Bài giảng Vật liệu nhiệt lạnh - Chương 6: Vật liệu cách nhiệt, cách ẩm - Hà Anh Tùng

Nội dung text: Bài giảng Vật liệu nhiệt lạnh - Chương 6: Vật liệu cách nhiệt, cách ẩm - Hà Anh Tùng

1. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM PHẦN 2: VẬT LIỆU KỸ THUẬT LẠNH Chương 6: VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT, CÁCH ẨM 6.1 Ý nghĩa việc cách nhiệt, cách ẩm 6.2 Một số VL cách nhiệt, cách ẩm thơng dụng 6.3 Tính tốn bề dày lớp cách nhiệt 6.4 Tính tốn kiểm tra đọng sương p.1
2. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 6.1 Ý nghĩa việc cách nhiệt, cách ẩm ¾ Tầm quan trọng càng tăng khi nhiệt độ làm lạnh càng thấp -Ví dụ: KHO TRỮ ĐƠNG -18oC - NHIỆT - ẨM 30oC Khi to làm lạnh càng thấp: -Tổn thất nhiệt càng lớn - Ẩm càng dễ thâm nhập vào phịng p.2
3. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ™ Giải thích: ¾ Quá trình TRUYỀN NHIỆT qua vách: T : nhiệt 1 ΔT T −T độ KK bên q = = 1 2 (W / m2 ) ngồi Rλ Rλ Để giảm tổn thất nhiệt T2: nhiệt Phải chọn VL cĩ nhiệt độ KK trở dẫn nhiệt Rλ lớn (hệ trong số dẫn nhiệt λ nhỏ) phịng lạnh ¾ Quá trình TRUYỀN ẨM qua vách: Do nhiệt độ KK bên ngồi T1 > nhiệt độ KK bên trong T2 Phân áp suất hơi nước trong KK bên ngồi > phân áp suất hơi nước trong KK bên trong phịng lạnh Hơi nước (ẩm) luơn cĩ xu hướng Vách phải cĩ lớp cách ẩm thâm nhập qua vách vào bên trong p.3
4. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ™ Một số kết cấu cách nhiệt, cách ẩm trong thực tế VÁCH và Cấu trúc và hình ảnh thực tế Panel lõi kim loại dạng tổ ong TRẦN Cấu trúc và hình ảnh thực tế Panel lõi bơng khống p.4
5. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM SÀN 1. Vữa tráng nền 2. Bê tơng cốt thép 3. Hắc ín 4. Giấy dầu cách ẩm 5. Lớp cách nhiệt 6. Giấy dầu cách ẩm 7. Bê tơng cốt thép 8. Lớp đất dầm p.5
6. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Cách nhiệt các ống dẫn, kết cấu tường ngăn p.6
7. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 6.2 Một số VL cách nhiệt, cách ẩm thơng dụng 6.2.1 Vật liệu cách nhiệt - Thường cĩ giá thành khá cao: VD: đối với các kho đơng lạnh từ -10oC đến–40oC Ỉ chi phí cách nhiệt chiếm đến 25% - 40% tổng giá thành Chi phí đầu tư ban đầu TĂNG + Nếu cách nhiệt dày Chi phí vận hành GIẢM Chi phí đầu tư ban đầu GIẢM + Nếu cách nhiệt mỏng Chi phí vận hành TĂNG Phải chọn ra BỀ DÀY CÁCH NHIỆT TỐI ƯU: bề dày cách nhiệt dẫn đến tổng chi phí cho 1 đơn vị lạnh nhỏ nhất. p.7
8. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Yêu cầu đối với VL cách nhiệt lạnh lý tưởng - Cĩ hệ số dẫn nhiệt λ nhỏ (Nhiệt trở Rλ lớn) - Độ thấm hơi nước nhỏ -Khối lượng riêng nhỏ -Cĩ độ bền cơ học đủ lớn, độ dẻo dai cao - Khơng ăn mịn các vật liệu xây dựng tiếp xúc với nĩ - Khơng cháy hoặc khơng dễ cháy - Khơng bắt mùi và khơng cĩ mùi lạ - Khơng phát triển kí sinh trùng, nấm mốc, vi trùng -Tuổi thọ bền lâu, khơng bị lão hĩa, thối, mục, vv -Rẻ tiền, dễ kiếm, dễ gia cơng, vận chuyển, lắp ráp, khơng cần chế độ bảo dưỡng đặc biệt, vv Tùy theo từng trường hợp cụ thể để chọn loại VL cách nhiệt phù hợp p.8
9. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Yêu cầu quan trọng nhất đối với VL cách nhiệt là: Hệ số dẫn nhiệt λ (W/m.độ) phải nhỏ Bảng giá trị hệ số dẫn nhiệt của một số vật liệu Loại vật liệu λ (W/m.độ) ở 20oC Kim loại 10 400 Các loại đá 2 6 VL cách VL xây dựng 0,17 3 nhiệt là các VL dạng Nước 0,6 xốp ngậm VL chất dẻo 0,15 0,5 các bọt VL cách nhiệt 0,025 0,15 khơng khí hoặc bọt Khơng khí (ở p = 1 bar) 0,025 khí nào đĩ p.9
10. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Hệ số dẫn nhiệt λ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: 1) Khối lượng riêng: Khối lượng riêng càng nhỏ Ỉ độ rỗng, xốp càng lớn Ỉ λ càng nhỏ 2) Cấu trúc của bọt xốp: Lỗ ngậm khí càng nhỏ, mịn Ỉ λ càng nhỏ do dịng nhiệt do đối lưu khơng khí trong các lỗ giảm 3) Nhiệt độ: Nhiệt độ giảm Ỉ λ giảm 4) Áp suấtvàchất khí ngậmtrongbọtxốp: Áp suất chất khí trong bọt xốp càng nhỏ Ỉ λ càng nhỏ 5) Độ ẩmvàđộ khuyếch tán hơinước vào bọtxốp: Khi VL bị nhiễm ẩm Ỉ λ tăng lên rõ rệt do nước cĩ hệ số dẫn nhiệt lớn p.10
11. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Một số VL cách nhiệt thơng dụng: A. Nhĩm các VL xây dựng cĩ thể dùng đồng thời để cách nhiệt: Vật liệu xây dựng λ (W/m.độ) - Các tấm/bản ximăng amiăng 0,09 0,35 - Các loại bêtơng 0,15 1,55 - Các tấm/miếng thạch cao 0,37 0,41 -Vật liệu đất và vật liệu nhét đầy 0,07 1,16 -Vật liệu gạch 0,52 0,87 -Vật liệu trát, vữa 0,23 0,93 -Vật liệu cuộn: giấy cáctơng, thảm bơng khống, vv 0,06 0,23 -Vật liệu gỗ 0,06 0,35 -Vật liệu thủy tinh 0,06 0,76 p.11
12. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM B. Nhĩm các VL cách nhiệt chuyên dùng : - Các VL cách nhiệt gốc vơ cơ: λ = 0,035 – 0,08 (W/m.độ) + Các loại bơng khống: bơng thủy tinh, bơng đá, bơng xỉ, vv + Các sợi Amiăng, thủy tinh bọt, vv - Các VL cách nhiệt gốc hữucơ nhân tạo : hiện nay được sử dụng rất nhiều Các tấm bọt xốp cách nhiệt như: Vật liệu cách nhiệt λ (W/m.độ) Bọt xốp polystyrol 0,03 0,04 Bọt xốp polyurethane 0,023 0,03 Bọt xốp PVC 0,03 0,04 Bọt xốp polyethylene 0,033 p.12
13. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Xu hướng hiện nay: Sử dụng các tấm panel cách nhiệt để tiện lắp ghép p.13
14. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 6.2.2 Vật liệu cách ẩm Do nhiệt độ KK bên ngồi T1 > nhiệt độ KK bên trong T2 Phân áp suất hơi nước trong KK bên ngồi > phân áp suất hơi nước trong KK bên trong phịng lạnh Hơi nước (ẩm) luơn cĩ xu hướng thâm nhập qua vách vào bên trong Ngưng đọng trong kết cấu cách nhiệt Ỉ làm giảm hệ số dẫn nhiệt, gây nấm mốc, hư hỏng kết cấu cách nhiệt ¾ Vật liệu cách ẩm sử dụng chủ yếuhiệnnay là BITUM (hắc ín, nhựa đường, vv ), ngồi ra cịn sử dụng GIẤY NHƠM, GIẤY DẦU ¾ Nguyên tắc bố trí lớp cách ẩm: -Lớp cách ẩm phải bố trí phía ngồi cùng về phía nhiệt độ nĩng - Khơng được bố trí bất kỳ lớp cách ẩm nào phía trong lớp cách nhiệt -Lớp vữa trát trong cùng phía lạnh phải cĩ độ xốp để dễ dàng cho ẩm nếu đọng trong vách cĩ thể dễ dàng thốt vào trong buồng lạnh. p.14
15. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 6.3 TÍNH TỐN CÁCH NHIỆT a) Tính tốn cách nhiệt cho VÁCH PHẲNG Xét vách phẳng 1 lớp, dày δ, HSDN λ Mơi chất nĩng cĩ tf1, α1 ; Mơi chất lạnh cĩ tf2, α2 Q Cần tìm: - Phân bố nhiệt độ trong vách ? - Q truyền qua vách ? Bài tốn kết hợp vừa đối lưu và dẫn nhiệt 2 Q = k(t f 1 − t f 2 )F (W) hay q = k(t f 1 − t f 2 ) (W/m ) p.15
16. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Tính hệ số truyềnnhiệt k Áp dụng định luật Ohm cho bài tốn truyền nhiệt: ΔU Δt I = q = với: Rtđ = Rα1 + Rλ + Rα 2 Rtđ Rtđ 1 δ 1 = + + (m2.độ/W) Hệ số truyền nhiệt α1 λ α2 1 2 k = (W/m .độ) Q = k(t f 1 − t f 2 )F (W) 1/α1 +δ / λ +1/α 2 t f 1 − tw1 t − t t − t ¾ Tính nhiệt độ bề mặt vách Do: q = = w1 w2 = w2 α 2 Rα1 Rλ Rα 2 q ⎛ 1 δ ⎞ 1 tw1 = t f 1 − và t = t − q⎜ + ⎟ = t + q α w2 f 1 ⎜ ⎟ f 2 1 ⎝α1 λ ⎠ α2 p.16
17. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp tf1 α1 Q tf2 α2 t − t t − t f 1 f 2 f 1 f 2 2 q = n = n (W/m ) 1 δi 1 Rα1 + ∑ Rλi + Rα 2 + ∑ + i=1 α1 i=1 λi α 2 p.17
18. 2 Ví dụ : Vách phẳng buồng lạnh F = 120 m ; gồm 3 lớp δ1 = δ3 = 5 mm; λ1 o o = λ3 = 0,5 W/mK, λ2 = 0,04 W/mK; t1 = - 18 C; t 4 = 28 C; Q ≤ 8640 kJ/h Tính δ2 , t2 , t3 Q 8640 ⋅103 Giải: MĐDN: q = = = 20 W / m 2 F 120 ⋅3600 t − t 28 − (−18) Tổng nhiệt trở R = 4 1 = = 2,3 m 2K / W q 20 0,005 R = R – (R + R ) = 2,3 − 2 ⋅ = 2,28 m 2K / W Nhiệt trở lớp thứ 2: 2 1 3 0,5 Bề dày nhỏ nhất của lớp cách nhiệt: δ2 = R2λ2 = 2,28 x 0,04 = 0,0912 m = 91,2 mm Nhiệt độ các bề mặt tiếp xúc: δ1 0,005 o t 2 = t1 + q = −18 + 20 = −18 + 0,2 = −17,8 C λ1 0,5 δ3 o t 3 = t 4 − q = 28 − 0,2 = 27,8 C λ3 Ghi chú: có thể giải bày này theo trình tự: Ž Tính q, t2 và t3 λ2 δ 2 = (t3 − t2 ) Ž Sau đó tính δ2 theo CT: q
19. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM b) Tính tốn cách nhiệt cho VÁCH TRỤ Xét vách trụ cĩ chiều dài L, đường kính d1/d2. Mơi chất nĩng trong ống cĩ tf1, HSTN α1 Mơi chất lạnh bên ngồi cĩ tf2, HSTN α2 Q -Xác định Q truyền qua vách ? - Phân bố nhiệt độ trong vách ? Nhiệt lượng truyền cho 1m chiều dài ống là: Δt t f 1 − t f 2 t f 1 − t f 2 qL = = = (W/m) Rtđ Rα1 + Rλ + Rα 2 1 1 ⎛ d2 ⎞ 1 + ln⎜ ⎟ + α1πd1 2πλ ⎝ d1 ⎠ α2πd2
20. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Tính nhiệt độ tw1 : Xét dịng nhiệt đi qua lớp nhiệt trở thứ nhất Rα1 t f 1 − tw1 t f 1 − tw1 q = = (W/m) L 1 tw1 Rα1 α1πd1 ¾ Tính nhiệt độ tw2 : Xét dịng nhiệt đi qua lớp nhiệt trở thứ 3 Rα2 t − t t − t q = w2 f 2 = w2 f 2 (W/m) t L 1 w2 Rα 2 α2πd2 Đối với bài tốn VÁCH NHIỀU LỚP Δt t − t t − t q = = f 1 f 2 = f 1 f 2 (W/m) L R n 1 n 1 ⎛ d ⎞ 1 tđ R + R + R i+1 α1 ∑ λi α 2 + ∑ ln⎜ ⎟ + i=1 α1πd1 i=1 2πλi ⎝ di ⎠ α2πd2
21. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 6.4 Tính tốn kiểm tra đọng sương ¾ Nhiệt độ đọng sương của khơng khí T p = const 0 = x TA A T đs x B = 1 s làm lạnh KK ẩm ở trạng thái KK ẩm ở trạng Xảy ra hiện chưa bão hịa A thái bão hịa B tượng đọng (d = const) sương p.21
22. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Tìm nhiệt độ đọng sương bằng Đồ thị t-d củaKK ẩm ) ) a a /kg I kJ = I ( i co % n 0 d (g/kg anp st 6 nt = i E ϕ ơ ah B d = const ứ % 100 ch ϕ = A Độ t = 25oC tđs k Nhiệt độ t (oC) p.22
23. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Tính tốn kiểm tra đọng sương Xét vách phẳng 1 lớp, dày δ, HSDN λ Mơi chất nĩng cĩ tf1, α1 ; Mơi chất lạnh cĩ tf2, α2 Q Tính được q (W/m2) Tính được tw1 Trong trường hợp mơi chất nĩng là KHƠNG KHÍ đã biết 2 thơng số trạng thái (Vd nhiệt độ tf1 và độ ẩm tương đối ϕ1, vv ) o Dùng đồ thị để tìm nhiệt độ đọng sương tđs ( C) Nếu tw1 > tđs : vách khơ ráo, khơng bị đọng sương p.23