Nguyên lý làm việc của tủ lạnh - GS. Nguyễn Đức Lợi

NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

Làm lạnh

Làm lạnh là quá trình thải nhiệt từ một vật hoặc một không gian giới hạn ra ngoài môi trường. Trong tự nhiên nhiệt chỉ truyền từ vật có nhiệt độ cao đến vật có nhiệt độ thấp, ví dụ, từ một cốc nước nóng ra ngoài không khí hoặc từ không khí vào một cốc nước đá, không bao giờ có hướng ngược lạ. Muốn thải nhiệt từ một vật đề nhiệt độ của vật đó hạ xuống dưới nhiệt độ môi trường, người ta phải tiêu tốn một khoảng năng lượng. Kĩ thuật lạnh chính là môn khoa học nghiên cứu các chu trình và thiết bị để có thể thải nhiệt của một vật ra môi trường bên ngoài có nhiệt độ cao hơn. Đó cũng chính là sự làm lạnh nhân tạo.
Cách nhiệt. Muốn duy trì độ lạnh của một vật hoặc một phòng người ta phải bọc cách nhiệt vì luôn luôn có một dòng nhiệt truyền từ môi trường có nhiệt độ cao vào vật hoặc khoang có nhiệt độ thấp. Dòng nhiệt càng lớn, vật mất lạnh càng nhanh. Độ lớn của dòng nhiệt từ môi trường phụ thuộc vào hiệu nhiệt độ giữa môi trường nóng và lạnh cũng như phụ thuộc vào tính chất của vật liệu cách nhiệt.
Nhiệt tật. Để làm lạnh một vật hoặc một buồng bảo quản lạnh xuống đến nhiệt độ nào đó và duy trì nhiệt độ lạnh ấy, người ta phải có một máy lạnh với năng suất lạnh đủ lớn đề thải toàn bộ lượng nhiệt tổn thất qua đường cách nhiệt bao che, lượng nhiệt do sản phầm tỏa ra, do đèn chiếu sáng và do các nguyên nhân khác. Tổng nhiệt lượng đó được gọi là nhiệt tải của một máy lạnh. 

Bảo quản lạnh bằng nước đá

Tủ lạnh gia đình đã trở thành quen thuộc đối với cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Nhưng không nhất thiết phải có tủ lạnh ta mới có thể uống một cốc bia ướp lạnh hoặc bảo quản được hoa quả và thực phẩm. Với một vài cách nhiệt đơn giản, đặt vào trong một cục nước đá ta dã tạo được một buồng lạnh đơn giản có nhiệt độ thấp hơn môi trường ( hình 1).Sự truyền nhiệt từ sản phẩm bảo quản tới bề mặt nước đá là hạn chế vì chỉ nhờ không khí đối lưu tự nhiên trong không gian tủ lạnh. Nhiệt độ trong phòng hạ xuống từ từ. Muốn hạ nhiệt độ nhanh phải cho sản phầm cần bảo quản tiếp xúc trực tiếp với nước dá đang tan.
Để làm lạnh và bảo quản cá biển đánh bắt được người ta trộn cá với nước đá vụn. Muốn hạ nhiệt độ cá xuống dưới 0°C có thể trộn lẫn đá vụn với muối theo những tỉ lệ nhất định.
Nước đá tan ở 0°C, mỗi kg thu một lượng nhiệt là 80kcal. Nhiệt lượng đó gọi là nhiệt hóa lỏng của nước đá. Nước đá muối hoặc nước đá trộn muốn tan ở nhiệt độ thấp hơn 0°C (điểm cùng tinh đạt đến -21°C) nhưng nhiệt hóa lỏng cũng nhỏ hơn.
Nếu thay nước đá bằng đá khô (CO₂ ở thể rắn) nhiệt độ thăng hoa có thể đạt đến -78,9°C và theo lí thuyết có thể hạ nhiệt độ trong tủ bảo quản xuống gần đến -78°C. Đá khô có ưu điểm là nhiệt độ thấp, không chảy nước làm ẩm ướt sản phầm bảo quản và khí CO₂ thăng hoa có khả năng ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn, nhưng đá khô đắt tiền và khó kiếm. Năng suất lạnh của 1kg đá khô khi thăng hoa là 572kJ hoặc 136kcal, khi tăng đến nhiệt độ 0°C nó thu thêm một nhiệt lượng là 55k/ hoặc 14kcal. Như vậy năng suất lạnh của 1kg đá khô lớn hơn nước đá gần 2 lần.

Bảo quản lạnh bằng bay hơi chất lỏng

Chất lỏng bay hơi luôn luôn gắn liền với sự thu nhiệt.1kg nước ở 100°C chuyền từ dạng lỏng sang dạng hơi thu một nhiệt lượng là 539kcal. Ở điều kiện bình thường, độ âm tương đối không khí nhỏ hơn 1, nước vẫn bay hơi vào không khí, quá trình bay hơi thu nhiệt nên nước có bề mặt thoáng với không khí bao giờ cũng có nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ không khí. Mùa hè sau khi tắm xong đứng trước quạt ta thấy rất mát vì nước bay hơi mạnh bề trên mặt da, thu nhiệt của cơ thể thải vào không khí.
Ta có cảm giác lạnh rõ rệt hơn nhiều khi bôi xăng, cồn, ête lên bề mặt da vì những chất đó dễ bay hơi hơn nước. Xăng nhẹ có nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển là từ 40 đến 80°C, cồn mêtanôn CH₃OH ở 64,5° và cồn êtanôn ở 73,3°C. Khi dùng bông bôi cồn lên bề mặt da, ta cảm thấy mát lạnh ở vị trí đó, cảm giác lạnh không phải do cồn lạnh hoặc cồn bảo quản trong tủ lạnh mà do cồn bay hơi đã thu nhiệt ở bề mặt da.Nếu sử dụng các chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp hơn nữa (các chất dễ bay hơi), cảm giác lạnh sẽ rõ hơn. Dưới áp suất khí quyển. Freôn R12 là một môi chất lạnh thường dùng trong tủ lạnh gia đình, có nhiệt độ sôi là -29,8°C, Freôn R22, dùng trong tủ đá máy điều hòa nhiệt độ, có nhiệt độ sôi là -40,8°C và amoniac, môi chất thường dùng trong các hệ thống lạnh lớn, có nhiệt độ sôi là -33,4°C nitơ lỏng thường dùng để bảo quản tinh đông và vật phẩm thay thế trong y học có nhiệt độ sôi -196°C. Những chất lỏng trên bắn vào người, có thể gây bỏng lạnh vị nhiệt độ hạ xuống quá thấp làm chết tế bào da. Nếu không có các chất lỏng trên ta có thể thử hiệu ứng lạnh hay hơi bằng ga bật lửa (butan C₄H₁₀). Butan có nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển là -0,4°C. Xì gả lỏng vào lòng bàn tay ta sẽ có cảm giác lạnh như khi cầm một cục nước đá.
Thay thế cục nước đá ở hình 1 bằng một bình chứa đầy lỏng R12, và cho bay hơi vào khí quyền ta sẽ có một tủ làm lạnh bằng môi chất lỏng R12 bay hơi. Nhiệt độ sôi đạt -29.8°C và nhiệt độ khoang bảo quản có thể đạt đến -25°C
Nếu lắp một van trên đường thông hơi để có thể khống chế một áp suất nào đó trong bình bay hơi ta có thể tạo được nhiệt độ lạnh theo ý muốn, vi dụ, duy trì áp suất p=0,3086MPa ứng với nhiệt độ bay hơi 0°C và nếu dùng một máy nén hút chân không duy trì áp suất ở 0,00879 MPa, nhiệt độ tương ứng là - 75°C (hình 3 và 4).
Khi đó, ta có thể tạo được nhiệt độ rất thấp (-75°C) trong tủ làm lạnh.

Giải pháp giữ mức chất lỏng không đổi trong bình bay hơi

Với tủ làm lạnh bằng nước đá, khi hết đá ta có thể thay đá mới. Với tủ dùng chất lỏng nếu hết chất lỏng ta cũng phải cấp thêm chất lỏng cho bình bay hơi. Để giữ nhiệt độ không đổi trong tủ, cần phải duy trì mức chất lỏng không đổi trong bình bay hơi. Hình 5 biểu diễn một phương pháp giữ mức chất lỏng không đổi bằng van phao. Cấp lỏng cho dàn bay hơi từ một bình chứa môi chất lỏng. Trên đường ống nối từ bình chứa vào bình bay hơi phải lắp đặt một van phao. Nếu mức lỏng giảm, phao hạ xuống van sẽ mở ra cho môi chất lỏng vào thêm. Nếu đã dú lỏng, phao sẽ nổi lên đóng van không cho chất lòng vào nữa. Máy hút chân không 5 dùng để duy trì áp suất không đổi trong bình bay hơi khi áp suất bay hơi thấp hơn áp suất khí quyển. Khi áp suất bay hơi lớn hơn, chỉ cần dùng van 1 (hình 3) để khống chế. 
Bình chứa môi chất 2 để ở bên ngoài phòng lạnh, tiếp xúc trực tiếp môi trường có nhiệt độ cao bằng nhiệt độ môi trường nên cũng có áp suất bão hòa tương ứng. Nếu nhiệt độ môi trường là 30°C, áp suất hơi bão hòa tương ứng của môi chất R12 là 0,745MPa (khoảng 7,6at).
Áp suất ở trong bình bay hơi phải tương ứng với nhiệt độ sôi như đã nêu, vì vậy áp suất ở bình chứa lớn hơn nhiều so với áp suất trong dàn bay hơi.Van tiết lưu nhiệt lắp ở dàn bay hơi có chức năng giống như van phao ở bình bay hơi. Nhờ có bộ phận cảm nhiệt gắn ở cuối dàn và bộ phận điều chỉnh tự động mà môi chất lỏng phun vào vừa đủ để trong tất cả các ống xoắn đều có hỗn hợp của hơi và lỏng. Riêng đoạn ống cuối cùng chỉ có hơi vì lỏng đến đoạn này đã bay hơi hết (hình 6). Ngày nay có nhiều loại thiết bị tiết lưu khác nhau. Trong các tủ lạnh thương nghiệp người ta thường dùng van tiết lưu nhiệt nhưng trong tủ lạnh gia đình và máy điều hòa của sò người ta sử dụng ống capile làm bộ phận tiết lưu (xem mục 2.5). 

Nguyên lý làm việc của máy lạnh nén hơi

Máy lạnh nén hơi (hình 7) thực chất chỉ phát triển thêm một phần thiết bị đã trình bày trên hình 6 mục đích là thực hiện một vòng tuần hoàn kín của môi chất. Phương pháp làm lạnh mô tả ở hình 3 chỉ được ứng dụng rất hạn chế ở một số phương tiện vận tải lạnh, với nitơ lỏng, propan hoặc butan. Các môi chất lạnh khác như R12, R22, NH3 đều đắt tiền. Vì vậy người ta phải thực hiện vòng tuần hoàn kín để tránh tổn hao môi chất (hình 7). Môi chất lạnh sôi ở dàn bay hơi, thu nhiệt của môi trường làm lạnh ở nhiệt độ thấp. Ví dụ, môi chất lạnh sôi ở -15°C và làm lạnh phòng bảo quản xuống đến -10°C. Nhiệt độ sôi của môi chất bao giờ cũng phải thấp hơn nhiệt độ buồng lạnh để đảm bảo dòng nhiệt truyền từ vật bảo quản lạnh vào dàn bay hơi. Hơi tạo thành ở dàn bay hơi được bơm hơi hoặc máy nén 8 hút về và nên lên áp suất cao đầy vào dàn ngưng tụ. Ở dàn ngưng tụ, hơi thải nhiệt cho môi trường làm mát (ở đây là không khí) để ngưng tụ lại ở áp suất cao và nhiệt độ cao. Để đảm bảo dòng nhiệt tỏa từ thiết bị ngưng tụ vào không khí, nhiệt độ ngưng tụ phải cao hơn nhiệt độ không khí môi trường hàng chục độ. Đoạn đầu của dàn ngưng hơi môi chất chưa hóa lỏng, ở đoạn giữa đã hóa lỏng từng phần và ở đọan cuối đã hóa lỏng hoàn toàn và được đầy vào bình chứa. Từ đây, lỏng có áp suất cao và nhiệt độ cao sẽ đi qua van tiết lưu dể vào bình bay hơi. Qua van tiết lưu áp suất của môi chất lỏng giảm xuống áp suất bay hơi và nhiệt độ giảm xuống nhiệt độ bay hơi. Như vậy vòng tuần hoàn môi chất được khép kín.
Sơ đồ đơn giản của máy lạnh nén hơi được biểu diễn trên hình 8.Quá trình 1-2 là quá trình nén từ áp suất bay hơi p₀ lên áp suất ngưng tụ Pₖ. Quá trình 2-3 là quá trình ngưng tụ có thải nhiệt ra môi trường làm mát. Quá trình 3-4 là tiết lưu từ áp suất Pₖ xuống p₀ và quá trình 4-1 là quá trình bay hơi thu nhiệt của môi trường làm lạnh. Toàn bộ hệ thống phía trên van tiết lưu và máy nén có áp suất cao Pₖ, còn phía dưới có áp suất p₀. Toàn bộ các thiết bị được nối với nhau bằng các đường ống phù hợp đảm bảo chu trình kín.

Nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp thụ

Nguyên lí làm việc của máy lạnh hấp thụ được biểu diễn trên hình 9.Quan sát hình 9 ta thấy các quá trình ngưng tụ 2-3, tiết lưu 3-4 và bay hơi 4-1 giống như máy lạnh nên hơi. Riêng quá trình nén 1-2 của máy nén cơ được thay thế bằng một quá trình hấp thụ và sinh hơi. Ở bình hấp thụ có chất hấp thụ (ví dụ, nước) hấp thụ hơi amoniăc sinh ra ở bình bay hơi thành dung dịch có nồng độ amoniăc đậm đặc. Dung dịch đậm đặc được bơm dung dịch bơm lên bình sinh hơi. Ở bình sinh hơi, do được đốt nóng đến nhiệt độ cao (120-130°C) hơi amoniăc thoát ra để đi vào bình ngưng tụ còn dung dịch loãng (đã nhả hết amoniac) qua van tiết lưu trở về bình hấp thụ để chuẩn bị hấp thụ hơi ra từ dàn bay hơi. Như vậy dung dịch chất hấp thụ đã thực hiện một vòng tuần hoàn kín đề "nén" hơi môi chất lạnh. Bình hấp thụ được làm mát bằng nước và có áp suất thấp p₀. 
Bình sinh hơi được gia nhiệt bằng hơi nước nóng khi nóng hoặc dây điện trở và có áp xuất cao Pₖ. Ưu điểm của máy lạnh hấp thụ là:
- Không cần dùng điện nên có thề sử dụng ở những vùng không có diện. Có thề chạy bằng hơi nước thừa, khí thải, than củi;
- Máy rất dơn giản vì phần lớn chỉ là các thiết bị trao đổi nhiệt trao đổi chất, dễ dàng chế tạo, vận hành;
- Không gây ồn vì bộ phận chuyển động duy nhất là bơm dung dịch.
Trong máy lạnh hấp thụ bao giờ cũng phải có chất hấp thụ, có khả năng hấp thụ môi chất lạnh ở áp suất thấp và ở nhiệt độ môi trường, sinh hơi (nhả) môi chất lạnh ở nhiệt độ và áp suất cao. Chính vì vậy thường người ta gọi là cặp môi chất của máy lạnh hấp thụ. Hai cặp môi chất thường sử dụng là amoniắc/nước NH₃/H₂O trong đó amoniắc là môi chất lạnh nước là chất hấp thụ và nước/bromualiti (H₂O/LiBr) trong đó nước là môi chất lạnh và bro- mualiti là chất hấp thụ. Môi chất lạnh có vòng tuần hoàn đi qua hầu hết các thiết bị trong khi đó chất hấp thụ có vòng tuần hoàn từ bình hấp thụ qua bơm dung dịch lên bình sinh hơi rồi qua tiết lưu lại trở về bình hấp thụ.
Trong tủ lạnh hấp thụ gia đình có thêm khí trơ hyđrô dùng để cân bằng áp xuất giữa dàn bay hơi và hấp thụ. Ở dàn bay hơi amoniắc bay hơi khuếch tán vào hydro nên còn gọi là tủ lạnh hấp thụ khuếch tán. Hình 10 mô tả cấu tạo của một tủ lạnh hấp thụ khuyếch tán.
Bơm dung dịch ở đây là bơm xiphông. Bơm gồm một số vòng xoắn ống, tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt (đèn hoặc dây may xo) dung dịch đậm đặc nóng lên sinh hơi bọt hơi nồi lên kéo theo cả dung dịch đi vào bình sinh hơi. Hơi amoniắc đi vào dàn ngưng còn dung dịch loãng tự chảy về dàn hấp thụ do chênh lệch cột lỏng ∆H. Hơi NH₃ sau khi ngưng tụ thành lòng chảy vào dàn bay hơi. Ở đây NH₃ bay hơi khuếch tán vào H₂ thu nhiệt của môi trường rồi đi xuống bình chứa. Hơi NH₃ và H₂ đi ngược dòng với dung dịch loãng trong dàn hấp thụ, NH₃ bị dung dịch hấp thụ, chảy xuống bình chứa còn H₂ đi về dàn bay hơi. Các thiết bị hồi nhiệt kiểu lồng ống ngược dòng có nhiệm vụ làm tăng hiệu quả nhiệt. Ngưng tụ hồi lưu 2 có nhiệm vụ tinh cất hơi NH₃ trước khi vào dàn ngưng tụ. Ngoài 2 vòng tuần hoàn của môi chất và chất hấp thụ đã nêu ở trên, trong máy lạnh hấp thụ khuếch tán có thêm vòng tuần hoàn của khí trơ H₂ từ dàn bay hơi xuống bình hấp thụ rồi lại trở về bình bay hơi.
Máy lạnh hấp thụ khuếch tán có ưu điểm là không cần bơm cơ khí nén không có chi tiết chuyển động, tuồi thọ cao không ồn, không cần bảo dưỡng. Nếu được giữ gìn cần thận có thể coi là vĩnh cửu. Có thể dùng đèn dầu hỏa đề chạy máy. Nhược điểm cơ bản là hệ số lạnh thấp. Nếu dùng điện gia nhiệt thì tiêu thụ điện năng cho máy lạnh hấp thụ trên cùng một đơn vị lạnh gấp khoảng 10 lần điện năng tiêu tốn so với máy lạnh nén hơi. Do vậy loại tủ này cũng ít được sử dụng. 

Nguyên lí làm việc của máy lạnh nhiệt điện

Năm 1821, Secbeck (Đức) phát hiện ra rằng trong một vòng dây dẫn điện khép kín mắc nối tiếp bằng hai kim loại khác nhau thì khi tạo nhiệt độ chênh lệch giữa 2 đầu nối dây, sẽ xuất hiện một dòng điện trong vòng dây khép kín.
Năm 1934, Peltier (Mĩ) phát hiện ra hiện tượng ngược lại là nếu cho dòng điện một chiều đi qua một vòng dây khép kín nối tiếp bằng 2 dây kim loại khác nhau thì một đầu nối nóng lên và một đầu lạnh đi. Và đó chính là nguyên lí làm việc của máy lạnh nhiệt điện (hình 11).Để tạo được hiệu nhiệt độ cao, người ta phải nghiên cứu ứng dụng các cặp chất bán dẫn phù hợp. Hiện nay người ta thường sử dụng các hợp kim như Bismút, Antimon và selên với phụ gia. Hiệu nhiệt độ có thể đạt đến 60°K (60 độ) giữa hai đầu nối. 
Hình 11 giới thiệu cách bố trí của một cặp nhiệt điện. 
Hai thanh 2 và 3 là các thanh kim loại hoặc bán dẫn khác tính được ghép vuông góc lên các thanh đồng hoặc platin 1 và 4 sao cho 2 và 3 nối tiếp với nhau. Sau đó bố trí dòng điện một chiều như hình 11 thì 2 thanh đồng 1 sẽ nóng lên còn thanh 4 sẽ lạnh đi.
Máy lạnh nhiệt điện được ứng dụng tương đối rộng rãi nhưng thường với năng suất lạnh rất nhỏ(30-100W).
Máy lạnh nhiệt điện có một số ưu điểm chính như sau: không gây tiếng ồn, vì không có chỉ tiết chuyển động, gọn nhẹ, dễ mang xách, vận chuyển chắc chắn, không có môi chất lạnh, chuyển từ tủ lạnh sang tủ nóng dễ dàng vì chỉ cần thay đổi cách đấu, tiện lợi cho du lịch vì dùng điện ác quy. Tuy nhiên máy lạnh nhiệt điện cũng có những nhược điểm như: hệ số lạnh thấp, tiêu tốn điện năng cao, giá thành cao không có khả năng trữ lạnh vì các cặp kim loại là các cầu nhiệt lớn.
Các máy lạnh nhiệt điện và hấp thụ còn ít được sử dụng ở nước ta, vì vậy phần tiếp theo chúng ta chỉ đề cập đến máy lạnh nén hơi.

Tác giả bài viết
Nguyễn Đức Lợi