VẬ T LI Ệ U K Ỹ THU Ậ T ĐIỆ N
V ậ t li ệ u cách điệ n
- 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 vềcơ, lý, hoá và tính năng, tác dụng của vật liệu cách điện;
1.1 Khái ni ệm và đặ c tính c ủ a ch ấ t cách điệ n:
- Vật liệu cách điện hoặc chất điện môi là chất dùng nó để thực hiện cách điện cho các phần dẫn điện của các chi tiết trong thiết bịđiện
- 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 luỹđược 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 dựa trên bản chất hóa học thành hai loại chính: chất vô cơ và chất hữu cơ Ngoài ra, chúng còn được phân chia theo khả năng chịu nhiệt thành các cấp độ Y và A.
1.1.3 Tính chất chung của vật liệu cách điện: a Tính hút ẩm:
- Hút ẩm: Là khảnăng 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 khảnăng cho hơinước xuyên qua vật liệu
Lượng hơi ẩm m qua mặt phẳng S (cm²) của lớp vật liệu cách điện có chiều dày h (cm) được tính theo hiệu số áp suất hơi nước P1 và P2 (mmHg) ở hai bề mặt vật liệu bằng công thức: m = (p1 - p2) * S / h, trong đó ộ thấm ẩm của vật liệu đóng vai trò quan trọng.
+ Tác hại: tương tựnhư tính hútẩm
- 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 sợi thủy tinh giảm, độ bền cơ học của nó tăng lên, đặc biệt khi đường kính giảm xuống còn 0,01 mm, độ bền có thể đạt mức 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 quan trọng 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 các 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 là những yếu tố cần được xem xét.
Khi làm việc lâu dài, vật liệu không bị phân hủy, không sinh ra sản phẩm phụ và không bị ăn mòn khi tiếp xúc với kim loại Nó cũng không phản ứng với các chất khác như nước và axit, đảm bảo tính ổn định và độ bền cao trong quá trình sử dụng.
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, cũng như 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 hiệu suất và độ tin cậy của 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 mất tính chất cách điện tại khu vực bị đánh thủng.
Điện áp đánh thủng (U đt) là trị số điện áp tại thời điểm xảy ra hiện tượng đánh thủng trong điện môi, trong khi độ bền cách điện (E đm) 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 chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi nhiệt độ và điện áp, cùng với khoảng cách và áp suất Khi áp suất giảm, độ bền điện sẽ tăng lên, 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 qua khả năng chống chịu hư hại dưới tác động của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ, cả trong ngắn hạn lẫn dài hạn.
- Đối với điện môi vô cơ: Độ bền chịu nóng được xác định bởi nhiệt độ mà tại đóđiện môi bắt đầu có sự 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 Ch ất cách điệ n th ể khí:
Không khí là thành phần phổ biến trong nhiều thiết bị điện, đóng vai trò quan trọng 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 làm giảm chất lượng cách điện, đặc biệt khi thiết bị không được tẩm đúng cách.
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
Elaga nặng gấp 5 lần không khí và có nhiệt độ sôi là -64 độ C Dù ở nhiệt độ bình thường, elaga có thể được nén tới 20 atm mà không hóa lỏng Chất này không độc hại, chịu được tác động hóa học và không bị phân hủy khi đốt nóng lên tới 800 độ C Elaga được ứng dụng hiệu quả trong các lĩnh vực như tụ điện, cáp điện và máy cắt.
Hyđrô là một chất khí nhẹ với nhiều đặc tính thuận lợi, trở thành lựa chọn lý tưởng để làm môi trường làm mát thay cho không khí Việc sử dụng hyđrô cải thiện đáng kể hiệu suất làm mát của máy điện, đồng thời giảm thiểu tổn thất công suất do ma sát giữa roto và chất khí cũng như từ quạt gió, bởi vì tổn hao này tỷ lệ thuận với tỷ trọng của khí.
V ậ t li ệ u d ẫ n điệ n
- 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 vềcơ, 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 nănglượng 2
- Khoảng cách giữa vùng lấp đầy và vùng tự do rất nhỏ W 5
Dưới tác động của chuyển động nhiệt, các điện tử trong vùng lấp đầy có thể dễ dàng nhảy lên vùng tự do, tạo thành các điện tử tự do tham gia vào quá trình dẫn điện với năng lượng W khoảng 0.2 eV.
Vì vậy , đối với vật liệu này tính dẫn điện cao và điện trở suấ -6
Vật liệu dẫn điện là những chất có khả năng cho phép 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, những 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 và cường độ dòng điện trong dây dẫn Nó được tính toán dựa trên điện trở suất, chiều dài và tiết diện của dây dẫn Ngược lại, điện dẫn G là đại lượng nghịch đảo của điện trở.
- Điện trở suất ủa dây dẫn là điện trở của dây dẫn có chiều dài 1m với tiết diện ngang 1mm 2 Đơn vị
+ Điện dẫn suấ ại lượng nghịch đảo củ 2 2.1.3 Các tác nhân môi trường ảnh hưởng đến vật liệu dẫn điện:
Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến điện trở suất của hầu hết các kim loại Trong khoảng nhiệt độ nhỏ, mối quan hệ giữa điện trở suất và nhiệt độ gần như là tuyến tính Giá trị điện trở suất tại nhiệt độ t có thể được tính theo công thức: ρ_t = ρ_0 (1 + αt), trong đó ρ_t là điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ t, ρ_0 là điện trở suất ở nhiệt độ gốc, và α là hệ số nhiệt.
- 0 điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ ban đầu (t o )
- 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 khả năng tiếp xúc và dẫn điện của các vật liệu này.
Đồng là vật liệu hàng đầu trong các vật liệu dẫn điện trong kỹ thuật điện, nhờ vào điện dẫn suất và nhiệt dẫn suất cao, chỉ sau bạc Với sức bền cơ khí vượt trội, khả năng chống ăn mòn khí quyển, tính đàn hồi tốt và đặc biệt là tính dẫn điện xuất sắc, đồng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng điện.
- Đồng còn là một kim loại hiếm, nó chiếm tỉ lệ 0,01% ở trong lòng đất
Bảng 1 Các loại đồng tinh chế
C u E 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
C u 5 99,5 Bán thành phẩm như: tấm, thanh, ống Đồng thau dát mỏng với tỷ lệdưới 60% C u
C u O 99,0 Hợp kim với đồng ít hơn 60% dùng để dát mỏng và rót Những chi tiết chế tạo được đúc từđồng
- Đồng được sx từ các mỏ trong thiên nhiên như: Can-copirit (CuFeS2), Covelit (C u S), Cupric (C u2 O)…
Bảng 2 Tính chất vật lý, hoá học chính của đồng Đặ c tính Đơn vị đo Ch ỉ 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 3,92
Sức bền đứt khi kéo
Đồng là kim loại màu đỏ nhạt, nổi bật với khả năng dẫn điện và nhiệt tốt Nó có độ bền cơ khí cao, dễ dàng trong việc dát và vuốt giãn, cũng như gia công hiệu quả cả khi nóng và lạnh Đồng chịu lực va đập tốt, kháng ăn mòn, và có khả năng chống chọi với điều kiện thời tiết khắc nghiệt, đồng thời tạo thành các hợp kim chất lượng.
