Giáo trình Vật liệu điện lạnh cung cấp cho người học những kiến thức như: Vật liệu cách điện; Vật liệu dẫn điện; Vật liệu kỹ thuật lạnh; Vật liệu cách ẩm hút ẩm. Mời các bạn cùng tham khảo!
VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN
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, 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 nhóm 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 độ như Y và A.
1.1.3 Tính chất chung của vật liệu cách điện
- 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) đi qua mặt phẳng S (cm²) của lớp vật liệu cách điện có chiều dày h (cm) dưới tác dụng của hiệu số áp suất hơi nước P1 và P2 (mmHg) ở hai bề mặt được tính theo công thức: m = (h * (P1 - P2)) / R, trong đó R là hằng số liên quan đến tính chất của vật liệu.
S p m ( p 1 2 ) Trong đó: 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
Độ bền kéo, nén và uốn của các điện môi có sự khác biệt lớn, phụ thuộc chủ yếu vào tiết diện của mẫu vật liệu Chẳng hạn, sợi thủy tinh có độ bền cơ học tăng khi đường kính giảm; khi đường kính đạt 0,01 mm, độ bền có thể tương đương với dây đồng Tuy nhiên, độ bền cơ học sẽ giảm khi nhiệt độ tăng.
- Tính giòn: khả năng của bề mặt vật liệu chống lại các tải cơ học động
Độ cứng của bề mặt vật liệu là chỉ số quan trọng, thể hiện khả năng chống lại các biến dạng do lực nén từ các vật liệu có kích thước nhỏ hơn gây ra.
- Ngoài ra đối với các chất lỏng hoặc nửa lỏng như: dầu, sơn, hỗn hợp các chất tráng, tẩm thì độ nhớt là một đặc tính quan trọng
3 Tính chất hoá học và khả năng chịu phóng xạ của điện môi
Khi làm việc lâu dài, vật liệu này không bị phân hủy, giúp ngăn chặn sự hình thành các sản phẩm phụ Nó cũng không bị ăn mòn khi tiếp xúc với kim loại và không phản ứng với các chất như nước hay axit.
- Khi sản xuất các chi tiết có thể dùng các hoá chất khác như: Chất kết dính, chất hoà tan, trong các điện môi khác
4 Hiện tượng đánh thủng điện môi và độ bền cách điện
Khi cường độ điện trường vượt quá giới hạn độ bền cách điện của chất điện môi, hiện tượng đánh thủng điện môi xảy ra Đánh thủng là quá trình làm hỏng chất điện môi, dẫn đến việc mất tính chất cách điện tại vị trí 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
- 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 chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ và điện áp Bên cạnh đó, khoảng cách và áp suất cũng là những yếu tố quan trọng Cụ thể, khi áp suất giảm, độ bền điện sẽ tăng lên, trong khi nếu áp suất tăng, độ bền điện sẽ giảm xuống.
Độ bền chịu nóng là khả năng của vật liệu cách điện và các chi tiết chịu nhiệt để không bị hư hại khi tiếp xúc với nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ trong cả ngắn hạn và dài hạn.
Đối với điện môi vô cơ, độ bền chịu nhiệt được xác định bởi nhiệt độ mà tại đó điện môi bắt đầu thay đổi tính chất điện của mình.
- 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 thành phần phổ biến trong nhiều 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 có thể dẫn đến chất lượng cách điện kém nếu thiết bị không được tẩm kỹ.
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
Elaga là một chất khí nặng gấp 5 lần không khí, có nhiệt độ sôi -64°C và có khả năng nén tới 20 atm mà không hóa lỏng ở nhiệt độ bình thường Chất này không độc hại, chịu được tác động hóa học và không bị phân hủy khi đốt nóng đến 800°C Elaga được sử dụng hiệu quả trong các ứng dụng như tụ điện, cáp và máy cắt.
Hyđrô là một chất khí nhẹ với nhiều đặc tính ưu việt, thích hợp làm môi trường làm mát thay cho không khí Việc sử dụng hyđrô giúp cải thiện hiệu quả làm mát cho máy điện, giảm thiểu tổn thất công suất do ma sát giữa roto và chất khí cũng như từ quạt gió, vì tổn hao này tỷ lệ thuận với tỷ trọng của chất khí.
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 khả năng nhảy lên vùng tự do, trở thành điện tử tự do và tham gia vào quá trình dẫn điện, với năng lượng chuyển đổi nhỏ hơn 0.2 eV.
Vì vậy , đối với vật liệu này tính dẫn điện cao và điện trở suất = 10 -6
Vật liệu dẫn điện là loại vật liệu có khả năng cho phép các điện tích chuyển động tự do trong trạng thái bình thường 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 () Điện trở dây dẫn còn được tính theo công thức: R = l/s ()
Trong đó 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 ( -1 )
- Điện trở suất (): của dây dẫn là điện trở của dây dẫn có chiều dài 1m với tiết diện ngang 1mm 2 Đơn vị (.cm)
+ Điện dẫn suất là đại lượng nghịch đảo của : = 1/ m/mm 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 () và nhiệt độ gần như là đường thẳng trong khoảng nhiệt độ nhỏ Giá trị điện trở suất ở cuối đoạn nhiệt độ t có thể được tính bằng một công thức cụ thể.
t = 0 (1 + .t) Trong đó: - t điện trở suất của vật liệu đo ở nhiệt độ t
- 0 điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ ban đầu (to)
- 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 dẫn điện quan trọng nhất trong kỹ thuật điện, với khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt chỉ đứng sau bạc Nó sở hữu sức bền cơ khí cao, khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt, tính đàn hồi cao 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: Có các loại đồng tinh chế sau
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)…
Đồng là một kim loại màu đỏ nhạt, nổi bật với khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt cao Nó có sức bền cơ khí lớn, dễ dàng được gia công cả khi nóng lẫn lạnh, và có khả năng dát mỏng, vuốt giãn hiệu quả Đồng cũng có độ bền cao với va đập và khả năng chống ăn mòn tốt, đồng thời chịu được điều kiện thời tiết khắc nghiệt, cùng với khả năng tạo thành hợp kim chất lượng.
- Đồng có tổ chức mạng tinh thể lập phương thể tâm
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
0,01748 0,01786 Nhiệt dẫn suất 20 o C W/cm.grd
Sức bền đứt khi kéo
Đồng, với các đặc tính cơ và điện vượt trội, 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.
Sau đồng, nhôm là vật liệu quan trọng thứ hai trong kỹ thuật điện, được sử dụng rộng rãi nhờ vào tính dẫn điện tốt và trọng lượng nhẹ Tuy nhiên, sức bền cơ khí của nhôm tương đối thấp và việc thực hiện tiếp xúc với nhôm gặp một số khó khăn.
- 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)
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 nghiêp hoá chất
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 có vỏ điện và khả năng bền bỉ trước thời tiết khắc nghiệt, nhôm - một kim loại phong phú trong thiên nhiên - được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo cáp điện và ống nối.
- Các lá nhôm để làm trụ điện, làm máy biến áp
- Rôto của động cơ điện không đồng bộ
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, có độ bền cơ học thấp và khả năng chịu rung động kém Nó sở hữu 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, có khả năng dễ dàng được 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 phản ứng với axit loãng diễn ra rất chậm.
- 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 100 độ C, nó trở nên dẻo và dễ dàng để vuốt 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
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)
Bảng 5 Điện trở suất và các đặc tính vật lí của các kim loại chủ yếu dùng trong kỹ thuật điện
Nhiệt dung riêng, J/kg.độ
Hệ số nhiệt độ dãn nở dài, 1 10 6 , độ -1 Điện trở suất,
Hệ số nhiệt điện trở suất,
Công thoát điện tử, eV Đồng
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 Những dụng cụ này đòi hỏi vật dẫn phải có điện trở suất lớn để đảm bảo hiệu suất và độ chính xác trong quá trình đo lường.
Khi sử dụng trong các dụng cụ đốt nóng bằng điện, các vật liệu cần có khả năng chịu nhiệt độ lâu dài trong không khí lên đến khoảng 1000 độ C Việc tối ưu hóa kích thước của chúng càng nhỏ càng tốt sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ bền của thiết bị.
- Manganin là hợp kim gốc đồng, thành phần của nó gồm đồng, mangan, niken Manganin có = 0,42 0,48 mm 2 m, nhỏ nên điện trở của nó ổn định cao
Manganin được chế tạo thành tấm mỏng với độ dày từ 0,01 đến 1mm và chiều rộng từ 10 đến 300mm, đồng thời cũng có thể được kéo thành các sợi mảnh với đường kính lên đến 0,02mm Vật liệu này thường được sử dụng trong các dụng cụ đo và điện trở mẫu.
