बर्फ जनरेशन और गर्मी और बड़े पैमाने नमकीन पानी की एक ठंडा स्नान करने के लिए परिचय पानी के हस्तांतरण घटना
Summary
यहाँ, हम जब पानी नमकीन पानी की एक ठंडा स्नान करने के लिए, एक माध्यमिक सर्द के रूप में, तापमान की एक श्रृंखला में अच्छी तरह से नीचे पानी की हिमांक में शुरू की है बर्फ की पीढ़ी प्रदर्शित करने के लिए एक प्रोटोकॉल उपस्थित थे। आईटी उद्योग के लिए बर्फ के उत्पादन के लिए एक वैकल्पिक मार्ग के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।
Abstract
हम एक subcooled नमकीन वातावरण में गर्मी और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण और ठंड की घटना के अध्ययन के लिए एक विधि का प्रदर्शन। हमारी प्रयोग से पता चला है कि, उचित शर्तों के तहत, बर्फ जब पानी ठंडा नमकीन पानी का स्नान करने के लिए शुरू की है उत्पादन किया जा सकता है। बर्फ प्रपत्र बनाने के लिए नमकीन पानी और पानी के मिश्रण होने के अलावा, गर्मी हस्तांतरण की दर बड़े पैमाने पर स्थानांतरण की कि बाईपास चाहिए। जब पानी नमकीन पानी की सतह के लिए छोटे बूंदों के रूप में पेश किया है, गर्मी और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण की विधा प्रसार कर रहा है। उछाल के नीचे नमकीन के साथ मिश्रण से पानी बंद हो जाता है, लेकिन जैसा कि बर्फ मोटा बढ़ता है, यह गर्मी हस्तांतरण की दर को धीमा कर देती है, बर्फ और अधिक कठिन एक परिणाम के रूप में विकसित करने के लिए कर रही है। पानी एक प्रवाह के रूप में नमकीन पानी के अंदर पेश किया जाता है, कारकों की एक संख्या को प्रभावित करने के लिए कितना बर्फ फार्म कर सकते हैं पाए जाते हैं। नमकीन पानी का तापमान और एकाग्रता, जो गर्मी और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण की ड्राइविंग बलों रहे हैं, क्रमशः, पानी को बर्फ रूपांतरण रति प्रभावित कर सकते हैंओ; निचले स्नान तापमान और नमकीन सांद्रता अधिक बर्फ के रूप में करने के लिए प्रोत्साहित करते। प्रवाह rheology है, जो सीधे दोनों गर्मी और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण गुणांक प्रभावित कर सकते हैं, यह भी एक महत्वपूर्ण कारक है। इसके अलावा, प्रवाह rheology थोक तरल पदार्थ के साथ प्रवाह के संपर्क के क्षेत्र में परिवर्तन।
Introduction
बर्फ slurries बड़े पैमाने पर उद्योग में उपयोग किया जाता है, और एक विशेष रूप से सफल आवेदन बर्फ pigging प्रौद्योगिकी 1, 2 है। पारंपरिक फोम और ठोस सुअर की तुलना में, बर्फ सुअर तरल चरण के स्नेहन के प्रभाव और बर्फ के क्रिस्टल पिघल 3, 4, 5 में से कुछ के रूप में अपनी हिमांक की ऊंचाई की वजह से एक लंबी दूरी पर जटिल टोपोलॉजी के माध्यम से यात्रा कर सकते हैं । यहां तक कि अगर सुअर अटक जाता है, एक बस पिघल और बाद में सफाई की प्रक्रिया को फिर से शुरू करने के लिए बर्फ slurries के लिए इंतजार कर सकते हैं। पाइप की सफाई का यह तरीका सस्ता और प्रयोग करने में आसान है।
