Hiệu suất nhiệt là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa hiệu suất nhiệt

Hiệu suất nhiệt là chỉ số phản ánh mức độ mà một hệ thống nhiệt động học chuyển hóa năng lượng nhiệt thành công hữu ích, như cơ năng hoặc điện năng. Trong vật lý kỹ thuật, nó được định nghĩa là tỷ số giữa công đầu ra có ích và nhiệt năng đầu vào. Đại lượng này không chỉ quan trọng trong lý thuyết mà còn là chỉ tiêu kỹ thuật then chốt trong các ứng dụng công nghiệp và năng lượng.

Công thức tổng quát tính hiệu suất nhiệt: $\eta = \frac{W_{\text{out}}}{Q_{\text{in}}}$ trong đó $W_{\text{out}}$ là công có ích mà hệ thống sinh ra, còn $Q_{\text{in}}$ là nhiệt lượng cấp vào từ nguồn nhiệt. Đơn vị của hiệu suất là phần trăm (%), phản ánh tỉ lệ phần năng lượng đầu vào được tận dụng hiệu quả.

Ví dụ, nếu một động cơ nhiệt tiêu thụ 1000 J nhiệt lượng từ nhiên liệu và sản sinh 300 J cơ năng, hiệu suất nhiệt là: $\eta = \frac{300}{1000} = 0.3 = 30\%$ . Phần còn lại (70%) bị thất thoát qua nhiệt thải, ma sát, và các dạng tổn thất khác.

Các hệ thống áp dụng hiệu suất nhiệt

Hiệu suất nhiệt được dùng để đánh giá hiệu quả hoạt động của các hệ thống năng lượng có liên quan đến quá trình truyền và chuyển hóa nhiệt. Một số hệ thống tiêu biểu gồm:

• Động cơ đốt trong: ô tô, máy phát điện sử dụng chu trình Otto hoặc Diesel.
• Nhà máy nhiệt điện: sử dụng hơi nước để quay tua-bin trong chu trình Rankine.
• Hệ thống tua-bin khí: máy bay, nhà máy điện khí chu trình Brayton.
• Bơm nhiệt và máy lạnh: áp dụng hiệu suất nhiệt nghịch đảo dưới dạng hệ số hiệu quả (COP).

Trong các hệ thống này, hiệu suất nhiệt giúp kỹ sư đánh giá mức độ tổn hao năng lượng trong thực tế so với mức lý tưởng. Đặc biệt trong các ngành công nghiệp tiêu tốn nhiệt lượng lớn như luyện kim, hóa dầu hoặc xi măng, việc tối ưu hiệu suất nhiệt sẽ giúp giảm chi phí năng lượng đáng kể.

Dưới đây là một số ví dụ minh họa:

Hiệu suất lý tưởng và định luật thứ hai nhiệt động lực học

Hiệu suất nhiệt lý tưởng bị giới hạn bởi định luật thứ hai nhiệt động lực học. Không hệ thống thực tế nào có thể chuyển đổi toàn bộ nhiệt lượng đầu vào thành công cơ học do luôn tồn tại tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt thải. Mức giới hạn lý thuyết cao nhất cho hiệu suất nhiệt là hiệu suất Carnot.

Công thức hiệu suất Carnot: $\eta_{\text{Carnot}} = 1 - \frac{T_C}{T_H}$ trong đó $T_H$ là nhiệt độ của nguồn nhiệt nóng và $T_C$ là nhiệt độ của bể lạnh, tính theo đơn vị Kelvin. Hiệu suất Carnot mô tả hệ thống lý tưởng hoàn toàn thuận nghịch, không tổn thất, không ma sát và không có dòng nhiệt không kiểm soát.

Ví dụ, nếu một động cơ hoạt động giữa $T_H = 600\,K$ và $T_C = 300\,K$, thì: $\eta = 1 - \frac{300}{600} = 0.5 = 50\%$ . Mức này là giới hạn trên mà hiệu suất thực tế luôn thấp hơn.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt của một hệ thống, có thể được chia làm ba nhóm chính:

• Yếu tố vật lý: nhiệt độ và áp suất của nguồn nhiệt, tốc độ trao đổi nhiệt, đặc tính nhiệt động của môi chất làm việc.
• Yếu tố thiết kế: tỉ số nén của piston, hiệu suất đẳng nhiệt, vật liệu cách nhiệt, hình dạng ống dẫn và bộ trao đổi nhiệt.
• Yếu tố vận hành: tải làm việc, thời gian hoạt động liên tục, tình trạng bảo trì và điều khiển tự động.

Các cải tiến như tăng nhiệt độ đốt, sử dụng nhiều chu trình nhiệt kết hợp (ví dụ Rankine–Brayton), hay phục hồi nhiệt thải từ khí xả sẽ góp phần cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống. Kỹ thuật hiện đại cũng áp dụng các vật liệu nano cách nhiệt hoặc hệ thống làm mát hiệu quả hơn để giảm tổn thất nhiệt.

Hiệu suất thực tế của một số hệ thống

Hiệu suất nhiệt trong thực tế luôn thấp hơn nhiều so với hiệu suất Carnot do các tổn thất không thể tránh khỏi trong quá trình hoạt động. Các yếu tố như ma sát, truyền nhiệt không thuận nghịch, thất thoát qua ống dẫn, rò rỉ, tổn thất nhiệt môi trường và sự không hoàn hảo trong thiết bị đều góp phần làm giảm hiệu suất tổng thể.

Ví dụ điển hình:

• Động cơ Otto (xe chạy xăng): hiệu suất thực tế chỉ đạt khoảng 20–30%, phần lớn năng lượng bị thất thoát qua ống xả và làm nóng động cơ.
• Động cơ Diesel: có hiệu suất cao hơn, thường đạt 30–40% do tỉ số nén cao hơn và quá trình cháy hiệu quả hơn.
• Nhà máy nhiệt điện sử dụng chu trình Rankine có hiệu suất 33–45%, tùy thuộc vào việc có sử dụng tuabin siêu tới hạn hoặc tái nhiệt hay không.

Bảng so sánh hiệu suất thực tế và lý thuyết:

Nguồn: U.S. Department of Energy – Thermal Efficiency

So sánh hiệu suất nhiệt với hiệu quả năng lượng

Hiệu suất nhiệt là chỉ số kỹ thuật tập trung vào khả năng chuyển hóa nhiệt năng thành công, trong khi hiệu quả năng lượng (energy efficiency) là chỉ báo tổng thể hơn, xét đến cách thức năng lượng được sử dụng hiệu quả để đạt được mục tiêu đầu ra cụ thể. Một hệ thống có thể có hiệu suất nhiệt cao nhưng hiệu quả năng lượng thấp nếu hoạt động không đúng tải, bảo trì kém hoặc có chu kỳ vận hành không tối ưu.

Ví dụ, một lò hơi có hiệu suất nhiệt 90% nhưng nếu nó hoạt động để gia nhiệt không đúng mức cần thiết, phần năng lượng dư thừa sẽ gây lãng phí – dẫn đến hiệu quả năng lượng tổng thể thấp. Do đó, hiệu suất nhiệt là thành phần của hiệu quả năng lượng nhưng không phản ánh đầy đủ toàn bộ hiệu quả của một quy trình.

Ứng dụng trong thiết kế kỹ thuật

Hiệu suất nhiệt là thông số cốt lõi trong thiết kế các hệ thống năng lượng, từ quy mô nhỏ như bếp gas, máy phát điện cá nhân, đến quy mô lớn như nhà máy điện hoặc hệ thống năng lượng tái tạo. Các kỹ sư sử dụng mô hình nhiệt động học để xác định các điểm tối ưu về nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và trao đổi nhiệt nhằm nâng cao hiệu suất và giảm thiểu tổn thất.

Các phần mềm mô phỏng như MATLAB, EES, ANSYS Fluent hoặc Aspen HYSYS thường được dùng để tính toán hiệu suất nhiệt trong các mô hình mô phỏng chu trình Rankine, Brayton, Kalina hoặc ORC. Thông qua đó, các phương án thiết kế có thể được kiểm tra, so sánh và lựa chọn trước khi triển khai thực tế. Việc sử dụng cảm biến nhiệt độ và lưu lượng cũng giúp giám sát hiệu suất trong vận hành thực tế.

Chiến lược cải thiện hiệu suất nhiệt

Cải thiện hiệu suất nhiệt là mục tiêu quan trọng trong mọi hệ thống sử dụng năng lượng. Một số chiến lược phổ biến bao gồm:

• Tăng nhiệt độ đầu vào và tối ưu hóa nhiệt độ vận hành hệ thống.
• Giảm tổn thất nhiệt bằng cách cải thiện vật liệu cách nhiệt và thiết kế kín.
• Tái sử dụng nhiệt thải thông qua hệ thống trao đổi nhiệt hoặc đồng phát điện–nhiệt (cogeneration).
• Kết hợp nhiều chu trình (như chu trình hỗn hợp Brayton–Rankine) để tận dụng tối đa nhiệt lượng ở các mức nhiệt khác nhau.

Trong ngành công nghiệp, việc thu hồi nhiệt thải từ khí xả để gia nhiệt nước đầu vào lò hơi hoặc làm tiền xử lý nguyên liệu là ví dụ hiệu quả giúp tăng hiệu suất tổng thể mà không cần thêm nhiên liệu. Công nghệ tua-bin khí có hồi nhiệt (regenerative gas turbine) và đốt cháy tầng sôi tuần hoàn (CFB) cũng là các cải tiến hướng đến hiệu suất cao hơn.

Hiệu suất nhiệt trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng

Trong kỷ nguyên chuyển đổi năng lượng và giảm phát thải carbon, việc cải thiện hiệu suất nhiệt đóng vai trò thiết yếu nhằm tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng hóa thạch đồng thời hỗ trợ tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện. Những hệ thống có hiệu suất nhiệt cao giúp giảm lượng khí CO2 phát thải trên mỗi đơn vị năng lượng sản xuất, từ đó góp phần đạt mục tiêu trung hòa carbon.

Các tổ chức quốc tế như IEA (International Energy Agency) và U.S. Department of Energy đã khuyến nghị các tiêu chuẩn và chính sách khuyến khích doanh nghiệp nâng cấp công nghệ theo hướng tăng hiệu suất và giảm lãng phí năng lượng. Một số quốc gia còn áp dụng mức thuế carbon theo hiệu suất sử dụng năng lượng, tạo áp lực để công nghiệp chuyển đổi sang công nghệ nhiệt hiệu quả hơn.

Chi tiết có thể tham khảo tại báo cáo IEA – Energy Efficiency 2023.