by 
Hình 1: a) Làm lạnh theo kiểu nén giãn khí, b) Làm lạnh từ (xem phần 6 bên dưới)
Hiện nay, chúng ta có nhiều phương pháp làm lạnh khác nhau được đưa vào nghiên cứu và triển khai sử dụng trong thực tế như sau:
1. Làm lạnh nhân tạo bằng giãn nở đoạn nhiệt không sinh ngoại công (Làm lạnh nhờ hiệu ứng tiết lưu)
Là hiện tượng một số môi chất lạnh giảm áp suất khi đi qua cơ chế tiết lưu, từ áp suất cao xuống áp suất thấp hơn, không có trao đổi nhiệt với bên ngoài.
Quá trình tiết lưu là quá trình không thuận nghịch điển hình, tuy không có trao đổi nhiệt (q=0, Δs>0) nhưng áp suất giảm do dòng chảy tạo xoáy và ma sát mạnh. Đối với khí lý tưởng, sau khi tiết lưu nhiệt độ giữ nguyên, với khí thực ở nhiệt độ môi trường chỉ có hêli và hydrô, tăng nhiệt độ, còn hầu hết các khí và hơi đều giảm nhiệt độ, đặc biệt khi tiết lưu hơi ẩm hoặc lỏng.
2. Làm lạnh bằng giãn nở đoạn nhiệt sinh ngoại công
Là phương pháp làm lạnh dựa theo nguyên lý khi chất khí giãn nở sẽ giảm áp suất và nhiệt độ. Hệ thống này có 4 thiết bị chính là máy nén, bình làm mát, máy giãn nở và buồng lạnh. Khác biệt so với hệ thống lạnh thông thường là môi chất lạnh không biến đổi pha trong chu trình, vì vậy không có bình ngưng tụ và bay hơi và van tiết lưu thay bằng máy giãn nở.
Quá trình nén và giãn nở là quá trình đoạn nhiệt (dS=0), quá trình thu nhiệt và thải nhiệt là các quá trình đẳng áp nhưng không đẳng nhiệt. Phạm vi ứng dụng của phương pháp này tương đối rộng, thường gặp trong điều tiết không khí và các máy sản xuất nitơ, ôxy lỏng, các loại khí hóa lỏng,…
thường sử dụng cho các hệ thống lạnh Cryo làm lạnh ở nhiệt độ rất thấp, nhỏ hơn -70oC.
3. Làm lạnh nhờ hiệu ứng nhiệt điện Peltier
Khi cho dòng điện đi qua một cặp bán dẫn khác nhau thì một đầu chất bán dẫn sẽ hấp thụ nhiệt, nóng dần lên, đầu bên kia sẽ tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh, lạnh dần đi. Nếu cho dòng điện chạy ngược lại thì đầu nhả nhiệt sẽ trở thành đầu hấp thụ nhiệt và đầu thu nhiệt trở thành đầu nhả nhiệt.
Các cặp vật liệu thường dùng là các chất bán dẫn đặc biệt của bismut, antimon, selen và các phụ gia.
Hiệu nhiệt độ của máy lạnh nhiệt điện có thể đặt đến 60oC nhưng công suất tương đối nhỏ, chỉ 30W đến 100W. Tuy đơn giản, tiện lợi, không có bộ phận chuyển động nên không ồn, độ tin cậy cao; không có môi chất nên không sợ rò rỉ, cấu tạo thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, dễ sử dụng và có thể thay đổi chức năng (nóng- lạnh) khi đảo chiều dòng điện… nhưng do tốn năng lượng (tiêu hao nhiều điện năng) và giá thành cao nên phương pháp này không được dùng phổ biến.
4. Làm lạnh nhờ hấp thụ
Phương pháp làm lạnh bằng hấp thụ được thực hiện nhờ các phản ứng hoá nhiệt liên tiếp nhau của môi chất làm lạnh và chất hấp thu. Trong đó, môi chất có nhiệt độ sôi thấp hơn là môi chất làm lạnh, môi chất có nhiệt độ sôi cao hơn gọi là môi chất hấp thu trong cùng một vùng áp suất. Môi chất làm lạnh là NH3, H2O và môi chất hấp thụ là H2O, Br (Brôm).
Máy lạnh này hoạt động có 2 vòng tuần hoàn, một vòng tuần hoàn của dung dịch và vòng tuần hoàn thứ hai là của Hydro. Bình chứa Hyđrô dùng để cân bằng áp suất khi nhiệt độ bên ngoài thay đổi.
Hệ thống lạnh này có thể tận dụng được các nguồn nhiệt thải nhưng hiệu quả không cao.
5. Làm lạnh bằng từ trường
Phương pháp làm lạnh này dựa vào nguyên lý làm lạnh từ nhiệt. Ở đây ta thực hiện quá trình khử từ một cách đoạn nhiệt, entropy từ tăng lên dẫn đến sự giảm của entropy mạng làm vật từ bị lạnh đi. Nếu ta càng làm biến đổi entropy từ lớn, sẽ dẫn đến khả năng làm lạnh lớn. Người ta sử dụng hiệu ứng này để tạo ra nhiệt độ siêu thấp, tới hàng mili Kelvin cho các kỹ thuật nhiệt độ thấp.
Trong kỹ thuật từ nhiệt, để có khả năng biến đổi nhiệt độ lớn, yếu tố quan trọng là sự biến thiên entropy từ, nó phụ thuộc vào các tính chất nội tại và bên ngoài vật liệu theo công thức:
Máy làm lạnh kiểu từ
Hình 1. a) Làm lạnh theo kiểu nén giãn khí, b) Làm lạnh từ
Về nguyên tắc, chu trình làm lạnh cũng gồm 4 quá trình như vẽ ở hình 1b.
1. Đưa vật liệu từ vào từ trường làm từ hoá, vật liệu từ nóng lên.
2. Cho nhiệt toả ra để vật liệu từ bị từ hoá nguội lại.
3. Đưa vật liệu từ ra khỏi từ trường làm từ hoá để khử từ. Vật liệu từ lạnh đi.
4. Cho nhiệt ở ngoài truyền vào để cho vật liệu từ hết lạnh, trở lại nhiệt độ ban đầu.
Tương tự như ở cách làm lạnh theo kiểu nén giãn khí, có nhiều cách bố trí để làm lạnh từ. Cơ cấu chung của máy làm lạnh từ như sau (hình 2):
a) Bình thường. Momen từ trong vật liệu từ nhiệt định hướng lộn xộn
b) Đưa vào từ trường. Momen từ sắp xếp trật tự. Nhiệt độ tăng lên
c) Toả nhiệt làm nguội
d) Khử từ. Mômen từ sắp xếp mất trật tự, nhiệt độ hạ xuống, lạnh đi. Nhiệt (từ buồng lạnh) truyền vào vật liệu từ nhiệt hết lạnh trở lại bình thường
6. Hệ thống lạnh sử dụng Ejector
Về tổng quan, nguyên lý hoạt động của hệ thống lạnh Ejector tương tự như một hệ thống lạnh nén hơi thông thường, ngoại trừ máy nén lạnh được thay thế bằng một hệ thống gồm có Ejector, bình sinh hơi và bơm môi chất.
Hơi môi chất nhiệt độ cao đi vào vòi phun của Ejector và được tăng tốc, giãn nở sau khi đi qua vòi phun ống Laval để đạt đến tốc độ siêu âm. Hơi môi chất lạnh với vận tốc cao này thoát ra khỏi vòi phun đã tạo ra một vùng áp suất âm xung quanh miệng vòi phun. Nhờ vậy mà hơi môi chất lạnh từ dàn bay hơi bị hút vào Ejector để hòa trộn với hơi áp suất cao thoát ra khỏi vòi phun trong buồng hòa trộn.
Tuy nhiên, hiệu quả của máy lạnh Ejector không cao.
0 comments: