الجيل الجليد وانتقال الحرارة والكتلة الظواهر من إدخال المياه إلى حمام الباردة من الماء المالح
Summary
هنا، نقدم بروتوكول للتدليل على جيل من الجليد عند تقديم الماء لحمام بارد من محلول ملحي، وكمبرد الثانوية، في مجموعة من درجات الحرارة أقل بكثير من نقطة تجمد الماء. ويمكن استخدامه كطريقة بديلة لإنتاج الجليد للصناعة.
Abstract
ونحن لشرح طريقة لدراسة الحرارة والكتلة نقل والظواهر تجميد في بيئة المياه المالحة subcooled. وأظهرت تجربتنا أنه في ظل الظروف المناسبة، والجليد يمكن أن تنتج عندما يتم إدخال الماء إلى حمام من محلول ملحي بارد. لجعل شكل جليد، بالإضافة إلى وجود مزيج الماء المالح والماء، فإن معدل نقل الحرارة يجب تجاوز ذلك من نقل الجماعي. عندما يتم إدخال الماء في شكل قطرات صغيرة على سطح الماء المالح، وطريقة نقل الحرارة والشامل عن طريق الانتشار. توقف الطفو المياه من الاختلاط مع الماء المالح تحت، ولكن كما الجليد ينمو أكثر سمكا، ويبطئ معدل انتقال الحرارة، مما يجعل الجليد من الصعب أن ينمو نتيجة لذلك. عندما يتم إدخال الماء داخل محلول ملحي في شكل تدفق، تم العثور على عدد من العوامل التي تؤثر على مقدار الجليد يمكن أن تشكل. درجة حرارة الماء المالح وتركيز، والتي هي القوة الدافعة والحرارة ونقل الجماعي، على التوالي، يمكن أن تؤثر على تحويل راتي الماء إلى جليدس؛ انخفاض درجات الحرارة حمام وتركيز المحلول الملحي تشجع المزيد من الجليد لتشكيل. والريولوجيا التدفق، والتي يمكن أن تؤثر بشكل مباشر على كل من الحرارة ومعاملات نقل الجماعي، هو أيضا عامل رئيسي. بالإضافة إلى ذلك، الريولوجيا تدفق يتغير مجال الاتصال من تدفق مع السوائل السائبة.
Introduction
وتستخدم عجائن الجليد على نطاق واسع في الصناعة، واحد التطبيق الناجح بشكل خاص هو-ولادة الخنازير تكنولوجيا الثلج 1 و 2. بالمقارنة مع رغوة التقليدية وخنزير الصلبة، يمكن للخنزير الجليد السفر من خلال طبولوجيا معقدة على مسافة طويلة بسبب تأثير تزييت الطور السائل وارتفاع درجة التجمد لها وبعض من الجليد بلورات تذوب 3، 4، 5 . حتى لو كان يحصل عالقا الخنزير، يمكن للمرء ببساطة الانتظار للعجائن الجليد في الذوبان واستئناف عملية التنظيف في وقت لاحق. هذه الطريقة في التنظيف الأنابيب هي رخيصة وسهلة الاستخدام.
جزء الجليد يلعب دورا رئيسيا في أداء الخنزير الجليد. لقياس نسبة الجليد، يمكن للمرء استخدام كافيتيري (الصحافة الفرنسية) لتحديد ما إذا كان الطين الجليد سميكا بما يكفي 6،"> 7. هناك جزء الجليد عالية كافيتيري، عادة 80٪، مطلوب عند إجراء ولادة الخنازير الجليد. وأظهرت البحوث التي أجريت مؤخرا على الإنترنت كشف جزء الجليد أن كلا من الموجات الكهرومغناطيسية والموجات فوق الصوتية هي مناسبة لهذا المنصب 8، 9، 10، 11.
