CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN Mục tiêu: - Trình bày được khái niệm và cấu tạo của vật liệu dẫn điện, cách điện - Phân loại được chính xác chức năng của từng vật liệu cụ thể - Trình bà
VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN
Vật liệu cách điện
- Trình bày được khái niệm và cấu tạo của cách điện
- Phân loại được chính xác chức năng của từng vật liệu cụ thể
- Trình bày được những kiến thức cơ bản về cơ, lý, hoá và tính năng, tác dụng của vật liệu cách điện;
1.1 Khái niệm và đặc tính của chất cách điện:
Vật liệu cách điện, hay còn gọi là chất điện môi, là những chất được sử dụng để cách điện cho các phần dẫn điện trong thiết bị điện.
- So với vật liệu dẫn điện thì vật liệu cách điện có điện trở lớn hơn nhiều
- Đặc tính của chất điện môi là khả năng tạo nên ở trong nó một điện trường lớn và tích luỹ được năng lượng điện.
1.1.2 Phân loại các chất điện môi:
+ Theo trạng thái vật thể chất điện môi gồm: chất khí, lỏng và rắn
Chất điện môi được phân loại theo bản chất hóa học thành hai loại chính: chất vô cơ và chất hữu cơ Ngoài ra, dựa trên khả năng chịu nhiệt, chất điện môi còn được chia thành các cấp Y và A.
1.1.3 Tính chất chung của vật liệu cách điện: a Tính hút ẩm:
- Hút ẩm: Là khả năng hút ẩm từ môi trường xung quanh.
+ Tác hại:tăng dòng điện rò, tổn hao điện môi và giảm điện áp phóng điện + Biện pháp khắc phục: thực hiện sơn phủ trên bề mặt điện môi.
- Tính thẩm thấu: là khả năng cho hơi nước xuyên qua vật liệu.
Lượng hơi ẩm m (g) trong thời gian τ (giờ) qua mặt phẳng S (cm²) của lớp vật liệu cách điện có độ dày h (cm) được xác định dựa trên hiệu số áp suất hơi nước P1 và P2 (mmHg) ở hai bên bề mặt vật liệu, theo công thức tính toán cụ thể.
S p m = φ ( p 1 − 2 ) τ Trong đó: φ là độ thấm ẩm của vật liệu
+ Tác hại: tương tự như tính hút ẩm.
- Tính dính ước: Khả năng hình thành màng ẩm trên bề mặt vật liệu khi bề mặt vật liệu đặt trong môi trường có độ ẩm cao.
+ Tác hại: tăng dòng điện rò và giảm đáng kể điện áp phóng điện.
+ Biện pháp khắc phục: thực hiện sơn phủ trên bề mặt điện môi. b Tính cơ học:
- Độ bền kéo, nén và uốn trong các điện môi khác nhau rất nhiều: Độ bền phụ thuộc rất nhiều vào tiết diện của mẫu vật liệu
Khi đường kính của sợi thủy tinh giảm, độ bền cơ học của nó tăng lên Đặc biệt, khi đường kính giảm xuống tới 0,01 mm, độ bền đạt được mức tương đương với dây đồng Tuy nhiên, độ bền cơ học sẽ giảm khi nhiệt độ tăng cao.
- Tính giòn: Khả năng của bề mặt vật liệu chống lại các tải cơ học động.
Độ cứng là chỉ số thể hiện khả năng của bề mặt vật liệu trong việc chống lại các biến dạng do lực nén từ vật liệu có kích thước nhỏ hơn tác động lên.
Đối với các chất lỏng hoặc nửa lỏng như dầu, sơn và hỗn hợp chất tráng, tẩm, độ nhớt là một đặc tính quan trọng Bên cạnh đó, tính chất hóa học và khả năng chịu phóng xạ của điện môi cũng cần được xem xét.
Khi làm việc lâu dài, vật liệu này không bị phân huỷ và không giải phóng các sản phẩm phụ, đồng thời không bị ăn mòn khi tiếp xúc với kim loại Ngoài ra, nó cũng không phản ứng với các chất khác như nước và axit.
Trong quá trình sản xuất các chi tiết, có thể sử dụng nhiều loại hóa chất khác nhau như chất kết dính và chất hòa tan trong các điện môi khác Hiện tượng đánh thủng điện môi và độ bền cách điện là những yếu tố quan trọng cần được xem xét để đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Khi cường độ điện trường vượt quá giới hạn độ bền cách điện của chất điện môi, hiện tượng đánh thủng điện môi sẽ xảy ra Đánh thủng là quá trình làm hỏng chất điện môi, dẫn đến việc chất điện môi mất tính chất cách điện tại khu vực bị đánh thủng.
