1. Lịch sử phỏt triển của kỹ thuật lạnh:
Con người đó biết làm lạnh và sử dụng lạnh cỏch đõy rất lõu, ngành khảo cổ học đó phỏt hiện ra những hang động mạch nước ngầm cú nhiệt độ thấp, chảy qua dựng để chứa thực phẩm và lương thực từ 5000 năm trước, và trải qua hàng ngàn năm ngành kỹ thuật lạnh cũng phỏt triển khụng đỏng kể.
Núi một cỏch chớnh xỏc, ngành kỹ thuật lạnh hiện đại bắt đầu phải kể từ khi giỏo sư Block tỡm ra nhiệt ẩn húa hơi và nhiệt ẩn núng chảy vào năm 1761 1764, từ đú con người biết làm lạnh bằng cỏch cho bay hơi chất lỏng ở ỏp suất thấp. Kể từ đú một số nhà bỏc học phỏt triển ngành kỹ thuật lạnh cho đến nay khỏ hồn hảo và đó tạo ra một hệ thống lạnh khỏ hoàn chỉnh.
2. ý nghĩa kinh tế của ngành kỹ thuật lạnh:
*. ứng dụng lạnh trong bảo quản thực phẩm:
Lĩnh vực ứng dụng quan trọng nhất của kỹ thuật lạnh là bảo quản thực phẩm. Thực phẩm như cỏc loại rau, quả, thịt, cỏ, sữa… là những thức ăn để bị ụi, thiu do vi khuẩn gõy ra và do một số phản ứng húa oxy húa gõy ra. Nhưng khi ở nhiệt độ thấp cỏc vi sinh vật ngừng hoạt động, cú thể chết, ngoài ra khi nhiệt độ thấp làm cho q trỡnh oxy húa sản phẩm khơng xảy ra. Vỡ vậy giữ được thực phẩm như ở trạng thỏi ban đầu.
Hiện nay người ta ứng dụng kỹ thuật lạnh vào y học để lưu trữ gen…
Núi chung ngành kỹ thuật lạnh ứng dụng trong cụng nghệ thực phẩm hết sức là quan trọng trong việc sản xuất chế biến, bảo quản nguyờn liệu, sản phẩm trong những lỳc thu mua cũng như những lỳc tiờu thụ.
*. Sấy thăng hoa:
Vậy sấy được làm đụng lạnh ở t0 = -200C và sau đú hỳt chõn khơng nờn sấy thăng hoa là một phương phỏp hiện đại hầu như khụng làm giảm chất lượng của thực phẩm, và nước được rỳt ra gần như hoàn toàn.
*. Ứng dụng lạnh trong cơng nghiệp húa chất:
Trong cụng nghiệp cỏc húa chất cần được húa lỏng khi nú ở dạng khớ như Clo, amoniac, CO2, SO2, HCl…thỡ cần phải hạ nhiệt độ xuống thấp, cộng với cụng nghệ dầu khớ kỹ thuật lạnh được ứng dụng tinh luyện, để tỏch cỏc chất khớ
GIÁO TRèNH KỸ THUẬT LẠNH
hydrocacbon ra thành cỏc thành phần tinh khiết để sử dụng cho cỏc mục đớch khỏc nhau.
*. Ứng dụng trong việc điều hịa khơng khớ:
Trong mụi trường làm việc của con người cần phải tạo ra mơi trường thớch hợp cú nhiệt độ và độ ẩm tương đối ổn định, nhiệt độ thớch hợp là t = (18 – 26)0C và độ ẩm thớch hợp là = (65 – 80 )% , nếu con người làm việc trong mụi trường như vậy thỡ năng suất lao động nõng cao, sản phẩm tạo ra cú chất lượng tốt, giảm tối thiểu chi phớ phế phẩm, tăng được doanh thu, tạo ra đà phỏt triển cho nền kinh tế, để cú mơi trường như vậy cần phải cú hệ thống lạnh điều hũa nhiệt độ, hệ thống lạnh điều hũa trung tõm, …v.v . Thụng thường kỹ thuật điều hịa khơng khớ sử dụng trong nhiều lỉnh vực như trong lao động sản xuất, trong cỏc khu thương mại, trong cỏc bệnh viện, …v.v . Ngồi ra nú cịn được sử dụng trong việc bảo quản mỏy múc và thiết bị, bảo dưởng, bảo trỡ cụng nghiệp…v.v.
*. ứng dụng trong việc tạo ra chất siờu dẫn:
Trong kỹ thuật bỏn dẫn và siờu dẫn khi ta hạ thấp nhiệt độ, nhiệt độ cú độ õm sõu thỡ điện trở của chất bỏn dẫn đặc biệt tiến đến khụng và trở thành chất siờu dẫn, như vậy tổn thất năng lượng điện trờn đường dõy xem như bằng khụng (vỡ nú rất nhỏv). Lợi dụng tớnh chất này ngưởi ta tạo ra chất siờu dẫn.
Theo định luật Heck: Như vậy:P 0
*. Ứng dụng trong sinh học:
Trong cụng nghệ sinh học như cụng nghệ tế bào, cụng nghệ gen người ta ứng dụng nhiệt độ lạnh sõu từ (-70 -90 )0C để bảo quản và bảo tồn gen (đặc biệt là gen người và một số loại động vậtủ, thực vật quý hiếm) phục vụ cho quỏ trỡnh nghiờn cứu trong ngành cụng ngệ sinh học lai tạo giống, thụ tinh nhõn tạo và trong q trỡnh phõn tớch…v.v.
*. Ứng dụng trong một số cỏc lỉnh vực khỏc:
Trong thể thao như làm sõn trượt băng nghệ thuật, trong kỹ thuật đo, tự động và một số ứng dụng khỏc…v.v.
II. Cỏc phương phỏp làm lạnh nhõn tạo.
1. Phương phỏp bay hơi khuyếch tỏn:
0 ) ( 0 ) ( lim lim 0 0 T R T T T R T S
GIÁO TRèNH KỸ THUẬT LẠNH
Khi ta phun nước liờn tục vào khơng khớ khơ cú cựng nhiệt độ nước sẽ bay hơi khuyếch tỏn vào khơng khớ, lỳc đú độ ẩm của khơng khớ tăng lờn, một phần nhiệt lượng của khơng khớ tạo thành nhiệt ẩn ẩn vào bờn trong lượng hơi nước được phun vào kết quả làm cho khơng khớ giảm nhiệt độ, khơng khớ thay đổi trạng thỏi từ (1) đến (2) theo đường đẳng entalpi, làm cho độ ẩm ()khơng khớ tăngk, nhiệt lượng khơng khớ giảm xuống.
Đồ thị h – d: của khơng 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 đó 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 H2O ở 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
GIÁO TRèNH KỸ THUẬT LAẽNH
3. Phương phỏp giản nở khi cú sinh cơng 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 cơng 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 dón nở, buồn lạnh, mụi chất lạnh là khơng khớ hooọăc khơng khớ bất kỳ và chu trỡnh đi từ (1)(2)(3)(4) tạo thành một chu trỡnh khộp kớn.
Trong đú: P0, Pk được 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 khơng sinh ngoại cụng bằng cỏch tiết lưu khớ qua cơ cấu tiết lưu từ ỏp suất cao P1 xuống ỏp xuất thấp hơn P2 khơng cú trao đổi nhiệt với mơi 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 Mỏy dón Buồng Bỡnh làm Pdn qm 1 2 3 4 q0 T0 Tk T S1 S2 S (Entropi) S1 S2 1 2 3 4 P0 = const Pk = const
GIÁO TRèNH KỸ THUẬT LẠNH 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 khơng sinh cơng,
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 đó 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 đó 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.
Từ q1 = q2 vỡ quỏ trỡnh đoạn nhiệt khụng thuận nghịch nờn dS > 0 p p i c v T v T P T ' .
GIÁO TRèNH KỸ THUẬT LẠNH
+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 mơi 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. Gión nở khớ trong ống khớ :
Năm 1933 Ranque (Mỹ) đó mụ ta về một hiệu ứng đặc biệt trong ống xoắn như sau: Khi cho một khơng khớ cú P = 6atm ở t0 = 200C thổi tiếp tuyến với thành ống, vng 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 dịng thổi tiếp tuyến cú đường ống kớnh lỗ d << 12mm, thỡ giú lạnh sẽ đi qua tấm chắn cịn 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 cịn 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) đó phỏt hiện ra rằng trong một vịng 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.
Núng Lạ Mieọng Mieọng P R p v P 0 . ' cP i v P R T
GIÁO TRèNH KỸ THUẬT LẠNH
Đến 1834 Peltier (Mỹ) phỏt hiện ra hiện tượng ngược lại là nếu cho một dũng điện một chiều đi qua vịng 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 mơ 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 rói nhưng năng suất lại nhỏ từ (30-100)W.
* ưu điểm chớnh của tủ lạnh nhiệt điện là:
- khụng gõy tiếng ồn, khơng 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.
- Khơng trữ lạnh và núng được vỡ cỏc cặp nhiệt điện là cỏc cầu nhiệt lớn cõn bằng nhanh nhiệt độ trong và ngoài.
7. Phương phỏp khử từ đoạn nhiệt:
(-) (+) Q0 Qr 4 2 3 1 5 1 1 -Đồng thanh phớa núng. 2, 3 -Cặp kim loại bỏn dẫn khỏc tớnh. 4 -Đồng thanh phớa lạnh. 5 -Cỏnh tản nhieọt.
GIÁO TRèNH KỸ THUẬT LẠNH
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 ngoài 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 q 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 rói 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 mịn.
Đỏ khụ là CO2 ở 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 khơ cú ý nghĩa cơng 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 khơ 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 hóm vi sinh