L ời cam đoan
2.6.5. Xác định hệ số dẫn nhiệt của các tấm xơ khoáng
2.6.5.1. Tiêu chuẩn thí nghiệm:
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu được đo theo tiêu chuẩn GOST 30.256-94, được thực hiện trong phòng thí nghiệm với nhiệt độ 25oC, độẩm 65%.
2.6.5.2. Chuẩn bị mẫu:
Chuẩn bị 10 mẫu có kích thước (dài x rộng) = (120mm x 45mm).
2.6.5.3. Dụng cụ thí nghiệm:
Thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt λ là thiết bị kỹ thuật số chuyên dụng model МИТ-1 (Liên Bang Nga) sản xuất năm 2014, phạm vi đo: 0,03 ÷ 0,2 ± 7% (W/m.K).
2.6.5.4. Tiến hành thí nghiệm:
Tiến hành đo hệ số dẫn nhiệt của vật liệu với các khối lượng thể tích khác nhau.
Để đảm bảo sự đồng nhất về tính chất của các mẫu thí nghiệm, việc thay đổi khối
lượng thể tích của các mẫu được thực hiện trên cùng một tấm mẫu của nhà sản xuất. Các mẫu cùng chủng loại được xếp chồng lên nhau thành 1, 2, 3, 4 lớp rồi được ép về
chiều dày của một lớp. Khi đó ta có được các mẫu đo có khối lượng thể tích 40, 80, 120 và 160 kg/m3 với cùng bản chất và thành phần cấu tạo.
Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 62 Khóa 2012B
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 3.1. Cấu trúc của tấm xơ khoáng:
3.1.1. Đặc điểm xếp lớp:
Hình 3.1: Cấu trúc phân bố xơ trong tấm xơ khoáng
Xơ khoáng được sản xuất theo công nghệ phun thổi và xếp lớp như một dạng công nghệ sản xuất vải không dệt. Do đó vật liệu được phân bố theo lớp như được thể
hiện trên hình 3.1
3.1.2. Tính định hướng của xơ:
Xơ khoáng gần giống xơ thủy tinh, có tính cứng và giòn. Trong quá trình sản xuất các xơ được tạo ra bằng phương pháp nóng chảy, được kéo nhỏ bằng áp lực luồng khí nóng khiến cho phân bố của các xơ trong màng xơ là ngẫu nhiên. Màng xơ được ép thành lớp và được trải chồng lên nhau đến khi đủ khối lượng thể tích thì được ép thành tấm. Vì vậy có thể thấy ngoài đặc tính phân lớp thì trong từng lớp, xơ khoáng được phân bố ngẫu nhiên cả về tọa độ lẫn hướng. Điều này được kiểm tra qua ảnh hiển vi
Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 63 Khóa 2012B
Hình 3.2:Thiết bị phun xơ theo phương pháp nóng chảy và phân bố các xơ
Trong ảnh hiển vi điện tử (SEM) theo hướng vuông góc với bề mặt tấm vật liệu (hình 3.2), ta thấy rằng các xơ được phân bố ngẫu nhiên trong tấm vật liệu, khoảng cách giữa các xơ và kích thước các lỗ rỗng tương đối lớn so với đường kính xơ.
Lỗ rỗng và sự phân bố ngẫu nhiên này tạo cho tấm xơ khoáng có đặc tính xốp và được coi là đồng nhất về cấu trúc.
3.1.3. Đặc điểm liên kết các xơ trong tấm vật liệu cách nhiệt:
Về lý thuyết của công nghệ sản xuất thì các xơ trong tấm xơ một phần được liên kết nhờ chất keo được phun vào trong khithổi xơ nóng chảy. Chúng được phun vào xơ trong khi xơ được kéo dài và làm nhỏ. Tuy nhiên do chúng không bị ép chặt và các điểm tiếp xúc không hoàn toàn nhận được keo. Vì vậy có thể thấy chúng được liên kết không hoàn toàn và có thể xé tách lớp bất cứ chỗnào, như trên hình 3.3a
Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 64 Khóa 2012B
Hình (a) Hình ( b)
Hình 3.3: Đặc điểm liên kết giữa các xơ
Từ ảnh SEM hình 3.3b ta thấy rằng, kích thước các hạt keo là rất nhỏ và mật độ phân bố các hạt keo trên xơ tương đối thấp. Một số hạt keo còn phân bố trên thân xơ
ngay tại các điểm không có tiếp xúc với các xơ khác. Điều này cũng chứng minh tính phân bố ngẫu nhiêu của các hạt keo trong xơ. Và có thể thấy ảnh hưởng của chúng trong truyền nhiệt là không đáng kể.
