IUH | Báo cáo thí nghiệm truyền nhiệt thí nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống - vỏ HT33 + HT30XC

IUH | Báo cáo thí nghiệm truyền nhiệt thí nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống - vỏ HT33 + HT30XC IUH | Báo cáo thí nghiệm truyền nhiệt thí nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống - vỏ HT33 + HT30XC IUH | Báo cáo thí nghiệm truyền nhiệt thí nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống - vỏ HT33 + HT30XC IUH | Báo cáo thí nghiệm truyền nhiệt thí nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống - vỏ HT33 + HT30XC IUH | Báo cáo thí nghiệm truyền nhiệt thí nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống - vỏ HT33 + HT30XC

1

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM TRUYỀN NHIỆT THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT DẠNG ỐNG – VỎ

HT33 + HT30XC

GVHD: ThS Trương Quang Trúc

SVTH: Đinh Hậu: 25001141

Lưu Gia Bảo: 25002801

Phan Phú Trọng: 25002821

Huỳnh Thanh Hiệp: 25002811

Phan Nguyễn Tấn Thuận: 25002791

LỚP: ĐHNL21AVL

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2025

2

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

3

BÀI 3: THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT DẠNG ỐNG – VỎ

HT33 + HT30XC 3.1 Mục đích – yêu cầu

- Để chứng minh hiệu suất truyền nhiệt và hiệu suất nhiệt độ giữa dòng chảy cùng chiều

và dòng chảy ngược chiều có sự khác biệt nhau

- Xác định hệ số truyền nhiệt tổng thể cho bộ trao đổi nhiệt dạng ống – vỏ theo phương pháp nhiệt độ trung bình logarit

3.1.2 Yêu cầu

- Tìm hiểu - vận hành cụm thiết bị HT33 kết nối với HT30XC

- Tiến hành các bài thí nghiệm theo yêu cầu

- Thu thập số liệu

- Thực hiện các tính toán cần thiết

- Kết luận và nhận xét trên kết quả thu được

- Trả lời các câu hỏi

3.2 Giới thiệu cụm thiết bị HT33 + HT10XC

3.2.1 Tổng quan:

Hình 1 Thiết bị trao đổi nhiệt HT33

4

Bộ trao đổi nhiệt HT33 là dạng thiết bị vỏ và ống thu nhỏ mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt giữa hai môi chất qua vách ngăn khi có sự chênh lệch nhiệt độ, thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm và quy trình hóa chất

Bộ trao đổi này bao gồm 07 ống song song được bao bọc trong một vỏ hình trụ Nhiệt được truyền giữa một chất lỏng nóng chảy bên trong các ống nhỏ và một chất lỏng lạnh chảy qua vỏ hình trụ xung quanh các ống

Thiết bị HT33 phải được kết nối với HT30XC tạo thành một cụm thiết bị TĐN nhằm khảo sát quá trình truyền nhiệt trong các thiết bị ngưng tụ hoặc bay hơi rất phổ biến trong thực tế

Hệ thống thiết bị sau khi kết nối hoàn thiện mới được vận hành, điều khiển bơm, lưu lượng nước nóng- lạnh, nhiệt độ nước nóng thông qua phần mềm HT30XC Từ đó tất cả

dữ liệu sẽ được truy suất thông qua bảng số liệu, qua đồ thị

Hình 2 Thiết bị trao đổi nhiệt HT33 kết nối HT30XC

3.2.2 Cấu tạo:

Hình 3 Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt HT33

5

Thiết bị là một bộ trao đổi nhiệt dạng ống - vỏ thu nhỏ với các chi tiết như sau:

- Vỏ bình: Vỏ hình trụ bao bên ngoài, vỏ + nắp + vách ngăn được chế tạo từ acrylic

trong suốt để có thể quan sát cấu trúc bộ trao đổi nhiệt và giảm thiểu thất thoát nhiệt Bên trong vỏ bình có 02 vách ngăn làm tăng vận tốc của chất lỏng và do đó làm tăng tốc độ truyền nhiệt

- Ống kim loại: 07 ống bằng thép không gỉ xếp song song, có đường kính ngoài 6,35

mm, nằm bên trong vỏ Nước nóng sẽ lưu động trong 7 ống này Diện tích truyền nhiệt tính toán là 20.000 mm2 Các vòng đệm gắn ở đầu ống để bù trừ giãn nở nhiệt và cho phép tháo các ống kim loại bên trong để vệ sinh

