Lịch sử hình thành và phát triển kỹ thuật lạnh

Đã mấy ngàn năm trôi qua, từ khi con người còn chưa đạt được những thành tựu lớn về khoa học, chúng ta đã biết sử dụng lửa vào việc sưởi ấm vào mùa đông và cũng biết sử dụng băng, tuyết vào việc giữ gìn, bảo quản thực phẩm. Cách đây khoảng hơn 2000 năm người Ấn Độ và Trung Quốc đã biết cách trộn muối với nước hoặc nước đá để tạo ra nhiệt độ thấp hơn.

Những người La Mã cổ đại cũng lắp đặt hệ thống ống nước bao quanh tường nhà để nước lưu thông làm mát căn nhà. Một kỹ thuật khác cũng được sử dụng bởi những ngươi Ba Tư thời trung cổ để làm mát không khí. Đó là một hệ thống bao gồm bể chứa nước và các tháp gió để làm mát không khí trong nhà vào những thời điểm nóng bức.

Thế kỷ thứ 2 thời Hán tại Trung Quốc, nhà phát minh Đinh Hoãn đã chế tạo ra “chiếc quạt” để làm mát không khí. Đây là hệ thống gồm 3 bánh xe có đường kính 3 mét và được quay bằng tay để tạo ra luồng gió. Vào năm 747, vua Đường Huyền Tông (712-762) đã dùng một tháp làm mát lắp trong cung điện mang tên Lượng Thiên. Các văn bản cổ đã mô tả hệ thống bao gồm những bánh xe quay bằng sức nước để tạo luồng gió mang hơi ẩm làm mát không khí. Cho đến thời Tống tại Trung Quốc, các tài liệu cổ cũng đã đề cập tới việc sử dụng hệ thống làm mát không khí nói trên một cách rộng rãi bởi nhiều đối tượng khác nhau.

Tất cả những phát minh đều bắt đầu từ các nguyên lý vật lý – hóa học

Đến thế kỷ 17 tại, nhà phát minh Cornelis Drebble (1572-1633) đã giới thiệu mô hình làm máy không khí bằng cách thêm muối vào nước. Ông đặt tên cho hệ thống này là “biến mùa hè thành mùa đông” và giới thiệu cho vua nước Anh thời bấy giờ là James I.

Vào năm 1758, Benjamin Franklin (1785-1788), thống đốc bang Pennysylvania, và John Hadley (1731-1764), giáo sư hóa học tại Đại học Cambridge đã tiến hành thử nghiệm và khám phá ra nguyên lý của sự bay hơi. Franklin và Haldley xác nhận rằng sự bay hơi của một chất lỏng chẳng hạn như rượu hoặc ete có thể được dùng để giảm nhiệt độ của một vật thế xuống dưới điểm đóng băng của nước. 2 người đã tiến hành thử nghiệm dùng sự bay hơi để hạ nhiệt độ của ống nhiệt kế thủy ngân từ 18 độ C xuống còn -14 độ C.

Franklin đã ghi nhận rằng ngay sau khi nhiệt độ vượt qua ngưỡng đóng băng của nước, một màng băng mỏng đã hình thành trên bề mặt của ống nhiệt kế. Từ đó, ông đi đến kết luận: “Thử nghiệm trên cho thấy đóng băng một người đàn ông đến chết ngay trong mùa hè là việc làm hoàn toàn khả thi.”

Đến năm 1820, nhà hóa học và phát minh người Anh, Michael Faraday (1791-1867) đã thực hiện thành công thí nghiệm nén và hóa lỏng khí amoniac. Ông phát hiện ra rằng khi bay hơi, amoniac lỏng có thể làm lạnh không khí xung quanh. Hơn 20 năm sau đó, vào năm 1842, bác sĩ người Scotland John Gorrie (1803-1855) đã dùng kỹ thuật nén khí nhằm tạo ra băng để làm mát các bệnh nhân trong bệnh viện tại Apalachicola, Florida. Từ thành công đó, ông hy vọng sẽ tạo nên một cỗ máy tạo băng để làm mát cả một tòa nhà. Thậm chí, bác sĩ John đã hình dung ra một cỗ máy có thể làm mát không khí cho cả một thành phố.

Mặc dù mô hình và những ý tưởng trên chưa từng được thực hiện, nhưng vào năm 1851, Gorrie vẫn được trao bằng sáng chế cho cỗ máy tạo ra băng. Tuy nhiên, người ủng hộ dự án máy làm mát của Gorrie qua đời và ông không thể có được số tiền viện trợ để tiến hành chế tạo. Ngay sao đó, Gorrie đã chịu nhiều sự phản đối từ các nhà sáng chế đương thời. Cuối cùng, GOrrie qua đời trong nghèo đói vào năm 1855 và ý tưởng về một chiếc máy làm mát không khí bị phai mờ trong suốt nhiều năm sau đó.