Điện áp đánh thủng (Uđt) là trị số điện áp khi xảy ra hiện tượng đánh thủng điện môi, trong khi độ bền cách điện của chất điện môi (Eđm) là trị số cường độ điện trường tương ứng.
- Độ bền cách điện của chất điện môi được xác định theo công thức:
Trong đó: d: chiều dày chất điện môi ở chỗ đánh thủng, mm. e Độ bền điện:
- Đặc trưng bằng giá trị điện áp lớn nhất đặt vào bề mặt của vật liệu mà vật liệu vẫn đảm bảo tính cách điện.
Độ bền điện chủ yếu bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và điện áp, cùng với khoảng cách và áp suất Khi áp suất giảm, độ bền điện sẽ tăng, trong khi áp suất tăng sẽ làm giảm độ bền điện Tính chịu nhiệt cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét.
Độ bền chịu nóng của vật liệu cách điện và các chi tiết chịu nhiệt được đánh giá dựa trên khả năng duy trì tính năng và không bị hư hại khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, cũng như khi phải chịu sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ trong cả thời gian ngắn và dài.
Đối với điện môi vô cơ, độ bền chịu nóng được xác định bởi nhiệt độ mà tại đó điện môi bắt đầu thay đổi tính chất điện.
- Đối với điện môi hữu cơ: Độ bền chịu nóng được xác định bởi nhiệt độ mà tại đó bắt đầu có sự biến đổi về mặt cơ học.
1.2 Chất cách điện thể khí:
Không khí là một thành phần phổ biến trong các thiết bị điện, đóng vai trò như vật liệu cách điện bổ sung cho các vật liệu rắn và lỏng Tuy nhiên, sự hiện diện của bọt khí trong vật liệu cách điện rắn và các khoang rỗng trong cuộn dây của máy điện, do quá trình tẩm không đạt yêu cầu, có thể làm giảm chất lượng cách điện.
1.2.2 Nitơ: Đôi khi được dung thay không khí để lấp đầy các tụ điện khí, cũng như trong các trường hợp khác, bởi vì nó có những đặc tính cách điện gần giống với không khí, lại không có chứa 02 là chất có thể gây tác dụng oxy hóa trên các vật liệu tiếp xúc với nó.
Vật liệu dẫn điện
- Trình bày được khái niệm và cấu tạo của vật liệu dẫn điện
- Phân loại được chính xác chức năng của từng vật liệu cụ thể
- Trình bày được những kiến thức cơ bản về cơ, lý, hoá và tính năng, tác dụng của vật liệu dẫn điện;
2.1.1 Khái niện vật liệu dẫn điện:
Theo thuyết phân vùng năng lượng
- Khoảng cách giữa vùng lấp đầy và vùng tự do rất nhỏ
Dưới tác động của chuyển động nhiệt, các điện tử trong vùng lấp đầy có thể dễ dàng nhảy lên vùng tự do, trở thành điện tử tự do và tham gia vào quá trình dẫn điện khi ∆W nhỏ hơn 0.2 eV.
Vì vậy , đối với vật liệu này tính dẫn điện cao và điện trở suất ρ = 10 -6 →
Vật liệu dẫn điện là những chất mà trong trạng thái bình thường, các điện tích có khả năng chuyển động tự do Khi được đặt trong một điện trường, các điện tích này sẽ di chuyển theo hướng của điện trường, tạo ra dòng điện Do đó, vật liệu này được gọi là có tính dẫn điện.
2.1.2 Tính chất của vật liệu dẫn điện:
- Điện trở R: là mối quan hệ giữa hiệu điện thế không đổi đặt ở hai đầu dây dẫn và cường độ dòng điện tạo nên trong dây dẫn.
R = U/I (Ω). Điện trở dây dẫn còn được tính theo công thức: R = ρl/s (Ω).
Trong đó ρ là điện trở suất, l chiều dài dây dẫn, s tiết diện dây.
+ Điện dẫn G là đại lượng nghịch đảo của điện trở: G = 1/R (Ω -1 ).
- Điện trở suất (ρ): của dây dẫn là điện trở của dây dẫn có chiều dài 1m với tiết diện ngang 1mm 2 Đơn vị (Ω.cm)
+ Điện dẫn suất γ là đại lượng nghịch đảo của ρ: γ = 1/ρ m/Ωmm 2
2.1.3 Các tác nhân môi trường ảnh hưởng đến vật liệu dẫn điện:
Đa số kim loại có điện trở suất phụ thuộc vào nhiệt độ, với mối quan hệ giữa điện trở suất (ρ) và nhiệt độ gần như là tuyến tính trong khoảng nhiệt độ nhỏ Giá trị điện trở suất tại nhiệt độ t có thể được tính bằng công thức ρt = ρ0 (1 + αρ.∆t), trong đó ρt là điện trở suất của vật liệu đo ở nhiệt độ t.