- Ống mềm: 04 đoạn ống mềm trong đó 2 đầu có màu đỏ nước nóng lưu động và 2 đầu

ống màu xanh nước lạnh lưu động

- Bốn cảm biến nhiệt độ được lắp trên đầu tấm nắp vòng đệm dán nhãn từ T1 đến T4 để nhận dạng và mỗi dây dẫn được kết thúc bằng phích cắm cặp nhiệt điện thu nhỏ để kết nối với thiết bị HT30XC

3.3 Kết nối thiết bị HT33 –HT30XC

Hình 4 Kết nối HT33 và HT30XC

- Cố định vào (F) vào 04 đai ốc trên một tấm đế PVC của HT30XC

- Gắn 02 ống mềm màu đỏ (A và D) vào 02 khớp màu đỏ (3 và 4) của HT30XC

- Gắn 01 đầu ống mềm màu xanh (B) vào đầu xanh nước lạnh (8) của HT30XC

- 01 đầu ống mềm xanh (C) gắn vào đường nước xả

6

- Cắm 04 phích cảm biến nhiệt độ (E) vào vị trí (9) đúng các kí hiệu T1, T2, T3, T4 trên HT30XC, trong đó:

• T1: Nhiệt độ nước nóng đầu vào (từ HT30XC đến HT33)

• T2: Nhiệt độ nước nóng đầu ra (rời HT33 và quay trở lại HT30XC)

• T3: Nhiệt độ nước lạnh vào HT33

• T4: Nhiệt độ nước lạnh ra khỏi HT33

- Kết nối (6) với nguồn nước chính

- Kết nối HT30XC với nguồn điện chính phù hợp

- Kết nối cáp USB của HT30XC với máy tính

- Bình chứa nước nóng đã cung cấp đủ nước

- Mở tất cả các van trên đường lưu động của nước

3.4 Các bài tập thí nghiệm

Thiết bị TĐN bao gồm các bài tập trong phòng thí nghiệm:

- Bài tập A - Truyền nhiệt từ chất lỏng sang chất lỏng

- Bài tập B - Cân bằng năng lượng và hiệu suất tổng thể

- Bài tập C - Dòng chảy cùng chiều và ngược chiều

- Bài tập D - Ảnh hưởng của chế độ chảy và tốc độ dòng chảy

Trước khi thực hiện các bài tập phải đảm bảo rằng;

- Thiết bị đã được lắp đặt theo đúng yêu cầu HT33 + HT30XC

- Nguồn cấp nước lạnh, nước nóng đã cung cấp đầy đủ

- Thiết bị phải được cấp nguồn

- Thiết bị đã kết nối với máy tính phù hợp và đã cài đặt phần mềm tương ứng

- Tất cả các van nước đã được mở

3.4.1 Bài tập A - Truyền nhiệt từ chất lỏng sang chất lỏng

Mục đích

Để chứng minh sự truyền nhiệt từ môi chất nóng sang môi chất lạnh khi được ngăn cách bởi một vách ngăn (truyền nhiệt chất lỏng sang chất lỏng)

- Đặt bộ điều khiển nhiệt độ nước nóng ở 60°C

- Điều chỉnh van nước lạnh để có tốc độ dòng nước lạnh Fcold1

- Cài đặt lưu lượng nước nóng chế độ Automatic và nhập giá trị 2 lít/phút

- Để nhiệt độ ổn định (theo dõi nhiệt độ bằng màn hình cảm biến trên màn hình phần mềm hoặc bảng điều khiển)

- Khi nhiệt độ ổn định, chọn biểu tượng GO để ghi lại các giá trị sau hoặc ghi lại các giá trị theo cách thủ công: T1, T2, T3, T4, Fhot, Fcold

- Điều chỉnh van nước lạnh lần 2 với Fcold2

- Để bộ trao đổi nhiệt ổn định sau đó lặp lại các bước trên

- Thu thập dữ liệu ở dạng bảng

8

Kết quả - Tính toán

- Lập bảng dữ liệu thu thập như sau:

