Ice Generation og varme- og massetransport Phenomena av innføring av vann til et kaldt bad i saltlake

Summary

Her presenterer vi en protokoll for å demonstrere dannelsen av isen når vann innføres i et kaldt bad av saltlake, som et sekundært kjølemiddel, ved et område av temperaturer godt under frysepunktet for vann. Den kan brukes som en alternativ måte å produsere is for industrien.

Abstract

Vi demonstrerer en fremgangsmåte for undersøkelse av varme- og masseoverføring, og av fryse fenomener i en underkjølt saltlake miljø. Våre forsøk viste at under riktige betingelser, kan is fremstilles når vann innføres i et bad med kaldt saltvann. For å gjøre is form, i tillegg til å ha den saltlake og vann blanding, må hastigheten for varmeoverføring omgå det av masseoverføring. Når vann innføres i form av små dråper i den saltlake overflate, modusen for varme- og masseoverføring er ved diffusjon. Den oppdrift stopper vannet fra blandingen med saltlake under, men som isen vokser tykkere, det senker hastigheten for varmeoverføring, noe som gjør is mer vanskelig å vokse som et resultat. Når vann er innført på innsiden av saltoppløsning i form av en strømning, er en rekke faktorer som influerer på hvor mye is kan dannes. Brine temperatur og konsentrasjon, som er de drivende krefter for varme- og masseoverføring, henholdsvis, kan påvirke vann-til-is omdannelse Ratio; lavere badetemperaturer og saltlake konsentrasjoner oppmuntre mer is å danne. Flyten reologi, som kan direkte påvirke både varme- og massetransport koeffisienter, er også en viktig faktor. I tillegg endrer strømn reologien kontaktarealet av strømnings med væskemassen.

Introduction

Ice slam er mye brukt i industrien, og en spesielt vellykket bruk er isen-pigging teknologi ^{1, 2.} I forhold til den konvensjonelle skum og solid gris, kan det is gris reise gjennom komplekse topologier over en lang avstand på grunn av smøreeffekten av væskefasen og den heving av dens frysepunkt som noen av iskrystallene smelter ^{3, 4, 5} . Selv om grisen blir sittende fast, kan man bare vente på isen slam til å smelte og gjenoppta renseprosessen senere. Denne metoden for rør rengjøring er billig og lett å bruke.

Isen brøkdel spiller en nøkkelrolle i utviklingen av isen gris. For å måle isen fraksjon, kan man bruke en cafetière (fransk trykk) for å finne ut om isen slurry er tykk nok ^6,"> 7. En høy cafetière is fraksjon, typisk 80%, er nødvendig ved gjennomføring av is pigging. Nyere forskning på nettet is fraksjon deteksjon viste at både elektromagnetiske og ultralydbølger er egnet for jobben ^{8, 9, 10, 11.}

Isen svin er vanligvis laget av en skrapet overflate ismaskin fra en 5 vekt% NaCl-oppløsning (saltlake). Det er også den primære måten å lage is slam i bransjen. Denne type ismaskin fryser vann eller saltoppløsning på en kald metalloverflate, typisk en glatt ståloverflate 316 og deretter syklisk skjærer de ispartikler av. De flytende-til-metall grensesnitt er svært komplekst og påvirkes av en rekke faktorer som er avgjørende for is gjør ^12. Grensesnittet mellom ikke-metall og vann kan være svært forskjellige, og en spesielt interessant eksempel er kaolinitt. den Kaolinite-vann-grenseflaten er spesielt fordi det ikke er en gunstig is struktur som grenser til den faste overflate, men snarere et lag av amfoter substrat væske som fremmer is-lignende hydrogenbundede klynger for å danne på toppen av den ^{13, 14.} En annen måte for fremstilling av is gris krever knusing av isblokker forhåndslagde mens høykonsentrert saltoppløsning blir tilsatt samtidig. For denne fremgangsmåten, kan kjølesystemet drives ved en mye høyere temperatur fordamper, fordi ingen frysepunktnedsettende middel (FPD) tilsettes før dannelsen av is; Det er derfor ansett som mer effektiv på grunn av den lavere kompresjonsforhold og minsket kraft for en gitt kjøle plikt ^{15, 16, 17.}

Det er to andre is produksjonsmetodene: fremstilling av is fra underkjølt vann og la kjølemiddel og vann i direkte berøring <supclass = "xref"> ^{18, 19.} Det underkjølte metoden innebærer å forstyrre den metastabile kjølt vann for å generere is kjernedannelse og vekst. Det største problemet for denne metoden er den uønskede isdannelse som kan blokkere systemet. Den direkte kontakten metoden anses ikke egnet for is pigging fordi verken kjøle eller smøreolje er ønsket i det endelige isen produktet.

