Điều hòa không khí làm mát căn phòng thế nào: không tạo ra lạnh mà bơm nhiệt ra ngoài trời | Viết bởi osx

Máy điều hòa không tạo ra hơi lạnh. Thứ nó làm là lấy nhiệt từ không khí trong phòng rồi mang ra ngoài trời, giống một chiếc bơm chuyển nhiệt đi ngược chiều tự nhiên, từ chỗ mát sang chỗ nóng. Luồng gió nóng phả ra từ cục nóng ngoài ban công chính là nhiệt vừa được rút khỏi căn phòng, cộng thêm phần điện máy đã tiêu thụ.

Hệ thống điều hòa không khí hiện đại đầu tiên ra đời không phải để làm mát con người. Năm 1902, Willis Carrier, kỹ sư 25 tuổi của hãng Buffalo Forge, được giao xử lý độ ẩm tại xưởng in Sackett & Wilhelms ở Brooklyn (New York). Theo trang lịch sử của Carrier, giấy trong xưởng hút ẩm từ không khí mùa hè nên co giãn, khiến các lớp màu in chồng lên nhau bị lệch, mép giấy gợn sóng làm kẹt máy và mực lâu khô.

Carrier cho không khí thổi qua các ống dẫn nước lạnh. Không khí lạnh đi không giữ được nhiều hơi nước như không khí ấm, nên hơi nước đọng lại trên ống, độ ẩm trong xưởng giảm và nhiệt độ cũng giảm theo. Bản vẽ hệ thống ghi ngày 17/7/1902. Ban đầu nước làm mát được bơm từ giếng phun, đến mùa xuân năm 1903 mới bổ sung máy nén amoniac. Ngày 2/1/1906, Carrier được cấp bằng sáng chế số 808.897 cho "Thiết bị xử lý không khí". Cũng năm 1906, kỹ sư ngành dệt Stuart Cramer dùng cụm từ "air conditioning", tức điều hòa không khí, và Carrier về sau lấy nó đặt tên cho công ty.

Kỹ sư Willis Carrier năm 1915, năm ông cùng sáu đồng nghiệp lập công ty Carrier Engineering. Năm 1902, ông thiết kế hệ thống điều hòa không khí hiện đại đầu tiên cho một xưởng in ở Brooklyn (New York)

Bốc hơi để hút nhiệt, nén để nhả nhiệt

Nguyên lý của máy điều hòa giống cảm giác mát khi mồ hôi bay hơi trên da: chất lỏng muốn bốc hơi thì phải lấy nhiệt từ xung quanh. Máy dùng một chất gọi là môi chất lạnh (gas lạnh), chạy vòng tròn trong ống đồng kín nối giữa cục trong nhà và cục ngoài trời. Một vòng chạy gồm bốn bước:

Dàn lạnh (trong nhà) : môi chất lỏng ở áp suất thấp bốc hơi trong các ống của dàn lạnh, hút nhiệt của không khí trong phòng mà quạt thổi qua. Không khí đi ra mát hơn. Máy nén (ngoài trời) : hút hơi môi chất về và nén lại. Bị nén, hơi môi chất nóng lên, nóng hơn cả không khí ngoài trời. Dàn nóng (ngoài trời) : hơi nóng chạy qua dàn ngưng tụ, quạt lớn thổi không khí bên ngoài qua để lấy nhiệt đi. Mất nhiệt, môi chất ngưng tụ lại thành lỏng. Van tiết lưu : môi chất lỏng đi qua một chỗ thắt hẹp, áp suất giảm đột ngột nên nhiệt độ hạ xuống, sẵn sàng quay vào dàn lạnh và bắt đầu vòng mới.

Bí quyết nằm ở áp suất. Ở áp suất thấp, môi chất sôi ở nhiệt độ thấp nên bốc hơi được ngay trong phòng mát. Ở áp suất cao, nó ngưng tụ ở nhiệt độ cao nên nhả nhiệt được cả khi ngoài trời đang nóng. Máy nén cung cấp phần công cần thiết để đẩy nhiệt đi ngược chiều tự nhiên. Đây cũng là chu trình mà chiếc tủ lạnh trong bếp đang dùng, chỉ khác là vách tủ được thay bằng bốn bức tường của căn phòng.

Sơ đồ minh họa chu trình nén hơi trong máy điều hòa hai cục. Môi chất hút nhiệt ở dàn lạnh trong nhà, được máy nén đẩy ra dàn nóng để nhả nhiệt, rồi qua van tiết lưu quay lại

Giống hệ thống đầu tiên của Carrier, dàn lạnh thường có nhiệt độ thấp hơn điểm sương của không khí trong phòng, nên hơi nước đọng lại thành giọt trên bề mặt dàn, giống mặt ngoài cốc nước đá vào ngày nóng. Nước này chảy xuống khay hứng rồi theo ống thoát ra ngoài. Nhờ vậy máy vừa làm mát vừa làm khô không khí, điều khiến phòng có điều hòa dễ chịu hơn hẳn trong những ngày nồm ẩm.

Phần lớn máy điều hòa gia đình là loại hai cục. Theo Wikipedia, Toshiba bán hệ thống tách rời hai cục đầu tiên ở Nhật năm 1961, Mitsubishi Electric bán mẫu treo tường đầu tiên năm 1968, vì nhà ở Nhật nhỏ nên cần máy gọn. Máy điều hòa inverter, loại thay đổi tốc độ máy nén thay vì liên tục bật tắt, xuất hiện năm 1980 đến 1981. Máy hai chiều có thêm van đảo chiều để đổi vai trò hai dàn, khi đó nó bơm nhiệt từ ngoài trời vào để sưởi.

Cục nóng của một máy điều hòa đặt ngoài trời. Quạt lớn thổi không khí qua dàn ngưng tụ để mang nhiệt lấy từ trong phòng ra ngoài

Mang nhiệt đi rẻ hơn tạo ra nhiệt

Vì chỉ chuyển nhiệt chứ không tạo ra lạnh, máy điều hòa có thể mang đi lượng nhiệt lớn hơn lượng điện nó tiêu thụ. Tỷ lệ này gọi là hệ số hiệu suất (COP), thường lớn hơn 1 và phụ thuộc mạnh vào chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài nhà: ngoài trời càng nóng, máy càng phải làm việc vất vả. Dù vậy, tổng lượng điện vẫn rất lớn. Theo số liệu Wikipedia dẫn lại, năm 2016 thế giới có khoảng 1,6 tỷ máy điều hòa, Cơ quan Năng lượng Quốc tế dự báo con số này lên khoảng 4 tỷ vào năm 2050, và tính đến năm 2022, điều hòa dùng khoảng 7% điện năng toàn cầu.

Nguồn: Wikipedia: Air conditioning , Carrier , U.S. Department of Energy , HowStuffWorks , Wikipedia: Vapor-compression refrigeration