- ρ0 điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ ban đầu (to).
- αρ hệ số nhiệt của điện trở suất.
Môi trường axit và kiềm có thể gây ôxi hóa bề mặt của một số vật dẫn kim loại khi chúng được đặt trong điều kiện ẩm, dẫn đến việc giảm tính tiếp xúc và khả năng dẫn điện của chúng.
Đồng là vật liệu hàng đầu trong các vật liệu dẫn điện trong kỹ thuật điện, với khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt chỉ đứng sau bạc Nó nổi bật với sức bền cơ khí cao, khả năng chống ăn mòn trong khí quyển, tính đàn hồi tốt và đặc biệt là tính dẫn điện vượt trội.
- Đồng còn là một kim loại hiếm, nó chiếm tỉ lệ 0,01% ở trong lòng đất
Bảng 1 Các loại đồng tinh chế
Ký hiệu C u % (tối thiểu) Sử dụng
CuE 99,95 Đồng điện phân, dây dẫn điện, hợp kim nguyên chất mịn.
Cu9 99,90 Dây dẫn điện, hợp kim dễ dát mỏng, bán thành phẩm với những yêu cầu đặc biệt.
Cu5 99,5 Bán thành phẩm như: tấm, thanh, ống Đồng thau dát mỏng với tỷ lệ dưới 60% Cu
CuO 99,0 Hợp kim với đồng ít hơn 60% dùng để dát mỏng và rót Những chi tiết chế tạo được đúc từ đồng.
- Đồng được sx từ các mỏ trong thiên nhiên như: Can-copirit (CuFeS2), Covelit (CuS), Cupric (Cu2O)…
Bảng 2 Tính chất vật lý, hoá học chính của đồng Đặc tính Đơn vị đo Chỉ tiêu
Trọng lượng riêng ở 20 o C Kg/dm 3 8,96 Điện trở suất ở 20 o C.
Nhiệt dẫn suất 20 o C W/cm.grd
Sức bền đứt khi kéo.
Đồng là một kim loại có màu đỏ nhạt sáng, nổi bật với khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt cao Nó có sức bền cơ khí lớn, dễ dàng trong việc dát và vuốt giãn, cùng với khả năng gia công thuận lợi cả khi nóng và lạnh Đồng cũng có độ bền cao khi chịu va đập và chống ăn mòn, đồng thời có khả năng chống chịu tốt trước các điều kiện thời tiết khắc nghiệt, và có tiềm năng tạo thành các hợp kim chất lượng.
- Đồng có tổ chức mạng tinh thể lập phương thể tâm.
Đồng, với những đặc tính cơ và điện đặc biệt, được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện, cấu trúc máy điện và máy biến thế Nó là vật liệu chính cho dây dẫn điện trong các đường dây trên không và hệ thống tải điện cho các phương tiện vận tải điện.
Đồng, với đặc tính dẫn nhiệt tốt, được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật lạnh và điều hòa không khí, bao gồm việc chế tạo ống dẫn gas, ống mao và các bộ phận như dàn nóng, dàn lạnh trong máy lạnh.
Hình 1.1 Ống đồng dùng trong máy lạnh 2.3 Nhôm:
Sau đồng, nhôm là vật liệu quan trọng thứ hai trong kỹ thuật điện nhờ vào khả năng dẫn điện tốt và trọng lượng nhẹ Tuy nhiên, nhôm có độ bền cơ khí tương đối thấp và gặp khó khăn trong việc tạo tiếp xúc hiệu quả.
- Nhôm có cấu trúc tinh thể là lập phương thể tâm.
Dựa trên hàm lượng tạp chất có trong nhôm ta chia nhôm thành các loại sau:
Hàm lượng tạp chất% (Max) Lĩnh vực ứng dụng
Fe Si Fe+Si Cu Tổng tạp chất
Nhôm tinh khiết cao Những dụng cụ hóa học đặc biệt.
Những điện cực của tụ điện điện phân.
Những yêu cầu và mục đích khác.