Dưới góc độ khác của vấn đề, kể từ thời tiền sử, tuyết và băng đá đã được sử dụng để làm mát. Cho đến thế kỷ 19, thu thập băng trong mùa đông và dự trữ để sử dụng trong mùa hè đã trở thành một ngành công nghiệp phổ biến. Và cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, mô hình máy làm nước đá cơ khí đã sớm xuất hiện.

Cỗ máy làm nước đá đầu tiên do kỹ sư James Harrison chế tạo đã chính thức vận hành vào năm 1851 tại bờ sông Barwon tại Rocky Point thuộc miền Geelong, nước Úc. Sau đó, cỗ máy tạo nước đá của Harrison chính thức được thương mại hóa vào năm 1854. 1 năm sau đó, ông được trao bằng sáng chế cho việc phát minh ra hệ thống tủ lạnh nén khí ete vào năm 1855.

Về mặt nguyên lý, hệ thống của Harrison sử dụng máy nén để đẩy khí đi qua một bình ngưng tụ. Luồng khí đi qua sẽ được làm mát và hóa lỏng. Tiếp theo đó, khí hóa lỏng sẽ di chuyển qua hệ thống ống và trở lại thể hơi. Quá trình này sẽ làm mát lượng không khí xung quanh. Cỗ máy được vận hành bằng bánh đà có đường kính 5 mét và có thể tạo ra 3000 kg nước đá mỗi ngày.

Mặc dù Harrison đã thương mại hóa thành công nhà máy sản xuất nước đá thứ 2 tại Sydney vào năm 1860, nhưng không lâu sau đó, sự nghiệp phát triển của ông đã gặp phải một thất bại nghiêm trọng. Vào những năm 1870, vấn đề cạnh tranh thị bò tại thị trường châu Âu giữa Úc và Mỹ đang là chủ đề nóng hổi. Khi đó, Harrison đã thực hiện thử nghiệm chuyển thịt bò từ Úc tới Anh trên các tàu vận chuyển. Thay vì lắp đặt tủ lạnh, Garrison lại cho lắp đặt một căn phòng chứa đầy băng để bảo quản thịt bò. Kết quả thu được là toàn bộ thịt đều bị hư do lượn nước đá sử dụng tan nhanh hơn so với dự kiến của Garrison.

Mô hình làm mát bằng nước đá được tiếp tục sử dụng sau đó tại Mỹ. Vào năm 1881, khi tổng thống James Garfielsbị ám sát và nằm trong phòng bệnh, một nhóm các kỹ sư thuộc hải quân Hoa Kỳ đã chế tạo cỗ máy thổi khí qua lớp vải chứa nước đá để làm lạnh không khí. Hệ thống trên có thể giữ cho nhiệt độ phòng bệnh ở mức 20 độ C, tiêu tốn hàng triệu kg nước đá trong thời gian 2 tháng cho tới khi tổng thống qua đời.

Mô hình cơ điện lạnh – Chiếc máy lạnh đầu tiên xuất hiện

Vào cuối thế kỷ 19 đã bắt đầu xuất hiện khái niệm “sản xuất không khí” đã bắt đầu xuất hiện. Tuy nhiên, đây chỉ là phương pháp kiểm soát độ ẩm trong các nhà máy dệt may để đạt được mức năng suất cao hơn. Sau đó, người ta sử dụng hệ thống làm lạnh được thiết lập từ các đường ống dẫn không khí ẩm đi vòng quanh tòa nhà để bảo quản thực phẩm, làm mát bia, thức uống hoặc để bảo vệ các tài liệu quan trọng.

Vào năm 1902, mô hình máy điều hòa không khí hiện đại đầu tiên vận hành bằng năng lượng điện được phát minh bởi Willis Carrier (1875-1950) tại Buffalo, New York. Sau khi tốt nghiệp Đại học Carnell, Carrier bắt đầu làm việc cho công ty cơ khí Buffalo Forge. Trong quá trình làm việc tại đây, Carrier bắt đầu tiến hành những thí nghiệm làm mát không khí. Cuối cùng, mô hình máy điều hòa đã được thiết kế chế tạo và chính thức vận hành bởi Carrier vào ngày 17 tháng 7 năm 1902 tại Buffalo.

Hệ thống điều hòa không khí đầu tiên được thiết kế để sử dụng cho một nhà máy in, do đó phát minh của Carrier không chỉ kiểm soát nhiệt độ mà còn cả độ ẩm của không khí trong nhà máy. Để làm được điều này, Carrier đã áp dụng kiến thức của ông về quá trình sưởi ấm một vật thể bằng hơi nước và tìm cách đảo ngược quá trình đó. Nguyên lý khá đơn giản, thay vì đẩy không khí qua một ống nung nóng, ông tạo ra dòng di chuyển không khí qua một ống được làm lạnh bằng amoniac hóa lỏng.

