Tác nhân lạnh và môi trường truyền lạnh

Tác nhân lạnh chính là môi chất trong chu trình Carnot, là chất cung cấp lạnh, thu nhiệt của môi trường xung quanh trong quá trình nó biến đổi trạng thái.

Tác nhân lạnh

Thông thường tác nhân lạnh tồn tại ở hai dạng: lỏng và rắn.

Tác nhân lạnh ở dạng lỏng

Tiêu biểu cho các tác nhân lạnh ở dạng lỏng là NH3 và freon.

NH₃

Ưu điểm:

• Dễ sản xuất (sản xuất được trong nước), rẻ tiền.
• Dễ phát hiện chỗ rò rỉ.
• Có ẩn nhiệt hóa hơi lớn (r = 313,89 kcal/kg ở nhiệt độ hoá hơi là – 150 độ C).
• NH₃ hoà tan trong nước nên không bị tắc ẩm trong quá trình làm việc của hệ thống máy lạnh nếu có ẩm lọt vào hệ thống.
• Không gây tác hại phá huỷ tầng ozon như các chất freon.

Nhược điểm:

• Độc hại với con người, nóng độ NH₃trong không khí lớn hơn hoặc bằng 5% thể tích trong thời gian 30 phút có thể làm cho người bị chết ngạt.
• Nguy hiểm vì dễ gây nổ (thành phần hỗn hợp nổ trong không khí là 16 đến 25% NH₃ theo thể tích) tác dụng với đồng và các kim loại màu khác nên hệ thống lạnh NH₃không được dùng đồng và các kim loại màu khác.
• Nếu bị rò NH₃, để hấp thụ vào sản phẩm gây mùi khó chịu và làm tăng pH của bề mặt sản phẩm, làm tăng khả năng phát triển của vi sinh vật ở những sản phẩm này.
• Thiết bị cồng kềnh (vì thể tích riêng của hơi lớn) chiếm nhiều diện tích nhà xưởng và tốn vật liệu chế tạo.

Freon

Các freon là dẫn xuất halogen của các hydrocacbon no như metan (CH₄), etan (C₂H₆), propan (C₃H₈) v.v. Ngoài ra người ta còn dùng tác nhân lạnh là một hỗn hợp đẳng phí như tác nhân lạnh ký hiệu “500” là hỗn hợp đẳng phí của R_l2 và R₁₅₂ với tỷ lệ tương ứng 73,8% và 26,2% theo khối lượng.

Các loại lác nhân lạnh là các chất hữu cơ chưa no thì ít được dùng như etylen.

Ưu điểm:

• ít độc.
• Không mùi hoặc có mùi thơm thoảng nhẹ.
• Không hoặc ít gây nổ.
• Thể tích riêng bé nên máy nén gọn và nhẹ 
• Nhiệt độ cuối giai đoạn nén của freon thấp nên có thế dùng thiết bị hoàn nhiệt (làm quá nhiệt hơi hút về máy và quá lạnh tác nhân lòng trước khi vào van hết lưu) do đó không cần thiết bị tách lỏng.

Nhược điểm

• Ẩn nhiệt hóa hơi bé – 38,59 kcal/kg ở nhiệt độ -15 độ c 
• Freon không hoà tan trong nước nên dễ xảy ra hiện tượng “nút đá” làm tắc đường ống dẫn do sự đóng băng của nước không hoà tan trong tác nhân lạnh khi nhiệt độ tác nhân thấp hơn 0 độ C.
• Các freon hoà tan trong dầu máy do đó làm tăng nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ ngưng tụ của freon. Khi lượng dầu trong tác nhân lạnh tăng thì làm tăng độ nhớt và giảm hệ số cấp nhiệt α của nó. Dầu hoà tan trong freon nên khó tách dầu.
• Hỗn hợp của các freon với không khí thì không độc, không gây nguy hiểm cho con người (trừ khi nồng độ quá cao thì gây ngạt vì thiếu oxy) nhưng các sản phẩm phân huỷ của chúng khi có ngọn lửa thì rất nguy hiểm vì nó tạo khí độc fosgen (OCCl₂).
• Hỗn hợp freon dễ bị rò rỉ (những lỗ nhỏ không khí không chui qua nhưng các freon vẫn chui qua).
• Khó phát hiện chỗ rò rỉ (vì không màu, không vị).
• Tham gia vào phá hủy tầng ozon.

