1.2.5.1 Các hình thức truyền nhiệt qua vật liệu cách nhiệt dạng xơ
Vật liệu cách nhiệt từ xơ được ứng dụng rất phổ biến và có tiềm năng do có tính cách nhiệt cao, trọng lượng nhẹ. Mục tiêu chính nhằm tăng hiệu quả cách nhiệt bằng cách giảm ảnh hưởng của các hình thức truyền nhiệt. Nhiều nhà nghiên cứu đã cố gắng phân tích các hình thức truyền nhiệt và thiết lập các mô hình toán học cho từng hình thức. Mặc dù các phương pháp phân tích của các nghiên cứu khác nhau nhưng các kết luận là giống nhau, các kết luận chính có thể được tóm tắt như sau [35]:
1. Dẫn nhiệt do không khí có đóng góp lớn trong tổng số lượng nhiệt truyền qua vật liệu cách nhiệt dạng xơ.
2. Ảnh hưởng của bức xạ nhiệt là lớn nhất khi mật độ vật liệu thấp, khoảng mật độ này thấp hơn một giá trị mật độ tối ưu tùy thuộc từng loại vật liệu, và trong phạm vi khối lượng thể tích này thì độ dẫn nhiệt cao.
3. Dẫn nhiệt qua môi trường chất rắn ảnh hưởng quan trọng trong khoảng mật độ thể tích cao (trên một giá trị mật độ tối ưu tùy thuộc từng loại vật liệu), trong phạm vi này làm tăng độ dẫn nhiệt.
4. Tăng nhiệt độ trung bình của vật liệu làm tăng độ dẫn nhiệt, đặc biệt khi khối lượng thể tích thấp, khu vực này chịu ảnh hưởng chủ yếu của bức xạ nhiệt.
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 41
Hình 1.20: Sự tham gia của các phương thức truyền nhiệt [15]
Nguyên lý truyền nhiệt phù hợp khi vật liệu cách nhiệt là những trụ tròn đồng nhất với chiều dài vô hạn [15]. Trong tấm xơ thủy tinh, chiều dài xơ được đo bằng đơn vị mm còn đường kính xơ nhỏ hơn rất nhiều với kích thước micromet, như vậy có thể xem xơ thủy tinh trong tấm vật liệu là một hình trụ tròn dài [36]. Theo các công trình nghiên cứu về truyền nhiệt qua vật liệu cách nhiệt dạng xơ thì có bốn hình thức truyền nhiệt trong vật liệu này: dẫn nhiệt thông qua môi trường rắn (xơ), dẫn nhiệt qua môi trường khí (không khí giữa các xơ), đối lưu của không khí (khí trong không gian giữa các xơ), trao đổi bức xạ nhiệt giữa các xơ và không khí [15].
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 42
Hình 1.21: Các hình thức truyền nhiệt qua vật liệu cách nhiệt dạng xơ Nguồn:http://www.paroc.fi/Knowhow/Energy-Efficiency/Building-
design/Envelope?sc_lang=en và
Nguồn: http://www.bine.info/en/publications/themeninfos/publikation/daemmen- durch-vakuum/waermeleitung-in-daemmstoffen/
Mũi tên màu vàng: Dẫn nhiệt qua các xơ; mũi tên màu xanh: Dẫn nhiệt qua không khí; mũi tên màu đỏ: Bức xạ nhiệt; mũi tên màu xanh lá cây: Đối lưu của không khí có thể bỏ qua.
Trong các hình thức truyền nhiệt thì ảnh hưởng của truyền nhiệt đối lưu ở vật liệu cách nhiệt không có dòng đi qua có thể bỏ qua với các lỗ rỗng có đường kính nhỏ hơn 5mm [22]. Stark, C., and Fricke thì cho rằng với tấm cách nhiệt làm từ xơ có khối lượng thể tích lớp hơn 20kg/m3 thì sự đóng góp của truyền nhiệt do đối lưu cũng không đáng kể [42]. Tuy nhiên một số nhà nghiên cứu khác khi chọn vật liệu là tấm xơ gốm có khối lượng thể tích thấp hơn 16kg/m3
thì cũng kết luận tương tự đó là ảnh hưởng của truyền nhiệt đối lưu chiếm tỉ lệ rất ít so với tổng lượng nhiệt [38]. Bên cạnh đó qua hình 1.20 có thể thấy khi nhiệt độ thay đổi giá trị của dòng nhiệt do đối lưu vẫn không thay đổi.