Dannelsen av is krever varme- og masseoverføring på grunn av den latente smeltevarme som genereres i prosessen. Det ble først oppdaget av Osborn Reynolds i 1874 at transport av varme og masse i gasser er sterkt koplet, og kan bli uttrykt i lignende matematiske formler ^20. Dette arbeidet dannet den banebrytende artikkel om emnet av momentum, varme og massetransport i væsker og ble gjengitt flere ganger ^{21, 22.} Dette temaet ble deretter undersøkt av enantall av andre, fra både analytiske og empiriske fremgangsmåter, for gasser, væsker, og smeltet metall ^{23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33.} Bortsett fra varme- og massetransport, må væsken kimsteder hvor dendrittiske is veksten kan utvikle seg. En moderne innsikt i vekst av iskrystaller bruker Constructal Law, utviklet av Adrian Bejan, for å forklare hvorfor isen vokser på denne måten ^{34, 35, 36.}

Den isdannelse i saltlake er svært forskjellig fra den i rent vann på grunn av eksistensen av salt. Først av alt, salt forandrer termodynamikk av væske og presser dens frysepunkt. For det andre salt kan ikke oppløses i isen matrise (med unntak av hydrohalite, som bare kan dannes når temperaturen når den eutektiske punkt), og det blir avvist til den samlede mengde væske når isen begynner å vokse. Avvisningen av salt ble oppdaget i både havis og studert i laboratoriet ^{37, 38.} Siden den avviste høykonsentrert saltoppløsning er ved en temperatur godt under frysepunktet for sjøvann, som det går ned, vokser is ved grenseflaten mellom den flytende saltoppløsning og den stillestående væskemassen. Disse isen stalaktitter, også kalt brinicles, ble først oppdaget i McMurdo Sound, Antarktis og ble studert eksperimentelt ^{39, 40, 41, 42.} I 2011 BBC filmet dannelsen av brinicles i sin Frozen Planet-serien"xref"> ^{43, 44.}

I vårt laboratorium, ble det oppdaget at ved å reversere de strømmende fluider og hvilende når vann innføres i et bad av kaldt saltvann, kan vann forvandles til is under riktige betingelser ^45. Det ble funnet at det sted hvor vannet innføres, strømnings reologi og saltvann temperatur og konsentrasjon er alle viktige faktorer som påvirker hvor mye is kan fremstilles. Det overordnede målet med denne studien er å undersøke om en ismaskin kan utvikles gjennom denne mekanismen for å generere isen slam, med tanke på at den forhøyede fordamperen temperatur og høy grad av væske-til-væske varmeoverføring kan effektivisere energiforbruket. Denne artikkelen aksjer viktige aspekter av forsøket.

Protocol

Forsiktig: Det er to giftige kjemikalier, metanol og etylenglykol, ble brukt i disse eksperimenter. Metanol kan metaboliseres i kroppen til å generere formaldehyd, og deretter til maursyre eller formiat salt. Disse stoffene er giftige for sentralnervesystemet, og kan også føre til døden. Etylenglykol kan oksyderes til glykolsyre, som deretter kan slå inn oksalsyre. Dette kan føre til nyresvikt og død. Ikke drikk disse kjemikaliene. Kontakt lege umiddelbart hvis det skjer en ulykke. 1. K…

Representative Results

Figur 1 sammenligner effekten av vann som introduseres ved brine overflaten til vannet injiseres gjennom saltlaken. I "is-cap" scenario, er det dannede faste stoff is fordi vannet ikke blande seg mye med væskemassen. Temperaturen og tetthetsforskjellen mellom de to fluidene genererer oppdriftskraft på vannet og hindrer dem fra å blande. Begge fluider er statisk (dvs. er mye større enn massen varmeoverføringen; Sc ≈ 500, Pr ≈ 10, og Le ≈ 50),…

Discussion

Prosessen med is generering ved bruk av saltoppløsning som en sekundær kjølemiddel omfatter en kombinasjon av varme- og masseoverføring. Hvis varmeoverføringen er større, da isen dannes før vannet har mulighet til å blande seg med væskemassen. Det ble observert at når det er en relativ bevegelse mellom den innførte vann og hvilebulksaltoppløsning (det vil si å injisere vann i saltløsning), bidrar til strømningen til varmeoverføring og oppmuntrer is for å danne hurtig. Imidlertid, når det er fo…

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