Bài giảng Vật liệu nhiệt lạnh - Chương 3: Vật liệu cách nhiệt - Hà Anh Tùng

Nội dung text: Bài giảng Vật liệu nhiệt lạnh - Chương 3: Vật liệu cách nhiệt - Hà Anh Tùng

1. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Chương 3: VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT 3.1 Vật liệu chịu lửa – cách nhiệt 3.2 Vật liệu cách nhiệt vơ cơ 3.3 Vật liệu cách nhiệt hữu cơ 3.4 TÍNH TỐN CÁCH NHIỆT p.1
2. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Giới thiệu ¾ Cách nhiệt để làm giảm TỔN THẤT nhiệt ra môi trường xung quanh tiết kiệm NL, đảm bảo điều kiện công nghệ, ATLĐ. ¾ Vật liệu cách nhiệt: λ < 0,25 W/m.độ p.2
3. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Bọc cách nhiệt Ỉ giảm tổn thất nhiệt p.3
4. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Bọc cách nhiệt cho mái nhà p.4
5. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 3.1 Vật liệu chịu lửa – cách nhiệt ¾ Là những loại vật liệu chịu lửa (Samốt, Dinat, vv ) được tăng cường độ xốp (nhiều lỗ rỗng bên trong hơn) Mục đích: tăng khả năng cách nhiệt (giảm hệ số dẫn nhiệt λ) Tính chất: vì độ xốp tăng Ỉ λ giảm , khối lượng riêng giảm ¾ Phân loại: PP dùng phụ gia cháy - Theo pp sản xuất: PP tạo thành nhiều bọt khí nhỏ Loại cách nhiệt trung bình: 900-1200oC -Theo to làm việc: Loại cách nhiệt cao: > 1200oC p.5
6. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Phương pháp sản xuất VL chịu lửa – cách nhiệt a) PP dùng phụ gia cháy: Quá trình sản xuất giống như sx VLCL, chỉ khác ở chỗ cĩ cho thêm vào PHỤ GIA CHÁY (than gỗ, mùn cưa, vv ) Khi nung chất phụ gia cháy sẽ bị cháy Ỉ tạo thành các lỗ xốp bên trong vật liệu Đặc tính Samơt nhẹ Cao lanh nhẹ Dinat nhẹ to sử dụng (oC) 1150-1400 1400 1550 Khối lượng riêng 0,9 - 1 1,3 1,2 (g/cm3) Cường độ nén 3 3,5 3,5 (N/mm2) Hệ số dẫn nhiệt 0,52 - 0,7 0,7 – 0,92 0,63 – 0,79 λ (W/m.độ) p.6
7. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM b) PP tạo bọt khí: ¾ Dùng các chất tạo bọt (như xà phịng) hoặc dùng phản ứng hĩa học tỏa khí để tạo bọt Độ xốp thường lớn hơn pp dùng phụ gia cháy -Khối lượng riêng giảm: 0,3 – 0,8 g/cm3 - Độ dẫn nhiệt giảm: λ = 0,2 – 0,4 W/m.độ ¾ Ứng dụng của VL chịu lửa – cách nhiệt - Để tăng cường cách nhiệt, sử dụng khi nhiệt độ làm việc và tải trọng làm việc khơng lớn lắm. p.7
8. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 3.2 Vật liệu cách nhiệt VƠ CƠ a) Amiăng: - Là các khống cĩ khả năng tách ra thành các sợi mềm, mỏng, đàn hồi - Thành phần hĩa học: chứaSiO2, MgO, Fe2O3, H2O, vv -Hệ số dẫn nhiệt: λ = 0,084 + 0,00016* t (W/m.độ) -Nhiệt độ giới hạn sử dụng: 200oC – 600oC -Sản phẩm từ amiăng: Các tơng Giấy Vải Dây Amiăng Amiăng Amiăng Amiăng p.8
9. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM b) Bơng thủy tinh: ¾ Là VL cách nhiệt bao gồm các sợi thủy tinh sắp xếp vơ trật tự ¾ Nguyên liệu để sx bơng thủy tinh cũng như nguyên liệu sx thủy tinh (cát thạch anh, đá vơi, xơđa, đơlơmit, sunphát, vv ) ¾ Hệ số dẫn nhiệt: λ = 0,0394 + 0,000348 * t (W/m.độ) ¾ Nhiệt độ giới hạn sử dụng: 450oC – 1100oC ¾ Ứng dụng: cách nhiệt các ống dẫn, kết cấu tường ngăn p.9
10. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM VD: bọc cách nhiệt đường ống p.10
11. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 3.3 Vật liệu cách nhiệt HỮU CƠ a) Tấm cĩi: ¾ Đan và ép thân cây cĩi thành các tấm cĩi: ¾ Khối lượng riêng: 175 – 250 kg/m3 ¾ Hệ số dẫnnhiệt: λ = 0,046 – 0,092 W/m.độ ¾ Đặc điểm: - Dễ bị mục nát khi ẩm ướt -Dễ cháy, dễ hư hỏng NHIỆT ĐỘ LÀM b) Tấm cách nhiệt từ dăm bào, sợi gỗ, vỏ bào: VIỆC ¾ Khối lượng riêng: 150 – 1100 kg/m3 THẤP ¾ Hệ số dẫnnhiệt: λ = 0,046 – 0,092 W/m.độ c) Tấm cách nhiệt từ than bùn: ¾ Khối lượng riêng: 150 – 250 kg/m3 ¾ Hệ số dẫnnhiệt: λ = 0,058 – 0,069 W/m.độ p.11
12. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 3.4 TÍNH TỐN CÁCH NHIỆT a) Tính tốn cách nhiệt cho VÁCH PHẲNG Xét 1 vách phẳng: - Đồng chất và đẳng hướng -Dày δ, chiều rộng rất lớn so với chiều dày -Cĩhệ số dẫn nhiệt λ -Nhiệt độ 2 bề mặt t1 và t2 khơng đổi Cần tìm: - Phân bố nhiệt độ trong vách ? - Q truyền qua vách ? p.12
13. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Đây là bài tốn dẫn nhiệt ổn định 1 chiều: t −t Δt Q = λ 1 2 F (W) q = (W/m2) δ δ / λ Dịng nhiệt Mật độ dịng nhiệt δ U ( Rλ = được gọi là nhiệt trở dẫn ĐL Ohm I = λ nhiệt của vách phẳng) R ¾ Khi λ biến thiên theo nhiệt độ: λ = λo(1 + bt) λ tb t + t q = t − t 2 ⎛ 1 2 ⎞ ()1 2 (W/m ) với: λtb = λo ⎜1+ b ⎟ δ ⎝ 2 ⎠ (HSDN trung bình khoảng nhiệt độ từ t1 đến t2.) p.13
14. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Dẫn nhiệt qua vách phẳng 3 lớp t − t q = 1 4 Rλ1 + Rλ 2 + Rλ3 t −t q = 1 4 δ δ δ 1 + 2 + 3 λ1 λ2 λ3 p.14
15. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM o  VD 3.1: Vách lò 3 lớp: gạch chịu lửa dày δ1 = 230 mm, λ1 = 1,10 W/m. C; o amiăng δ2 = 50 mm, λ2 = 0,10 W/m C; gạch xây dựng δ3 = 240 mm, λ3 = 0,58 o o o W/m C. Nhiệt độ bề mặt trong cùng t1 = 500 C và ngoài cùng t4 = 50 C. Xác định q dẫn qua vách, nhiệt độ lớp tiếp xúc t3. Giải ™ Nhiệt trở dẫn nhiệt qua các lớp: δ δ1 0,23 2 o 2 0,05 2 o R = = = 0,21 m ⋅ C W R 2 = = = 0,50 m ⋅ C W 1 1,10 λ λ1 2 0,10 δ3 0,24 2 o R 3 = = = 0,41 m ⋅ C W λ 3 0,58 Q Δt 500 − 50 q = = = = 401,78 W m 2 MĐDN: F 3 0,21 + 0,50 + 0,41 ∑ R i i=1 ™ Nhiệt độ lớp tiếp xúc: o t 3 = t1 − q(R 1 + R 2 ) = 500 − 401,78()0,21+ 0,5 = 214,7 C p.15
16. VD 3.2: Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Vách lò 2 lớp: gạch chịu lửa δ1 = 200 mm, λ1 = 1,8 W/mK; gạch cách o 2 nhiệt λ2 = 0,054(1 + 0,0024.t) W/mK. Nhiệt độ t1 = 800 C, q ≤ 1100 W/m , o nhiệt độ bề mặt ngoài cùng t3 = 50 C. Bề dày lớp cách nhiệt? Giải ™ Nhiệt độ mặt tiếp xúc δ1 0,2 o t w 2 = t w1 − q = 800 −1100 = 677,8 C λ1 1,8 ™ Hệ số dẫn nhiệt trung bình của lớp gạch cách nhiệt ⎛ t w 2 + t w 3 ⎞ ⎛ 677 ,8 + 50 ⎞ λ 2 tb = λ 2,0 ⎜1 + b ⎟ = 0,054⎜1 + 0,0024 ⎟ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ = 0,101 W/mK ™ Bề dày tối thiểu lớp cách nhiệt λ 0,101 δ = 2tb ()t − t = ()6,778 − 50 = 0,0576 m 2 q w 2 w3 1100 p.16
17. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM b) Tính tốn cách nhiệt cho VÁCH TRỤ Biết: r1, r2, λ, t1 và t2 -Xác định Q truyền qua vách ? - Phân bố nhiệt độ trong vách ? Nhiệt lượng dẫn qua 1m dài ống ql Q t − t 1 2 Δt 1 d ql = = 2 (W/m) hay ql = R1 = ln L 1 ⎛ d2 ⎞ R 2πλ d ln⎜ ⎟ l 1 2πλ ⎝ d1 ⎠ U là nhiệt trở dẫn ĐL Ohm I = nhiệt của 1m p.15 R vách trụ
18. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM VD: Tính dẫn nhiệt qua vách trụ nhiều lớp Sơ đồ 3 nhiệt trở mắc nối tiếp ql t1 t2 t3 t4 1 d2 1 d3 1 d4 R1(1) = ln R1(2) = ln R1(1) = ln 2πλ1 d1 2πλ2 d2 2πλ3 d3 Nhiệt lượng dẫn qua 1m dài ống là: t1 − t4 t1 − t4 ql = = (W/m) R + R + R 1 d 1 d 1 d l (1) l (2) l (3) ln 2 + ln 3 + ln 4 2πλ1 d1 2πλ2 d 2 2πλ3 d3 q d ⎛ 1 d 1 d ⎞ t = t − l ln 2 t = t − q ⎜ ln 2 + ln 3 ⎟ 2 1 2 d 3 1 l ⎜ ⎟ πλ1 1 ⎝ 2πλ1 d1 2πλ2 d2 ⎠ p.18
19. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Ví dụ 3.3: Một ống dẫn hơi bằng thép đường kính 150/159 mm, λ1 = 52 o o W/m. C, được bọc 3 lớp cách nhiệt: δ2 = 5 mm, λ2 = 0,11 W/m. C; δ3 = 80 o o o mm, λ 3 = 0,1 W/m. C và δ4 = 5 mm, λ4 = 0,14 W/m. C. Biết t1 = 170 Cvàt5 = 30 oC. Tính tổn thất nhiệt trên 1 m chiều dài của ống. Giải d = 0,159 m d = 0,169 m d1 = 0,150 m 2 3 d 4 = 0,329 m d 5 = 0,339 m ™ Nhiệt trở dẫn nhiệt lớp thứ 1(vách thép): 1 d2 1 0,159 −4 o Rl1 = ln = ln = 1,78×10 (m⋅ C W ) 2πλ1 d1 2π × 52 0,150 ™ Lớp thứ 2 (lớp cách nhiệt 1): 1 d3 1 0,169 −2 o Rl 2 = ln = ln = 8,83 ×10 (m⋅ C W ) 2πλ2 d2 2π × 0,11 0,159 p.19
20. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ™ Lớp thứ 3 (lớp cách nhiệt 2): 1 d 4 1 0,329 o Rl 3 = ln = ln = 1,06 ( m⋅ C W ) 2πλ3 d 3 2π × 0,10 0,169 ™ Lớp thứ 4 (lớp cách nhiệt 3): 1 d 5 1 0,339 −2 o Rl 4 = ln = ln = 3,40 ×10 m⋅ C W 2πλ 4 d 4 2π × 0,14 0,329 ™ Nhiệt lượng truyền ứng với 1 m chiều dài ống (MĐDN): t1 − tn+1 170 − 30 q = = l ∑ R 1,78 ×10 −4 + 8,83 ×10 −2 + 1,06 + 3,40 ×10 −2 1 = 118,40 W m ⇒ Nhiệt trở vách kim loại rất nhỏ so với nhiệt trở các lớp bảo ôn nên có thể bỏ qua. p.20