1. Phương phỏp bay hơi khuyếch tỏn:
0 ) ( 0 ) ( lim lim 0 0 T R T T T R T S
Khi ta phun nước liờn tục vào khụng khớ khụ cú cựng nhiệt độ nước sẽ bay hơi khuyếch tỏn vào khụng khớ, lỳc đú độ ẩm của khụng khớ tăng lờn, một phần nhiệt lượng của khụng khớ tạo thành nhiệt ẩn ẩn vào bờn trong lượng hơi nước được phun vào kết quả làm cho khụng khớ giảm nhiệt độ, khụng khớ thay đổi trạng thỏi từ (1) đến (2) theo đường đẳng entalpi, làm cho độ ẩm ()khụng khớ tăngk, nhiệt lượng khụng khớ giảm xuống.
Đồ thị h – d: của khụng khớ ẩm Trong đú: h : là Entalpi. d : độ chứa hơi. t1 : nhiệt độ khụ. t2 : nhiệt độ ướt. ts : nhiệt độ động sương.
Ban đầu khụngkhớ ở trạng thỏi (1) sau đú điểm (2) thỡ độ ẩm tăng từ 1 max = 100%
2. Phương phỏp hũa trộn lạnh:
Cỏch đõy2000 năm người trung quốc và ấn độ đĩ biết làm lạnh bằng cỏch hũa trộn muối vào nước theo một tỷ lệ nhất định thỡ thu được dung dịch cú nhiệt độ thấp.
Vớ dụ: Nếu hũa trộn 31g NaNO3 vào 31g NH4Cl với 100g H2Oở nhiệt độ t0 = 100C thỡ hỗn hợp sẽ giảm nhiệt độ xuống đến –120C, hoặc ta lấy muối NaCl trộn vào nước hoặc nước đỏ thỡ ta thu được hỗn hợp cú nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ ban đầu. d d d1 d2 t, h 1350 t2 t1 ts 1 2 h1 1 =100% 3
3. Phương phỏp giản nở khi cú sinh cụng ngồi:
Đõy là phương phỏp làm lạnh nhõn tạo quan trọng, cỏc mỏy nộn lạnh làm việc theo nguyờn lý giản nở khi cú sinh cụng gọi là mỏy nộn khớ, phạm vi ứng dụng phương phỏp này rất rộng.
Nguyờn tắc làm việc của mỏy nộn lạnh nộn khớ được trỡnh bày như sau:
Hệ thống mỏy lạnh nộn khớ gồm bốn thiết bị tổng quỏt: mỏy nộn, bỡnh làm mỏt, mỏy dĩn nở, buồn lạnh, mụi chất lạnh là khụng khớ hooọăc khụng khớ bất kỳ và chu trỡnh đi từ (1)(2)(3)(4) tạo thành một chu trỡnh khộp kớn.
Trong đú: P0, Pkđược xỏc định theo cụng thức PVk = const q0 = mCpt0 = mCp(t1 – t4)
qk = mCpt1 = mCp(t2– t3)
4. Phương phỏp tiết lưu khụng sinh ngoại cụng –Hiệu ứng Jonle -thomson : a. Tiết lưu khụng sinh ngoại cụng :
Cú thề giản nở khớ khụng sinh ngoại cụng bằng cỏch tiết lưu khớ qua cơ cấu tiết lưu từ ỏp suất cao P1 xuống ỏp xuất thấp hơn P2 khụng cú trao đổi nhiệt với mụi trường bờn ngồi.
W1 (1) (2) W2
Áp dụng phương trỡnh cõn bằng nhiệt viết cho một kg mụi chất ở điểm (1) và điểm (2) ta cú: q0 Pn Maựy Maựy daừn Buồng Bỡnh laứm Pdn qm 1 2 3 4 q0 T0 Tk T S1 S2 S (Entropi) S1 S2 1 2 3 4 P0 = const Pk = const
q1 = h1 + 2 2 1 w q2 = h2 + 2 2 2 w + l12 h1 + 2 2 1 w = h2 + 2 2 2 w + l12 h1 = h2 + 2 2 1 2 2 w w + l12 nhưng l12 = 0, vỡ khụng sinh cụng, 2 2 2 2 1 w w 0 , vỡ điểm (1) và (2) cỏch xa nhau nờn w1 w2 , do đú w12 – w22 0.
h1– h2 = 0 h1 = h2 quỏ trỡnh tiết lưu là quỏ trỡnh đẳng entanpi. Mặt khỏc theo định luật nhiệt động học thứ nhất ta cú:
q = dh + wdw = 0 q = dh – vdp = 0
wdw = - vdp dp.dw < 0 . Vỡ qua khe hẹp ta cú tốc độ W tăng cú nghĩa dw > 0 dp < 0 như vậy p là một hàm nghịch biến do đú ỏp suất giảm p2 > p1
b. Hiệu ứng Junlen -Thomson:
Vào những cuối thế kỷ 19 Junlen -Thomson đĩ tỡm ra hiệu ứng trong quỏ trỡnh tiết lưu như sau:
Khi cho dũng mụi chất (khớ thực) đi qua cơ cấu tiết lưu Junlen -thomson đĩ phỏt hiện ra độ biến thiờn nhiệt độ theo ỏp suất của cỏc nhúm khớ thực khỏc nhau nú thay đổi theo chiều hướng khỏc nhau. Và Junlen -thomson gọi độ biến thiờn nhiệt độ theo ỏp suất bằng một đại lượng là i và đại lượng này được biểu diễn theo phương trỡnh sau:
Như vậy khi quỏ trỡnh tiết lưu được thực hiện thỡ cú cỏc trường hợp xảy ra như sau:
+ Nếu i > 0 cú nghĩa T = f(p) là một hàm đồng biến, vỡ vậy sau quỏ trỡnh tiết lưu cú ỏp suất giảm nú sẽ kộo theo nhiệt độ giảm. Trong trường hợp này nú đỳng cho nhúm khớ thực của cỏc mụi chất lạnh sử dụng trong hệ thống lạnh.
Tửứ q1 = q2 vỡ quaự trỡnh ủoán nhieọt khõng thuaọn nghũch nẽn dS > 0 p p i c v T v T P T ' .
+Nếu i < 0 cú nghĩa T = f(p) là một hàm nghịch biến, vỡ vậy sau quỏ trỡnh tiết lưu cú ỏp suất giảm nú sẽ kộo theo nhiệt độ tăng. Trong trường hợp này nú đỳng cho nhúm mụi chất sử dụng trong cỏc trường hợp đặc biệt.
+Nếu i = 0 cú nghĩa T = f(p) là một hàm hằng cú nghĩa là nhiệt độ khụng thay đổi trong quỏ trỡnh tiết lưu . Trong trường hợp này nú đỳng cho nhúm khớ lý tưởng bởi vỡ:
Ta cú pv = RT Từ đú ta suy ra:
Thay vào phương trỡnh I ta được:
Điều này hồn tồn đỳng với khớ lý tưởng khi i = 0
5. Giĩn nở khớ trong ống khớ :
Năm 1933 Ranque (Mỹ) đĩ mụ ta về một hiệu ứng đặc biệt trong ống xoắn như sau: Khi cho một khụng khớ cú P = 6atm ở t0 = 200C thổi tiếp tuyến với thành ống, vuụng gúc với trục ống 12mm thỡ nhiệt độ thành ống tăng lờn trong khi nhiệt độ ở tõm ống giảm xuống, khi đặc tấm chắn sỏt dũng thổi tiếp tuyến cú đường ống kớnh lỗ d << 12mm, thỡ giú lạnh sẽ đi qua tấm chắn cũn giú núng đi theo chiều ngược lại hiệu nhiệt độ lờn đến 700K, nhiệt độ phớa lạnh đạt tới –120C, phớa núng 580C, ỏp suất sau khi giản nở bằng ỏp suấtkhớ quyển.
Ngồi ra cũn một số phương phỏp lạnh khỏc nhưng ớt gặp như làm lạnh theo hiệu ứng nhiệt điện, hiệu ứng pelter, theo phương phỏp khớ đoạn nhiệt húa lỏng hoặc thăng hoa vật rắn, húa hơi chất lỏng.
6. Hiệu ứng nhiệt điện, hiệu ứng Peltier :
Năm 1821 Seebeck (Đức) đĩ phỏt hiện ra rằng trong một vũng dõy dẫn kớn gồm hai kim loại khỏc nhau, nếu đốt núng một đầu nối và làm lạnh đầu kia thỡ xuất hiện một dũng điện trong dõy dẫn.
Noựng Lá Mieọng Mieọng P R p v P 0 . ' cP i v P R T
Đến 1834 Peltier (Mỹ) phỏt hiện ra hiện tượng ngược lại là nếu cho một dũng điện một chiều đi qua vũng dõy dẫn kớn gồm hai kim loại khỏc nhau thỡ một đầu nối sẽ núng lờn và đầu kia lạnh đi.
Hiệu ứng Peltier được gọi là hiệu ứng nhiệt điện và được ứng dụng trong đo đạc nhiệt độ và cả trong kỹ thuật lạnh. Để đạt được độ chờnh nhiệt độ lớn người ta phải sử dụng cỏc cặp nhiệt điện thớch hợp gồm cỏc chất bỏn dẫn đặt biệt của bismỳt, antimon, sờlen và cỏc phụ gia.
Hỡnh dưới đõy mụ tả cỏch bố trớ một cặp nhiệt điện. Khi nối với dũng điện một chiều, một phớa sẽ lạnh xuống và một phớa sẽ núng lờn.
Cặp nhiệt điện
Hiệu nhiệt độ cú thể đạt tới 60K. Mỏy lạnh nhiệt điện được sử dụng khỏ rộng rĩi nhưng năng suất lại nhỏ từ (30-100)W.
* ưu điểm chớnh của tủ lạnh nhiệt điện là:
- khụng gõy tiếng ồn, khụng cú chi tiết truyờn động.
- Gọn nhẹ, chắc chắn, dễ mang xỏch, khụng cần mụi chất lạnh.
- Chỉ cần thay đổi chiều đấu điện là chuyển được từ tủ lạnh sang tủ núng và ngược lại.
- Chỉ cần điện ắc qui một chiều, tiện lợi cho du lịch và nụng thụn.
* Nhưng tủ lạnh này cũng cú những nhược điểm:
- Hệsố lạnh thấp, tiờu tốn điện năng lớn. - Giỏ thành cao.
- Khụng trữ lạnh và núng được vỡ cỏc cặp nhiệt điện là cỏc cầu nhiệt lớn cõn bằng nhanh nhiệt độ trong và ngồi.
7. Phương phỏp khử từ đoạn nhiệt:
(-) (+) Q0 Qr 4 2 3 1 5 1
1 -ẹồng thanh phớa noựng.
2, 3 -Caởp kim loái baựn daĩn khaực tớnh. 4 -ẹồng thanh phớa lánh.
Đõy là phương phỏp sử dụng trong kỹ thuật cryụ để hạ nhiệt độ sụi của hờli (3-4) K xuống gần nhiệt độ khụng tuyệt đối, khoảng 10-3K. Nguyờn tắc làm việc như sau: Người ta sử dụng loại muối nhiễm từ, ở quỏ trỡnh nhiễm từ giữa hai cực từ mạnh, cỏc tinh thể được sắp xếp theo thứ tự, muối tỏa ra một nhiệt lượng nhất định, lượng nhiệt này truyền ra ngồi để bay hơi Hờli lỏng. Quỏ trỡnh nhiễm từ và tỏa nhiệt kết thỳc, từ trường bị ngắt, muối khử tứ đoạn nhiệt, nhiệt độ giảm đột ngột và tạo ra năng suất lạnh q0. Lặp lại cỏc quỏ trỡnh đú nhiều lần sẽ tạo ra nhiệt độ rất thấp.
8. Húa lỏng hoặc thăng hoa vật rắn:
Húa lỏng và thăng hoa vật rắn để làm lạnh là phương phỏp chuyển pha của chất tải lạnh như nước đỏ và đỏ khụ.
Nước đỏ khi tan ở 00C thu được một nhiệt lượng 333kj ( 79,5kcal). Nếu cần nhiệt độ thấp hơn, phải hũa trộn đỏ vụn với muối ăn hoặc muối CaCl2 . Nhiệt độ thấp cú thể đạt được với nước đỏ muối là – 21,20C ở nồng độ muối 23% trong nước đỏ.
Nước đỏ và nước đỏ muối được sử dụng rộng rĩi nhất trong cụng nghiệp đỏnh bắt hải sản vỡ cú ưu điểm rẻ tiền, khụng độc hại và ẩn nhiệt húa lỏng lớn, nhược điểm là gõy ẩm ướt cho sản phẩm bảo quản. Nước mưối đỏ cú tớnh ăn mũn.
Đỏ khụ là CO2ở dạng rắn. Khi sử dụng, nú chuyển từ dạng rắn sang dạng hơi, khụng để lại lỏng nờn gọi là đỏ khụ. Ngày nay đỏ khụ cú ý nghĩa cụng nghiệp lớn, đặc biệt dựng làm lạnh trờn phương tiện vận tải. Nhiệt ẩn húa hơi (thăng hoa) của đỏ khụ là 572,2kj/kg ở nhiệt độ –78,50C. Khi tăng lờn 00C năng suất lạnh riờng của đỏ khụ là 637,3kj/kg. Đỏ khụ cú rất nhiều ưu điểm: ẩn nhiệt thăng hoa lớn, năng suất thể tớch lớn, khụng làm ẩm ướt sản phẩm, CO2 cú khả năng kỡm hĩm vi sinh vật phỏt triển, nhược điểm là đỏ khụ khỏ đắt tiền.
9. Bay hơi chất lỏng:
Quỏ trỡnh bay hơi chất lỏng bao giờ cũng gắn liền với quỏ trỡnh thu nhiệt. Nhiệt lượng cần thiết để bay hơi một kg chất lỏng gọi là nhiệt ẩn bay hơi r. Vỡ nhiệt ẩn bay hơi của chất lỏng bao giờ cũng lớn hơn nhiều nhiệt ẩn húa rắn nờn hiệu ứng lạnh lớn hơn.
Chất lỏng bay hơi đúng vai trũ là mụi chất lạnh và chất tải lạnh quan trọng trong kỹ thuật lạnh.C
Nitơ lỏng được coi là chất tải lạnh quan trọng đặc biệt trong sinh học cryụ. Nhiều trường hợp, nitơ lỏng vừa là chất tải lạnh vừa là chất để bảo quản vỡ nitơ là loại khớ trơ cú tỏc dụng kỡm hĩm quỏ trỡnh sinh húa trong sản phẩm bảo quản.
Nitơ lỏng sụi nhiệt độ ở nhiệt độ –1960C . Nhiệt ẩn húa hơi là 200kj/kg. Nếu tăng lờn nhiệt độ 00C, nitơ lỏng thu một nhiệt lượng cũng khoảng 200kj/kg, như vậy năng suất lạnh riờng q0gần bằng 400kj/kg ở nhiệt độ 00C.
Cỏc mụi chất lỏng cho mỏy lạnh nộn hơi, hấp thu và ejecter là NH3/H2O, cỏc loại freon đều thực hiện quỏ trỡnh thu nhiệt ở mụi trương lạnh bằng quỏ trỡnh bay hơi ở ỏp suất thấp và nhiệt độ thấp, và thải nhiệt ra mụi trường bằng quỏ trỡnh ngưng tụ ở ỏp suất cao và nhiệt độ cao.
Bài 2- MễI CHẤT LẠNH VÀ CHẤT TẢI LẠNH. I. Mụi chất lạnh:
Mụi chất lạnh cũn gọi là tỏc nhõn lạnh, gas lạnh hay cụng lạnh, là chất mụi giới sử dụng trong chu trỡnh nhiệt động ngược chiều để thu nhiệt với mụi trường cú nhiệt độ thấp và thải ra mụi trường cú nhiệt độ cao hơn, mụi chất tuần hồn trong (mỏy nộn) hệ thống lạnh nhờ quỏ trỡnh nộn của mỏy nộn.