Nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu tạo và tính chất cơ lý của một số vật liệu cách nhiệt từ xơ khoáng rockwool

TỔ NG QUAN

Khái ni ệ m chung v ề truy ề n nhi ệ t và cách nhi ệ t

1.1.1 Các phương thức trao đổi nhiệt:

Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra qua ba phương thức cơ bản: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ Những phương thức này được phân biệt dựa trên cách thức truyền động năng giữa các phân tử của hai vật.

Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt giữa các phần tử của vật chất khi chúng tiếp xúc trực tiếp, xảy ra do sự chênh lệch nhiệt độ giữa các phân tử hoặc giữa các vật Định luật Fourier mô tả mối quan hệ này và hệ số dẫn nhiệt là yếu tố quan trọng trong việc xác định khả năng dẫn nhiệt của vật liệu.

Nhiệt lượng dQ truyền qua một đơn vị bề mặt dF trong khoảng thời gian dτ tỷ lệ thuận với gradient nhiệt độ grad(t), cùng với bề mặt dF và thời gian dτ.

[J] (1.1) Đối với quá trình truyền nhiệt ổn định:

Dấu (-) là do nhiệt truyền theo chiều giảm của nhiệt độ Q: nhiệt lượng, W

Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 5 Khóa 2012B

F: bề mặt vuông góc với phương dẫn nhiệt, m 2 dt dn: grad(t), o C/m τ: thời gian, s λ: hệ số dẫn nhiệt, W/m o C

 H ệ số dẫn nhiệt: là nhiệt lượng truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian khi grad(t) = 1

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu thường được xác định bằng thực nghiệm c Các yếu tốảnh hưởng đến hệ số dẫn nhiệt của vật liệu:

Hệ số dẫn nhiệt λ thể hiện khả năng dẫn nhiệt của vật liệu, với giá trị phụ thuộc vào bản chất, cấu trúc, độ ẩm và nhiệt độ của vật liệu λ được xác định thông qua các thí nghiệm cụ thể cho từng loại vật liệu.

 Ảnh hưởng của bản chất và kết cấu của vật liệu đến độ dẫn nhiệt λ :

− Hệ số dẫn nhiệt λ phụ thuộc vào bản chất của các chất λrắn > λlỏng > λkhí

Các chất rắn, chất lỏng và khí đều có hệ số dẫn nhiệt khác nhau, do đó, việc nghiên cứu và lựa chọn vật liệu phù hợp cho mục đích dẫn nhiệt hoặc cách nhiệt là rất quan trọng.

Hệ số dẫn nhiệt λ của vật liệu phụ thuộc vào cấu trúc của nó Đặc biệt, hệ số dẫn nhiệt của không khí rất thấp, chỉ đạt 0,024 W/m.K, so với các chất rắn Do đó, khi vật thể có độ rỗng cao và các lỗ rỗng cách nhau, hệ số dẫn nhiệt sẽ bị ảnh hưởng đáng kể.

Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 6 Khóa 2012B nhấn mạnh rằng khả năng cách nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào khối lượng thể tích Cụ thể, khi khối lượng thể tích của vật liệu tăng lên, khả năng dẫn nhiệt của nó cũng sẽ tốt hơn.

 Ảnh hưởng của độ ẩm đến hệ số dẫn nhiệt λ :

Khi độ ẩm của vật liệu tăng, hệ số dẫn nhiệt cũng tăng theo, dẫn đến khả năng cách nhiệt của vật liệu giảm sút, do nước có hệ số dẫn nhiệt cao (λ= 0,58 W/m.K).

 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số dẫn nhiệt λ :

− Đối với chất rắn: phần lớn các vật thể rắn có hệ số dẫn nhiệt tăng khi nhiệt độ tăng.

− Đối với chất lỏng: hầu hết các chất lỏng có hệ số dẫn nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng trừnước và glycerin

− Đối với chất khí: khi nhiệt độtăng thì hệ số dẫn nhiệt tăng.