Nhôm với độ tinh khiết thông dụng
Cáp và dây dẫn điện , hợp kim nhôm đặc biệt dùng cho công
Cáp và dây dẫn điện, hợp kim nhôm dùng cho nhà bếp, các bình, ca A-3 98,0 1,100 1,000 1,800 0,030 2,000 Nhôm dùng cho nhà bếp
Bảng 4 Một số tính chất vật lý - hóa học của nhôm (99, 5% Al).
Tính chất Đơn vị đo Chỉ tiêu
Trọng lượng riêng ở 20 o C. Điện trở suất ở 20 o C. Điện dẫn suất ở 20 o C.
Sức bền đứt khi kéo. Độ giãn dài riêng khi kéo
- Nhôm là kim loại có màu trắng bạc, sau một thời gian trở thành trắng vì oxy hóa bề mặt.
- Dễ đánh mỏng, vuốt giãn, gia công dễ dàng khi nóng và nguội.
- Là kim loại mềm, ít chịu va chạm và xây sát cũng như kéo và khi cắt.
- Có sức bền với sự ăn mòn (do có lớp màng oxít bảo vệ).
- Lớp màng mỏng oxít có điện trở lớn nên nó cản trở việc tiếp xúc tốt giữa các dây dẫn.
Nhờ vào tính chất vỏ điện và khả năng chịu đựng thời tiết khắc nghiệt, nhôm, một kim loại phong phú trong tự nhiên, được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo cáp điện và ống nối.
- Các lá nhôm để làm ống dẫn, cánh tản nhiệt,…trong máy lạnh (hình 1.2)
- Rôto của động cơ điện không đồng bộ.
Hình 1.2 Dàn lạnh có cánh tản nhiệt bằng nhôm 2.4 Một số kim loại dẫn điện khác:
2.4.1 Đặc tính của: sắt, chì, thiếc, kẽm
- Sắt có màu trắng bạc, có độ thẩm từ cao, bị ăn mòn thông qua hiện tượng rỉ sét ngay ở nhiệt độ bình thường.
- Ở dòng diện xoay chiều điện trở dây dẫn thép tăng so với điện trở cùng dây dẫn cùng tiết diện ở dòng 1 chiều.
- Sắt được sử dụng làm dây dẫn trong một số trường hợp sau: khi dòng điện nhỏ, khi yêu cầu độ bền cơ học của dây dẫn cao, …
Chì là một kim loại mềm và dẻo, với độ bền cơ học thấp và khả năng chịu rung động kém Nó có điện trở suất cao và khả năng chống ăn mòn tốt, bền vững với nước cùng nhiều hóa chất khác Ngoài ra, chì còn có khả năng hấp thụ hiệu quả bức xạ năng lượng cao.
- Chì được ứng dụng làm vỏ cáp để chống ẩm cho cách điện, dùng làm dây chảy cầu chì, làm điện cực ắc quy,
Thiếc là một loại kim loại mềm, dễ dàng trong việc vuốt và dát mỏng Ở nhiệt độ bình thường, thiếc không bị oxy hóa trong không khí và không bị ảnh hưởng bởi nước, trong khi axit loãng chỉ tác động rất chậm đến kim loại này.
- Thiếc được dùng làm lớp bọc bảo vệ kim loại, làm hợp kim dùng để hàn, làm bản cực của tụ điện.
Kẽm ở nhiệt độ bình thường có tính giòn, nhưng khi được đốt nóng lên đến 100 độ C, nó trở nên dẻo và dễ uốn Tuy nhiên, nếu tiếp tục nung nóng đến 200 độ C, kẽm sẽ lại trở về trạng thái giòn ban đầu.
- Kẽm nóng chảy ở nhiệt độ 420 0 C, kẽm được sử dụng làm lớp mạ bảo vệ, điện cực của pin, dây chảy của cầu chì hạ áp,
2.4.2 So sánh đặc tính của: sắt, chì, thiếc, kẽm với đồng và nhôm:
Bảng 5 Điện trở suất và các đặc tính vật lí của các kim loại chủ yếu dùng trong kỹ thuật điện.
Khối Nhiệt Nhiệt Nhiệt Hệ số nhiệt Điện trở Hệ số Công
Kim loại có các đặc tính quan trọng như lượng riêng (g/cm³), độ nóng chảy (°C), dung riêng (J/kg.°C), độ dẫn điện (W/m.°C), độ dãn nở dài (α x 10⁶), độ suất (Ω mm²/m), nhiệt điện trở suất (α ρ), và độ thoát điện tử (eV) Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định ứng dụng và tính chất của kim loại trong các lĩnh vực kỹ thuật và công nghiệp.
