Tủ lạnh không tạo ra hơi lạnh: chu trình nén và giãn môi chất mang nhiệt ra khỏi tủ | Viết bởi osx

Mở cửa tủ lạnh, hơi lạnh phả ra khiến nhiều người nghĩ bên trong có thứ gì đó tạo ra cái lạnh. Thật ra, về mặt vật lý, lạnh chỉ là ít nhiệt. Tủ lạnh không bơm hơi lạnh vào, mà liên tục hút nhiệt từ thức ăn và không khí bên trong rồi thải ra căn bếp.

HowStuffWorks tóm gọn nguyên lý trong một câu: khi chất lỏng bay hơi, nó hấp thụ nhiệt. Thoa chút cồn lên da sẽ thấy mát vì cồn bay hơi, lấy nhiệt từ da. Hầu hết tủ lạnh gia đình làm điều tương tự bằng chu trình nén hơi, cùng nguyên lý với máy điều hòa, chỉ khác là chất lỏng được nhốt trong vòng ống kín và dùng đi dùng lại.

Máy nén Embraco trong một tủ lạnh Maytag đời 2010, bộ phận đẩy môi chất chạy vòng và tạo chênh lệch áp suất cho cả chu trình

Theo HowStuffWorks, tủ lạnh có năm thành phần chính:

Máy nén : hút hơi môi chất và nén lên áp suất cao. Dàn nóng (dàn ngưng tụ): ống uốn bên ngoài khoang lạnh, theo Britannica thường ở mặt sau hoặc đáy tủ. Thiết bị tiết lưu : van giãn nở hoặc ống mao dẫn, về bản chất là một chỗ thắt cỡ lỗ kim trên đường ống. Dàn lạnh (dàn bay hơi): ống uốn bên trong khoang lạnh. Môi chất lạnh : chất lỏng bay hơi bên trong tủ để tạo nhiệt độ thấp.

Nhiệt độ sôi của chất lỏng phụ thuộc áp suất. Nước sôi ở 100 °C ngang mực nước biển, nhưng trên núi cao, nơi áp suất thấp hơn, nó sôi ở khoảng 87 đến 93 °C, theo HowStuffWorks. Môi chất lạnh được chọn để sôi ở nhiệt độ rất thấp: isobutane (R-600a), loại được dùng nhiều trong tủ lạnh mới ở châu Âu, sôi ở khoảng -11,8 °C dưới áp suất khí quyển.

Khi bị hạ áp suất, môi chất sôi ở nhiệt độ thấp hơn thức ăn trong tủ nên tự hút nhiệt. Khi bị nén lên áp suất cao, nó nóng hơn không khí trong phòng nên tự nhả nhiệt. Máy nén và thiết bị tiết lưu là hai "công tắc" áp suất đó.

Sơ đồ minh họa: môi chất chạy trong vòng ống kín, hút nhiệt ở dàn lạnh bên trong tủ và nhả nhiệt ở dàn nóng bên ngoài

Nén : môi chất vào máy nén ở dạng hơi áp suất thấp, nhiệt độ xấp xỉ trong tủ, rồi đi ra thành hơi nóng áp suất cao. Ngưng tụ : hơi nóng chạy qua dàn nóng, được không khí trong phòng làm nguội và hóa lỏng, vẫn ở áp suất cao và chỉ ấm hơn phòng một chút. Giãn nở : chất lỏng bị ép qua chỗ thắt sang vùng áp suất thấp hơn nhiều. Áp suất tụt đột ngột làm một phần chất lỏng bay hơi tức thì, lấy nhiệt từ chính phần lỏng còn lại, khiến cả dòng lạnh đi. Về tỷ lệ, hai bài Wikipedia ghi khác nhau: khoảng một nửa, hoặc dưới một nửa. Bay hơi : hỗn hợp lạnh chảy qua dàn lạnh, quạt thổi không khí trong tủ qua các ống. Môi chất bay hơi hết, hút thêm nhiệt từ không khí, rồi quay về máy nén cho vòng mới.

Không khí lạnh trong tủ vẫn ấm hơn môi chất trong dàn lạnh, và chính chênh lệch đó khiến nhiệt chảy từ không khí sang môi chất.

Sơ đồ minh họa: bốn bước của chu trình nén hơi và cân bằng năng lượng ở dàn nóng

Theo Encyclopedia.com, dàn nóng phải thải ra cả lượng nhiệt hút từ trong tủ lẫn năng lượng do máy nén đưa vào. Vì thế mở cửa tủ lạnh không làm mát được căn phòng: nhiệt hút vào lại được thải ngay trong phòng, cộng thêm nhiệt từ máy nén.

Britannica cho biết phần lớn tủ lạnh không chạy liên tục. Khi khoang chứa ấm hơn mức cài đặt, bộ điều nhiệt bật máy nén, làm lạnh xuống dưới mức đó một chút rồi tắt. Tủ inverter thì thay đổi tốc độ máy nén thay vì bật tắt.

Năm 1755 : William Cullen ở Scotland hút chân không trên bình ê-te, làm ê-te sôi, hút nhiệt và tạo được một ít băng. Năm 1834 : Jacob Perkins chế tạo hệ thống làm lạnh nén hơi chạy được đầu tiên, vòng kín và hoạt động liên tục. Năm 1854 : máy làm đá thương mại đầu tiên của James Harrison ra đời ở Úc. Năm 1913 : tủ lạnh điện gia đình đầu tiên xuất hiện. Năm 1927, GE Monitor-Top thành mẫu tủ lạnh phổ biến rộng rãi đầu tiên, hơn một triệu chiếc được sản xuất. Thập niên 1920 và 1930 : Freon thay cho sulfur dioxide hay methyl formate độc hại. Thập niên 1990 : R-12 bị cấm trong tủ mới vì phá hủy tầng ozone, R-134a thay thế; từ năm 1993, isobutane được đưa vào tủ lạnh qua dự án Greenfreeze.

Tủ lạnh General Electric Monitor-Top đời 1929 tại Bảo tàng Ô tô Tallahassee (Mỹ), cụm máy nén đặt trên nóc tủ

Isobutane gần như không ảnh hưởng tầng ozone, hệ số làm nóng toàn cầu thấp, nhưng dễ cháy; Wikipedia ghi nhận đã có vụ nổ khi khí rò rỉ tích tụ trong tủ rồi gặp tia lửa.

Hiểu chu trình này cũng giải thích vài lời khuyên quen thuộc. Vệ sinh bụi trên dàn nóng và chừa khoảng trống quanh nó giúp tủ thải nhiệt tốt hơn. Cơ quan FDA của Mỹ khuyến nghị giữ ngăn mát ở 4 °C trở xuống và ngăn đông ở -18 °C; Wikipedia lưu ý ngăn mát thường không cần lạnh hơn 4 °C.

Nguồn: Wikipedia (Refrigerator) , Wikipedia (Vapor-compression refrigeration) , HowStuffWorks , Britannica Kids , Encyclopedia.com