Giáo trình Công nghệ vật liệu cách nhiệt (Tái bản): Phần 1

Đối với công nghệ sử dụng môi trường nhiệt độ thấp hoặc nhiệt độ cao, sự có mặt của vật liệu cách nhiệt thích hợp là không thể tránh khỏi.. 3..[r]

T R Ư Ờ N G ĐẠI H Ọ C XÂY DỰ NG TS NGUYỄN NHƯ QUÝ

CƠNG NGHỆ

VẬT LIỆU CÁCH NÌÌIỆT

(Tái bản)

L Ờ I N Ó I Đ Ẩ U

Vào nhữĩìg núnì cuối cùa ĩh ế kỷ XX - đáit th ế kỷ XXI cíini^ với ỉìhữỉìỵ d ự đốn ĩriéìì vọng lìếỉ sức tốt dẹp ĩroỉì^ việc plìú ỉ m inh vù ( ĩựo

cúc lo a i vật liệu mới, cơng nghiệp V ật liệu cúclì nlìiệĩ p h ú t ĩviỂìì nìựỊìh với

các sản p h ẩ m ihìg dỉiỉìíỊ rộĩì^ rủi ĩroỉìiỊ lĩnh vực AŨV ílựỉìịỊ vúc /ỉíịủnh cơng nghiệp khúc V ậ t liệu cách nhiệt rát đa dạng vé cỉìúììỊị loại vủ tinh chất C úc sàn plĩủĩìì cách nhiệĩ tìhư: ưrììiùtì^ xinìúniỊ, /ih rơ lit hơiìiỉ, klìĩìg, bé ĩơng Tổ Oỉĩ^ clùníỊ Ịron^ cúc kếĩ cấu ỉìhẹ cúclì nììiệí ỉlìiết hi cóníỊ nghệ sàn x u ấ t cấu kiện xúy dựỉìíỊ, cúc tlìiếĩ bị ỉìhiệĩ ỉìhư nồi hơi, lị s ấ \\ lị nung, kho hảo quản ĩhực phẩm Đ ế dởm hảo hiệu qiỉcì kinh ĩê\ kv ĩhiiậĩ cao địi h ỏ i người sàn xuất, niỊười sử dinỉi^ plìải có ìỉììữĩì^ kiéh ĩlìửi' cúỉì tììiếỉ v ề p h n g diện Ịìùy.

Cuốn sách Cơng nghệ Vật liệu cách nhiệt Cỉini' cấp ( lìo hạn dọc, nhcíĩ ìủ c ú c c n h ộ gicỉỉìiỊ ( l ạy , c ú c ÌÌỌC v ié ỉỉ c o h ọ c Ị ì^hiê ỉì ( ửii s iỉ ilỉ v ủ s i n ì ỉ v i ê n

ìììịùĩìh V ậ t liệu Xùy ílự/ìi^, ììììữìì^ kiến thức hcln i^iủp ĩiếp cậìi với ììlìữìì^ loai vậĩ liệu cúcìĩ ĩìliiệt ĩììới cÙNịỊ cơn^ ỉìiỊlìệ sản Miứĩ có trinh độ c ^iới lỉỡú ĩự động lìoú cao.

N ội duììg ^iúỡ ĩrìnlì đ ề cập ĩới cúc klìúi ììiệììì, íinlì vỉìcĩt hàn rủa vật liệu cách nhiệt; ỉìiỊnn vúí liệu clìê tụo vù cúc đặc tíììlì kỹ ĩlìiiật i íta sán phẩm ; day chuvén cơng ỉì^hệ sủn xiiấĩ.

Giáo ĩrìrìh iỊổm 12 chương, riẽĩìịỊ chirơìiíỊ 12 "Chất deo cúclỉ n lìiệĩ" được viết với ĩham i T lì.s HóỉìỉỊ Vĩỉìlì Lon% ị^iản^ viên hộ món C ơng níịlìé V ật liệỉi Xúy (lipìỉị, Trường Đ i lỉọc Xúy chúỉiỊ.

Tác giả xìỉì chân tlìànlì cani ơn T s N ^iỉyễỉì Tlìiện Rỉỉệ, hộ ỉììỏỊì C ơtị^ n ỵh ệ V ậ t liệu Xcìv clựỉìg, Trườỉìg Đ ụi học Xíiy dựỉì^ đa đọc vù ịịóp V clỉo han ĩhàỡ iỊÌúo ỉrìnlì nùv.

T uy đ ã có c ố íỊắíìỉ^ nlìúí địỉìlì S Ơ Ỉ Ì Í Ị klìó có tlìể trúiìli khỏi Ịìììữti^ sai sót. R ất m ong ỉìhậỉì ỉilìữìỉiỊ ý kiếìì đóìĩ<ị góp, plìê hìnìì độc ^ià đ ể giao ĩrìỉìlì ngày củỉìíỊ ổược lìóỉì tììiệỉì hơn.

