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, 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 hai tiêu chí chính: theo bản chất hóa học, chúng được chia thành chất vô cơ và hữu cơ; theo khả năng chịu nhiệt, chất điện môi được phân thành các cấp 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) trong thời gian (giờ) đi 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 bề mặt vật liệu, theo công thức: h.
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 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 là chỉ số thể hiện khả năng của bề mặt vật liệu trong việc chống lại các biến dạng do lực nén từ các vật liệu có kích thước nhỏ hơn tác động lên.
- 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 tránh việc giải phóng các sản phẩm phụ không mong muốn 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 sẽ xảy ra Đánh thủng là quá trình phá hủy chất điện môi, dẫn đến việc mất tính chất cách điện tại vị trí bị đánh thủng.
Điện áp đánh thủng (U đt) là trị số điện áp tại thời điểm xảy ra hiện tượng đánh thủng điện môi, trong khi đó, độ bền cách điện của chất điện môi (Eđm) được xác định bởi 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 chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi nhiệt độ và điện áp, bên cạnh đó còn phụ thuộc vào khoảng cách và áp suất Cụ thể, khi áp suất giảm, độ bền điện sẽ tăng, trong khi nếu áp suất tăng, độ bền điện sẽ giảm.
Độ bền chịu nóng là khả năng của vật liệu cách điện và các chi tiết chịu nhiệt trong việc duy trì tính năng mà 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 nóng được xác định bởi nhiệt độ mà tại đó điện môi bắt đầu thay đổi các 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 một yếu tố phổ biến trong các thiết bị điện, đóng vai trò là vật liệu cách điện bổ sung cho các loại vật liệu cách điện 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 cùng thiết bị điện do quá trình tẩm không kỹ sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng cách điện.
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 nặng gấp 5 lần không khí và có nhiệt độ sôi là -64 độ C Dưới áp suất 20 at, elaga vẫn không hóa lỏng, cho thấy tính ổn định cao Chất này không độc hại, chịu được tác động hóa học và không bị phân hủy khi đốt nóng đến 800 độ C Nhờ vào những đặc tính này, elaga được ứng dụng hiệu quả trong các thiết bị như tụ điện, cáp và máy cắt.
Hydro là một chất khí nhẹ với nhiều đặc tính thuận lợi cho việc làm mát, đặc biệt là trong việc cải thiện hiệu suất làm mát của máy điện Việc sử dụng hydro thay cho không khí giúp giảm đáng kể tổn thất công suất do ma sát giữa roto và chất khí, cũng như do quạt gió gây ra, vì tổn hao này tỷ lệ thuận với tỷ trọng của chất khí.
Vật liệu dẫn điện
2.1.1 Khái n iện 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, với mức năng lượng W 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 những chất 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, từ đó tạo ra dòng điện Do đó, vật liệu này được xác định 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 Trong khoảng nhiệt độ nhỏ, mối quan hệ giữa điện trở suất () và nhiệt độ gần như là một đường thẳng Giá trị điện trở suất ở cuối đoạn nhiệt độ t có thể được tính theo công thức.
t = 0 (1 + .t) Trong đó: - tđiện trở suất của vật liệu đo ở nhiệt độ t.
- 0điện 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 giảm tính tiếp xúc và khả năng dẫn điện của chúng.
Đồng là vật liệu quan trọng nhất trong các vật liệu dẫn điện trong kỹ thuật điện, với điện dẫn suất và nhiệt dẫn suất chỉ đứng sau bạc Nó sở hữu sức bền cơ khí cao, khả năng chống ăn mòn khí quyển, tính đàn hồi tốt và đặc biệt là khả năng 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% C u
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 loại kim loại nổi bật với màu đỏ nhạt sáng, có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt Nó sở hữu sức bền cơ khí cao, dễ dàng được gia công và định hình khi nóng hoặc lạnh Đồng cũng có khả năng chống va đập và ăn mòn tốt, đồng thời chịu được điều kiện thời tiết khắc nghiệt và có khả năng tạo thành các 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
0,01786 Nhiệt dẫn suất 20 o C W/cm.grd
Sức bền đứt khi kéo.
