách nhiệt tiêu chuẩn 2.2.3.2 Vật liệu cách ẩm Do có tượng ngưng đọng ẩm vách cách nhiệt lạnh nên phải có lớp cách ẩm để tăng trở ẩm cho vật liệu, trường hợp vật liệu không đủ độ trở thấm ẩm Vật liệu cách ẩm cần có yêu cầu sau:  Có trở ẩm lớn có hệ số thấm ẩm nhỏ  Không ngậm nứơc  Phải bền nhiệt, khơng bị cứng giòn, lão hóa nhiệt độ thấp bị mềm nóng chảy nhiệt độ cao  Khơng có mùi lạ, khơng độc, khơng ảnh hưởng tới thực phẩm sản phẩm bảo quản  Không gây ăn mòn tác dụng hóa học với vật liệu cách nhiệt xây dựng  Phải rẻ tiền dễ kiếm  Vật liệu cách ẩm chủ yếu bitum Hình: Bitum ách ẩm  Người ta trát bitum nóng chảy lên bề mặt vài lớp dày từ 1…5mm Bitum thường nóng chảy 90 oC thường phải đốt lên đến 160…170 oC phải giữ nhiệt suốt trình thao tác 13 Hình: Cách ẩm bitum  Ngoài bitum số vật liệu khác sử dụng để ngăn ẩm giấy nhơm, màng polyetylen, màng PVC, giấy dầu,… Hình: Màng polyetylen cách ẩm  Trong buồng lạnh lắp ghép lớp tôn sử dụng làm vỏ cách nhiệt polyurethan đồng thời làm cách ẩm 14 ... MỘT SỐ VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT LẠNH THÔNG DỤNG 2.2.3.1 Vật liệu cách nhiệt - Vật liệu cách nhiệt thường vật liệu vô hữu tự nhiên - Các vật liệu gốc vô gia công trực tiếp thành vật liệu cách nhiệt. .. tượng nhiễm ẩm vật liệu cách nhiệt hiểu sau: - Độ cân đẳng nhiệt vật liệu - Độ hút ẩm mao dẫn - Độ khuếch tán ẩm qua vật liệu  Độ ẩm cân vật liệu Ở nhiệt độ độ ẩm khơng khí định, vật liệu có chứa... trường vào cách nhiệt để vào buồng lạnh Đây khác biệt cách nhiệt nóng cách nhiệt lạnh) + Để tránh vật liệu cách nhiệt nhiễm ẩm phải chọn vật liệu có trở ẩm lớn Nếu trở ẩm vật liệu không đủ lớn