Bài giảng Công nghệ vật liệu cách nhiệt - Chương 2: Phân loại vật liệu cách nhiệt và các tính chất cơ bản của vật liệu cách nhiệt

Bài giảng Công nghệ vật liệu cách nhiệt - Chương 2: Phân loại vật liệu cách nhiệt và các tính chất cơ bản của vật liệu cách nhiệt trình bày phân loại vật liệu cách nhiệt; các tính chất cơ bản của vật liệu cách nhiệt.

Chương II: Phân loại vật liệu cách nhiệt

và các tính chất cơ bản của VLCN

I Phân loại vật liệu cách nhiệt:

II Các tính chất cơ bản của vật liệu

cách nhiệt:

I Phân loại vật liệu cách nhiệt:

 1 Phân loại VLCN theo độ dẫn nhiệt:

 Theo độ dẫn nhiệt VLCN được phân thành các loại như sau:

 VLCN có độ dẫn nhiệt thấp, tương ứng có

hệ số dẫn nhiệt đo ở 25oC, kí hiệu λ25:

 λ25 < 0,06 w/m.oC hay λ25 < 0,05 kCal/m.oC.h

I Phân loại vật liệu cách nhiệt:

 VLCN có độ dẫn nhiệt trung bình, tương ứng

có hệ số dẫn nhiệt đo ở 25oC, kí hiệu λ25:

 λ25 Є [0,06 ÷ 0,115] w/m.oC hay λ25 Є [0,05 ÷ 0,10] kCal/m.oC.h

 VLCN có độ dẫn nhiệt lớn, tương ứng có hệ số dẫn nhiệt đo ở 25oC, kí hiệu λ25:

 λ25 Є [0,115 ÷ 0,175] w/m.oC hay λ25 Є [0,10 ÷ 0,15] kCal/m.oC.h

I Phân loại vật liệu cách nhiệt:

 2 Phân loại VLCN theo khối lượng thể tích:

 Phân loại VLCN theo khối lượng thể tích ở trạng thái khô là cơ sở để định mác cho các loại VLCN:

 VLCN có độ rỗng rất lớn tương ứng có KLTT ở trạng thái khô Є [15 ÷ 75] kg/m3 hay có mác lần lượt là 15, 25, 35, 50, 75 (sợi bông khoáng, sợi thủy tinh, xốp)

I Phân loại vật liệu cách nhiệt:

 VLCN có độ rỗng lớn tương ứng có KLTT ở trạng thái khô Є [100 ÷ 175] kg/m3 hay có mác lần lượt là

100, 125, 150, 175.

 VLCN có độ rỗng trung bình tương ứng có KLTT ở trạng thái khô Є [200 ÷ 400] kg/m3 hay có mác lần lượt là 200, 250, 300, 350, 400.

 VLCN có độ rỗng thấp tương ứng có KLTT ở trạng thái khô Є [500 ÷ 800] kg/m3 hay có mác lần lượt là

500, 600, 700, 800.

I Phân loại vật liệu cách nhiệt:

 3 Phân loại VLCN theo hình dạng bên ngoài:

 Theo hình dạng bên ngoài VLCN được phân thành:

 VLCN dạng rời: có thể là vật liệu vô cơ hay hữu cơ tồntại dưới dạng hạt hay bột mịn như bông khoáng vê viên,vecmiculit phồng, cát peclit, bột than bùn

 => VLCN dạng rời thường dùng để tạo lớp cách nhiệtdạng đổ đống, thi công trực tiếp tại công trường nênhiệu quả cách nhiệt phụ thuộc vào độ ổn định của lớpvật liệu

I Phân loại vật liệu cách nhiệt:

 VLCN dạng cấu kiện: có hình dạng kích thước ổn định,thường được chế tạo với sự có mặt của chất kết dính(các sản phẩm dạng tấm, dạng hình trụ hay bán trụ)trong số đó phổ biến hơn cả là loại VLCN dạng tấmcứng thường có kích thước như sau 1x0,5x[0,05÷0,1]m

 Lưu ý: chiều dày của sản phẩm dạng tấm được xác địnhdựa vào trị số nhiệt trở của vật liệu

I Phân loại vật liệu cách nhiệt:

 => Khi vật liệu có trị số nhiệt trở càng lớn thì cho phépchế tạo sản phẩm dạng tấm có chiều dày nhỏ và ngượclại

 VLCN dạng cấu kiện thường được chế tạo trên các dâychuyền công nghiệp và chất lượng của chúng được kiểmtra giám sát theo các quy trình, tiêu chuẩn nghiêm ngặtnên đây là loại VLCN có chất lượng tốt với độ bền vàtuổi thọ cao, hiệu quả cách nhiệt tốt hơn so với VLCNdạng rời

I Phân loại vật liệu cách nhiệt:

 VLCN dạng cấu kiện thường được dùng làm kết cấubao che để cách nhiệt cho công trình hay dùng để cáchnhiệt cho các bề mặt có độ cong nhỏ (đã định hình) nhưcác loại ống dẫn hoặc bề mặt có độ cong lớn như bồnchứa

 VLCN dạng cuộn (thảm, lưới), dạng thừng (dây)thường dùng để tạo lớp cách nhiệt cho các chi tiết cóhình thù phức tạp như van, ống phân nhánh

I Phân loại vật liệu cách nhiệt:

 4 Phân loại VLCN theo độ cứng:

 Theo cách phân loại này VLCN được phân thành cácloại dựa trên giá trị biến dạng tương đối khi bị ép dướitải trọng tiêu chuẩn

I Phân loại vật liệu cách nhiệt:

Loại sản phẩm

Tải trọng ép

0,02 Mpa 0,04 Mpa 0,10 MpaBiến dạng tương đối khi ép %Sản phẩm mềm

II Các tính chất cơ bản của VLCN

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Nếu mẫu vật liệu có khối lượng là m và thể tích tựnhiên là Vo thì γo của nó được tính như sau:

 Thực tế cho thấy trị số khối lượng thể tích của vật liệuthay đổi khi độ ẩm của vật liệu thay đổi nên ta xét 2trường hợp cụ thể như sau:

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Trường hợp 1: khi mẫu vật liệu ở trạng thái khô (w =0%): lúc này mẫu có khối lượng là mk và thể tích tựnhiên là Vok, ta suy ra khối lượng thể tích của mẫu vậtliệu ở trạng thái khô (γok) bằng:

 Trường hợp 2: khi mẫu vật liệu ở trạng thái ẩm (w ≠0%): lúc này mẫu có khối lượng là mw và thể tích tựnhiên là Vow, ta suy ra khối lượng thể tích của mẫu vậtliệu ở trạng thái ẩm (γow) bằng:

 Với Vow = Vokx(1+wv)

 Trong đó wv (%) là độ ẩm thể tích:

ok

k ok

v

V

m m

w

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Đối với VLCN có chứa nhiều lỗ rỗng như các sản phẩmdạng tấm, các sản phẩm dạng cuộn (thảm, lưới) đượcchế tạo từ sợi bông khoáng, sợi thủy tinh hay sợi hữucơ Thì khối lượng thể tích của chúng được xác địnhdưới tải trọng 0,02 Mpa

 Còn đối với VLCN dạng hạt rời rạc như vecmiculitphồng, cát peclit, bột than bùn Khi xác định khốilượng thể tích thì có kể đến thể tích lỗ hổng giữa cáchạt, vì vậy khối lượng thể tích của VLCN dạng này còngọi là khối lượng thể tích xốp hay khối lượng thể tích

đổ đống

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 1 Tính chất vật lý:

 a Các thông số đặc trưng cho trạng thái và cấu trúc củaVLCN:

 a2 Độ rỗng:

 Độ rỗng là thể tích rỗng chứa trong một đơn vị thể tích

tự nhiên của vật liệu Kí hiệu r, tính theo %

 Vr – thể tích rỗng của mẫu vật liệu (cm3, lít, m3)

 Vo – thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu (cm3, lít, m3)

%(*) 100

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Độ rỗng của vật liệu có thể được xác định theo phươngpháp bão hòa heli lỏng nhưng phương pháp này rất khóthực hiện, thực tế hiện nay hay dùng phương pháp giántiếp để xác định độ rỗng của vật liệu thông qua cácthông số khác dễ xác định hơn như γa và γok Cụ thể nhưsau:

 Ta có Vr = Vo – Va thế vào Công thức (*):

% 100 )

1 ( 1

o

k a

o

a o

a o

o

r

m V

m V

V

V V

V V

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Lưu ý:

 Lỗ rỗng trong VLCN gồm có 2 loại: lỗ rỗng hở và lỗ rỗng kín.

