塩水の冷浴に水を導入するアイス生成と熱・物質移動現象

Summary

ここでは、水は温度範囲井戸下水の凝固点において、二次冷媒として、飽和食塩水の冷浴に導入されたときに氷の生成を実証するためのプロトコルを提示します。これは、産業用の氷を製造する別の方法として使用することができます。

Abstract

我々は、熱および物質移動のと過冷却塩水環境における凍結現象の研究のための方法を示しています。我々の実験は、水が冷たい塩水浴に導入されたときに適切な条件下で、氷を製造することができる、ことを示しました。ブラインおよび水混合物を有することに加えて、氷の形を作るために、熱伝達率は、物質移動のことを回避しなければなりません。水は塩水表面に小さな液滴の形態で導入されたとき、熱及び物質移動のモードは、拡散によるものです。浮力が下に食塩水との混合から水を停止しますが、氷が厚く成長するにつれて、それが結果として成長することがより困難で氷を作り、熱伝達の速度を遅くします。水の流れの形態で塩水内部に導入されると、多くの要因は、氷が形成することができるどのくらい影響を与えることが見出されています。熱及び物質移動の駆動力であるブライン温度と濃度は、それぞれ、水と氷変換RATIに影響を与えることができO;低い浴温およびブライン濃度は、形成するために、より多くの氷を奨励します。直接熱および物質移動係数の両方に影響を与えることができるフローレオロジーは、また重要な要因です。また、フローレオロジーはバルク流体と流体の接触面積を変化させます。

Introduction

氷スラリーは、広く産業界で使用され、一つの特に成功したアプリケーションを氷ひどい技術^1、2です。従来の発泡体と固体ブタと比較して、氷ブタため、液相の潤滑効果と結晶は^3、4、5を溶融氷の一部としての凝固点の標高の長距離複雑なトポロジを通過することができ。豚が立ち往生しても、一つは単純に溶融し、それ以降の洗浄プロセスを再開するために氷スラリーを待つことができます。配管洗浄するこの方法は、安価で使いやすいです。

氷画分を氷豚の性能において重要な役割を果たしています。氷の割合を測定するためには、氷スラリーは⁶十分に厚いかどうかを判断するためにCAFETIERE（フレンチプレス）を使用することができ^、「氷のひどいを行う場合> 7。高CAFETIEREアイス画分は、典型的には80％が、必要とされる。オンライン氷フラクション検出に関する最近の研究では、両方の電磁超音波ジョブ^{8、9、10、11}に適していることが示されました。

氷のブタは、通常5重量％NaCl溶液（塩水）から掻き取り表面製氷機によって行われます。また、業界で氷スラリーを作る主要な方法です。製氷機のこのタイプは、冷たい金属表面、一般的に滑らかな316鋼表面に水または食塩水を凍結した後、周期的にオフ氷粒子を剪断します。液体-金属界面は、非常に複雑であり^、12製氷に不可欠な要素の広い範囲に影響されます。非金属と水との間のインターフェースは非常に異なることができ、一つの特に興味深い例は、カオリナイトです。 Kaolinite -水界面はの固体表面に隣接して有利な氷の構造がないので特別ではなく、むしろ^、それ¹³の上に^14を形成するために^、氷のような水素結合クラスタを促進両性基質液の層。氷ブタを生産する別の方法は、高濃度の食塩水を同時に添加しながら既成の氷のブロックを粉砕が必要です。何の凝固点降下（FPD）は氷の形成の前に添加されていないので、この方法では、冷凍システムは、はるかに高い蒸発温度で実行することができます。それが故に、所定の冷却デューティ^15、16、17のための低下による圧縮比と小さく、電力をより効率的であると考えられます。

他の二つの氷の生産方法があります。過冷却水から氷を製造し、直接接触して冷媒と水を入れて<supクラス= "外部参照"> ^18、19。過冷却方法は、氷の核生成及び成長を生成するために、準安定過冷却水を乱すことを含みます。この方法の最大の問題は、システムをブロックすることができ、不要な氷の形成です。冷媒や潤滑油のいずれも最終氷製品に指名手配されているため、直接接触法は、氷の全くのには適していないと考えられています。