4,35 4,3 4,5 - 4,4 4,4 Dựa vào bảng các thông số của kim loại ta thấy được sự khác biệt giữa các kim loại sắt, chì, thiếc, kẽm, đồng và nhôm với nhau (bảng 5)
2.5 Các hợp kim có điện trở suất cao:
Các hợp kim có điện trở cao được sử dụng trong các dụng cụ đo điện, điện trở mẫu, biến trở và thiết bị đốt nóng bằng điện, yêu cầu vật dẫn có điện trở suất lớn Trong các dụng cụ đo, điện trở mẫu cần có giá trị αρ càng nhỏ càng tốt Đối với các thiết bị đốt nóng, chúng cần phải chịu được nhiệt độ làm việc lâu dài trong không khí khoảng 1000 °C Một trong những hợp kim nổi bật là Manganin.
- Manganin là hợp kim gốc đồng, thành phần của nó gồm đồng, mangan, niken Manganin có ρ = 0,42 ÷ 0,48 Ωmm 2 m, αρ nhỏ nên điện trở của nó ổn định cao.
VẬT LIỆU KỸ THUẬT LẠNH
Vật liệu kỹ thuật lạnh
- Trình bày được tính chất, công dụng của các loại vật liệu lạnh kim loại và phi kim; vật liệu cách nhiệt và các loại dầu bôi trơn;
- Nhận biết, phân loại được các loại vật liệu lạnh kim loại và phi kim; vật liệu cách nhiệt và các loại dầu bôi trơn;
- Nghiêm túc tìm hiểu về các đặc tính của các vật liệu để sử dụng đúng mục đích.
So với thép, gang là vật liệu kim loại có giá thành thấp hơn và dễ chế tạo hơn, đồng thời sở hữu những đặc tính riêng biệt Chính vì vậy, gang được ứng dụng phổ biến và có thể thay thế thép trong một số điều kiện nhất định.
- Gang là hợp kim Fe – C với lượng cacbon vượt quá 2,14%
- Do lượng cacbon cao nên nhiệt độ nóng chảy của gang cao hơn thép nhiều, do vậy nấu chảy gang dễ thực hiện hơn.
Trong thành phần của gang, hai nguyên tố thường gặp với tỷ lệ lớn là mangan và silic, chiếm từ 0,5 đến 2% Ngoài ra, phốtpho và lưu huỳnh cũng xuất hiện nhưng với lượng ít hơn, từ 0,05 đến 0,5%, trong đó lưu huỳnh được xem là nguyên tố có hại đối với chất lượng của gang.
Gang là vật liệu có độ bền kéo thấp và độ giòn cao, trong đó xêmentit là pha cứng và giòn Sự hiện diện của xêmentit với nồng độ lớn trong gang trắng khiến vật liệu này dễ bị nứt khi chịu tác động của tải trọng kéo.
Gang xám, gang dẻo và gang cầu đều chứa các lỗ hổng graphit, nơi tập trung ứng suất lớn, làm giảm độ bền của gang Tuy nhiên, sự hiện diện của graphit cũng mang lại một số lợi ích, như tăng khả năng chống mài mòn do ma sát và giúp giảm rung động cũng như dao động cộng hưởng.
Theo tổ chức tế vi, gang được chia thành bốn loại chính: gang trắng, gang xám, gang cầu và gang dẻo Trong đó, gang trắng là loại gang có tất cả cacbon tồn tại dưới dạng liên kết trong hợp chất xêmentit Fe3C.
+ Gang xám, cầu, dẻo là loại gang trong đó phần lớn hay toàn bộ cacbon ở dạng tự do – graphit với các hình dạng khác nhau: tấm, cầu, cụm.
Tổ chức tế vi của gang có graphit phụ thuộc vào tỉ lệ phân bố của cácbon trong pha graphit và xêmentit Cấu trúc của gang bao gồm hai phần chính: phần phi kim loại là graphit và nền kim loại gồm ferit và xêmentit.
Gang có tính đúc và gia công cắt gọt tốt nhờ vào thành phần hóa học đồng nhất, giúp hạ thấp nhiệt độ nóng chảy và tăng độ chảy loãng Đây là yếu tố quan trọng cho quá trình đúc Graphit có trong gang xám, gang dẻo và gang cầu tạo ra phoi dễ gãy vụn trong các công đoạn gia công như tiện, phay và bào.
Gang có tính chất tổng hợp không cao như thép, nhưng lại sở hữu khả năng đúc tốt và dễ dàng trong gia công cắt Quy trình nấu luyện gang cũng đơn giản và tiết kiệm chi phí hơn Chính vì những ưu điểm này, gang có chứa graphit được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp.
