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

Sau 2 bài viết rất chi tiết và đầy đủ và AHU và RTU, chúng ta có thể dễ dàng nhận ra những điểm giống nhau về cấu tạo của 2 thiết bị này. Đặc biệt, để đạt được hiệu quả về năng lượng, cả 2 thiết bị đều cần các bộ trao đổi nhiệt như: cuộn nhiệt, tấm trao đổi nhiệt,...Bây giờ, chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về các bộ trao đổi nhiệt này qua bài viết dưới đây.

1. Bộ trao đổi nhiệt là gì?

Bộ trao đổi nhiệt chính xác như tên gọi của nó, là thiết bị được sử dụng để truyền (trao đổi) nhiệt hoặc nhiệt lượng. Bộ trao đổi nhiệt thường được cấu tạo với môi chất nóng để cung cấp nhiệt (sưởi) hoặc môi chất lạnh để làm mát.

Nguyên lý trao đổi nhiệt

- Môi chất có thể là chất lỏng hoặc chất khí
- Nhiệt luôn trao đổi từ bên nóng sang bên lạnh
- Bắt buộc phải có sự chênh lệch nhiệt độ để trao đổi nhiệt

2. Nhiệt được trao đổi như thế nào?

Nhiệt được trao đổi qua 3 phương pháp sau:

- Dẫn nhiệt

- Đối lưu

- Bức xạ

Hầu hết các bộ trao đổi nhiệt cho hệ thống HVAC sử dụng phương pháp dẫn nhiệt và đối lưu. Trao đổi nhiệt bằng bức xạ có xảy ra trong thực tế nhưng nó chỉ chiếm một phần rất nhỏ.

a. Dẫn nhiệt

Hiện tượng dẫn nhiệt xảy ra khi hai vật liệu có nhiệt độ khác nhau chạm vào nhau. Ví dụ, chúng ta đặt một tách cà phê nóng lên bàn trong vài phút, sau đó lấy cái cốc ra, mặt bàn sẽ nóng lên một chút do xảy ra sự trao đổi nhiệt với cốc.

b. Đối lưu

Đối lưu xảy ra khi dung môi di chuyển và mang nhiệt đi. Điều này có thể xảy ra tự nhiên hoặc bằng lực cơ học như sử dụng quạt. Một ví dụ về điều này là khi bạn thổi vào một muỗng súp nóng. Bạn thổi thìa để làm nguội súp và không khí mang hơi nóng này đi.

c. Bức xạ

Bức xạ xảy ra khi một bề mặt phát ra sóng điện từ. Tất cả mọi thứ, bao gồm cả bạn, phát ra một số bức xạ nhiệt. Bề mặt càng nóng thì bức xạ nhiệt sẽ phát ra càng nhiều. Một ví dụ về điều này sẽ là mặt trời. Nhiệt từ mặt trời truyền đi khi sóng điện từ trong không gian và đến với chúng ta mà không có gì ở giữa.

Môi chất
Các môi chất được sử dụng trong hệ thống HVAC thường bao gồm nước, hơi nước, khí, chất làm lạnh hoặc dầu làm phương tiện truyền nhiệt. Bộ trao đổi nhiệt HVAC thường làm một trong hai việc, sưởi hoặc làm mát không khí/nước. Một số được sử dụng để làm mát hoặc sưởi thiết bị vì lý do hiệu suất nhưng phần lớn được sử dụng để điều hòa không khí/nước.

3. Các loại trao đổi nhiệt
Hầu hết các bộ trao đổi nhiệt theo một trong hai loại thiết kế. Một là kiểu cuộn, hai là thiết kế dạng tấm. Chúng ta hãy cùng xem những điều cơ bản về cách thức hoạt động của cả hai loại này và sau đó xem cách chúng được áp dụng cho các bộ trao đổi nhiệt phổ biến trong các hệ thống.

a. Cuộn trao đổi nhiệt - phiên bản đơn giản

Bộ trao đổi nhiệt cuộn ở dạng đơn giản nhất của chúng sử dụng một hoặc nhiều ống chạy qua lại nhiều lần. Các ống tách hai chất lỏng. Một chất lỏng chảy bên trong ống và một chất lỏng khác chảy ra bên ngoài. Hãy xem xét một ví dụ về hệ thống sưởi. Nhiệt được truyền từ chất lỏng bên trong nóng vào thành ống thông qua sự đối lưu, sau đó nó dẫn qua thành ống sang phía bên kia và chất lỏng bên ngoài mang điều này đi qua sự đối lưu.

b. Tấm trao đổi nhiệt - phiên bản đơn giản

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm sử dụng các tấm kim loại mỏng để tách hai chất lỏng. Các chất lỏng thường chảy theo hướng ngược lại để cải thiện sự truyền nhiệt. Nhiệt của chất lỏng nóng nhất được truyền vào tường tấm và sau đó được dẫn qua phía bên kia. Chất lỏng khác, đang đi vào ở nhiệt độ thấp hơn, sau đó mang chất này đi qua sự đối lưu.

Chúng ta hãy xem chi tiết hơn về cách các loại bộ trao đổi nhiệt này được áp dụng cho các hệ thống HVAC.

c. Dàn ống có cánh (Môi chất)

Các ống có cánh thường được gọi đơn giản là một cuộn, ví dụ cuộn sưởi hoặc làm mát. Đây là những điều cực kỳ phổ biến. Bạn sẽ tìm thấy những bộ phận này trong các thiết bị xử lý không khí, hệ thống ống dẫn, thiết bị bay hơi và thiết bị ngưng tụ của hệ thống điều hòa không khí, ở mặt sau của tủ lạnh, trong rãnh máy sưởi, và còn rất nhiều thiết bị nữa.

Đối với các bộ trao đổi nhiệt nước, môi chất lạnh hoặc hơi nước thường đi vào bên trong và không khí thoát ra bên ngoài.

Ví dụ, khi được sử dụng để sưởi không khí, sử dụng nước nóng. Nước nóng chảy vào bên trong ống và truyền năng lượng nhiệt của nó bằng đối lưu vào thành ống, có sự chênh lệch nhiệt độ giữa nước nóng và không khí để nhiệt được truyền qua vách ống. Không khí thoát ra bên ngoài mang theo nhiệt mới được truyền.

Các cánh thường kết nối giữa tất cả các đường ống, chúng nằm trực tiếp trên đường đi của luồng không khí và giúp tách nhiệt ra khỏi đường ống và đưa nó vào không khí vì cơ chế này hoạt động như một phần mở rộng ra toàn bộ bề mặt của đường ống. Diện tích bề mặt càng lớn thì càng nhiều chỗ hơn để truyền nhiệt.

d. Tấm trao đổi nhiệt

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm được sử dụng trong các thiết bị xử lý không khí để trao đổi năng lượng nhiệt giữa các luồng khí nạp và khí thải mà không bị ẩm và không bị hòa lẫn giữa 2 luồng. Bộ trao đổi nhiệt được làm từ các tấm kim loại mỏng thường bằng nhôm, với hai chất lỏng có nhiệt độ khác nhau chảy theo các đường chéo đối diện. Thông thường không khí được sử dụng trong cả hai nhưng khí thải từ một thứ như động cơ CHP cũng có thể được sử dụng.

Nhiệt từ một luồng được truyền vào các tấm kim loại mỏng ngăn cách các luồng, sau đó được truyền qua kim loại nơi nó được mang đi bằng cách đối lưu cưỡng bức vào luồng khác.

e. Máy sưởi

Máy sưởi rãnh được lắp đặt xung quanh một tòa nhà, thường dưới cửa sổ hoặc tường kính và rất phổ biến trong các tòa nhà thương mại mới. Máy sưởi rãnh được lắp đặt dưới sàn và mục đích của chúng là giảm sự mất nhiệt qua lớp kính cũng như ngăn chặn sự ngưng tụ.

Chúng làm thế bằng cách tạo ra một bức tường đối lưu dòng không khí. Máy sưởi rãnh thường sử dụng nước nóng hoặc các yếu tố làm nóng bằng điện để làm nóng không khí. Vị trí của chúng ở sàn nhà có nghĩa là chúng có thế tiếp cận dòng khí lạnh nhất trong phòng. Bộ trao đổi nhiệt truyền nhiệt cho nó thông qua một ống có cánh, điều này làm cho không khí lạnh nóng lên và bay lên trần nhà. Khi không khí ấm áp này tăng lên, không khí lạnh hơn trong phòng sẽ ùa vào thay thế. Điều này tạo ra một dòng đối lưu và một ranh giới nhiệt giữa kính và phòng.

f. Lò sưởi điện - Yếu tố cuộn mở

Các yếu tố cuộn nhiệt mở được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng ống dẫn, lò nung và đôi khi là cuộn quạt. Chúng hoạt động bằng cách sử dụng các cuộn tiếp xúc với kim loại có điện trở cao để sinh nhiệt. Các bộ trao đổi nhiệt này được đặt trực tiếp vào luồng không khí và khi không khí đi qua các cuộn, năng lượng nhiệt được truyền qua bằng đối lưu. Chúng cung cấp hệ thống sưởi đồng đều trên luồng không khí mặc dù chúng chỉ được lắp đặt ở 1 nơi an toàn cố định và không thể bị tiếp cận 1 cách dễ dàng.

g. Bộ trao đổi nhiệt dạng vi kênh

Bộ trao đổi nhiệt dạng vi kênh là một cải tiến trên cuộn ống có cánh cung cấp khả năng trao đổi nhiệt vượt trội mặc dù chúng chỉ được sử dụng cho hệ thống lạnh và điều hòa không khí. Bạn có thể tìm thấy các bộ trao đổi nhiệt kiểu này trên máy làm lạnh không khí, thiết bị ngưng tụ, AC dân dụng, máy sấy không khí, làm mát tủ và các thiết bị trên mái nhà,...

Bộ trao đổi nhiệt dạng này hoạt động bằng cách sử dụng đối lưu như là phương pháp truyền nhiệt chính. Bộ trao đổi nhiệt dạng vi kênh có thiết kế khá đơn giản. Ở mỗi bên là một tiêu đề, chạy giữa mỗi tiêu đề là một số ống phẳng có vây ở giữa. Không khí đi qua các khoảng trống trong vây để mang năng lượng nhiệt đi.

Môi chất lạnh đi qua phần trên và sau đó là các ống phẳng cho đến khi nó đạt đến phần trên khác. Các đầu chứa các vách ngăn điều khiển hướng của môi chất lạnh và được sử dụng để lặp môi chất lạnh qua các ống nhiều lần để tăng thời gian di chuyển bên trong và do đó tăng cơ hội truyền nhiệt.

Bên trong mỗi ống phẳng là một số lỗ nhỏ được gọi là các kênh siêu nhỏ (vi kênh) chạy dọc toàn bộ chiều dài của mỗi ống phẳng. Các kênh siêu nhỏ này làm tăng đáng kể diện tích bề mặt của bộ trao đổi nhiệt, cho phép nhiều năng lượng nhiệt ra khỏi môi chất lạnh và vào vỏ kim loại trao đổi nhiệt. Chênh lệch nhiệt độ giữa môi chất lạnh và không khí làm cho nhiệt dẫn qua vỏ ống phẳng và vào cánh ống. Khi không khí đi qua các khoảng trống, nó mang them năng lượng nhiệt đi ra bằng sự đối lưu.

h. Lò bay hơi

Lò bay hơi thường được tìm thấy trong các tòa nhà lớn và trung tâm thương mại nhỏ với hệ thống ống gió nhỏ. Bạn có thể tạo ra các phiên bản lớn hơn hoạt động theo các nguyên tắc tương tự nhưng dành cho các hệ thống lớn hơn, chủ yếu là AHU, trong các tòa nhà thương mại cỡ vừa và lớn. Các cuộn bên trong một lò bay hơi hoạt động giống như một bộ trao đổi nhiệt ống cánh và sử dụng môi chất lạnh ở bên trong với ống gió ở bên ngoài. Không khí đi qua các ống truyền nhiệt của nó thông qua đối lưu cưỡng bức, sau đó được truyền qua thành ống bằng cơ chế dẫn nhiệt, môi chất lạnh ở bên trong mang nhiệt này đi qua đối lưu cưỡng bức, môi chất lạnh sôi lên và bay hơi đến máy nén.

Xem tiếp phần 2: Bộ trao đổi nhiệt trong hệ thống HVAC

Nguồn: Tài liệu được dịch từ The Engineering Mindset