عادة ما تكون مصنوعة الخنزير الجليد صانع الجليد كشط سطح من حل كلوريد الصوديوم 5٪ بالوزن (الماء المالح). بل هو أيضا وسيلة أساسية لجعل عجائن الجليد في الصناعة. هذا النوع من صنع الثلج يتجمد الماء أو محلول ملحي على سطح معدني بارد، عادة ما يكون سطح أملس 316 الفولاذ المقاوم للثم ماكينة القص دوريا جزيئات الجليد قبالة. واجهات السائل إلى المعدن معقدة جدا وتتأثر مجموعة واسعة من العوامل التي لا بد منها لصنع الثلج 12. واجهة بين غير المعدنية والماء يمكن أن تكون مختلفة جدا، ومثال واحد خاصة للاهتمام هو الكولنيت. وKaolواجهة المياه inite هو خاص بسبب عدم وجود بنية الجليد مواتية المجاور لسطح صلب، ولكن بدلا طبقة من السائل الركيزة مذبذب أن تشجع مجموعات المستعبدين الهيدروجين مثل الجليد لتشكيل فوقه 13 و 14. وهناك طريقة أخرى لإنتاج الخنزير الجليد يتطلب تكسير كتل الجليد ولم يضف بينما يتم إضافة عالية التركيز محلول ملحي في وقت واحد. لهذا الأسلوب، يمكن للنظام التبريد تشغيل عند درجة حرارة التبخر أعلى من ذلك بكثير بسبب عدم إضافة أية اكتئاب نقطة التجمد (حماية الأسرة) قبل تشكيل الجليد. وبالتالي يعتبر أكثر كفاءة نظرا لنسبة ضغط خفضت والسلطة تراجعت عن واجب إعطاء تبريد 15، 16، 17.
هناك طريقتان إنتاج الآيس الأخرى: إنتاج الثلج من المياه فائق التبريد ووضع التبريد والمياه في اتصال مباشر <supالطبقة = "XREF"> 18 و 19. الأسلوب ينطوي على البرودة الفائقة تعكير المياه فائق التبريد متبدل الاستقرار لتوليد التنوي الجليد والنمو. المشكلة الأكبر لهذا الأسلوب هو تشكيل الجليد غير المرغوب فيها التي يمكن منع النظام. يعتبر وسيلة اتصال مباشر وليس مناسبة للولادة الخنازير الجليد لأنه لا التبريد ولا زيت التشحيم مطلوبون في المنتج الجليد النهائي.
تشكيل الجليد يتطلب الحرارة ونقل الجماعي بسبب الحرارة الكامنة للانصهار ولدت في هذه العملية. اكتشفت لأول مرة من قبل أوسبورن رينولدز في عام 1874 أن نقل الحرارة والكتلة في الغازات تقترن بقوة ويمكن التعبير عنها في صيغ رياضية مماثلة 20. شكل هذا العمل ورقة رائدة في موضوع الزخم والحرارة ونقل الجماعي في السوائل وطبع عدة مرات 21 و 22. هذا الموضوع ثم درست من قبلعدد من الآخرين، من كلا النهجين التحليلية والتجريبية، للغازات والسوائل، والمعدن المنصهر 23، 24، 25، 26، 27، 28، 29، 30، 31، 32، 33. وبصرف النظر عن انتقال الحرارة والكتلة، يحتاج السائل مواقع التنوي حيث يمكن للنمو الجليد شجيري تتطور. ونظرة حديثة إلى نمو بلورات الثلج يستخدم القانون Constructal، التي وضعتها أدريان بيجان، ليشرح لماذا ينمو الجليد في هذا الطريق 34، 35، 36.
تشكيل الجليد في الماء المالح مختلفة جدا عن تلك في الماء النقي بسبب وجود الملح. أولا، الملح يغير الديناميكا الحرارية من السوائل ويقلل درجة التجمد لها. ثانيا، الملح لا يمكن أن تذوب في مصفوفة الجليد (باستثناء هيدروهاليت، التي يمكن أن تشكل فقط عندما تصل درجة الحرارة إلى نقطة سهل الانصهار)، ورفض أن السائل بكميات كبيرة عندما يبدأ الجليد في النمو. تم اكتشاف الرفض من الملح في كل من الجليد البحري والجليد درس في المختبر 37 و 38. منذ رفض محلول ملحي عالي التركيز هو على درجة حرارة أقل بكثير من درجة التجمد لمياه البحر، حيث ينزل، وينمو الجليد في التفاعل بين المياه المالحة المتدفقة والسوائل بكميات كبيرة هادئة. وقد اكتشفت هذه الهوابط الجليد، واسمه أيضا brinicles، لأول مرة في ماكموردو الصوت، والقطب الجنوبي وكان درس التجربة 39، 40، 41، 42. في عام 2011، بي بي سي بتصوير تشكيل brinicles في سلسلة المجمدة كوكب لها"XREF"> 43 و 44.