M Ở Đ Ẩ U

Vào thời điếm người biết sử dụng lượng nhiệt để phục vụ cho lợi ích sống lúc họ biết sử dụng vật liệu để giảm tổn thất nhiệt N hóm vật liệu có tên gọi vật liệu cách nhiệt Vật liệu cách nhiệt thời kỳ đầu thường khai thác tự nhiên, qua số công đoạn chế biến đơn giản, hiệu cách nhiệt thấp Chúng sử dụng dạng lớp cách nhiệt từ hạt sợi rời rạc Cùng với phát triển khoa học kv thuật, \â t liệu cách nhiệt ngàv hồn thiện có hiệu cách nhiệt cao Các phần lử tạo lớp cách nhiệt rời liên kết VỚI tạo ihành khối có tính ổn định thể tích tốt, chịu tác động học thay đổi cúa độ ẩm nhiệt độ tác nhân khác cúa môi trường xung quanh Vàt liệu liên kết thường chất kết dính vơ cơ, hữu Sản phẩm cách nhiệt Iigày sản xuất irẻn dây chuyền cơng nghiệp c ó mức độ giới hoá tự dộng hoá cao, chấl lượng ổn định khơng ngừng ihiện Vật liẹu nhẹ nói chung vật liệu cách nhiệt nói riêng lĩnh vực tiêm ân nhiêu cần nghiên cứu phát triển Trên th ế giới nliư Việt Nam có khơng nhà khoa học theo đuổi nghiên cứu lĩnh vực có nhiều cải tiến, phát minh, sáng ch ế nhầm m ục đích tăng cường hiệu sứ dụng lượng nhiệt, tiết kiệm nguồn tài nguyên chất đốt, lưọfng trực tiếp làm giảm ô nhiễm mơi trường d o tiêu thụ nhiên liệu hố thạch

V ật liệu cách nhiệt chế tạo từ nhiều nguồn nguyên vật liệu ban đầu khác Các phương pháp công nghệ chế tạo vật liệu cách nhiệt đa dạng khác biệt như: công nghệ vật liệu nung, công nghệ bê tông ximăng, công nghệ chất déo, v.v Tuy chúng có đặc điểm chung tạo độ rỗng lớn cho vật liệu Đó xuất phát điểm quan trọng cho phép tập hợp phưong pháp công nghệ chế tạo vật liệu cách nhiệt giáo trình với tên gọi “Giáo trình Cơng nghệ Vật liệu cách nhiệt”

1 Đôi tượng nghiên cứu học Cơng nghệ Vật liệu cách nhiệt

Trong xây dựng giá thành vật liệu chiếm khoảng 50 % đến 60% giá thành n g trình Việc ứng dụr.g vật liệu xây dựng tiên tiến ch o phép tăng hiệu

vốn đầu tư xây dựng bản, giảm giá thành cơng trình Trong số đó, phải kẻ đến vật liệu cách nhiệt Khi sử dụng, vật liệu cách nhiệt trực tiếp làm giảm khối lượng vật liệu cơng trình dẫn đến giảm giá thành cơng trình

Vật liệu cách nhiệt đa dạng chủng loại có độ dẫn nhiệt thấp, có khả hạn chê trình truyền nhiệt Tính dẫn nhiệt vật liệu cách nhiệt giải thích chúng có chứa số lượng lớn lỗ rỗng chứa khơng khí, trạng thái tĩnh khơng khí chất dẫn nhiệt

M ôn học C ông nghệ Vật liệu cách nhiệt nhằm trang bị cho người học kiến thức để ch ế tạo nhiều chủng loại vật liệu cách nhiệt qua công đoạn như: chuẩn bị nguyên vật liệu, ch ế tạo phối liệu thành hình đến cơng đoạn tạo hình gia cơng đê’ ổn định cấu trúc Việc nghiên cưii tính chất vật liệu đặc tính kỹ thuật sản phẩm sử dụng đề cập tưofng đối tỉ mỉ Cũng giáo trình này, tác giả cố gắng đưa vấn đề khoa học nhiều ý kiến tranh luận, gơi mở, định hướng giúp giải vấn đề tồn cóng nghệ, giúp người học tiếp tục nghiên cứu phát triển ứng dụng vật liệu cách nhiệt

2 Vai trị vị trí ciía vật liệu cách nhiệt xáy dựiầí;

Ngày vật liệu cách nhiệt sử dụng rông rãi xây dưng dân dụng, xây dựng công nghiệp, giao thông vận tải, lượng nhiều lĩnh vực khác kinh tế quốc dân Cơng trình có sử dụng vật liệu cách nhiệt kết cấu bao che cho phép giảm lượng nhiệt dùng để sưởi ấm mùa lạnh, vùng khí hậu lạnh tiết kiệm lượng làm mát mùa nóng, vùng khí hậu nóng Trong vùng khí hậu vịng cực, phải sử dụng loại vật cách nhiệt hiệu cao tạo môi trường thuận lợi cho hoạt động người Đối với công nghệ sử dụng môi trường nhiệt độ thấp nhiệt độ cao, có mặt vật liệu cách nhiệt thích hợp khơng thể tránh khỏi

3 H iệu q uả kinh t ế kỹ thuật vật liệu cách nhiệt

thấp đ ế n lần so với tường xãy gạch Trong trường hợp cơng trình xây dựng nằm cách xa đô thị lớn, hiệu kinh tế phụ thuộc vào giá thành vận chuyển Theo ước tính, sản phám nhà lắp ghép lớn chuyên chở quãng đường từ 800 - lOOOkm, giá thành vận chuyển đạt xấp xỉ giá thành sản xuâì sản phấm Việc vận chuyển panen kết cấu nhẹ khoảng cách có giá thành thấp lừ đến lần

Khi xây dựng nhà lắp ghép tàm lớn nhà kiếu khung - tấm, sử dụng vật liệu cách nhiệt kết cấu bao che cho phép giảm , - lần chi phí cốt ihép, - lần chi phí xiinăng