Gang được sử dụng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng tĩnh, bao gồm bệ máy, vỏ và nắp Ngoài ra, gang cũng phù hợp cho các bộ phận ít phải di chuyển và chịu va đập nhẹ.
Thép, hợp kim của sắt và cacbon với tỉ lệ %C ≤ 2,14, là vật liệu có cơ tính tổng hợp cao nhất, thường được sử dụng cho các chi tiết chịu tải nặng trong điều kiện phức tạp Dựa trên thành phần hóa học, thép được chia thành hai loại chính: thép cacbon và thép hợp kim.
Thép cacbon, một loại thép phổ biến, được cấu tạo chủ yếu từ sắt và cacbon, đồng thời còn chứa các tạp chất như mangan, silic, phốt pho và lưu huỳnh.
- Tính chất: Thép cacbon chiếm tới 80% khối lượng thép đang dùng do chúng có những tính chất sau:
+ Độ bền cao, có khả năng chịu kéo, nén, uốn, xoắn tốt.
+ Độ cứng tương đối cao, có thể nhiệt luyện để nâng cao cơ tính.
+ Độ dẻo khá tốt, có khả năng chịu được va chạm nhất là loại thép ít C. + Có khả năng chống lại sự mài mòn, có tính đàn hồi tốt.
+ Có tính công nghệ tốt, rẻ tiền.
Thép hợp kim là loại thép được chế tạo bằng cách thêm vào các nguyên tố hợp kim như Cr, Mn, Si với một tỷ lệ nhất định, nhằm cải thiện cấu trúc và tính chất của thép Các nguyên tố này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ bền, độ dẻo và khả năng chống ăn mòn của sản phẩm thép.
Ni, W, V, Mo, Ti, Cu và B)
Thép hợp kim nổi bật với những đặc tính vượt trội so với thép cacbon, đặc biệt là về cơ tính Loại thép này có độ bền cao hơn đáng kể, đặc biệt là sau quá trình nhiệt luyện, như tôi và ram, giúp nâng cao hiệu suất sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp.
+ Tính chịu nhiệt độ cao: Khác với thép cacbon, thép hợp kim giữ được cơ tính cao của trạng thái tôi ở nhiệt độ cao hơn 200 0 C.
Thép không gỉ sở hữu nhiều tính chất lý hóa đặc biệt, bao gồm khả năng không bị gỉ sét trong không khí và không bị ăn mòn trong các môi trường axit, bazơ, và muối Ngoài ra, vật liệu này còn có tính từ, khả năng dãn nở đặc biệt và khả năng chịu nhiệt độ cao, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng công nghiệp.
- Phân loại: theo công dụng người ta chia thép hợp kim thành 3 nhóm: + Thép kết cấu hợp kim.
+ Thép dụng cụ hợp kim.
+ Thép hợp kim đặc biệt
1.1.3 Sự phụ thuộc của các tính chất cơ lý của vật liệu vào độ lạnh:
Các tính chất cơ lý của vật liệu chịu ảnh hưởng đáng kể từ nhiệt độ Đặc biệt, khi sử dụng vật liệu ở nhiệt độ -40°C trở xuống, cần chú ý đến sự thay đổi của các tính chất cơ lý, nhất là tính chất cơ học.
Vật liệu cách ẩm hút ẩm
- Trình bày được tính chất và công dụng của các loại vật liệu cách ẩm, hút ẩm;
- Nhận biết được các loại vật liệu cách ẩm, hút ẩm; sử dụng đúng trong các trường hợp cụ thể.
- Nghiêm túc tìm hiểu về các đặc tính của các vật liệu để sử dụng đúng mục đích.
2.1.1 Yêu cầu đối với vật liệu cách ẩm:
Do hiện tượng ngưng đọng ẩm trên vách cách nhiệt lạnh, cần thiết phải sử dụng các lớp cách hơi ẩm để tăng khả năng chống thấm ẩm cho vật liệu Điều này đặc biệt quan trọng khi vật liệu không đủ độ trở thấm ẩm.
- Vật liệu cách ẩm cần có các yêu cầu sau đây:
+ Có trở ẩm lớn hoặc có hệ số thấm ẩm nhỏ.
+ Phải bền nhiệt, không bị cứng, giòn, lão hóa ở nhiệt độ thấp và bị mềm hoặc nóng chảy ở nhiệt độ cao.
Sản phẩm này hoàn toàn an toàn, không có mùi lạ và không độc hại, đảm bảo không ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm được bảo quản Hơn nữa, nó không gây ăn mòn hay phản ứng hóa học với các vật liệu cách nhiệt và xây dựng, mang lại sự yên tâm cho người sử dụng.
