Đặc Tính Vật Liệu Cách Nhiệt Lạnh - Quạt Công Nghiệp

1. Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt

Hệ số dẫn nhiệt là thông số quan trọng nhất của vật liệu cách nhiệt, trong khi nhiệt dung riêng và khả năng dẫn nhiệt được coi là dòng nhiệt ổn định truyền từ ngoài vào trong.

Hệ số dẫn nhiệt là tiêu chuẩn số một để đánh giá chất lượng chất cách nhiệt. Vật liệu cách nhiệt chính được sử dụng hiện nay là phi kim loại hữu cơ và vô cơ. Bảng 1 giới thiệu phạm vi của hệ số dẫn nhiệt của một số vật liệu, số liệu của kim loại để tiện so sánh.

Nhưng hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt không phải cố định mà thay đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Các yếu tố chính là:

- Khối lương riêng;

- Cấu trúc của bọt xốp (kiểu, độ lớn, cách sắp xếp các lỗ chứa khí, thành phần và cấu tạo của phần rắn và mối quan hệ của chúng);

- Nhiệt độ;

- Áp suất và chất khí ngậm trong lỗ xốp;

- Độ ẩm và độ khuyêch tán hơi nước và không khí vào vật liệu trong thời gian sử dụng.

Bảng 1. Phạm vi giá trị hệ số dẫn nhiệt của một số vật liệu

- Sự phụ thuộc hệ số dẫn nhiệt vào khối lượng riêng

Các vật liệu xây dựng và cách nhiệt bao giờ cũng có những lỗ nhỏ chứa không khí (vật liệu xốp), độ xốp càng cao, khối lượng riêng càng nhỏ và hệ số dẫn nhiệt càng nhỏ.

Hình 1 biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt vào khối lượng riêng cảu vật liệu xây dựng vô cơ ở trjang thái khô. Đối với các vật liệu xây dựng hữu cơ các số liệu cũng tương tự, sai số giữa các vật liệu khác nhau không đáng kể.

Hình 1. Sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt vào khối lượng riêng vật liệu xây dựng khô vô cơ (giá trị trung bình)

Lí do là tính chất giống nhau của không khí ngậm trong các lỗ xốp của vật liệu. Tuy nhiên nếu muốn dự đoán hệ số dẫn nhiệt của loại vật liệu nào đó với sai số có thể chấp nhận được, cần phải xác định được các yếu tố ảnh hưởng khác của thành phần rắn như nguyên liệu, phương pháp gia công. Ngay cả một vật liệu xây dựng hoặc cách nhiệt của hãng này có thể có hệ số dẫn nhiệt tốt hơn của hãng sản xuất khác.

- Sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt vào dạng và độ lớn của các lỗ xốp chứa khí.

Độ lớn của các lỗ xốp chứa khí có ảnh hưởng lớn đến hệ số dẫn nhiệt của vật liệu xốp. Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu xốp ta hiểu là hệ số dẫn nhiệt tương đương vì nó gồm cả thành phần đối lưu nhiệt trong các lỗ ngậm khí, bức xạ nhiệt qua thành của lỗ xốp.

Lỗ xốp càng lớn, hiệu nhiệt độ giữa hai vách xốp càng cao, thành phần tryền nhiệt càng lớn. Sự đối lưu của khí trong lỗ xốp càng dễ dàng và thành phần truyền nhiệt bằng đối lưu cũng lớn lên. Bảng 2 giới thiệu hệ số dẫn nhiệt tương đương của không khí phụ thuộc vào cỡ bọt khác nhau 00C. Khi tăng đường kính của lỗ xốp từ 0mm đến 10mm hệ số dẫn nhiệt tăng lên đến 3 lần.

