Nếu bạn đang làm trong những tòa nhà cao tầng hay những khu sản xuất thông thường thì việc lắp đặt máy lạnh là điều hết sức bình thường.
Ngoài việc làm cho không khí mát mẻ dễ chịu thì nó còn giúp bảo vệ bạn khỏi thời tiết nóng bức bên ngoài. Tuy nhiên việc vận hành hay hóa học xung quanh nó là điều không phải ai cũng hiểu rõ.
Vì thế để giúp cho các bạn hiểu rõ hơn về vấn đề này, chủ đề của chúng ta hôm nay sẽ là hóa học của máy lạnh và những điều thú vị xung quanh nhé!
Đôi nét về lịch sử
Máy lạnh hay máy điều hòa không khí là một trong những phát minh quan trọng nhất của thời hiện đại.
Vì thế trước khi đi vào nội dung chính của bài, chúng ta sẽ tìm hiểu qua một số cột mốc quan trọng trong lịch sử của máy lạnh.
1851: Tiến sĩ John Gorrie ở Florida thiết kế một cỗ máy tạo ra băng bằng máy nén chạy bằng ngựa, nước, cánh buồm chạy bằng gió hoặc hơi nước.
Ông đã trình diễn thành công máy làm đá vào năm 1848 và được cấp bằng sáng chế của Hoa Kỳ cho nó vào năm 1851.
1902: Willis Carrier phát minh ra bộ điều hòa không khí điện hiện đại đầu tiên như một cách để giải quyết vấn đề độ ẩm cho một công ty xuất bản.
1904: Tại Hội chợ Thế giới St. Louis, các nhà tổ chức sử dụng điện lạnh cơ học để làm mát Tòa nhà Bang Missouri, đánh dấu lần đầu tiên công chúng Mỹ tiếp xúc với khái niệm làm mát thoải mái.
1906: Chủ sở hữu nhà máy dệt Stuart W. Cramer của Bắc Carolina sử dụng thuật ngữ “điều hòa không khí” trong một tuyên bố bằng sáng chế mà ông nộp để mô tả kỹ thuật kiểm soát độ ẩm và thay đổi không khí của các nhà máy dệt.
Năm 1908, G.B. Wilson trở thành người đầu tiên sử dụng thuật ngữ này trong sách giáo khoa.
1922: Để giúp cải thiện hiệu suất và giảm chi phí cho máy điều hòa không khí, Carrier phát minh ra máy làm lạnh ly tâm, có ít bộ phận chuyển động và ít công đoạn máy nén hơn các thiết bị hiện có.
Hệ thống đột phá làm tăng độ tin cậy và giảm chi phí cho máy điều hòa không khí quy mô lớn, mở rộng đáng kể việc sử dụng chúng trên toàn quốc.
1928: Thomas Midgley, Albert Henne và Robert McNary của General Motors tổng hợp chất làm lạnh chlorofluorocarbon (CFC) cho Frigidaire.
Các hóa chất là chất lỏng làm lạnh không bắt lửa đầu tiên trên thế giới, cải thiện đáng kể sự an toàn của máy điều hòa không khí. Nhiều thập kỷ sau, các hóa chất có liên quan đến sự suy giảm tầng ozone.
1929: Xây dựng công nghệ làm lạnh, Frigidaire giới thiệu một hệ thống máy lạnh không khí hai khối mới ra thị trường vào năm 1929.
Frank Faust của General Electric cải tiến thiết kế này, phát triển máy làm mát phòng khép kín. Công ty sản xuất 32 nguyên mẫu tương tự từ 1930 đến 1931.
1931: Nventors H.H. Schultz và J.Q. Sherman nộp bằng sáng chế cho một đơn vị điều hòa không khí có thể được đặt trên một gờ cửa sổ. Các đơn vị tung ra thị trường vào năm 1932 nhưng không được mua rộng rãi do chi phí cao.
Cũng trong năm 1931, Frigidaire bắt đầu tiếp thị quanh năm, hệ thống điều hòa không khí trung tâm cho gia đình.
1947: Kỹ sư Henry Galson phát triển máy điều hòa không khí cửa sổ nhỏ gọn, rẻ tiền và thiết lập dây chuyền sản xuất cho một số nhà sản xuất. Đến năm 1947, 43.000 đơn vị loại này được bán tại Hoa Kỳ.
1975: Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge phát triển phiên bản đầu tiên của mô hình thiết kế bơm nhiệt, một công cụ thiết kế thiết bị nén hơi ở trạng thái ổn định dựa trên phần cứng giúp ngành công nghiệp tạo ra các công nghệ điều hòa không khí tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm chi phí hơn.
1990: Đạo luật Không khí Sạch được sửa đổi bao gồm các biện pháp mới nhằm loại bỏ CFCs và làm cho máy điều hòa không khí và các công nghệ làm mát khác thân thiện với môi trường hơn.
1991: Khi CFC bị loại bỏ do hóa chất gây hại ozone, chất làm lạnh R-134a – một hydrofluorocarbon (HFC) – trở nên phổ biến. Trong khi HFC không thể phá hủy tầng ozone, chúng là những khí nhà kính mạnh.
1992: Bộ năng lượng Mỹ đặt ra các tiêu chuẩn hiệu quả cho máy điều hòa không khí trung tâm dân cư và máy bơm nhiệt, ước tính sẽ tiết kiệm được 29 tỷ đô la từ năm 1993 đến năm 2023 do công nghệ điều hòa không khí được cải thiện.
1998-2000: Vào cuối những năm 1990, mô hình Thiết kế Bơm nhiệt của Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge được sử dụng để thiết kế sản phẩm bởi các công ty chiếm khoảng 30% thị trường máy điều hòa không khí và bơm nhiệt mới.
Đầu những năm 2000, Allied Signal (nay là Honeywell) giúp thiết lập R-410a là chất thay thế chất làm lạnh hàng đầu trong điều hòa không khí bằng cách sử dụng mô hình để chứng minh hóa chất cũng giúp cải thiện hiệu quả năng lượng.
2006: Yêu cầu mới được đặt ra cho các nhà sản xuất điều hòa không khí trung tâm và bơm nhiệt.
Các tiêu chuẩn dự kiến sẽ tránh được hơn 369 triệu tấn khí thải carbon dioxide, tương đương với lượng khí thải nhà kính hàng năm của khoảng 72,4 triệu ô tô.
2015 đến nay: Bộ Năng lượng Mỹ công bố các dự án mới thúc đẩy các công nghệ nén không hơi không yêu cầu chất làm lạnh, đại diện cho một sự thay đổi địa chấn cho ngành công nghiệp.
Máy lạnh hoạt động như thế nào?
Máy lạnh hoạt động dựa trên các nguyên tắc chuyển đổi pha, đó là sự biến đổi vật liệu từ trạng thái này (hoặc pha) của vật chất sang trạng thái khác, chẳng hạn như khi vật liệu chuyển từ chất lỏng sang chất khí.
Khi xảy ra thay đổi chất lỏng thành khí, vật liệu sẽ hấp thụ nhiệt. Ngược lại, khi vật liệu thay đổi từ khí sang lỏng, nó giải phóng nhiệt.
Một máy lạnh về cơ bản là một cỗ máy chuyển đổi pha và sử dụng các nguyên tắc truyền nhiệt để làm mát các tòa nhà.
Máy lạnh bao gồm nhiều bộ phận, bộ phận chính là máy nén chất lỏng (fluid compressor), bình ngưng (condenser) và cuộn dây bay hơi (evaporator coil).
Sau đây, chúng ta sẽ chọn một điểm trong chu trình điều hòa không khí và mô tả cách chuyển động của chất làm lạnh thông qua hệ thống hoạt động để làm mát tòa nhà.
Vì máy nén là một trong những thiết bị quan trọng nhất trong hệ thống điều hòa không khí, chúng ta hãy bắt đầu từ đó.
Chu kỳ điều hòa
Tất cả các hệ thống điều hòa không khí hay máy lạnh sử dụng một vật liệu cụ thể để trải qua quá trình chuyển đổi pha.
Vật liệu này được gọi là chất làm lạnh (refrigerant), và được chứa trong ống chạy khắp hệ thống điều hòa không khí.
Chất làm lạnh được kéo vào máy nén của hệ thống (mục 1 trong sơ đồ bên dưới) dưới dạng hơi ấm sau khi rời khỏi cuộn dây bay hơi (sẽ được giải thích thêm bên dưới).
Máy nén làm tăng tỉ trọng hay mật độ của hơi chất lạnh đến, làm cho nó tăng áp suất và nhiệt độ.
Điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng một hệ thống ly tâm, trong đó một loạt các lưỡi kéo nhanh chóng đẩy hơi ra bên ngoài buồng máy nén, tại đó nó thoát ra.
Hơi nóng, áp suất cao này sau đó đi đến thiết bị ngưng tụ của máy điều hòa không khí (mục 2), nơi nó di chuyển qua một loạt các cuộn dây có vây kim loại mỏng được gắn vào.
Một chiếc quạt thổi không khí qua rìa (fin) và nhiệt di chuyển từ môi chất lạnh đến rìa và vào luồng không khí, rất giống với phương pháp mà bộ tản nhiệt sử dụng để loại bỏ nhiệt từ chất làm mát lưu thông trong động cơ xe.
Không khí chạy qua các cuộn dây ngưng tụ được thoát ra bên ngoài tòa nhà và được thải ra khí quyển.
Chuyến đi này qua thiết bị ngưng tụ làm cho hơi bị mất một lượng nhiệt đáng kể và sau đó nó thay đổi pha từ chất khí sang chất lỏng ở nhiệt độ cao.
Chất làm lạnh lỏng sau đó được buộc qua một van giãn nở hay van tiết lưu (mục 3) về cơ bản là một lỗ kim làm cho chất lỏng tạo thành một màn sương.
Sự sụt giảm áp suất đột ngột và sự giãn nở vật chất khi chất lỏng biến thành màn sương dẫn đến việc làm mát nhanh chất lỏng khi nó thải ra năng lượng nhiệt.
Sương mù lạnh này đi qua cuộn dây bay hơi(mục 4) được đặt trực tiếp trong luồng không khí của quạt lưu thông hút không khí từ bên trong tòa nhà.
Quạt đẩy không khí qua các cuộn dây lạnh, kéo nhiệt từ không khí, làm cho không khí mát. Việc truyền nhiệt cho chất làm lạnh khiến nó biến trở lại thành hơi ấm và đi vào máy nén để bắt đầu lại chu kỳ.
Máy lạnh loại bỏ độ ẩm trong phòng bằng cách nào?
Ngoài việc làm mát không gian bên trong, máy điều hòa cũng cung cấp chức năng hút ẩm. Mục đích ban đầu đằng sau việc phát minh ra máy điều hòa là loại bỏ độ ẩm khỏi không gian công nghiệp, với việc làm mát không khí được coi là hiệu ứng phụ.
Việc loại bỏ độ ẩm trong quá trình vận hành thiết bị điều hòa không khí xảy ra khi không khí tương đối ấm của bên trong tòa nhà được kéo qua các cuộn dây bay hơi lạnh.
Vì vật lý cho rằng không khí ấm có thể chứa nhiều nước hơn không khí mát, nên việc làm mát không khí tòa nhà khi nó tiếp xúc với cuộn dây bay hơi khiến nó giải phóng độ ẩm hình thành dưới dạng ngưng tụ trên cuộn dây.
Sự ngưng tụ này cuối cùng nhỏ giọt và được thu gom và thoát ra bên ngoài tòa nhà hoặc kết nối hệ thống thoát nước.
Việc giảm độ ẩm của tòa nhà có xu hướng cải thiện mức độ thoải mái của người cư ngụ bằng cách tăng cường hiệu quả của hệ thống làm mát tự nhiên của cơ thể.
Sự kết hợp giữa loại bỏ độ ẩm và giảm nhiệt độ xác định điều hòa nhiệt độ của không khí.
Từ đầu đến giờ chúng ta hơi lăng tăng khá nhiều về máy lạnh mà quên mất nội dung chính trong bài viết này. Sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu về hóa học đằng sau máy lạnh nhé!
Chất làm lạnh hiện tại
Chất làm lạnh điều hòa thường bao gồm các vật liệu không ăn mòn và có khả năng dễ dàng chuyển đổi giữa các pha khí và lỏng ở nhiệt độ hoạt động của hệ thống điều hòa không khí.
Các chất làm lạnh thường được sử dụng là carbon dioxide, ammonia và các hóa chất được gọi là hydrocarbon không halogen, với loại chất làm lạnh được lựa chọn dựa trên ứng dụng làm mát cụ thể.
Trong đó, chlorofluorocarbon (gọi tắt là CFCs) được khám phá vào năm 1928 và thay thế nhiều chất làm lạnh độc hại như amonia, methyl chloride và propane.
Trong thượng tầng khí quyển , những bức xạ tử ngoại khuếch đại phản ứng với CFCs và sản sinh ra nguyên tử chlorine phá hủy tầng ozne.
Vì thế vào năm 1987, một thỏa thuận quốc tế có tên gọi là nghị định thư Montreal yêu cầu việc dừng sản xuất những sản phẩm CFC.
Từ đó hydrochlorofluorocarbon (gọi tắt là HCFCs) được sử dụng để thay thế CFC tạm thời trong những năm tiếp theo.
Tuy nhiên, về sau hydrofluorocarbon (gọi tắt là HFCs) được sử dụng để thay thế cả CFCs và HCFCs.
Nguyên nhân là do hợp chất này không có chứa nguyên tố chlorine trong công thức, vì thế chúng sẽ không gây hại cho tầng ozone.
Việc thay thế này cũng có cái giá của nó. Tuy không phá hủy tầng ozone nhưng chúng lại có tiềm năng làm ấm toàn cầu cao hơn những CFCs và HCFCs. Do đó vào năm 2016, nghị định thư Montreal sửa đổi lên kế hoạch thay đổi HFCs.
Thế hệ kế tiếp
Chất làm lạnh thế hệ mới có tên là hydrofluoroolefine (gọi tắt là HFO) có thể thay thế HFCs. Chúng có tiếm năng làm ấm toàn cầu thấp hơn những loại chất làm lạnh khác. Tuy nhiên giá thành cũng đắt đỏ hơn rất nhiều lần.
Một vài loại máy lạnh cho xe hơi đã sử dụng chất làm lạnh HFO-1234yf cho những xe hơi đắt tiền. Tuy nhiên, các nhà khoa học cảnh báo rằng nó có thể cháy và gây nguy hiểm.
Vì thế, một số nhà sản xuất đã sử dụng CO2 (carbon dioxide) như một biện pháp thay thế.
Khoa học ngày càng phát triển và các nhà khoa học làm việc miệt mày hơn nữa. Và trong tương lai không xa, các bạn sẽ có thể thấy những hệ thống máy lạnh mới không sử dụng bất kỳ chất khí làm lạnh nào để làm mát không khí. Bạn hãy lót dép ngồi hóng đi nhé!
Trên đây là những điều thú vị về máy lạnh và hóa học xung quanh. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn trong tương lai.
Lần sau nếu có ai hỏi về hóa học của máy lạnh thì hãy nhớ về hóa học đằng sau chúng nhé!
Tham khảo C&EN, Archtoolbox và Prospect.
