Thu hồi nhiệt là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa thu hồi nhiệt

Thu hồi nhiệt (heat recovery) là quá trình khai thác lại phần năng lượng nhiệt đã bị thất thoát trong các quá trình công nghiệp, hệ thống HVAC, sản xuất điện và các ứng dụng thương mại hoặc dân dụng khác. Thay vì để nhiệt thoát ra môi trường dưới dạng khí nóng, nước thải hoặc bề mặt làm mát, công nghệ thu hồi nhiệt cho phép tái sử dụng nguồn năng lượng này để làm nóng không khí, nước, nhiên liệu hoặc sinh ra điện.

Quá trình này không tạo ra năng lượng mới mà tái sử dụng năng lượng có sẵn, từ đó nâng cao hiệu suất năng lượng toàn hệ thống. Việc áp dụng thu hồi nhiệt không chỉ giúp tiết kiệm chi phí nhiên liệu mà còn góp phần giảm phát thải khí nhà kính, phù hợp với mục tiêu phát triển bền vững trong nhiều ngành công nghiệp.

Thu hồi nhiệt có thể thực hiện ở nhiều cấp độ khác nhau như: hệ thống làm mát công nghiệp, lò đốt chất thải, thiết bị sấy, hệ thống khí thải lò hơi, bộ trao đổi nhiệt điều hòa không khí. Tài liệu tổng quan về thu hồi nhiệt được cung cấp bởi U.S. Department of Energy – Waste Heat Recovery.

Các dạng năng lượng nhiệt có thể thu hồi

Năng lượng nhiệt trong các hệ thống công nghiệp và dân dụng không phải lúc nào cũng có giá trị sử dụng như nhau. Khả năng thu hồi hiệu quả phụ thuộc vào nhiệt độ, lưu lượng và đặc tính hóa lý của dòng chất mang nhiệt (khí, nước, dầu nhiệt, hơi nước). Nhiệt được chia thành ba cấp độ chính:

• Nhiệt độ cao: > 600°C, thường xuất hiện trong lò luyện kim, lò nung gạch, hệ thống khí thải động cơ đốt trong công nghiệp nặng
• Nhiệt độ trung bình: 230–600°C, điển hình trong khí thải nồi hơi, khí xả tua-bin khí, thiết bị phản ứng hóa học
• Nhiệt độ thấp: < 230°C, thường thấy ở nước nóng, khí xả HVAC, hệ thống làm mát máy nén

Trong hầu hết các trường hợp, hiệu suất thu hồi nhiệt tỷ lệ thuận với mức độ nhiệt độ. Tuy nhiên, công nghệ hiện đại đã cho phép khai thác nhiệt độ thấp bằng các thiết bị như bơm nhiệt hoặc chu trình Rankine hữu cơ (ORC), vốn có thể hoạt động hiệu quả với nguồn nhiệt nhỏ hơn 150°C.

Bảng sau thể hiện sự khác biệt giữa các cấp độ nhiệt có thể thu hồi:

Các công nghệ thu hồi nhiệt phổ biến

Các công nghệ thu hồi nhiệt được phát triển nhằm tận dụng nhiệt thải và chuyển đổi thành năng lượng có ích cho quá trình sản xuất hoặc sinh hoạt. Việc lựa chọn công nghệ phù hợp dựa trên các tiêu chí như nhiệt độ nguồn nhiệt, lưu lượng dòng thải, độ ẩm, tính ăn mòn và mục đích sử dụng nhiệt thu hồi.

Một số công nghệ phổ biến bao gồm:

• Bộ trao đổi nhiệt (Heat Exchangers): chuyển nhiệt từ khí thải hoặc chất lỏng nóng sang dòng chất khác. Loại hình bao gồm: ống chùm (shell-and-tube), tấm (plate), dạng xoắn (spiral).
• Chu trình Rankine hữu cơ (ORC): sử dụng môi chất hữu cơ thay nước để tạo hơi quay tuabin trong điều kiện nhiệt độ thấp hơn.
• Hệ thống HRSG (Heat Recovery Steam Generator): tái sử dụng khí nóng từ tuabin khí để tạo hơi nước phục vụ phát điện hoặc sưởi ấm.
• Bơm nhiệt (Heat Pumps): khai thác nhiệt độ thấp từ môi trường hoặc chất thải để làm nóng nước hoặc không khí trong các ứng dụng dân dụng.

