ตัวแปลงค่าความซึมผ่าน
เครื่องมือแปลงค่าความซึมผ่านได้
แปลงค่าระหว่างหน่วยความซึมผ่านได้ 4 ประเภทที่แตกต่างกันด้วยความแม่นยำทางวิทยาศาสตร์ ค่าความซึมผ่านได้ทางแม่เหล็ก (H/m), ของไหล (darcy), ก๊าซ (barrer) และไอน้ำ (perm) เป็นการวัดคุณสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกันโดยพื้นฐานและไม่สามารถแปลงข้ามประเภทกันได้
ความซึมผ่านได้คืออะไร?
ความซึมผ่านได้วัดว่าสิ่งใดสิ่งหนึ่งสามารถผ่านวัสดุได้ง่ายเพียงใด แต่คำจำกัดความง่ายๆ นี้ซ่อนข้อเท็จจริงที่สำคัญไว้: มีความซึมผ่านได้สี่ประเภทที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงในฟิสิกส์และวิศวกรรม ซึ่งแต่ละประเภทวัดปริมาณทางกายภาพที่แตกต่างกัน
ความซึมผ่านได้สี่ประเภท
ความซึมผ่านได้ทางแม่เหล็ก (μ)
วัดว่าฟลักซ์แม่เหล็กสามารถผ่านวัสดุได้ง่ายเพียงใด เชื่อมโยงความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก (B) กับความเข้มของสนามแม่เหล็ก (H)
หน่วย: H/m, μH/m, nH/m, ความซึมผ่านได้สัมพัทธ์ (μᵣ)
สูตร: B = μ × H
การประยุกต์ใช้: แม่เหล็กไฟฟ้า, หม้อแปลง, การป้องกันสนามแม่เหล็ก, ตัวเหนี่ยวนำ, เครื่อง MRI
ตัวอย่าง: สุญญากาศ (μᵣ = 1), เหล็ก (μᵣ = 5,000), เพอร์มัลลอย (μᵣ = 100,000)
ความซึมผ่านได้ของของไหล (k)
วัดว่าของไหล (น้ำมัน, น้ำ, ก๊าซ) สามารถไหลผ่านตัวกลางที่มีรูพรุน เช่น หินหรือดิน ได้ง่ายเพียงใด มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับวิศวกรรมปิโตรเลียม
หน่วย: ดาร์ซี (D), มิลลิ-ดาร์ซี (mD), นาโน-ดาร์ซี (nD), m²
สูตร: Q = (k × A × ΔP) / (μ × L)
การประยุกต์ใช้: แหล่งกักเก็บน้ำมัน/ก๊าซ, การไหลของน้ำใต้ดิน, การระบายน้ำในดิน, การจำแนกคุณลักษณะของหิน
ตัวอย่าง: หินดินดาน (1-100 nD), หินทราย (10-1000 mD), กรวด (>10 D)
ความซึมผ่านได้ของก๊าซ (P)
วัดว่าก๊าซเฉพาะชนิดสามารถส่งผ่านโพลิเมอร์, เมมเบรน หรือวัสดุบรรจุภัณฑ์ได้เร็วเพียงใด ใช้ในบรรจุภัณฑ์และวิทยาศาสตร์เมมเบรน
หน่วย: บาร์เรอร์, GPU (หน่วยการซึมผ่านของก๊าซ), mol·m/(s·m²·Pa)
สูตร: P = (N × L) / (A × Δp × t)
การประยุกต์ใช้: บรรจุภัณฑ์อาหาร, เมมเบรนแยกก๊าซ, สารเคลือบป้องกัน, ชุดอวกาศ
ตัวอย่าง: HDPE (0.5 บาร์เรอร์สำหรับ O₂), ยางซิลิโคน (600 บาร์เรอร์สำหรับ O₂)
ความซึมผ่านได้ของไอน้ำ
วัดอัตราการส่งผ่านความชื้นผ่านวัสดุก่อสร้าง, ผ้า หรือบรรจุภัณฑ์ มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการควบคุมความชื้นและวิทยาศาสตร์อาคาร
หน่วย: เพิร์ม, เพิร์ม-นิ้ว, g/(Pa·s·m²)
สูตร: WVTR = ความซึมผ่าน × ความแตกต่างของความดันไอ
การประยุกต์ใช้: แผ่นกันความชื้นในอาคาร, ผ้าที่ระบายอากาศได้, การจัดการความชื้น, บรรจุภัณฑ์
ตัวอย่าง: โพลีเอทิลีน (0.06 เพิร์ม), ไม้อัด (0.7 เพิร์ม), แผ่นยิปซัมไม่ทาสี (20-50 เพิร์ม)
ข้อเท็จจริงน่ารู้
ไม่สามารถแปลงข้ามประเภทได้
ความซึมผ่านได้ทางแม่เหล็ก (H/m) ≠ ความซึมผ่านได้ของของไหล (darcy) ≠ ความซึมผ่านได้ของก๊าซ (barrer) ≠ ความซึมผ่านได้ของไอน้ำ (perm) สิ่งเหล่านี้วัดค่าทางฟิสิกส์ที่แตกต่างกัน!