+ Phải rẻ tiền và dễ kiếm.
2.1.2 Một số vật liệu cách ẩm thông dụng:
Vật liệu cách ẩm phổ biến hiện nay chủ yếu là bitum, với các mác bitum thường được sử dụng trong kỹ thuật là NH-3, BH-4, BH-5 và BH-5K (Liên Xô cũ) Hệ số dẫn nhiệt của chúng dao động từ 0,3 đến 0,35 W/mK.
Ngoài bitum, các vật liệu như giấy nhôm, màng polyetylen, màng PVC và giấy dầu cũng được sử dụng để ngăn ẩm hiệu quả Trong các buồng lạnh lắp ghép, tôn được sử dụng làm vỏ cho tấm cách nhiệt polyutheran, đồng thời cũng đóng vai trò là tấm cách ẩm.
Bảng 10 Một số vật liệu cách ẩm
Vật liệu cách ẩm Hệ số khuếch tán g/(mhMPa)
Bảng 11 Đặc tính kỹ thuật của một số mác Bitum Đặc tính Mác Bitum
2.1.3 Các phương pháp cách ẩm:
Nói chung có 5 phương pháp chống nhiễm ẩm cho cách nhiệt như sau:
- Sử dụng các lớp cách ẩm cùng với cách nhiệt.
- Nâng cao hệ số trở ẩm của vật liệu cách nhiệt.
- Sử dụng các lớp vữa có độ khuếch tán ẩm lớp phía trong phòng lạnh.
Tạo áp suất dương trong phòng lạnh giúp tạo ra dòng không khí đi qua vách ngược chiều với độ giảm áp suất hơi nước.
- Tác động nhân tạo vào áp suất riêng phần hơi nước trên bề mặt lạnh của vách cách nhiệt.
Tuy nhiên chỉ có ba phương pháp đầu tiên là có ý nghĩa thực tiễn hơn cả.
Hình 2.3 Biến thiên áp suất và nhiệt độ trong vách
Biểu đồ trong Hình 2.3 thể hiện sự biến thiên của nhiệt độ tx, áp suất riêng hơi nước px và áp suất hơi nước bão hòa px’’ theo độ dày x của vách cách nhiệt Các giá trị tx, px và px’’ được xác định dựa trên độ chênh lệch nhiệt độ hai bên vách cùng với các thông số vật lý của vách và môi trường xung quanh Trong đó, tx và px được mô tả bằng các đường thẳng (hàm tuyến tính), trong khi px’’ thể hiện mối quan hệ hàm mũ.
Có hai trường hợp có thể xảy ra:
Trường hợp 1: Hai đường px và px” không cắt nhau, px nằm dưới px”, trong vách cách nhiệt không có vùng ngưng đọng ẩm.
Trong trường hợp hai đường áp suất px và px” cắt nhau ở hai điểm, hiện tượng ngưng đọng ẩm xảy ra trong vách cách nhiệt do áp suất riêng phần px cao hơn áp suất bão hòa px” Đường áp suất hơi thực nằm giữa hai đường px tính toán và áp suất bão hòa px” cần được chú ý Để ngăn chặn hiện tượng đọng sương trong vách cách nhiệt, cần áp dụng các biện pháp nhằm hạ đường px xuống dưới không cắt đường px” hoặc giảm lượng ẩm khuếch tán từ phía nóng vào vách nhỏ hơn lượng ẩm khuếch tán từ vách vào phòng lạnh.
2.2.1 Nhiệm vụ của vật liệu hút ẩm:
* Trong các hệ thống lạnh amoniac và Freon, ẩm (nước) lẫn trong vòng tuần hoàn môi chất lạnh có nhiều tác hại nghiêm trọng như:
- Tác dụng với dầu bôi trơn tạo ra các axit vô cơ, các keo dầu và bùn, làm lão hóa dầu.
- Kết hợp với môi chất lạnh tạo ra các khí lạ, axit do phân hủy môi chất và thủy phân, cản trở trao đổi nhiệt.
Sự kết hợp giữa vật liệu chế tạo máy và cặn bẩn kim loại vô cơ cũng như hữu cơ tạo ra các liên kết oxy hóa, dẫn đến hiện tượng ăn mòn và phá hủy các chi tiết máy và thiết bị.
- Do hòa tan hoàn toàn trong môi chất (NH3) nên làm tăng nhiệt độ bay hơi, giảm năng suất lạnh, tiêu tốn năng lượng cao hơn.
- Do không hòa tan trong môi chất (freon) nên gây tắc ẩm cho tiết lưu.