Phần lớn các freon dùng trong hệ thống lạnh là dẫn xuất halogen của metan (CH₄) và etan (C₂H₆) và cách gọi tên chúng theo quy luật chung sau:

• Từ metan CH₄ công thức ký hiệu là R_ab, trong đó a = (m + x) ; b = y. Ví dụ: CF₂Cl₂ là R₁₂; CHFCl₂ là R₂₁ ; CHF₂C1 là R₂₂ ;  CF₂Cl là R₁₃ .
• Từ etan công thức ký hiệu là Rab nhưng a = (11 + x) ; b = y. Ví dụ; C₂F₃Cl₃ là R₁₃; C₂F₃Cl là R₁₄₂; C₂F₄Cl₂, là R₁₁₄

Trong đó thông dụng hơn cả là freon 12 (R₁₂) và freon 22 (R22)

Freon 12 (R₁₂): CF₂Cl₂

Freon 12 là tác nhân lạnh được sử dụng rộng rãi trong các máy lạnh nhỏ, trong các tủ lạnh và trong phòng thí nghiệm. R₁₂ là chất không màu, không mùi, không cháy và không gây nổ. Dưới tác dụng của ngọn lửa ở 400 độ C R₁₂ phân huỷ tạo F2. Cl₂ và H₂ gây độc nên không được hút thuốc khi làm việc ở nơi có fecon. Nếu R₁₂ chiếm 30% thể tích không khí thì gây ngạt thở vì thiếu oxy. R₁₂ lỏng bắn vào người thì làm cứng da, hỏng mắt.

Freon 22 (R₂₂ ): CHF₂Cl 

Đây là loại tác nhân lạnh được dùng nhiều trong các hệ máy lạnh nhỏ và vừa như máy điều hoà, tủ cấp đông, kho bảo quản lắp ghép… R₂₂ độc hơn R₁₂ , không gây nổ, cháy, có thể hoà tan trong nước gấp 8 lần R₁₂ . Tính chất vật lý gần giống với NH₃. Có năng suất lạnh riêng thể tích lớn nên lượng tác nhân tuần hoàn trong máy không lớn bằng R₁₂ nên máy gọn dỡ cồng kềnh hơn.

R₂₂ có áp suất lớn hơn R₁₂ , ở cùng chế độ nhiệt độ như ở nhiệt độ t = -30 đến – 40⁰C áp suất của R₂₂ vẫn lớn hơn áp suất khí quyển còn R₁₂ thì thấp hơn. Vì vậy R₁₂ không dùng cho máy nén hai cấp.

Vì áp suất của R₂₂ lớn nên trong hệ thống máy nén thường ngưng tụ bằng nước (để áp suất ngưng tụ nhỏ}, thiết bị đỡ làm việc quá tải vì áp suất cao.

Độ độc của một số tác nhân lạnh trong không khí

Tác nhân lạnh ở dạng rắn

Loại tác nhân này chủ yếu ở dạng đá khô (tuyết cacbonic), đá ướt và hỗn hợp đá muối được dùng để bảo quản cá, tôm sau khi đánh bắt, nhưng cũng chỉ có tác dụng bảo quản ngắn ngày.

Môi trường truyền lạnh

Chất tải lạnh (môi trường truyền lạnh) thường xuyên tiếp xúc với thiết bị hay sản phẩm nên nó phải đảm bảo các yêu cầu sau:

• Không ăn mòn, không phá huỷ các trang thiết bị mà nó tiếp xúc.
• Không gây độc hại với người, không gây cháy nổ.
• Có nhiệt độ đông đặc thấp do dó không bị tạo đá trong đường ống và thiết bị bay hơi.
• Rẻ tiền, dễ kiếm.

Sau đây ta xét tới một số môi trường truyền lạnh thông dụng.

Chất tải lạnh khí

• Không khí là môi trường khí phổ biến nhất vì:
• Không khí rất phổ biến, rẻ và nhiều.
• Dễ vận chuyển vào tận các nơi cần làm lạnh.
• Không khí cần cho sự sống của con người, động vật, thực vật cho nên trong hệ thống bảo quản lạnh, làm lạnh, điều hoà không khí phục vụ cho sinh hoạt, nhà ở không thể không dùng không khí là môi trường truyền lạnh.
• Môi trường không khí không gây độc hại cho người và thực phàm.
• Khi vận chuyển bằng môi trường không khí thì dễ điều chỉnh vận tốc lưu lượng và không khí có thể coi là không ăn mòn thiết bị.

