Thiết bị trao đổi nhiệt là những "cầu nối" năng lượng thầm lặng nhưng vô cùng quan trọng trong thế giới hiện đại. Chúng cho phép chúng ta lấy nhiệt từ nơi không cần đến (ví dụ: khí thải nóng) và chuyển đến nơi cần sử dụng (ví dụ: nước sạch cần gia nhiệt), tất cả diễn ra một cách hiệu quả mà không làm các môi chất này bị trộn lẫn.
Từ hệ thống sưởi ấm trong nhà, bộ làm mát động cơ ô tô, đến các quy trình sản xuất phức tạp trong nhà máy, thiết bị trao đổi nhiệt đều đóng vai trò không thể thiếu.
Nhưng làm thế nào mà nhiệt năng có thể "vượt qua" bức tường ngăn cách để đi từ dòng chất nóng sang dòng chất lạnh? Nguyên lý hoạt động của chúng dựa trên những quy luật vật lý nào? Hiểu rõ nguyên lý cốt lõi này sẽ giúp bạn không còn thấy thiết bị trao đổi nhiệt là một "hộp đen" bí ẩn, mà hiểu được cách nó hoạt động và tại sao các yếu tố như bám bẩn hay cách sắp xếp dòng chảy lại ảnh hưởng lớn đến hiệu suất.
Bài viết này Avil Việt Nam sẽ giải thích nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt loại tiếp xúc gián tiếp, là loại phổ biến nhất, một cách đơn giản, dễ hình dung, tập trung vào cách nhiệt di chuyển qua các "lớp" khác nhau và tầm quan trọng của việc điều khiển dòng chảy.
I. Nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt
Nguyên lý cơ bản nhất chi phối mọi hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt dựa trên một quy luật vật lý đơn giản: Nhiệt luôn có xu hướng tự di chuyển từ nơi có nhiệt độ cao hơn đến nơi có nhiệt độ thấp hơn. Giống như nước chảy từ chỗ cao xuống chỗ thấp, nhiệt tự di chuyển từ "nơi nóng" sang "nơi lạnh" cho đến khi nhiệt độ cân bằng.
Trong thiết bị trao đổi nhiệt loại tiếp xúc gián tiếp (các loại phổ biến như ống chùm, dạng tấm, ống lồng ống...), hai dòng môi chất (nóng và lạnh) được giữ riêng biệt, không tiếp xúc trực tiếp. Chúng được ngăn cách bởi một bức tường rắn mỏng (thành ống kim loại, tấm kim loại). Nhiệt năng từ dòng môi chất nóng phải "xuyên qua" bức tường ngăn này để truyền sang dòng môi chất lạnh.
Đọc thêm: Thiết bị trao đổi nhiệt là gì?
II. Cơ chế truyền nhiệt chi tiết trong thiết bị trao đổi nhiệt
Để nhiệt năng đi từ bên "nóng" sang bên "lạnh" qua bức tường ngăn cách, nó phải thực hiện một hành trình qua nhiều "lớp" khác nhau, và mỗi lớp này đều tạo ra một sự "cản trở" đối với dòng chảy nhiệt.
1. Đối lưu từ lõi dòng nóng đến bề mặt ngăn cách
Trong dòng môi chất nóng (lỏng hoặc khí), nhiệt năng không chỉ đứng yên. Các phân tử nóng di chuyển, mang theo năng lượng nhiệt đến gần bề mặt truyền nhiệt. Đây gọi là truyền nhiệt đối lưu.
Tưởng tượng bạn khuấy cốc nước nóng: nhiệt được truyền nhanh hơn vì nước nóng từ giữa cốc được đưa ra sát thành cốc. Vận tốc dòng chảy càng cao, sự xáo trộn càng mạnh (chế độ chảy xoáy), thì nhiệt được "đối lưu" đến sát bề mặt ngăn cách càng nhanh và hiệu quả.
2. Dẫn nhiệt qua lớp bám bẩn (Nếu có) ở phía nóng
Nếu có các lớp bám bẩn (cáu cặn, bùn...) bám trên bề mặt phía nóng của bức tường ngăn, nhiệt phải dẫn truyền xuyên qua lớp bám bẩn này. Dẫn nhiệt là cách nhiệt truyền qua vật liệu rắn, từ phân tử này sang phân tử khác, không có sự di chuyển của vật chất.
Các lớp bám bẩn thường có tính chất giống như vật liệu cách nhiệt (độ dẫn nhiệt rất thấp). Do đó, lớp bám bẩn tạo ra một "rào cản" đáng kể đối với dòng chảy nhiệt, làm giảm hiệu quả truyền nhiệt. Lớp bám bẩn càng dày, rào cản càng lớn.