Bảng 1 Dữ liệu xuất kết quả bài tập A lưu động ngược chiều từ phần mềm HT30X

Bảng 2 Bảng dữ liệu và kết quả bài tập A ngược chiều

Trong đó qvhot và qvcold là lưu lượng thể tích dòng nóng và dòng lạnh, m3/s

Độ giảm nhiệt độ chất lỏng nóng ΔThot = T1 - T2 = 59,8 – 56,9 = 2,9 °C

Tăng nhiệt độ chất lỏng lạnh ΔTcold = T4 - T3 = 36,4 – 28,8 = 7,6 °C

Nhận xét

Nhận xét về sự thay đổi của ΔThot và ΔTcold khi lưu lượng nước lạnh thay đổi?

- Khi lưu lượng ở mức 3l/ph, lưu lượng nước lạnh 3l/ph ΔThot, = 2,9°C, ΔTcold = 7,6°C

- Khi lưu lượng ở mức 3l/ph, lưu lượng nước lạnh 4l/ph ΔThot = 3,1°C, ΔTcold = 6,4°C

9

- Khi lưu lượng ở mức 3l/ph, lưu lượng nước lạnh 5l/ph ΔThot=3,5°C, ΔTcold = 5,5°C

➢ Ta thấy ΔThot có sự thay đổi nhưng không đáng kể còn ΔTcold thì có sự giảm dần

- Tiếp tục đặt lưu lượng nước nóng ở 5l/ph và tăng dần lưu lượng nước lạnh 3-4-5l/ph

- khi tăng dần q vcold lên thì lượng nước giải nhiệt sẽ nhiều hơn và giúp giải

nhiệt tốt hơn do đó ΔT cold cũng sẽ giảm

3.4.2 Bài tập B - Cân bằng năng lượng và hiệu suất tổng thể

- Nhiệt năng tỏa ra từ chất lỏng nóng: Qe = qmh cph(T1 - T2), W

- Nhiệt năng do chất lỏng lạnh hấp thụ: Qa = qmc cpc (T4 - T3), W

- Nhiệt năng mất đi (hoặc thu được): Qf = Qe - Qa , W

- Hiệu suất tổng thể: ƞ = (Qa/Qe) *100(%)

Về mặt lý thuyết Qe và Qa phải bằng nhau Trong thực tế, các đại lượng này khác

nhau do tổn thất nhiệt ra môi trường (hoặc thu được từ môi trường) Trong bài tập này chất

lỏng lạnh được lưu thông qua vỏ ngoài, nếu chất lỏng lạnh có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ

môi trường xung quanh thì nhiệt lượng sẽ bị mất vào môi trường dẫn đến ƞ < 100% Nếu

nhiệt độ chất lỏng lạnh thấp hơn thì dẫn đến ƞ > 100%

* Dựa vào bảng dữ liệu với lần lấy thông số thứ 4, tiến hành tính toán thông số;

- Độ giảm nhiệt độ chất lỏng nóng ΔThot = T1 - T2 = 59,8 – 56,8 = 3°C

- Tăng nhiệt độ chất lỏng lạnh ΔTcold = T4 - T3 = 35,8 – 29 = 6,8°C

- Lưu lượng khối lượng chất lỏng nóng

Bảng 4 Bảng dữ liệu và kết quả bài tập B

* Khi lưu lượng chất lỏng nóng qvhot giữ nguyên là 5 l/p và lưu lượng chất lỏng lạnh dao động từ 3 – 5 l/p thì ta thấy được hiệu suất thay đổi nhiều, việc tăng lưu lượng chất lỏng nóng cho thấy hiệu suất được cải thiện

❖ Lưu động ngược chiều

- Độ giảm nhiệt độ chất lỏng nóng ΔThot = T1 - T2 ,°C

- Tăng nhiệt độ chất lỏng lạnh ΔTcold = T4 - T3 ,°C

- Nhiệt năng tỏa ra từ chất lỏng nóng Qe = qmhcph(T1 - T2) ,W

- Nhiệt năng chất lỏng lạnh nhận được Qa = qmccpc(T4 – T3) ,W

Tỷ số hiệu nhiệt độ trong mỗi dòng chất lỏng và hiệu nhiệt độ tối đa giữa hai dòng chất lỏng được gọi là hiệu suất nhiệt độ Giá trị này dùng để so sánh với một bộ trao đổi nhiệt có kích thước vô hạn, từ đó cho thấy khả năng tăng kích thước thiết bị