Bàng 2. Sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt tương đương của không khí ở 00C vào kích thước lỗ xốp

Dạng của lỗ xốp cũng có ảnh hưởng lớn tới hệ số dẫn nhiệt của vật liệu xốp. Nói chung các vật liệu dạng tấm như polystriol, polyurethane, các vật liệu xây dựng đều có lỗ xốp dạng cầu. Nói đến dạng lỗ xốp ở đây chủ yếu để chỉ các vật liệu cách nhiệt dạng sợi như bông thủy tinh, bông khoáng … và cách bố trí chúng trong cơ cấu cách nhiệt. Khi bố trí sợi dọc theo phương pháp truyền nhiệt, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu có thể tăng gấp hai lần, hoặc hơn so với các bố trí sợi vuông góc với phương dòng nhiệt. Bảng 3, giới thiệu hệ số dẫn nhiệt của một số vật liệu dạng sợi khi bối trí vuông góc và song song sợi theo hướng đi của dòng nhiệt. Với cùng khối lượng riêng, khi sắp xếp sợi theo hướng vuông góc với dòng nhiệt, hệ số dẫn nhiệt giảm đáng kể, có khi chỉ còn khoảng một nửa.

Bảng 3. Sự phụ thuộc bố trí sợi so với hướng dòng nhiệt

- Ảnh hưởng của nhiệt độ

Hệ số dẫn nhiệt của các loại vật liệu xây dựng và cách nhiệt tăng khi nhiệt độ tăng. Bản thân vật liệu và cả các lỗ xốp ngậm khí đều có tính chất chung đó. Nhiều công trình công bố đã tìm các mô hình toán học để mô tả sự ảnh hưởng của nhiệt độ. Trong phạm vi từ nhiệt độ môi trường đến -800C sự ảnh hưởng này hầu như không có ý nghĩa.

Hệ số dẫn nhiệt của không khí thường được coi là giá trị giới hạn đối với các vật liệu cách nhiệt. Các vật liệu polytirol, perlit, bông xỉ, thủy tinh bọt ngậm không khí trong các lỗ xốp nên hệ số dẫn nhiệt của chúng bao giờ cũng lớn hơn hệ số dẫn nhiệt của không khí. Riêng bọt polyrethan ngậm khí R11 nên hệ số dẫn nhiệt của nó có thể nhỏ hơn hệ số dẫn nhiệt của không khí.

- Ảnh hưởng của cấu trúc phần rắn.

Một vật liệu xốp có thể coi là gồm hai thành phần: phần rắn (phần xương) và phần lỗ xốp không khí. Phần rắn của vật liệu có thể chế tạo bằng hai phương pháp. Trước hết các hạt vật liệu có thể được dính kết với nhau bằng các chất két dính ở điểm tiếp xúc, sau nữa vật liệu có thể được thổi khí ở trạng thái lỏng: khí tạo thành các bọt có kích cỡ tương đối không đồng đều trong vật liệu, sau đó vật liệu được làm đông cứng lại. Trường hợp duwosi, do cấu tạo của xương vật liệu được bù đầy vào không gian giữa các lỗ xốp bọt khí hình cầu nên hệ số cách nhiệt lớn hơn và độ bền cơ học cũng lớn hơn.

- Ảnh hưởng của độ ẩm

Hình 2. Sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt vào áp suất của không khí

Trong thực tế cách nhiệt lạnh, ẩm được coi là kẻ thù nguy hiểm. khi bị nhiểm ẩm, hệ số dẫn hiệt tăng nhanh chóng, vật liệu mất khả năng cách nhiệt. Do đó chênh lệch nhiệt độ từ môi trường vào buồng lạnh, luôn có hiện tượng khuếch ta hơi nước ở không khí môi trường vào cách nhiệt để vào buồng lạnh. Đây cũng là khác biệt cơ bản giữa cách nhiệt để vào buông lạnh. Độ ẩm của tường cách nhiệt là yếu tố quan trọng nhất quyết định tuổi thọ, độ bền lâu, hiệu quả cách nhiệt lạnh và tính kinh tế của toàn bộ công trình. Để tính vật liệu cách nhiệt nhiểm ẩm phải chọn vật liệu có trở thấm ẩm tốt hơn. Nếu trở thấm ẩm của vật liệu không đủ lớn nhất thiết phải có cách ẩm đi đôi với cách nhiệt.

- Ảnh hưởng của áp suất khí.

Áp suất của chất khí ngậm trong các lỗ xốp vật liệu càng nhỏ thì hệ số dẫn nhiệt càng nhỏ. Chân không có khả năng cách nhiệt tốt nhất, nhưng khó thực hiện đối với các vật liệu cách nhiệt vì ẩm và không khí luôn luôn khuếch tán vào vật liệu.