ช่วงค่าที่กว้างมาก
ความซึมผ่านได้ของของไหลมีช่วงค่ากว้างถึง 21 เท่าของเลขยกกำลังสิบ: จากหินดินดานที่แน่น (10⁻⁹ darcy) ไปจนถึงกรวด (10¹² darcy)
ความสับสนของชื่อหน่วย
คำว่า 'ความซึมผ่านได้' ใช้สำหรับทั้งสี่ประเภท แต่เป็นปริมาณที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ต้องระบุประเภทเสมอ!
ขึ้นอยู่กับวัสดุ
ความซึมผ่านได้ของก๊าซขึ้นอยู่กับทั้งวัสดุและประเภทของก๊าซ ความซึมผ่านได้ของออกซิเจน ≠ ความซึมผ่านได้ของไนโตรเจนสำหรับวัสดุชนิดเดียวกัน!
ความซึมผ่านได้ทางแม่เหล็ก (μ)
ความซึมผ่านได้ทางแม่เหล็กอธิบายว่าวัสดุตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กอย่างไร เป็นอัตราส่วนของความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก (B) ต่อความเข้มของสนามแม่เหล็ก (H)
สูตร: B = μ × H = μ₀ × μᵣ × H
B = ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก (T), H = ความเข้มของสนามแม่เหล็ก (A/m), μ = ความซึมผ่านได้ (H/m), μ₀ = 4π × 10⁻⁷ H/m (พื้นที่ว่าง), μᵣ = ความซึมผ่านได้สัมพัทธ์ (ไม่มีมิติ)
ประเภทของวัสดุ
| ประเภท | ความซึมผ่านได้สัมพัทธ์ | ตัวอย่าง |
|---|---|---|
| ไดอะแมกเนติก | μᵣ < 1 | บิสมัท (0.999834), ทองแดง (0.999994), น้ำ (0.999991) |
| พาราแมกเนติก | 1 < μᵣ < 1.01 | อะลูมิเนียม (1.000022), แพลทินัม (1.000265), อากาศ (1.0000004) |
| เฟอร์โรแมกเนติก | μᵣ >> 1 | เหล็ก (5,000), นิกเกิล (600), เพอร์มัลลอย (100,000) |
ความซึมผ่านได้ของของไหล (Darcy)
ความซึมผ่านได้ของของไหลวัดว่าของไหลสามารถไหลผ่านหินหรือดินที่มีรูพรุนได้ง่ายเพียงใด ดาร์ซีเป็นหน่วยมาตรฐานในวิศวกรรมปิโตรเลียม
สูตร: Q = (k × A × ΔP) / (μ × L)
Q = อัตราการไหล (m³/s), k = ความซึมผ่านได้ (m²), A = พื้นที่หน้าตัด (m²), ΔP = ความแตกต่างของความดัน (Pa), μ = ความหนืดของของไหล (Pa·s), L = ความยาว (m)
ดาร์ซีคืออะไร?
1 ดาร์ซี คือความซึมผ่านได้ที่ทำให้ของไหล 1 cm³/s (ความหนืด 1 เซนติพอยส์) ไหลผ่านพื้นที่หน้าตัด 1 cm² ภายใต้ความแตกต่างของความดัน 1 atm/cm
เทียบเท่า SI: 1 ดาร์ซี = 9.869233 × 10⁻¹³ m²
ช่วงการซึมผ่านในวิศวกรรมปิโตรเลียม
| หมวดหมู่ | การซึมผ่าน | คำอธิบาย | ตัวอย่าง: |
|---|---|---|---|
| แน่นมาก (หินดินดาน) | 1-100 นาโน-ดาร์ซี (nD) | ต้องใช้การแตกหักด้วยไฮดรอลิกเพื่อการผลิตที่คุ้มค่า | หินดินดาน Bakken, หินดินดาน Marcellus, หินดินดาน Eagle Ford |
| ก๊าซ/น้ำมันจากชั้นหินแน่น | 0.001-1 มิลลิ-ดาร์ซี (mD) | ผลิตได้ยาก ต้องมีการกระตุ้น | หินทรายแน่น, หินคาร์บอเนตบางชนิด |
| แหล่งกักเก็บทั่วไป | 1-1000 มิลลิ-ดาร์ซี | ผลิตน้ำมัน/ก๊าซได้ดี | แหล่งกักเก็บหินทรายและหินคาร์บอเนตเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ |
| แหล่งกักเก็บดีเยี่ยม | 1-10 ดาร์ซี | ผลิตได้ดีเยี่ยม | หินทรายคุณภาพสูง, หินคาร์บอเนตที่มีรอยแตก |
| ซึมผ่านได้สูงมาก | > 10 ดาร์ซี | อัตราการไหลสูงมาก | กรวด, ทรายหยาบ, หินที่มีรอยแตกสูง |
ความซึมผ่านได้ของก๊าซ (Barrer)
ความซึมผ่านได้ของก๊าซวัดว่าก๊าซเฉพาะชนิดสามารถส่งผ่านโพลิเมอร์และเมมเบรนได้เร็วเพียงใด บาร์เรอร์เป็นหน่วยมาตรฐาน ตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ Richard Barrer
สูตร: P = (N × L) / (A × Δp × t)
P = ความซึมผ่านได้ (barrer), N = ปริมาณก๊าซที่ส่งผ่าน (cm³ ที่ STP), L = ความหนาของวัสดุ (cm), A = พื้นที่ (cm²), Δp = ความแตกต่างของความดัน (cmHg), t = เวลา (s)
บาร์เรอร์คืออะไร?
1 บาร์เรอร์ = 10⁻¹⁰ cm³(STP)·cm/(s·cm²·cmHg) ซึ่งวัดปริมาตรของก๊าซ (ที่อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน) ที่ซึมผ่านความหนาต่อหน่วยพื้นที่ต่อหน่วยเวลาต่อหน่วยความแตกต่างของความดัน
หน่วยทางเลือก: 1 บาร์เรอร์ = 3.348 × 10⁻¹⁶ mol·m/(s·m²·Pa)
ตัวอย่าง: ยางซิลิโคน: H₂ (550 บาร์เรอร์), O₂ (600 บาร์เรอร์), N₂ (280 บาร์เรอร์), CO₂ (3200 บาร์เรอร์)
การใช้งาน
| สาขา | การใช้งาน | ตัวอย่าง |
|---|---|---|
| บรรจุภัณฑ์อาหาร | ความซึมผ่านได้ของ O₂ ต่ำช่วยรักษาความสด | EVOH (0.05 บาร์เรอร์), PET (0.05-0.2 บาร์เรอร์) |
| การแยกก๊าซ | ความซึมผ่านได้สูงช่วยแยกก๊าซ (O₂/N₂, CO₂/CH₄) | ยางซิลิโคน, โพลีอิไมด์ |
| บรรจุภัณฑ์ทางการแพทย์ | ฟิล์มป้องกันความชื้น/ออกซิเจน | แผงยา, ขวดเภสัชภัณฑ์ |
| ยางในรถยนต์ | ความซึมผ่านได้ของอากาศต่ำช่วยรักษาความดัน | ยางฮาโลบิวทิล (30-40 บาร์เรอร์) |
ความซึมผ่านได้ของไอน้ำ (Perm)
ความซึมผ่านได้ของไอน้ำวัดการส่งผ่านความชื้นผ่านวัสดุ มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับวิทยาศาสตร์อาคาร การป้องกันเชื้อรา การควบแน่น และความเสียหายทางโครงสร้าง
สูตร: WVTR = ความซึมผ่าน × (p₁ - p₂)
WVTR = อัตราการส่งผ่านไอน้ำ, ความซึมผ่าน = ความซึมผ่านได้/ความหนา, p₁, p₂ = ความดันไอในแต่ละด้าน
เพิร์มคืออะไร?