Đồng, với những 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 còn là vật liệu chính để chế tạo dây dẫn điện cho 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 khả năng dẫn điện tốt và trọng lượng nhẹ Tuy nhiên, nhôm có sức bền cơ khí tương đối thấp và gặp khó khăn trong việc thực hiện tiếp xúc.
- 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
Nhôm, với tính chất vỏ điện và khả năng bền bỉ trước thời tiết xấu, là một kim loại dồi dào trong thiên nhiên, thường được sử dụng để 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 loại 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 và 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 được chế biến thành các hình dạng mỏng Ở nhiệt độ thường, thiếc không bị oxy hóa trong không khí, không bị ảnh hưởng bởi nước, và chỉ phản ứng chậm với axit loãng.
- 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 chất giòn, nhưng khi được đốt nóng đến 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 như 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 chảycủa 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 thiết bị đo điện, điện trở mẫu, biến trở và dụng cụ đốt nóng bằng điện Những thiết bị này yêu cầu vật liệu dẫn điện có điện trở suất lớn, đặc biệt là trong các dụng cụ đo, để đảm bảo độ chính xác và hiệu suất hoạt động.
Khi sử dụng trong các dụng cụ đốt nóng bằng điện, vật liệu cần có khả năng chịu nhiệt độ làm việc lâu dài trong không khí lên tới khoảng 1000 độ C, với kích thước càng nhỏ càng tốt.
- 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 sản xuất dưới dạng tấm mỏng với độ dày từ 0,01 đến 1mm và chiều rộng từ 10 đến 300mm Ngoài ra, manganin còn được kéo thành các sợi mảnh có đường kính lên đến 0,02mm Chất 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 so với thép, đồng thời sở hữu nhiều đặc tính khác biệt Vì lý do này, gang được sử 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 phổ biến với tỷ lệ đáng kể là mangan và silic, chiếm từ 0,5 đến 2% Ngoài ra, phốtpho và lưu huỳnh cũng có mặt nhưng với lượng nhỏ hơn, từ 0,05 đến 0,5%, trong đó lưu huỳnh được coi là nguyên tố có hại cho 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 hàm lượng lớn trong gang trắng làm tăng khả năng hình thành vết nứt khi chịu tải trọng kéo.
Trong gang xám, gang dẻo và gang cầu, các lỗ hổng do graphit tạo ra là nơi tập trung ứng suất lớn, làm giảm độ bền của gang Tuy nhiên, sự hiện diện của graphit trong gang cũng mang lại những lợi ích nhất định, như tăng khả năng chống mài mòn do ma sát và giảm thiểu rung động cũng như dao động cộng hưởng.
Theo tổ chức tế vi, gang được phân loại thành bốn loại chính: gang trắng, gang xám, gang cầu và gang dẻo Gang trắng đặc trưng bởi việc toàn bộ cacbon tồn tại dưới dạng 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 được xác định bởi tỉ lệ phân bố của cácbon trong pha graphit và xêmentit Tổ chức này 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 thành phần hóa học tương đồng, giúp hạ thấp nhiệt độ nóng chảy và tăng độ chảy loãng Điều này đóng vai trò quan trọng trong khả năng đúc của gang Ngoài ra, graphit trong gang xám, dẻo và cầu còn tạo ra phoi dễ gãy vụn trong quá trình gia công như tiện, phay, và bào.
Gang có tính chất tổng hợp không cao như thép, nhưng lại có khả năng đúc tốt, dễ gia công cắt và quy trình nấu luyện đơn giản, tiết kiệm chi phí Chính vì vậy, các loại gang có chứa graphit được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp.
Gang là vật liệu lý tưởng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng tĩnh, bao gồm bệ máy, vỏ, nắp và các bộ phận ít di chuyển, nhờ vào khả năng chống va đập thấp của nó.
