BÁO cáo môn vật LIỆU NHIỆT LẠNH đề tài gốm CÁCH NHIỆT và vật LIỆU NHIỆT LẠNH HIỆN đại

Với các ưu điểm nối bật như đa dạng chủng loại, khối lượng riêng nhỏ, hệ số dẫn nhiệt thấp, khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao, độ bền tốt …, vật liệu gốm cách nhiệt được sử dụng rộng rãi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG

CAO 

BÁO CÁO

MÔN: VẬT LIỆU NHIỆT LẠNH

Đề tài: GỐM CÁCH NHIỆT VÀ VẬT LIỆU

NHIỆT LẠNH HIỆN ĐẠI GVHD: TS Đặng Hùng Sơn

S

Danh sách thành viên nhóm:

Họ và tên MSSV

TT

4 Lê Phước Tài

Thạnh

Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2020

Nhận xét của giảng viên

Bảng phân công công việc

thành 1

2

3

Phan Thanh Điền 19147093 Phần 1.1 và 100%

2.1 4

5

6

A PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Sợi gốm xuất hiện lần đầu tiên tại Hoa Kỳ vào năm 1941, và trong suốt quá trình phát triển từ thời điểm đó đến nay, các loại vật liệu cách nhiệt sản xuất từ sợi gốm đã trở nên phổ biến không chỉ ở Hoa Kỳ mà còn trên toàn thế giới, trong đó có cả Việt Nam Với các ưu điểm nối bật như đa dạng chủng loại, khối lượng riêng nhỏ, hệ số dẫn nhiệt thấp, khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao, độ bền tốt …, vật liệu gốm cách nhiệt được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như hóa dầu, cơ khí, sản xuất thủy tinh,

ô tô…

Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch trên thế giới dần cạn kiệt, yêu cầu về việc sử dụng năng lượng một cách hiệu quả cũng tăng cao, với hiệu quả cách nhiệt tốt hơn 10-13% so với các loại vật liệu cách nhiệt truyền thống, việc ứng dụng vật liệu gốm cách nhiệt vào việc hạn chế tổn thất năng lượng ngày càng tăng cao Chính vì những đặc điểm ưu việt kể trên, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài về vật liệu gốm cách nhiệt để tìm hiểu rõ hơn về các đặc tính kỹ thuật của loại vật liệu này, từ đó đánh giá được tính hiệu quả của gốm cách nhiệt và các ứng dụng của nó trong thực tiễn đời sống và sản xuất, góp phần nâng cao kiến thức và mở rộng sự hiểu biết về các loại vật liệu trong mảng nhiệt - lạnh

2 Mục đích nghiên cứu:

Nâng cao kiến thức và mở rộng sự hiểu biết về các loại vật liệu trong mảng nhiệt

- lạnh và các ứng dụng của nó trong thực tiễn đời sống và sản xuất

3 Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu bao gồm gốm cách nhiệt, vật liệu nhiệt lạnh phổ biến hiện nay có trong nước và nước ngoài

4 Phương pháp đánh giá:

Để có thể đạt được những mục đích đã đề ra như trên, nhóm đã áp dụng

những phương pháp nghiên cứu như sau:

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Đọc, tra cứu, nghiên cứu tài liệu từ các trang mạng, kênh tài liệu có liên quan đến vật liệu nghiên cứu

- Phương pháp phân tích tổng hợp: Để hiểu được ý nghĩa, chức năng, phạm vi sử dụng của vật liệu

- Phương pháp thống kê: Nhằm xử lí các thông tin thu được một cách chính xác

để đưa ra phương hướng đề xuất sử dụng vật liệu nghiên cứu

B PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI GỐM CÁCH

NHIỆT, VẬT LIỆU NHIỆT LẠNH

1.1 Định nghĩa, cấu tạo gốm cách nhiệt :

