Chất làm mát

Chất làm mát, còn gọi là môi chất làm mát, tác nhân làm lạnh, ga làm lạnh (tiếng Anh: refrigerant) là một chất hoặc hỗn hợp, thường ở dạng lỏng, được dùng trong bơm nhiệt và chu trình làm lạnh. Môi chất làm mát hoạt động trong chu trình nhiệt động ngược để hấp thụ nhiệt từ môi trường lạnh và xả nhiệt ra môi trường ấm hơn. Các fluorocarbons, đặc biệt là chlorofluorocarbons, từng rất phổ biến trong thế kỷ 20, nhưng đã bị loại bỏ do ảnh hưởng tiêu cực đến tầng ozone. Các chất làm mát khác phổ biến là amonia, sulfur dioxide và các hydrocarbon không halogen hóa như propane.

Đặc điểm

Dựa trên các điều kiện hoạt động khác nhau, môi chất làm mát cần có các tính chất hóa học, vật lý và nhiệt động phù hợp với yêu cầu làm việc. Một số tính chất quan trọng khi lựa chọn môi chất làm mát bao gồm:

Đặc điểm vật lý

• Áp suất ngưng tụ không được quá cao: Áp suất ngưng tụ cao sẽ yêu cầu thiết bị phải có độ bền cao hơn và vách thiết bị phải dày hơn.
• Áp suất bay hơi: Áp suất bay hơi cần phải lớn hơn áp suất khí quyển; nếu không, hệ thống sẽ tạo chân không và dễ bị rò rỉ không khí vào bên trong.
• Khả năng truyền nhiệt tốt: Các đặc tính truyền nhiệt như hệ số dẫn nhiệt λ càng cao càng tốt, giúp thiết bị trao đổi nhiệt hiệu quả hơn.
• Độ nhớt thấp: Giảm tổn thất áp suất trên các đường ống và van.
• Độ hòa tan trong dầu: Mặc dù làm tăng nhiệt độ bay hơi, nhưng độ hòa tan trong dầu giúp quá trình bôi trơn tốt hơn và ngăn chặn việc hình thành lớp nhiệt độ do dầu tạo ra.
• Độ hòa tan cao trong nước.
• Độ dẫn điện thấp (hoặc không dẫn điện): Để có thể sử dụng trong máy nén khí kín, tránh tiếp xúc với cuộn dây mô-tơ.

Đặc tính hóa học

• Bền hóa học: Môi chất cần có khả năng bền vững về mặt hóa học trong các điều kiện áp suất và nhiệt độ làm việc mà không bị phân hủy hay tạo ra polymer.
• Tính trơ: Không phản ứng hóa học hoặc gây ăn mòn đối với các vật liệu chế tạo máy, dầu bôi trơn, hơi ẩm, và oxy trong không khí.

Đặc điểm nhiệt động

• Nhiệt ẩn hóa hơi cao: Nhiệt ẩn hóa hơi cao giúp giảm lượng môi chất cần tuần hoàn trong hệ thống, đồng thời nâng cao hiệu suất làm lạnh theo khối lượng.
• Nhiệt độ đông đặc thấp: Môi chất cần giữ trạng thái lỏng trong mọi điều kiện làm việc, không được chuyển thành rắn.
• Nhiệt độ tới hạn cao: Giảm yêu cầu về năng lượng cung cấp cho máy nén khí, giúp tiết kiệm năng lượng.

Yêu cầu an toàn

• Khả năng cháy nổ thấp: Môi chất phải không dễ cháy hoặc nổ khi tiếp xúc với không khí.
• Không gây độc hại: Môi chất không gây hại cho sức khỏe con người hoặc sinh vật, không tạo ra khí độc khi tiếp xúc với lửa hoặc các vật liệu chế tạo máy.
• Mùi dễ nhận biết: Cần có mùi đặc trưng để phát hiện dễ dàng khi xảy ra rò rỉ.
• Không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

Ảnh hưởng đến môi trường

• Chỉ số ODP thấp (Ozone Depletion Potential – Tiềm năng suy giảm tầng ozone): Môi chất không làm tổn hại đến tầng ozone.
• Chỉ số GWP thấp (Global Warming Potential - Khả năng làm ấm trái đất): Môi chất không góp phần vào hiện tượng hiệu ứng nhà kính.

Chi phí hiệu quả

• Chi phí thấp mà vẫn đảm bảo chất lượng và độ tinh khiết cao.
• Quá trình sản xuất và vận chuyển dễ dàng.

Không tồn tại môi chất lạnh hoàn hảo đáp ứng tất cả các yêu cầu tối ưu. Thay vào đó, chỉ có thể lựa chọn môi chất phù hợp với một số đặc tính cần thiết. Tùy vào từng tình huống cụ thể, có thể chọn môi chất tốt nhất để phát huy ưu điểm và giảm thiểu nhược điểm của nó.

Quá trình phát triển

Kỹ thuật làm lạnh đã được nghiên cứu từ rất sớm, nhưng chỉ đến thế kỷ 19, con người mới phát triển được môi chất lạnh để kiểm soát quá trình làm lạnh cơ học. Nhiều loại môi chất lạnh đã được thử nghiệm và ứng dụng, tuy nhiên, các môi chất lạnh đầu tiên thường có nhược điểm như dễ cháy và nổ, điều này đã cản trở sự phát triển của kỹ thuật làm lạnh trong một thời gian dài.

Vào năm 1840, Tiến sĩ John Gorrie, một nhà vật lý người Mỹ, đã phát minh ra máy làm nước đá dựa trên công nghệ nén khí. Ông đã được cấp bằng sáng chế tại Hoa Kỳ cho phương pháp làm lạnh cơ học (mechanical refrigeration) vào năm 1851. Sau đó, các kỹ sư Daniel Holden (Mỹ), Raoul-Pierre Pictet (Thụy Sĩ) với sulfide dioxide (SO₂) từ năm 1870, và Carl von Linde (Đức) với amonia vào năm 1876, đã sử dụng các chất này làm môi chất lạnh cho các máy lạnh nén hơi, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong ngành kỹ thuật lạnh.

Hơn 50 năm sau, ba kỹ sư từ công ty Frigidaire (Hoa Kỳ), Thomas Midgley, Albert Henne, và Robert McNary, đã phát hiện ra các môi chất lạnh mới thuộc nhóm chlorofluorocarbon (CFC) và hydrochlorofluorocarbon (HCFC) vào năm 1928. Đây là những loại môi chất lạnh đầu tiên được coi là an toàn. Công ty Frigidaire, khi đó là một công ty con của General Motors, đã hợp tác với tập đoàn hóa chất DuPont để sản xuất Freon-22 (R-22). Các quốc gia bắt đầu từ bỏ các môi chất dễ cháy nổ như metyl chloride (CH₃Cl) và sulfide dioxide (SO₂). Việc sử dụng R-12 và R-22 đã đánh dấu sự phát triển của các thiết bị lạnh nhỏ như tủ lạnh gia đình và máy điều hòa không khí. R-12 và R-22 được gọi là môi chất an toàn vì không độc hại, không cháy, không nổ. DuPont đã đăng ký thương hiệu Freon-22 cho R-22, và các sản phẩm tương tự được gọi là Daiflon, Fron (Nhật Bản), Frigen, Kaltron (Đức), Arcton (Anh)...

Tuy nhiên, các nghiên cứu sau đó đã chỉ ra rằng clo, một thành phần trong các hợp chất CFC (như R-12, R-22) và HCFC (như R-21), có khả năng phá hủy tầng ozone. Do đó, Nghị định thư Montréal năm 1987, với sự đồng thuận của 197 quốc gia thành viên Liên Hợp Quốc, đã quyết định giảm dần sản xuất và tiêu thụ các môi chất lạnh gây suy giảm tầng ozone như CFC và HCFC.

Vào đầu thập niên 1990, các môi chất lạnh nhóm Hydrofluorocarbon (HFC) như R-134a và R-410A được phát triển với hy vọng thay thế các môi chất bị cấm như CFC và HCFC. Mặc dù không gây suy giảm ozone, nhưng các môi chất HFC đã được phát hiện là góp phần vào hiệu ứng nhà kính, làm tăng nhiệt độ toàn cầu.

Vấn đề môi trường

Nghiên cứu của tổ chức phi lợi nhuận 'Giải ngân' vào năm 2018 đã chỉ ra rằng việc quản lý và xử lý chất làm lạnh đúng cách có tác động quan trọng đến khí hậu, tương đương với việc giảm hơn 17 năm phát thải carbon dioxide của Hoa Kỳ.

Nhiều haloalkane, chlorofluorocarbon (CFC) và hydrochlorofluorocarbon (HCFC), đặc biệt là CFC-11 và CFC-12, đã được sử dụng lâu dài trong chất làm lạnh nhờ tính chất không dễ cháy và không độc hại của chúng. Tuy nhiên, sự ổn định cao trong khí quyển cùng với khả năng gây nóng lên toàn cầu và suy giảm tầng ozone đã dẫn đến sự thay đổi. Do đó, các chất như HFC và PFC, đặc biệt là HFC-134a, đã được sử dụng thay thế, vì chúng không làm suy giảm ozone và có tiềm năng nóng lên toàn cầu thấp hơn. Tuy vậy, các chất làm lạnh này vẫn có khả năng gây nóng lên toàn cầu gấp hàng nghìn lần so với CO₂. Hiện nay, chúng đang được thay thế bởi thế hệ chất làm lạnh thứ tư như HFO-1234yf, có tiềm năng nóng lên toàn cầu gần hơn với CO₂.

Các chất làm lạnh gây suy giảm ozone được xếp hạng từ cao đến thấp như sau: Bromochlorofluorocarbon, CFC và HCFC.

Các chất làm lạnh mới phát triển đầu thế kỷ 21 được cho là an toàn hơn cho môi trường, tuy nhiên việc ứng dụng của chúng đã bị trì hoãn do lo ngại về độc tính và khả năng dễ cháy.

So với các chất làm lạnh có halogen, hydrocarbon như isobutane (R-600a) và propane (R-290) có nhiều lợi thế: chi phí thấp, sẵn có rộng rãi, không gây suy giảm ozone và tiềm năng nóng lên toàn cầu rất thấp. Chúng cũng có hiệu quả năng lượng tốt, nhưng dễ cháy và có thể tạo hỗn hợp nổ với không khí nếu bị rò rỉ. Dù vậy, chúng ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong các tủ lạnh gia đình. Quy định của EU và Hoa Kỳ giới hạn lượng chất làm lạnh tối đa là 57 hoặc 150 gram, giữ nồng độ trong bếp tiêu chuẩn dưới 20% của giới hạn nổ thấp hơn. LEL có thể bị vượt quá bên trong thiết bị, vì vậy không có nguồn đánh lửa tiềm năng nào có thể có mặt. Công tắc phải được đặt bên ngoài ngăn lạnh hoặc được thay thế bằng các phiên bản kín, và chỉ có thể sử dụng quạt không tia lửa. Tính đến năm 2010, khoảng một phần ba các tủ lạnh và tủ đông gia dụng toàn cầu đã sử dụng isobutane hoặc hỗn hợp isobutane/propane, và dự kiến tỷ lệ này sẽ đạt 75% vào năm 2020.

Chú thích

• Haaf, Siegfried; Henrici, Helmut (2000). Công nghệ làm lạnh trong Từ điển Hóa học Công nghiệp của Ullmann. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. doi:10.1002/14356007.b03_19. ISBN 3-527-30673-0.
• McQuiston, F.C.; Parker, J.D.; Spitler, J.D. (2011). Phân tích và Thiết kế Hệ thống Điều hòa Không khí, Ấn bản lần thứ 6. Wiley India Pvt. Limited. ISBN 978-81-265-3187-5.Quản lý CS1: postscript (liên kết)
• Miller, Rex (2006). Điều hòa không khí và làm lạnh. McGraw-Hill Education. ISBN 978-0-07-148741-2.
• Nguyễn, Đức Lợi; Phạm, Văn Tùy (2006). Kỹ thuật làm lạnh cơ bản. Nhà xuất bản Giáo dục.
• Wang, S. (2000). Sổ tay về Điều hòa không khí và làm lạnh. McGraw-Hill Education. ISBN 978-0-07-068167-5.

Liên kết ngoài

• Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6739:2015 - Môi chất lạnh - Ký hiệu và phân loại an toàn. Truy cập ngày 19 tháng 6 năm 2020.
• Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6104-1:2015 (ISO 5149-1:2014) về Hệ thống lạnh và bơm nhiệt - Yêu cầu về an toàn và môi trường - Phần 1: Định nghĩa, phân loại và tiêu chí lựa chọn.