Ice Generation en de warmte- en massatransport Fenomenen van de invoering van water tot een koud bad van Pekel
Summary
Hier presenteren we een protocol voor het genereren van ijs gehaald wanneer water wordt ingebracht in een koud bad pekel, als secundair koelmiddel, bij een bereik van temperaturen onder het vriespunt van water. Het kan worden gebruikt als een alternatieve methode voor de productie ijs industrie.
Abstract
We tonen een werkwijze voor de studie van de warmte- en massaoverdracht en de bevriezing verschijnselen in een onderkoelde pekel omgeving. Ons experiment toonde aan dat, onder de juiste omstandigheden, ijs kan worden geproduceerd wanneer water wordt ingevoerd om een bad van koude pekel. Om ijs vorm te maken, naast het hebben van de pekel en water mengen, moet de snelheid van de warmteoverdracht te omzeilen die van de massa-overdracht. Wanneer het water in de vorm van kleine druppeltjes op het oppervlak pekel wordt geïntroduceerd, de wijze van warmte- en massa-overdracht door diffusie. Het drijfvermogen stopt water uit het mengen met de pekel eronder, maar als het ijs dikker groeit, het vertraagt de snelheid van de warmteoverdracht, waardoor ijs moeilijker om te groeien als gevolg. Wanneer water wordt ingebracht in de pekel in de vorm van een stroom, een aantal factoren blijken te beïnvloeden hoeveel ijs kan vormen. Brinetemperatuur en concentratie, die de drijvende krachten van warmte- en massaoverdracht zijn respectievelijk de opstelling kan de water-ice conversie ratiO; lagere badtemperaturen en pekel concentraties stimuleren om ijsvorming. De stroom reologie, die rechtstreeks zowel de warmte- en massaoverdracht coëfficiënten kunnen beïnvloeden, is ook een belangrijke factor. Daarnaast is de stroming rheologie wijzigt het contactgebied van de stroom met de bulkvloeistof.
Introduction
Ijs slurries worden veel gebruikt in de industrie, en een bijzonder succesvolle toepassing is het ijs pigging technologie 1, 2. In vergelijking met de conventionele schuim en vaste varken, kan de ijs varken reizen door complexe topologieën over een grote afstand door de smering effect van de vloeibare fase en de hoogte van het vriespunt als sommige van de ijskristallen smelten 3, 4, 5 . Zelfs indien het varken komt te zitten, kan men eenvoudig wachten tot de slurries ijs smelt en later hervat het reinigingsproces. Deze methode van reinigen van buizen is goedkoop en gemakkelijk te gebruiken.
Het ijs fractie speelt een belangrijke rol bij de uitvoering van de ijs varken. Om het ijs fractie te meten, kan men een koffiezetapparaat (Franse pers) om te bepalen of de ijssuspensie dik genoeg 6,"> 7. Een hoge koffiezetapparaat ijs fractie, kenmerkend 80% is vereist bij het uitvoeren van ijs pigging. Recent onderzoek naar online ijs fractie detectie blijkt dat zowel elektromagnetische en ultrasone golven zijn geschikt voor de baan 8, 9, 10, 11.
Het ijs varken wordt meestal gemaakt door een geschraapt oppervlak ijsmaker van een 5 gew% NaCl-oplossing (pekel). Het is ook de belangrijkste manier om ijs slurries in de industrie. Dit type van ijsmaker bevriest water of pekel op een koude metalen oppervlak, meestal een gladde 316 stalen oppervlak en dan scharen cyclisch de ijsdeeltjes uit. De vloeistof-metaal interfaces zijn zeer complex en worden beïnvloed door een groot aantal factoren die essentieel ijsbereidingsmachine 12 zijn. De interface tussen niet-metaal en water kan zeer verschillend zijn, en een bijzonder interessant voorbeeld is kaoliniet. de Kaolinite-water grensvlak is bijzonder omdat er geen gunstige ijsstructuur grenzend aan het vaste oppervlak is, maar een laag van amfotere substraat vloeistof die het ijsachtige waterstofgebonden clusters aanmoedigt te vormen bovenop het 13, 14. Een andere manier van het produceren van het ijs varken moet breken van de premade ijsblokken terwijl de high-concentratie pekel gelijktijdig wordt toegevoegd. Voor deze werkwijze kan het koelsysteem in werking op een veel hogere verdampingstemperatuur omdat geen vriespuntverlager (FPD) voorafgaand aan de vorming van ijs toegevoegd; Het wordt daarom beschouwd efficiënter vanwege de verlaagde compressieverhouding en verminderd vermogen voor een gegeven koelvermogen 15, 16, 17.