1.1.1.2 Đối lưu: a Khái niệm: Đối lưu (hay tỏa nhiệt) là quá trình trao đổi nhiệt nhờ sự chuyển động của chất lỏng và chất khí giữa những vùng có nhiệt độ khác nhau Truyền nhiệt bằng đối lưu là sự truyền nhiệt nhờ chuyển động vĩ mô của dòng chất lỏng (hay chất khí), điều này được gây ra bởi sự khác nhau của khối lượng riêng tại những chỗ khác nhau trong khối chất [1]. b Công thức Newton và hệ số tỏa nhiệt α:

Cường độ tỏa nhiệt giữa mặt F có nhiệt độ tw và chất lỏng (hoặc khí) với nhiệt độ tfluôn tỷ lệ thuận với diện tích F và chênh lệch nhiệt độ ∆t = tw – tf, được tính theo công thức Newton.

Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 7 Khóa 2012B

Trong đó, F đại diện cho diện tích bề mặt của vật liệu tính bằng mét vuông (m²), tw là nhiệt độ của tấm vật liệu tính bằng độ Celsius (°C), tf là nhiệt độ của lưu chất (có thể là chất lỏng hoặc chất khí) cũng tính bằng độ Celsius (°C), và α là hệ số tỏa nhiệt.

Hệ số α là chỉ số thể hiện cường độ tỏa nhiệt, đại diện cho nhiệt lượng truyền từ 1m² bề mặt vật liệu đến chất lỏng hoặc khí có nhiệt độ khác biệt 1 độ so với bề mặt Hệ số tỏa nhiệt α thường được xác định qua các công thức thực nghiệm Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến giá trị của hệ số tỏa nhiệt α.

Chất tải nhiệt có thể là khí, lỏng hoặc hơi, và chế độ chuyển động của nó có thể là chảy tầng hoặc chảy rối Khi tốc độ của chất tải nhiệt tăng, độ dày của lớp chảy tầng gần bề mặt thiết bị sẽ giảm, dẫn đến sự giảm nhiệt trở và làm tăng hệ số tỏa nhiệt α.

– Kích thước, hình dạng, vị trí và trạng thái của bề mặt trao đổi nhiệt, …

Các tính chất vật lý của chất tải nhiệt, bao gồm độ nhớt μ, hệ số dẫn nhiệt λ, khối lượng riêng γ và nhiệt dung riêng C, đều thay đổi theo nhiệt độ Do đó, hệ số tỏa nhiệt α cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, ảnh hưởng đến hiệu suất của các hệ thống truyền nhiệt.

– Chênh lệch nhiệt độ giữa vách và chất lưu.

Trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình chuyển giao nhiệt giữa vật phát bức xạ và vật hấp thụ bức xạ thông qua môi trường truyền sóng điện từ Trong quá trình này, nhiệt năng được chuyển đổi thành các tia bức xạ, góp phần vào việc điều chỉnh nhiệt độ của các vật thể trong môi trường xung quanh.

V ậ t li ệ u cách nhi ệ t

1.2.1 Phân lo ại vật liệu cách nhiệt:

Cách nhiệt là việc sử dụng vật liệu hoặc sự kết hợp của các vật liệu nhằm chống lại dòng nhiệt Những vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp thường được chọn làm vật liệu cách nhiệt.

Vật liệu cách nhiệt là loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt tối đa là 0,157 W/m °C, được sử dụng để bảo vệ nhà cửa, thiết bị công nghệ, ống dẫn và máy lạnh công nghiệp.

Vật liệu cách nhiệt được phân loại dựa trên cấu trúc, nguồn gốc, thành phần hóa học, phạm vi nhiệt độ sử dụng, khối lượng thể tích, độ cứng, độ dẫn nhiệt và tính cháy.

1.2.1.1 Theo đặc điểm cấu tạo: Đặc điểm cấu tạo (hình dạng bề ngoài, cấu trúc rỗng) của vật liệu có thể xem là tiêu chí thuận tiện nhất để phân loại một cách tổng quát vật liệu cách nhiệt nói riêng và vật liệu nói chung Đặc điểm cấu tạo, hay cấu trúc của mỗi vật liệu được đặc trưng bởi:

– Các thành phần ban đầu làm nên vật liệu, tạo cho chúng hình dạng và các tính chất nhất định

– Sự bố trí các thành phần ban đầu trong vật liệu

– Sự liên kết giữa các thành phần ban đầu trong vật liệu

Nếu một trong ba yếu tố trên thay đổi thì cấu trúc của vật liệu sẽ khác đi và các tính chất của vật liệu cũng thay đổi theo

1.2.1.2 Theo hình dạng bề ngoài :

Theo hình dạng vật liệu cách nhiệt được phân thành [7]:

Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 13 Khóa 2012B

Vật liệu cách nhiệt dạng rời, bao gồm cả vật liệu vô cơ và hữu cơ, được sử dụng để tạo lớp cách nhiệt hiệu quả tại hiện trường, với hiệu quả phụ thuộc vào độ ổn định của lớp vật liệu Khi ở trạng thái khô, chúng có thể được dùng để lấp các lỗ hổng trên tường nhà tạm hoặc nhà nhẹ, cũng như cách nhiệt cho trần mái Vật liệu vô cơ thường được ưa chuộng trong cách nhiệt cho thiết bị công nghiệp Ngoài ra, các hỗn hợp dạng vữa bả cũng được sử dụng để cách nhiệt cho các bề mặt nóng.

Vật liệu cách nhiệt dạng cuộn, thừng và chão thường được sản xuất dưới dạng thảm, đệm, và thừng Chúng thường được sử dụng để tạo lớp cách nhiệt cho các chi tiết có hình dạng phức tạp như van, ống phân nhánh và đồng hồ đo.

Vật liệu dạng cấu kiện, bao gồm các sản phẩm như tấm, blốc, gạch, trụ, nửa trụ và rẻ quạt, thường được sử dụng trong xây dựng Trong số đó, vật liệu cách nhiệt dạng tấm là phổ biến nhất, mang lại hiệu quả cao trong việc cách nhiệt cho công trình.

Vật liệu cách nhiệt dạng cấu kiện có hình dạng và kích thước ổn định, thường được sản xuất với chất kết dính, mang lại chất lượng tốt và độ bền cao Loại vật liệu này có hiệu quả cách nhiệt vượt trội so với vật liệu cách nhiệt đổ đống hay vữa bả Việc sử dụng vật liệu cách nhiệt dạng cấu kiện không chỉ nâng cao năng suất lao động mà còn cải thiện chất lượng của lớp cách nhiệt so với việc sử dụng vật liệu rời.

Vật liệu cách nhiệt dạng cấu kiện được sản xuất trên dây chuyền công nghiệp với chất lượng được kiểm tra theo tiêu chuẩn nghiêm ngặt Chúng thích hợp cho việc cách nhiệt các bề mặt cong nhỏ như ống dẫn và thiết bị nhiệt, cũng như bề mặt cong lớn như bồn chứa.

Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 14 Khóa 2012B

1.2.1.3 Theo cấu trúc cơ sở:

Theo cấu trúc cơ sở vật liệu cách nhiệt được chia thành [7]: dạng xơ, dạng hạt và dạng bọt rỗng kiểu tổ ong

Cách nhiệt dạng xơ bao gồm các xơ ngắn, đường kính nhỏ được sắp xếp vuông góc hoặc song song với bề mặt cách nhiệt Chúng có thể liên kết với nhau bằng phương pháp cơ học hoặc chất liên kết, tạo thành các sản phẩm cách nhiệt như tấm phẳng, cuộn hoặc hình trụ rỗng Các nguyên liệu chính được sử dụng trong cách nhiệt dạng xơ gồm xơ thủy tinh, xơ khoáng và xơ gốm chịu nhiệt.

Cách nhiệt dạng hạt là loại vật liệu cách nhiệt mà không khí hoặc các khí khác được giữ lại trong các khe hở giữa các lỗ nhỏ, tạo ra các sản phẩm cách nhiệt như khuôn, tấm phẳng hoặc hình trụ rỗng Các nguyên liệu phổ biến được sử dụng trong loại cách nhiệt này bao gồm calcium silicate và perlite.

Cách nhiệt dạng bọt tổ ong được cấu tạo từ nhiều lỗ nhỏ chứa không khí hoặc khí khác, tạo ra các sản phẩm cách nhiệt dưới dạng tấm phẳng, cuộn hoặc hình trụ rỗng Các nguyên liệu chính bao gồm thủy tinh bọt xốp, cao su dạng bọt, phenolic dạng bọt, polyethylene, polyisocyanurates, polystyrene, polyurethanes, và polyimides.

1.2.1.4 Theo nguồn gốc và thành phần hóa học:

Vật liệu dệt có khả năng sản xuất các sản phẩm cách nhiệt, đặc biệt hữu ích trong ngành may mặc để tạo ra quần áo cách nhiệt cho công nhân làm việc trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt Ngoài ra, chúng còn được ứng dụng trong xây dựng và các lĩnh vực công nghiệp khác Dựa trên nguồn gốc và thành phần hóa học, vật liệu cách nhiệt có thể được phân loại một cách rõ ràng.

Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 15 Khóa 2012B

Hình 1.1: Sơ đồ phân loại vật liệu cách nhiệt theo nguồn gốc và thành phần hóa học

1.2.1.5 Theo phạm vi nhiệt độ sử dụng:

Vật liệu cách nhiệt có thể được phân thành 3 nhóm theo phạm vi nhiệt độ mà chúng được sử dụng [13]:

− Cách nhiệt ở phạm vi nhiệt độ thấp (dưới 90 o C):

Phạm vi bài viết đề cập đến các vật liệu cách nhiệt được sử dụng cho tủ lạnh, hệ thống nước nóng và lạnh, cũng như hệ thống lưu trữ Những vật liệu phổ biến bao gồm gỗ, xơ khoáng, magiê oxit (85%), polyurethane và polystyrene.

− Cách nhiệt ở phạm vi nhiệt độ trung bình (90 – 325 o C):

Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 16 Khóa 2012B

Cách nhiệt cho thiết bị có nhiệt độ thấp, như thiết bị gia nhiệt và đường ống dẫn hơi, thường sử dụng các vật liệu như xơ amiăng, xơ khoáng, canxi silicat và 85% magiê oxit.

− Cách nhiệt ở phạm vi nhiệt độ cao (trên 325 o C):

K ế t lu ậ n nghiên c ứ u t ổ ng quan

Truyền nhiệt trong vật liệu diễn ra qua ba phương thức chính: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ Đối với các vật liệu cách nhiệt dạng xơ, thành phần đối lưu có thể được bỏ qua.

Vật liệu cách nhiệt ngày càng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như may mặc, xây dựng và công nghiệp, đóng vai trò quan trọng trong việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường Trong số các loại vật liệu cách nhiệt, vật liệu làm từ xơ sợi được xem là một giải pháp hiệu quả và đa dạng.

Xơ khoáng hiện nay là vật liệu cách nhiệt phổ biến nhất trong xây dựng dân dụng và công nghiệp Được tạo ra từ các xơ ngắn được nấu chảy và kéo thành xơ từ khoáng, xơ khoáng được sản xuất qua quy trình tương tự như sản xuất vải không dệt, nơi các xơ được sắp xếp và liên kết để tạo thành tấm cách nhiệt hiệu quả.

Luận văn này nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu tạo và tính chất cơ lý của vật liệu cách nhiệt từ xơ khoáng Rockwool Mục tiêu là hiểu rõ hơn về loại vật liệu này và cung cấp cơ sở cho việc lựa chọn xơ khoáng phù hợp trong số các sản phẩm có sẵn trên thị trường.

Nguyễn Ngọc Xuân Hoa 50 Khóa 2012B

THỰ C NGHI Ệ M

KẾ T QU Ả NGHIÊN C Ứ U VÀ BÀN LU Ậ N