Dẫn nhiệt là một trong ba phương thức truyền nhiệt chủ yếu, bên cạnh đối lưu và bức xạ. Đối với các kỹ sư HVAC và kỹ sư vận hành hệ thống HVAC, hiểu rõ bản chất của dẫn nhiệt không chỉ giúp kiểm soát tốt quá trình truyền nhiệt trong các thiết bị, mà còn góp phần tối ưu hóa thiết kế HVAC khi lựa chọn vật liệu, tính toán tổn thất nhiệt và nâng cao hiệu suất vận hành.
Xem thêm:
Thể tích Kiểm soát quan trọng như thế nào đối với kỹ sư HVAC?
Kỹ thuật HVAC và Định luật Bảo toàn Năng lượng
Trong HVAC, Nhiệt độ bầu khô là gì?
Bài viết này trước hết trình bày khái quát hiện tượng nhiệt dẫn, sau đó giải thích cơ chế truyền nhiệt bên trong chất khí, lỏng, rắn, rồi cuối cùng nêu công thức tính quan trọng, qua đó chỉ rõ các hệ quả thiết thực trong thiết kế HVAC. Toàn bộ nội dung được trình bày tuần tự, từ hiện tượng đến ý nghĩa và kết quả định lượng, nhằm hỗ trợ người đọc áp dụng hiệu quả vào các bài toán thực tế.
Trước hết, về hiện tượng, dẫn nhiệt có thể hiểu đơn giản là quá trình năng lượng tự lan tỏa trong vật chất từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có nhiệt độ thấp. Ở mức vi mô, điều này diễn ra nhờ hoạt động va chạm và tương tác giữa các phân tử, nguyên tử hoặc điện tử tự do trong vật liệu. Trong chất khí, phân tử khí chuyển động ngẫu nhiên và va chạm liên tục, làm năng lượng từ những phân tử có nhiệt độ cao truyền sang phân tử lạnh hơn.
Khi có chênh lệch nhiệt độ theo chiều dọc, năng lượng sẽ “khuếch tán” về phía có nhiệt độ thấp, tạo nên một dòng nhiệt. Tương tự, trong chất lỏng, sự sắp xếp phân tử chặt chẽ hơn so với khí, các phân tử va chạm thường xuyên hơn, khiến tốc độ truyền nhiệt có xu hướng cao hơn nếu vật liệu lỏng có độ dẫn nhiệt lớn.
Kim loại có độ dẫn nhiệt cao
- Silver – Bạc
- Copper – Đồng
- Gold – Vàng
- Aluminum – Nhôm
- Aluminum alloy 2024 – Hợp kim nhôm 2024
- Tungsten – Vonfram
Kim loại dẫn nhiệt trung bình
- Platinum – Bạch kim
- Iron – Sắt
- Stainless steel, AISI 304 – Thép không gỉ AISI 304
Vật liệu gốm và cách nhiệt
- Aluminum oxide – Ôxít nhôm
- Pyroceram – Gốm Pyroceram
- Fused quartz – Thạch anh nóng chảy
Còn trong chất rắn, nhất là kim loại, quá trình dẫn nhiệt được giải thích qua mô hình dao động mạng tinh thể (lattice vibrations) và chuyển động của các điện tử tự do. Chính những electron di chuyển trong cấu trúc kim loại đã mang theo năng lượng và khuếch tán nó từ vùng nóng sang vùng lạnh.
Trong bối cảnh thiết kế HVAC, dẫn nhiệt đóng vai trò quyết định cách nhiệt sẽ vận hành như thế nào, qua đó ảnh hưởng trực tiếp đến tổn thất nhiệt của tòa nhà hay thiết bị. Nếu khả năng dẫn nhiệt (thermal conductivity) của vật liệu dùng trong tường, ống dẫn hay các bộ trao đổi nhiệt quá cao, chúng sẽ làm thất thoát năng lượng đáng kể, buộc hệ thống HVAC phải tăng tải để duy trì nhiệt độ mong muốn.
Điều này đặc biệt quan trọng khi xem xét cân bằng năng lượng tại bề mặt, nơi mà sự truyền nhiệt diễn ra liên tục giữa không khí trong và ngoài công trình. Nếu không kiểm soát tốt quá trình này, nhiệt lượng có thể bị hấp thụ hoặc thất thoát không mong muốn, làm giảm hiệu suất tổng thể của hệ thống HVAC và tăng chi phí vận hành.
Ngược lại, nếu vật liệu cách nhiệt có hệ số dẫn nhiệt thấp, tòa nhà sẽ giữ được nhiệt độ ổn định hơn, máy điều hòa không khí hoặc lò sưởi cần ít năng lượng để hoạt động, kéo theo hiệu suất tổng thể tăng cao. Đối với kỹ sư thiết kế HVAC, việc hiểu dẫn nhiệt còn giúp thiết kế tản nhiệt cho các bảng mạch hay thiết bị điện công suất, tránh tình trạng quá nhiệt làm giảm tuổi thọ linh kiện.