- Đồng có tổ chức mạng tinh thể lập phương thể tâm
Đồng, với các 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 cơ 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, cũng như các thiết bị như dàn nóng và 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 tính dẫn điện tốt và trọng lượng nhẹ Tuy nhiên, nhôm có sức bền cơ khí tương đối thấp và việc thực hiện tiếp xúc với nhôm cũng gặp nhiều 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 lượ ng t ạ p ch ấ t% (Max)
Fe Si Fe+Si Cu T ổ ng t ạ p ch ấ t
Nhôm tinh khi ế t cao Nh ữ ng d ụ ng c ụ hóa h ọc đặ c bi ệ t AB1 99,90 0.060 0,060 0,095 0,005 0,100 Nh ững điệ n c ự c c ủ a t ụ điện điệ n AB2 99,85 0,100 0,080 0,142 0,008 0,150 phân
Nh ữ ng yêu c ầ u và m ục đích khác. Nhôm v ới độ tinh khi ế t thông d ụ ng
A-00 99,7 0,160 0,160 0,260 0,010 0,300 Cáp và dây d ẫn điệ n , h ợ p kim A-0 99,6 0,250 0,360 0,010 0,020 0,400 nhôm đặc biệt dùng cho công nghiêp hoá ch ấ t
A-1 99,5 0,300 0,300 0,450 0,015 0,500 Cáp và dây dẫn điện, hợp kim nhôm A-2 99,0 0,500 0,500 0,900 0,020 1,000 dùng cho nhà b ế p, các bình, ca A-3 98,0 1,100 1,000 1,800 0,030 2,000 Nhôm dùng cho nhà b ế p
Bảng 4 Một số tính chất vật lý - hóa học của nhôm (99, 5% Al)
Tính chất Đơn vịđo Chỉ tiêu
Trọng lượng riêng ở 20 o C Kg/dm 3 2,7 Điện trở suất ở 20 o C -6 2,941 Điện dẫn suất ở 20 o C -1 cm -1 10 6 0,34
Nhiệt dẫn suất ở 20 o C W/cm.grd 2,1
Sức bền đứt khi kéo kG/mm 2 9 Độ giãn dài riêng khi kéo % 45
- 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 cũngnhư kéo và khi cắt
- Có sức bền với sựăn 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
Vỏ điện có tính chất bền bỉ trước thời tiết khắc nghiệt, cùng với nhôm - một kim loại phong phú trong tự nhiên, được sử dụng phổ biến để 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 M ộ t s ố kim lo ạ i d ẫn điệ n khác:
2.4.1 Đặc tính của: sắt, chì, thiếc, kẽm
- Sắt có màu trắng bạc, có độ thẩm từ cao, bịăn 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 có tính chất mềm dẻo, nhưng độ bền cơ học lại yếu và không chịu được rung động tốt Nó sở hữu điện trở suất cao và khả năng chống ăn mòn tốt, đặc biệt là 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 vuốt và dát mỏng Ở nhiệt độ bình thường, thiếc không bị oxy hóa trong không khí và không bị ảnh hưởng bởi nước; ngoài ra, axit loãng chỉ tác động rất chậm đến thiếc.
- 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 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
Kh ố i lượ ng riêng, g/cm 3
Nhi ệ t dung riêng, J/kg.độ
H ệ s ố nhi ệ t độ dãn n ở dài, 1 10 6 , độ -1 Điệ n tr ở su ấ t, mm 2 /m
H ệ s ố nhi ệt điệ n tr ở su ấ t, , độ -1
Công thoát điệ n t ử , eV Đồng 8,9 1083 385 390 16,5 0,0172 0,0043 4,35
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 h ợp kim có điệ n tr ở su ấ t 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 thiết bị này yêu cầu vật dẫn có điện trở suất lớn, trong khi điện trở mẫu cần phải có giá trị càng nhỏ càng tốt Đối với các dụng cụ đốt nóng, chúng cần có khả năng chịu nhiệt độ làm việc lâu dài trong môi trường không khí khoảng 1000 độ C Một trong những hợp kim nổi bật trong lĩnh vực này là Manganin.
- Manganin là hợp kim gốc đồng, thành phần của nó gồm đồng, mangan, 2 nhỏ nên điện trở của nó ổn định cao
V Ậ T LI Ệ U K Ỹ THU Ậ T L Ạ NH
V ậ t li ệ u k ỹ thu ậ t l ạ nh
- 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
Gang là vật liệu kim loại có giá thành rẻ và dễ chế tạo hơn so với thép, đồng thời sở hữu một số đặc tính nổi bật Chính vì vậy, gang được ứng dụng rộng rãi và có thể thay thế thép trong một số trường hợp 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% Trong khi đó, phốt pho và lưu huỳnh xuất hiện với lượng nhỏ, từ 0,05% đến 0,5%, trong đó lưu huỳnh được coi là nguyên tố gây 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 lượng lớn trong gang trắng dễ dẫn đến việc hình thành vết nứt khi chịu tác động của tải trọng kéo.