Thép, hợp kim của sắt và cacbon với hàm lượng carbon tối đa 2,14%, là vật liệu có cơ tính tổng hợp cao nhất, được sử dụng cho các chi tiết chịu tải nặng 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, một loại thép phổ biến, không chỉ bao gồm sắt và cacbon mà 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 đặc biệt như Cr, Mn, Si với một tỷ lệ nhất định, nhằm thay đổi cấu trúc và tính chất của thép.
Ni, W, V, Mo, Ti, Cu và B)
Thép hợp kim sở hữu những đặc tính vượt trội so với thép cacbon, đặc biệt là về cơ tính Nó có độ bền cao hơn rõ rệt, điều này càng thể hiện rõ sau quá trình nhiệt luyện, bao gồm 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 có những tính chất lý hóa đặc biệt như khả năng chống gỉ trong không khí, không bị ăn mòn khi tiếp xúc với các môi trường axit, bazơ và muối Ngoài ra, nó còn có tính từ và khả năng dãn nở đặc biệt, đồng thời chịu được nhiệt độ cao, làm cho nó trở thành vật liệu 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 bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, đặc biệt khi sử dụng ở nhiệt độ -40°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 an toàn trong ứng dụng.
Vật liệu cách ẩm hút ẩm
2.1.1 Yêu cầu đối với vật liệu cách ẩm
Do hiện tượng ngưng đọng ẩm xảy ra trong vách cách nhiệt lạnh, cần thiết phải sử dụng các lớp cách hơi ẩm để tăng khả năng chống thấm ẩm cho vật liệu, đặc biệt khi vật liệu không đủ độ bền về khả năng ngăn ngừa độ 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.
+ Phải rẻ tiền và dễ kiếm.
2.1.2 Một số vật liệu cách ẩm th ô ng dụng
Vật liệu cách ẩm chủ yếu hiện nay là bitum, với các mác bitum phổ biến trong kỹ thuật là NH-3, BH-4, BH-5 và BH-5K (từ 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 dùng 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 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 minh họa 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 là các hàm tuyến tính, còn px’’ được biểu diễn dưới dạng hàm mũ.
Có hai rường hợp có thể xảy ra:
Trường hợp 1: Hai đường px và p x” không cắt nhau, pxnằm dưới px”, trong vách cách nhiệt không có vùng ngưng đọng ẩm.
Trong trường hợp hai đường px và px” cắt nhau tại hai điểm, hiện tượng ngưng đọng ẩm trong vách cách nhiệt xảy ra 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” (như hình 1) Để ngăn ngừa hiện tượng đọng sương trong vách cách nhiệt, cần thực hiện các biện pháp nhằm hạ đường px xuống dưới đường px” hoặc giảm lượng ẩm khuếch tán từ phía nóng vào vách, đảm bảo lượng ẩm khuếch tán từ vách vào phòng lạnh 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.
Sự kết hợp giữa vật liệu chế tạo máy và cặn bẩn kim loại, bao gồm cả vô cơ và hữu cơ, dẫn đến việc hình thành các liên kết oxy hóa Điều này gây ra hiện tượng ăn mòn và phá hủy các chi tiết máy cũng như 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 bỏ 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, 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 cho hệ thống tuần hoàn môi chất lạnh rất quan trọng, với phin sấy đường lỏng được lắp đặt trước bộ phận tiết lưu, trong khi phin sấy đường hơi thường được lắp sau dàn bay hơi, đảm bảo hiệu quả trong quá trình 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 hoạt động của máy lạnh là rất quan trọng Việc "sấy khô" môi chất lạnh giúp loại trừ tác hại của độ ẩm đối với dầu bôi trơn và các chi tiết máy, từ đó bảo vệ hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị.
- 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 này không tương tác với môi chất lạnh, dầu bôi trơn, độ ẩm và các sản phẩm phụ, cũng như các 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.
Không có vật liệu hút ẩm lý tưởng nào trong thực tế; do đó, việc lựa chọn vật liệu hút ẩm phù hợp cho từng ứng dụng là rất quan trọng Điều này giúp phát huy tối đa ưu điểm và hạn chế nhược điểm của từng loại vật liệu.
* Tác dụnghút 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 dựa trên ba nguyên tắc hút ẩm, cùng với khả năng và 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
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