Chỉ có thể thực hiện chân không trong các bình 2 vỏ hoặc nhiều vỏ như phích nước, phích đá, các bình cryo … chịu được áp lực không khí và chống được khuếch tán hơi nước và không khí. Hình 2 giới thiệu ảnh hưởng của áp suất đến hệ số dẫn nhiệt. Khoảng thay đổi giá trị λ (diện tích có gạch chéo) trên hình bao quát hầu như toàn bộ các vật liệu cách nhiệt lạnh khác nhau với các cách bố trí và xếp đặt khác nhau. Giá trị dọc bên phải của hình λ = 0,02 … 0,05W(m.K) là hệ số dẫn nhiệt của hầu hết các vật liệu cách nhiệt lạnh ở áp suất khí quyển như các tấm xốp bằng polistyrol, polyurethane, lie … cách nhiệt cho vào vách phẳng và cho đường ống, các loại bông để nhét đầy vào các loại vật liệu dạng bột để điền đầy. Giới hạn nhiệt độ là khoảng -1900C vì khi đó không khí đã ngưng tụ thành lỏng. Ở nhiệt độ này cách nhiệt được coi là cách nhiệt chân không. Cách nhiệt nhiệt chân không hoàn hảo nhất có hệ số dẫn nhiệt chỉ bằng khoảng 1% giá trị áp suất khí quyển. Tuy vậy áp suất hiệu quả nằm trong phạm vi từ 0,1 đến 1Pa vì dưới áp suất này λ giảm hầu như không đáng kể.

2. Tính chất của vật liệu đối với độ ẩm và độ khuếch tán ẩm.

Các hiện tượng nhiễm ẩm của vật liệu xây dựng và cách nhiệt có thể cắt nghĩa qua:

- Độ ẩm cân bằng đẳng nhiệt của vật liệu;

- Độ hút ẩm bằng mao dẫn;

- Độ khuếch tán qua vật liệu.

Không phải tất cả các vật liệu đều có cả 3 tính chất đó. Có những vật liệu chỉ có 2 hoặc chỉ có 1 trong 3 tính chất trên. Ngày nay người ta đã chế tạo được các vật liệu cách nhiệt không có 3 tính chất trên hoặc các tính chất đó biểu hiện không đáng kể.

- Độ ẩm cân bằng của vật liệu

Hình 3. Độ ẩm cân bằng đẳng nhiệt

Ở một nhiệt độ và độ ẩm không khí nhất định, mỗi vật liệu có chứa một lượng ẩm xác định gọi là độ ẩm cân bằng đẳng nhiệt của vật liệu. Hình 3 giới thiệu độ ẩm cân bằng nhiệt của tấm giấy bói làm ví dụ. Ở độ ẩm không khí ϕ = 0% độ ẩm vật liệu là 0% và ϕ = 100%, độ ẩm vật liệu đạt 35%. Nối giữa 2 điểm này là 2 đường cong. Đường cong bên trái là đường cân bằng của vật liệu đang khô bị làm ẩm và ngược lại đường cong bên phải là đường cân bằng của vật liệu đang ẩm được làm khô.

- Độ hút ẩm mao dẫn

Độ hút ẩm mao dẫn là độ hút ẩm phụ thuộc vào cấu trúc mao mạch của vật liệu. Đối với vật liệu xây dựng độ hút ẩm mao dẫn càng lớn càng tốt vì khi đó độ chứa ẩm trong vật liệu là đồng đều và khả năng khuếch tán ẩm từ truong ruột vách vào không khí là thuận lợi.

Ngược lại, đối với vật liệu cách nhiệt thì độ hút mao càng thấp càng tốt. Trường hợp bao che cho cách nhiệt bị hỏng hoặc xảy ra hiện tượng đọng sương trên bề mặt cách nhiệt, nếu vật liệu có độ hút ẩm mao dẫn nhỏ thì vách cách nhiệt khó bị thấm ẩm lâu hơn, lâu bị “ướt sung” hơn. Có nhiều cách xác định độ thẩm thấu mao dẫn nhưng đơn giản nhất là xác định chiều cao thấm ẩm mao dẫn. Theo cách này, các vật liệu được cắt thành tấm hoặc thanh, nhúng thẳng đứng một đầu xuống dưới bề mặt thoáng của nước. Chiều cao của lớp vật liệu bị thấm ướt tính từ bề mặt thoáng của nước lên se là chiều cao thấm ẩm mao dẫn.