في المختبر، واكتشف أن طريق عكس السوائل المتدفقة وهادئة عند تقديم الماء للحمام من محلول ملحي بارد، والماء قد تتحول إلى جليد وفقا للشروط الصحيحة 45. وقد تبين أن الموقع حيث يتم إدخال الماء، وتدفق الريولوجيا، ودرجة حرارة المياه المالحة والتركيز كلها عوامل رئيسية تؤثر في الكيفية التي يمكن أن تنتج الكثير من الجليد. ويتمثل الهدف العام من هذه الدراسة هو التحقيق في ما إذا كان يمكن تطوير صانع الجليد من خلال هذه الآلية لتوليد عجائن الجليد، بالنظر إلى أن درجة حرارة المبخر مرتفعة وارتفاع معدل نقل الحرارة السائل إلى سائل يمكن أن تعزز كفاءة استخدام الطاقة. هذه المادة سهم الجوانب الرئيسية من التجربة.
Protocol
Representative Results
Discussion
عملية توليد الجليد باستخدام محلول ملحي كمبرد الثانوية ينطوي على مزيج من الحرارة ونقل الجماعي. إذا كان نقل الحرارة أكبر، ثم أشكال الجليد قبل أن الماء لديه فرصة لخلط مع السوائل السائبة. ولوحظ أنه عندما يكون هناك حركة نسبية بين الماء قدم ومحلول ملحي بالجملة هادئة (أي</…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب ليس لديهم الاعترافات.
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 |
Riferimenti
- Quarini, G. L. Cleaning and separation in conduits. UK patent. , (2001).
- Quarini, J. Ice-pigging to reduce and remove fouling and to achieve clean-in-place. Appl. Therm. Eng. 22, 747-753 (2002).
- Evans, T. S., Quarini, G. L., Shire, G. S. F. Investigation into the transportation and melting of thick ice slurries in pipes. Int. J. Refrig. 31, 145-151 (2008).
- Shire, G. S. F., Quarini, G. L., Rhys, T. D. L., Evans, T. S. The anomalous pressure drop behaviour of ice slurries flowing through constrictions. Int. J. Multiph. Flow. 34, 510-515 (2008).
- Shire, G. S. F., Quarini, G. L., Evans, T. S. Pressure drop of flowing ice slurries in industrial heat exchangers. Appl. Therm. Eng. 29, 1500-1506 (2009).
- Evans, T. S. . Technical Aspects of Pipeline Pigging with Flowing Ice Slurries [dissertation]. , (2007).
- Shire, G. S. F. . The behaviour of ice pigging slurries [dissertation]. , (2006).
- Hales, A., et al. Ice fraction measurement of ice slurries through electromagnetic attenuation. Int. J. Refrig. 47, 98-104 (2014).
- Hales, A., et al. The effect of salinity and temperature on electromagnetic wave attenuation in brine. Int. J. Refrig. 51, 161-168 (2015).
- Hales, A. . Ice slurry diagnostics through electromagnetic wave attenuation and other techniques [dissertation]. , (2015).
- Lucas, E. J. K., Hales, A., McBryde, D., Yun, X., Quarini, G. L. Noninvasive Ultrasonic Monitoring of Ice Pigging in Pipes Containing Liquid Food Materials. J. Food Process. Eng. 40, e12306 (2015).
- Carrasco, J., Hodgson, A., Michaelides, A. A molecular perspective of water at metal interfaces. Nat. Mater. 11, 667-674 (2012).
- Hu, X. L., Michaelides, A. Ice formation on kaolinite: Lattice match or amphoterism? . Surf. Sci. 601, 5378-5381 (2007).
- Hu, X. L., Michaelides, A. The kaolinite (0 0 1) polar basal plane. Surf. Sci. 604, 111-117 (2010).
- Leiper, A. N., Ash, D. G., McBryde, D. J., Quarini, G. L. Improving the thermal efficiency of ice slurry production through comminution. Int. J. Refrig. 35, 1931-1939 (2012).
- Leiper, A. . Carnot cycle optimisation of ice slurry production through comminution of bulk ice [dissertation]. , (2012).
- Leiper, A. N., Hammond, E. C., Ash, D. G., McBryde, D. J., Quarini, G. L. Energy conservation in ice slurry applications. Appl. Therm. Eng. 51, 1255-1262 (2013).
- Bédécarrats, J. -. P., David, T., Castaing-Lasvignottes, J. Ice slurry production using supercooling phenomenon. Int. J. Refrig. 33, 196-204 (2010).
- Wijeysundera, N. E., Hawlader, M. N. A., Andy, C. W. B., Hossain, M. K. Ice-slurry production using direct contact heat transfer. Int. J. Refrig. 27, 511-519 (2004).
- Reynolds, O. On the extent and action of the heating surface of steam boilers. Proc. Lit. Philos. Soc. Manch. 14, 7-12 (1874).
- Reynolds, O. . Papers on mechanical and physical subjects: reprinted from various transactions and journals. , 81-85 (1900).
- Reynolds, O. Papers on mechanical and physical subjects. Int. J. Heat Mass Transfer. 12, 129-136 (1969).
- Prandtl, L. Eine Beziehung zwischen Wärmeaustausch und Strömungswiderstand der Flüssigkeiten (On the relation between heat exchange and stream resistance of fluid flow). Physik. Z. 11, 1072-1078 (1910).
- Prandtl, L. Bemerkung über den Wärmeübergang im Rohr (Note on heat transmission in pipes). Physik. Z. 29, 487-489 (1928).
- Taylor, G. I. Conditions at the surface of a hot body exposed to the wind. Rep. Memo. ACA. 272, (1916).
- Taylor, G. I. The Application of Osborne Reynolds’ Theory of Heat Transfer to Flow through a Pipe. Proc. R. Soc. A. 129, 25-30 (1930).
- Kármán, T. v. . Proceedings of the Fourth International Congress for Applied Mechanics. , 54-91 (1934).
- Kármán, T. v. The analogy between fluid friction and heat transfer. Trans. Am. Soc. Mech. Eng. 61, 705-710 (1939).
- Martinelli, R. C. Heat transfer to molten metals. Trans. Am. Soc. Mech. Eng. 69, 947-959 (1947).
- Colburn, A. P. A method of correlating forced convection heat-transfer data and a comparison with fluid friction. Trans. Am. Inst. Chem. Eng. 29, 174-210 (1933).
- Colburn, A. P. A method of correlating forced convection heat-transfer data and a comparison with fluid friction. Int. J. Heat Mass Transfer. 7, 1359-1384 (1964).
- Chilton, T. H., Colburn, A. P. Mass Transfer (Absorption) Coefficients Prediction from Data on Heat Transfer and Fluid Friction. Ind. Eng. Chem. 26, 1183-1187 (1934).
- Friend, W. L., Metzner, A. B. Turbulent heat transfer inside tubes and the analogy among heat, mass, and momentum transfer. AIChE J. 4, 393-402 (1958).
- Bejan, A. Constructal-theory network of conducting paths for cooling a heat generating volume. Int. J. Heat Mass Transfer. 40, 799-816 (1997).
- Bejan, A., Lorente, S. Constructal theory of generation of configuration in nature and engineering. J. Appl. Phys. 100, 041301 (2006).
- Bejan, A., Lorente, S., Yilbas, B. S., Sahin, A. Z. Why solidification has an S-shaped history. Sci. Rep. 3, 1711 (2013).
- Lake, R. A., Lewis, E. L. Salt rejection by sea ice during growth. J. Geophys. Res. 75, 583-597 (1970).
- Wettlaufer, J. S., Worster, M. G., Huppert, H. E. Natural convection during solidification of an alloy from above with application to the evolution of sea ice. J. Fluid Mech. 344, 291-316 (1997).
- Paige, R. A. Stalactite Growth beneath Sea Ice. Science. 167, 171-172 (1970).
- Dayton, P. K., Martin, S. Observations of ice stalactites in McMurdo Sound, Antarctica. J. Geophys. Res. 76, 1595-1599 (1971).
- Eide, L. I., Martin, S. The formation of brine drainage features in young sea ice. J. Glaciol. 14, 137-154 (1975).
- Martin, S. Ice stalactites: comparison of a laminar flow theory with experiment. J. Fluid Mech. 63, 51-79 (1974).
- Jeffs, K., Attenborough, D. . Frozen Planet: Episode 5 ‘Winter’. , (2011).
- Fothergill, A., Berlowitz, V., Attenborough, D. Ch. Winter: Life closes down. in Frozen Planet: A World Beyond Imagination. , (2011).
- Yun, X., et al. Ice formation in the subcooled brine environment. Int. J. Heat Mass Transfer. 95, 198-205 (2016).
- Weast, R. C. . CRC Handbook of Chemistry and Physics. 64, 257-258 (1983).
- Bejan, A., Lage, J. L. The Prandtl Number Effect on the Transition in Natural Convection Along a Vertical Surface. J. Heat Transfer. 112, 787-790 (1990).
