冰生成和传热传质现象将水引入到盐水冷水浴

Summary

在这里，我们提出了一个协议，当水被引入到盐水的冷浴，作为二次制冷剂，在一定温度范围内大大低于水的凝固点以证明冰的生成。它可以用作制造用于工业冰的另一种方法。

Abstract

我们证明用于在过冷盐水环境中的热与质量传递的冷冻现象和研究的方法。我们的试验表明，在适当的条件下，可以在水被引入到冷盐水浴来制造冰。以制造冰的形式，除了具有盐水和水混合，传热的速率必须绕过传质。当在微小液滴的盐水表面的形式被引入的水，热和质量传递的方式是通过扩散。浮力从下方与盐水混合停止水，但随着冰成长厚，它减慢传热率，使得冰更难以成长的结果。当在流动的形式盐水内引入水，许多因素被发现影响多少冰能形成。盐水洗涤温度和浓度，它们的热与质量传递的驱动力，分别可影响水 – 冰转换拉提O;低浴温及盐水浓度鼓励更多的冰形成。流动流变性，它可以直接影响同时传热和传质系数，也是一个关键的因素。此外，流动流变学变化与散装流体的流动的接触面积。

Introduction

冰浆在工业中广泛使用，并且一种特别成功的应用是冰清管技术^1，2。相比于常规的泡沫和固体猪，冰猪可以在很长的距离，通过复杂的拓扑行进的，因为液相的润滑效果和它的凝固点的，因为一些冰晶融化^3，4，5的高度。即使猪被卡住，可以简单地等待冰浆熔化并在稍后继续清洁过程。管道清洗的这种方法是便宜的，并易于使用。

冰馏分起着冰猪的性能起关键作用。为了测量冰分数，可以使用一个壶煮（法国媒体），以确定是否冰浆是足够厚^6，“> 7，一个高的壶煮冰馏分，通常为80％时，进行冰清管时需要。网上冰分数检测最近的研究表明，电磁和超声波适于作业^{8，9，10，11。}

冰猪通常是由一个刮面制冰机从5％（重量）NaCl溶液（盐水）制成。它也是在工业制造冰浆的主要方式。这种类型的制冰机的冻结水或盐水在冷金属表面，通常是光滑的316不锈钢表面，然后循环剪冰粒关闭。液体-金属界面是非常复杂的，并通过广泛的那些对制冰¹²基本因素的影响。非金属和水之间的接口是非常不同的，一个特别有趣的例子是高岭石。该Kaolinite -水界面是特殊的，因为没有一个有利的冰结构邻近于固体表面，而是鼓励冰状氢键团簇形成在它的¹³顶^，14两性基底流体的层。制作冰猪的另一种方式，而需要高浓度盐水同时加入粉碎预制冰块。对于此方法，所述制冷系统能以高得多的蒸发温度运行，因为没有降凝剂（FPD）之前被冰的形成增加;它因此认为更有效的，由于对于给定的冷却负荷^15，16，17中的降低压缩率和减少功耗。

还有另外两个冰制作方法：从生产过冷的水冰，并把制冷剂与水直接接触<sup类=“外部参照”> ^18，19。过冷方法涉及干扰亚稳定过冷水以产生冰核和生长。这种方法的最大的问题是不希望的冰的形成，可以阻止该系统。因为制冷剂也不润滑油无论是在最终产品的冰都希望直接接触的方法被认为不适合冰清管。

冰的形成需要的热与质量传递由于在过程中产生的熔化潜热。它首先是由Osborn的雷诺兹发现在1874年该热质在气体中的运输是强耦合，并且可以在类似的数学式²⁰来表示。这项工作形成声势，热和质量的流体传递的主题开拓纸和被转载多次^21,22。这个题目，然后通过一个研究他人的数目，从既分析和经验方法，对气体，液体，熔融金属^{23，24，25，26，27，28，29，30，31，32，33。}除了热与质量传递，流体需要成核位点，其中树枝状冰增长可以开发。一个现代的洞察冰晶的生长采用构形法，由Adrian Bejan开发，解释为什么冰生长在这种方式^{34，35，36。}

冰的形成在盐水不同于在纯水中非常不同，由于盐的存在。首先，盐变化的流体的热力学和按压其冰点。其次，盐可以不溶解在冰基质（除hydrohalite，当温度达到共晶点，这只能形成），并且当冰开始增长它被拒绝到散装流体。盐的排斥海冰和冰都在实验室中^37，38研究发现。由于拒绝高浓度盐水的温度大大低于海水的冰点，因为它下降时，冰生长在流动盐水和静态散装流体之间的界面。这些冰的钟乳石，也叫brinicles，在麦克默多海峡，南极洲被首次发现并进行了实验^{39，40，41，42}研究。 2011年，BBC摄制的冰冻星球系列brinicles形成“外部参照”> ^43，44。

在我们的实验室中，人们发现，通过反转时水被引入到冷盐水浴中流动的静止流体，水可以转变成冰的正确条件⁴⁵下。结果发现，其中，被引入的水的位置，流动流变学，和盐水洗涤温度和浓度是影响多少冰如何可以产生的所有的关键因素。本研究的总体目标是调查，如果一个制冰机可以通过这一机制被开发，以产生冰浆，考虑到提高的蒸发器的温度和液体到液体传热的高速率可以提高能源的使用效率。本文股份实验的关键方面。

Protocol

注意：有两个有毒化学品，甲醇和乙二醇，在这些实验中使用。甲醇可以在人体内被代谢以产生甲醛，然后向甲酸或甲酸盐。这些物质是有毒的中枢神经系统，甚至可能导致死亡。乙二醇可被氧化成乙醇酸，然后可以变成草酸。这可能会导致肾功能衰竭而死亡。不要喝这些化学物质。立即咨询医生，如果发生事故。 1.冷却系统注意：这是非常困难的，以保…

Representative Results

图1比较的水在盐水表面水通过盐水注入引入的影响。在“冰盖”的情况下，形成的冰是固体，因为水不与散装流体混合得多。两种流体之间的温度和密度差异对水产生浮力，防止它们混合。两种流体是静态的（ 即，该传热比质量大得多;钪≈500，镨≈10，以及乐≈50），因此，冰能形成容易。既没有形成在这个实验糊状层也不盐排斥。一旦冰成长厚，它…

Discussion

用盐水作为二次制冷剂冰生成的过程涉及的热与质量传递的组合。当热传递较大，则水之前冰形成具有与散装流体混合的机会。据观察，当存在引入的水和静止本体盐水之间的相对运动（即盐水内注入水）时，流程有助于传热，并鼓励冰以形成迅速。然而，当存在太多的湍流中的流动，可以产生没有冰。这种技术的最大限制是盐水的混合和稀释。盐水量将继续作为进程继续上升。因此，使?…

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