3. Dẫn nhiệt qua thành ngăn
Sau khi vượt qua lớp bám bẩn (hoặc trực tiếp từ môi chất nóng), nhiệt tiếp tục dẫn truyền xuyên qua vật liệu làm thành ngăn (thành ống, thành tấm). Khả năng dẫn nhiệt qua thành phụ thuộc vào loại vật liệu (kim loại như đồng, nhôm, thép dẫn nhiệt rất tốt; nhựa hoặc gốm dẫn nhiệt kém hơn) và độ dày thành. Thành mỏng hơn và vật liệu có độ dẫn nhiệt cao hơn sẽ cho phép nhiệt dẫn qua dễ dàng hơn.
4. Dẫn nhiệt qua lớp bám bẩn (Nếu có) ở phía lạnh
Tương tự phía nóng, nếu có bám bẩn ở mặt lạnh, nhiệt phải dẫn truyền qua lớp này trước khi đến môi chất lạnh, cũng tạo thêm một "rào cản".
5. Đối lưu từ bề mặt ngăn cách sang lõi dòng lạnh
Nhiệt năng sau khi xuyên qua thành ngăn sẽ truyền sang môi chất lạnh thông qua đối lưu. Tương tự như phía nóng, hiệu quả đối lưu ở phía lạnh phụ thuộc vào tính chất môi chất, vận tốc dòng chảy và chế độ dòng chảy của dòng lạnh.
Tóm lại về cơ chế: Nhiệt di chuyển từ dòng nóng đến dòng lạnh qua một chuỗi các "lớp" cản trở: Đối lưu nóng -> Dẫn nhiệt lớp bám bẩn nóng -> Dẫn nhiệt thành ngăn -> Dẫn nhiệt lớp bám bẩn lạnh -> Đối lưu lạnh.
Tổng mức độ cản trở của cả chuỗi này quyết định "độ dễ dàng" mà nhiệt truyền qua thiết bị, được biểu thị bằng Hệ số truyền nhiệt tổng thể (Overall Heat Transfer Coefficient - U). Giá trị U càng cao, thiết bị truyền nhiệt càng hiệu quả. Để tối ưu hiệu suất, chúng ta cần giảm thiểu các cản trở này, đặc biệt là tăng hiệu quả đối lưu (bằng cách tối ưu dòng chảy) và giảm thiểu bám bẩn.
III. Tầm quan trọng quyết định của phương thức dòng chảy
Ngoài việc nhiệt di chuyển qua các lớp cản trở, cách hai dòng môi chất nóng và lạnh chảy tương đối với nhau bên trong thiết bị có ảnh hưởng vô cùng lớn đến hiệu quả truyền nhiệt tổng thể. Lý do là vì chênh lệch nhiệt độ (ΔT) giữa hai dòng - yếu tố "đẩy" nhiệt đi - thay đổi dọc theo chiều dài thiết bị, và cách sắp xếp dòng chảy quyết định sự thay đổi này.
1. Dòng chảy song song
Hai dòng đi vào từ cùng một đầu và chảy cùng chiều.
-
Ở đầu vào, dòng nóng nhất gặp dòng lạnh nhất, tạo ra chênh lệch nhiệt độ (ΔT) lớn nhất.
-
Khi chúng chảy cùng chiều, dòng nóng nguội đi và dòng lạnh nóng lên, khiến chênh lệch nhiệt độ (ΔT) giảm dần nhanh chóng dọc theo chiều dài thiết bị.
-
Ở đầu ra, chênh lệch nhiệt độ là nhỏ nhất. Nhiệt độ dòng lạnh ở đầu ra không bao giờ cao hơn nhiệt độ dòng nóng ở đầu ra.
2. Dòng chảy ngược chiều
-
Hai dòng đi vào từ hai đầu đối diện và chảy ngược chiều nhau. -
Ở một đầu, dòng nóng nhất gặp dòng lạnh ở mức trung bình (sau khi đã đi qua phần lớn thiết bị). Ở đầu kia, dòng nóng ở mức trung bình gặp dòng lạnh nhất (mới đi vào).
-
Kết quả là chênh lệch nhiệt độ (ΔT) được duy trì tương đối lớn và ổn định dọc theo toàn bộ chiều dài thiết bị.
Quan trọng nhất: Nhiệt độ của dòng lạnh ở đầu ra có thể cao hơn nhiệt độ của dòng nóng ở đầu ra. Điều này cho phép dòng lạnh được làm nóng đến nhiệt độ gần bằng nhiệt độ đầu vào của dòng nóng, hoặc thậm chí cao hơn nhiệt độ đầu ra của dòng nóng.
3. Dòng chảy chéo
-
Hai dòng chảy vuông góc với nhau.
-
Sự phân bố nhiệt độ phức tạp hơn. Hiệu quả truyền nhiệt thường nằm giữa dòng chảy song song và ngược chiều.
4. Kết luận về phương thức dòng chảy
Dòng chảy ngược chiều là phương thức hiệu quả nhất vì nó duy trì được chênh lệch nhiệt độ (ΔT) lớn hơn trên toàn bộ diện tích truyền nhiệt so với dòng chảy song song.
Khả năng làm nóng dòng lạnh đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ dòng nóng ở đầu ra là lợi thế cực kỳ quan trọng của dòng chảy ngược chiều trong các ứng dụng cần thu hồi nhiệt tối đa hoặc cần đạt nhiệt độ cao cho dòng lạnh.
IV. Vai trò của diện tích bề mặt truyền nhiệt
Ngoài hệ số truyền nhiệt tổng thể (U) và chênh lệch nhiệt độ (ΔT), lượng nhiệt truyền đi còn phụ thuộc trực tiếp vào diện tích bề mặt truyền nhiệt (A). Diện tích càng lớn, lượng nhiệt trao đổi được càng nhiều (với điều kiện các yếu tố khác không đổi).
Chính vì vậy, các loại thiết bị trao đổi nhiệt khác nhau có cấu tạo đặc thù (nhiều ống nhỏ trong ống chùm, nhiều tấm mỏng xếp sát nhau trong dạng tấm) đều nhằm mục đích tạo ra một diện tích bề mặt truyền nhiệt khổng lồ trong một kích thước thiết bị tương đối nhỏ gọn.
V. Nguyên lý hoạt động của thiết bị có thay đổi pha (Bộ ngưng tụ & bộ bay hơi)
Bộ ngưng tụ (biến hơi thành lỏng) và bộ bay hơi (biến lỏng thành hơi) cũng là thiết bị trao đổi nhiệt. Chúng hoạt động dựa trên các nguyên lý đối lưu và dẫn nhiệt tương tự. Tuy nhiên, có điểm khác biệt:
-
Khi một chất thay đổi pha (sôi hoặc ngưng tụ), quá trình truyền nhiệt rất mạnh mẽ. Hệ số truyền nhiệt đối lưu ở phía có sự thay đổi pha thường rất cao.
-
Nhiệt độ ở phía có sự thay đổi pha thường duy trì gần như không đổi (tại điểm sôi hoặc ngưng tụ) nếu áp suất không đổi trong suốt quá trình truyền nhiệt. Điều này tạo ra một đường nằm ngang trên đồ thị phân bố nhiệt độ.
VI. Kết luận
Nguyên lý hoạt động cốt lõi của thiết bị trao đổi nhiệt loại tiếp xúc gián tiếp là sự truyền nhiệt từ môi chất nóng sang môi chất lạnh thông qua một chuỗi các "lớp" cản trở: đối lưu ở hai phía môi chất và dẫn nhiệt qua thành ngăn (có tính đến bám bẩn). Tổng mức độ "dễ dàng" mà nhiệt truyền qua được đo bằng hệ số truyền nhiệt tổng thể (U).
Cách hai dòng môi chất được sắp xếp (phương thức dòng chảy) có ảnh hưởng quyết định đến lực đẩy truyền nhiệt (ΔT) dọc theo thiết bị. Dòng chảy ngược chiều mang lại hiệu quả truyền nhiệt cao nhất và khả năng thu hồi nhiệt vượt trội nhờ duy trì ΔT lớn hơn và cho phép dòng lạnh đạt nhiệt độ cao hơn dòng nóng ở đầu ra. Diện tích bề mặt truyền nhiệt cũng là yếu tố tỷ lệ thuận với lượng nhiệt trao đổi.
Hiểu rõ những nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt này không chỉ giúp bạn không còn thấy thiết bị là bí ẩn, mà còn là nền tảng để bạn hiểu về các loại thiết bị khác nhau, nhận biết các vấn đề (ví dụ: bám bẩn làm tăng cản trở nhiệt, giảm U) và áp dụng các chiến lược để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của chúng.
Bạn cần tư vấn chuyên sâu về cách áp dụng các nguyên lý truyền nhiệt vào thiết kế thiết bị cho ứng dụng cụ thể của mình để đạt hiệu suất cao nhất? Liên hệ với Avil Việt Nam qua hotline 0838 007 133 hoặc email sale@avil.vn để được hỗ trợ ngay hôm nay.