Trong cơng nghiệp, vật liệu cách nhiệt dùng đê cách nhiệt cho máy móc cơng nghiệp, thiết bị nhiệt, dường ông dần Vật liệu cách nhiệt hiệu cao làm giám lốn thát nhiệl tiết kiệm nhiên liệu mà nhiều trường hợp cịn góp phần thúc đẩy q trình cơng nghệ Với nhà m áy nhiệt điện, việc sử dụng vậi liệu cách nhiệt cho bc mặt thiết bị đường ống dẫn làm giảm tốn thất nhiệt khoảng 25 iần Khi khơng có lớp cách nhiệt, tổn thất nhiệt cho lOƠOkW cóng suấl thiết kế vào khống 1450 - 2950kJ/h hay tương đương 12% đến 25% tiêu tốn nhiên liệu Trong tổn thất nhiệt qua lỚỊì cách nhiệt khoáng 65 - 130kJ/h hay tưcmg đương 0,5% đến 1% tiêu tốn nhiên liệu

Với công nghiệp lạnh, việc sử dụng vật liệu cách nhiệt cho phép tiẽì kiệm lượng làm lạnh Mặt khác có nhiều chủng loại vật liệu cách nhiệt, ngồi vai trị cách nhiệt cịn có cách âm, làm tãng tiện nghi cho môi trường hoạt động người

4 T ình hình sản xuất sử dụnịỉ vật liệu cách nhiệt Việt N am

ở nước còng nghiệp phát triển, tiêu sử dụng lượng đầu người lớn, khối lượng vật liệu cách nhiệt sử dụng Ịớn Chính điều tạo điều kiện phát triển còng nghiệp sản xuất vật liệu cách nhiệt Chỉ riêng Liên Xơ cũ năm 1940 chí có n hà m áy c h ế lạo kh o án g với tốna sán lượng khoáng 30 ngàn tấn/tidm; đến năm 1950, tống sản lượng bơng khống đạt 659 ngàn tân/nãm; năm i963 6,5 triệu tấn/nãm ; nãm 1970 la 12 triệu tấn/năm nãm 1977 đạt 20,3 triệu tấn/năm

khí, chất lỏng nóng lạnh, kho lạnh bảo quản thực phẩm, v.v Tuy công nghiệp sản xuất vật liệu cách nhiệt cịn ngành cóng nghiệp non trẻ

Trong xây dựng dân dụng, vật liệu cách nhiệt chưa sử dụng rộng rãi với mục đích cách nhiệt mà chủ yếu nhằm giảm khối lượng công trình bẽ tơng keramzit, bê tơng tổ ong Một số vật liệu nhẹ dạng lấm trần cách nhiệt từ sợi khống với chất kết dính vỏ vơ hữu cơ, ngăn cách từ dăm gỗ có chất kết dính ximăng, dăm gỗ có chất kết dính hữu sử dụng cho c h ế tạo đồ gỗ gia dụng, lấm sóng amiăng ximăng hay sóng khơng có amiăng có cốt sợi tự nhiên hav sợi thuỷ tinh, v.v dùng với mục đích ngăn nước

Cả nước có khoảng 30 sớ sản xuất són^ am iãng ximãrig với tổng công suất ước đạt 35 triệu mVnãm Trong thành phần vật liệu chủ yếu sợi am iăng phần lớn nhập Việt Nam mó amiăng có giá trị khai thác Ngồi cịn có số sở c h ế tạo sợi thuỷ tinh với cóng suất nhỏ, dày chuyền thiếu đồng Hầu hết vật liệu cách nhiệl hiệu cao cịn phải nhập từ nước ngồi

Một* vài năm trở lại ván gỗ nhân tao làm từ dăm gỗ chất kết dính nhựa tổng hợp sử dụng ch ế tạo đồ gỗ thiết bị nội thất dưa vào sản xuất Việt Nam Nguyên vật liệu yếu dăm gỗ c h ế tạo từ gỗ khai thác rừng trồng bạch đàn, gỗ mỡ, phi lao, chàm, đước, v.v Tấm sợi gỗ sử dụng rộng rãi cơng nghiệp song có cơng nghệ tương đối phức tạp (tương tự công nghẹ sản xuất giấy), vốn đầu tư lófn nên phần lớn sản phấm loại phải nhập khấu

Chương I

P H Â N L O Ạ I V Ậ T L I Ệ U C Á C H N H I Ệ T

Vật liệu cách nhiệt thường phân loại dựa theo đặc điểm: hình dạng bề tiRồi cấu trúc, loại ngun vật liệu ban đầu, khối lượng thể tích, độ cứng (biến dạng tương đối bị ép), độ dản nhiệt, tính cháy, v.v

Theo hình dạng bên ngồi, vật liệu cách nhiệt phân thành: vật liệu dạng cấu kiện (khối, chiếc) thường sản phẩm dạng tấm, blốc, gạch, trụ, nửa trụ h ay rẻ quạt; vật liệu cách nhiệt dạng cuộn, d ạn g thừng, chão thường sản p h ẩ m dạng thảm, đệm, chão, thừng; vật liệu cách nhiệt xốp rời

Phổ biến hơii vật liệu cách nhiệt cứng dạng có chiều dài Im , chiều rộng 0,5m chiều dày - lOcm Chiều dày sản phẩm xuất phát từ trị số nhiệt trỏ vậl liệu Các có kích thước nhỏ thường c h ế tạo từ vật liệu có độ bền thấp

Vật liệu dạng rời vật liệu vơ cơ, hữu tồn dạng bột hạt mịn như: điatom it nghiền, bơng khống vê viên, cát peclit, vemiculit phồng, bột than bùn, v.v

ở trạng thái khô vật liệu cách nhiệt dạng rời dùn g để chèn lấp lỗ hổng tường nhà tạm hay nhà có kếl cấu nhẹ, cách nhiệt cho trần tầng ốp mái Vật liệu vô thường sử dụn g cách nhiệt cho thiết bị c ô n g nghiệp Trong số vậl liệu cách nhiệt dạng rời phải kể đến hỗn hợp bột dạng vữa bả dùng để cách nhiệt cho bề m ặt nóng