बर्फ अंश बर्फ सुअर का प्रदर्शन करने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। बर्फ अंश मापने के लिए, यदि एक बर्फ घोल काफी मोटी है 6 निर्धारित करने के लिए एक Cafetiere (फ्रेंच प्रेस) का उपयोग कर सकते हैं,"> 7। एक उच्च Cafetiere बर्फ अंश, आमतौर पर 80%, जब बर्फ pigging से बाहर ले जाने की आवश्यकता है। ऑनलाइन बर्फ अंश का पता लगाने पर हाल के शोध से पता चला है कि दोनों विद्युत और अल्ट्रासोनिक तरंगों नौकरी 8, 9, 10, 11 के लिए उपयुक्त हैं।
बर्फ सुअर आमतौर पर एक 5 डब्ल्यूटी% सोडियम क्लोराइड समाधान (नमकीन) से एक स्क्रैप-सतह बर्फ निर्माता द्वारा किया जाता है। यह भी उद्योग में बर्फ slurries बनाने का प्राथमिक तरीका है। बर्फ निर्माता इस प्रकार का एक ठंडी धातु की सतह, आम तौर पर एक चिकनी 316 स्टील की सतह पर पानी या नमकीन पानी जमा देता है और फिर cyclically बर्फ के कणों से कैंची। तरल करने वाली धातु इंटरफेस बहुत जटिल हैं और कारक है कि बर्फ 12 बनाने के लिए आवश्यक हैं का एक व्यापक रेंज से प्रभावित हैं। गैर धातु और पानी के बीच इंटरफेस बहुत अलग हो सकते हैं, और विशेष रूप से एक दिलचस्प उदाहरण kaolinite है। Kaolक्योंकि एक अनुकूल बर्फ संरचना का ठोस सतह से सटे, बल्कि उभयधर्मी सब्सट्रेट तरल पदार्थ की एक परत है कि यह 13 के शीर्ष 14 पर फार्म के लिए बर्फ की तरह हाइड्रोजन बंधुआ समूहों को प्रोत्साहित करती नहीं है वहाँ inite-पानी इंटरफेस खास है। बर्फ सुअर के उत्पादन का एक और तरीका है premade बर्फ ब्लॉकों को कुचल जबकि उच्च एकाग्रता नमकीन पानी एक साथ जोड़ा जाता है की आवश्यकता है। इस विधि के लिए, प्रशीतन प्रणाली में एक बहुत उच्च वाष्पन के तापमान पर चला सकते हैं क्योंकि कोई हिमांक अवसाद (FPD) बर्फ के गठन से पहले जोड़ा जाता है; यह इसलिए उतारा संपीड़न अनुपात और एक दिया ठंडा ड्यूटी 15, 16, 17 के लिए कम शक्ति के कारण और अधिक कुशल माना जाता है।
वहाँ दो अन्य बर्फ उत्पादन के तरीके हैं: शीतल पानी से बर्फ उत्पादन और सीधे संपर्क में सर्द और पानी डाल <supवर्ग = "xref"> 18, 19। supercooling विधि metastable शीतल पानी को परेशान बर्फ nucleation और विकास उत्पन्न करने के लिए शामिल है। इस विधि के लिए सबसे बड़ी समस्या अवांछित बर्फ गठन है कि इस प्रणाली को ब्लॉक कर सकते हैं। सीधा संपर्क विधि बर्फ pigging के लिए उपयुक्त नहीं माना जाता है क्योंकि न तो है और न ही सर्द स्नेहन तेल अंतिम बर्फ उत्पाद में करना चाहता था कर रहे हैं।
बर्फ के गठन संलयन की अव्यक्त गर्मी प्रक्रिया में उत्पन्न होने के कारण गर्मी और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण की आवश्यकता है। यह पहली बार 1874 में ओसबॉर्न रेनॉल्ड्स द्वारा की खोज की थी कि गैसों में गर्मी और बड़े पैमाने की ढुलाई दृढ़ता से मिलकर कर रहे हैं और इसी तरह के गणितीय सूत्र 20 में व्यक्त किया जा सकता है। इस काम में गति, गर्मी, और बड़े पैमाने पर तरल पदार्थ में स्थानांतरण के विषय पर अग्रणी कागज का गठन किया और 22 में कई