3.2. Kích thước xơ trong tấm xơ khoáng:
Do đặc điểm của quá trình sản xuất, kích thước của các xơ trong tấm xơ khoáng như đường kính, tiết diện không có sự đồng nhất. Điều này được thể hiện rõ qua ảnh hiển vi điện tử (SEM) của mẫu vật liệu.
Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 65 Khóa 2012B
Hình 3.4: Ảnh chụp SEM đường kính xơ
Quan sát ảnh (SEM) của mẫu trên hình 3.4 ta thấy rằng, đường kính của xơ khoáng trong tấm vật liệu không đồng đều và dao động trong khoảng 3-8 µm. Điều này cũng phù hợp với thông số đường kính xơ mà nhà cung cấp đưa ra là 4,5 ÷ 5 μm.
Tiết diện xơ gần như là hình tròn (hình 3.5a) và nhìn vào mặt cắt ngang của xơ ở hình 3.5b có thể thấy rằng xơ khoáng (của nhà cung cấp Nichias, Indonesia) không hoàn toàn đặc mà có một lỗ rỗng nhỏ. Tuy nhiên kích thước lỗ rỗng là rất nhỏ so với đường kính của xơ nên có thể bỏ qua và độ rỗng của vật liệu chính là độ rỗng được hình thành do sự sắp xếp và phân bố của các xơ (khoảng cách giữa các xơ).
Hình (a) Hình (b)
Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 66 Khóa 2012B
3.3. Một số thông số kỹ thuật của tấm xơ khoáng:
3.3.1. Độ dày tấm xơ khoáng:
Đây là vật liệu mềm và có độ xốp cao, nên việc đo độ dày được thực hiện trên 5 mẫu, mỗi mẫu đo ở 4 vị trí khác nhau theo tiêu chuẩn (ASTM C303-10) thu được bảng kết quả như bảng 3.1:
Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm đo độ dày [cm]:
Vị trí đo Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5
A 4,78 5,05 5,13 4,86 5,10 B 4,91 4,90 5,05 4,89 4,95 C 5,10 4,79 4,78 4,76 4,78 D 4,82 4,75 4,89 5,12 5,07 Độ dày trung bình 4,90 4,87 4,96 4,91 4,98 Sai lệch % so với nhà sản xuất công bố (5 cm) -2 -2.6 -0.8 -1.8 -0.4 Nhận xét:
Từ kết quả thí nghiệm ở bảng 3.1 ta thấy rằng, có sự sai lệch độ dày thực tế và độ dày công bố bởi nhà sản xuất khoảng -0,4 ÷ -2,6%, điều này có thể là do ở khâu đóng gói và vận chuyển, các tấm vật liệu bị ép nén nên có biến dạng độ dày và bị mỏng đi nhưng không đáng kể. Tuy nhiên nó cũng làm tăng khối lượng thể tích lên một lượng tương ứng.
Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 67 Khóa 2012B
Bảng 3.2: Kết quả thí nghiệm khối lượng riêng của vật liệu:
Thí nghiệm Lần 1 Lần 2 Lần 3 TB
Khối lượng mẫu sau khi sấy khô G (g) 5,8118 5,5033 5,3499
Khối lượng của bình tỷ trọng chứa
nước đến vạch chuẩn m2 (g) 158,4794 157,6189 157,1918
Khối lượng của bình tỷ trọng chứa mẫu
và nước đến vạch chuẩn m1 (g) 154,7301 154,0761 153,7521
Khối lượng riêng của xơ khoáng γR
(g/cm3) 2,8178 2,8071 2,8007 2,8085
Nhận xét:
Khối lượng riêng của tấm xơ khoáng là một thông số vật lý quan trọng. Đây là
phần vật chất có ảnh hưởng nhiều đến đặc tính truyền nhiệt theo cơ chế dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt. Vì nó không được công bố bởi nhà sản xuất và phân phối, nên luận văn đã cố gắng tìm cách tiếp cận thông qua phương pháp PICNOMETER. Công việc được tiến hành tại phòng thí nghiệm xây dựng (trung tâm Quatest 3) với các thiết bị và điều kiện chuẩn.
Đánh giá độ tin cậy của kết quả thực nghiệm:
Sử dụng phần mềm Microsoft Office Excel, tính toán độ lệch chuẩn của 3 lần
thí nghiệm:
{ }
( )i
s = STDEV x = 0,0086
Trong đó: xi: khối lượng riêng qua các lần đo, i = 1÷3
Theo Tài liệu Xử lý thống kê số liệu thực nghiệm – Nguyễn Văn Lân – Mục 3.4 –
Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 68 Khóa 2012B
r = 2 2 × 0,0086 = 0,0243
Theo kết quả thí nghiệm khối lượng riêng ở bảng 3.2 ta thấy rằng, sai lệch khối lượng riêng giữa 3 lần thí nghiệmkhông vượt quá mức r = 0,0243. Do đó, khối lượng riêng của vật liệu là trung bình cộng của 3 lần đo.
{ }
( )
R i
γ = AVERAGE x = 2,8085 (g/cm3) ≈ 2,81 (g/cm3)
Kết luận, không có sự sai lệch kết quả giữa 3 lần thí nghiệm và khối lượng riêng của
tấm xơ khoáng mẫu được nghiên cứu trong luận văn là: γR = 2,81 (g/cm3).
3.3.3. Khối lượng thể tích:
Khối lượng thể tích có quan hệ chặt chẽ với độ rỗng của vật liệu và có ảnh hưởng lớn đến các cơ chế truyền nhiệt và cách nhiệt, vì vậy được xác định chính xác ở đây.
Bảng 3.3: Kết quả thí nghiệm khối lượng thể tích của vật liệu:
Mẫu vật liệu Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5
Kích thước mẫu (cm) 20 x 10 20 x 10 20 x 10 20 x 10 20 x 10
Độ dày δ (cm) 4,90 4,87 4,96 4,91 4,98
Khối lượng khô G (g) 38,8188 38,1501 39,4541 38,3731 39,5711
Khối lượng thể tích γ (g/cm3) 0,0396 0,0392 0,0398 0,0391 0,0399
Khối lượng thể tích γ (kg/m3) 39,6 39,2 39,8 39,1 39,9
Khối lượng thể tích trung bình của vật liệu: γ = 39,52 [kg/m3]
Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 69 Khóa 2012B
Nhận xét:
Kết quả thí nghiệm cho thấy, khối lượng thể tích đo được không khác biệt nhiều so với thông tin khối lượng thể tích được nhà sản xuất công bố. Thực tế có thấp hơn khoảng 1,2%.
Đánh giá độ tin cậy của số liệu:
• Giả thuyết:
Ho: μ = μc (Khối lượng thể tích trung bình của mẫu không có sự khác biệt với khối lượng thể tích của nhà cung cấp đưa ra)
Ha: μ ≠ μc (Khối lượng thể tích trung bình của mẫu thí nghiệm khác với khối lượng thể tích của nhà cung cấp)
• Kiểm định giả thuyết:
Từ kết quả thí nghiệm khối lượng thể tích ở bảng 3.3, sử dụng phần mềm Microsoft Office Excel (phiên bản 2007), tính toán khối lượng thể tích trung bình và độ lệch chuẩn chung của 5 mẫu thí nghiệm
• Khối lượng thể tích trung bình: { } ( )i = AVERAGE γ γ = 39,52 (γi: khối lượng thể tích của mẫu thứ i, i = 1÷5) • Độ lệch chuẩn: { } ( ) γ i s = STDEV γ = 0,356 (γi: khối lượng thể tích của mẫu thứ i, i = 1÷5)
• Khối lượng thể tích tiêu chuẩn:
μc = 40 (kg/m3) = 0,040 (g/cm3)
Theo Tài liệu Xử lý thống kê số liệu thực nghiệm – Nguyễn Văn Lân – Mục 4, So sánh số trung bình tổng thể với chuẩn, trang 61.
Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 70 Khóa 2012B
Với cỡ mẫu n = 5 < 30, giá trị kiểm định cần tính là:
c γ - μ . n t = s γ 39, 52 40 . 5 3, 0149 0, 356 − = =
Với mức tin cậy P = 99% → α = 0,01; bậc tự do ν = n – 1 = 4
α 2 α t = TINV 2* ,ν 2 = 4,6041 Ta thấy α 2 t = 3,0149 < t = 4,6041 → chấp nhận giả thuyết Ho
Như vậy, khối lượng thể tích của mẫu thí nghiệm không có sự khác biệt so với khối lượng thể tích được công bố bởi nhà cung cấp, hay có thể nói mẫu được chọn thí nghiệm mang tính đại diện cho cả lô sản phẩm có khối lượng thể tích 40 kg/m3. Do đó,
trong quá trình tính toán hay đo lường khả năng cách nhiệt của vật liệu có thể sử dụng giá trị khối lượng thể tích của nhà cung cấp γ = 40 kg/m3 để nghiên cứu.
3.3.4. Độ rỗng của tấm vật liệu:
Độ rỗng của tấm vật liệu cho biết khoảng không gian chứa không khí có trong vật liệu. Nó là thông số phản ảnh độ xốp của vật liệu. Do không khí và chất rắn có hệ số dẫn nhiệt khác nhau, nên khi độ rỗng thay đổi sẽ ảnh hưởng đáng kể đến hệ số dẫn nhiệt.
Dựa vào khối lượng riêng và khối lượng thể tích đã biết của vật liệu có thể tính được độ rỗng của nó bằng công thức:
1 o .100% a r γ γ = − Trong đó: o
γ : khối lượng thể tích của tấm vật liệu mẫu, đại lượng này có được thông qua kết quả thí nghiệm mục 3.3.3
Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 71 Khóa 2012B
a
γ : khối lượng riêng của tấm vật liệu mẫu, đại lượng này có được thông qua kết quả thí nghiệm mục 3.3.2
Độ rỗng của vật liệu được tính toán được giới thiệu trên bảng 3.4:
Bảng 3.4: Kết quả tính toán độ rỗng của vật liệu:
TT
mẫu
Khối lượng riêng
(g/cm3) Khối lượng thể tích (kg/m3) Độ rỗng (%) 1 2,81 40 98,58 2 2,81 80 97,15 3 2,81 120 95,73 4 2,81 160 94,31
Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 72 Khóa 2012B
Nhận xét:
Từ kết quả tính toán độ rỗng ở bảng 3.4 ta thấy rằng, vật liệu từ xơ khoáng có độ rỗng rất cao. Trong khoảng khối lượng thể tích 40÷ 160 kg/m3, độ rỗng lớn hơn 94%. Đặc biệt mẫu khối lượng thể tích 40 kg/m3có độ rỗng đến 98,58%.
Từ biểu đồ hình 3.6 ta thấy rằng, khi khối lượng thể tích tăng thì độ rỗng của vật liệu lại giảm. Điều đó nghĩa là chúng có quan hệ nghịch biến. Điều này hoàn toàn có thể giải thích như sau: Với cùng một thể tích vật liệu như nhau, khi khối lượng thể tích tăng lên có nghĩa là lượng xơ (phần đặc) trong vật liệu tăng lên sẽ làm cho độ rỗng (phần rỗng) của vật liệu giảm xuống.