Do tác hại của độ ẩm trong hệ thống lạnh, nhiều biện pháp đã được đề xuất nhằm loại trừ sự hiện diện của ẩm trong vòng tuần hoàn của môi chất lạnh.
- Sấy khô nghiêm ngặt các chi tiết máy và thiết bị trước khi lắp ráp mới hoặc sau khi bảo dưỡng, sửa chữa.
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu trong môi chất lạnh, cần hạn chế độ ẩm tối thiểu Đối với ammoniac, mức độ ẩm không được vượt quá 0,2% khối lượng Đối với Freon công nghiệp, giới hạn là 25 phần triệu, trong khi Freon sử dụng cho tủ lạnh và máy lạnh kín không được vượt quá 6 phần triệu khối lượng.
- Sấy chân không nhiều giờ trước khi nạp gas và hệ thống lạnh.
Phin sấy được lắp đặt trong vòng tuần hoàn của môi chất, bao gồm cả đường lỏng và đường hơi Đối với đường lỏng, phin sấy thường được lắp trước bộ phận tiết lưu, trong khi phin sấy đường hơi thường được lắp sau dàn bay hơi, theo hướng di chuyển của môi chất lạnh.
Tóm lại, vật liệu hút ẩm trong hệ thống lạnh có các nhiệm vụ chính sau:
Hút ẩm và loại bỏ các axit cùng chất độc hại phát sinh trong quá trình vận hành máy lạnh là rất quan trọng Việc "sấy khô" môi chất lạnh giúp ngăn chặn tác hại của độ ẩm đối với dầu bôi trơn, chi tiết máy và thiết bị trong hệ thống lạnh.
- Chống tắc ẩm trong hệ thống lạnh Frêon.
2.2.2 Yêu cầu đối với vật liệu hút ẩm:
Bảng 12 trình bày các loại vật liệu hút ẩm theo ba nguyên tắc hút ẩm đã được đề cập, cùng với khả năng và ứng dụng của chúng trong lĩnh vực kỹ thuật lạnh Những vật liệu này đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát độ ẩm, giúp tối ưu hóa hiệu suất của các hệ thống lạnh Việc lựa chọn vật liệu phù hợp không chỉ nâng cao hiệu quả mà còn đảm bảo độ bền cho thiết bị.
Bảng 12 Phân loại vật liệu hút ẩm
STT Nguyên tắc hút ẩm
Ký hiệu hút ẩm Thành phần hóa học
Phạm vi ứng dụng Ghi chú
Silicagel SiO2 Đất sét hoạt tính Al2O3
Rây phân tử, zêolit (Silicat nhôm kali,
Nói chung sử dụng được cho tất cả các loại môi chất lạnh, đặt trên đường lỏng và đường hơi. natri và canxi)
(Tạo tinh thể ngậm nước và các hyđrat)
Hạn chế sử dụng Ví dụ CaCl2 không thích hợp với môi chất lạnh, đặc biệt không đặt ở đường lỏng, chỉ có CaSO4 còn có thể ứng dụng được.
(Tạo các axit và bazơ) Ôxit canxi CaO (vôi sống)
Oxyt bari BaO Pentôxit phốt pho
P2O5 chỉ nên được sử dụng trên đường hơi và không phù hợp cho NH3 trong cùng điều kiện Mặc dù nó có hiệu quả hút ẩm tốt, nhưng do các chất hóa học sinh ra, không nên áp dụng trong hệ thống lạnh.
Căn cứ vào chức năng của vật liệu hút ẩm trong hệ thống lạnh, các vật liệu hút ẩm phải đáp ứng các yêu cầu sau:
- Có khả năng hút ẩm cao tính theo lượng ẩm hút được trên một đơn vị khối lượng ngay ở áp suất riêng hơi nước thấp.
- Có khả năng hút được các loại axit và khí lạ có hại sinh ra trong quá trình vận hành hệ thống lạnh.
- Khả năng hút ẩm và các sản phẩm có hại không phụ thuộc vào nhiệt độ trong phạm vi nhiệt độ vận hành.
- Có khả năng tái sinh dễ dàng nhờ nhiệt hoặc hóa chất.
Sản phẩm này không tương tác với môi chất lạnh, dầu bôi trơn, độ ẩm, cũng như các sản phẩm phụ và vật liệu chế tạo máy vô cơ và hữu cơ, từ đó không tạo ra các chất có hại khác.
- Không làm chất xúc tác cho các phản ứng có hại trong hệ thống lạnh.
- Có hình dạng cố định, không bị tơi rã cuốn theo môi chất lạnh làm tắc bộ phận tiết lưu và các đường ống.