 Giá trị độ rỗng (r) được xác định ở trên chính là độ rỗng toàn phần của vật liệu Đối với VLCN cần phân biệt rõ 3 giá trị độ rỗng:

 Độ rỗng toàn phần (r) bao gồm các lỗ rỗng hở và lỗ rỗng kín.

 Độ rỗng hở (rh) chỉ xét các lỗ rỗng hở (là các lỗ rỗng thông với môi trường bên ngoài, do đó ta có thể xác định giá trị độ rỗng hở - r h bằng phương pháp xác định độ hút nước bão hòa).

II Các tính chất cơ bản của VLCN

  Độ rộng của vật liệu dao động trong khoảng

từ 0 đến 98%.

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Độ rỗng toàn phần của VLCN phụ thuộc vào tỷ

lệ thành phần pha rắn, thành phần này đóng vai trò quyết định đến các tính chất cơ lý và tính chất sử dụng của VLCN.

 => Do đó khi tăng độ rỗng toàn phần của VLCN

sẽ làm giảm cường độ cơ học và làm tăng biến dạng.

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Đối với VLCN cần phân biệt lỗ rỗng vi mô và lỗ rỗng vĩ mô, chỉ có các lỗ rỗng vĩ mô (là các lỗ rỗng có thể quan sát được bằng mắt thường) mới

có ảnh hưởng lớn đến các tính chất cơ lý của VLCN - đặc biệt là tính dẫn nhiệt.

 Trên thực tế, giá trị khối lượng thể thể tích của VLCN được xác định dễ dàng hơn so với độ rỗng toàn phần, do vậy để so sánh khả năng cách nhiệt của các sản phẩm được chế tạo từ một loại vật liệu thì ta thường so sánh KLTT của chúng.

 Giá trị độ rỗng của một số loại VLCN có cấu trúc khác nhau được nêu trong bảng sau:

Cấu trúc Loại vật liệu

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Lúc này để đánh giá lượng nước có thật trong vật liệu tadựa vào chỉ tiêu độ ẩm của vật liệu Kí hiệu w (%), tínhtheo công thức sau:

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Độ ẩm tuyệt đối (w1) và độ ẩm tương đối (w2):

 Độ ẩm thể tích wv (%):

% 100

k

n

m

m m

m

m w

% 100

w

n

m

m m

m

m w

% 100

v

V

m m

w

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 mn – khối lượng nước có trong mẫu vật liệu tại thờiđiểm thí nghiệm

 mw – khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái ẩm

 Vok – thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu ở trạng thái khô

 Lưu ý: độ ẩm của vật liệu phụ thuộc vào bản chất củavật liệu, vào đặc tính của lỗ rỗng và vào môi trường

 Đối với VLCN, khi độ ẩm tăng lên sẽ làm giảm cường

độ và độ bền của nó đồng thời các tính chất nhiệt kỹthuật cũng suy giảm theo

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Độ hút nước của vật liệu được xác định theo khối lượng

và theo thể tích:

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Độ hút nước theo khối lượng, kí hiệu Hp – tính theo %, là tỷ số giữa khối lượng nước mà mẫu vật liệu hút vào (kí hiệu mnh) với khối lượng của mẫu vật liệu ở trạng thái khô (mk).

 Công thức xác định Hp:

% 100

k

nh p

m

m m

m m H

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Độ hút nước theo thể tích, kí hiệu Hv – tính theo

%, là tỷ số giữa thể tích nước mà mẫu vật liệu hút vào (kí hiệu Vnh) với thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu (Vo).

 Công thức xác định Hv:

% 100

% 100

k wet

o an

nh o

nh v

V

m m

V

m V

V H





II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Mối quan hệ giữa Hv và Hp:

 Lưu ý: mwet – khối lượng của mẫu vật liệu sau khi hútnước ở điều kiện thường hay còn gọi là khối lượng củamẫu vật liệu ở trạng thái ướt

 Ở điều kiện thường nước chỉ có thể chui vào các lỗ rỗng

hở, nên Hv luôn nhỏ hơn độ rỗng toàn phần (vì các lỗrỗng kín không cho nước thấm qua)

p ok

v an

an

ok o

an

k k

wet

k o

an

k wet

p v

H cm

g H

cm g

khi

V

m m

m

m V

m m

H H

( /

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Nhưng độ hút nước theo khối lượng của VLCN rỗng có thể lớn hơn độ rỗng toàn phần.

 Đối với VLCN có cấu trúc hạt như hạt peclit (r =

[85 ÷ 88]%; rh = [60 ÷65]%; rk = [23 ÷ 25]%) có giá trị độ hút nước theo khối lượng Hp Є [35 ÷

350]%.

 Đối với VLCN có cấu trúc sợi như bông khoáng

(r = [85 ÷ 92]%; rh = [85 ÷92]%; rk = 0%) có giá trị độ hút nước theo khối lượng Hp Є [80 ÷

550]%.

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Lưu ý: VLCN sau khi hút nước thì thể tích và kích thước của nó bị thay đổi (có thể trương nở hoặc co ngót - các SF được tạo ra từ các loại sợi) dẫn đến cấu trúc cũng bị thay đổi theo và kết quả

là sẽ làm giảm các tính chất sử dụng của VLCN đặc biệt là làm giảm khả năng cách nhiệt.

 => Do đó khi lựa chọn VLCN cần tính đến khả năng thay đổi cấu trúc của nó trong điều kiện vật liệu bị làm ẩm, vì chính điều này sẽ làm tăng tính dẫn nhiệt của VLCN.

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 1 Tính chất vật lý:

 c Các tính chất có liên quan đến nhiệt của vật liệu cáchnhiệt:

 c1 Tính dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt:

 Tính dẫn nhiệt của vật liệu là tính chất để cho nhiệttruyền qua vật liệu từ mặt này sang mặt khác khi có sựchênh lệch nhiệt độ

 Tính dẫn nhiệt là một thuộc tính quan trọng của VLCN

và được đặc trưng bởi hệ số dẫn nhiệt, kí hiệu λ – đơn

vị kCal/m.ºC.h hay w/m.ºC

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Lưu ý: tính dẫn nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào các yếu tố như: bản chất của vật liệu, độ rỗng (đặc tính của lỗ rỗng), khối lượng thể tích, nhiệt

độ bình quân giữa 2 mặt của tấm vật liệu hay kích thước của nó…

 Ta có thể thấy điều này qua các công thức thực nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu như sau:

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Công thức 1: để xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ởnhiệt độ bình quân t (kí hiệu λt) ta đặt tấm vật liệu códiện tích F (m2), chiều dày δ (m) vào thiết bị đo nhiệt cónhiệt độ ở hai mặt tấm vật liệu là t1, t2 (với t1 < t2) Saumột khoảng thời gian τ (h) để cho nhiệt truyền qua tấmvật liệu, đo được lượng nhiệt truyền qua tấm vật liệu là

Q (đơn vị kCal hay kJ) Từ đây ta có công thức xác định

Q

t

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Công thức 2: công thức thực nghiệm của V.P Necrasovdùng để xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ở trạngthái tự nhiên, tương ứng có độ ẩm khoảng 3÷8% (kíhiệu λ25 – còn gọi là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ở điềukiện tự nhiên có nhiệt độ lấy bằng 25ºC) Từ đây ta cócông thức xác định λ25 theo Necrasov như sau:

 Với γow – khối lượng thể tích của vật liệu ở trạng thái tựnhiên, đơn vị T/m3

)

/ (

14 , 0 22

, 0 0196

,

25     ow  kCal m oC h



II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Nhận xét: qua công thức của Necrasov ta thấy

 Vật liệu có hệ số dẫn nhiệt càng lớn thì dẫn nhiệt càng tốt (nghĩa là cách nhiệt càng kém) Vật liệu thuộc nhóm này có đặc điểm chung là: nặng hay khối lượng thể tích lớn, chứa ít lỗ rỗng…

 Vật liệu có hệ số dẫn nhiệt càng nhỏ thì dẫn nhiệt càng kém (nghĩa là cách nhiệt càng tốt) Vật liệu thuộc nhóm này có đặc điểm chung là: nhẹ hay khối lượng thể tích nhỏ, chứa rất nhiều

lỗ rỗng…

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Công thức 3: công thức thực nghiệm của Vlaxov dùng để xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ở nhiệt độ bình quân t (kí hiệu λt) hay ở 0ºC (kí hiệu λo) Từ đây ta có công thức xác định λt (hay

λo) theo Vlaxov như sau:

 Điều kiện sử dụng công thức của Vlaxov để tính

λt (hay λo): nhiệt độ bình quân t < 100ºC.

) 002

, 0 1

(

) 002

, 0 1

(

t

o t

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Giá trị hệ số dẫn nhiệt của một số loại VLCN phổ biến:

 Đối với không khí ở trạng thái tĩnh:

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Đối với gạch đất sét nung:

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 1 Tính chất vật lý:

 c Các tính chất có liên quan đến nhiệt của vật liệu cáchnhiệt:

 c2 Độ dẫn nhiệt độ của vật liệu cách nhiệt:

 Độ dẫn nhiệt độ là tốc độ san phẳng nhiệt độ tại cácđiểm khác nhau của môi trường, nghĩa là bên trong vậtliệu nếu có giá trị độ dẫn nhiệt độ càng lớn thì tất cả cácđiểm bên trong vật liệu sẽ nhanh chóng nóng lên hơnkhi vật liệu bị đốt nóng và chóng nguội hơn khi vật liệu

bị làm lạnh

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 1 Tính chất vật lý:

 c Các tính chất có liên quan đến nhiệt của vật liệu cáchnhiệt:

 c2 Độ dẫn nhiệt độ của vật liệu cách nhiệt:

 Độ dẫn nhiệt độ a (m2/s) của VLCN được xác định theocông thức sau:

 a = λ / Cxγo

 Trong đó: λ (w/m.oC) hệ số dẫn nhiệt; C (kJ/kg.oC)nhiệt dung riêng; γo (kg/m3) khối lượng thể tích

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Giá trị độ dẫn nhiệt độ của một số VLCN phổ biến:

 Đối với không khí: akk = 1,8x10-5 m2/s

 Đối với sợi thủy tinh: att = 0,048x10-5 m2/s

 Đối với sợi bông khoáng: abk = 0,055x10-5 m2/s

 [Đối với thép: at = 2,1x10-5 m2/s]

 Nhận xét: độ dẫn nhiệt độ của không khí và của thépxấp xỉ bằng nhau (nghĩa là không khí có giá trị độ dẫnnhiệt độ rất lớn)

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Như vậy với cùng một loại vật liệu nhưng có khối lượng thể tích khác nhau (có độ rỗng khác nhau) thì độ dẫn nhiệt độ của chúng cũng khác nhau, hay nói cách khác khi độ rỗng của VLCN tăng thì độ dẫn nhiệt độ của nó cũng tăng.

 => Hãy xét xem đặc tính này có làm giảm khả năng cách nhiệt của VLCN có độ rỗng lớn không ?

 => Đặc tính này không làm giảm (hoặc nếu có làm giảm thì cũng không đáng kể) tính chất cách nhiệt của VLCN có độ rỗng lớn, vì đối với các kết cấu bao che (VLCN cấu kiện) và lớp cách nhiệt của các thiết bị nhiệt thì tác động nhiệt thay đổi tương đối chậm.

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 1 Tính chất vật lý:

 c Các tính chất có liên quan đến nhiệt của vật liệu cách nhiệt:

 c3 Nhiệt dung và nhiệt dung riêng:

 Nhiệt dung là nhiệt lượng mà vật liệu thu vào khi nung nóng, kí hiệu Qnd – đơn vị kCal hay kJ, được xác định theo công thức sau:

 m – khối lượng của vật liệu (kg, T).

 C k – nhiệt dung riêng của vật liệu ở trạng thái khô, còn gọi

là hệ số thu nhiệt hay tỷ nhiệt (kJ hay kCal/kg.ºC).

 t1 và t2 – lần lượt là nhiệt độ trước khi nung nóng và sau khi nung nóng (ºC).

) ( t2 t1C

m

Qnd   k  

II Các tính chất cơ bản của VLCN

 Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần để nung nóng 1kgvật liệu lên 1ºC, kí hiệu C – đơn vị kJ hay kCal/kg.ºC

 Nhiệt dung riêng của vật liệu ở trạng thái khô (Ck) và ởtrạng thái ẩm (Cw) có giá trị khác nhau Cụ thể khi độ

ẩm của vật liệu tăng thì nhiệt dung riêng của nó cũngtăng theo (vì nước có nhiệt dung riêng lớn nhất)

 Ta có công thức xác định nhiệt dung riêng của vật liệu

ở trạng thái ẩm (Cw) như sau: biết vật liệu có độ ẩm w(%)

 Cn – nhiệt dung riêng

C w

0 1

01 ,

0