3.4. Hệ số dẫn nhiệt của các tấm xơ khoáng:
Để xác định quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt và khối lượng thể tích cần tạo ra các tấm mẫu có khối lượng thể tích khác nhau với các thông số kỹ thuật còn lại là như nhau bằng cách chồng 1, 2, 3, 4 tấm vật liệu lại với nhau rồi nén về độ dày một tấm ta có:
Bảng 3.5: Khối lượng thể tích của các mẫu đo hệ số dẫn nhiệt
Mẫu đo λ Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4
Số lớp xếp chồng (lớp) 1 2 3 4
Độ dày mẫu (mm) 50 50 50 50
Khối lượng thể tích γ (kg/m3) 40 80 120 160
Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu xơ khoáng được đo 3 lần lấy giá trị trung bình được ghi lại trong bảng 3.6.
Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 73 Khóa 2012B
Bảng 3.6: Hệ số dẫn nhiệt của các tấm xơ khoáng mẫu
Khối lượng thể tích (kg/m3) Độ dày (mm) Hệ số dẫn nhiệt λ [W/m.K] Lần 1 Lần 2 Lần 3 Trung bình Nhiệtđộ đo T = 46oC 40 50 0,0355 0,0355 0,0355 0,0355 80 50 0,0352 0,0351 0,0353 0,0352 120 50 0,0349 0,0349 0,0349 0,0349 160 50 0,0397 0,0395 0,0396 0,0396 0.0355 0.0352 0.0349 0.0396 0.032 0.033 0.034 0.035 0.036 0.037 0.038 0.039 0.04 40 80 120 160 H ệ số dẫ n nhi ệt (W /m .K ) Khối lượng thể tích (kg/m3)
Hệ số dẫn nhiệt của các tấm xơ khoáng
Hệ số dẫn nhiệt
Hình 3.7: Biểu đồ hệ số dẫn nhiệt của các tấm xơ khoáng
Nhận xét:
Thông tin trên biểu đồ hình 3.7 cho thấy, trong phạm vi khối lượng thể tích 40 ÷
160 kg/m3 của mẫu thí nghiệm, trong điều kiện chống nóng mùa hè (nhiệt độ đo là
46oC) thì các mẫu xơ khoáng có hệ số cách nhiệt λ trong khoảng 0,349 ÷ 0,0396 (W/m.K).
Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 74 Khóa 2012B
3.5. Quan hệ giữa đặc tính cấu tạo với khả năng cách nhiệt vật liệu:
3.5.1. Mối quan hệ giữa khối lượng thể tích với hệ số dẫn nhiệt và cách nhiệt
của vật liệu:
Độ dày trung bình của mẫu thí nghiệm không có sự khác biệt nhiều so với độ dày công bố của nhà cung cấp (50mm), để đơn giản trong tính toán khả năng cách nhiệt của tấm vật liệu luận văn sẽ sử dụng giá trị độ dày của nhà cung cấp δ = 50 mm.
Bảng 3.7: Hệ số dẫn nhiệt và cách nhiệt của vật liệu ở 46oC
STT Khối lượng thể tích (kg/m3) Độ dày (mm) Hệ số dẫn nhiệt λ (W/m.K) Hệsố cách nhiệt R = δ/λ (m2.K/W) 1 40 50 0,0355 1,4085 2 80 50 0,0352 1,4204 3 120 50 0,0349 1,4327 4 160 50 0,0396 1,2626
3.5.1.1. Biểu đồ quan hệ giữa khối lượng thể tích với hệ số dẫn nhiệt và cách nhiệt:
Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 75 Khóa 2012B 1.4085 1.4204 1.4327 1.2626 0.0355 0.0352 0.0349 0.0396 0.032 0.033 0.034 0.035 0.036 0.037 0.038 0.039 0.04 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 40 80 120 160 H ệ dẫ n nhi ệt λ (W /m. K ) H ệ s ố c ác h nhi ệt R (m 2.K/ W ) Khối lượng thể tích (kg/m3)
Quan hệ giữa khối lượng thể tích với hệ số dẫn nhiệt và cách nhiệt
Hệ số cách nhiệt Hệ số dẫn nhiệt
Hình 3.8: Biểu đồ quan hệ giữa khối lượng thể tích với độ dẫn nhiệt và cách nhiệt