Er zijn twee andere ijs productiemethoden: de productie van ijs van onderkoelde water en het zetten van koelmiddel en water in direct contact <supclass = "xref"> 18, 19. De onderkoeling methode betreft het metastabiele onderkoeld water te storen om ijs nucleatie en groei te genereren. Het grootste probleem van deze methode is de ongewenste ijsvorming dat het systeem kan blokkeren. Het directe contact methode wordt beschouwd als niet geschikt voor consumptie pigging omdat noch koelmiddel noch smeerolie gewenst zijn in het uiteindelijke product ijs.
Ijsvorming vereist warmte- en massaoverdracht door de latente smeltwarmte gegenereerd in het proces. Het werd eerst ontdekt door Osborn Reynolds in 1874 dat het transport van warmte en massa in gassen sterk gekoppeld kunnen worden uitgedrukt in vergelijkbare wiskundige formules 20. Dit werk vormde de baanbrekende papier op het gebied van dynamiek, warmte en massa-overdracht in vloeistoffen en werd meerdere malen herdrukt 21, 22. Dit onderwerp werd vervolgens onderzocht door eenaantal andere, zowel analytische en empirische benaderingen voor gassen, vloeistoffen en gesmolten metaal 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33. Afgezien van de warmte- en massa-overdracht, de vloeistof moet nucleatie sites waar dendritische ijs groei kan ontwikkelen. Een modern inzicht in de groei van ijskristallen gebruikt Constructal Law, ontwikkeld door Adrian Bejan, uitleggen waarom ijs groeit op deze manier 34, 35, 36.
De ijsvorming gepekeld heel anders dan in zuiver water als gevolg van de aanwezigheid van zout. Allereerst, zout verandert de thermodynamica van de vloeistof en drukt het vriespunt. Ten tweede kan het zout niet oplost in het ijs matrix (behalve hydrohalite, die alleen kan vormen wanneer de temperatuur het eutectische punt bereikt) en wordt verworpen als de bulkvloeistof ijs begint te groeien. De verwerping van zout werd ontdekt in zowel zee-ijs en ijs onderzocht in het lab 37, 38. Aangezien de geweigerde hoge concentratie zoutoplossing bij een temperatuur ver beneden het vriespunt van zeewater als het afdaalt, ijs groeit op het grensvlak tussen het stromende pekel en de ruststroom bulkvloeistof. Deze ijs stalactieten, ook genoemd brinicles, werden voor het eerst ontdekt in McMurdo Geluid, Antarctica en werden experimenteel 39, 40, 41, 42 bestudeerd. In 2011, BBC filmde de vorming van brinicles in de Frozen Planet-serie"xref"> 43, 44.
In ons laboratorium, werd ontdekt dat door het omkeren van de stromende en rustende materiaal bij het water wordt ingebracht in een bad van koude pekel, kan het water tot ijs te vormen onder de juiste omstandigheden 45. Gevonden werd dat de locatie waar het water wordt ingebracht, stroomt reologie en pekel temperatuur en concentratie zijn alle belangrijke factoren hoeveel ijs kan worden geproduceerd. Het algemene doel van deze studie is om te onderzoeken of een ijsmachine door middel van dit mechanisme kan worden ontwikkeld om ijs slurry's genereren, gezien het feit dat de verhoogde verdamper temperatuur en de hoge snelheid van de vloeistof-to-liquid warmteoverdracht van de efficiëntie van het energieverbruik kan verbeteren. Dit artikel deelt de belangrijkste aspecten van het experiment.
Protocol
Representative Results
Discussion
Werkwijze ijs generatie gebruik zoutoplossing als secundair koelmiddel omvat de combinatie van warmte en massaoverdracht. Als de warmteoverdracht groter dan ijs vormt voordat het water de kans te mengen met de bulkvloeistof. Waargenomen werd dat wanneer er een relatieve beweging tussen het ingebrachte water en de ruststroom bulk pekel (dwz injecteren van water in de pekel), de stroming helpt de warmteoverdracht en moedigt ijs snel te vormen. Echter, wanneer er te veel turbulentie in de stroom, geen ijs kan word…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs hebben geen bevestigingen.
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 |
References
- 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).