Gang xám, gang dẻo và gang cầu chứa các lỗ hổng graphit, nơi tập trung ứng suất lớn, làm giảm độ bền của gang Tuy nhiên, sự hiện diện của graphit trong gang cũng mang lại một số lợi ích, như tăng khả năng chống mài mòn do ma sát và giảm 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 Trong đó, gang trắng là loại gang mà 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, bao gồm graphit, 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 nền kim loại gồm ferit và xêmentit.
Gang có tính đúc và gia công cắt gọt tốt nhờ thành phần hóa học tương đồng, dẫn đến nhiệt độ nóng chảy thấp và độ chảy loãng cao Graphit trong gang xám, gang dẻo và gang cầu giúp 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 sở hữu khả năng đúc tốt và dễ dàng gia công cắt Quy trình nấu luyện gang cũng đơn giản và chi phí thấp hơn, vì vậy các loại gang có chứa graphit được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp.
Gang thường được sử dụng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng tĩnh và có khả năng chịu va đập thấp, bao gồm bệ máy, vỏ, nắp, cùng với các bộ phận ít phải di chuyển.
Thép, hợp kim của sắt và cacbon với tỷ 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 và 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 là loại thép phổ biến, được cấu thành chủ yếu từ sắt và cacbon, đồng thời 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 đểnâng cao cơ tính.
+ Độ dẻo khá tốt, có khả năng chịu được va chạm nhất là loại thép ít C + Có khảnăng chống lại sự mài mòn, có tính đàn hồi tốt
+ Có tính công nghệ tốt, rẻ tiền
Thép hợp kim là loại thép được cải tiến bằng cách thêm vào các nguyên tố hợp kim như Cr với một lượng nhất định, nhằm thay đổi cấu trúc và tính chất của thép.
Mn, Si, 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, điều này càng được thể hiện rõ ràng hơn sau khi trải qua 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 độcao hơn 200 0 C
Vật liệu này sở hữu những tính chất lý hóa đặc biệt như không gỉ trong không khí, kháng ăn mòn trong môi trường axit, bazơ và muối Ngoài ra, nó còn có tính từ tính, khả năng dãn nở đặc biệt và chịu được nhiệt độ cao.
- 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 nhiệt độ -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 quả và an toàn trong ứng dụng.
V ậ t li ệ u cách ẩ m hút ẩ m
-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:
Để ngăn chặn hiện tượng ngưng đọng ẩm trong vách cách nhiệt lạnh, cần thiết phải sử dụng các lớp cách hơi ẩm nhằm tăng cường khả năng chống thấm ẩm cho vật liệu Điều này đặc biệt quan trọng trong trường hợp 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 + Không ngậm nước
+ Phải bền nhiệt, không bị cứng, giòn, lão hóa ở nhiệt độ thấp và bị mềm hoặc nóng chảy ở nhiệt độ cao
+ Không có mùi lạ, không độc, không ảnh hưởng tới sản phẩm bảo quản
+ Không gây ăn mòn và tác dụng 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:
- Vật liệu cách ẩm hiện nay chủ yếu là bitum Trong kỹ thuật sử dụng 3-
4 mác bitum NH-3, BH-4, BH-5 và BH-5K (Liên xô cũ) Hệ số dẫn nhiệt từ
Ngoài bitum, còn có nhiều vật liệu khác như giấy nhôm, màng polyetylen, màng PVC và giấy dầu được sử dụng để ngăn ẩm 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
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 trởẩm 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, qua đó có thể tạo ra một dòng không khí đi qua vách ngược chiều với độ giáng phân áp suất hơinước
- 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 t_x, áp suất riêng hơi nước p_x và áp suất hơi nước bão hòa p_x’’ theo độ dày x của vách cách nhiệt Các giá trị t_x, p_x và p_x’’ 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, t_x và p_x được mô tả bằng các đường thẳng (hàm tuyến tính), trong khi p_x’’ là một hàm mũ.
