L ời cam đoan
1.2.3.1. Các tính chất vật lý của vật liệu cách nhiệt
a. Khối lượng riêng:
Khái niệm:
Khối lượng riêng của vật liệu là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở
trạng thái hoàn toàn đặc (không có lỗ rỗng) sau khi được sấy khô ở nhiệt độ 105 ÷ 110oC đến khối lượng không đổi [4]. Ký hiệu: γa
Công thức tính: k a a G V γ = [g/cm3, kg/m3, ...] (1.13) Trong đó: k
G : Khối lượng mẫu thí nghiệm ở trạng thái khô Va: Thểtích hoàn toàn đặc của mẫu thí nghiệm
Phương pháp xác định:
– Vật liệu được coi như hoàn toàn đặc chắc: thép, kính, ...
Mẫu có dạng hình học xác định: đo kích thước hình học của mẫu, rồi dùng công thức toán học để tính ra Va.
Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 29 Khóa 2012B
Mẫu không có dạng hình học xác định: thả mẫu vật liệu vào bình chất lỏng, thể tích chất lỏng dâng lên chính là thể tích đặc của vật liệu (theo nguyên lý lực đẩy Archimedes).
– Vật liệu không hoàn toàn đặc chắc: gạch, cát, đá, xi măng, ... được xác định bằng phương pháp bình tỷ trọng. Mẫu được nghiền nhỏ để phá vỡ kết cấu lỗ
rỗng (đến cỡ hạt < 0,2 mm) và cho vào bình tỷ trọng, ta xác định được Va bằng thểtích nước dời đi khi cho bột thí nghiệm vào.
Ý nghĩa:
Khối lượng riêng của vật liệu chỉ phụ thuộc vào thành phần cấu tạo và cấu trúc vi mô của nó nên biến động trong một phạm vi nhỏ. Khối lượng riêng được ứng dụng
để phân biệt những loại vật liệu khác nhau, phán đoán một số tính chất của nó [6].
b. Khối lượng thể tích:
Khái niệm:
Khối lượng thể tích: là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên (kể cả lỗ rỗng) [4]. Ký hiệu γo Công thức tính: o o G V γ = [g/cm3, kg/m3, ...] (1.14)
Trong đó: G: khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái khô Vtn: thể tích mẫu vật liệu ở trạng thái tự nhiên
Phương pháp xác định:
– Vật liệu có dạng hình học xác định: có thểdùng thước dẹt hay thước kẹp có con chạy để đo các kích thước hình học chủ yếu rồi sau đó tính toán Vo bằng công thức toán học.
– Vật liệu không có dạng hình học xác định: Vo được xác định bằng cách bọc bề
Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 30 Khóa 2012B
– Vật liệu dạng hạt rời rạc: đổđống vật liệu vào một thùng đong có dung tích biết
trước ở một độ cao nhất định, gạt bỏ lớp vật liệu nằm cao hơn miệng thùng, Vo
đúng bằng dung tích của thùng chứa.
Ý nghĩa:
Khối lượng thể tích của vật liệu phụ thuộc vào kết cấu nội bộ bản thân vật liệu, khối lượng thể tích xốp (khối lượng thể tích của vật liệu dạng hạt rời rạc) phụ thuộc
vào kích thước hạt và sự sắp xếp giữa các hạt nên biến đổi trong một phạm vi lớn. Biết khối lượng thể tích có thểđánh giá sơ bộ một số tính chất của vật liệu như: độ đặc, độ
rỗng, cường độ, độhút nước, hệ số truyền nhiệt của vật liệu, … [6]
c. Độ ẩm:
Khái niệm:
Độẩm là tỷ lệnước có tự nhiên trong vật liệu ở trạng thái tự nhiên tại thời điểm thí nghiệm. Ký hiệu W [4] Công thức tính: .100 k k m m W m − = [%] (1.15) Trong đó:
m: Khối lượng mẫu thí nghiệm ở trạng thái tự nhiên, kg
k
m : khối lượng mẫu thí nghiệm ở trạng thái khô, kg
Ý nghĩa:
Độ ẩm của vật liệu phụ thuộc vào độ ẩm của không khí, độ rỗng, đặc tính lỗ
rỗng và thành phần của vật liệu. Độ rỗng càng lớn, lỗ rỗng càng hở thì độ ẩm sẽ cao.
Độ ẩm của vật liệu tăng sẽ làm cho thể tích của một số vật liệu tăng, khả năng truyền nhiệt sẽtăng nhưng cường độ chịu lực và khảnăng cách nhiệt sẽ giảm.
Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 31 Khóa 2012B
d. Độ đặc, độ rỗng:
Khái niệm:
Độđặc: hay mật độ của vật liệu là tỷ số giữa phần thểtích hoàn toàn đặc so với thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu. Độđặc được ký hiệu là đ và tính bằng %.
Độ rỗng là tỷ lệ giữa phần thể tích rỗng so với thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu. Độ rỗng được ký hiệu là r và tính bằng %. [4] Công thức tính: a.100% o.100% o a V đ V γ γ = = (1.16) r .100% o a.100% 1 o.100% o o a V V V r V V γ γ − = = = − (1.17)
Trong đó: Va: phần thểtích hoàn toàn đặc của mẫu vật liệu Vo: thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu
Vr: thể tích phần rỗng của vật liệu
Từ công thức (1.16) và (1.17) có thể thấy là không cần phải tiến hành thí nghiệm để xác định độ rỗng của vật liệu, có thể tính toán gián tiếp thông qua khối
lượng riêng và khối lượng thể tích của vật liệu.
e. Tính dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt:
Khái niệm:
Tính dẫn nhiệt là một thuộc tính quan trọng của vật liệu cách nhiệt và vật liệu cách nhiệt cấu kiện, được xác định bởi hệ số dẫn nhiệt λ có thứ nguyên W/m.oC hoặc kCal/m.oC.h [7].
Quan hệ giữa các đơn vịnày như sau:
1 W/m.oC = 0,86 kCal/m.oC.h 1 kCal/m.oC.h = 1,163 W/m.oC
Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 32 Khóa 2012B
Hệ số dẫn nhiệt λ là đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu, được tính toán theo định luật Fourier như sau:
( ) . . / Q F t λ τ δ = ∆ (1.18) Trong đó:
Q: dòng nhiệt theo phương vuông góc với mặt phẳng vách ngăn, kCal
F: diện tích vách ngăn, m2
τ: thời gian, h
∆t: chênh lệch nhiệt độ giữa hai bề mặt đối diện, oC δ : chiều dày vách ngăn, m
Hệ số dẫn nhiệt của một số vật liệu cách nhiệt:
Hệ số dẫn nhiệt λ thường được cung cấp bởi nhà sản xuất vật liệu cách nhiệt. Thông số dẫn nhiệt của một số vật liệu cách nhiệt phổ biến như bảng bên dưới:
Bảng 1.4: Hệ số dẫn nhiệt của một số vật liệu phổ biến [41]
Hệ số dẫn nhiệt λ (W/m.K)
Vật liệu Nhiệt độ 25oC Vật liệu Nhiệt độ 25oC
Xơ thủy tinh cách nhiệt 0,037 ÷ 0,048 Xơ bông cách nhiệt 0,029
Xơ khoáng cách nhiệt 0,035 ÷ 0,045 Gỗ đặc 0,1 ÷ 0,15 Extruded Polystyrene (XPS) 0,029 Tấm xơ gỗ 0,055 Expanded Polystyrene (EPS) 0,038 Nước 0,58
Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 33 Khóa 2012B
Độ dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt chịu ảnh hưởng của một số nhân tố như
trạng thái vật lý và cấu trúc của vật liệu, thành phần hóa học, sự có mặt của các tạp chất và điều kiện sử dụng (như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất) [7]. Số liệu ở bảng 1.4 cho thấy, không khí có độ dẫn nhiệt là thấp nhất, nước có độ dẫn nhiệt là cao nhất, các vật liệu cách nhiệt còn lại có độ dẫn nhiệt cao hơn không khí nhưng thấp hơn nước. Như
vậy, vật liệu có độ ẩm càng cao (chứa nước càng nhiều) thì độ dẫn nhiệt sẽ tăng, khả năng cách nhiệt sẽ kém. Bên cạnh đó, vật liệu càng xốp (không khí chứa trong vật liệu càng nhiều) thì độ dẫn nhiệt càng thấp, khảnăng cách nhiệt càng tốt.
Đối với các vật liệu dạng xơ, độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào phương truyền nhiệt so với trục của sợi. Dẫn nhiệt theo phương song song với trục sợi thường lớn hơn theo phương vuông góc [7]. Ngoài ra, độ dẫn nhiệt còn phụ thuộc vào độ rỗng và tính chất các lỗ rỗng bên trong vật liệu [4].