Vật liệu cách nhiệt dạng rời dùng để tạo lớp cách nhiệt dạng đổ đống, thi công trực tiếp trường, hiệu cách nhiệt phụ thuộc vào độ ổn định lóp vật liệu

dùng để cách nhiệt cho bề mặt có độ cong nhỏ, định hình a h c:á( loại ống dẫn, thiết bị nhiệt, thiết bị lạnh, bề mặt có độ co n g l(5n nihi bón chứa, xilơ Sử dụng vậl liệu cách nhiệt dạng cấu kiện cho năn g suất lato lộng cao so với tạo lớp cách nhiệt vật liệu rời, đồng thời chă.t Irợng lóp cách nhiệt tốt Vật liệu cách nhiệt dạng cuộn, dâv thườn g lùng để tạo lổfp cách nhiệt cho chi tiết có hình thù phức tạp n h van, õrig )hàn nhánh, hồ đo, v.v

Theo cấu trúc rỗng, vật liệu cách nhiệt chia thành: dạng sợíi, lạng hạt dạng tổ ong

Việc phân loại vật liệu cách nhiệt theo loại nguyên vật liệu ban đtầi phổ biến, sở đặt tên cho sản phẩm cách nhiệt N h ó m v.ật liéiu ;ách nhiệt bơng khống sản phẩm c h ế tạo từ bịng khống - ĩ oại ngi vên liệu chiếm khối lượng lớn sản phẩm Vật liệu cách nhiiệtgôm (ceram ic) c h ế tạo từ đất sét loại Vật liệu cách nhiệt sá gỗ c h ế tạo từ sợi gỗ V ật liệu cách nhiệt bê tông tổ ong c h ế tạ>0 bê

tồng tổ ong cá' ’i n h i ệ t Thực tế có số loại vật liệu cáich nhirệt \'ùra lược làm từ vật liệu hữu /à VẬ‘ liệu vô Pibrôlit cách nhiệ t mốt ví di, vật liệu c h ế tạo từ xơ gỗ ximăng, hoác trường hợp bỏna :kh)áng có chất kết dính hữu - nhựa tổng hợp Các loại vật liiệu cách rihiệ không phân thành nhóm riêng Cơ sỏ để phân loại phụ thuộc vào loai vậ liệu ban đầu có tính định đến tính chất sản pihẩm Đối vó hai trưịmg hợp nêu trên, íibrơlit thuộc nhóm vật liệu cách nhi<ệt hữu C(í C ỊI bơng khống có chất kết dính nhựa tổng hdp thuộc nhóm vật liệu vỏ c

Phân loại vật liệu cách nhiệt theo khối lượng thể tích ả trạng thái kiơ sở định m ác cho sản phẩm nêu bảng 1.1

Bảng 1.1 Phân loại vật liệu cách nhiệt theo khối lượmg thể tích

Nhóm vật liệu Mác

Vật liệu cách nhiệt có độ rỗng lớn 15,25,35, 50,75 Vật liệu cách nhiệt có độ rông lớn 100, 125, 150, 175 Vật liệu cách nhiệt có độ rỗng trung bình 200, 225, 2:50, 300, 35(0 Vật liệu cách nhiệt có độ rỗng thấp 400, 450, 500, 601D

Bảng 1.2 Phản loại vật liệu cách nhiệt theo độ cứng

Loại sản phấm

Biến dạng tương đối ép, (%) tải trọng, (MPa)

0,02 0,04 0,10

Sản phẩm mềm >

Sản phẩm cứng vìa -

Sản phấm cứng < 6

Sản phấm có độ cứng cao < 10

Sản phẩm cứng > 10

Phân loại vật liệu cách nhiệt theo độ dẫn nhiệt nêu bảng 1.3

Bảng 1.3 Phán loại vật liệu cách nhiệt theo độ dẫn nhiệt

Loại sản phẩm Hệ sô' dẫn nhiệt đo 25"C

W/(m."C) kCal/(m.‘'C.h)

Sản phẩm có độ cản nhiệt thấp <0,06 <0,05

Sản phẩm có độ cẫn nhiộl trung binh 0,06-0,115 ,0 -0 ,1 0

Sản phẩm có độ cản nhiệt lớn 0,115-0,175 0,100-0,150

T rong thực tê vật liệu cách nhiệt phân loại theo m ục đích sử d ụ n g như: vật liệu cách nhiệt thường sản phẩm có khối lượng thể tích Y„ < k g /m ’; \ậ t liệu cách nhiệt cấu kiện ứng với sản phẩm có khối luợng thể tích Yo ^ k g /m \ vật liệu cách nhiệt dùng xây dựng, vật liệu cách nhiét công nghiệp

Chương II

C Á C T Í N H C H Ấ T C B Ả N C Ủ A V Ậ T L I Ệ U C Á C H N H I Ệ T

Các tính chất vật liệu xây dựng nói chung vật liệu cách nhiệt nói riêng phân thành hai nhóm: tính chất nhiệt - Iv ính chất - lý Chúng chi phối, ảnh hưởng lẫn tuv thuộc vào loại vật Lệu Tuy nhiên trình chế tạo điều khiển thơng sơ' kv thuậ để kết hợp tốt tiêu kỹ thuật loại sản phẩm

2.1 C Á C TÍN H C H Ấ T N H IỆT - LÝ C Ủ A VẬT LIỆU CÁCH N H IỆ T

Ba đặc điểm q u trình truyền nhiệt: tính dẫn nhiệt, độ dẫn nhiệt đo nhiệt dung riêng tính chất nhiệt - lý quan trọng vật liệu T o n g trình thiết k ế tối ưu kết cấu bao che lớp cách nhiệt cho máy tiiốt bị nhiệt đòi hỏi hiểu biết cách sâu sắc tính chất

2.1.1 T ính dản nhiệt vât liệu cách nhiét

Tính dẫn nhiệt m ột thuộc tính quan trọng vật liệu cách nhiệt vật liệu cách nhiệt cấu kiện, dược xác định hệ số dẫn nhiệt X có thứ ngiyên W /(m °C) kCal/(m.°C.h) Quan hệ đơn vị sau:

lW /(m °C ) = 0,86kCal/(m.°C.h) hay lkCal/(m.°C.h) = 1,163W /(m °:) T heo định luật Furie ta có:

^ = — - (2-1)

(P.T.At)//

Trong đó: Q - dịn g nhiệt theo phương vng góc với mặt phẳng 'á c h ngăn; F - diện tích vách ngàn, m^; X - thời gian, h; At - chênh lệch nhiệ độ hai bể m ặt đối diện, °C; / - chiều dày vách ngăn, m

De Baye biến đổi công thức theo dạng sau;

Ầ = C.CÙ.1 ( - )

Trong đó: c - nhiệt dung riêng thể tích khơng đổi; (0 - vận tóc triyền

Những cơng trình nghiên cứu cho thấy cơng thức De Baye hoàn toàn cho vật thê rắn, vật thể lỏng thể khí Nếu xuất phát từ nhận thức đại chất truyền nhiệt phương trình De Baye cho phép giái thích thay đổi hệ số dẫn nhiệt vật liệu phụ thuộc vào trạng thái cấu irúc trạng thái tổ hợp chúng

H ệ sô dẫn nhiệt xác định phương pháp thực nghiêm tính tốn, tính dựa trẽn kết đo chênh lệch nhiệt độ sau quãng thời gian định q trình đốt nóng sử dụng thiết bị ống trụ

Trong điều kiện thực tế sản xuất, việc xác định trực tiếp hệ số dẫn nhiệt gập khơng khó khăn Do có xu hướng xác định hộ số (lẫn nhiệt gián tiếp thông qua thông số khác dễ đo Ihông dụng vật liệu khối lượng thể tích Đối với vật liệu cuội kết phi kim loại, sô' dẫn nhiệt chúng xác định cách gần công thức: thực nghiệm N ecraxôv - K auím an

Hệ số dẫn nhiệt (W/'(m.°C)) số vật liệu cách nhiệt phổ biến thường dao độ n g khống rộng Đối với khơng khí đứng yèn, nhiệt độ ° c 0,24; nhiệt đọ 100()°c 0,075; nước, ° c o'55; nhiệt độ 0 ° c 0,7; nước dá có hệ số dẫn nhiệt 2,5; gỗ từ 0,11- 0,17; gạch đất sét nung từ 0,45 - 0,80; thép gang từ 45 - 60; bạc 418 Theo hệ số dẫn nhiệt bạc khơng khí chênh lệch 18 ngàn lần

Trên thực tế biến đổi nhỏ trạng thái vật lý thành phần hoá học vật liệu dẫn đến thay đổi giá trị hệ số dẫn nhiột

T ính dẫn nhiệt vật liệu cách nhiệt chịu ảnh hưởng số nhân tố trạng thái vật lý cấu trúc vật liệu, thành phần hoá học, có mặt tạp chất (nhất vật thể kết tinh) điều kiện sử dụng (như nhiệt độ, áp suất độ ẩm)

Trạng thái vật lý vật thể có ảnh hưởng lớn tới tính dẫn nhiệt Tương tự thuyết ánh sáng, nhiệt truyền nhờ có mặt phơtơn Trong m ôi trường k h ông liên tục cúa mạng lưới tinh thể, mối liên hệ dao động bình thường tạo điểu kiện tính khống điều hồ dẩn đến tương tác lẫn phơnơn, tức phát tán cách không trật tự dạng sóng phịnịn Do việc sứ dụng khái niệm độ dài bước sóng tự d o để diễn tả trình truyền nhiệt tỏ thuận tiện

Trong chất khí chất lỏng, trình truyền nhiệt xảy nhờ va chạm phân tử có động khác Do xây dựng công thức đánh giá tính dẫn nhiệt cần xuất phát từ chiều dài bước sóng trung bình củ a phân tử Trong vật thể rắn chiều dài bước sóng trung bình phônôn

Đ ối với vật thể kết tinh phi kim loại, giá trị / phụ thuộc vào cấu tạo, kích thước tinh thể (trong tinh thể nhỏ vùng tác đ ộ n g sóng bị hạn chế); khuyết tật mạng lưới chuyển vị tinh thể tạo sức cản q trình lan truyền sóng Do chiều dài bước sóng phơnơn lớn đơn tinh thể thô nhỏ vật thể kết tinh mịn Thực vậy, hệ đa tinh thể chiều dài bước sóng (/) hạn c h ế kích thước tinh thể độ dẫn nhiệt thấp so với đcm tinh thể có thành phần hố học (xem hình 2.1) Có thể nói

độ dẫn nhiệt tinh thể tỷ lộ thuận với kích thước chúng

ỏ vật thể kết tinh, độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào phương truyền nhiệt so với trục quang học tinh thể, cịn vật thể cấu trúc sợi độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào trục sợi (xem bảng 2.1) Trị số độ dẫn nhiệt tinh thể thạch anh đo khoảng nhiệt độ từ -200°c đến +100°c theo phương song song với trục quang học lớn gần gấp hai lần so với đo theo phương vng góc K ết với trường hợp sợi amiãng sợi gỗ

Bảng 2.1 Hệ sô' dẩn nhiệt A.-quăczit nhiệt độ thay đổi

t(°C)

Hình 2 : D ộ ( U n nhi ệt c ù a cỉú x a p l ỉ i a

1- Dạng đưn tinh thế; Dang đa tinh thể.

Hướng dòng nhiệt

Giá trị A., W/(m.°C) đo nhiệt độ

-200 - 100 + 100

Vng góc với trục tinh thể 27,0 11,6 7.2 5,6

T rong vật thể cấu trúc thuỷ tinh, khoảng cách tác động trung bình sóng đàn hồi nhỏ khoảng hai lần khoảng cách phân tử độ dẫn nhiệt chúng nhỏ so với độ dẫn nhiệt vật thể kết tinh

Hinh 2.2: Sự thay dối dộ (Jẩiì nhiệt của:

a ) Đ(»1 linh l l ì ể q i i c z i t : h j Q u ủ c z i t v đ ị n h hình.

Chiều dài bước sóng trung bình vật thể rắn phụ thuộc vào nhiệt độ Khi nhiệt đ ộ giảm , chiều dài bước sóng tăng, điều minh hoạ qua ví dụ thay đổi độ dẫn nhiệt đcfn linh thể quăczit khoảng nhiệt độ lớn °K (xem hình 2.2a) Khi nhiệt độ tăng, độ dẫn nhiệt vật thể kết tinh giảm Điêu lý giải tượng nhiệt độ xuống thấp tính chất cách nhiệĩ cùa vật liệu bị xấu

T ính dẫn nhiệt cúa vậl thể kết tinh giảm cách tăng mức độ khuyết tật mạng tinh thể tái kết tinh để giảm kích thước tinh thể, đồng thời giảm tỷ lệ tinh thể có vật liệu M ột phương pháp giảm độ dẫn nhiệt theo hướng chiếu xạ cho vật liệu, nhờ tạo khuyết tật cục cấu trúc tinh thể T rong trường hợp chiếu xạ với cường đ ộ cao làm cho cấu trúc tinh chuyển sang cấu trúc thuỷ tinh Khi đ ó chiều dài bước sóng độ dản nhiệt giảm

T rong vật thể dạng thuý tinh, chiều dài bước sóng phơnơn khơng đổi nhiệt đ ộ thay đối Khi dao động nhiệt gia tăng phát tán phơnơn tăng lên Dc xếp không trật tự nguyên tử nên nhiệt đ ộ tăr>g, độ dẫn nhiệt vật thể tãng (xem hình 2.2b)

Đ ộ dẫn nhiệt chất lỏng tãng nhiệt dung riêng tăng Khi nhiệt độ tăng, kh o ản g cách phân tử chất lỏng tãng, độ đặc giảm độ dẫn nhiệt giảm (trừ nước, nước nặng glixêrin) T hành phần hoá học chất lỏng cũ n g có ảnh hướng đến độ dẫn nhiệt Nhiệt độ sôi chất lỏng

càng thấp mức độ giảm hệ số dẫn nhiệt nhiệt độ tăng mạnh Giá trị nằm khoảng 0,1 - 0,25% cho l ° c

Đối với chất khí, độ dẫn nhiệt tăng nhiệt độ tãng theo công thức:

= (2-3)

^T„ ^vT„

Trong đó:

^ - độ nhớt, Pa.s;

Q - nhiệt dung riêng, kJ/(kg.°C)

Khi nhiệt độ tãng Q tãng Mặt khác phân tử chất khí có số lượng ngun tử lớn mức độ tăng độ dẫn nhiệt cao

Đ ộ dẫn nhiệt phụ thuộc vào thành phần hoá học vật chất cấu trúc phân tử chúng Vật chất có thành phần hoá học cấu lạo đơn giản dẫn nhiệt tốt so với vật chất phức tạp Hệ số dẫn nhiệt củu M gO CaO cao hoín so với SÌO2 AIịOi hệ số dẫn nhiệt

SÌO2 AI2O , lại cao hệ số dẫn nhiệt cúa mulit - 3Al20,.2Si02

canxi silicat - 2CaỌ SiO, CaỌ SiỘ

Sự có mặt tạp chất vật chất làm giảm độ dẫn nhiệt chúng Điểu thể rõ đem so sánh vật thể kết tinh với vật thê vơ định hình

Ả nh hưởng điều kiện sứ dụng đến độ dẫn nhiệt vật liệu cách nhiệt thể rõ nét nhiệt độ độ ẩm thay đổi, giá trị hệ số dẫn nhiệt thường xác định nhiệt độ ° c °c nhiệt độ khác ° c , hệ số dẫn nhiệt quy đổi theo còng thức đây:

= (2-4)

Trong đó:

A-I - hệ số dẫn nhiệt vật liệu t ° c ° c trạng thái khô; p - số gia hệ số dẫn nhiệt nhiệt độ tăng r c Giá trị p thay đổi phụ thuộc vào tính chất lỗ rỗng khoảng nhiệt độ, dao động từ 2.10 ‘ - ,5 10 \

T rong đó:

và - hệ s ố dẫn nhiêt vật liệu ẩm vật liệu khò, W /(m.°C); - số gia hệ số dản nhiệt độ ám tích tàng lên 1%;

w - độ ẩm thể tích.