Hệ thống bao gồm 2 ống dẫn chính, 1 ống để làm lạnh không khí và 1 ống để cung cấp không khí chứa hơi ẩm. Nhờ đó, hệ thống có thể kiểm soát được độ ẩm ở mức 55% bên trong khối không khí đã được làm lạnh. Do đó, hệ thống làm lạnh có thể bảo quản trang thiết bị trong nhà máy và tạo điều kiện tốt nhất để thực hiện quá trình in ấn. Với hệ thống làm lạnh này, Carrier được mệnh danh là cha đẻ của mô hình máy điều hòa không khí hiện đại.

Theo một số ghi chép và lời kể, ý tưởng về hệ thống trên xuất hiện khi Carrier đang đi trên một chuyến tàu trong sương mù. Sau đó, công nghệ của Carrier đã được áp dụng nhằm nâng cao năng suất làm việc tại các văn phòng, nhà máy,… Và công ty sản xuất máy điều hòa không khí mang tên Carrier chính thức được thành lập tại Mỹ nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng đang ngày càng tăng. Tuy nhiên, hệ thống điều hòa không khí đầu tiên có kích thước rất lớn, cực kỳ tốn kém và rất nguy hiểm do dùng amoniac làm chất sinh hàn, đây là một loại hợp chất có độc tính cao.

Năm 1906, kỹ sư Stuart Cramer đang làm việc tại nhà máy dệt bắc California đã nghĩ ra ý tưởng chế tạo thiết bị thông gió lắp vào nồi chứa nước cất của hệ thống dệt nhằm tạo ra độ ẩm giúp quá trình dệt diễn ra dễ dàng hơn. Cramer đã gọi quá trình này là “điều hòa không khí” (air conditioning).

Ngay sau thành công của mô hình máy điều hòa đầu tiên, cũng trong năm 1902, Trung tâm giao dịch chứng khoán New York đã lắp đặt hệ thống làm lạnh trung tâm song song với một hệ thống sưởi ấm được thiết kế bởi Alfred Wolff, một kỹ sư đến từ Hoboken, bang New Jersey. Wolff là một kỹ sư nổi tiếng với việc nâng cấp thiết kế máy dệt và kết hợp nó vào trong thiết kế xây dựng các tòa nhà. Ông được xem như một hình mẫu trong việc tạo nên các cuộc cách mạng áp dụng khoa học kỹ thuật.

Ứng dụng trong bảo quản thực phẩm: Đây là lãnh vực quan trọng nhất của kỹ thuật lạnh, nhằm đảm bảo cho các thực phẩm: rau, quả, thịt, cá, sữa, …không bị phân hủy (thối rữa) do vi khuẩn gây ra. Đặc biệt những nước có thời tiết nóng và ẩm như nước ta thì quá trình phân hủy (thối rữa) sẽ diễn ra càng nhanh. Vì thế việc áp dụng kỹ thuật lạnh vào việc bảo quản thực phẩm là hết sức cần thiết.

Ứng dụng kỹ thuật lạnh trong thể dục thể thao: Nhờ có kỹ thuật lạnh mà người ta có thể tạo ra sân trượt băng, đường đua trượt băng và trượt tuyết nhân tạo cho các vận động viên luyện tập hoặc cho các đại hội thể thao ngay cả khi nhiệt độ không khí còn rất cao, hoặc có thể để sưởi ấm bể bơi.

Ứng dụng kỹ thuật lạnh trong công nghiệp hoá chất: Những ứng dụng quan trọng nhất trong công nghiệp hoá chất là sự hoá lỏng khí bao gồm hoá lỏng các chất khí là sản phẩm của công nghiệp hoá chất như: Cl2 , NH3 , CO2 , SO3 , HCl và các loại khí đốt khác. Người ta thường dùng kỹ thuật lạnh để cô đặc nước quả, rượu nho, nhằm làm tăng hiệu suất ép nước rau, quả.

Ứng dụng kỹ thuật lạnh trong ngành Công nghiệp: Luyện kim, Chế tạo máy, Y học, Dược phẩm, ngành Vải sợi, Cao su nhân tạo.

Ứng dụng trong Nông nghiệp: nhằm bảo quản giống, lai tạo giống, điều hoà khí hậu cho các trại chăn nuôi trồng trọt, bảo quản và chế biến cá, nông sản thực phẩm.

Ứng dụng trong ngành Y học: Trong y tế người ta ứng dụng lạnh để bảo quản thuốc và các phẩm vật y tế… kỹ thuật lạnh được sử dụng trong y tế ngày càng nhiều và càng đem lại những hiệu quả hết sức to lớn. Phần lớn những loại thuốc quí, hiếm đều cần được bảo quản lạnh ở nhiệt độ thích hợp: như các loại vacxine, kháng sinh, gây mê….

Ứng dụng trong đời sống: Sản xuất nước đá và dùng nước đá cho việc trữ lạnh khi vận chuyển, bảo quản nông sản, thực phẩm, cho chế biến thuỷ sản và cho sinh hoạt của con người, nhất là ở các vùng nhiệt đới để làm mát và giải khát.