Vật liệu gốm cách nhiệt là loại vật liệu được tạo hình từ khối ceramic đã tạo rỗng không có cốt liệu, hoặc từ khối ceramic đặc (hoặc tạo rỗng) chứa các cốt liệu khó chảy hoặc chịu lửa, sau đó được nung đế ốn định cấu trúc Tuỳ thuộc vào nguyên vật liệu ban đầu, công nghệ chế tạo vật liệu gốm cách nhiệt được phân thành hai nhóm chính đó là: vật liệu cách nhiệt ceramic và vật liệu chịu lửa nhẹ

Các sản phẩm cách nhiệt ceramic được thành hình từ khối ceramic, sau đó được sấy, nung ở điều kiện nhiệt độ cao Nhiệt độ nung của sản phẩm có ảnh hưởng quyết định đến nhiệt độ sử dụng của sản phẩm: tsd= 900 – 1000 oC khi sản phấm tạo hình từ đất sét dễ chảy và tsd= 1000-1200 oC khi sản phẩm tạo hình từ đất sét chịu lửa

Vật liệu gốm cách nhiệt chịu lửa nhẹ, có thành phần chủ yếu là Alumina và Silica (Al2O3 - SiO2) Tỉ lệ phần trăm của Silica và Alumina trong vật liệu có thể thay đổi, thông thường tỉ lệ là 43-54% Alumina và 43.5-54% Silica Sợi gốm có thể được sản xuất từ các loại đất sét hình thành trong tự nhiên như cao lanh hoặc từ các loại nguyên liệu tổng hợp có độ tinh khiết cao Đối với sợi gốm được sản xuất từ các nguyên liệu tự nhiên, có tồn tại sẵn trong nguyên liệu các chất khoáng hóa như TiO2,

Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O và B2O3, trong khi đó các nguyên liệu tổng hợp cần phải được thêm vào các oxit này hoặc một số oxit khác cho các mục đích riêng biệt Vai trò của từng thành phần chưa được hiểu rõ, nhưng sự tồn tại của B2O3 và các oxit bazơ có thể làm giảm nhiệt độ hóa lỏng của hỗn hợp Alumina-Silica, do đó chúng đóng vai trò như chất trợ chảy trong quá trình sản xuất

Các dạng sản phẩm gốm cách nhiệt phổ biến: chăn (blanket), giấy, dải (strip), dây, foam, vải nỉ (felt), tấm … Các dạng sản phẩm này có các đặc tính tương đương nhau, phụ thuộc trực tiếp vào các đặc tính của sợi gốm được sử dụng để sản xuất

Hình 1 Bông sợi gốm[1]

Hình 4 Tấm cách nhiệt sợi gốm[2]

Hình 2 Chăn gốm [1]

Hình 3 Dải gốm cách nhiệt[2]

CHƯƠNG 2: CÁC TÍNH CHẤT CỦA GỐM CÁCH NHIỆT VÀ VẬT

LIỆU NHIỆT LẠNH

2.1 Tính chất gốm cách nhiệt:

2.1.1.Nhiệt độ sử dụng:

Các sản phẩm gốm cách nhiệt có độ bền nhiệt rất tốt, do đó thường được lựa chọn để cách nhiệt cho các thiết bị hoạt động ở nhiệt độ cao như đường ống hơi, lò lửa, lò hơi, tuabin khí Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu gốm cách nhiệt thông thường

là trên 1700°C Nhiệt độ tối đa mà gốm cách nhiệt có thể chịu được thông thường là khoảng 1000- 1315°C, trong một số trường hợp sản phẩm gốm cách nhiệt có thêm thành phần ZrO2, nhiệt độ hoạt động tối đa lên đến 1425°C Tuy nhiên, trong điều kiện tiếp xúc liên tục với nhiệt độ cao, gốm cách nhiệt có thể chịu đựng nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sử dụng tối đa khoảng 100°C, thông thường nằm trong khoảng 900-1325°C

Bảng 1 Nhiệt độ sử dụng một số loại chăn gốm từ Nutec Maxwool Blanket [3]

Giới hạn sử dụng tối đa, °F (°C) 1832 (1000) 2400 (1315) 2600 (1425)

Giới hạn sử dụng liên tục, °F (°C) 1652 (900) 2200 (1204) 2417 (1325)

Điểm nóng chảy, °F (°C) 3200 (1760) 3200 (1760) 3200 (1760)

2.1.2 Hệ số dẫn nhiệt:

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu gốm cách nhiệt rất thấp,thông thường khoảng 0.05 - 0.06

W/m.K ở nhiệt độ 260°C , khi nhiệt độ tăng thì hệ số dẫn nhiệt cũng sẽ tăng theo Hệ

số dẫn nhiệt của vật liệu gốm còn phụ thuộc vào tỉ trọng của vật liệu, tỉ trọng càng lớn thì hệ số dẫn nhiệt càng nhỏ Mối quan hệ này đúng cho tới khi tỉ trọng đạt khoảng

200 kg/m3, vượt qua mức này, hệ số dẫn nhiệt gần như không đổi, tuy nhiên, khi tỉ trọng đạt khoảng 400 kg/m3, hệ số dẫn nhiệt bắt đầu tăng

Hình 5 Quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt với nhiệt độ và tỉ trọng[6]

Hệ số dẫn nhiệt của gốm cách nhiệt cũng phụ thuộc vào các đặc tính của lưu chất tiếp xúc hoặc nằm xen kẽ trong các lỗ trống của vật liệu Hệ số dẫn nhiệt và áp suất của lưu chất là hai thông số quan trọng ảnh hưởng đến sự thay đổi của hệ số dẫn nhiệt của gốm cách nhiệt, hai thông số này tăng sẽ dẫn đến hệ số dẫn nhiệt của vật liệu tăng

2.1.3.Độ bền sốc nhiệt:

Các vật liệu gốm cách nhiệt không bị ảnh hưởng bởi sốc nhiệt và có thể hoạt động dưới điều kiện khắc nghiệt đột ngột, tính toàn vẹn của vật liệu được giữ nguyên, dẫn đến tính ổn định hoàn toàn của vật liệu cách nhiệt có sử dụng sợi gốm Một ví dụ cho tính chất này đó là việc sử dụng nỉ gốm ướt (wet felt) để quấn đầu đốt khí dư của các nhà máy lọc hóa dầu hoặc các giàn khoan trên biển, bộ phận này được đặt ở ngoài trời, có thể tiếp xúc với mưa hoặc tuyết và đột ngột hoạt động ở nhiệt độ xấp xỉ 1000°C khi cần đốt khí dư khẩn cấp

2.1.4 Khả năng phân bố nhiệt:

Khả năng phân bố nhiệt của vật liệu gốm cách nhiệt tương đối tốt phù hợp cho các công trình mà ở đó cần vật liệu có thể chịu được sự chênh lệch nhiệt độ lớn.Thực

tế có thể thấy nhất là các công trình nhà máy nhiệt điện sử dụng sợi gốm cách nhiệt ceramic cho các tuabin khí và các ống hơi

Hình 6 Bọc cách nhiệt tuabin,đường ống nhà máy nhiệt điện bằng sợi gốm ceramic[4]

2.1.5.Độ bền cơ học:

Các sợi gốm thông thường có độ dài dao động từ hàng micromet đến khoảng 250

mm Đặc tính này không có mối quan hệ xác định với hệ số dẫn nhiệt, nhưng sợi gốm dài và có định hướng tự do cho phép sản xuất các loại nỉ gốm không sử dụng chất kết dính và chăn gốm Các loại chăn gốm cách nhiệt có độ bền cơ học rất tốt trong khoảng nhiệt độ hoạt động Gốm cách nhiệt có khả năng giữ vững được độ bền cơ học trước

và thậm chí sau khi gia nhiệt Sợi gốm không bị thấm ướt bởi kim loại nóng chảy, thường được dùng trong các ứng dụng tiếp xúc trực tiếp với các kim loại nóng chảy như nhôm, chì, kẽm, đồng và các hợp kim của chúng Sợi gốm còn được dùng trong các ứng dụng “một lần dùng” với sắt nóng chảy và hợp kim niken/crôm

Bảng 2.Độ bền kéo một số loại chăn gốm của hãng Morgan Avanced Materials[5]

2.1.6 Độ bền hóa học:

Gốm cách nhiệt hoàn toàn không bị oxi hóa và có độ bền rất tốt khi tiếp xúc với các chất thải công nghiệp Gốm cách nhiệt cũng chịu được tốt khi tiếp xúc với axit sulfuric ở nhiệt độ thấp, và vì lý do này, gốm cách nhiệt ngày càng được sử dụng nhiều như lớp cách nhiệt hỗ trợ cho lò lửa hoặc buồng đốt mà các sản phẩm cháy có chứa khí SOx có thể ngưng tụ lại trên vỏ buồng đốt dưới dạng axit sunfuaric Gốm cách nhiệt có thể chống lại tốt sự tác động của dầu nhớt, hơi nước và hầu hết các chất hóa học, trừ các loại axit flohydric, axit photphoric và các bazơ mạnh Hầu hết các ưu điểm của gốm cách nhiệt thu được khi chúng không được sử dụng với chất kết dính, trong một số trường hợp cần thiết phải sử dụng chất kết dính, các chất này phải đảm bảo có thành phần hóa học tương thích với vật liệu gốm cách nhiệt

2.1.7 Khả năng cách âm và chịu rung động:

Vật liệu gốm cách nhiệt ở dạng chăn gốm có đặc tính hấp thụ âm rất tốt, quy luật chung đó là tỉ trọng thấp thì hấp thụ âm ở tần số cao và ngược lại, tỉ trọng cao hấp thụ

âm ở tần số thấp

Khả năng chịu đựng rung động rất tốt đối với các sản phẩm gốm cách nhiệt có sợi gốm dài và có định hướng ngẫu nhiên Các sản phẩm này bảo toàn tính nguyên vẹn trong một số điều kiện mà bông khoáng hay sản phẩm gốm cách nhiệt có sợi ngắn

có thể bị phá hủy Nhờ các đặc tính trên mà chăn gốm cách nhiệt có thể được sử dụng

để cách nhiệt cho hệ thống xả khí thải của các loại động cơ đốt trong Chăn gốm cách

nhiệt cũng thỏa mãn các điều kiện thử nghiệm về khả năng hoạt động trong môi trường nhiều tiếng ồn và rung động của các nhà máy điện

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG THỰC CỦA GỐM TRONG LÒ

NUNG TUYNEL 4.1 Sơ lược về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của lò nung TUYNEL:

4.1.1 Cấu tạo lò nung TUYNEL:

Lò nung tuynel di dộng hay lò nung tuynel kiểu xoay hiện đại là loại lò nung đang rất phổ biến ở nước ta hiện nay So với các lò nung gạch tuynel truyền thống trước đây thì loại lò di dộng này tiết kiệm thời gian, công sức, năng lượng tiêu thụ hơn rất nhiều trong khi sản lượng cũng như chất lượng gạch tạo ra lại tốt hơn

Hình 10 Sơ đồ cấu tạo lò nung tuynel[10]

1 Nền lò nung dạng tròn

2 Đường ray tròn

3 Vỏ lò nung

4 Hệ thống bánh xe

5 Không gian bên trong lò

Bảng 10 Các thông số cơ bản của lò.[10]

Đường kính đường trung tâm 117.7m

Đường kính ray đường ngoài 130m

Hình 10 Mặt cắt ngang mô tả kích thước và cách xếp lò.[10]

4.1.2 Nguyên lý hoạt động của lò nung tuynel di động:

Hình 10 Nguyên lý hoạt động của lò nung tuynel.[10]

4.1.3 Bông gốm trong lò nung TUYNEL:

Bông gốm cách nhiệt 126 °C được ép thành khối dày khoảng 250mm, sau đó

ghép chặt vào khung lò để bảo ôn nhiệt độ trong lò nung Khả năng hấp thụ nhiệt, độ

dẫn nhiệt, dẫn điện thấp giúp đảm bảo nhiệt độ trong lò luôn ở mức quy định Bông

gốm cách nhiệt có khả năng không thấm nước và chống ẩm giúp không ảnh hưởng

đến nhiệt độ bên trong lò nung

Hình 10 Gốm cách nhiệt trong lò nung.[10]