G iá trị ị3^, phụ Ihuộc vào độ rỗng toàn phần cùa vật liệu độ ấm tích vật liệu Khi khối lương tích vật liệu giám p,,tăng V í dụ bê tơng tổ ong Ỵ„= 2íĩOkg/m ' thi = 0,0084; y„ = 500kg/m '‘ = ,0 y„ = 0 k g /m ' p„ = 0.0054

2.1.2 Nhiệt dung

N hiệt dung tính c h CLia vật liệu hấp thụ nhiệt nhiệt độ tãng Cần ph ân biệt với nhiệt dung riêng vật liệu lượng nhiệt cần cung cấp ch o Ik g vật liệu đế lãng nhiệl độ lên l ° c Thứ nguyên nhiệt dung riêng J/(kg.°K ) hay J/(kg.°CV Quan hệ đơn vị nàv là:

lJ/(kg.°C ) = 0.239kCal/(kg.°C) hay lkCal/(kg.°C) = 4.187kJ/(kg.°C ) Nhiệt dung riêng cúa vật liệu phụ thuộc vào bán chất vậi liệu Độ rỗng vật liệu ánh hướng khòiig lớn đến nhiệt dung riêng nhiệl dung riêng pha rắn khơng khí chênh lệch khơng đáng kế Nhiệl dưng riêng c ủ a bê tỏng nặng 0,92kJ/(kg.°C) cịn khơng khí 1,04kJ/(kg.°C) V ậ t liệu hữu có nhict dung riêng lớn so với vật liệu khoáng Nhiệt d u n g riêng sán pliấm bống khống 0.75kJ/(kg.°C), cịn nhiệt dung riêng cúa sựi gỗ baiiíi 3,2 lán chất dẻo cách nhiệt 1,8 lần

Nhiệt dung riêng cúa chất lỏng cao nhiều so vứi nhiệt dung riêng c h ấ t rắn chất khí Nhiét dung riêntỉ nước xấp xi 4kJ/(kg.°C), độ ám cúa vật liệu ánh hương lớn đến nhiệl dung riêng cúa chúng:

c „ + 1W„

c = ^ — ' (2-6)

1 + , W p

Trong đó:

c „ - nhiệt dung riêng cúa vật liệu khỏ kJ/(kg.°C);

c - nhiêt dung riêng cua vât liêu có độ ẩm khôi lương w (%)

= Ằ,(1 +p,,.w /100) (2-5)

2.1.3 Đ ộ dẫn nhiệt độ

Đ ộ dẫn nhiệt độ cúa vật liệu xác định Iheo còng thức sau:

a = — (2-7)

c y Trong đó:

a - độ dẫn nhiệt độ, mV-s; Ằ - hệ số dẫn nhiệt, W /(m.°C); c - nhiệt dung riêng, kJ/(kg.°C); y - khối iượng thể tích, k g /m \

Ý nghĩa vật lý độ dẩn nhiệt độ lốc độ san phầng nhiệt độ điếm khác mơi trường Trong vật liệu có giá Iri a cao, tấl cá điểm nhanh nóng lên bị đốt nóng chóng nguội làm lạnh

Đ ộ dẫn nhiệt độ vật liệu dao động khoáng rộng Độ d i n nhiệi độ thép 2,1.10 '^mVs, thuỷ linh 0,048.10 ^n s bỏng khoáng ,0 5 10"^mVs cúa khơng khí 1.8.10 ''inVs

Đ ộ dẫn nhiệt độ khong cua ihop xàp XI hầng nhau, gia tiị lớn nhiều so với độ dản nhiệt (lộ vật liệu silicat (khoáng 40 lẩn) Mặt khác ta nên so sánh độ đẫn nhiệl độ cúa loại vậi liệu với độ rỗng thay đổi, hay nói cách khác, có khối lượng thể tích khác Khi độ rỗng vật liệu tăng độ dẫn nhiệt độ vật liệu cách nhiệt tăng Tuy đặc tính khơng làm giám tínli chất cách nhiệt vật liệu, kết cấu bao chc lớp cách nhiệt cúa thiết bị nhiệt tác động nhiệt thay đối tương đối chậin

2.1.4 Nhiệt độ sử dụng tứi hạn

hoại cấu trúc Đối với vật liệu có nguồn góc pỏlim e xảy phân huỷ nhiệt hợp chất cao phân tử làm giảm tính đàn hồi cùa chất kết dính T rong vật liệu cách nhiệt chứa ximãng bị đốt nóng làu có thê dẫn đến nước chất khoáng làm giảm cường độ tăng tính dịn vật liệu

Đ ối với vật liệu cách nhiệt từ nguyên vật liệu hữu c (tấm sợi gỗ, th an bùn, v.v ) nhiệt độ sử dụng tới hạn chọn có cân nhắc khả bốc cháy sản phấm trình sử dụng Nhiệt độ sử dụng lới hạn cải thiện sử dụng phụ gia chống cháy Dưới nhiệt độ sử dụ n g tới hạn số vật liệu cách nhiệt phố biến, tính °c.

Bảng 2.2 Nhiệt độ sứ dụng tới hạn cúa sò loại vật liệu cách nhiệt Vật liệu cách nhiệt Nhiệt độ sử dụng tới hạn (°C)

Bơng khống 600

Sản phấm bơng khống -

Bơng thuỷ linh 450

Thuỷ tinh tổ ong 400

Sợi gôm 1100- 1300

Peclit phồng nở vemiciilit phổng 900

Bé tông tổ ong 400 - 700

Vật liệu trepel nung 900

Vật liệu chứa aniiãng 600

Chất dẻo cách nhiệt - 180

2.1.5 Độ rỏng

Đ ộ rỗng vật liệu tỷ lệ phần trăm pha khí có khổi tích vật liệu Cần phân biệt độ rỗng tồn phần, độ rỗng kín độ rỗng hở

= >'k + Ti

y„ r, = (1 - d).100 = ( l - ^ ) , 0

(2-8) (2-9)

T ro n g đó:

r,p - đ ộ rỗng toàn phần, %;

I\ - độ rỗng kín, %;

I |, - đ ộ r ỗ n a h ò , %:

Ỵ,, - khối lượng tích, kg/m ';

- khối lượng ihế tích tuyệt đối kg/m'

Đ ộ rỗng toàn phần cùa vật liệu cách nhiét dạng hạt rời xác định theo công thức sau:

r,p = r , + r, (2-10)

Trong đó:

r, - độ rỗng hạt, %; r, - độ rỗng hạt, % Khi đó:

r, = ( l - — ).100 (2-11)

p„

r, = (1 - Í ^ ) 0 (2-12)

p„ Trong đó:

y,, - khỏi lượng tích đố dơng, kg/m ':

p^, - khối lượng Ihể tích hạt vật liệu, kg/m '; p, - khối lượng riêng cúa hạt vật iiệu, kg/m '

Đ ộ rỗng hớ vật liệu bao gồm lố rỗng thấm nước Do vậv xác định độ rỗng hớ phương pháp xác định độ hút nước bão hoà

Đ ộ rỗng toàn phần cùa vật liệu cách nhiệt phụ thuộc vào tỷ lệ thành phấn pha rắn Thành phần đóng vai trị dịnh đến tính chất lý tính chất sử dụng cùa vật liệu cách nhiệt Do tàng độ rỗng tồn phần vậi liệu cách nhiệt làm giám cường độ học làm tãng biến dạng

cùa vật liệu Khi ciòiiữ độ vật liệu \'à liên kết phần tử chún» cànu cao khả tạo độ rỗng tồn phần lớn

Kích thước lỗ rỏiig \'ột liệu cách nhiệt dao động khoáng rộng: thuỷ tinh t ố (HILỈ từ - 8mm; chất déo cách nhiệt 10 - 15Ị.UT1

Giá trị độ róng cua \'ãl liệu ccích nhiệt có càu trúc khác nêu• • C- . báng 2.3

íỉáiiịỉ 2.3 Đị rồng cùa sị loại vàt liệu cách nhiệt

1 1 Đ ò Yồno, ^

Cấu trúc Vàt liệu Đ õ rỗng Đ ộ rỗng Đ ộ rỗng

to n phần hờ kín

1 Bé tơne tú ong ị 8 - 0 4 - 5 4 - 5

T ổ o n g l ' h u ỷ tinli hoi 8.S - 0 2 - 5 8 - 5

C h ấ t deo caclì nhiệt 9 - 9 1 1 - 5 4 - 8

Sợi B ò n g khoáne: - 2

Ị 8 - 2 0

H at

V ậ t lỉL-u cách nhiệl p o c lil 8 - 8 6 - 5 2 - 5

T h iiv 'iníì hat rống 9 - 9 6 - 3 3 - 35

Kích thước \ hình dang cúa lỗ rỗng có ánh hương lớn đến tính chấl nhiệt lý tinh chái lý cúa vật liệu cách nhiệt Có thể tối ưu hố cấu trúc cùa vật liêJ cách I i h i ẹ t thơng qua biện pháp cơng nghệ thích

hợp Cụ thể với vật !iộu cau trúc tổ ong thav đổi đường kính trung bình lỗ rỗng, tírh chất kín hay hị chiều dày vách lồ rỗng Đối với vật liệu cấu trúc sợi C(1 thc điổu chinh chiểu dài đường kính trung bình cúa sợi Còn vật lệu cách nhiệt dạng hạt thay đối kiểu dạng, k írh thước hạt ựa chọn thành phần hạt hợp lý

2.1.6 Khóíi lượn> tích

K hối lượng th ể tch cúa vật liẹu, Y,, đo k2/ m \ trạng thái khô

xác định theo c ô n g hức sau:

\ '

(2-13)

Khi bị ẩm k h ố i liợng ihể tích cúa vật liệu xác định theo cơng thức:

y" ' = - - (2-14)

V,(1 + , W J Trong đó;

rri;^ - khối lượng trạng thái khô, kg; m,^, - khối lượng trạng thái ẩm, kg;

- thê’ tích trạng thái khơ, m'; W^, - độ ẩm thể tích, %.

Đối với vật liệu cách nhiệt có độ đặc thấp (độ rỗng cao) sản phẩm thảm, đệm, từ vật liệu sợi dạng sợi, hạt rời rạc, khối lượng thể tích Y„ xác định tải trọng 0,02M Pa (» 0,2kg/cm ')

Khối lượng thể tích vật liệu xốp rời xác định có kể đến thể tích lỗ hổng hạt Vì khối lượng thể tích vật liệu dạng cịn gọi khối lượng thể tích xốp hay khối lượng thể tích đổ đỏng Để xác định khối lượng thể tích đổ đống, vật liệu rót qua phễu có đáy cách mật ống đong hình trụ thể tích lít lOcm

Trên thực tế, khối lượng thể tích y„ xác định dỗ dàng so với độ rỗng r Do để so sánh khả cách nhiệt sán phẩm c h ế tạo lừ loại vật liệu, thường so sánh khối lượng ihổ tích chúng

Đối với vật liệu cách nhiệt, khối lượng thè tích giữ vai trò quan trọng Người ta thường dựa vào giá trị đế định mác cho sản phẩm Theo đó, vật liệu cách nhiệt phân thành loại đặc biệt nhẹ (y„ = - 75kg/m ’), loại nhẹ (Y„ = 100 - k g /m ’) nặng (y„ = 400 - 600kg/m ')

2.2 CÁC TÍNH CHẤT c LÝ CỦA VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT

Tính chất lý vật liệu cách nhiệt ảnh hường râì lớn đến hiệu chúng trình sử dụng

2.2.1 Cường độ