Chiller

Đại cương

Trong 1 máy lạnh vận hành 1 chu trình nhiệt động khép kín qua đó nó sẽ thu nạp nhiệt năng ở nhiệt độ dưới môi trường xung quanh và thải ra môi trường xung quanh ở nhiệt độ cao hơn.

Lịch sử

Vào giữa thế kỷ 18 người ta đã khám phá kỹ thuật làm lạnh bằng cách cho vào bình thủy tinh 1 lượng khoảng nửa bình chất hữu cơ Diethylether, là chất dễ bay hơi. Sau đó bơm hỗn hợp không khí và dung môi ra khỏi bình vào tạo ra lạnh xung quanh bình thủy tinh. Tuy nhiên người ta không triển khai cách làm lạnh này để ứng dụng cho đời sống. Mãi đến năm 1845 mới xuất hiện máy lạnh chạy thực dụng đầu tiên, được thiết kế bởi 1 bác sĩ người Mỹ tên John Gorrie ở Florida. Ông bác sĩ này tìm kiếm 1 giải pháp để giúp đỡ bệnh nhân chống lại cái oi bức của vùng Florida. Máy lạnh đầu tiên của ông Gorrie dùng để sản xuất đá lạnh và điều hòa phòng ốc. Tuy nhiên mô hình máy lạnh là 1 sự thất bại kinh tế (Bằng phát minh số 8080, ngày 06 tháng 5 năm 1851) cho ông. Sau đó vài năm ông Gorrie qua đời trong túng thiếu và bị người ta chê cười.
Đến năm 1870 máy lạnh mới được sản xuất có hiệu quả kinh tế mà ứng dụng nhiều nhất trong kỹ nghệ làm bia. Trong các doanh nghiệp lớn sản xuất máy lạnh đầu tiên phải kể đến kỹ nghệ gia người Đức Carl von Linde.

Thiết kế hệ thống lạnh

Máy lạnh cung cấp nguồn lạnh dùng cho công kỹ nghệ, điều hòa không khí, làm nước đá hoặc làm lạnh để bảo quản thực phẩm. Cách làm lạnh được thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp. 1 dung môi lạnh (nước lạnh hoặc môi chất lạnh), được máy lạnh làm lạnh xuống qua 1 thiết bị trao đổi nhiệt với dàn lạnh sẽ gián tiếp làm lạnh các đồ vật cần làm lạnh. Còn cách trực tiếp thì đồ vật sẽ tiếp xúc trực tiếp qua dàn lạnh.

Phân loại máy lạnh

Máy lạnh được chia làm hai loại chính: máy lạnh cơ động, sử dụng động cơ là máy nén khí để hoạt động và loại máy lạnh dùng môi chất thẩm thấu để vận hành trong quá trình trao đổi nhiệt. Hiệu suất máy lạnh cơ động thường cao hơn máy lạnh dùng môi chất thẩm thấu. Tuy thế mỗi loại máy có ưu và nhược điểm; máy lạnh cơ động thì năng động hơn, được thiết kế gọn gàng hơn, nhưng lệ thuộc thông thường nhiều nguồn điện để chạy máy nén. Trong khi máy lạnh dùng môi chất thẩm thấu thì ít cơ động hơn và thiết kế cũng cồng kềnh hơn, nhưng lại không phụ thuộc vào điện năng, mà dùng trực tiếp nguồn năng lượng đầu vào như dầu khí, than đá hoặc nguồn nhiệt năng khác để tái tạo lại hệ thống môi chất thẩm thấu chạy máy.

Máy lạnh dùng môi chất thẩm thấu hòa tan

Máy lạnh loại này không cần sử dụng máy nén, mà sử dụng môi chất thẩm thấu hòa tan để thẩm thấu ga lạnh trong quy trình trao đổi nhiệt làm lạnh. Đặc điểm máy này thường dùng môi chất thẩm thấu hòa tan, thông thường là dung dịch muối Litibromid (LiBr), có chức năng hút ga lạnh và hòa tan ga lạnh hoàn toàn trong dung dịch. Trong quá trình thẩm thấu ga lạnh này sẽ sinh nhiệt và phải được thiết kế làm mát dung dịch. Khi dung dịch đã hút (thẩm thấu) no ga lạnh, dung dịch bão hòa ga lạnh sẽ được hâm nóng, qua hệ thống dầu khí hoặc nguồn nhiệt năng khác, để đuổi ga lạnh ra khỏi dung dịch: đó là quá trình tái tạo dung dịch để tái sử dụng lại trong chu trình nhiệt động khép kín, trong khi ga lạnh sẽ được ngưng tụ lại và tái sử dụng. Máy lạnh sử dụng môi chất thẩm thấu LiBr có thể làm lạnh đến 3 °C, trong khi với môi chất NH3 người ta có thể đạt đến nguồn lạnh -70 °C. Như vậy để chạy được loại máy này ta phải sử dụng nguồn năng lượng chính phát nhiệt qua dầu khí hoặc nguồn nhiệt năng khác.

Máy lạnh dùng môi chất thẩm thấu bề mặt

Loại máy lạnh này chạy với 1 môi chất ở dạng cứng, chứ không dùng môi chất ở thể lỏng như ở phần trên. Môi chất này có tác dụng thẩm thấu ga lạnh trên bề mặt. Vì môi chất ở dạng cứng nên khó vận chuyển hoặc bơm được nên người ta phải thiết kế theo kiểu không liên tục, tức là phải sử dụng 2 bình chứa môi chất. Một bình chứa môi chất chưa thẩm thấu no ga lạnh để hoạt động trong quá trình sinh lạnh, thì bình kia đã bão hòa ga lạnh sẽ được xử lý qua nhiệt năng để tái tạo môi chất cho chu kỳ hoạt động. Mỗi chu kỳ của bình được thiết kế từ 6 đến 10 phút.

Máy lạnh dùng môi chất thẩm thấu bề mặt khuếch tán

Máy lạnh này được thiết kế với môi chất thẩm thấu bề mặt giống như phần trên. Khác nhau chỉ ở chỗ hệ thống có thêm 1 khí trơ và nhờ vậy quá trình tái tạo môi chất sẽ hoạt động qua việc thay đổi áp suất và được sử dụng nhiều ở máy lạnh cắm trại hoặc phòng ốc khách sạn, khi khó có nguồn điện liên tục.

Hiệu ứng Joule-Thomson, kỹ thuật lạnh của Linde

Dựa trên nguyên lý một số ga như Helium hoặc hỗn hợp ga như không khí gồm khí Nitơ và Oxygen mà các phân tử khí có tác động hút nhau, khi bị giãn nở ra, thì khí này hoặc hỗn hợp khí sẽ bị hạ nhiệt độ và tạo ra nguồn lạnh. Cho 1 nguồn không khí nén giãn nở ra ta sẽ làm lạnh được ¾ °C cho mỗi bậc 1 bar giảm áp suất. Nếu ta thiết kế nhiều chu kỳ nén- giãn nở liên tục, người ta có thể đạt gần được nhiệt độ không tuyệt đối tức gần -273 °C. Phương pháp này được ông kỹ nghệ gia người Đức Carl von Linde triển khai năm 1895 để hóa lỏng không khí. Không khí được nén ở áp suất 200 bar, làm mát xuống nhiệt độ thường và rửa sạch các bụi, khí CO2, hơi nước, tạp khí qua tiếp xúc với chất thẩm thấu bề mặt. Sau đó không khí nén sẽ được giãn nở qua 1 máy tua bin, 1 van tiết lưu và đạt được nhiệt độ hóa lỏng của không khí – 170 °C. Không khí lọc được chưng cất từng phần để tách khí N2, O2, khí trơ He, Argon v.v.. Kỹ thuật này vẫn được ứng dụng rộng rãi khắp thế giới hiện nay để sản xuất khí trơ, N2, O2 và cũng được gọi là công nghệ Linde. Để nén không khí tới áp suất 200 bar, người ta phải dùng máy nén nhiều tầng và đây là khâu tốn kém nhiều điện năng nhất. Một phần điện năng được phục chế lại qua tua bin ở chu kỳ giãn nở kể trên.

Hiệu ứng Peltier

Cho 1 dòng điện qua 2 tấm bán dẫn, có tỷ lượng bán dẫn khác nhau thí dụ có lượng dương tính hoặc âm tính khác nhau, người ta thấy có hiện tượng: tấm bán dẫn có tỷ lượng bán dẫn cao sẽ lạnh đi, ngược lại tấm bán dẫn yếu sẽ nóng lên. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Peltier, được ứng dụng nhiều để làm mát các linh điện tử trong kỹ nghệ điện tử, mạch điện, vi tính...

Làm lạnh qua từ tính

Một số hợp chất như hợp chất Gadolinium có đặc tính là khi được từ tính hóa sẽ sinh nhiệt và ngược lại sẽ làm lạnh trong quá trình ngược lại, quá trình làm mất từ tính. Vì hợp chất này đắt tiền nên chỉ áp dụng trong trường hợp đặc biệt không được ứng dụng rộng rãi.

Làm lạnh qua phương pháp bay hơi

Mỗi một dung dịch lỏng trong môi trường không khí, có 1 áp suất bốc hơi nhất định, tùy theo nhiệt độ của dung dịch. Quá trình bốc hơi sẽ làm lạnh dung dịch. Làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của 1 dung dịch trong không khí là làm tăng công suất bốc hơi và tăng công suất làm lạnh. Phương pháp này được ứng dụng nhiều trong các nhà máy nhiệt điện để làm mát nguồn nước làm nguội nhà máy qua các tháp nguội, qua đó nước được phun nhỏ và qua các hạt có diện tích bề mặt cao, chạy ngược chiều với luồng không khí trong tháp. Nước được bốc hơi sẽ cùng luồng không khí thoát ra trời. Thông thường hiệu suất các nhà máy nhiệt điện (điện năng) bằng khoảng 1/3 tính trên nhiệt năng tiêu thụ đầu vào từ dầu khí hoặc than đá, nên nhiệt năng phải thải ra ngoài chiếm đến 2/3 năng lượng đầu vào, tương đương như công suất làm mát của tháp nguội, nên lượng hơi nước thải ra qua quá trình làm mát rất lớn. Vào những ngày đẹp trời và hanh khô nếu có dịp đi ngang qua các nhà máy nhiệt điện, ta có thể chứng kiến các mây hơi nước rất lớn thoát ra từ các tháp nguội khổng lồ.