Khi sử dụng không khí có nhược điểm sau

• Hệ số cấp nhiệt α nhỏ, α = 6 – 8 kcal/m².h.độ
• Không khí khó làm sạch khi tách các tạp chất cơ học, vi sinh vật đặc biệt là tách các mùi vị lạ trong không khí.
• Ngoài Không khí ra người ta còn dùng môi trường tái lạnh khí là N₂, CO₂ ,… nhưng trong một số trường hợp đặc biệt vì nó đắt tiền và hệ thống sử dụng phái kín

Chất tải lạnh lỏng

Môi trường tái lạnh lỏng thường dùng là nước và nước muối. Môi trường tải lạnh lỏng cũng được dùng khá phổ biến trong hệ thống lạnh, chúng có những ưu điểm sau:

• Có hệ số cấp nhiệt lớn α = 200 – 400 kcal/m².h.độ.
• Rút ngắn được thời gian làm lạnh (làm lạnh nhanh mà phẩm chất sản phẩm được đảm bảo, thời gian bảo quản dược kéo dài.
• Tránh được sự hao hụt khối lượng và sự oxy hóa của không khí.
• Dùng hỗn hợp của nhiều muối có thể hạ nhiệt độ rất thấp (dung dịch bão hòa CaCl bị đóng băng ở – 50 độ C.

Sự biến đổi nhiệt độ của sản phẩm khi làm lạnh trong môi trường lỏng và khí theo thời gian được thể hiện qua hai đồ thị trong hình.

a) Làm lạnh đông bằng không khí;
b) Làm lạnh đông bằng nước muối

Nhưng dùng môi trường lỏng cũng có một số nhược điểm sau:

• Nước muối dễ làm hỏng trang thiết bị trong hệ thống vì gãy hiện tượng ăn mòn.
• Nước muối dễ thấm vào sàn phàm làm ảnh hưởng chất lượng sản phẩm
• Bề mặt sản phẩm bị ướt làm giảm giá trị cảm quan và còn là môi trường cho vi sinh vật phát triển.
• Môi trường nước muối thích hợp cho loai vi sinh vật ưa mặn (chịu áp suất thẩm thấu cao), loại này hoạt động làm biến đổi protein, làm tăng khả năng hút muối của nó,
• Dung dịch muối khi bị bẩn khó làm sạch.

Chất tải lạnh rắn

Chất tải lạnh rắn thường dùng là đá ướt, đá khô (tuyết cacbonic. Nó cung cấp nhiệt nhờ khả năng thu nhiệt khi thay đổi trạng thái từ rắn sang lỏng hoặc hơi.

Đá ướt (hay còn gọi là đá cày)

Ở Việt Nam ta không có nước đá tự nhiên (vì nhiệt độ không khí của nước ta hầu hết lớn hơn 0 độ C). Nước đá nhân tạo được sản xuất dạng khối (cây) với khối lượng 10: 20; 25 và 50 kg/1 cây hoặc dạng viên, dạng đá vảy tuỳ theo mức độ sử dụng.

Đá cày khi sử dụng phải nghiền nhỏ để tăng diện tích tiếp xúc, làm lạnh dược nhanh. Ẩn nhiệt hòa tan của đá là 80 kcal/kg (72 kcal/dm³).

Đối với đá làm lạnh thực phẩm trực tiếp hay để ăn cần phải đảm bảo không quá 100 vi khuẩn/cm³ và hoàn toàn không có vi khuẩn đường ruột.

Trong sản xuất nước đá người ta thường dùng nước sạch đã sát trùng với các hóa chất như: NaClO), CaOCl₂ ), NANO₂; H₂O₃ … Khi dùng hóa chất sát trùng thì nồng độ khí clo còn lại trong đá không được vượt quá 50 đến 80 mg/l, vì quá nhiều sẽ gây mùi khó chịu và giảm khả năng truyền nhiệt.

Đá khô (tuyết cacbonic)

Đá khô thăng hoa thu nhiệt lượng lớn và ở nhiệt độ thấp nên hay dùng bảo quản các sản phẩm kỵ ẩm và dùng làm lạnh đông.

Trong điều kiện bình thường của môi trường không khí nếu hàm lượng CO2 càng thấp thì nhiệt độ thăng hoa của tuyết CO2, càng thấp.

Đá khô được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp đặc biệt là công nghiệp thực phẩm như: làm lạnh nhanh và bảo quản lạnh thực phẩm, làm lạnh các bộ phận máy quay nhanh, sấy thuốc sinh hoá, gây mưa nhân tạo, làm nguội trong sản xuất các loại thép mỏng đặc biệt, làm lạnh và bảo quản lạnh đông khô trong chăn nuôi và trong y học. Hiện nay nước ta đã sản xuất được đá khô dạng khối và dạng viên.