vật liệu cách nhiệt chịu lửa, vật liệu cách nhiệt lạnh, cách ẩm

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT - CHỊU LỬA, VẬT LIỆU CÁCH
NHIỆT LẠNH, CÁCH ẨM
2.1. Vật liệu cách nhiệt nóng
2.1.1. Cơ sở truyền nhiệt
2.1.1.1. Truyền nhiệt
Nhiệt luôn truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp.
Lượng nhiệt truyền đi phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng luôn có một lượng nhiệt nào đó
được truyền đi khi có chênh lệch nhiệt độ.
Phân bố nhiệt độ phụ thuộc vào nhiều điều kiện nhiệt độ bề mặt nóng và lạnh, hệ số dẫn
nhiệt của môi trường, nhiệt dung và chiều dày vật liệu…

Hình 2.1 Cơ sở truyền nhiệt
2.1.1.2 Điều kiện ổn định
Khi hệ thống ở trạng thái ổn định
Nhiệt vào hệ + nhiệt sinh ra bên trong hệ = nhiệt ra khỏi

1

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


Hình 2.2 Điều kiện ổn định của nhiệt độ
Hình 2.3 Điều kiện quá độ

2.1.1.3 Điều kiện quá độ
Ở điều kiện quá độ hệ nhận thêm hoặc nhả bớt nhiệt

2.1.1.4 Các quá trình truyền nhiệt
Quá trình truyền nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp xảy ra theo ba
con đường
-

Dẫn nhiệt: xảy ra trong chất rắn, chất lỏng, chất khí là sự truyền nhiệt gây ra do sự lan

-

truyền động năng giữa các nguyên tử và phân tử.
Đối lưu: xảy ra trong chất khí và chất lỏng là quá trình truyền nhiệt đi kèm với sự truyền

khối gây ra do sự chênh lệch mật độ giữa vùng nóng và vùng lạnh.
- Bức xạ: là sự lan truyền năng lượng điện từ từ nguồn phát ra môi trường xung quanh.
 Hệ số truyền nhiệt: là thông số đặc trưng cho khả năng truyền nhiệt của vật liệu.
2.1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO RỖNG, BỌT XỐP VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU
CÁCH NHIỆT
2.1.2.1 Phân loại các phương pháp tạo rỗng cho vật liệu cách nhiệt
Nhiệm vụ chủ yếu trong sản xuất vật liệu cách nhiệt là tạo ra cấu trúc rỗng lớn với các
lỗ rỗng có đặc trưng mong muốn.
2.1.2.1.1 Phương pháp phồng nở
2

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


Thực chất của phương pháp này là chất khí thải ra trong khối vật liệu ở trạng thái nhớt
dẻo có tác dụng làm rỗng xốp. Pha khí thường là hydro, oxy, khí cacbonic, freon,
isopentan… hoặc hơi nước, không khí.
Trong quá trình phồng nở cấu trúc rỗng tổ ong được hình thành
Phương pháp phồng nở bao gồm các phương pháp tạo cấu trúc rỗng như: tạo khí ở điều
kiện nhiệt độ thấp, tạo khí ở điều kiện nhiệt độ cao, tạo bọt và cuốn khí.

2.1.2.1.2 Phương pháp tách chất tạo rỗng

Theo phương pháp này độ rỗng được tạo ra bởi không gian do chất tạo rỗng chiếm chỗ để
lại sau khi chúng bị tách ra khỏi khối vật liệu này không đi kèm sự phồng nở.
Chất tạo rỗng thường bị bay hơi hoặc cháy ở điều kiện nhiệt độ trung bình hoặc nhiệt độ
cao. Chất tạo rỗng có thể là nước, chất lỏng dễ bay hơi hay phụ gia cháy.
2.1.2.1.3 Phương pháp sắp xếp không chặt chẽ
Đây là phương pháp tạo rỗng phổ biến đối với vật liệu có cấu trúc sợi, hoặc hạt. Trong
vật liệu cấu trúc sợi, độ rỗng được tạo ra bởi không gian giữa các sợi sắp xếp không theo
một trật tự nhất định, các sợi chồng chéo đan bện nhau.
Sự sắp xếp không chặt chẽ của thành phần dạng sợi hoặc hạt được tạo ra trong quá trình
phớt hóa hay phân tán cơ học bằng cách nghiền, sàng phân loại các hạt vật liệu theo từng
cặp.
2.1.2.1.4 Phương pháp kết khối tiếp xúc
Cấu trúc rỗng của vật liệu được tạo ra theo phương pháp kết khối các hạt hoặc sợi rời rạc
tại các điểm tiếp xúc bằng lớp chất kết dính mỏng, đóng vai trò như một khung cứng,
được tạo ra khi đưa vào hỗn hợp vật liệu một lượng chất kết dính có độ nhớt thấp, phân
bố đồng đều thành lớp mỏng trên bề mặt các hạt hoăc sợi tiếp xúc với nhau.
Chất kết dính thường dùng là pôlime, hồ ximăng, hồ đất xét, thủy tinh lỏng, tinh bột,…
2.1.2.1.5 Phương pháp kết khối thể tích
Ở phương pháp này các hạt hay sợi vật liệu được liên kết thành khối bởi chất kết dính có
hàm lượng đủ lớn để chiếm toàn bộ không gian bao quanh hạt, sợi vật liệu và tại các
điểm tiếp xúc.
3

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


Phương pháp kết khối đặc được ứng dụng trong sản xuất vật liệu cách nhiệt từ các hạt
có độ rỗng xốp lớn như peclit, vemiculit hoặc vật liệu dạng sợi như amiăng tơi xốp.
2.1.2.1.6 Phương pháp tạo cấu trúc hỗn hợp
Có thể cùng lúc sử dụng hai hoặc nhiều phương pháp tạo rỗng khác nhau để chế tạo vật

liệu cách nhiệt. Mục đích của việc kết hợp các phương pháp tạo rỗng khác nhau trong
cùng một loại vật liệu nhằm tăng độ rỗng toàn phần của chúng.
2.1.2.2 Cơ sở hóa lí của việc tạo cấu trúc rỗng lớn cho vật liệu cách nhiệt
2.1.2.2.1 Phương pháp phồng nở
Phương pháp này bao gồm một số dạng như: phương pháp tạo khí, phương pháp tạo bọt
và cuốn khí, phương pháp cuốn khí và phương pháp khoáng hóa khô bọt kĩ thuật.
− Phương pháp tạo khí

Thực chất của phương pháp này là chất khí sinh ra trong khối tích của vật liệu ở trạng
thái nhớt - dẻo, cả ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao, có tác dụng phồng nở tạo ra cấu
trúc rỗng.
Quá trình tạo khí của chất tạo khí có thể xảy ra ở điều kiện nhiệt độ thường, nhỏ hơn
100oC; điều kiện nhiệt độ trung bình, từ 200 – 400 oC và điều kiện nhiệt độ cao, lớn hơn
800oC.
− Phương pháp tạo bọt và cuốn khí

Theo phương pháp này hỗn hợp được tạo rỗng bằng cách trộn lẫn với bọt kĩ thuật đã
được chuẩn bị trước hoặc sử dụng phụ gia cuốn khí. Phụ gia cuốn khí là chất hoạt động
bề mặt có tác dụng làm cho các bọt khí tồn tại được trong lòng hỗn hợp dưới dạng các bọt
nhỏ liti mà không bị vỡ và đẩy ra ngoài.
Trong sản xuất vật liệu cách nhiệt, phương pháp này tạo bọt phổ biến được tiến hành theo
ba giai đoạn gồm: chế tạo bọt kĩ thuật có độ ổn định cao từ dung dịch chất hoạt động bề
mặt; chuẩn bị hỗn hợp vữa chảy lỏng từ vật liệu khoáng hay vật liệu pôlime là thành phần
chủ yếu tạo khung cứng cho vật liệu cách nhiệt; nhào trộn bọt kĩ thuật với vữa tạo ra hỗn
hợp xốp có độ rỗng xác định,sau đó được sử dụng để tạo hình sản phẩm.
− Phương pháp cuốn khí

Theo phương pháp này một lượng không khí được cuốn vào trong quá trình chuẩn bị hỗn
hợp tạo thành, trong đó có chứa chất hoạt động bề mặt.
4

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


Đây là phương pháp đơn giản chỉ gồm một công đoạn tạo rỗng nhưng cho phép điều
chỉnh độ rỗng với độ chính xác cao, tạo ra cấu trúc rỗng ít khuyết tật với cấu trúc vách lỗ
rỗng đặc chắc.
− Phương pháp khoáng hóa khô bọt kĩ thuật

Phương pháp khoáng hóa khô bọt kĩ thuật bao gồm các bước: chuẩn bị bọt kĩ thuật có độ
ổn định tốt, chuẩn bị hỗn hợp phối liệu khô, nhào trộn bọt với bột khoáng, tức là tạo cho
các bọt khí là công đoạn hết sức quan trọng vì lúc này có thể xảy ra sự phá hủy bọt.
Phương pháp khoáng hóa khô bọt kĩ thuật ứng dụng có hiệu quả trong sản xuất thủy tinh
bọt, bê tông tổ ong và chất dẻo chứa khí từ polime dạng bọt.
2.1.2.2.2 Phương pháp tách chất tạo rỗng
Phương pháp tách chất tạo rỗng là một trong những phương pháp được ứng dụng sớm
nhất trong sản xuất vật liệu cách nhiệt
− Phương pháp tăng lượng nước nhào trộn

Phương pháp này thực hiện được là nhờ khả năng giữ nước của thành phần cấu thành vật
liệu.
Việc lựa chọn thành phần phối liệu sử dụng cho phương pháp này rất quan trọng. Phối
liệu phải có khả năng giữ được khối lượng nước lớn mà không gây tách nước và làm
phân tầng hỗn hợp do trầm lắng.
Phương pháp tăng lượng nước nhào trộn thường được sử dụng cho các sản phẩm chế tạo
từ amiăng đã làm tơi xốp, đất sét bentônit hạt mịn và vôi.
Phương pháp này được dùng rộng rãi trong sản xuất vật liệu cách nhiệt và cách âm từ vật
liệu dạng sợi như: tấm sợi gỗ cách nhiệt, tấm bông khoáng trang trí cách âm…
− Phương pháp phụ gia cháy tạo rỗng

Phương pháp này thường được sử dụng để chế tạo vật liệu cách nhiệt sử dụng ở nhiệt độ
cao hay vật liệu chịu lửa.
Phụ gia cháy thỏa mãn một số yêu cầu như: khi cháy lượng chất khí thải ra không quá lớn
gây phồng nở, đặc trưng lưu biến của phối liệu cho phép giữ nguyên hình dạng ban đầu
của sản phẩm, không làm đặc chắc sản phẩm sau khi tách chất tạo rỗng.
− Phương pháp bay hơi một trong các thành phần phối liệu

5

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


Theo phương pháp này, các chất dễ bay hơi dạng hạt được đưa vào hỗn hợp tạo hình,
trong quá trình sản phẩm rắn chắc hay sau khi sản phẩm đã rắn chắc, chất tạo rỗng bay
hơi tạo rỗng xốp cho sản phẩm.
2.1.2.2.3 Phương pháp sắp xếp không chặt chẽ
Vật liệu chính để tạo ra lớp cách nhiệt dạng này thường là vật liệu có sẵn trong thiên
nhiên như len, thân thảo mộc khô, mạt cưa, nham thạch xốp…
Khi áp dụng phương pháp sắp xếp không chặt chẽ để chế tạo cấu kiện cách nhiệt, độ ổn
định của lớp cách nhiệt có được là nhờ liên kết cơ học cụ thể là sự phớt hóa các sợi kích
thước ngắn và trung bình, sự đan bện của các bó sợi dài hoặc sự lèn chặt cơ học của các
hạt, do vậy độ rỗng của cấu kiện cách nhiệt sẽ giảm so với lớp cách nhiệt đổ đống.
2.1.2.2.4 Phương pháp kết khối tiếp xúc
Phương pháp này phổ biến trong chế tạo vật liệu cách nhiệt cấu trúc rỗng lớn từ các hạt
đường kính lớn, sợi dài.
Phương pháp kết khối tiếp xúc dựa trên nguyên lý liên kết hai bề mặt tiếp xúc bằng một
lớp keo mỏng. Số lượng các mối liên kết được xác định bởi hai yếu tố: tính bám dính
giữa chất kết dính với vật liệu và độ bền của chính chất kết dính.
2.1.2.2.5 Phương pháp kết khối thể tích đặc
Thực chất của phương pháp này là sử dụng một lượng chất kết dính đủ lớn để lắp đầy độ

hổng giữa các phần tử tạo khung.
Phương pháp này được ứng dụng nhiều trong công nghệ chế tạo vật liệu cách nhiệt từ
peclit phồng nở, các hạt chất dẻo chứa khí, vật liệu cách nhiệt chứa điatômit.
2.1.2.2.6 Phương pháp tạo cấu trúc rỗng hỗn hợp
Trong công nghệ vật liệu cách nhiệt, phương pháp tạo cấu trúc rỗng hỗn hợp được sử
dụng khá phổ biến nhằm tăng độ rỗng toàn phần, phương pháp này được xây dựng dựa
trên các nguyên lý tạo rỗng đã nêu.
Việc kết hợp các phương pháp tạo rỗng trong cùng một công đoạn giúp rút ngắn quy trình
công nghệ, cho phép cải thiện tính chất của cấu trúc rỗng.
2.1.2.3 Vật liệu cách nhiệt và phương pháp sản xuất

6

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


Để giảm tổn thất nhiệt qua tường lò ra môi trường xung quanh và nhiệt tổn thất do
tích lũy bởi lớp gạch xây (24 – 45% lượng nhiệt cung cấp), để tiết kiệm nhiên liệu, nâng
cao năng suất, hạ giá thành sản phẩm, người ta dùng vật liệu chịu lửa cách nhiệt.
Có hai phương pháp sản xuất gach chịu lửa cách nhiệt:
− Phương pháp dùng phụ gia cháy
− Phương pháp tạo thành nhiều bọt khí nhỏ

2.1.2.3.1 Phương pháp dùng phụ gia cháy
− Gạch samôt nhẹ:

Gạch samôt nhẹ có khối lượng riêng 0,9 – 1 g/cm3
Phụ gia cháy thường dùng mùn cưa của các loại gỗ rắn để đảm bảo tính chất đóng khuôn
tốt hơn. Phụ gia cháy nên dùng kích thước nhỏ để sản phẩm có lỗ xốp nhỏ đồng đều.
Nếu lượng phụ gia cháy tăng thì độ xốp và độ ẩm của phối liệu tăng nhưng cường độ sản

phẩm lại hạ thấp.
− Samôt và đất sét kết dính:

Có thể dùng samôt đặc hoặc samôt xốp đặc biệt. Lượng samôt trong phối liệu 15 – 25%
theo khối lượng. Đất sét kết dính nghiền nhỏ với tỉ lệ 16 – 22% theo thể tích.
Phối liệu sau khi trộn đem ủ khoảng 5 -8 ngày để phối liệu có tính chất đóng khuôn tốt
hơn.Chế độ sấy sản phẩm phải chậm vì sản phẩm này khó bốc hơi nước hơn samôt
thường. Nung sản phẩm trong lò vòng hay Tuynen.
Đặc tính sản phẩm độ bền nhiệt 14 – 17% lần đối với không khí.
Độ xốp thể tích 50 – 60%.
− Gạch cao lanh nhẹ:

Gạch này được sản xuất theo phương pháp ép bán khô. Phụ gia cháy thường dùng cốc
hay antraxit.Trong phối liệu lượng samôt xốp 30 – 35% cao lanh nghiền. Đặc tính gạch:
Độ xốp thể tích: 50 – 53%, cường độ nén 3 – 5,5 N/mm 2. Độ chịu lửa 1740 – 1750 oC,
nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới tải trọng 0,1 N/mm 2: 1330 – 134 0 oC, độ dẫn nhiệt 0,7 –
0,92 W/mK. Độ bền nhiệt lớn.
− Gạch đinat nhẹ:

7

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


Sản xuất theo phương pháp bán khô. Thành phần phối liệu gồm 60 – 70% khối lượng
quắczit tinh thể, 30 – 35% khối lượng antraxit hay than cốc, chất liệu kết gồm 2% CaO và
1 – 1,2% keo SSB.
Sản phẩm được nén, sấy khô và đưa vào lò nung trong môi trường oxy hóa mạnh ở nhiệt
độ 1250 - 1300 oC.
Tính chất của gạch đinat nhẹ:

Khối lượng thể tích 1 – 1,2 g/cm3
Độ xốp thể tích 47 – 54%
Cường độ nén 4 -7 N/mm2
Độ chịu lửa 1680 – 1700 oC
Độ dẫn nhiệt 0,63 – 0,79 W/mK
Dãn nở nhiệt đến 700 oC là 1,14 – 1,39%.

Gạch samôt nhẹ

Gạch chịu axitGạch tiêu chuẩn các lò quay ximăng

Gạch trang trí
Gạch mặt goòng
Hình 2.4 Một số loại gạch thông dụng

2.1.2.3.2 Phương pháp tạo bọt khí
a. Phương pháp sử dụng chất tạo bọt:
Phương pháp này để sản xuất sản phẩm có độ xốp lớn, các lỗ xốp này tạo thành
các bọt như dạng tổ ong trong sản phẩm bằng cách cho vào phối liệu chất tạo bọt.

8

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


Samôt, đất sét, mùn cưa được hòa bằng nước đến lúc tạo thành hồ quánh, sau đó trộn với
bọt đã được sản xuất trong thiết bị đặc biệt.Từ hồ đã bão hòa bọt, đúc sản phẩm trong
khuôn sau đó đem sấy và nung.
− Chuẩn bị bọt:

Để chuẩn bị bọt dùng xà phòng côlôphan, xà phòng sản xuất từ côlôphan (43%), NaOH
(57%), nước (50%).
Sau khi nấu được xà phòng, đổ dung dịch muối ăn bão hòa vào để xà phòng nổi lên trên.
Bọt được chuẩn bị từ hỗn hợp 2,5% nhũ tương với 97,5% nước. Hỗn hợp này được khuấy
trong máy tạo bọt có cánh khuấy kiểu ruột gà quay với tốc độ 700 – 800 vòng/phút. Khối
lượng thể tích của bọt 0,04 – 0,06 g/cm3.
− Chuẩn bị hồ:

Hồ để sản xuất gạch cao lanh hay samôt nhẹ phải có khối lượng thể tích 1,65 – 1,72
g/cm3, trong đó 90% samôt nghiền mịn và 10% đất sét nghiền mịn. Hồ này được liên tục
khuấy trong máy khuấ y.
− Phối liệu đúc:

Tỉ lệ giữa bọt và hồ để chuẩn bị phối liệu đúc như sau cứ 1 phần hồ theo thể tích lấy 0,75
– 1,5 phần bọt. Khối lượng thể tích của phối liệu 0,85 – 0,95 g/cm 3. Phối liệu này được
trộn trong máy khuấy.
Đúc, sấy, nung:
Sản phẩm được đúc trong khuôn thép có láng dầu mazut. Sấy ở nhiệt độ 80 - 90 oC.Nhiệt
độ nung 1250 – 1350 oC.Sau khi nung phải gia công cơ học (mài) vì hình dạng và kích
thước sản phẩm không chính xác.
b. Phương pháp hóa học
Chủ yếu dùng các phản ứng hóa học tỏa khí trong hồ để làm thành bọt khí trong sản
phẩm.
Để sản xuất gạch samôt nhẹ theo phương pháp này với mật độ biểu kiến 0,7 – 0,8 g/cm 3
dùng samôt nghiền mịn (< 0,2mm) 5,6% đất sét chịu lửa mịn, 2,8% đôlômit nghiền và
5,6% thạch cao.
2.1.2.3.3 Ứng dụng của gạch cách nhiệt
9

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh

Gạch samôt nhẹ dùng trong lò nung, lò hấp, lò ủ và các lò công nghiệp khác khi nhiệt độ
làm việc không lớn lắm và để xây tường buồng đốt nồi hơi.
Gạch đinat nhẹ dùng lót tường vòm, đáy lò khi lớp cách nhiệt không chịu bào mòn và va
đập mạnh, dùng trong các ngành luyện kim, máy xây dựng…

Hình 2.5 Một số ứng dụng của gạch chịu lửa
2.1.3 Vật liệu cách nhiệt vô cơ
2.1.3.1 Điatômit và trêpen
a. Điatômit và trêpen
− Điatômit:

Là một loại đá trầm tích tạo thành từ các phiến hóa thạch của dong biển điatômit đơn bào.
Thành phần chủ yếu trong điatômit là oxyt silic vô định hình (SiO 2 = 70 – 90%). Khối
lượng riêng dao động từ 350 – 950 kg/m 3. Hệ số dẫn nhiệt 0,081 – 1,16 W/mK (ở 20 oC).
độ xốp 50 – 85%.

Hình 2.6 Đá trầm tích (điatômit)
10

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


− Trêpen:

Trêpen cũng là đá trầm tích tạo thành từ một phần oxyt sylicôpan và phần lớn từ các
phiến rong biển điatômit. Thành phần cơ bản của trêpen cũng là oxyt silic vô định hình
(SiO2 = 73 – 86%). Khối lượng riêng 600 – 800 kg/m 3, hệ số dẫn nhiệt 0,145 W/mK (ở 20
o

C).

Hình 2. Đá trầm tích (trepen)
b. Sản phẩm cách nhiệt từ điatômit và trêpen
− Vật phẩm điatômit:

Sản xuất từ điatômit và các phụ gia cháy như mạt cưa bằng phương pháp hỗn hợp phối
liệu, tạo hình, sấy và nung. Sấy sản phẩm trong lò Tuynen ở nhiệt độ 130 - 160 oC trong
thời gian 12 giờ.Nung sản phẩm ở nhiệt độ 800 – 900 oC, thời gian nung 16 – 20 giờ.
− Ứng dụng:

Vật phẩm điatômit được dùng để cách nhiệt các trang bị công nghiệp, các đường ống
dẫn, các lò, các thiết bị sấy, các ống khói công nghiệp.
Vụn điatômit (trêpen) đã thiêu:
Vụn điatômit cần thỏa mãn các yêu cầu sau:
Khối lượng riêng ở trạng thái khô: 500 kg/m3.
Hệ số dẫn nhiệt ở 30 oC: 0,11 W/mK.
Độ ẩm: 5%
Nhiệt độ giới hạn sử dụng: 900 oC.
Độ hạt của vụn: 12mm.
Sản phẩm điatômit bọt:
11

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


Được sản xuất từ các chất xốp dẻo bao gồm xỉ nổi điatômit và bọt được chuẩn bị đặc
biệt bằng cách hỗn hợp, tạo hình, sấy và nung sản phẩm. Sấy vật phẩm trong lò buồng
hay lò Tuynen.Nung vật phẩm ở nhiệt độ 800 - 850 oC.

Hình 2.8 Một số ứng dụng vật liệu vô cơ
2.1.4 VẬT LIỆU BẢO ÔN
2.1.4.1 CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU BẢO ÔN
a. Phạm vi nhiệt độ
− Giới hạn trên:

Ðịnh nghĩa: Giới hạn mà ở đó các tính chất cách nhiệt của vật liệu trở nên không ổn
định
Nếu vật liệu có tính chất thay đổi từ từtheo nhiệt độ: là nhiệt độ tại đó tính chất biến đổi
quá mức cho phép.
Trong thực tế người ta lấy thêm một hệ số an toàn.
− Giới hạn dưới:

Nhiệt độ thấp ít ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu bảo ôn.
Tuy nhiên khi nhiệt độ thấp, xảy ra quá trình thâm nhập của hơi ẩm làm giảm khả năng
cách nhiệt của vật liệu
b. Hệ số truyền nhiệt
Là thông số cơ bản đặc trưng cho khả năng cách nhiệt
Hệ số truyền nhiệt phụ thuộc nhiệt độ,
12

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


Nhiệt độ tính toán là trung bình của nhiệt độ bề mặt nóng và bề mặt lạnh. Không phải là
nhiệt độ làm việc của môi chất
Hệ số truyền nhiệt thay đổi theo thời gian, phải tính đến yếu tố này khi tính toán
c. Ðộ bền nén
Ðặc trưng cho khả năng chịu tải của vật liệu.

Cho biết độ biến dạng của vật liệu khi chịu nén
Ðược đo bằng lực nén cần thiết để tạo ra độ giảm chiều dày 5% hoặc 10%
d. Khả năng cháy
Khả năng chịu đựng ngọn lửa
Khả năng lan truyền ngọn lửa và tạo khói: đặc trưng bằng chỉ tiêu FHC (Fire hazard
classification). Chỉ tiêu FHC được xác định bằng cách so sánh chỉ số lan truyền lửa khói
(FS/SD: flame spread/smoke developed) của vật liệu với gỗ sồi đỏ.
e. Cấu trúc tế bào (Cell structure)
Quyết định khả năng chịu đựng hơi ẩm của vật liệu
Vật liệu có cấu trúc tế bào đóng có khả năng chịu ẩm cao hơn
f. Hình dạng của bảo ôn
Vật liệu bảo ôn phải có hình dạng phù hợp với vật cần bảo ôn
Những hình dạng bảo ôn phổ biến: dạng chăn mềm, tấm rắn, khối, nửa ống hoặc các
đoạn trụ tròn.

2.1.4.2 Nguyên lý bảo ôn
13

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


Quá trình truyền nhiệt được hạn chế bằng cách sử dụng vật liệu bảo ôn có hệ số truyền
nhiệt nhỏ.
Vật liệu bảo ôn phải có khả năng ngăn cản tất cả các cơ chề truyền nhiệt.
a.Dẫn nhiệt:
Quá trình dẫn nhiệt xảy ra khi các nguyên tử hay phân tử cấu thành vật liệu trao đổi năng
lượng khi va chạm với nhau.
Chất rắn có hệ số dẫn nhiệt lớn nhất vì mặc dù các nguyên tử của chúng không thay đổi
vị trí nhưng chúng thường xuyên dao động và va chạm với nhau. Khi nhiệt độ cao,
nguyên tử dao động nhanh hơn và truyền năng lượng cho những vùng có nhiệt độ thấp

hơn.
Chất lỏng dẫn nhiệt kém hơn chất rắn vì sự liên kết giữa các phân tử lỏng lẻo hơn làm
cho chúng ít tương tác hơn.
Chất khí dẫn nhiệt kém nhất.Các phân tử ở cách xa nhau nên sự tương tác ít hẳn so với
chất rắn và chất khí.
Khả năng hạn chế dẫn nhiệt của vật liệu bảo ôn
Hạn chế dẫn nhiệt trong chất rắn
Sử dụng vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp
Sử dụng vật liệu “xốp” hơn
Sử dụng vật liệu “mịn” hơn
Hạn chế dẫn nhiệt trong chất khí
Dẫn nhiệt xảy ra trong chất khí khi các phân tử của chúng va chạm với nhau.

Hình 2.9 Hạn chế dẫn nhiệt trong chất khí

14

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


Truyền nhiệt giữa chất khí và vách rắn
Khi phân tử chất khí va chạm vào vách, năng lượng lan truyền ít hơn nhiều khi các phân
tử khí va chạm vào nhau.
Vật liệu bảo ôn tốt dẽ giảm thiểu sự dẫn nhiệt qua chất khí bằng cách làm cho các phân tử
khí va chạm với vách rắn thay vì va chạm với nhau.

Hình 2.10 Truyền nhiệt giữa chất khí và rắn

Ngăn chặn dẫn nhiệt bằng vật liệu siêu xốp
Quãng đường trung bình mà một phân tử di chuyển giữa các lần va chạm gọi là “quãng

đường tự do trung bình – mean free path” của chất khí. Quãng đường tự do trung bình
của không khí ở 0 oC khoảng 60nm.
Để ngăn chặn sự dẫn nhiệt, kích thước các lỗ xốp phải càng nhỏ càng tốt.

Quãng đường tự do trung bình của phân tử khí
Hình 2.11 Ngăn chặn dẫn nhiệt bằng chất khí

b trao đổi nhiệt đối lưu
Tự thân các vật liệu bảo ôn có khả năng ngăn cản khá tốt sự trao đổi nhiệt bằng đối lưu.
15

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


Hiện tượng trao đổi nhiệt đối lưu được ngăn chặn bằng cách đảm bảo cho các lỗ xốp đủ
nhỏ để không xảy ra sự luân chuyển dòng khí.
Nhiệt độ càng cao lỗ xốp càng phải nhỏ.
c Truyền nhiệt bằng bức xạ
Hạttruyền
tán xạ nhiệt dưới dạng sóng điện từ.
Bức xạ là quá trình
Hình 2.12 Truyền
nhiệtbức
bằngxạbức
Sóng
cóxạthể lan truyền cả trong chân không.
Tia tán xạ

Bức xạ nhiệt đóng vai trò quan trọng khi nhiệt độ lớn hơn 100 oC.

Tia bức xạ

2.1.4.3 CÁC LOẠI VẬT LIỆU BẢO ÔN
2.1.4.3.1 Bông khoáng / len khoáng
a. Tính chất
− Các tính chất của bông khoáng
+ Bông khoáng được tạo thành từ đá và xỉ nóng chảy
+ Bông khoáng là vật liệu xốp, hợp thành từ các sợi mảnh có cấu trúc thủy tinh, có màu

trắng, xám sáng, màu xanh nhạt hay màu nâu sẫm.
+ Bông khoáng có khả năng cách nhiệt tốt gì chứa một lượng lổ rỗng lớn, độ rỗng của nó

có thể đạt 95 – 96%.
+ Thể tích và kích thước của lỗ rỗng bông khoáng phụ thuộc vào mức độ lèn chặt và

đường kính của sợi dao động từ 1 – 10μm.
+ Sợi càng dài thì cường độ và độ đàn hồi của sản phẩm càng cao.
+ Các tạp chất trong bông khoáng làm tang độ dẩn nhiệt của nó.
+ Độ hút nước của bông khoáng khi nhúng ngập trong nước có thể đat đến 600%.
+ Độ hút ẩm dao động từ 0,2 – 2% và phụ thuộc vào điều kiện sử dụng
+ Bông khoáng là môi trường không thuận lợi cho nấm mốc phát triển.
+ Khi tăng tính axit của bông khoáng độ bềnh chống nấm mốc cũng tang
16

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


+ Nhiệt độ kết khối của bông khoáng từ 700 – 800 0C do đó bông khoáng sử dụng tới

hạn tương ứng là 600 – 700 0 C

+ Hệ số dẩn nhiệt của bông khoáng phụ thuộc vào đường kính sợi, khối lượng thể tích

cũng như hàm lượng tạp chất.
+ Khi bị dẩn ẩm độ dẩn nhiệt của bông khoáng tăng. Do vậy cần giữ cho bông khoáng

không bị dẩn ẩm.
− Các tính chất len khoáng
+ Len khoáng thường có khả năng chịu nhiệt cao hơn bông thủy tinh vì vậy chúng có

thể sử dụng ở điều kiện nhiệt độ cao.
+ Chiều dài sợi len khoáng ngắn hơn sợi bông thủy tinh và chúng có hàm lượng các

chất “không sợi “ lớn hơn

b. Phân loại các sản phẩm từ bông khoáng
− Sản phẩm bông khoáng dạng khối chiếc gồm có các tấm, vỏ trụ, bán trụ, rẻ quạt…
− Sản phẩm dạng côn gồm có thảm, đệm bông khoáng khâu không có chất kết dính và

thảm đệm có chất kết dính tổng hợp.
− Sản phẩm dạng dây, chảo, thừng và sản phẩm dạng sợi rời rạc như bông khoáng vệ

viên.
− Bông khoáng vệ viên làm cho sản phẩm có tính chảy, tạo thuận lợi cho quá trình thi

công lớp cách nhiệt.

17

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh

c. Các phương pháp chế biến chất nung chảy thành sợi
Hiện nay trong công nghiệp sử dụng nhiều phương pháp chế biến chất nung chảy
thành sợi khác nhau, tuy nhiên thành 3 nhóm chính: phương pháp thổi, quay li tâm, tổ
hợp.
Phương pháp thổi



− Phương pháp thổi ngang

Phương pháp này dòng chất nung chảy khi ra khỏi thùng tiếp liệu gặp dòng không
khí, hơi nước hay hỗn hợp dòng không khí và hơi nước, có tốc độ 400 – 800 m/s tác dụng
gần như vuông góc với dòng chất nung chảy sẻ bị kéo thành sợi mảnh.
Năng suất của thiết bị làm việc theo phương pháp này có thể đạt 2 tấn giờ và mổi chất
nung chảy tạo ra được 800 - 900kg bông khoáng có khối lượng thể tích ρv =160-260
kg/m3.

− Phương pháp thổi dọc khuôn kéo
18

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


Phương pháp này dòng chất nung chảy, chảy qua các lỗ khuôn kéo khoan xuyên qua
tấm platin – rồi đi và rơi vào dùng tác động của dòng hơi nước hoặc không khí từ các
họng thổi. Năng suất của các thiết bị tạo sợi có thể đạt 600 kg/h.



Phương pháp quay li tâm
Chất nung chảy khi ra khỏi thiết bị nung sẽ rơi lên bề mặt của trục li tâm thứ nhất

có đường kính 150mm quay với tốc độ 300 v/ph. Vận tốc dài của trục là 24 m/s. Trục này
có vai trò là biến chất nung chảy thành màng mỏng hoặc các giọt bắn lên bề mặt của trục
li tâm thứ hai. Sau khi được tạo sợi sẻ giảm dần tốc độ và bị quạt hút hút vào buồng lắng
sợi. Tại đây sẻ lắng xuống bề mặt băng tải lưới. Các tạp chất không phải sơi rơi xuống bề
mặt vận chuyển, sau đó được đưa ra khỏi phân xưởng, năng suất của thiết bị tạo sợi dạng
này đạt trên 2,5 tấn/h.


Phương pháp tổ hợp thổi quay – li tâm
Dòng chất nung chảy sau khi ra khỏi thùng cấp, chảy theo máng nghiên có bộ

phận làm nguội bằng nước được rót vào mặt trong của đĩa phân phối. Đĩa này quay với
vận tốc 100 -1160 v/ph. Khi đĩa quay chất nung chảy sẻ phân bố theo đường tròn dọc
theo mép của đĩa quay với dạng màng, dòng hay giọt là nhờ có lực quán tính li tâm chúng
sẻ bức ra khỏi mép đĩa quay. Sau đó chất nung chảy tiếp tục kéo thành sợi nhờ nước hay
khí nén thổi từ 80 họng thổi dạng hình côn với đường kính phía trong 7 mm đường kính
ngoài 30 mm

19

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


e. Các loại cấu kiện bông khoáng
Căn cứ vào độ cứng và độ đàn hồi người ta chia các cấu kiện cách nhiệt ra thành các
cấu kiện mềm, bán cứng và rắn.
− Các tấm bông khoáng mềm theo tính chất của mình giống như các mền bông khoán, được

chế tạo với các chất kết dính ( nhựa tổng hợp, bitum ) và chỉ khác biệt nhau bởi kích
thước và chỉ phụ thuộc vào chất kết dính. Các tấm mền cũng như mền có độ biến dạng
cao ( độ biến dạng của chúng dưới tỷ tải trọng 0,002 Mpa vượt quá 30 %)
− Các tấm bông khoáng bán cứng ( bán trụ, viên phân ) giử được tốt hơn cấu trúc hình dạng

và các tính chất cơ – lý khi vân chuyển, bảo quản trong kho và trong quá trình thi công
cách nhiệt so với các tấm bán cứng.
− Các tấm bông khoáng rắn cơ bản được dung đẻ cách nhiệt cho các mái nhà công nghiệp

cùng với việc gắn trực tiếp trên chúng các thẩm giấy dầu.

20

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


Hình 2.18 Một số loại bông khoáng phổ biến
2.1.4.3.2 Sợi thủy tinh và các sản phẩm từ sợi thủy tinh
Sợi thủy tinh là vật liệu dạng sợi được chế tạo từ thủy tinh nóng chảy, sợi thủy tinh
có cấu trúc dạng thủy tinh. Cường độ của sợi thủy tinh chủ yếu là do lực liên kết của
mạch oxy – silic quyết định, liên kết này được biểu diển như sau:
- Si – O – Si – O – Si –
a. Tính chất của sợi thủy tinh
− Là chất vô cơ dẻo hơn sợi thực vật hoặc động vật, không thể thắt nút, không đàn hồi hay

dãn rộng ra.
− Không cháy, không dẫn điện
− Chúng kém mềm dẻo hơn sợi dệt có nguồn gốc thực vật hoặc động vật (sợi chỉ thuỷ tinh

không thể thắt nút được dễ dàng), chúng không kéo giãn rộng ra, chúng bền vững (bền
vững hơn bất kỳ sợi dệt nào), chúng không cháy, chúng không mục nát, không thấm
nước và bền với hầu hết các axit, chúng là một vật dẫn điện kém và trong một số trường
hợp là vật dẫn nhiệt và âm kém, chúng không hút ẩm.

21

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


b. Ứng dụng của sợi thủy tinh
− Được dùng trong trang trí nội thất: màn, cửa, ghế, đồ treo tường…
− Dùng cho các mục đích cách nhiệt: Tường vách, ống khói, lò hơi, tủ cách nhiệt, ống

nước…ở dạng sợi, dạng đống, mấu nhỏ, dạ nỉ, lớp độn, lớp bọc ( cho các ống) hoặc dây
bện ( có hoặc không có chống thấm, keo hồ nhựa hoặc các chất khác hoặc lớp cốt bằng
giấy, hàng dệt hay lưới thép).
− Để cách âm (nhà ở, văn phòng, cabin tàu thuyền, nhà hát) ở dạng sợi đống, dạ nỉ, đệm

hoặc các tấm ép cứng.
− Được dùng để cách điện (dây điện, cáp điện, hoặc các thiết bị tải dòng khác) ở các dạng

sợi, chỉ, băng, vải, dây tết hoặc vải có hoặc không được tẩm nhựa tự nhiên, chất dẻo
hay nhựa đường.
− Được dùng làm vật liệu gia cố đối với các sản phẩm tường, trần và vách thạch cao trong

xây dựng nội thất như: làm lõi trong quá trình sản xuất tấm thach cao để tạo ra các tính
năng chống cháy, chịu nhiệt, chống ẩm mốc, chống co giãn…

22

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


Hình 2.20 Ứng dụng sợi thủy tinh
Nguyễn Trọng Chiến 12066141
2.1.4.3.3 Bông thủy tinh
•

Một vài tính chất của bông thủy tinh

Bông thủy tinh có nguồn gốc từ silicat (SiO2) và có trọng lượng riêng thay đổi từ 10 đến
192 kg/m3.
Là vật liệu cách nhiệt bao gồm các sợi thủy tinh xếp đặt một cách vô trật tự, các sợi thủy
tinh này nhận được từ thủy tinh nóng chảy. Nguyên liệu để sản xuất bông thủy tinh cũng
như nguyên liệu để sản xuất thủy tinh (cát thạch anh, đá vôi, xôđa, đôlômi, sunphat…)
Thường có liên kết hữu cơ hoặc không có liên kết nào cả.
Phần lớn các liên kết hữu cơ bị oxy hóa hay cháy trong giới hạn từ 400 đến 500 oF.
Các liên kết bị phá hủy làm giảm độ bền của vật liệu, tuy nhiên các sợi được tạo thành từ
các sợi thủy tinh dài đan vào nhau vẫn cho phép vật liệu giữ được hình dáng và tính chất
của nó.
•

Bông thủy tinh từ sợi liên tục

Bao gồm các sợi thủy tinh mềm bố trí hỗn loạn, nhận được bằng cách kéo căng từ thủy
tinh lỏng. Đường kính sợi >21m
23

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh

Hệ số dẫn nhiệt Ġ= 00394 + 0,000348ttb, bền ở 450 oC, độ bền axit cao.

•

Bông
thành
phần
cao
lanh

Là vật liệu cũng bao gồm từ các sợi mỏng xếp đặt vô trật tự. Đường kính trung bình của
µ

sợi > 4 m, hệ số dẫn nhiệt ở 100oC : 0,052 W/mK. Nhiệt độ nóng chảy 1700oC, nhiệt
độ giới hạn sử dụng 1100oC
Cách nhiệt bằng bông cao lanh có hiệu quả cao, dùng trong tubin khí, tuabin hơi.
•

Ứng dụng:

Dùng cách nhiệt trên các ống dẫn, các trang bị của nhà máy điện, các lò công nghiệp, các
lò sấy.
Thường được sử dụng cách nhiệt cho các bộ phận di động của tàu hỏa, tàu thủy, máy bay
và dùng cho mục đích cách âm.
Giá thành của sản phẩm công nghiệp từ bông thủy tinh đắt hơn so với sản phẩm công
nghiệp từ bông khoáng, do vậy sản phẩm này thường được sản xuất với khối lượng hạn
chế.
2.1.4.3.4 Thủy tinh xốp

Thủy tinh xốp (thủy tinh bọt, thủy tinh khí) là vật liệu cách nhiệt và cách âm cứng (tấm,
blốc, bán trụ), cấu tạo từ khối thủy tinh nguội với các bọt không khí được phân bố đồng
đều trong nó. Điểm đặc biệt khác thường của thủy tinh xốp như là vật liệu cách nhiệt là
sự kết hợp trong nó cường độ cơ học cao với khối lượng thể tích nhỏ.
Bang 2.1 cac tinh chât cơ ban cua thuy tinh
xôp Tính chất
Thủy tinh xốp xây dựng
Cách nhiệt

Chống

Trang trí

Hấp thụ

Thủy tinh xốp đặc biệt
Không
24

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh


ẩm
-Khối lượng thể
tích ,kg/m3
150-350
-Giới hạn của
cường độ, Mpa
0,69 - 4,41
-Khí nén

-Khí uốn
0,29 - 2,45
-Độ hút nước %
10
theo khối
lượng, không
0,058- 0,106
lớn hơn độ dẫn
nhiệt W/m.k
-Hệ số hập thụ
âm trong dải
0,4 - 0,65
tần 600 – 4000
Hz
-Nhiệt độ sử
dụng giới hạn 400
o
C

ẩm

Cao
silic

chứa kiềm
350-500

140-200

150-300

140-250

0,49-2,45

0,69-3,43

0,49-1,96

500-800
2,94-4,9
4,9-11,74
5

0,39-1,78
1

0,29-1,76
70

0,19-0,78
80

0,0520,064

0,064 - 0,099

0,064-0,093

-

-

0,1 - 0,22

0,5- 0,75

0,55-0,83

-

-

400

400

400

600

2

1200

Ứng dụng
Dùng để cách nhiệt, chống ẩm hay lắp ghép, trang trí, hấp thụ ẩm

2.1.4.3.5 Thủy tinh tổ ong

25

Vật Liệu Kỹ Thuật Nhiệt - Lạnh