- Là hợp kim Đồng – Niken, hàm lượng Niken trong hợp kim quyết định trị số lớn nhất và nhỏ nhất
- Conxtantan có thể kéo thành sợi, cán thành tấm như manganin Nó được dùng làm dây biến trở, dụng cụ đốt nóng bằng điện có tlv không quá 450 0 C
VẬT LIỆU KỸ THUẬT LẠNH
Vật liệu kỹ thuật lạnh
Gang là một loại vật liệu kim loại rẻ và dễ chế tạo hơn thép, đồng thời sở hữu nhiều đặc tính riêng biệt Vì lý do này, gang được sử dụng phổ biến và có khả năng 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 phổ biến với tỷ lệ cao là mangan và silic, chiếm từ 0,5% đến 2% Bên cạnh đó, phốtpho và lưu huỳnh cũng có mặt nhưng với lượng nhỏ hơn, từ 0,05% đến 0,5%, trong đó lưu huỳnh được xem là nguyên tố có hại cho chất lượng của gang.
Gang có độ bền kéo thấp và độ giòn cao, với xêmentit là pha cứng và giòn chủ yếu Sự hiện diện của xêmentit với lượng lớn trong gang trắng khiến vật liệu dễ bị nứt khi chịu tải trọng kéo.
Gang xám, gang dẻo và gang cầu đều chứa graphit, tạo ra các lỗ hổng trong cấu trúc gang, dẫn đến sự tập trung ứng suất lớn và làm giảm độ bền Tuy nhiên, sự hiện diện của graphit cũng mang lại một số lợi ích, như tăng cường khả năng chống mài mòn do ma sát, đồng thời giúp giảm rung động và dao động cộng hưởng.
Theo tổ chức tế vi, gang được phân loại thành các loại như gang trắng, gang xám, gang cầu và gang dẻo Trong đó, gang trắng là loại gang mà toàn bộ 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, bao gồm graphit và nền kim loại, phụ thuộc vào tỉ lệ phân bố của cácbon trong pha graphit và xêmentit Cấu trúc này được chia thành hai phần chính: phần phi kim loại là graphit và phần kim loại bao gồm ferit và xêmentit.
Gang có tính đúc và gia công cắt gọt tốt nhờ thành phần hóa học đồng nhất, giúp hạ nhiệt độ nóng chảy và tăng độ chảy loãng Graphit trong gang xám, dẻo và cầu tạo điều kiện cho việc gia công dễ dàng, nhưng cũng khiến phoi dễ gãy vụn trong quá trình tiện, phay và bào.
Gang có tính đúc tốt và dễ gia công, mặc dù có cơ tính tổng hợp không cao như thép Việc nấu luyện gang cũng đơn giản và tiết kiệm chi phí hơn, do đó các loại gang chứa graphit được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp.
Gang được sử dụng để chế tạo các chi tiết có khả năng chịu tải trọng tĩnh và ít chịu va đập, bao gồm bệ máy, vỏ, nắp, cùng với các bộ phận ít phải di chuyển.
Thép, hợp kim của sắt và cacbon với hàm lượng cacbon không vượt quá 2,14%, là vật liệu có cơ tính tổng hợp cao nhất, thích hợp cho các chi tiết chịu tải nặng và trong điều kiện phức tạp Theo thành phần hóa học, thép được chia thành hai loại chính: thép cacbon và thép hợp kim.
Thép cacbon là loại thép phổ biến, bao gồm sắt và cacbon, cùng với 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 điều chế bằng cách thêm vào các nguyên tố hợp kim như Cr, Mn, Si với một lượng nhất định, nhằm thay đổi cấu trúc và tính chất của thép.
Ni, W, V, Mo, Ti, Cu và B)
Thép hợp kim nổi bật với các đặc tính vượt trội so với thép cacbon, đặc biệt là về cơ tính Thép hợp kim có độ bền cao hơn đáng kể, đặc biệt thể hiện rõ ràng sau quá trình nhiệt luyện tôi và ram.
+ 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 như không bị gỉ sét trong không khí, không bị ăn mòn trong môi trường axit, bazơ và muối Ngoài ra, nó còn có từ tính, khả năng dãn nở đặc biệt và chịu được nhiệt độ cao, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong 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 bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, đặc biệt là khi sử dụng ở mức -40 độ C trở xuống Do đó, cần chú ý đến sự thay đổi của các tính chất cơ lý, đặc biệt là tính chất cơ học, để đảm bảo hiệu suất và độ bền của vật liệu.