Chi tiết mô tả các công nghệ trên có thể được tra cứu tại Energy Star – Industrial Waste Heat Recovery.

Hiệu suất và chỉ số đánh giá thu hồi nhiệt

Để đánh giá hiệu quả của hệ thống thu hồi nhiệt, cần tính toán tỉ lệ nhiệt thu được so với tổng lượng nhiệt có sẵn trong dòng thải. Hiệu suất thu hồi nhiệt (\( \eta \)) được xác định bởi công thức:

$\eta = \frac{Q_{\text{thu hồi}}}{Q_{\text{thải ra}}}$

Trong đó: \( Q_{\text{thu hồi}} \) là năng lượng nhiệt đã thu lại được sử dụng, còn \( Q_{\text{thải ra}} \) là tổng năng lượng nhiệt trong dòng khí hoặc chất lỏng bị thất thoát.

Các chỉ số bổ sung quan trọng khác gồm:

• HRF (Heat Recovery Factor): hệ số tận dụng nhiệt thực tế so với nhiệt tiềm năng
• ESR (Energy Saving Ratio): tỷ lệ tiết kiệm năng lượng sau thu hồi
• Chênh lệch nhiệt độ vào – ra: phản ánh hiệu quả truyền nhiệt của thiết bị

Việc duy trì hiệu suất ổn định đòi hỏi hệ thống được bảo trì thường xuyên, chống bám cáu cặn và kiểm soát tốc độ dòng chảy hợp lý.

Ứng dụng trong công nghiệp

Thu hồi nhiệt đóng vai trò thiết yếu trong các ngành công nghiệp tiêu thụ nhiều năng lượng, nơi nhiệt thải là phụ phẩm tự nhiên của các quá trình đốt, gia nhiệt hoặc phản ứng hóa học. Việc tận dụng nhiệt dư không chỉ giúp tối ưu hóa chi phí sản xuất mà còn góp phần tuân thủ các quy chuẩn về môi trường và phát thải.

Các ứng dụng công nghiệp phổ biến của thu hồi nhiệt gồm:

• Ngành xi măng: thu hồi nhiệt từ lò quay để làm nóng nguyên liệu đầu vào hoặc tạo hơi nước phục vụ phát điện.
• Luyện kim: sử dụng khí thải từ lò luyện để cấp nhiệt cho thiết bị sấy, tiền gia nhiệt hoặc tuabin hơi nước.
• Nhà máy hóa chất: tái sử dụng nhiệt từ các phản ứng tỏa nhiệt trong quá trình cracking hoặc reforming khí.
• Ngành giấy: thu hồi nhiệt từ khí thải máy sấy giấy để gia nhiệt lại không khí đầu vào.

Trong các nhà máy điện chu trình kết hợp (CCPP), hệ thống HRSG (Heat Recovery Steam Generator) giúp sử dụng khí xả từ tua-bin khí để sản sinh hơi nước, vận hành tiếp một tua-bin hơi – từ đó nâng hiệu suất tổng thể lên tới 60% so với mức 30–40% của chu trình đơn.

Thông tin chi tiết về các trường hợp điển hình có thể tham khảo tại International Energy Agency – Heat Recovery.

Ứng dụng trong dân dụng và tòa nhà

Không chỉ giới hạn trong công nghiệp, thu hồi nhiệt còn ngày càng phổ biến trong các hệ thống điều hòa không khí (HVAC) và thiết kế công trình xanh. Trong môi trường đô thị, nhu cầu tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành đã thúc đẩy việc tích hợp các thiết bị thu hồi nhiệt vào các tòa nhà thương mại, bệnh viện, trung tâm dữ liệu và nhà ở.

Các hệ thống thu hồi nhiệt dân dụng phổ biến gồm:

• HRV (Heat Recovery Ventilator): thiết bị trao đổi nhiệt giữa khí thải và khí cấp, giúp duy trì nhiệt độ mà vẫn đảm bảo thông gió sạch.
• ERV (Energy Recovery Ventilator): tương tự HRV nhưng có thêm chức năng thu ẩm, giữ lại năng lượng ẩn trong hơi nước từ khí thải.
• Hồi nhiệt từ nước thải: tận dụng nước nóng thải ra từ vòi sen, máy giặt để làm nóng nước lạnh đầu vào thông qua bộ trao đổi nhiệt.

Lợi ích kinh tế – môi trường của ứng dụng thu hồi nhiệt trong tòa nhà:

• Tiết kiệm từ 10–30% chi phí năng lượng cho thông gió và điều hòa
• Giảm tải cho hệ thống HVAC, kéo dài tuổi thọ thiết bị
• Đạt tiêu chuẩn công trình xanh (LEED, EDGE, BREEAM)

Tài liệu tham khảo: U.S. DOE – Heat Recovery Ventilation.

Lợi ích môi trường và kinh tế

Việc thu hồi nhiệt góp phần đáng kể vào mục tiêu phát triển bền vững thông qua giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải khí nhà kính và cải thiện hiệu suất năng lượng. Đây là một trong những giải pháp hiệu quả về chi phí trong các chiến lược quản lý năng lượng tổng thể.

Lợi ích môi trường:

• Giảm phát thải CO₂, NOₓ, SO₂ – các chất gây hiệu ứng nhà kính và mưa axit
• Giảm ô nhiễm nhiệt trong khí quyển và nguồn nước
• Hỗ trợ doanh nghiệp tuân thủ luật môi trường, giảm rủi ro pháp lý

Lợi ích kinh tế có thể được lượng hóa theo các chỉ số như:

Thách thức trong triển khai

Mặc dù thu hồi nhiệt mang lại nhiều lợi ích, quá trình triển khai không tránh khỏi các rào cản kỹ thuật, tài chính và quản lý. Trong các nhà máy cũ, không gian lắp đặt hạn chế và khó tích hợp hệ thống mới là vấn đề thường gặp. Bên cạnh đó, các dòng khí thải chứa bụi, chất ăn mòn hoặc độ ẩm cao có thể gây hư hỏng thiết bị trao đổi nhiệt nếu không được xử lý trước.

Một số thách thức thường gặp:

• Chi phí đầu tư cao cho thiết bị chuyên dụng (ORC, HRSG, ERV)
• Yêu cầu kỹ thuật cao trong thiết kế, điều khiển và bảo trì
• Rủi ro về cáu cặn, tắc nghẽn và thất thoát nhiệt không mong muốn

Việc vượt qua các rào cản này đòi hỏi sự phối hợp giữa kỹ thuật, tài chính và chính sách hỗ trợ từ nhà nước hoặc các tổ chức phát triển. Phân tích sâu về rủi ro triển khai có thể tham khảo tại ScienceDirect – Barriers to Heat Recovery.

Xu hướng và đổi mới công nghệ

Các hướng nghiên cứu và phát triển công nghệ đang tập trung vào nâng cao hiệu suất, tối ưu hóa thiết kế và mở rộng phạm vi thu hồi ở nhiệt độ thấp. Một số đổi mới đáng chú ý bao gồm:

• Trao đổi nhiệt nano: sử dụng vật liệu dẫn nhiệt cực cao (graphene, CNTs) để tăng cường truyền nhiệt
• Chu trình Rankine CO₂: thay môi chất hữu cơ bằng CO₂ siêu tới hạn cho hiệu suất cao và an toàn môi trường
• AI & IoT: tích hợp trí tuệ nhân tạo để điều khiển hệ thống thu hồi theo thời gian thực, tối ưu công suất
• Lưu trữ nhiệt: kết hợp thu hồi và lưu trữ nhiệt ngắn hạn hoặc trung hạn để nâng cao tính linh hoạt

Những công nghệ này không chỉ áp dụng trong công nghiệp truyền thống mà còn phù hợp với các hệ thống năng lượng tái tạo như điện mặt trời nhiệt (CSP) hoặc nhà máy sinh khối. Nghiên cứu cập nhật có thể truy cập tại Scopus và Applied Energy.