Thạc Sĩ Tính toán, thiết kế hệ thống phân phối và vận chuyển không khí trong máy điều hòa

Chương 1: Lịch sử phát triển, mục đích và ý nghĩa của điều hoà không khí

1.1. Lịch sử phát triển của điều hoà không khí
Từ lâu, con người đã biết đốt lửa sưởi Êm vào mùa đông và dùng quạt hoặc tìm vào các hang động mát mẻ vào mùa hè.
Cách đây 5000 năm, con người đã bảo quản lương thực và thực phẩm trong các hang động có nhiệt độ thấp do các mạch nước ngầm nhiệt độ thấp chảy qua. Các tranh vẽ trên tường trong các Kim tự tháp Ai Cập cách đây 2500-3000 năm đã mô tả cảnh nô lệ quạt các bình gốm xốp cho nước bay hơi làm mát không khí. Cách đây 2000 năm, người Ên Độ và Trung Quốc đã biết trộn muối và nước hoặc nước đá để tạo nhiệt độ thấp hơn.
Trong cuốn “The Origins of Air conditioning” đã nhắc đến rất nhiều tài liệu tham khảo và giới thiệu nhiều hình vẽ mô tả những thử nghiệm về điều hoà không khí. Ví dụ, Agricola đã miêu tả một công trình bơm không khí xuống giếng mỏ để cung cấp khí tươi cũng như điều hoà nhiệt độ cho công nhân mỏ vào năm 1555. Nhà bác học thiên tài Leonardo de Vinci cũng đã thiết kế và chế tạo hệ thống gió cho một giếng nhỏ. Ở Anh, Humphrey Davy đã trình quốc hội một dự án cải thiện không khí trong toà nhà quốc hội. Năm 1845, bác sĩ người Mỹ John Gorrie đã chế tạo máy lạnh nén khí đầu tiên để điều hoà không khí cho bệnh viện tư của ông. Chính sự kiện này đã làm cho ông nổi tiếng thế giới và đi vào lịch sử của kĩ thuật điều hoà không khí. Năm 1850, nhà thiên văn học Piuzzi Smith người Scotland lần đầu tiên đưa ra dự án điều hoà không khí phòng ở bằng máy lạnh nén khí. Sự tham gia của nhà bác học nổi tiếng Raukine đã làm cho đề tài không những trở nên nghiêm túc mà còn được đông đảo mọi người quan tâm theo dõi. Bắt đầu từ năm 1860 ở Pháp, F.Carré đã đưa ra những ý tưởng về điều hoà không khí cho các phòng ở và đặc biệt cho các nhà hát. Theo C.Linde, ngay cả vào thời điểm những năm 1890 và sau đó, người ta vẫn chưa hiểu được những yêu cầu vệ sinh của không khí đối với con người, cũng như khả năng kinh tế mà ngành kĩ thuật này có thể tạo ra, tuy rằng không có khó khăn gì về kĩ thuật. Năm 1894, Công ty Linde đã xây dựng một hệ thống điều hoà không khí bằng máy lạnh amoniac dùng để làm lạnh và khử Èm không khí mùa hè. Dàn lạnh đặt trên trần nhà, không khí đối lưu tự nhiên, không khí lạnh từ từ đi xuống phía dưới do mật độ lớn hơn. Máy lạnh đặt dưới tầng hầm.
Năm 1901, một số công trình khống chế nhiệt độ, chưa đạt được sự hoàn thiện và đáp ứng các yêu cầu kĩ thuật cần thiết. Nhưng cũng từ lúc này, đã hình thành 2 xu hướng cơ bản là điều hoà tiện nghi cho các phòng và điều hoà công nghệ phục vụ các nhu cầu sản xuất. Đúng vào thời điểm này, một nhân vật quan trọng đã đưa ngành điều hoà không khí của Mỹ nói riêng và của cả thế giới nói chung, đến một bước phát triển rực rỡ, đó là Willish Carrier. Chính ông là người đã đưa ra định nghĩa điều hoà không khí kÕt hợp sưởi Êm, làm lạnh, gia Èm, hót Èm, lọc rửa không khí, tự động duy trì khống chế trạng thái không khí không đổi phục vụ cho mọi yêu cầu tiện nghi hoặc công nghệ.
Năm 1911 Carrier đã lần đầu tiên xây dựng Èm đồ của không khí Èm và cắt nghĩa tính chất nhiệt của không khí Èm và các phương pháp xử lý để đạt được các trạng thái không khí yêu cầu. Ông là người đi đầu trong việc xây dựng cơ sở lý thuyết và trong phát minh, sáng chế, thiết kế và chế tạo các thiết bị và hệ thống điều hoà không khí. Ông đã cống hiến trọn đời mình cho ngành điều kiện không khí và cũng trở thành ông tổ vĩ đại nhất của ngành này.
Mỗi hệ thống điều hoà không khí bao gồm một máy lạnh (hoặc một nguồn nước lạnh 100C đủ dùng). Do các hệ thống điều hoà không khí thường phục vụ cho các phòng có người ở, các khu dân cư đông đúc như thành phố, khu công nghiệp nên vấn đề sử dụng môi chất lạnh là rất quan trọng và được lựa chọn cẩn thận. Amoniac và Điôxít Sunfua độc hại có mùi khó chịu nên không sử dụng được. CO2 không độc nhưng áp suất ngưng tụ quá cao. Carrier đã thiết kế máy lạnh với máy nén li tâm, môi chất điclo êtylen và điclo mêtan. Ban đầu hai môi chất này tạm thời đáp ứng được một số yêu cầu đề ra. Trong quá trình phát triển, kĩ thuật điều hoà không khí đã thúc đẩy ngành công nghiệp hoá chất tìm tòi môi chất lạnh mới.
Năm 1930, lần đầu tiên hãng Du pont de Nemours và có (Kinetic chemicals) ở Wilmington (Mỹ) đã sản xuất ra một loạt các môi chất lạnh mới với tên thương mại Prêôn rất phù hợp với những yêu cầu của điều hoà không khí. Chỉ từ khi đó, điều hoà không khí mới có những bước nhảy vọt mới. Và nước mỹ trở thành nước có ngành công nghiệp điều hoà không khí lớn nhất thế giới.
Ngoài việc điều hoà tiện nghi cho các phòng có người như nhà ở, nhà hàng, nhà hát, rạp chiếu phim, hội trường, phòng họp, khách sạn, trường học, văn phòng mà khi đó ở châu Âu vẫn coi đó là xa xỉ và sang trọng thì việc điều hoà công nghệ cũng được công nhận. Điều hoà công nghệ bao gồm nhiều lĩnh vực sản xuất khác nhau trong đó có sợi dệt, thuốc lá, in Ên, phim ảnh, dược liệu, đồ da, quang học, điện tử, cơ khí chính xác và một loạt các phòng thí nghiệm khác nhau Ví dụ, điều hoà không khí trong các giếng mỏ đã phát triển mạnh mẽ vì nó đảm bảo sức khỏe và nâng cao hiệu suất lao động của công nhân rất nhiều.
Ở Mỹ, từ năm 1945 điều hoà không khí trong ngành đường sắt phát triển đến mức không còn một toa xe lửa chở người nào mà không được điều hoà. Năm 1884 đã có những toa điều hoà không khí đầu tiên bằng nước đá. Đến năm 1929 các toa tàu được điều hoà bằng máy lạnh amoniac, năm 1930 bằng máy lạnh mêtylclorid và đến ngày 24/5/1931 đoàn tàu điều hoà không khí toàn bộ chạy trên đoạn New york- Washington đi vào hoạt động. Trước năm 1932, máy lạnh kiểu amoniac, máy nén được kéo bằng động cơ xăng, nhưng từ năm 1932, toàn bộ các hệ thống điều hoà không khí đã chuyển sang sử dụng môi chất Frêôn R12. Những thành tựu đáng kể trong lĩnh vực này thuộc về chương trình “Train of Tomorrow” của hãng Frigidaire ở Dayton Ohio.
Hãng Carrier còn phát triển máy lạnh ejector để điều hoà không khÝ cho tàu hoả vì nguồn hơi có thể lấy trực tiếp từ đầu tầu, nhưng chương trình này không đạt kết quả vì càng ngày các đầu máy hơi nước càng bị thay thế bằng các đầu máy diesel và đầu máy chạy điện.
Mặc dù việc điều hoà bằng máy lạnh phát triển nhanh chóng nhưng việc điều hoà tàu hoả bằng nước đá vẫn được sử dụng cho tới nhiêù năm sau vì tính chất đơn giản của nó. Các cây đá 150 kg được cung cấp tại các trạm tiếp đá đảm bảo việc điều hoà cho cả đoạn đường. Việc điều hoà bằng nước đá cũng được ứng dụng rộng rãi hơn trên tàu thuỷ. Việc điều hoà không khí cho máy bay (đặc biệt buồng lái) cũng trở nên hết sức quan trọng. Tốc độ máy bay càng cao, buồng lái càng nóng. Tuy ở độ cao lớn, không khí rất lạnh, nhưng do không khí đập vào vỏ ngoài, động năng biến thành nhiệt năng làm cho máy bay bị bao trùm bởi một lớp không khí nóng. Hơn nữa, vì phải đảm bảo áp suất trong khoang máy bay bằng áp suất khí quyển trên mặt đất nên phải nén không khí loãng bên ngoài máy bay để cung cấp cho các khoang. Quá trình nén này cũng làm cho nhiệt độ không khí tăng đáng kể. Trên máy bay thường có hệ thống nén khí turbin để cung cấp khí nén cho các động cơ phản lực nên chu trình lạnh nén khí để điều hoà không khí là phù hợp hơn cả. Ở đây chỉ cần trang bị thêm một máy giãn nở turbin phù