氷の形成は、デュー・プロセスで生成された融解潜熱に熱および物質移動を必要とします。これは、第一のガス中の熱および質量の輸送を強力に結合され、同様の数式²⁰で表すことができることを1874年にオズボーンレイノルズによって発見されました。この作品は、運動量、熱のテーマに先駆的な論文、および流体中の物質移動を形成し、数回^21、22を復刻しました。この主題は、それまでに研究されました気体、液体、溶融金属²³の分析および実験的両方のアプローチから他の数^{、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33。}別に熱および物質移動から、流体は、樹枝状の氷の成長が開発することができ核形成部位を必要とします。氷の結晶の成長に近代的な洞察は、氷がこの方法^34、35、36で成長する理由を説明するために、エイドリアンBejanによって開発された、Constructal法を使用しています。

塩水での氷の形成は、塩の存在に起因する純水のそれとは非常に異なっています。まず第一に、塩は、流体の熱力学を変更し、その凝固点を押下します。第二に、塩は、（温度が共晶点に達したときにのみ形成することができる、hydrohaliteを除く）氷マトリックス中に溶解することができず、氷が成長し始めると、それは、バルク流体に拒否されます。塩の拒絶はラボ^37、38で研究海氷と氷の両方で発見されました。拒否された高濃度の塩水がよく、海の水の凝固点以下の温度であるので、それが下降するように、氷が流れるブラインおよび静止バルク流体との間の界面に成長します。またbriniclesという名前のこれらの氷の鍾乳石は、最初のマクマードサウンド、南極で発見された、実験^{39、40、41、42}を研究しました。 2011年、BBCはそのフローズンプラネットシリーズのbriniclesの形成を撮影します"外部参照"> ^43、44。

私たちの研究室では、水が冷たい塩水浴に導入されたときに流れると静止流体を逆転させることにより、水が正しい条件の⁴⁵の下で氷に変換することができることが発見されました。これは、水が導入される位置は、レオロジーの流れ、及びブライン温度と濃度が非常に氷を製造することができるかに影響を及ぼすすべての主要な要因であることが見出されました。本研究の全体的な目標は、製氷機が上昇し、蒸発器の温度および液体対液体の熱伝達率が高いが、エネルギー使用の効率を高めることができることを考慮すると、氷スラリーを生成するために、この機構を介して開発することができるかどうかを調べることです。この記事では、実験の重要な側面を共有しています。

Protocol

注意：これらの実験で使用される2つの有毒化学薬品、メタノール及びエチレングリコールがあります。メタノールは、ギ酸またはギ酸塩に、次にホルムアルデヒドを生成するために、人間の体内で代謝することができます。これらの物質は、中枢神経系に有毒であり、さらには死を引き起こす可能性があります。エチレングリコールは、次いでシュウ酸に変えることができ、グリコール酸に…

Representative Results

図1は、食塩水を介して注入される水に食塩水の表面で導入された水の効果を比較します。水はバルク流体とのあまりを混ぜていなかったので、「アイス・キャップ」のシナリオでは、形成された氷は固体です。二つの流体の間の温度と密度差は、水の浮力を発生し混合するのを防止します。両方の流体は、静的である（ すなわち、伝熱質量より?…

Discussion

二次冷媒として食塩水を使用して、氷の生成のプロセスは、熱および物質移動の組合せを含みます。熱伝達が大きい場合には、水の前に氷の形態は、バルク流体と混合するための機会を有します。これは、導入された水（ すなわち、塩水内の水を注入する）静止バルク食塩水との間の相対的な動きがあるとき、流れが熱伝達を助け、迅速に形成する氷を促進することが観察されました…

Materials

DMA 4500 M	Anton Paar	81546022	Density Metre
GELATO Chef 2200	magimix	0036500504R13	Ice Cream Maker
280D	FREEZE MASTER	241-1441	Pipe Freezer
M17.5X2	BLUE ICE MACHINES	GK924	Slushy Puppy Machine
HH68K	OMEGA	140045	Thermometer
OHAUS	TS4KW	1324	Scale
ZFC321WA/BNI225	ZANUSSI	920672574-00	Freezer
EIS Heater Matrix	Vauxhall	214720041	Heat Exchanger
2500LPH	JBA	AP-2500	Pump
Glass syringe	FORTUNA Optima		100 mL
OAT concentrated coolant	wilko	P30409014	Ethylene Glycol
pure dried vacuum salt	INEOS Enterprise	1433324	NaCl Salt
Methylated Spirits	Barrettine	1170	Methanol