Vật liệu chuyển pha: vì sao tan chảy lại giúp giữ lạnh?

Đá tan vì nhận nhiệt từ xung quanh. Chính quá trình ấy giúp giữ lạnh đồ uống và thực phẩm. Vật liệu chuyển pha tận dụng cùng nguyên lý, nhưng có thể được lựa chọn để hoạt động ở những mức nhiệt độ khác với nước đá.

Một thùng nước đá giữ được đồ uống mát trong nhiều giờ dù không có máy lạnh bên trong. Đá nhỏ dần, nước đọng dưới đáy thùng, nhưng đồ uống chưa lập tức nóng lên. Điều đang xảy ra rất quen thuộc: nhiệt từ bên ngoài đi vào thùng và được đá hấp thụ để tan thành nước.

Các kỹ sư gọi những chất khai thác sự thay đổi trạng thái để tích trữ hoặc giải phóng nhiệt là vật liệu chuyển pha, viết tắt là PCM. Nước đá là ví dụ dễ hiểu nhất. Từ nguyên lý đó, người ta phát triển những vật liệu và cách đóng gói phù hợp cho thùng vận chuyển hàng lạnh, thiết bị làm lạnh hoặc công trình cần hạn chế dao động nhiệt độ.

Vì sao đá đang tan vẫn giữ được lạnh?

Nếu để một cốc nước mát ngoài trời, nước nhận nhiệt rồi ấm dần lên. Nhưng nếu trong cốc còn nước đá, một phần nhiệt đi vào được dùng để làm đá tan. Nhiệt độ của hỗn hợp có thể thay đổi ít trong khi lượng đá giảm rõ rệt.

Với nước tinh khiết ở áp suất khí quyển thông thường, quá trình nóng chảy diễn ra gần 0°C. Trong thời gian nước và đá cùng tồn tại gần trạng thái cân bằng, năng lượng nhận thêm chủ yếu phục vụ việc chuyển từ rắn sang lỏng, thay vì chỉ làm nhiệt độ tăng. Phần năng lượng gắn với sự chuyển trạng thái này được gọi là nhiệt ẩn nóng chảy.

Chữ “ẩn” không có nghĩa là nhiệt biến mất. Nó chỉ nói rằng vật liệu đã nhận thêm năng lượng nhưng nhiệt kế không tăng tương ứng như khi ta làm nóng một cốc nước hoàn toàn ở thể lỏng. Khi phần đá hữu ích đã tan hết, lượng nhiệt tiếp tục đi vào sẽ làm nước ấm lên.

Đó là cách PCM giúp ổn định nhiệt độ: nó nhận nhiệt trong lúc tan chảy và nhả nhiệt khi đông lại. Fraunhofer ISE, viện nghiên cứu năng lượng tại Đức, mô tả đặc điểm của kiểu lưu trữ này là vật liệu chỉ thay đổi nhiệt độ ít trong vùng chuyển pha.

Tại sao cần vật liệu khác nếu đã có nước đá?

Không phải việc bảo quản nào cũng cần nhiệt độ gần 0°C. Điều người thiết kế muốn giữ ổn định là khoảng nhiệt độ phù hợp với hàng hóa. Vì vậy, một câu hỏi quan trọng là: vật liệu bắt đầu tan và tiếp tục hấp thụ nhiệt ở mức nhiệt độ nào?

Nước chỉ cung cấp một lựa chọn quen thuộc. Những nhóm vật liệu khác, chẳng hạn một số loại paraffin hoặc muối ngậm nước, có thể được lựa chọn cho những vùng nhiệt độ khác. Báo cáo lưu trữ nhiệt của Bộ Năng lượng Mỹ, công bố tháng 7/2023, đặt nước/đá bên cạnh các nhóm PCM đang được phát triển cho nhu cầu sưởi và làm mát.

Như vậy, PCM không phải tên của một hóa chất duy nhất. Hai sản phẩm cùng được quảng cáo là dùng PCM vẫn có thể khác nhau về nhiệt độ nóng chảy, lượng nhiệt hấp thụ và cách sử dụng. Chọn vật liệu phải bắt đầu từ yêu cầu bảo quản, rồi mới xét vật liệu nào đáp ứng được.

Trong thùng giữ lạnh, lớp cách nhiệt và PCM làm hai công việc

Lớp cách nhiệt làm chậm nhiệt truyền từ môi trường nóng vào bên trong. PCM tiếp nhận phần nhiệt vẫn lọt qua. Có thể hình dung một bên làm chậm dòng nước chảy vào, còn một bên cung cấp chỗ chứa; muốn kéo dài thời gian bảo vệ hàng hóa, cả hai đều cần được thiết kế phù hợp.

Trước chuyến đi, vật liệu phải được chuẩn bị ở trạng thái có khả năng hấp thụ nhiệt, thường là được làm lạnh và đông lại theo yêu cầu của sản phẩm. Trong chuyến đi, nhiệt từ môi trường khiến vật liệu tan dần. Khi khả năng hấp thụ nhiệt trong vùng chuyển pha đã dùng hết, thùng không còn duy trì nhiệt độ theo cách ấy được nữa.

Hàng đưa vào thùng cũng là một phần của bài toán. Nếu hàng ban đầu còn nóng hơn mức cần bảo quản, PCM phải nhận cả nhiệt từ hàng lẫn nhiệt từ bên ngoài. Việc mở nắp hoặc thay đổi cách xếp hàng tiếp tục làm thay đổi điều kiện vận hành. Vì thế, thời gian giữ lạnh không chỉ nằm trong đặc tính của vật liệu.

Từ góc độ vận hành, lợi ích đáng quan tâm là tạo ra một khoảng thời gian bảo quản mà không cần máy nén chạy ngay tại thùng hàng. Nhưng công đoạn làm lạnh PCM trước đó vẫn cần năng lượng. Chi phí phải được tính trên cả chuyến đi và quá trình chuẩn bị cho chuyến tiếp theo.

Có thể chứa nhiều nhiệt nhưng vẫn tiếp nhận nhiệt quá chậm

Một túi PCM lớn có thể nhận được nhiều nhiệt hơn một túi nhỏ cùng loại. Tuy nhiên, nếu nhiệt không truyền vào bên trong túi đủ nhanh, một phần vật liệu còn chưa được sử dụng hiệu quả trong lúc nhiệt độ ở nơi khác đã tăng. Đây là sự khác nhau giữa chứa được bao nhiêu nhiệt và nhận nhiệt nhanh đến đâu.

Một phép tính giả định giúp hình dung: nếu phần dự trữ hữu ích của bộ PCM là 100 Wh nhiệt và nhiệt đi vào đều ở mức 10 W, thời gian sử dụng lý tưởng là 10 giờ. Nếu mức nhiệt đi vào tăng gấp đôi, cùng phần dự trữ đó chỉ còn tương ứng 5 giờ. Đây là ví dụ tính toán, không phải thông số của một sản phẩm.

Trong thực tế, còn phải bảo đảm nhiệt đến được PCM thay vì tích tụ ở khu vực chứa hàng. Túi mỏng, vị trí đặt, diện tích tiếp xúc và vật liệu dẫn nhiệt đều có thể ảnh hưởng kết quả. Chỉ tăng khối lượng PCM chưa chắc giải quyết được một thiết kế truyền nhiệt kém.

Một ví dụ nghiên cứu cụ thể được Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Mỹ giới thiệu ngày 23/05/2024: nhóm tích hợp PCM với bộ phận làm lạnh của tủ lạnh gia đình, đồng thời dùng kim loại xốp để hỗ trợ truyền nhiệt. Theo ORNL, cấu hình này hướng tới việc thực hiện phần lớn hoạt động làm lạnh vào ban đêm, sau đó tận dụng phần dự trữ để duy trì nhiệt độ.

Ví dụ ấy cho thấy PCM có thể phối hợp với máy lạnh để thay đổi thời điểm máy phải hoạt động. Nó cũng cho thấy hiệu quả đến từ thiết kế kết hợp nhiều bộ phận, chứ không chỉ từ việc đặt thêm một túi vật liệu vào tủ. Đây là công nghệ được ORNL giới thiệu và thử nghiệm, không phải bằng chứng mọi tủ lạnh dùng PCM đều đạt cùng kết quả.

Muốn dùng lại, vật liệu phải đông lại đúng cách

Sau khi tan, PCM cần được làm lạnh trở lại để sẵn sàng cho vòng sử dụng tiếp theo. Với người vận hành, câu hỏi thực tế là quá trình này mất bao lâu và có hoàn tất trước chuyến hàng sau hay không. Một hệ thống giữ lạnh tốt trong chuyến đầu vẫn có thể không phù hợp nếu khâu chuẩn bị làm chậm cả lịch giao hàng.

Bản thân vật liệu cũng phải chịu được việc đông rồi tan nhiều lần. Một số muối ngậm nước có thể gặp hiện tượng phân tách thành phần hoặc chậm đông kết dù nhiệt độ đã hạ xuống dưới mức dự kiến. Hiện tượng sau được gọi là quá lạnh; nó có thể làm quá trình giải phóng nhiệt và phục hồi trạng thái không diễn ra như mong muốn.

Hồ sơ dự án do DOE công bố năm 2021 nêu các vấn đề này, cùng với rò rỉ, như những trở ngại khi phát triển PCM từ muối ngậm nước. Vì vậy, bao bì chứa vật liệu và độ ổn định qua nhiều chu kỳ là phần thiết yếu của công nghệ, không chỉ là chi tiết phụ sau khi đã chọn được hóa chất.

Thử trên một chuyến hàng thật mới biết hiệu quả

Đối với một đơn vị vận chuyển thực phẩm, câu hỏi cuối cùng rất cụ thể: hàng có ở trong khoảng nhiệt độ yêu cầu suốt chuyến đi hay không? Muốn trả lời, cần theo dõi nhiệt độ tại những vị trí phù hợp với hàng, trong điều kiện đóng gói, thời tiết và lịch vận chuyển đã xác định.

Một phép đo ngay sát túi PCM có thể khác phép đo ở giữa kiện hàng. Khi so sánh hai giải pháp, lượng hàng, nhiệt độ ban đầu và điều kiện bên ngoài cũng cần tương đương. Nếu các yếu tố ấy thay đổi, số giờ giữ lạnh không còn là thước đo công bằng để kết luận vật liệu nào tốt hơn.

Cách tiếp cận này phù hợp với chương trình nghiên cứu Task 33 của IEA Energy Storage: đánh giá từ tính chất vật liệu, tới cách vật liệu làm việc trong bộ lưu trữ, rồi tới hiệu quả khi cả bộ lưu trữ được đưa vào một hệ thống sưởi hoặc làm mát.

PCM đáng quan tâm vì tận dụng một hiện tượng quen thuộc để giữ nhiệt độ ổn định trong khoảng thời gian hữu ích. Với thùng hàng, giá trị của nó phải được thể hiện bằng nhiệt độ thực phẩm trong suốt hành trình, số lần tái sử dụng và chi phí cho mỗi chuyến. Đó mới là những dữ liệu giúp người vận hành quyết định có nên thay đổi cách bảo quản hay không.

Nguồn tham khảo

Fraunhofer ISE: Heat and Cold Storage; DOE: Thermal Energy Storage Technology Strategy Assessment, tháng 7/2023; ORNL: Less carbon, more chill, 23/05/2024; DOE: dự án vật liệu chuyển pha muối vô cơ, 24/03/2021; IEA Energy Storage: Task 33.

Ảnh tư liệu: tấm vật liệu chuyển pha đóng gói InfiniteR năm 2017, tác giả Nrgsim, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0. Ảnh minh họa một cách đóng gói PCM, không phải thiết bị thử nghiệm của ORNL hoặc một thùng vận chuyển thực phẩm.