Trong bất kỳ hệ thống HVAC nào, bộ trao đổi nhiệt luôn đóng vai trò then chốt giúp tối ưu khả năng làm mát, sưởi ấm và tiết kiệm năng lượng. Thiết bị này cho phép truyền nhiệt hiệu quả giữa các dòng môi chất mà không gây lẫn tạp chất, đảm bảo không gian luôn đạt nhiệt độ và độ ẩm tiêu chuẩn. Hiểu rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động và vai trò của dàn trao đổi nhiệt sẽ giúp doanh nghiệp lựa chọn giải pháp phù hợp, nâng cao hiệu suất vận hành và tiết giảm chi phí dài hạn.
1. Bộ trao đổi nhiệt là gì?
Bộ trao đổi nhiệt (Heat Exchanger) là một thiết bị cơ bản nhưng đóng vai trò then chốt trong hệ thống HVAC. Nhiệm vụ chính là truyền nhiệt giữa hai môi chất, mà không để hai môi chất này tiếp xúc trực tiếp với nhau, giúp kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí theo thiết kế.
Bộ trao đổi nhiệt có thể thực hiện quá trình truyền nhiệt giữa nhiều dạng môi chất khác nhau như:
- Khí – khí (trao đổi nhiệt giữa hai luồng không khí).
- Lỏng – lỏng (trao đổi nhiệt giữa nước nóng và nước lạnh).
- Khí – lỏng (phổ biến trong điều hòa không khí, Chiller, AHU).
- Hơi – lỏng hoặc hơi – khí (thu hồi nhiệt từ khí thải, hơi nóng công nghiệp).
Trong hệ thống điều hòa không khí dân dụng và công nghiệp, thiết bị trao đổi nhiệt thường chia thành 2 dạng: dàn lạnh (Evaporator) và dàn nóng (Condenser). Dàn lạnh hấp thụ nhiệt bên trong không gian cần làm mát, còn dàn nóng thải nhiệt ra môi trường bên ngoài, giúp duy trì nhiệt độ và độ ẩm theo yêu cầu.
2. Tấm trao đổi nhiệt hoạt động như thế nào?
Tấm trao đổi nhiệt vận hành dựa trên nguyên lý chuyển nhiệt từ môi chất có nhiệt độ cao sang môi chất có nhiệt độ thấp nhờ chênh lệch nhiệt độ. Quá trình này diễn ra qua bề mặt dẫn nhiệt, thường là các tấm kim loại mỏng, giúp ngăn không cho hai môi chất tiếp xúc trực tiếp.
Nhiệt được truyền qua ba cơ chế cơ bản:
- Dẫn nhiệt: Nhiệt di chuyển trực tiếp qua vật liệu từ vùng nóng sang vùng lạnh.
- Đối lưu: Dòng môi chất mang nhiệt chuyển động qua bề mặt trao đổi.
- Bức xạ: Thường không đáng kể trong HVAC nhưng vẫn tồn tại ở một số ứng dụng nhiệt độ cao.
Nhờ sắp xếp dòng chảy ngược chiều hoặc chéo dòng, hiệu quả trao đổi nhiệt được tối ưu, đảm bảo quá trình làm nóng hoặc làm lạnh đạt hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng.
Xem thêm: Dàn ngưng tụ, dàn nóng trong hệ thống máy lạnh
3. Hình thức trao đổi nhiệt
Dựa trên cách thức truyền nhiệt, bộ trao đổi nhiệt thường chia thành:
- Trao đổi nhiệt gián tiếp: Phổ biến nhất trong HVAC – nhiệt truyền qua bề mặt dẫn nhiệt, hai môi chất được cách ly hoàn toàn. Giúp hạn chế nhiễm bẩn, rò rỉ, đáp ứng yêu cầu vệ sinh.
- Trao đổi nhiệt trực tiếp: Ít dùng trong HVAC, thường gặp ở hệ thống tháp giải nhiệt hoặc buồng phun, khi môi chất tiếp xúc trực tiếp để trao đổi nhiệt.
Nguyên tắc chung: Nhiệt luôn truyền từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có nhiệt độ thấp, giúp cân bằng nhiệt, duy trì điều kiện vận hành tối ưu cho hệ HVAC.
4. Các loại tấm trao đổi nhiệt trong hệ HVAC
Trong hệ thống HVAC, tấm trao đổi nhiệt được thiết kế đa dạng để đáp ứng các nhu cầu truyền nhiệt khác nhau. Mỗi loại phù hợp với đặc điểm vận hành, không gian lắp đặt và mức tiêu thụ năng lượng riêng. Dưới đây là 4 loại phổ biến nhất, thường được ứng dụng rộng rãi từ dân dụng đến công nghiệp.
Bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm (Shell & Tube Heat Exchanger)
Đây là loại trao đổi nhiệt thông dụng nhất trong hệ HVAC công nghiệp, nhất là các hệ thống yêu cầu áp suất và nhiệt độ cao. Cấu tạo gồm một vỏ lớn chứa bên trong chùm các ống nhỏ, hai môi chất chảy tách biệt: một dòng chảy trong ống, dòng còn lại chảy quanh vỏ, trao đổi nhiệt qua thành ống.
Bộ trao đổi nhiệt dạng ống có khả năng chịu áp lực tốt, có độ bền cao và dễ chế tạo. Tuy nhiên, kích thước khá lớn, cồng kềnh, đòi hỏi không gian lắp đặt rộng.
Bộ trao đổi nhiệt dạng khí – khí (Air-to-Air Heat Exchanger)
Thiết bị này trao đổi nhiệt giữa hai luồng không khí: khí thải và khí cấp mới. Được ứng dụng trong thu hồi nhiệt, giảm tổn thất năng lượng trong hệ thống thông gió điều hòa.
Nhờ nguyên lý này, hiệu suất tổng thể được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, loại này chỉ thích hợp cho môi trường khí, không thể sử dụng để trao đổi nhiệt cho chất lỏng.
Bộ trao đổi nhiệt hồi nhiệt (Regenerative Heat Exchanger)
Hoạt động theo nguyên lý lưu trữ nhiệt: nhiệt từ dòng khí nóng được tích lại trong vật liệu trung gian (như bánh xe trao đổi nhiệt) rồi truyền lại cho dòng khí lạnh. Thường gặp trong hệ thống thu hồi nhiệt, tận dụng nhiệt thải để giảm tải tiêu thụ năng lượng.
Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm (Plate Heat Exchanger)
Thiết kế gồm nhiều tấm kim loại mỏng xếp chồng, giữa các tấm hình thành các kênh dẫn riêng cho hai môi chất nóng – lạnh. Nhiệt được truyền qua bề mặt tấm, giúp hiệu suất trao đổi cao.
Dàn trao đổi nhiệt dàng tấm dễ tháo lắp và vệ sinh, nhưng khả năng chịu áp suất không cao.
Ngoài các loại phổ biến trên, hệ HVAC còn có thể sử dụng các dạng dàn trao đổi nhiệt khác như:
- Dàn ống xoắn (Spiral Heat Exchanger)
- Dàn ống lồng (Double Pipe Heat Exchanger)
- Thiết bị trao đổi nhiệt dạng khối (Compact Heat Exchanger)
- Bộ trao đổi nhiệt tiếp xúc trực tiếp (Direct Contact Heat Exchanger)
- Hoặc các biến thể vỏ – ống chuyên dụng.
Tuy nhiên, các dạng này thường chỉ dùng trong những ứng dụng đặc thù, yêu cầu kỹ thuật riêng về dòng chảy, áp suất hoặc không gian lắp đặt.
5. Vai trò và ứng dụng của dàn trao đổi nhiệt trong hệ thống HVAC
Vai trò chính
- Làm nóng không khí: Truyền nhiệt từ nguồn cấp (khí đốt, điện trở…) sang luồng khí, giúp nâng nhiệt độ và phân phối vào không gian.
- Làm lạnh không khí: Truyền nhiệt từ luồng khí trong phòng sang môi chất lạnh (Freon…), hạ nhiệt độ trước khi đưa khí mát trở lại.
- Thu hồi và tái sử dụng nhiệt: Giảm thất thoát nhiệt, tận dụng nguồn năng lượng có sẵn để hạ chi phí vận hành.
Ứng dụng phổ biến
- Hệ điều hòa trung tâm: Làm lạnh, sưởi ấm không khí trước khi phân phối đến các phòng.
- Hệ thống thông gió thu hồi nhiệt: Xử lý nhiệt – ẩm của không khí tươi, đảm bảo khí sạch mà vẫn tiết kiệm năng lượng.
- Dàn lạnh (Evaporator) & dàn nóng (Condenser): Thành phần chính trong máy điều hòa, chiller.
- Bộ trao đổi nhiệt AHU (Air Handling Unit): Làm mát – sưởi không khí trong các nhà máy, phòng sạch.
- Hệ thống sưởi – bơm nhiệt: Truyền nhiệt cho nước nóng, hơi hoặc không khí trong các tòa nhà, công trình công nghiệp.
Nhờ thiết kế đa dạng, khả năng tiết kiệm năng lượng và linh hoạt ứng dụng, bộ trao đổi nhiệt là giải pháp không thể thiếu cho mọi hệ thống HVAC hiện đại, đặc biệt trong các công trình đòi hỏi điều kiện môi trường ổn định và chi phí vận hành tối ưu.