- Hiệu quả nhiệt độ cho chất lỏng nóng: 𝜂ℎ = 𝑇1−𝑇2

13

Hình 6 Lưu động ngược chiều (trái) và cùng chiều (phải) trong HT33

Lưu động cùng chiều

Khi bộ trao đổi nhiệt được kết nối để hoạt động cùng chiều, các dòng chất lỏng nóng

và lạnh chảy theo cùng một hướng trên bề mặt truyền nhiệt

- Độ giảm nhiệt độ chất lỏng nóng ΔThot = T2 – T1 (°C)

- Tăng nhiệt độ chất lỏng lạnh ΔTcold = T4 - T3 (°C)

- Nhiệt năng tỏa ra từ chất lỏng nóng Qe = qmhcph(T2 – T1), W

- Nhiệt năng chất lỏng lạnh nhận được Qa = qmccpc(T4 – T3), W

- Hiệu suất nhiệt độ cho chất lỏng nóng: 𝜂ℎ = 𝑇2−𝑇1

- Có thể sử dụng các kết quả thu được từ Bài tập A

- Thực hiện tương tụ với lưu động thuận chiều

Kết quả và tính toán

* Số liệu được lấy từ phần mềm ghi lại tất cả các đầu ra của cảm biến

14

Bảng 5 Dữ liệu xuất kết quả bài tập C lưu động cùng chiều từ phần mềm HT30X

* Tính toán thông số điển hình trao đổi nhiệt cùng chiều lần thứ 5:

- Độ giảm nhiệt độ chất lỏng nóng: ΔThot = T2 – T1 = 62,7 – 60,4 = 2,3 °C

- Tăng nhiệt độ chất lỏng lạnh : ΔTcold = T4 - T3 = 38,1 – 29,1 = 9 °C

- Nhiệt năng tỏa ra từ chất lỏng nóng : Qe = qmhcph(T2 – T1), W

- Hiệu quả nhiệt độ cho chất lỏng lạnh: 𝜂𝑐 = 𝑇4−𝑇3

𝑇2− 𝑇3 = 38,1 −29,1

62,7−29,1 = 0,268 = 26,8%

Hiệu quả nhiệt độ trung bình: 𝜂𝑚 = 0,5(𝜂ℎ + 𝜂𝑐) = 0,5 (6,8 + 26,8) = 16,8 %

Bảng 6 Bảng dữ liệu và kết quả bài tập C, chảy cùng chiều

15

Bảng 7 Dữ liệu xuất kết quả bài tập C lưu động ngược chiều từ phần mềm HT30X

Bảng 8 Bảng dữ liệu và kết quả bài tập C, chảy ngược chiều

*Số liệu được lấy từ phần mềm ghi lại tất cả các đầu ra của cảm biến

*Tính toán thông số điển hình trao đổi nhiệt ngược chiều lần thứ 5:

- Độ giảm nhiệt độ chất lỏng nóng: ΔThot = T1 - T2 = 60,1 – 57,8 = 2°C

- Tăng nhiệt độ chất lỏng lạnh: ΔTcold = T4 - T3 = 36,8 – 29,1 = 7,7°C

- Nhiệt năng tỏa ra từ chất lỏng nóng: Qe = qmhcph(T1 - T2)

16

- Hiệu quả nhiệt độ cho chất lỏng nóng: 𝜂ℎ = 𝑇1−𝑇2

𝑇 1 − 𝑇 3 =60,1−57,8

60,1−29,1 = 0,074 = 7,4 %

- Hiệu quả nhiệt độ cho chất lỏng lạnh: 𝜂𝑐 = 𝑇4−𝑇3

- Khi tăng lưu lượng nước lạnh từ 3l/ph >5l/ph:hiệu quả giảm c từ 17,4% xuống 14,8%

3.4.4 Bài tập D - Hệ số truyền nhiệt chung ảnh hưởng của chế độ chảy và tốc độ dòng chảy

17

Lưu ý: Để loại bỏ ảnh hưởng của việc mất / tăng nhiệt trong dòng nước lạnh, nhiệt tỏa ra

từ dòng chất lỏng nóng sẽ được sử dụng trong tính toán

- Công suất nhiệt tỏa ra từ chất lỏng nóng: Qe = qmhcph(T2 – T1), W

Do chênh lệch nhiệt độ giữa dòng chất lỏng nóng và lạnh thay đổi dọc theo chiều dài của bộ trao đổi nhiệt nên cần phải tính được chênh lệch nhiệt độ trung bình để từ đó có thể thực hiện các phép tính truyền nhiệt Chênh lệch nhiệt độ trung bình này được gọi là chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit (LMTD) Δtlm

Gọi các hiệu nhiệt độ từng đầu thiết bị như sau:

ΔT1 = T2 – T3, °C;

ΔT2 = T1 – T4, °C

- Chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit (LMTD) Δtlog

4 1

3 2

4 1 3 2 log

ln

)(

)(

T T

T T

T T T T t

Lưu ý: Phương trình này không được dùng cho trường hợp ΔT1 = ΔT2

Trong ví dụ này tlog giống nhau cho cả dòng chảy ngược chiều và cùng chiều

Diện tích truyền nhiệt trong bộ trao đổi phải được tính theo đường kính trung bình

- Chiều dài tổng các ống: L = n.l = 70,144 = 1,008 m

- Đường kính trung bình: dm = 0,5(di + do) = 0,5(0,00515 + 0,00635) = 0,00575m

- Diện tích truyền nhiệt : A = π.dm.L = 0,005751,008 = 0,01821 m2

- Hệ số truyền nhiệt tổng thể: 𝑈 = 𝑄𝑒

𝜀 Δ𝑡  𝐴  Δ𝑡 𝑛, 𝑊

𝑚 20𝐶 Đối với các thiết bị làm việc theo chế độ chuyển động phức tạp thì độ chênh nhiệt độ trung bình được điều chỉnh bằng hệ số hiệu chỉnh t như sau:

Trong đó: là độ chênh nhiệt độ trung bình tính theo sơ đồ ngược chiều

t là hệ số hiệu chỉnh, được tra theo toán đồ cho sẵn:

18

Hình 9 Quan hệ phụ thuộc 𝜀𝛥𝑡 = 𝑓(𝑃, 𝑅) khi thiết bị trao đổi nhiệt vỏ bọc chùm ống,

chất lỏng 1 đi trong vỏ bọc 1 pass, chất lỏng 2 đi trong chùm ống 2, 4, 6… pass

Temp T2 [°C]

Temp T3 [°C]

Temp T4 [°C]

Hot Water Pump Setting [%]

Hot Water Flowrate Fhot [l/min]

Cold Water Valve Setting [%]

Cold Water Flowrate Fcold [l/min]

3 2

4 1 3 2 log

ln

)(

)(

T T

T T

T T T T t

- Diện tích truyền nhiệt : A = π.dm.L = .0,00575.1,008 = 0,01821 m2

- Lưu lượng khối lượng: qmh = qvh..ρ = 2

Heat Power emitted

Qe [W]

Heat Power absorbed

Qa [W]

Heat Power lost

Qf [W]

Overall Efficiency [%]

Temp Efficiency

of hot fluid [%]

Temp Efficiency

of cold fluid [%]

3 2

4 1 3 2 log

ln

)(

)(

T T

T T

T T T T t

- Đường kính trung bình: dm = 0,5.(di + do) = 0,5.(0,00515 + 0,00635) = 0,00575m

- Diện tích truyền nhiệt : A = π.dm.L = .0,00575.1,008 = 0,01821 m2

- Lưu lượng khối lượng: qmh = qvh..ρ = 2

22

Nhận xét

- Nhận xét về ảnh hưởng của việc tăng lưu lượng chất lỏng nóng đến U:

+ Khi tăng lưu lượng chất lỏng nóng thì U tăng

- Nhận xét về ảnh hưởng của việc tăng lưu lượng chất lỏng lạnh đến U:

+ Khi tăng lưu lượng chất lỏng lạnh thì U giảm

- Nhận xét về ảnh hưởng của việc thay đổi chiều dòng chảy đến U:

+ Khi dòng chảy cùng chiều thì U thấp hơn dòng chảy ngược chiều