Vật liệu cách ẩm hút ẩm
2.1.1 Yêu cầu đối với vật liệu cách ẩm
Để khắc phục hiện tượng ngưng đọng ẩm trong vách cách nhiệt lạnh, cần thiết phải sử dụng các lớp cách hơi ẩm nhằm tăng khả năng trở 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, không độc hại và không ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm bảo quản Hơn nữa, nó không gây ăn mòn hay phản ứng hóa học với các vật liệu cách nhiệt và xây dựng.
+ Phải rẻ tiền và dễ kiếm
2.1.2 Một số vật liệu cách ẩm thông dụng
Hiện nay, vật liệu cách ẩm chủ yếu được sử dụng là bitum, với các mác bitum NH-3, BH-4, BH-5 và BH-5K (theo tiêu chuẩn Liên Xô cũ) Hệ số dẫn nhiệt của các loại vật liệu này 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 hoạt động như một tấm cách ẩm, đảm bảo hiệu suất bảo quản tối ưu.
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 chênh lệch 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 1 Biến thiên áp suất và nhiệt độ trong vách
Hình 1 cho thấy sự biến thiên của nhiệt độ (tx), áp suất riêng của 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 thể hiện mối quan hệ tuyến tính, trong khi px’’ có dạng hàm mũ.
Có hai rường 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 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 kiểm soát Để ngăn chặn hiện tượng đọng sương trong vách cách nhiệt, cần áp dụng các biện pháp nhằm hạ thấp đường px xuống dưới đường px” hoặc giảm lượng ẩm khuếch tán từ phía nóng vào vách, đảm bảo rằng lượng ẩm khuếch tán từ vách vào phòng lạnh luôn nhỏ hơn.
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
Cặn bẩn kim loại vô cơ và hữu cơ kết hợp với vật liệu chế tạo máy tạo ra các liên kết oxy hóa, dẫn đến 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 để 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 hệ thống làm lạnh, cần hạn chế độ ẩm tối thiểu trong môi chất lạnh: đối với ammoniac, mức độ ẩm không vượt quá 0,2% khối lượng; đối với Freon công nghiệp, không quá 25 phần triệu; và đối với Freon sử dụng trong tủ lạnh và máy lạnh kín, không vượt quá 6 phần triệu khối lượng.
- Sấy chân không nhiều giờ trước khi nạp gas và hệ thống lạnh
Sử dụng phin sấy trong hệ thống lạnh là cần thiết, với phin sấy đường lỏng được lắp đặt trước bộ phận tiết lưu và phin sấy đường hơi thường được lắp sau dàn bay hơi, theo chiều chuyển động 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, chất độc hại sinh ra trong quá trình vận hành máy lạnh là rất quan trọng Điều này giúp "sấy khô" môi chất lạnh, ngăn chặn tác hại của độ ẩm đối với dầu bôi trơn và các chi tiết máy, bảo vệ hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị lạnh.
- Chống tắc ẩm trong hệ thống lạnh Frêon
2.2.2 Yêu cầu đối với vật liệu hút ẩm
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 không có tác dụng với môi chất lạnh, dầu bôi trơn, độ ẩm, cũng như các sản phẩm phụ và vật liệu chế tạo máy, bao gồm cả vô cơ và hữu cơ, có thể 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
Không có vật liệu hút ẩm lý tưởng trong thực tế; do đó, việc lựa chọn vật liệu hút ẩm phù hợp cho từng ứng dụng là cần thiết để tối ưu hóa ưu điểm và giảm thiểu nhược điểm của chúng.
* Tác dụng hút ẩm dựa trên ba nguyên tắc sau:
+ Liên kết cơ học với ẩm gọi là quá trình hấp phụ ẩm
+ Liên kết hóa học với hơi nước tạo ra các tinh thể ngậm nước hoặc các hyđrat gọi là quá trình hấp thụ
+ Phản ứng hóa học với nước tạo ra các chất mới
Bảng 12 trình bày các vật liệu hút ẩm theo ba nguyên tắc hút ẩm đã được nêu, đồng thời nêu rõ khả năng và phạm vi ứng dụng của chúng trong lĩnh vực kỹ thuật lạnh.
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, natri và canxi)
Nói chung sử dụng được cho tất cả các loại môi chất lạnh, đặt trên đường lỏng và đường hơi
(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