Bộ trao đổi nhiệt trong hệ thống HVAC (Phần 2)

  • 18 Tháng 06, 2019

Xem lại Bộ trao đổi nhiệt trong hệ thống HVAC (Phần 1)

3. Các loại trao đổi nhiệt

i. Bộ tản nhiệt

Những bộ này rất phổ biến trên khắp châu Âu và Bắc Mỹ trong các ngôi nhà và các tòa nhà thương mại cũ. Chúng thường được gắn vào tường dưới một cửa sổ để sưởi ấm không gian. Chức năng của chúng rất đơn giản, chúng thường được kết nối với một ống dẫn được cung cấp nước nóng từ nồi hơi.

Nước chảy vào một ống có đường kính nhỏ và chảy vào bên trong bộ tản nhiệt. Khu vực bên trong của bộ tản nhiệt lớn hơn so với đường ống làm giảm tốc độ nước xuống để cho phép nhiều thời gian hơn để truyền nhiệt.

Nhiệt của nước được truyền bằng cách dẫn nhiệt đến các tường kim loại của bộ tản nhiệt. Ở bên ngoài bộ tản nhiệt là không khí của căn phòng chúng được lắp đặt. Khi không khí này tiếp xúc với bề mặt nóng của bộ tản nhiệt, nhiệt sẽ truyền vào không khí và điều này sẽ khiến không khí giãn nở và tăng lên. Không khí lạnh hơn sau đó di chuyển vào để thay thế không khí này gây ra một chu kỳ không khí chuyển động liên tục làm nóng căn phòng, do đó chuyển động này của không khí được gọi là sự truyền nhiệt đối lưu. Bộ tản nhiệt thường có một số cánh được nối ở phía sau hoặc ở giữa các tấm, đặc biệt là trên các tấm mới, chúng chỉ ở đó để mở rộng diện tích bề mặt của bộ tản nhiệt để tạo thêm cơ hội truyền nhiệt vào không khí. "Bộ tản nhiệt" là một cái tên không chính xác vì chúng truyền nhiệt chủ yếu qua đối lưu.

Đôi khi, bạn sẽ tìm thấy một bộ tản nhiệt được thiết kế đặc biệt kết nối với hệ thống nồi hơi nhưng chúng ngày càng trở nên ít phổ biến hơn, dầu cũng có thể được sử dụng nhưng điều này khá hiếm ở thời điểm hiện tại.

k. Bộ sưởi nước

Bộ sưởi nước thường được tìm thấy trong nhiệt lượng kế và máy nước nóng, đôi khi nó cũng được sử dụng trong lưu vực các tháp giải nhiệt mở để ngăn nước đóng băng vào mùa đông. Chúng sử dụng một cuộn kim loại dọc theo ống có giá trị điện trở cao. Điện trở này tạo ra nhiệt. Cuộn dây được cách điện để chứa dòng điện nhưng cho phép dòng năng lượng nhiệt. Phần tử gia nhiệt được đặt chìm trong bể nước và nhiệt được dẫn ra khỏi phần tử và vào trong nước. Do đó, nước tiếp xúc với bộ phận làm nóng được làm nóng và điều này làm cho nó dâng lên trong bể, nước mát sau đó chảy vào để thay thế nước nóng này, nơi chu kỳ này sẽ tiếp tục.

l. Bánh xe quay

Những bộ trao đổi nhiệt loại này thường được tìm thấy trong các AHU giữa ống gió tươi và gió thải. Chúng hoạt động bằng cách sử dụng một động cơ điện nhỏ được kết nối với một vành đai để xoay từ từ bánh xe trao đổi nhiệt nằm chắn giữa đầu vào của cả luồng gió tươi và gió thải. Không khí đi thẳng qua bánh xe nhưng chính vì thế mà nó tiếp xúc với vật liệu của bánh xe. Vật liệu của bánh xe hấp thụ năng lượng nhiệt từ một luồng không khí và khi bánh xe quay, nó sẽ giải phóng năng lượng nhiệt hấp thụ này. Khi sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng này sẽ dẫn đến một lượng nhỏ không khí bị trộn lẫn giữa luồng gió tươi và gió thải do các khe hở nhỏ nơi bánh xe quay, do đó nó không được sử dụng ở nơi có mùi mạnh hoặc khí độc.

Những bộ trao đổi nhiệt loại này có thể được sử dụng trong những tháng mùa đông để lấy lại nhiệt từ dòng gió thải của tòa nhà, nhiệt này được giữ bởi bánh xe nhiệt và truyền vào luồng tươi sẽ lạnh hơn nhiều so với không khí bên trong tòa nhà.
Những bộ trao đổi nhiệt này cũng có thể được sử dụng trong những tháng mùa hè để thu hồi khí lạnh từ gió thải của các tòa nhà và sử dụng nó để làm mát gió tươi.

m. Lò hơi 

Bạn sẽ tìm thấy những lò hơi lớn như thế này chủ yếu trong các tòa nhà thương mại trung bình đến lớn ở những vùng khí hậu lạnh. Nhà ở và các tòa nhà nhỏ hơn sẽ sử dụng các phiên bản nhỏ hơn nhiều, thường được gắn trên tường. Cả hai loại đều có nhiều biến thể khác nhau nhưng loại này rất phổ biến.

Nhiên liệu được đốt trong buồng đốt (thường là khí hoặc dầu) và các khí thải nóng được dẫn qua một số ống dẫn đến ống khói và được thải ra môi trường. Các ống và buồng đốt được bao quanh bởi nước. Nhiệt đối lưu với thành ống và sau đó được dẫn vào trong nước, sau đó được mang đi bằng đối lưu. Tùy thuộc vào thiết kế của hệ thống, nước có thể tồn tại dưới dạng nước nóng hoặc hơi nước. Nước này được ép bởi một máy bơm, tốc độ của máy bơm cũng như lượng nhiên liệu được đốt có thể thay đổi để thay đổi nhiệt độ và tốc độ dòng chảy.

n. Ống dẫn nhiệt

Bạn có thể tìm thấy bộ tản nhiệt này trong máy nước nóng năng lượng mặt trời và một số bộ hồi nhiệt trong AHU. Nếu chúng ta nhìn vào các sản phẩm sử dụng năng lượng mặt trời, chúng ta có thể thấy một ống làm từ thủy tinh đặc biệt được hút chân không và sau đó được niêm phong. Thành bên trong của ống có một lớp phủ đặc biệt. Lớp phủ và chân không phối hợp với nhau để ngăn nhiệt không thể thoát ra một khi nó đã đi vào ống, sau đó nó giúp di chuyển nhiệt đến ống dẫn nhiệt ở trung tâm.

Ống dẫn nhiệt có một cánh ở mỗi bên được kết nối với lớp phủ ống để thu nhiệt.

Ống dẫn nhiệt là một ống đồng kín, dài, rỗng, chạy dọc theo chiều dài của ống thủy tinh và có một phần nhô ra ở phía trên. Các ống kết nối vào một thân ống dài và nước mát được chảy qua thân ống để đến đầu các ống dẫn nhiệt.

Bên trong ống dẫn nhiệt là hỗn hợp nước được giữ ở áp suất rất thấp. Áp suất thấp này cho phép nước bay hơi mà không cần phải thêm nhiệt. Hơi nước sau đó bốc lên đầu ống, nơi nó sẽ tỏa nhiệt vào dòng nước chảy qua thân ống dài. Khi hơi nước tỏa nhiệt, nó sẽ bị ngưng tụ và rơi xuống đáy ống để lặp lại chu kỳ. Các ống hấp thụ bức xạ nhiệt, sau đó nhiệt được truyền vào ống. Nước bên trong đối lưu nhiệt thu được với ống dẫn, nhiệt được truyền qua thành ống và được mang đi bằng cách đối lưu vào dòng nước.

o. Chilled beam

Có hai loại Chilled beam được sử dụng, thụ động và chủ động. Cả hai đều được sử dụng chủ yếu trong các tòa nhà thương mại.

Chilled beam chủ động hoạt động bằng cách đẩy chất lỏng lạnh, thường là nước, qua bộ trao đổi nhiệt dạng ống. Sau đó dẫn không khí vào Chilled beam và nó thoát ra ngoài qua các vòi được định vị đặc biệt. Không khí này di chuyển qua ống và thổi khí lạnh vào phòng. Thiết bị loại này sử dụng cơ chế đối lưu cưỡng bức.

Chilled beam thụ động cũng sẽ sử dụng bộ trao đổi nhiệt dạng ống, nhưng chúng không có nguồn cấp không khí được kết nối với nhau. Thay vào đó, chúng tạo ra một dòng đối lưu tự nhiên bằng cách làm mát không khí ấm ở mức trần. Không khí lạnh này sau đó chìm xuống và được thay thế bằng không khí ấm hơn nơi chu kỳ lặp lại.

p. Lò sưởi

Lò sưởi rất phổ biến trong các ngôi nhà có điều hòa không khí, đặc biệt là ở Bắc Mỹ. Lò sưởi sử dụng bộ trao đổi nhiệt đặt trực tiếp vào ống dẫn hơi nước. Nhiên liệu được đốt cháy và hơi nóng được đẩy qua bộ trao đổi nhiệt, nhiệt lượng này được truyền vào các bức tường của bộ trao đổi nhiệt, luồng khí lạnh đi qua phía bên kia gây ra chênh lệch nhiệt độ nên nhiệt được truyền qua bức tường và sẽ được mang đi bằng đối lưu.

q. Tấm trao đổi nhiệt

Có hai loại trao đổi nhiệt dạng tấm chính, loại đệm và loại tấm hàn. Cả hai đều rất hiệu quả trong việc truyền nhiệt, cho hiệu quả cao hơn và thiết kế nhỏ gọn, bạn có thể sử dụng các bộ trao đổi nhiệt dạng tấm siêu nhỏ cho nhiều ứng dụng.

Những điều cơ bản cần biết về hai loại bộ trao đổi nhiệt này là loại đệm có thể được tháo dỡ, khả năng làm nóng hoặc làm mát của nó có thể tăng hoặc giảm chỉ bằng cách thêm hoặc tháo các tấm truyền nhiệt. Bạn sẽ tìm thấy bộ trao đổi nhiệt dạng này được sử dụng trong các tòa nhà thương mại cao tầng để gián tiếp kết nối các thiết bị làm lạnh Chiller, lò hơi và tháp giải nhiệt với các mạch sưởi và làm mát và để kết nối các tòa nhà với hệ thống điện của khu vực.

Bộ trao đổi nhiệt tấm hàn là các bộ phận kín không thể tháo rời, khả năng sưởi hoặc làm mát của chúng không thể thay đổi được. Chúng được sử dụng cho các ứng dụng như, bơm nhiệt, kết nối nhiệt lượng gián tiếp, v.v.

Cả hai loại đều hoạt động bằng cách truyền môi chất, thường ở các hướng ngược nhau, trong các kênh liền kề. Các môi chất thường dùng là nước và/hoặc chất làm lạnh. Năng lượng nhiệt được đối lưu trên tấm, sau đó nó dẫn qua tấm và môi chất ở phía bên kia mang nhiệt đi bằng cơ chế đối lưu.

r. Bơm nhiệt
Bơm nhiệt được sử dụng chủ yếu trong nhà nhưng đôi khi cũng xuất hiện trong các tòa nhà thương mại. Có hai loại máy bơm nhiệt chính là bơm nhiệt khí và bơm nhiệt sàn. Bơm nhiệt khí thường được sử dụng để sưởi ấm không gian trong khi bơm nhiệt sàn được sử dụng phổ biến hơn để sưởi nước.

Bơm nhiệt khí hoạt động như một hệ thống điều hòa không khí nhưng ngược lại, thay vì loại bỏ nhiệt từ một căn phòng, nó lại bổ sung nhiệt. Môi chất lạnh đi từ máy nén đến dàn lạnh có chứa bộ trao đổi nhiệt dạng ống. Môi chất truyền nhiệt của nó bằng cách đối lưu với các thành ống, sau đó nó được dẫn qua phía bên kia. Ở phía bên kia là không khí lạnh của căn phòng bị thổi qua bộ trao đổi nhiệt bằng một chiếc quạt nhỏ, sau đó chúng mang nhiệt đi bằng cơ chế đối lưu. Sau đó môi chất chảy đến van giãn nở và rồi đến bộ phận ngoài trời cũng là bộ trao đổi nhiệt ống có cánh hoặc bộ trao đổi nhiệt vi kênh.

Khi không khí đi qua bộ trao đổi nhiệt này, không khí xung quanh sẽ làm cho môi chất lạnh sôi lên và thu nhiệt. Nhiệt này sau đó đi qua máy nén đến dàn lạnh để lặp lại chu trình.

Bơm nhiệt sàn có cơ chế hoạt động khác biệt hơn. Một hỗn hợp nước và chất chống đông được bơm qua các đường ống trong lòng đất để thu nhiệt. Sau đó chúng được chuyển vào một chu trình làm lạnh nhỏ thông qua bộ trao đổi nhiệt dạng tấm hàn. Môi chất lạnh mang nó đến một bộ trao đổi nhiệt dạng tấm hàn thứ hai được kết nối với một vòng nước khác và truyền nhiệt của nó vào một bể nước nóng thường thông qua một ống xoắn ốc không có cánh.

s. Bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm

Các bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm thường được tìm thấy trong các thiết bị làm lạnh Chiller trên thiết bị bay hơi và hoặc thiết bị ngưng tụ.


Đây là một thiết kế đơn giản của bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm. Nó có một thùng chứa bên ngoài được gọi là vỏ. Bên trong vỏ là một số ống dài. Các ống chứa một môi chất và vỏ chứa một môi chất khác. Hai môi chất được ngăn cách bởi các thành ống, chúng không bao giờ gặp nhau hoặc trộn lẫn vào nhau. Các môi chất sẽ ở các nhiệt độ khác nhau khiến năng lượng nhiệt được truyền giữa các môi chất và năng lượng nhiệt này sẽ đi qua các thành ống. Khi được sử dụng trong thiết bị bay hơi hoặc ngưng tụ, hai môi chất sẽ là nước và chất làm lạnh. Tùy thuộc vào thiết kế, nước có thể ở trong vỏ hoặc ống và chất làm lạnh sẽ ở trong ống kia.

t. Thiết bị làm lạnh Chiller

Một thiết bị làm lạnh hay một chiller sẽ sử dụng một trong các bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm, bộ trao đổi nhiệt dạng tấm hoặc bộ trao đổi nhiệt dạng ống. Một số Chiller đặc biệt có thể sẽ sử dụng kết hợp tất cả những bộ này. Ví dụ, một Chiller làm mát bằng không khí có thể sử dụng bộ trao đổi nhiệt ống chùm cho thiết bị bay hơi, bộ trao đổi nhiệt dạng ống hoặc bộ trao đổi nhiệt dạng vi kênh cho thiết bị ngưng tụ, bộ trao đổi nhiệt dạng tấm hàn để làm mát dầu máy nén và bộ trao đổi nhiệt dạng tấm đệm để kết nối gián tiếp máy làm lạnh đến mạch làm mát trung tâm.

Nguồn: Tài liệu được dịch từ The Engineering Mindset