US Perm: 1 เพิร์ม (US) = 1 เกรน/(h·ft²·inHg) = 5.72135 × 10⁻¹¹ kg/(Pa·s·m²)
Metric Perm: 1 เพิร์ม (เมตริก) = 1 g/(Pa·s·m²) = 57.45 เพิร์ม-นิ้ว (US)
หมายเหตุ: เพิร์ม-นิ้ว รวมความหนา; เพิร์มคือความสามารถในการซึมผ่าน (ซึ่งหารด้วยความหนาแล้ว)
การจำแนกวัสดุก่อสร้าง
| หมวดหมู่ | คำอธิบาย | ตัวอย่าง: |
|---|---|---|
| แผ่นกันความชื้น (< 0.1 เพิร์ม) | ป้องกันการส่งผ่านความชื้นเกือบทั้งหมด | แผ่นโพลีเอทิลีน (0.06 เพิร์ม), ฟอยล์อลูมิเนียม (0.0 เพิร์ม), วอลเปเปอร์ไวนิล (0.05 เพิร์ม) |
| วัสดุชะลอความชื้น (0.1-1 เพิร์ม) | ชะลอความชื้นอย่างมีนัยสำคัญ แต่ไม่ใช่การป้องกันที่สมบูรณ์ | สีน้ำมัน (0.3 เพิร์ม), กระดาษคราฟท์ (0.4 เพิร์ม), ไม้อัด (0.7 เพิร์ม) |
| กึ่งซึมผ่านได้ (1-10 เพิร์ม) | อนุญาตให้ความชื้นส่งผ่านได้บางส่วน | สีลาเท็กซ์ (1-5 เพิร์ม), แผ่น OSB (2 เพิร์ม), กระดาษก่อสร้าง (5 เพิร์ม) |
| ซึมผ่านได้ (> 10 เพิร์ม) | อนุญาตให้ความชื้นส่งผ่านได้อย่างอิสระ | แผ่นยิปซัมไม่ทาสี (20-50 เพิร์ม), ฉนวนใยแก้ว (>100 เพิร์ม), แผ่นกันน้ำสำหรับบ้าน (>50 เพิร์ม) |
สภาพอากาศหนาว: ในสภาพอากาศหนาวเย็น แผ่นกันความชื้นจะอยู่ด้านที่อบอุ่น (ภายใน) เพื่อป้องกันความชื้นภายในอาคารจากการควบแน่นในช่องผนังที่เย็น
สภาพอากาศร้อนชื้น: ในสภาพอากาศร้อนชื้น แผ่นกันความชื้นควรอยู่ด้านนอก หรือใช้ผนังที่ซึมผ่านได้เพื่อให้สามารถแห้งได้ทั้งสองทิศทาง
ตารางแปลงค่าอย่างรวดเร็ว
ความซึมผ่านได้ทางแม่เหล็ก
| จาก | ถึง |
|---|---|
| 1 H/m | 1,000,000 μH/m |
| 1 H/m | 795,774.7 μᵣ |
| μ₀ (สุญญากาศ) | 1.257 × 10⁻⁶ H/m |
| μ₀ (สุญญากาศ) | 1.257 μH/m |
| μᵣ = 1000 (เหล็ก) | 0.001257 H/m |
ความซึมผ่านได้ของของไหล (Darcy)
| จาก | ถึง |
|---|---|
| 1 ดาร์ซี | 1,000 มิลลิ-ดาร์ซี (mD) |
| 1 ดาร์ซี | 9.869 × 10⁻¹³ m² |
| 1 มิลลิ-ดาร์ซี | 10⁻⁶ ดาร์ซี |
| 1 นาโน-ดาร์ซี | 10⁻⁹ ดาร์ซี |
| 1 m² | 1.013 × 10¹² ดาร์ซี |
ความซึมผ่านได้ของก๊าซ
| จาก | ถึง |
|---|---|
| 1 บาร์เรอร์ | 10,000 GPU |
| 1 บาร์เรอร์ | 3.348 × 10⁻¹⁶ mol·m/(s·m²·Pa) |
| 1 GPU | 10⁻⁴ บาร์เรอร์ |
| 100 บาร์เรอร์ | การป้องกันที่ดี |
| > 1000 บาร์เรอร์ | การป้องกันที่ไม่ดี (ความซึมผ่านได้สูง) |
ความซึมผ่านได้ของไอน้ำ
| จาก | ถึง |
|---|---|
| 1 เพิร์ม (US) | 5.72 × 10⁻¹¹ kg/(Pa·s·m²) |
| 1 เพิร์ม-นิ้ว | 1.459 × 10⁻¹² kg·m/(Pa·s·m²) |
| 1 เพิร์ม (เมตริก) | 57.45 เพิร์ม-นิ้ว (US) |
| < 0.1 เพิร์ม | แผ่นกันความชื้น |
| > 10 เพิร์ม | ซึมผ่านไอน้ำได้ |
คำถามที่พบบ่อย
ฉันสามารถแปลงค่าดาร์ซีเป็นบาร์เรอร์หรือเพิร์มได้หรือไม่?
ไม่ได้! สิ่งเหล่านี้วัดคุณสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ความซึมผ่านได้ของของไหล (darcy), ความซึมผ่านได้ของก๊าซ (barrer), ความซึมผ่านได้ของไอน้ำ (perm) และความซึมผ่านได้ทางแม่เหล็ก (H/m) เป็นปริมาณสี่อย่างที่แตกต่างกันและไม่สามารถแปลงข้ามกันได้ ใช้ตัวกรองประเภทในเครื่องมือแปลงค่า
ทำไมความซึมผ่านได้ของก๊าซจึงขึ้นอยู่กับชนิดของก๊าซ?
ก๊าซต่างชนิดกันมีขนาดโมเลกุลและปฏิสัมพันธ์กับวัสดุที่แตกต่างกัน H₂ และ He จะซึมผ่านได้เร็วกว่า O₂ หรือ N₂ ควรระบุชนิดของก๊าซเสมอ: 'ความซึมผ่านได้ของ O₂ = 0.5 บาร์เรอร์' ไม่ใช่แค่ 'ความซึมผ่านได้ = 0.5 บาร์เรอร์'
อะไรคือความแตกต่างระหว่างเพิร์มและเพิร์ม-นิ้ว?
เพิร์ม-นิ้ว คือความสามารถในการซึมผ่าน (คุณสมบัติของวัสดุที่ไม่ขึ้นอยู่กับความหนา) เพิร์มคือความซึมผ่าน (ขึ้นอยู่กับความหนา) ความสัมพันธ์: ความซึมผ่าน = ความสามารถในการซึมผ่าน/ความหนา ใช้เพิร์ม-นิ้วเพื่อเปรียบเทียบวัสดุ
วิศวกรปิโตรเลียมใช้ดาร์ซีอย่างไร?
ความซึมผ่านได้ของแหล่งกักเก็บกำหนดอัตราการไหลของน้ำมัน/ก๊าซ แหล่งกักเก็บ 100 mD อาจผลิตได้ 500 บาร์เรล/วัน แหล่งกักเก็บก๊าซแน่น 1 mD ต้องใช้การแตกหักด้วยไฮดรอลิก ชั้นหินดินดาน (1-100 nD) มีความแน่นมาก
ทำไมความซึมผ่านได้สัมพัทธ์ (μᵣ) จึงไม่มีมิติ?
เป็นอัตราส่วนที่เปรียบเทียบความซึมผ่านได้ของวัสดุกับความซึมผ่านได้ของสุญญากาศ (μ₀) หากต้องการหาค่าความซึมผ่านได้สัมบูรณ์ในหน่วย H/m: μ = μ₀ × μᵣ = 1.257×10⁻⁶ × μᵣ H/m สำหรับเหล็ก (μᵣ = 5000), μ = 0.00628 H/m
ความซึมผ่านได้สูงนั้นดีเสมอไปหรือไม่?
ขึ้นอยู่กับการใช้งาน! ค่าดาร์ซีสูงดีสำหรับบ่อน้ำมัน แต่ไม่ดีสำหรับการกักเก็บ ค่าบาร์เรอร์สูงดีสำหรับผ้าที่ระบายอากาศได้ แต่ไม่ดีสำหรับบรรจุภัณฑ์อาหาร พิจารณาเป้าหมายทางวิศวกรรมของคุณ: การป้องกัน (ต่ำ) หรือการไหล (สูง)
อะไรเป็นตัวกำหนดตำแหน่งของแผ่นกันความชื้นในอาคาร?
สภาพอากาศ! สภาพอากาศหนาวเย็นต้องใช้แผ่นกันความชื้นด้านที่อบอุ่น (ภายใน) เพื่อป้องกันความชื้นภายในอาคารจากการควบแน่นในผนังที่เย็น สภาพอากาศร้อนชื้นต้องใช้แผ่นกันความชื้นด้านนอก หรือผนังที่ซึมผ่านได้เพื่อให้สามารถแห้งได้ทั้งสองทาง การวางผิดตำแหน่งทำให้เกิดเชื้อราและการผุพัง
วัสดุใดมีความซึมผ่านได้สูงสุด/ต่ำสุด?
ทางแม่เหล็ก: Supermalloy (μᵣ~1M) เทียบกับสุญญากาศ (μᵣ=1) ของไหล: กรวด (>10 D) เทียบกับหินดินดาน (1 nD) ก๊าซ: ซิลิโคน (3000+ บาร์เรอร์สำหรับ CO₂) เทียบกับฟิล์มเคลือบโลหะ (0.001 บาร์เรอร์) ไอน้ำ: ใยแก้ว (>100 เพิร์ม) เทียบกับฟอยล์อลูมิเนียม (0 เพิร์ม)
ไดเรกทอรีเครื่องมือฉบับสมบูรณ์
เครื่องมือทั้งหมด 71 รายการที่มีอยู่ใน UNITS