Có hai trường hợp có thể xảy ra:
Trường hợp 1: Hai đường px và p x” 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 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” cần được kiểm soát Để ngăn ngừa hiện tượng đọng sương trong vách cách nhiệt, cần áp dụng các biện pháp nhằm hạ đường px xuống dưới đường px” hoặc đảm bảo rằng 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 dẫn đến việc hình thành các liên kết oxy hóa, gây ăn mòn và làm hư hại các chi tiết máy móc 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 bỏ sự hiện diện của ẩm trong chu trình 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
- Hạn chế độ ẩm tối thiểu trong môi chất lạnh, đối với ammoniac không vượt quá 0,2% khối lượng, đối với Freon công nghiệp không vượt quá
25 phần triệu, đối với Frêon nạp tủ lạnh và máy lạnh kín không quá 6 phần triệu khối lượng
- Sấy chân không nhiều giờtrước khi nạp gas và hệ thống lạnh
Phin sấy là thiết bị quan trọng trong hệ thống lạnh, được lắp đặt trên vòng tuần hoàn của môi chất đường lỏng và đường hơi Phin sấy đường lỏng thường được đặt trước bộ phận tiết lưu, trong khi phin sấy đường hơi thường 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 giữ lại các axit cùng 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 bỏ tác hại của độ ẩm trong hệ thống lạnh, bảo vệ dầu bôi trơn và các chi tiết máy, cũng như thiết bị khỏi những hư hại có thể xảy ra.
- Chống tắc ẩm trong hệ thống lạnh Frêon
2.2.2 Yêu cầu đối với vật liệu hút ẩm:
Bảng 12 trình bày các vật liệu hút ẩm dựa trên ba nguyên tắc hút ẩm, cùng với 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.
Hấp thụ (Tạo tinh thể ngậm nước và các hyđrat)
Sunphat canxi CaSO4 Clorua canxi CaCl2 Perclorat manhê Mg(ClO4)2
Hạn chế sử dụng Ví dụ CaCl 2 không thích hợp với môi chất lạnh, đặc biệt không đặt ở đường lỏng, chỉ có CaSO 4 còn có thểứng dụng được
Phản ứng hóa học (Tạo các axit và bazơ) Ôxit canxi CaO (vôi sống) Oxyt bari BaO Pentôxit phốt pho
P2O5 chỉ nên sử dụng trên đường hơi và không phù hợp cho NH3, ngay cả trong điều kiện tương tự Mặc dù có hiệu quả hút ẩm tốt, nhưng các hóa chất được tạo ra từ P2O5 không nên được 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 không có tác dụng đối với môi chất lạnh, dầu bôi trơn, độ ẩm và các sản phẩm phục vụ như vật liệu chế tạo máy vô cơ và hữu cơ, có thể tạo ra các chất độc 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 hoàn hảo, vì vậy việc lựa chọn vật liệu hút ẩm phù hợp cho từng ứng dụng là rất quan trọng Điều này giúp tối ưu hóa các ưu điểm và giảm thiểu nhược điểm của từng loại vật liệu.
* 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
2.2.3 Một số vật liệu hút ẩm thường dùng trong kỹ thuật lạnh: a Zelôit silicat:
Zelôit, được sử dụng trong hệ thống lạnh, có công thức hóa học Na12(AlO2)12(SiO2)12, thường được ký hiệu là 4A hoặc A4, phù hợp cho môi chất freon R12 và R22 Hiện nay, các loại zelôit có thể được chế tạo với diện tích bề mặt lớn lên đến 800m²/g và kích thước lỗ phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.
4 A Khi thay thế Na bằng Kali (K) hoặc canxi (Ca) có thể chế tạo được
0 0 zeolit đường kính lỗ từ 3 A đến 9 A
Zelôit có khả năng hấp phụ ẩm vượt trội và ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng để hút ẩm trong các hệ thống lạnh frêon Khả năng hấp phụ của zelôit lớn gấp 5 lần so với sillicagel, cho phép nó hoạt động hiệu quả hơn Các phin sấy zelôit có thể được đặt gần máy nén, dàn ngưng hoặc bình chứa cao áp mà không lo ngại về nhiệt độ cao.
Khi zelôit đã bão hòa, có thể tái sinh khả năng hút ẩm bằng cách gia nhiệt đến 450 – 500 °C Tuy nhiên, zelôit đã sử dụng trong hệ thống lạnh thường bị nhiễm bẩn và dầu, khiến quá trình tái sinh kém hiệu quả Do đó, thay vì tái sinh phin sấy cũ, nên thay mới khi cần thiết.
