1. Mục Tiêu

Sau khi hoàn thành chương này, người học có thể:

• Phân biệt được vật liệu chịu lửa cách nhiệt với vật liệu cách nhiệt thông thường.

• Trình bày được đặc điểm, ưu nhược điểm và ứng dụng của các nhóm vật liệu cách nhiệt vô cơ và hữu cơ phổ biến.

• Áp dụng công thức cơ bản để thực hiện các bước tính toán cách nhiệt nhằm xác định chiều dày lớp cách nhiệt cần thiết.

2. Nội Dung Chương

2.1. Vật liệu Chịu lửa - Cách nhiệt

• Khái niệm: Là loại vật liệu có khả năng chịu được nhiệt độ rất cao (giống vật liệu chịu lửa) nhưng đồng thời có độ dẫn nhiệt thấp (giống vật liệu cách nhiệt).

• Đặc điểm: Thường có độ xốp rất cao, mật độ vật liệu nhẹ.

• Mục đích sử dụng: Dùng để xây các lớp ngoài của lò nung, lò hơi, nơi cần cách nhiệt để giảm tổn thất nhiệt nhưng vẫn phải chịu được nhiệt độ tương đối cao từ bên trong lò.

• Ví dụ: Gạch xốp (Gạch chịu lửa nhẹ), Bông gốm (Ceramic Fiber).

2.2. Vật liệu Cách nhiệt Vô cơ

Đây là nhóm vật liệu không chứa carbon (nguồn gốc từ khoáng chất, đá, sợi thủy tinh). Chúng thường có khả năng chống cháy tốt.

2.3. Vật liệu Cách nhiệt Hữu cơ

Đây là nhóm vật liệu có chứa carbon (nguồn gốc từ dầu mỏ, thực vật). Chúng thường có độ dẫn nhiệt rất thấp nhưng dễ cháy hơn vật liệu vô cơ.

2.4. Tính toán Cách nhiệt

Mục đích của việc tính toán cách nhiệt là xác định chiều dày tối ưu của lớp cách nhiệt ($s_{c n}$) để giảm tổn thất nhiệt đến mức cho phép, hoặc để ngăn ngừa hiện tượng đọng sương (ngưng tụ ẩm) trên bề mặt.

2.4.1. Công thức cơ bản về Truyền nhiệt qua vách phẳng

Lượng nhiệt tổn thất qua lớp vật liệu cách nhiệt được tính bằng công thức cơ bản:

Trong đó:

• $Q$ ($\text{W}$): Lượng nhiệt tổn thất (đơn vị $\text{W}$ hoặc $\text{kcal/h}$).

• $A$ ($\text{m}^2$): Diện tích bề mặt truyền nhiệt.

• $t_1, t_2$ ($\text{^\circ C}$): Nhiệt độ hai mặt vách.

• $\sum R$ ($\text{m}^2\cdot\text{K/W}$): Tổng nhiệt trở (Thermal Resistance) của vách:

  $$\sum R = \frac{1}{\alpha_{trong}} + \sum \frac{s_i}{\lambda_i} + \frac{1}{\alpha_{ngoài}}$$

  • $\alpha_{trong}, \alpha_{ngoài}$: Hệ số trao đổi nhiệt bề mặt bên trong và bên ngoài.

  • $s_i$ ($\text{m}$): Chiều dày của lớp vật liệu thứ $i$ (bao gồm lớp cách nhiệt).

  • $\lambda_i$ ($\text{W/m}\cdot\text{K}$): Độ dẫn nhiệt của lớp vật liệu thứ $i$.

2.4.2. Nguyên tắc Tính toán Chiều dày Cách nhiệt

Việc xác định chiều dày lớp cách nhiệt ($s_{cn}$) thường tuân theo hai tiêu chí:

1. Tiêu chí Kinh tế - Kỹ thuật: Chiều dày tối ưu là chiều dày mà tại đó tổng chi phí (chi phí lắp đặt cách nhiệt ban đầu + chi phí vận hành do tổn thất nhiệt) là thấp nhất.

   • $s_{cn}$ tăng $\implies$ Chi phí ban đầu tăng, chi phí vận hành giảm.

2. Tiêu chí Ngăn ngừa Đọng sương: Chiều dày phải đảm bảo nhiệt độ bề mặt ngoài cùng ($t_{ng oài}$) luôn lớn hơn hoặc bằng nhiệt độ đọng sương ($\tau_{sương}$) của không khí xung quanh để tránh ngưng tụ ẩm và phá hủy vật liệu.

   $$t_{ngoài} \ge \tau_{sương}$$