Chiller

Chiller là thiết bị tạo ra nguồn lạnh để làm mát các vật dụng và thực phẩm. Trong hệ thống điều hòa không khí, luôn tồn tại một nguồn lạnh và một nguồn nóng hơn môi trường xung quanh, dù áp dụng nguyên lý nào. Thực chất, máy lạnh cũng hoạt động như một máy bơm nhiệt. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, chúng ta có thể gọi thiết bị theo tên phù hợp. Máy lạnh chủ yếu sử dụng nguồn lạnh để làm mát, trong khi máy bơm nhiệt chủ yếu phục vụ nhu cầu sử dụng nguồn nóng. Trong một số trường hợp, có thể thiết kế hệ thống sử dụng cả hai nguồn lạnh và nóng để tiết kiệm năng lượng. Máy chiller dùng để làm lạnh nước trong hệ thống điều hòa không khí trung tâm, nước được làm lạnh qua bình bốc hơi (thường từ 12 độ C xuống 7 độ C). Chiller bao gồm bốn thiết bị chính trong chu trình nhiệt cơ bản: máy nén, van tiết lưu, thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi. Thường thì chiller được sản xuất dưới dạng cụm không tách rời và phải đạt tiêu chuẩn ARI. Chiller có thể được phân loại theo nhiều cách: theo loại máy nén (piston, trục vít, xoắn ốc, ly tâm...), theo thiết bị ngưng tụ như giải nhiệt nước (water-cooled) hoặc giải nhiệt gió (air-cooled), loại thiết bị hồi nhiệt (heat recovery), hoặc loại lưu lượng nước qua bình bốc hơi có thể thay đổi hay không. Ngoài ra, còn có loại chiller hấp thụ.

Khái quát

Trong một hệ thống máy lạnh, quá trình hoạt động là một chu trình nhiệt động khép kín, thu nhận nhiệt năng ở nhiệt độ thấp hơn môi trường xung quanh và thải ra môi trường xung quanh ở nhiệt độ cao hơn.

Lịch sử

Vào giữa thế kỷ 18, kỹ thuật làm lạnh đã được phát hiện khi cho vào một bình thủy tinh khoảng nửa bình chất hữu cơ Diethylether, một chất dễ bay hơi. Khi bơm không khí và dung môi ra khỏi bình, đã tạo ra hiệu ứng làm lạnh xung quanh bình thủy tinh. Tuy nhiên, phương pháp này chưa được ứng dụng rộng rãi. Đến năm 1845, máy lạnh thực dụng đầu tiên được thiết kế bởi bác sĩ John Gorrie ở Florida, người tìm kiếm giải pháp để làm giảm cái nóng cho bệnh nhân. Máy lạnh của Gorrie được dùng để làm đá và điều hòa không khí, nhưng đã thất bại về mặt kinh tế. Gorrie qua đời trong nghèo khó và bị chỉ trích. Đến năm 1870, máy lạnh mới được sản xuất hiệu quả về kinh tế, chủ yếu ứng dụng trong ngành công nghiệp bia, nhờ vào kỹ sư người Đức Carl von Linde.

Thiết kế hệ thống lạnh

Máy lạnh cung cấp nguồn lạnh cho các công nghiệp, điều hòa không khí, sản xuất đá hoặc bảo quản thực phẩm. Làm lạnh có thể được thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp. Trong phương pháp gián tiếp, dung môi lạnh (như nước hoặc môi chất lạnh) được làm lạnh qua thiết bị trao đổi nhiệt với dàn lạnh, sau đó làm lạnh các vật cần thiết. Phương pháp trực tiếp thì các vật tiếp xúc trực tiếp với dàn lạnh.

Phân loại máy lạnh

Máy lạnh được phân thành hai loại chính: máy lạnh cơ động và máy lạnh sử dụng môi chất thẩm thấu. Máy lạnh cơ động hoạt động với động cơ nén khí và thường có hiệu suất cao hơn so với loại dùng môi chất thẩm thấu. Tuy nhiên, mỗi loại đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Máy lạnh cơ động có thiết kế nhỏ gọn và linh hoạt hơn, nhưng phụ thuộc nhiều vào nguồn điện để hoạt động máy nén. Ngược lại, máy lạnh dùng môi chất thẩm thấu có thiết kế cồng kềnh hơn và ít linh hoạt hơn, nhưng không phụ thuộc vào điện năng mà sử dụng nguồn năng lượng khác như dầu, khí, than đá hoặc nhiệt năng để vận hành hệ thống môi chất thẩm thấu.

Máy lạnh dùng môi chất thẩm thấu hòa tan

Máy lạnh loại này không cần máy nén mà sử dụng môi chất thẩm thấu hòa tan để xử lý ga lạnh trong quá trình trao đổi nhiệt. Đặc điểm của máy là sử dụng dung dịch thẩm thấu hòa tan, thường là muối Litibromid (LiBr), để hút và hòa tan hoàn toàn ga lạnh trong dung dịch. Quá trình thẩm thấu này sinh nhiệt, nên cần thiết kế hệ thống làm mát dung dịch. Khi dung dịch đã thẩm thấu đầy ga lạnh, nó sẽ được hâm nóng qua dầu khí hoặc nguồn nhiệt khác để tách ga lạnh ra khỏi dung dịch, tái sử dụng dung dịch trong chu trình nhiệt động khép kín. Máy lạnh dùng môi chất thẩm thấu LiBr có thể làm lạnh đến 3°C, trong khi môi chất NH3 có thể đạt -70°C. Loại máy này cần nguồn năng lượng chính từ dầu khí hoặc nhiệt năng khác.

Máy lạnh dùng môi chất thẩm thấu bề mặt

Loại máy lạnh này hoạt động với môi chất ở dạng rắn thay vì dạng lỏng như các loại khác. Môi chất rắn có khả năng thẩm thấu ga lạnh trên bề mặt. Vì môi chất ở dạng rắn khó vận chuyển và bơm, nên thiết kế máy lạnh này thường theo kiểu không liên tục với hai bình chứa. Một bình chứa môi chất chưa thẩm thấu sẽ hoạt động để sinh lạnh, trong khi bình chứa môi chất đã bão hòa ga lạnh sẽ được xử lý bằng nhiệt năng để tái tạo môi chất cho chu trình tiếp theo. Mỗi chu kỳ hoạt động của bình thường kéo dài từ 6 đến 10 phút.

Máy lạnh dùng môi chất thẩm thấu bề mặt khuếch tán

Máy lạnh này sử dụng môi chất thẩm thấu bề mặt tương tự như loại trên, nhưng có thêm khí trơ trong hệ thống. Điều này giúp quá trình tái tạo môi chất hoạt động hiệu quả qua việc thay đổi áp suất. Máy lạnh này thường được sử dụng trong các tình huống như cắm trại hoặc khách sạn, nơi nguồn điện liên tục không sẵn có.

Máy lạnh cơ động

Máy lạnh cơ động là loại phổ biến nhất, bao gồm các thành phần chính như máy nén, van tiết lưu, dàn lạnh và bình ngưng. Trong chu trình khép kín, máy nén với công suất QA sẽ hút ga lạnh từ dàn lạnh có công suất QK và nén vào bình ngưng với áp suất và nhiệt độ cao. Tại bình ngưng, ga lạnh được hóa lỏng và thải nhiệt năng ngưng tụ QH ra môi trường xung quanh. Ga lạnh dạng lỏng sau đó đi qua van tiết lưu, làm giảm áp suất và điều chỉnh lưu lượng ga lạnh để bốc hơi tại dàn lạnh, hút công suất lạnh QK từ môi trường cần làm lạnh như thực phẩm và đồ vật. Theo định luật bảo toàn năng lượng, chu trình nhiệt động khép kín có thể được mô tả bằng phương trình sau:

• QH = QK + QA
• Công suất ngưng tụ = Công suất lạnh + Công suất máy

Máy lạnh cơ động rất phổ biến trong cuộc sống hàng ngày, như tủ lạnh, tủ đông, máy điều hòa không khí, kho lạnh, băng trượt đá, lò sát sinh, nhà máy sản xuất bia, công nghiệp hóa chất, và nhiều ứng dụng khác.

Hiệu ứng Joule-Thomson và kỹ thuật làm lạnh của Linde

Dựa trên nguyên lý một số khí như Helium hoặc hỗn hợp khí như Nitơ và Oxygen có khả năng hấp thụ nhiệt khi giãn nở, hiện tượng này tạo ra nguồn lạnh. Ví dụ, khi không khí nén được giãn nở, nó có thể làm lạnh đến ¾°C cho mỗi bậc giảm áp suất 1 bar. Nếu thực hiện nhiều chu kỳ nén-giãn nở liên tục, có thể đạt gần đến nhiệt độ không tuyệt đối khoảng -273°C. Kỹ sư Carl von Linde người Đức đã áp dụng phương pháp này vào năm 1895 để hóa lỏng không khí. Không khí được nén ở áp suất 200 bar, làm mát về nhiệt độ thường, và loại bỏ bụi, CO2, hơi nước, và tạp khí bằng chất thẩm thấu bề mặt. Sau đó, không khí nén được giãn nở qua máy tua bin và van tiết lưu để đạt nhiệt độ hóa lỏng -170°C. Không khí lọc sau đó được chưng cất để tách khí N2, O2, He, Argon, v.v. Kỹ thuật này, còn được gọi là công nghệ Linde, vẫn được sử dụng rộng rãi để sản xuất khí trơ, N2, O2. Quá trình nén không khí đến áp suất 200 bar yêu cầu máy nén nhiều tầng, và đây là phần tiêu tốn nhiều điện năng nhất. Một phần năng lượng điện được phục hồi qua tua bin trong chu kỳ giãn nở.

Hiệu ứng Peltier

Khi dòng điện chạy qua hai tấm bán dẫn với tỷ lệ bán dẫn khác nhau, ví dụ như lượng dương tính hoặc âm tính khác nhau, ta quan sát thấy hiện tượng: tấm bán dẫn có tỷ lệ bán dẫn cao sẽ trở nên lạnh hơn, trong khi tấm bán dẫn với tỷ lệ thấp sẽ nóng lên. Đây là hiện tượng được gọi là hiệu ứng Peltier, thường được sử dụng để làm mát các linh kiện điện tử trong công nghệ điện tử, mạch điện và máy tính.

Làm lạnh qua từ tính

Một số hợp chất, chẳng hạn như Gadolinium, có khả năng sinh nhiệt khi bị từ tính hóa và làm lạnh khi mất từ tính. Do giá thành cao của hợp chất này, nó thường chỉ được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt và không phổ biến rộng rãi.

Làm lạnh qua phương pháp bay hơi

Mỗi loại dung dịch lỏng khi ở trong không khí đều có một áp suất bốc hơi nhất định, phụ thuộc vào nhiệt độ của dung dịch. Quá trình bốc hơi làm giảm nhiệt độ của dung dịch. Để tăng công suất bốc hơi và làm lạnh, cần tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của dung dịch với không khí. Phương pháp này thường được áp dụng trong các nhà máy nhiệt điện, nơi nước được phun thành dạng nhỏ qua các tháp nguội. Nước bốc hơi sẽ cùng với luồng không khí thoát ra ngoài. Thông thường, hiệu suất của các nhà máy nhiệt điện chỉ đạt khoảng 1/3 năng lượng đầu vào từ dầu khí hoặc than đá, nên phần lớn nhiệt năng phải thải ra ngoài qua tháp nguội. Vào những ngày khô ráo, bạn có thể thấy những đám mây hơi nước khổng lồ bốc lên từ các tháp nguội của nhà máy.

Ga lạnh và ô nhiễm môi trường

Trong chu trình làm lạnh, ga lạnh đóng vai trò là chất trung chuyển trong quá trình trao đổi nhiệt lượng: bốc hơi, nén khí, ngưng tụ và giãn khí. Ở giai đoạn đầu, ga Ammoniac (NH3) được sử dụng rộng rãi vì có năng lượng bốc hơi và ngưng tụ cao. Tuy nhiên, nó có một số nhược điểm kỹ thuật như ăn mòn kim loại (trừ sắt thép) và không hòa tan được dầu nhớt. Do đó, máy lạnh sử dụng ga Ammoniac thường phải làm từ sắt thép và yêu cầu thiết kế đặc biệt để đảm bảo bôi trơn. Ammoniac còn có đặc tính độc hại và dễ gây nổ khi trộn với không khí. Vì vậy, người ta đã chuyển sang sử dụng các hóa chất hữu cơ thuộc họ Methan, như CxHy có kết nối với Chlor hoặc Fluor, vì chúng an toàn hơn, bền hơn và dễ hòa tan dầu nhớt.

• An toàn, không gây hỗn hợp nổ và không độc hại. Ga lạnh loại này còn được gọi là chất chống nổ, chống cháy.
• Ổn định trong chu trình làm lạnh khép kín, không bị biến chất.
• Dễ hòa tan dầu nhớt, thuận tiện cho thiết kế máy nén.
• Không gây ăn mòn kim loại mềm, cho phép sử dụng các hợp chất đồng, nhôm trong các bộ phận làm lạnh như van tiết lưu, dàn lạnh, bình ngưng, áp kế, nhiệt kế và ống nối.
• Có áp suất bốc hơi cao hơn áp suất không khí bên ngoài, giúp ngăn ngừa không khí xâm nhập vào chu trình lạnh.
• Có áp suất ngưng tụ không quá cao, thuận tiện cho việc thiết kế các bộ phận và linh kiện lạnh.
• Có năng lượng bốc hơi và ngưng tụ cao.

• Các tính chất cơ bản của ga lạnh và hệ số ô nhiễm môi trường

Tên quốc tế của các loại ga lạnh thường bắt đầu bằng chữ R, viết tắt từ 'Refrigerant' trong tiếng Anh, có nghĩa là ga lạnh. Dù các ga lạnh này khá bền, nhưng khi được thải ra môi trường, chúng gây ô nhiễm vì những lý do sau:

Các ga lạnh chứa nguyên tử Chlor (Cl) khi lên cao sẽ bị tia cực tím từ mặt trời phân hủy. Các ion Cl- sinh ra sẽ phá hủy tầng Ozon bằng cách làm giảm lượng Ozon. Khi tia cực tím chiếu vào không khí, phân tử O2 bị tách thành 2 ion O-. Phản ứng hóa học tạo ra Ozon (O3) từ O2 và O-: O2 + O- ↔ O3. Tuy nhiên, Ozon không ổn định và tự tách ra thành O2 và O-. Phản ứng này cho thấy tầng Ozon chỉ tồn tại tạm thời dưới tác động của tia cực tím, và nó bảo vệ chúng ta khỏi các tia cực tím có hại. Sự hiện diện của ion Cl- làm giảm khả năng tạo Ozon, dẫn đến hiện tượng thủng tầng Ozon. Hệ số RODP (Relative Ozone Depletion Potential) đo lường mức độ phá hủy tầng Ozon so với ga lạnh R11. Các ga lạnh chứa Chlor có hệ số RODP cao, trong khi các ga không chứa Chlor có hệ số bằng 0. Do đó, các nước công nghiệp như châu Âu đã cấm sử dụng ga lạnh R12 và hạn chế R22. Đây là vấn đề gây tranh cãi vì hầu hết các ga lạnh được sử dụng trong chu trình khép kín, ít bị thải ra môi trường, trong khi ga dùng trong các bình xịt tóc, keo, sơn có lượng thải ra rất lớn.

Hiệu số GWP (Global Warming Potential) đo lường mức độ ảnh hưởng của các ga lạnh đối với hiện tượng ấm lên toàn cầu so với khí CO2. Hầu hết các ga lạnh hiện đại có hệ số GWP khá cao. Hiện nay, các nhà khoa học đang tìm kiếm các ga lạnh thay thế ít gây ô nhiễm hơn, nhưng vẫn chưa đạt được những tiến bộ đột phá.

Hiệu suất máy lạnh

Hiệu suất của máy lạnh được tính bằng tỷ lệ giữa công suất lạnh QK và công suất tiêu thụ của máy nén QA.

1. εL = QK / QA. Trong đó: Công suất của bình ngưng QH = QK + QA
2. εL = (QH – QA) / QA = QH / QA – 1

Khi đo được nhiệt độ bốc hơi tK của ga lạnh tại dàn lạnh và nhiệt độ ngưng tụ tH tại bình ngưng, bạn có thể tính toán hiệu suất của máy lạnh bằng công thức sau:

εL = ŋC. TK / (TH – TK) = ŋC. (tK + 273,15) / (tH – tK)

• Trong công thức trên:
  • TK.- nhiệt độ tuyệt đối của tK tính bằng Kelvin = tK + 273,15
  • TH.- nhiệt độ tuyệt đối của tH tính bằng Kelvin = tH + 273,15
  • ŋC.- Hiệu suất Carnot so với chu trình lý tưởng, trung bình khoảng 0,5 tức 50%.

Ví dụ: nếu máy điều hòa có tK = 10 °C và tH = 50 °C εL = ŋC. (10 + 273,15) / (50 – 10) = 3,5. Điều này có nghĩa là với 1 kW công suất tiêu thụ của máy nén, máy sẽ tạo ra 3,5 kW công suất lạnh.

Tài liệu tham khảo

• Sách 'Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik' của tác giả Recknagel/Sprenger/Schramer, xuất bản bởi R. Oldenbourg Verlag, München Wien năm 2000.
• IKET (Biên soạn): Sách 'Pohlmann-Taschenbuch der Kältetechnik: Cơ sở, ứng dụng, bảng làm việc và quy định'. Ấn bản lần thứ 19, đã được sửa đổi và mở rộng năm 2008. Nhà xuất bản C.F. Müller, Heidelberg 2008, ISBN 978-3-7880-7824-9.