बार 21 reprinted था। यह विषय तो एक से अध्ययन किया गया थादूसरों की संख्या, दोनों विश्लेषणात्मक और अनुभवजन्य दृष्टिकोण, गैसों, तरल पदार्थ, और पिघला हुआ धातु 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 के लिए से। एक तरफ गर्मी और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण से, द्रव केंद्रक स्थल जहां वृक्ष के समान बर्फ विकास विकसित कर सकते हैं की जरूरत है। बर्फ क्रिस्टल के विकास में एक आधुनिक अंतर्दृष्टि Constructal कानून, एड्रियन बेजन द्वारा विकसित का उपयोग करता है, समझाने के लिए क्यों बर्फ इस तरह से 34, 35, 36 में बढ़ता है।
नमकीन पानी में बर्फ के गठन को नमक के अस्तित्व के कारण शुद्ध पानी में उस से बहुत अलग है। सबसे पहले, नमक तरल पदार्थ की ऊष्मा परिवर्तन और अपनी हिमांक से depresses। दूसरे, नमक को भंग नहीं कर सकते बर्फ मैट्रिक्स में (hydrohalite के लिए छोड़कर, जो केवल फार्म जब तापमान गलनक्रांतिक बिंदु तक पहुँच सकते हैं), और यह थोक तरल पदार्थ को खारिज कर दिया है जब बर्फ विकसित करने के लिए शुरू होता है। नमक की अस्वीकृति दोनों समुद्री बर्फ और बर्फ प्रयोगशाला 37, 38 में अध्ययन में पता चला था। चूंकि खारिज कर उच्च एकाग्रता नमकीन एक तापमान में अच्छी तरह से नीचे समुद्र के पानी की हिमांक पर है, के रूप में यह उतरता है, बर्फ बह नमकीन और मौन थोक तरल पदार्थ के बीच इंटरफेस में बढ़ता है। ये बर्फ stalactites, भी brinicles का नाम है, पहले मैक्मुर्डो ध्वनि, अंटार्कटिका में खोज रहे थे और प्रयोगात्मक 39, 40, 41, 42 अध्ययन किया गया। 2011 में, बीबीसी अपने जमे हुए ग्रह श्रृंखला में brinicles के गठन फिल्माया"xref"> 43, 44।
हमारी प्रयोगशाला में, यह पाया गया कि बह रही है और मौन तरल पदार्थ जब पानी ठंडा नमकीन पानी का स्नान करने के लिए शुरू की है पीछे से, पानी की स्थिति सही 45 के नीचे बर्फ में बदल सकते हैं। यह पाया गया कि स्थान जहां पानी शुरू की है, प्रवाह rheology, और नमकीन तापमान और एकाग्रता को प्रभावित करने के लिए कितना बर्फ का उत्पादन किया जा सकता है कि सभी महत्वपूर्ण कारक हैं। इस अध्ययन के समग्र लक्ष्य की जांच करने के लिए अगर एक बर्फ निर्माता बर्फ slurries उत्पन्न करने के लिए इस तंत्र के माध्यम से विकसित किया जा सकता है, पर विचार है कि ऊंचा बाष्पीकरण तापमान और तरल करने वाली तरल गर्मी हस्तांतरण की उच्च दर ऊर्जा के उपयोग की दक्षता में वृद्धि कर सकता है। यह लेख शेयरों प्रयोग के प्रमुख पहलुओं।
Protocol
Representative Results
Discussion
बर्फ पीढ़ी के एक माध्यमिक सर्द के रूप में नमकीन पानी के उपयोग की प्रक्रिया गर्मी और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण के संयोजन शामिल है। गर्मी हस्तांतरण अधिक से अधिक है, तो पानी से पहले बर्फ रूपों थोक तरल पदा?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों कोई स्वीकृतियां है।
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).