Đối với các vật liệu cách nhiệt, sự hút ẩm mao dẫn không đóng vai trò quan trọng, bởi vậy người ta có thể đánh giá các quá trình nhiễm ẩm vách cách nhiệt lạnh chỉ qua độ ẩm cân bằng đẳng nhiệt và độ khuếch tán ẩm. Tuy nhiên một vật liệu cách nhiệt lạnh chỉ được đánh giá là tốt nếu chiều cao thấm ẩm mao dẫn không được lớn hơn 5cm.

- Độ khuếch tán ẩm qua vật liệu cách nhiệt

Phần lớn các vật liệu cách nhiệt lạnh đều có tính để cho ẩm khuếch tán qua. Nếu áp suất riêng phần hơi nước ở hai phía vách cách nhiệt khác nhau, sẽ có một dòng hơi nước (ẩm) khuếch tán tứ phía có áp suất riêng phần cao sang phía có áp suất riêng phần thấp. Ẩm sẽ động lại trong vách cách nhiệt nếu lượng ẩm đi vào từ phía nóng tốt hơn lượng ẩm đi ra vào phòng lạnh. Trường hợp phía dàn lạnh hoàn toàn không thấm ẩm (cách nhiệt đường ống, bình chứa …) phải hết sức thận trọng trong việc cách ẩm phía ngoài.

Có nhiều phương pháp tính toán quá trình khuếch tán ẩm. Phương pháp của KRISCHER sử dụng hệ số trở ẩm của vật liệu. Hệ số trở ẩm là tỉ số trở ẩm của vật liệu trên trở ẩm của một lớp không khí có cùng chiều dày. Bởi vậy hệ số trở ẩm là một đại lượng không thứ nguyên và hệ số trở ẩm của không khí bằng 1. Hệ số trở ẩm của vật liệu không cố định mà thay đổi phụ thuộc vào độ ẩm, cấu trúc và khối lượng riêng của vật liệu. Ví dụ gỗ thông, khối lượng riêng khoảng 400kg/m3 , độ ẩm từ 4 đến 8% khối lượng, hệ số trở ẩm giảm từ 230 xuống 110. Gỗ sồi, khối lượng riêng 600 kg/m3, khí độ ẩm tăng từ 10% đến 50% khối lượng, hệ số trở ẩm giảm từ 70 xuống 1,9. Gạch đỏ, khối lượng riêng tăng từ 1400 đến 900 kg/m3, hệ số trở ẩm cũng tăng từ 5 đến 10. Các vật liệu bê tông, vữa, đá vôi nến khối lượng riêng tăng từ 1250 đến 2300 kg/m3 hệ số trở ẩm cũng tăng từ 5,5 đến 30.

3. Một số tính chất khác của vật liệu cách nhiệt

- Gây nấm mốc và các loại kí sinh trùng

Các vật liệu cách nhiệt cần được thử nghiệm về khả năng chống gây nấm mốc và các loại kí sinh trùng vì nấm mốc và kí sinh trùng không những làm giảm nhanh chóng tuổi thọ của vật liệu cách nhiệt mà còn tạo mùi lạ có thể làm hỏng hoặc ảnh hưởng rất xấu đến các sản phẩm bảo quản. Hầu như tất cả các loại cách nhiệt hữu cơ như bấc lie, tấm giấy, gỗ, mùn cưa, trấu, xơ dừa … đều có nguy cơ gây nấm mốc và kí sinh trùng cao. Riêng các vật liệu vô cơ như bông thủy tinh, bông khoáng, bông xỉ và các vật liệu hữu cơ nhân tạo như polystriro, polyurethane, polyclorinyl … không bị nấm mốc và kí sinh trùng phá hoại. Nước ta có khí hậu nóng ẩm, đó là điều kiện thuận lợi cho nấm mốc và kí sinh trung phát triển. Bởi vậy cần đặc biệt thận trọng khi sử dụng các vật liệu địa phương như trấu xơ dừa làm vật liệu cách nhiệt. Ngoài ra các vật liệu này cũng bị mối, mọt phá hoại nghiêm trọng.