Lò nung là một thiết bị hoạt động ở nhiệt độ cao, nhiệt độ trên vách ngoài lò

nung luôn cao hơn nhiệt độ môi trường gây nên tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra môi

trường, làm giảm hiệu suất lò nung Chính vì lý do trên mà việc cách nhiệt cho lò

nung đóng vai trò rất quan trọng, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu của

lò nung Đối với loại lò nung tuynel gạch đi vào các khoang và sinh ra nhiệt sao khi

được gia nhiệt bởi các sản phẩm cháy bên ngoài lò nung và được đưa đến khâu khác

Cho nên việc tính toán lớp cách nhiệt cho lò nung tuynel này về cơ bản là bài

toán truyền nhiệt qua vách phẳng, nhiệt lượng tổn thất được tính theo công thức sau

q=

t

f 1 −t

f 2

[W/m2]

1 + δ 1 + δ 2 + 1

α1 λ1 λ2 α2

Trong đó :

q - Nhiệt lượng tổn thất (W/m2)

t f 1, t f 2 - Nhiệt độ của khói trong lò hơi và nhiệt độ không khí bên ngoài ( C) α 1,

α 2 - Hệ số tỏa nhiệt của lưu chất bên trong và ngoài lò hơi (W/m2.K)

λ 1, λ2 - Hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt và vách lò hơi (W/m.K)

δ 1, δ2 - Chiều dày lớp cách nhiệt và vách lò hơi (m)

Với điều kiện các thông số t f 1, t f 2 , α 1, α 2, λ2 và δ 2 cho trước, nhiệt lượng tổn thất

sẽ càng nhỏ khi δ1

tăng Việc tăng chiều dày lớp cách nhiệt sẽ làm tăng kích thước lò

λ1 hơi và chi phí lắp đặt, tuy nhiên, gốm cách nhiệt có hệ số dẫn nhiệt rất thấp, chỉ khoảng 0.3-0.4 W/m.K ở nhiệt độ 1200 C, do đó không cần sử dụng lớp cách nhiệt quá dày mà vẫn duy trì tổn thất nhiệt ở mức thấp, đồng thời giảm nhiệt độ ở vách ngoài lò nung đến mức an toàn cho con người khi tiếp xúc

C KẾT LUẬN

Qua những phân tích như trên, chúng ta có thể thấy vật liệu gốm cách nhiệt là một loại vật liệu tuyệt vời với trọng lượng nhẹ, chịu nhiệt cao, ổn định nhiệt tốt, hệ số dẫn nhiệt thấp, nhiệt dung riêng và rung động cơ học thấp, dễ gia công và thi công thuận tiện Do đó, các sản phẩm sợi gốm đã được sử dụng rộng rãi trong cơ khí, luyện kim, hóa chất, dầu khí, gốm, thủy tinh, điện tử và các ngành công nghiệp khác Các sản phẩm làm từ sợi gốm được sản xuất bởi công nghệ và thiết bị đặc biệt có độ bền kéo cao, chống rung và chống va đập ở nhiệt độ cao, đặc biệt hiệu quả tiết kiệm năng lượng đáng chú ý

Mặt khác chúng tôi còn nhận thấy tầm quan trọng của việc phát triển công nghệ gốm cách nhiệt là một phần để tiết kiệm năng lượng trong nỗ lực kiềm chế sự nóng lên toàn cầu Điều này cho thấy rằng không có kết thúc trong việc cải thiện chất lượng của vật liệu cách nhiệt Do đó chúng ta cần phát triển các loại vật liệu cách nhiệt mới

để giúp bảo tồn năng lượng và bảo vệ môi trường, vì tài nguyên thiên nhiên để tạo ra năng lượng không phải là vô hạn

D TÀI LIỆU THAM KHẢO