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 43 Đối với vật liệu cách nhiệt có độ xốp cao thì có hiệu quả cách nhiệt tốt hơn so với vật liệu có độ xốp thấp. Manohar [35] khi nghiên cứu trên bã mía đã cho thấy trong 3 hình thức truyền nhiệt thì dẫn nhiệt qua chất khí thay đổi ít với sự thay đổi khối lượng thể tích. Như vậy ảnh hưởng của bức xạ nhiệt và dẫn nhiệt qua chất rắn là chủ yếu. Do đó để vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp thì tổng bức xạ nhiệt và dẫn nhiệt qua chất rắn ở đây là xơ phải thấp nhất. Qua hình có thể thấy ảnh hưởng của bức xạ nhiệt và ảnh hưởng của dẫn nhiệt qua chất rắn là đối lập nhau khi khối lượng thể tích tăng. Ở phạm vi khối lượng thể tích thấp sự đóng góp truyền nhiệt do bức xạ nhiệt là chủ yếu và giảm dần khi khối lượng thể tích tăng.
1.2.5.2 Tính toán độ dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt dạng xơ
a. Công thức tính độ dẫn nhiệt do bức xạ [15]
Trong cấu trúc vật liệu cách nhiệt dạng xơ truyền nhiệt bức xạ đóng vai trò quan trọng trong quá trình truyền nhiệt trong hầu hết các trường hợp ngay cả trong cách nhiệt ở nhiệt độ thấp. Bức xạ nhiệt bao gồm tán xạ, hấp thụ và phát ra nhiệt khi truyền qua vật liệu. Hấp thụ xảy ra thông qua truyền sóng điện từ chủ yếu là bức xạ hồng ngoại (bước sóng giữa: 1μm và 50μm) [38].
λrad = 3 16 3 T (1-7) Trong đó: σ - hằng số Stefan - Boltzmann, = 5,6710-8, W.m-2.K-4; T- nhiệt độ, K; β - hệ số dập tắt.
Hệ số dập tắt rất quan trọng vì nó thể hiện cho sự phân hủy năng lượng trong quá trình truyền nhiệt. Hệ số dập tắt là tổng của hệ số hấp thụ và tán xạ. Cả 2 hệ số này phụ thuộc vào nhiệt độ trung bình, áp suất và bước sóng.
e (1-8) e - hệ số dập tắt trung bình của xơ
ρ - khối lượng riêng của vật liệu cách nhiệt, kg/m3.
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 44 Với giả định rằng không khí trong vật liệu cách nhiệt có trạng thái tĩnh, công thức sau đây được sử dụng để tính toán cho độ dẫn nhiệt của chất khí:
* 2 2 1 2 Pr gas gas Kn (1-9) Trong đó: λgas* - độ dẫn nhiệt của không khí ở áp suất khí quyển, W/m.K;
- hệ số thể hiện sự trao đổi năng lượng giữa không khí và xơ có giá trị 0< <1; - nhiệt dung riêng;
Pr - chuẩn số Prandtl; Kn - hệ số Knudse.
Dẫn nhiệt qua môi trường khí ở vật liệu cách nhiệt có độ xốp cao chịu ảnh hưởng nhiều bởi hiệu ứng Knudse. Số Knudsen được định nghĩa như là tỉ số giữa độ dài đường tự do trung bình ở cấp độ phân tử với một đại lượng độ dài vật lý đại diện nào đó. Tỉ số độ dài này có thể là bán kính của một vật thể trong chất lưu. (Nói một cách đơn giản hóa, số Knudsen là số lần trung bình mà đường kính của một hạt phải di chuyển trước khi va chạm phải hạt khác) [62].
C Kn L (1-10) 2 2 B g K T d P (1-11) Trong đó:
- độ dài đường tự do trung bình, m;
B
K - hằng số Boltzmann, = 1.38x10-23, J/K;
T - nhiệt độ, K;
g
d - đường kính va chạm của không khí, m;
B
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 45 P- áp suất, Pa. 4 f C D L f (1-12) Trong đó: C L - độ dài đặc trưng, m; f D - đường kính xơ, m;
f - tỉ lệ giữa khối lượng riêng của vật liệu và khối lượng riêng của xơ Các thông số , phụ thuộc vào giá trị của chuẩn số Knudsen
- = 1, = 0 khi Kn < 0,01 - = 1, = 1 khi 0,01 < Kn < 10 - = 0, = 1 khi Kn > 10
Công thức tính độ dẫn nhiệt qua môi trường chất rắn – xơ 2 ** solid f s (1-13) Trong đó: solid - độ dẫn nhiệt do chất rắn, W/m.K;
f - tỉ lệ giữa khối lượng riêng của vật liệu và khối lượng riêng của xơ, W/m.K;
**
s
- độ dẫn nhiệt của xơ.
c. Công thức tính độ dẫn nhiệt qua môi trường rắn và khí[15]
1 1 1 gas solid cond solid gas solid gas solid f z f (1-14) Trong đó:
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 46 z = 1 khi xơ được phân bố thẳng đứng với hướng của dòng nhiệt;
z = 2/3 khi xơ được phân bố ngẫu nhiên;
z = 5/6 khi xơ phân bố 50% theo hướng của dòng nhiệt và 50% được phân bố ngẫu nhiên.
Mẫu tấm xơ thủy tinh được nghiên cứu trong luận văn được phân bố ngẫu nhiên nên chọn giá trị z = 2/3.
d. Công thức Độ dẫn nhiệt tổng được tính như sau [15]:
λtotal = λcond + λrad + λconv (1-15) Trong đó:
λtotal - tổng độ dẫn nhiệt, W/m.K;
λcond - độ dẫn nhiệt do dẫn nhiệt qua môi trường rắn và khí, W/m.K; λrad - độ dẫn nhiệt do bức xạ, W/m.K;
λconv - độ dẫn nhiệt do đối lưu, W/m.K.
Đối với vật liệu cách nhiệt dạng xơ có độ xốp lớn hơn 95% thì độ dẫn nhiệt được tính theo công thức [23]
λtotal = ε.λgas + (1- ε).λsolid + λrad (1-16) Trong đó:
ε - độ rỗng, %;
λgas - độ dẫn nhiệt do chất khí, W/m.K;
λsolid - độ dẫn nhiệt do chất rắn (vật liệu), W/m.K; λrad - độ dẫn nhiệt do bức xạ, W/m.K. λgas = 0 1 g T C P (1- 17)
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 47 λrad = 3 16 3 T E (1-18)
Trong đó: - có thể hiểu là khoảng cách giữa hai vách rỗng, phụ thuộc vào kích thước của lỗ rỗng [m], P - áp suất; - khối lượng riêng; T - nhiệt độ; σ - hằng số Stefan - Boltzmann, = 5,6710-8, W.m-2.K-4; - độ dẫn nhiệt của chất khí khi di chuyển tự do [W/(m.K)]; C - hằng số tương đương 1,6 đối với không khí; E - hệ số dập tắt.
1.2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến truyền nhiệt trong vật liệu cách nhiệt dạng xơ. 1.2.6.1 Độ rỗng 1.2.6.1 Độ rỗng
Đặc điểm khác biệt về cấu trúc của các vật liệu cách nhiệt dạng xơ là cấu trúc rỗng cao. Do chúng có cấu trúc rỗng cao, không khí chứa đầy các lỗ rỗng ở trạng thái tĩnh là các chất dẫn nhiệt kém, do đó nó có khả năng giảm khá lớn sự truyền nhiệt.
Độ rỗng của vật liệu cách nhiệt dạng xơ được tạo ra bởi khoảng không gian giữa các xơ nên độ rỗng phụ thuộc vào độ dài, đường kính xơ.
Hình 1.22: Quan hệ giữa độ rỗng và độ dẫn nhiệt
Vật liệu càng rỗng, dẫn nhiệt càng kém (cách nhiệt tốt), hay nói cách khác vật liệu càng nặng thì dẫn nhiệt càng tốt [39]. Ví dụ khi nghiên cứu tấm xơ gốm có độ rỗng cao ở nhiệt độ phòng cho thấy khi độ rỗng tăng lên thì độ dẫn nhiệt giảm.
0
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 48 [25]. Tuy nhiên khi tăng độ rỗng đến một giá trị nào đó thì hệ số truyền nhiệt của vật liệu lại bắt đầu tăng lên tức hiệu quả cách nhiệt lại giảm. Thí nghiệm vật lý trên tấm cách nhiệt xơ thủy tinh đã chỉ ra rằng khi độ rỗng của vật liệu tăng lên thì hệ số truyền nhiệt hiệu quả của vật liệu giảm, điều này phù hợp với thực tế vì hệ số dẫn nhiệt của thủy tinh khá lớn so với không khí. Nhưng điều này chỉ đúng với một mức độ rỗng nhất định [44].
Hình 1.23: Ảnh hưởng của độ rỗng và hệ số truyền nhiệt của tấm xơ thủy tinh cách nhiệt. (a, mặt cắt ngang của tấm xơ thủy tinh cách nhiệt b, biểu đồ thể hiện quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt và độ rỗng theo 2 nhà nghiên cứu Kalabin và Zeitler).
Đối với vật liệu cách nhiệt cần phân biệt độ rỗng vi mô và độ rỗng vĩ mô. Chỉ có các lỗ rỗng vĩ mô, tức là các lỗ rỗng quan sát bằng mắt thường mới ảnh hưởng đến tính chất nhiệt lý của vật liệu cách nhiệt. Kích thước và hình dạng của các lỗ rỗng có ảnh hưởng đến tính chất nhiệt lý cũng như tính chất cơ lý của vật liệu.
Phương pháp sắp xếp không chặt chẽ được áp dụng phổ biến trong công nghệ tạo độ rỗng cho vật liệu cách nhiệt dạng xơ. Ngoài ra để tăng hiệu quả cách nhiệt có thể tạo cấu trúc xơ rỗng. Xơ được nghiên cứu và sản xuất dưới các hình thái đặc biệt với các lỗ rỗng nhiều hơn bình thường đển ngăn nhiệt từ bên ngoài tác động vào.
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 49
1.2.6.2 Độ ẩm và nhiệt độ
a. Độ ẩm
Vật liệu cách nhiệt khi bị làm ẩm thì cường độ cơ học của vật liệu giảm, đồng thời khả năng cách nhiệt, độ bền sinh học…cũng suy giảm. Trong nhiều trường hợp khi bão hòa nước, vật liệu sẽ trương nở và thay đổi cấu trúc làm giảm đột ngột khả năng cách nhiệt của chúng. Do vậy khi lựa chọn vật liệu cách nhiệt cần tính đến khả năng thay đổi cấu trúc và tăng tính dẫn nhiệt trong điều kiện bị làm ẩm. Độ ẩm của vật liệu tăng lên thì hệ số dẫn nhiệt cũng tăng lên. Bằng chứng khi nghiên cứu trên 2 mẫu thí nghiệm là bã mía trong môi trường không khí khô và môi trường không khí có độ ẩm 5%, hình dạng 2 đồ thị có hình dạng giống nhau thể hiện quy luật quan hệ giữa khối lượng riêng và hệ số dẫn nhiệt tương tự các nghiên cứu khác. Nhưng do nước có hệ số dẫn nhiệt cao hơn gấp 25 lần so với các vật liệu cách nhiệt khác nên đối với mẫu bã mía có độ ẩm 5% thì hệ số dẫn nhiệt có giá trị cao hơn liên tục trong khoảng 0.0056 W/m.k tương ứng tăng 17% [21].
Hình 1.24: Mối tương quan giữa khối lượng riêng và độ dẫn nhiệt với vật liệu là bã mía[21] (a - bã mía trong môi trường không khí khô, b - bã mía môi trường không khí có độ ẩm 5%.)
Vật liệu cách nhiệt hút ẩm càng nhiều thì khả năng cách nhiệt giảm dần [19]. Qua đồ thị 1.26 xơ khoáng với các độ ẩm khác nhau nhưng khi % độ ẩm tăng lên thì
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 50 hệ số dẫn nhiệt cũng tăng lên cùng chiều. Xơ khoáng có độ ẩm thấp 0,0 - 0,1 %, mặc dù nhiệt độ có lên nhưng độ dẫn nhiệt cũng không thay đổi. Tuy nhiên xơ khoáng có độ ẩm càng tăng thì sự thay đổi của độ dẫn nhiệt càng lớn khi nhiệt độ tăng.
Hình 1.25: Mối tương quan giữa độ dẫn nhiệt, độ ẩm và nhiệt độ đối với xơ khoáng.
Khi độ ẩm thay đổi độ dẫn nhiệt được xác định theo công thức [6]:
w w W (1 ) 100 k (1-19) Trong đó: w
và k - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ẩm và vật liệu khô, W/m.0C;w- số gia hệ số dẫn nhiệt khi độ ẩm thể tích tăng lên 1%; W - độ ẩm thể tích, %.
Ảnh hưởng của điều kiện sử dụng đến độ dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt thể hiện khá rõ, ngoài yếu tố độ ẩm, nhiệt độ sử dụng cũng ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt. Mối quan hệ giữa độ dẫn nhiệt và nhiệt độ là mối quan hệ cùng chiều, khi nhiệt độ tăng lên độ dẫn nhiệt cũng tăng lên với nhiều loại vật liệu khác nhau như xơ khoáng, XPS, EPS…[19]
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 51