Chương 1 CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG CỦA MÁY LẠNH 1.1 Khái niệm về nóng và lạnh Khái niệm về nóng: Nếu được cung cấp nhiệt, sự chuyển động của các phân tử của vật thể nhanh lên và vật thể đó nóng lên. Khái niệm về lạnh: Khi bị mất nhiệt thì sự chuyển động của các phân tử sẽ chậm lại và vật thể bi lạnh đi. Như vậy sự chuyển động của các phân tử là nguyên nhân làm cho vật thể nóng lên hay lạnh đi. Sự làm lạnh một vật thể đến nhiệt độ môi trường xung quanh diễn ra một cách tự nhiên bằng cách mất đi nhiệt cho môi trường (không khí, nước) không cần đến kỹ thuật lạnh.
Muốn làm lanh vật thề đến nhiệt độ tháp hơn nhiệt độ môi trường xung quanh chỉ có thể thực hiện được bằng các máy lạnh hoặc bằng các nguồn lạnh khác (ví dụ như nước đá). Trạng thái nhiệt cùa một vật thể được đặc trưng bởi nhiệt độ. Trong hệ thống đơn vị quốc tế người ta sử dụng hai thang đo nhiệt độ: nhiệt độ Kelvin T,K (còn gọi là nhiệt độ tuyệt đối) và nhiệt độ Celcius t, oC. Quan hệ giữa hai nhiệt độ như sau: t = T – 273oC Đơn vị đo nhiệt lượng: [J] Trong hệ thống đơn vị quốc tế, đơn vị đo nhiệt lượng được sử dụng là Joule (J), tức là công sinh ra khi có 1 lực là 1 Newton thực hiện một quãng đường dài là 1m.
Để thuận lợi hơn người ta sử dụng KiloJoule (KJ) bằng 1000J. Ngoài ra cón có đơn vị nhiệt lượng khác là Kilocalo (Kcal), tức là nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của 1kg nước từ 19,5 oC đến 20,5oC ở áp suất khí quyển. 1 Kcal = 4186,8J = 4,1868 KJ Để nung nóng một khối lượng như nhau của các vật thể khác nhau đến một số nhiệt độ như nhau cần có một nhiệt lượng khác nhau. Điều đó có nghĩa là nhiệt dung của các vật thể phụ thuộc vào tính chất vật lý của chúng.
Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần thiết để nung nóng hoặc làm lạnh 1Kg vật chất lên hoặc xuống 1 độ. 1 Kcal/Kg độ = 4186,8J/Kg.K 1 Nhiệt dung của các chất lỏng và chất rắn phụ thuộc vào nhiệt độ của chúng. Khi nhiệt độ giảm, nhiệt dung của đa số các chất đều giảm.2 Phương pháp tạo ra nhiệt độ thấp 1.1 Làm lạnh khi các chất biến đổi pha Trạng thái của một chất (thể rắn, thể lỏng, thể khí) phụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài: nhiệt độ t và áp suất P. Khi cò sự thay đỗi các điều kiện đó thì mối liên kết giữa các phân tử vật thể cũng thay đổi và vật thể đó được chuyển sang một trạng thái khác.
Sự biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác của một vật thể đồng nhất gọi là biến đổi pha. Sự biến đổi pha của các chất đồng nhất diễn ra ở nhiệt độ không đổi, phụ thuộc vào các điều kiện biến đổi và các tính chất vật lí của các chất, có kèm theo sự tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt một lượng cần thiết để thay đổi mối liên kết giữa các phân tử. Quá trình biến đổi trang thái của một chất được chỉ ra trên hình 1.1 bởi biểu đồ biến đổi pha của cacbonic. Đường AB trên biểu đồ phân chia vùng chất rắn và chất khí, đường AC phân chia vùng chất rắn và chất lỏng, đường AD phân chia vùng chất lỏng và chất khí.
Ở các điểm đặc biệt trên các đường AB, AC, AD vật thể có thể đồng thời ở cả hai pha: rắn và khí, rắn và lỏng, lỏng và khí. Trạng thái như vậy được gọi là trạng thái ba thể. Các thông số của điểm ba thể phụ thuộc vào các tính chất vật lý của vật thể. Khi t > tth (ở điểm tới hạn D) chỉ còn một thể khí.
2 Sự biến đổi pha là quá trình vật lý không kèm theo sự biến đổi hóa học. Có một số chất khí biến đối pha (nóng chảy, sôi, thăng hoa) thì thu một nhiệt lượng khá lớn ở nhiệt độ thấp, cho nên chúng có thể sử dụng để làm lạnh.2 Sự nóng chảy Sự nóng chảy của nước đá được sử dụng rất nhiều để lám lạnh ở nhiệt độ t>0oC. Muốn đạt được nhiệt độ thấp hơn người ta trộn thêm vào nước đá (hoặc tuyết) một lượng các loại muối. Các loại muối này khi hòa tan trong hỗn hợp với nước đá sẽ thu nhiệt và làm lạnh hỗn hợp đến nhiệt độ tương đối thấp.
Ví dụ như hỗn hợp nước đá với muối NaCl có thể làm lạnh đến nhiệt độ -21,2oC và với muối CaCl2 thì có thẻ đến -55oC. Nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy 1Kg nước đá hoặc 1Kg hỗn hợp gọi là nhiệt nóng chảy. Nhiệt độ nóng chảy của các thành phần dung dịch càng giảm thì các thành phần dung dịch càng giảm. Trong thực tế người ta thường sử dụng nước đá làm từ các dung dịch 3 thể có nhiệt độ nóng chảy thấp được xác định ở điểm 3 thể.
Ví dụ, các dung dịch Na2S2O3 và NaNO3 có nhiệt độ đông đặc -11oC và -18,5oC. Nhiệt độ thấp có thể nhận được khi hỗn hợp nước đá với các loại axit loãng. Ví dụ, hỗn hợp với số lượng như nhau giữa H2SO4 nồng độ 66% và tuyết hoặc đá nghiền vụn sẻ có nhiệt độ đông đặc -37oC.3 Sự sôi Quá trình sôi diễn ra khi cung cấp nhiệt cho một chất lòng. Nhiệt lượng cần thiết để làm 1Kg chất lỏng biến thành hơi bão hòa khô gọi là nhiệt ẩn hóa hơi qh.
Để làm lạnh người ta sử dụng các chất lỏng có nhiệt độ sôi to thấp ở áp suất Po bình thường và có nhiệt ẩn hóa hơi lớn; to phụ thuộc vào Po khi Po tăng thì to tăng, còn qh thì giảm. Quá trình sôi của chất lỏng được áp dụng rộng rãi trong chu trình lạnh.4 Thăng hoa Quá trình biến đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí không qua trạng thái lỏng trung gian gọi là thăng hoa. Để làm lạnh người ta còn sử dụng cacbonic rắn thăng hoa hay còn gọi la “đá khô”. Nhiệt độ thăn hoa của đá khô ở áp suất khí quyển la -78,9oC, nhiệt ẩn thăng hoa bằng 574 KJ/Kg (137 Kcal/Kg); nếu áp suất giảm, có thể giảm nhiệt độ thăng hoa của đá khô đến -100oC.5 Làm lạnh bằng cách giãn nở khí Trong quá trình dãn nở đoạn nhiệt của một chất khí, nhiệt độ sẽ giảm xuống, vì rằng ngoại công lúc bấy giờ sinh ra là do nội năng của chất khí.
Mối liên hệ giữa t và P trong quá trình dãn nở đoạn nhiệt đối với một chất khí lý tưởng như sau: , với K là số mũ đoạn nhiệt. Nếu không khí nén đến áp suất 90 bar ở t 1 = 25oC và cho dãn nở đến 1 bar với K = 1,4; nhiệt độ cuối T2 sẽ bằng : hay là t2 = 82,4 – 273 = - 190,6oC (1bar = 105Pa = 1. Nguyên lý làm việc của máy lạnh nén khí (a) Sơ đồ thiết bị ; (b) Chu trình lạnh biểu diễn trên đồ thị T-s. - Cấu tạo: + Bao gồm máy nén, bình làm mát trung gian, máy giãn nở và buồng lạnh.
+ Môi chất lạnh: Không khí hay chất khí bất kỳ không biến đổi pha trong chu trình. - Nguyên lý hoạt động: + Quá trình 1 – 2: Xảy ra ở tại máy nén, không khí được nén đoạn nhiệt S 1 = const. 4 + Quá trình 2 – 3: Xảy ra tại bình làm mát, không khí thải nhiệt cho môi trường, P = const. + Quá trình 3 – 4: Xảy ra tại máy giãn nở, không khí giãn nở đoạn nhiệt S2 = const, nhiệt độ thấp, áp suất thấp.
+ Quá trình 4 – 1: Xảy ra tại buồng lạnh (phòng lạnh), không khí thu nhiệt của môi trường ở po = const và nóng dần lên đến điểm 1 do đó khép kín vòng tuần hoàn. - Nhận xét : + Quá trình máy lạnh nén khí gồm hai quá trình nén và giãn nở đoạn nhiệt với hai quá trình trình thu và thải nhiệt đẳng áp nhưng không đẳng nhiệt. + Công của chu trình bằng diện tích (1 - 2 - 3 - 4) biểu diễn trên đồ thị T-s. + Nhiệt độ to (nhiệt độ phòng lạnh) đạt được phụ thuộc vào t3, áp suất P1 và P2.
- Đặc điểm: Đây là phương pháp tạo ra nhiệt độ thấp quan trọng. Máy làm việc theo nguyên lý giãn nở khí có sinh ngoại công gọi là máy lạnh nén khí. - Phạm vi ứng dụng: Phương pháp tạo ra nhiệt độ thấp này được áp dụng ứng dụng rộng rãi từ máy điều tiết không khí cho đến trong kỹ thuật siêu lạnh (kỹ thuật Cryo) ở các máy lạnh không khí để sản xuất Nitơ, oxy hóa lỏng, hóa lỏng không khí và tách khí, hóa lỏng khí đốt.6 Làm lạnh bằng tiết lưu (hiệu ứng Joule-Thomson) Hình 1. Tiết lưu không sinh ngoại công của một dòng môi chất Tiết lưu là một quá trình giảm áp suất của một chất lỏng hoặc chất khí khi chuyển động qua cửa nghẽn (van).
Trong quá trình này không có sinh công và entanpi không đổi. Nội năng của chất khí dùng để thắng ma sát bên trong khi chuyển động qua cửa nghẽn. 5 Sự thay đổi nhiệt độ của khí lý tưởng bị tiết lưu gọi là hiệu ứng Joule- Thomson. Hiệu ứng này được sử dụng trong kỹ thuật siêu lạnh.
Sự giảm nhiệt độ trong quá trình tiết lưu ít hơn nhiều so với quá trình dãn nở đoạn nhiệt.7 Làm lạnh bằng hiệu ứng xoáy Năm 1931 một kỹ sư người Pháp tên là Rank đã đề nghị một phương án làm lạnh bằng hiệu ứng xoáy. Thiết bị gồm có một “ống xoáy” đặc biệt: Hình 1. Ống xoáy Không khí được nén và làm lạnh đến nhiệt độ môi trường và đi vào ống phun. Sau khi dãn nỡ dòng khí có vận tốc rất lớn tạo thành dòng xoáy.
Tốc độ góc ở ngoài cùng thì nhỏ, còn ở gần tâm trục thì rất lớn. Khi chuyển động đến van tiết lưu do ma sát giữa các lớp khí, dòng có tốc độ góc hầu như không đổi, tức là ở các lớp bên trong tốc độ giảm còn ở bên ngoài thì tăng. Cho nên có sự truyền động năng từ các lớp trong cho các lớp ngoài và làm tăng nhiệt độ của các lớp ngoài, còn các lớp khí bên trong thì lạnh đi. Kết quả là các lớp khí bên ngoài (đi qua van tiết lưu) thì nóng, còn các lớp khí bên trong (đi qua cửa nghẽn) thì lạnh.
p ở nhiệt độ môi trường Thí nghiệm cho thấy không khí có áp suất vừa phải có thể chấp nhận được một dòng khí lạnh (-10 -50oC) và dòng khí nóng (100 130)oC. Quá trình làm lạnh trong ống xoáy đòi hỏi rất nhiều điện năng.