- Tính dễ bắt lửa và dễ cháy của vật liệu cách nhiệt

Tính dễ bắt lửa và dễ cháy là một trong những tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá vật liệu cách nhiệt. Những vụ hỏa hoạn nhà lạnh đã gây nhiều thiệt hại thế nhưng người ta vẫn coi nhẹ tiêu chuẩn này. Các vật liệu lí tưởng là các vật liệu không cháy không bắt lửa như bông thủy tinh, thủy tinh bọt, bông khoáng, các loại bột đá và các vật liệu cách nhiệt vô cơ khác. Các vật liệu hữu cơ như bấc lie, trấu, gỗ, xơ dừa, mùn cưa, than bùn … trộng với chất kết dính là nhựa hoặc bitum đều là các chất dễ cháy. Những chất hữu cơ nhân tạo như polystrirol, polyurethane, polyclovinyl … càng có khả năng bắt lửa cao hơn. Các biện pháp chống cháy và chống bắt lửa hiệu quả nhất hiện nay là phủ bề mặt bằng các vật liệu chống cháy và chống bắt lửa hiệu quả nhất hiện nay là phủ bề mặt bằng các vật liệu chống cháy, ví dụ phủ bề mặt cách nhiệt bằng các lớp betong bọt dầy 2-3cm hoặc một lớp vữa vài ba cm.

- Tính tạo mùi lạ và bắt mùi lạ của vật liệu cách nhiệt

Đây cũng là tính chất quan trọng bởi vì phần lớn các kho lạnh dùng chứa thực phẩm. Vật liệu cách nhiệt không được tạo ra các mùi lạ hoặc bắt mùi là làm ảnh hưởng đến chất lượng bảo quản, bởi vì do tính chất khuếch tán vào phòng dù với một lượng rất nhỏ. Để tránh ngưng đọng ẩm ở phía trong vách phải có hệ số trở ẩm nhỏ do đó không được sử dụng các lớp cách ẩm phía trong buồng lạnh. Vì vậy khi sử dụng các chất kết dính có mùi như phenol, kresol, naphtalin phải tẩy hết mùi trước khi đưa vào kết cầu cách nhiệt. Nhất thiết không được sử dụng hắc ín làm chất kết dính. Trái lại các loại vữa vôi, xi măng hoặc vữa vôi có thể sử dụng nhưng phải lưu ý vữa vôi phải được làm khô và vôi phải liên kết hết các chất trong vữa trước khi đưa thực phẩm vào bảo quản.

- Tính ổn định thể tích vật liệu cách nhiệt

Các vật liệu cách nhiệt cần phải ổn định thể tích, không phụ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ. Khi độ ẩm thay đổi vật liệu không được trương phòng hoặc teo lại gây hư hỏng cho lowsp vữa trát ngoài hoặc gây kẽ hở cho các cầu nhiệt. Khi nhiệt độ giảm, vật liệu cũng không bị co ngót làm đứt mạch cách nhiệt.

- Tính dễ gia công vật liệu cách nhiệt

Tính dễ gia công là một tiêu chuẩn đánh giá vật liệu cách nhiệt. Tuy nhiên tính chất này không quan trọng. Thường thường các vật liệu có khối lượng riêng nhỏ thì dễ gia công nhưng khi đó độ bền cơ học của vật liệu lại thấp. Các vật liệu có độ bền cơ học không đảm bảo phải cố định trong các vỏ cứng như các tấm bọt nhựa nhân tạo iporka, hoặc bọt polyurethane. Bằng lớp vỏ cách ẩm là tôn mỏng, polyurethane đồng thời chống được cả sự khuếch tán ẩm vào vật liệu. Thủy tinh bọt tuy có độ trở ẩm rất lớn và độ bền cơ học cao nhưng bề mặt quá nhẵn gây trở ngại cho việc bám dính đinh vữa, giảm khả năng ứng dụng rộng rãi.

Nguồn: