Cơ sở khoa học của việc sản xuất nước đá

Việc sản xuất nước đá là một quá trình dựa trên các nguyên tắc cơ bản của nhiệt động lực học và chuyển đổi trạng thái của vật chất. Dưới đây là cơ sở khoa học của quá trình này:

Tính chất lý học của nước đá ở 0°C

Nước trong tự nhiên luôn tồn tại ở ba thể lỏng – rắn – hơi (khí), khi hạ nhiệt độ của nước xuống 0°C ở điều kiện áp suất khí quyển 0,98bar = 1at = 735,559mmHg, nước bắt đầu chuyển sang trạng thái rắn. Quá trình kết tinh của nước chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn theo đường F’ – D’ – E’.

Đồ thị giản đồ P - t của nước — *Đồ thị giản đồ P – t của nước*

Khối lượng riêng

Khối lượng riêng (tỉ trọng) của nước lớn nhất là nằm trong khoảng nhiệt độ (0 – 4)°C và đạt giá trị cực đại là ở 4°C (chính xác là 3,986°C). Khi nước ở trạng rắn thì nhiệt độ nóng chảy của nước đá là 0°C (t_nc = 0°C) và đây cũng là nhiệt đông đặc khi nước ở trạng thái lỏng chuyển sang trạng thái rắn.

Trong tự nhiên nước tồn tại ba đồng vị H₂O¹⁶, H₂O¹⁷ và H₂O¹⁸, bình thường nước mà chúng ta sử dụng là loại nước H₂O¹⁶(còn gọi là nước nhẹ), còn hai đồng vị H₂O¹⁷ và H₂O¹⁸chính là sản phẩm phụ của lò phản ứng hạt nhân trong các nhà máy điện nguyên tử (còn gọi là nước nặng thường ký hiệu HDO, D₂O), hai đồng vị này cũng có phần quan trọng trong việc làm nguyên liệu tái tạo làm giàu phóng xạ Uranium để chế tạo bom nguyên tử.

Nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng của nước ở điều kiện áp suất khí quyển không đổi là C_pn = 4,186KJ/(kg.độ) ~ 4,19KJ/(kg.độ) = 1Kcal/(kg.độ), khối lượng riêng của nước ρ_n = 1000kg/m³.

Khi nước chuyển sang trạng thái rắn thì nhiệt dung riêng của nước đá giảm gần một nửa nhiệt dung riêng so với nước ở trạng thái lỏng. Nhiệt dung riêng của nước đá ở điều kiện áp suất khí quyển không C_pnđ = 2,09KJ/(kg.độ) ~ 2,1KJ/(kg.độ) = 0,5Kcal/(kg.độ), vì thể tích riêng của nước đá tăng lên khoảng 9% so với thể tích nước ở trạng thái lỏng cho nên khối lượng của nước đá giảm xuống khoảng 9%, khối lượng riêng của nước đá khoảng ρ_nđ= 917kg/m³.

Nhiệt đóng băng

Nhiệt đóng băng (ẩn nhiệt đóng băng) của nước ở nhiệt độ 0°C và áp suất khí quyển là L = 335kJ/kg = 79,8KCal/kg, lượng nhiệt này có ý nghĩa như sau, sau khi hạ nhiệt độ nước xuống 0°C ở áp suất khí quyển nếu muốn cho 1kg nước đóng băng hoàn toàn thì nhiệt lượng cần lấy đi của 1kg nước đó là 335KJ = 79,8Kcal. Nhiệt đóng băng sẽ thay đổi theo nhiệt độ, khi nhiệt độ hạ xuống 1°C thì L sẽ tăng khoảng 2,12 KJ/kg.

Hệ số dẫn nhiệt

Hệ số dẫn nhiệt của nước đá là λ_nđ = 2,326W/(m.K) = 2 Kcal/(m.h.K), hệ số dẫn nhiệt của nước đá có thể được tính toán theo công thức thực nghiệm như sau:

λ_nđ = 2,326.(1 – 0,00156.t) W/(m.K)

Tỷ nhiệt của nước đá

Tỷ nhiệt của nước đá ở 0°C là C_đ= 2,1 KJ/(kg.K) (chính xác là 2,09 KJ/(kg.K)), khi nhiệt độ giảm thì tỷ nhiệt của nước đá sẽ giảm theo. Qua thực nghiệm thì tỷ nhiệt của nước đá cũng được xác định theo công thức thực nghiệm sau.

C_đ = 2,09 + 0,00779.t KJ/(kg.K)

Các giai đoạn của công nghệ sản xuất nước đá

Công nghệ sản xuất nước đá thường trải qua ba giai đoạn chính.

Giai đoạn 1: Hạ nhiệt độ của nước từ nhiệt độ t₁ (là nhiệt độ ban đầu của nước) xuống nhiệt độ 0°C. Trên hình chính là đoạn AB và gọi là giai đoạn làm lạnh.
Giai đoạn 2: Giai đoạn kết tinh nước hoàn toàn, chuyển nước từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn, trên hình chính là đoạn BC và gọi là giai đoạn làm đông.
Giai đoạn 3: Giai đoạn hạ thấp nhiệt độ băng của nước từ 0°C xuống nhiệt độ t₂ (nhiệt độ theo yêu cầu), trên hình là đoạn CD và gọi là giai đoạn quá lạnh, thông thường nhiệt độ t₂ nằm trong khoảng từ (-10 đến -5)°C.

*Giản đồ các giai đoạn làm đông nước đá*

Sự liên hợp giữa các phân tử nước

Cấu trúc của nước là H₂O, ba nguyên tử H và O nằm trên ba đỉnh của một tam giác cân, góc ở đỉnh là nguyên tử O tạo với hai là một góc 104°28’, khoảng cách giữa hai hạt nhân của hai nguyên tử O và H là 0,96A°, khả năng phân cực giữa hai nguyên tử O và H là khá lớn, chính vì khả năng phân cực và cấu tạo như trên mà có khả năng hòa tan được nhiều chất có thể điện ly thành ion (+) và ion (-) hoặc có khả năng tạo thành liên kết Hydro giữa phân tử chất tan vào nước.

Nước ở thể lỏng chúng luôn liên kết với nhau tạo thành (H₂O)n mà không làm thay đổi những tính chất hoá học của chúng gọi là sự liên hợp giữa các phân tử nước, sự liên hợp này chủ yếu là nhờ liên kết Hydro.

Khi nước chuyển pha từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn, do hàm nhiệt giảm các phân tử nước chuyển động chậm, chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó mà thôi, các tinh thể nước đá hình thành có cấu tạo là hình tứ diện đều, các đỉnh của hình tứ diện là các phân tử nước và các phân tử nước này liên kết với nhau bởi liên kết Hydro, trong đó mỗi nguyên tử O sẽ liên kết với 4 nguyên tử H và mỗi nguyên tử H liên kết với 2 nguyên tử O.

Quá trình đông đá của nước

Trong quá trình làm lạnh đông khi nhiệt độ đến dưới 0°C (nhiệt độ của điểm đóng băng) mà vẫn chưa có sự đóng băng kết tinh của nước, hiện tượng đó gọi là hiện tượng quá lạnh.

Sự chậm đóng băng đó là do sự chậm tạo thành mầm (tâm) kết tinh và chuyển động nhiệt (Brown) của các phân tử nước làm cho chúng va chạm với nhau tương tác qua lại lẫn nhau, kết quả không định hình được tâm ngưng tụ dẫn đến nước chưa thể kết tinh được ngay, nhưng sau một thời gian ngắn do nhiệt độ ở dưới điểm đông đặc dẫn đến hàm nhiệt giảm các phân tử nước giảm năng lượng chuyển động để đạt tới trạng thái cân bằng.

Lúc này tâm ngưng tụ hình thành, các phân tử nước có xu hướng liên kết với tâm ngưng tụ bởi các lực hấp dẫn, lực Culong, lực ValdesvaaL.v.v các lực này thẳng (hoặc cân bằng) được lực đẩy và lực chuyển động nhiệt của nó sẽ tạo thành các tinh thể đá có kích thước lớn hơn.

Trong trường hợp nếu nhiệt độ hạ xuống quá sâu so với điểm đóng băng, các phân tử nước bị giảm hàm nhiệt mạnh, dẫn đến chúng chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng của chúng và bản thân nó đã hình thành một tâm ngưng tụ.

Truyền nhiệt và đông đá ở thành làm lạnh

Thiết lập phương trình truyền nhiệt

Giả sử bề mặt làm lạnh dạng phẳng có bề dày của thành là δ_d (m) được tiếp xúc với dòng nước có nhiệt độ t₁ > 0°C, có hệ số cấp nhiệt là α₁ (W/(m².độ)), lượng nhiệt tỏa ra môi trường tải lạnh qua lớp nước đá vừa đông có bề dày là δ_d (m), nhiệt độ môi trường tải lạnh là t₂ < 0°C và hệ số cấp nhiệt là α₂ (W/(m².độ)).

Hệ số dẫn nhiệt của nước đá là λ_d (W/(m.độ)), hệ số dẫn nhiệt của thành kim loại là λ_M (W/(m.độ)),

Nhiệt độ bề mặt nước đá là θ_o(°C), dòng nhiệt từ phía nước truyền qua băng đá và thành kim loại (dòng nhiệt trên bề mặt đá) được xác định bằng tổng của hai dòng nhiệt, dòng nhiệt nước truyền qua bề mặt đá ra ngoài (q₁) và dòng nhiệt do công ma sát trong dòng nước chảy ở thành (q₂).

q₁ = α₁(t₁ – θ_o), w
q₂ = p. ω, w

Với:

P: áp lực ma sát của dòng chảy ở sát thành, Pa (N/m²).
ω: vận tốc chuyển động của dòng nước chảy, m/s.

Theo L.s Leibenzon thì áp lực dòng chảy có thể xác định theo công thức thực nghiệm gần đúng như sau:

Trong đó:

C: tỷ nhiệt nước, kJ/kg.K, c_n = 1 Kcal/(kg.độ); c_d = 0,5 KcaL(kg.độ).
g: gia tốc trọng trường của trái đất, g = 9,81m/s².
P_r: hằng số Prand.

Ta được phương trình:

Như vậy dòng nhiệt tổng trên bề mặt nước đá có thể viết như phương trình sau:

Bảng – Nhiệt độ phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy

w, m/s	0,1	0,5	1,0	1,5	2,0
tdn (°C)	0,006	0,15	0,6	1,35	2,4

Điều kiện đông đá

Khi ở bề mặt thành có lớp đá dày δ_đ, lượng nhiệt từ mặt thành vào môi trường tải lạnh:

Điều kiện đông đá ở thành phẳng có thể biểu diễn bằng bất đẳng thức:

α₁(t_cd – θ_o) < K₁(θ_o – t₂)

Với sự tăng bề dày của lớp nước đá, trở nhiệt 1/K₁ cũng tăng và với bề dày δ_d ta có phương trình cân bằng nhiệt:

α₁(t_cd – θ_o) < K₁(θ_o – t₂)

Phương trình này ứng với bề dày max lớp đá, và ta rút ra:

Trong trường hợp có bất đẳng thức: α₁(t_cd – θ_o) > K₁(θ_o – t₂) thì xảy ra sự tan đá dưới tác dụng của dòng nhiệt từ nước đến bề mặt lớp đá.

Hệ số truyền nhiệt của quá trình đông đá ở thành phẳng có thể biểu diễn:

Thời gian đông đá

Sự đông đá ở môi trường lỏng có nhiệt độ t₁ cao hơn θ_o. Chênh lệch nhiệt độ t₁ – θ_onên luôn luôn có dòng nhiệt từ môi trường lỏng vào thành đông đá nên làm chậm quá trình đóng băng. Để đông đá ở thành phẳng với nhiệt độ t₁ của môi trường, phương trình cân bằng nhiệt độ dạng:

Với:

τ – ẩn nhiệt đóng băng của lớp đông đá bằng 306.10³ KJ/m³;
τdδ_đ – lượng nhiệt tỏa ra trong thời gian dτ để đông được lượng đá 1dδ_đ.

Lấy tích phân từ 0 đến δ_đ, ta được công thức tính thời gian đông đá ở thành phẳng.

Với δ_đmax là bề dày tối đa lớp đá. Trường hợp đối lưu tự nhiên t_tđ = 0; t_cđ = t₁. Nếu nhiệt độ đông đá bằng 0°C, thì: a₁(t_cd – θ_o)dτ = 0 và ta có phương trình rút gọn: