Generazione di ghiaccio e il calore e Trasferimento di Massa fenomeni di acqua L'introduzione di un bagno freddo di salamoia
Summary
Qui, presentiamo un protocollo per dimostrare la generazione di ghiaccio quando l'acqua viene introdotta in un bagno freddo di salamoia, come refrigerante secondario, ad una gamma di temperature ben al di sotto del punto di congelamento dell'acqua. Può essere usato come un modo alternativo di produzione di ghiaccio per l'industria.
Abstract
Abbiamo dimostrato un metodo per lo studio del trasferimento di calore e di massa e dei fenomeni di congelamento in un ambiente salamoia sottoraffreddato. Il nostro esperimento ha dimostrato che, in condizioni appropriate, il ghiaccio può essere prodotto quando l'acqua viene introdotta in un bagno di salamoia fredda. Per rendere forma ghiaccio, oltre ad avere la miscela salina e acqua, la velocità di trasferimento di calore deve escludere che di trasferimento di massa. Quando l'acqua viene introdotto in forma di minuscole goccioline sulla superficie salamoia, la modalità di trasferimento di calore e di massa è per diffusione. La spinta idrostatica ferma acqua dalla miscelazione con salamoia sotto, ma come il ghiaccio si ispessisce, rallenta la velocità di trasferimento di calore, rendendo il ghiaccio più difficile da aumentare a seguito. Quando l'acqua viene introdotta all'interno della salamoia nella forma di un flusso, un certo numero di fattori sono evidenziata un'influenza quanto ghiaccio possono formare. la temperatura e la concentrazione Brine, che sono le forze motrici di calore e di massa, rispettivamente, possono influenzare la conversione rati acqua-ghiaccioo; temperature più basse del bagno e le concentrazioni di salamoia incoraggiano più ghiaccio per formare. La reologia flusso, che può influenzare direttamente sia il calore e coefficienti di trasferimento di massa, è anche un fattore chiave. Inoltre, la reologia flusso cambia l'area di contatto del flusso con il fluido bulk.
Introduction
Fanghi di ghiaccio sono ampiamente utilizzati nell'industria, ed una applicazione particolare successo è la tecnologia di ghiaccio pigging 1, 2. Rispetto alla schiuma convenzionale e maiale solido, il maiale ghiaccio può viaggiare attraverso topologie complesse su una lunga distanza a causa dell'effetto di lubrificazione della fase liquida e l'elevazione del suo punto di congelamento alcuni dei ghiaccio cristalli sciolgono 3, 4, 5 . Anche se il maiale si blocca, si può semplicemente attendere che i fanghi di ghiaccio a sciogliersi e riprendere il processo di pulizia in seguito. Questo metodo di pulizia del tubo è economico e facile da usare.
La frazione di ghiaccio gioca un ruolo chiave nella prestazione del maiale ghiaccio. Per misurare la frazione di ghiaccio, si può usare una caffettiera (stampa francese) per determinare se il liquame ghiaccio è sufficientemente spesso 6,"> 7. Una frazione di ghiaccio alta caffettiera, tipicamente 80%, è necessaria quando effettuano pigging ghiaccio. Recenti ricerche sulla rilevazione frazione ghiaccio mostrato che sia le onde elettromagnetiche e ultrasuoni sono adatti per il lavoro 8, 9, 10, 11.
Il maiale ghiaccio è generalmente costituito da un fabbricatore di ghiaccio raschiato superficie da una soluzione di NaCl 5% in peso (salamoia). E 'anche il modo principale di fare fanghi di ghiaccio nel settore industriale. Questo tipo di macchina del ghiaccio congela acqua o acqua salata su una superficie metallica fredda, tipicamente una superficie di 316 liscia e poi cesoie ciclicamente le particelle di ghiaccio al largo. Le interfacce liquido-metallo sono molto complesse e sono interessati da una vasta gamma di fattori che sono essenziali per il ghiaccio fare 12. L'interfaccia tra non-metallo e acqua può essere molto differente, e un esempio particolarmente interessante è Kaolinite. il KaolInterfaccia inite-acqua è speciale perché non c'è una struttura di ghiaccio favorevole adiacente alla superficie del solido, ma piuttosto uno strato di fluido substrato anfotero che incoraggia i cluster-bonded idrogeno simili al ghiaccio per formare su di esso 13, 14. Un altro modo di produrre maiale ghiaccio richiede la frantumazione dei blocchi di ghiaccio predefiniti, mentre si aggiunge allo stesso tempo ad alta concentrazione salina. Per questo metodo, il sistema di refrigerazione può essere eseguito ad una temperatura di evaporazione molto superiore perché non viene aggiunto alcun punto di congelamento depressivo (FPD) prima della formazione di ghiaccio; è quindi considerato più efficiente grazie al rapporto di compressione ridotto e potenza diminuita per un determinato duty raffreddamento 15, 16, 17.
Ci sono altri due metodi di produzione del ghiaccio: la produzione di ghiaccio da acqua sopraffuse e mettendo refrigerante e l'acqua a contatto diretto <supclass = "xref"> 18, 19. Il metodo consiste supercooling disturbare l'acqua super-raffreddato metastabile per generare nucleazione del ghiaccio e la crescita. Il problema principale di questo metodo è la formazione di ghiaccio indesiderato che può bloccare il sistema. Il metodo di contatto diretto è considerato non adatto a pigging ghiaccio perché né refrigerante né olio lubrificante sono ricercati nel prodotto finale ghiaccio.
La formazione di ghiaccio richiede calore e di massa a causa del calore latente di fusione generato nel processo. E 'stato scoperto da Osborn Reynolds nel 1874 che il trasporto di calore e di massa nel gas sono fortemente accoppiati e può essere espressa in formule matematiche similari 20. Questo lavoro ha costituito la carta pionieristica in materia di momento, calore e trasferimento di massa nei fluidi e ristampata più volte 21, 22. Questo argomento è stato poi studiato da unnumero di altri, da entrambi i metodi analitici ed empirici, per gas, liquidi e metallo fuso 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33. A parte il trasferimento di calore e di massa, il fluido deve siti di nucleazione in cui la crescita del ghiaccio dendritica può sviluppare. Una visione moderna nella crescita dei cristalli di ghiaccio utilizza legge Constructal, sviluppato da Adrian Bejan, per spiegare perché il ghiaccio cresce in questo modo 34, 35, 36.
La formazione di ghiaccio in salamoia è molto diverso da quello in acqua pura a causa dell'esistenza di sale. Prima di tutto, sale cambia la termodinamica del fluido ed abbassa il punto di congelamento. In secondo luogo, il sale non può dissolversi nella matrice di ghiaccio (tranne hydrohalite, che può formare solo quando la temperatura raggiunge il punto eutettico), ed è respinto al fluido massa quando il ghiaccio comincia a crescere. Il rifiuto del sale è stato scoperto in entrambi ghiaccio marino e il ghiaccio ha studiato in laboratorio 37, 38. Poiché la respinta salamoia ad alta concentrazione è ad una temperatura ben al di sotto del punto di congelamento dell'acqua di mare, mentre scende, ghiaccio cresce all'interfaccia tra la salamoia fluente e fluido bulk quiescente. Queste stalattiti di ghiaccio, chiamato anche brinicles, sono stati scoperti nel McMurdo Sound, Antartide e sono stati studiati sperimentalmente 39, 40, 41, 42. Nel 2011, la BBC ha filmato la formazione di brinicles nella sua serie Frozen Planet"xref"> 43, 44.
Nel nostro laboratorio, si è scoperto che invertendo i fluidi in movimento e di riposo quando l'acqua viene introdotta in un bagno di salamoia fredda, l'acqua può trasformarsi in ghiaccio sotto le condizioni corrette 45. Si è constatato che la posizione in cui viene introdotta l'acqua, flusso reologia, e la temperatura e la concentrazione della salamoia sono tutti fattori chiave che influenzano la quantità di ghiaccio può essere prodotta. L'obiettivo generale di questo studio è quello di indagare se una macchina del ghiaccio può essere sviluppato attraverso questo meccanismo per generare fanghi di ghiaccio, visto che la temperatura evaporatore elevata e l'alto tasso di trasferimento di calore liquido-liquido può migliorare l'efficienza del consumo di energia. Questo articolo condivide gli aspetti chiave di questo esperimento.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il processo di generazione di ghiaccio con salamoia come refrigerante secondario comporta la combinazione di calore e di massa. Se il trasferimento di calore è maggiore, allora forme di ghiaccio prima che l'acqua ha la possibilità di mescolare con il fluido bulk. È stato osservato che, quando c'è un movimento relativo tra l'acqua immessa e la salamoia bulk quiescente (cioè, acqua iniettando all'interno salamoia), il flusso aiuta il trasferimento di calore e incoraggia ghiaccio per formare r…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori non hanno riconoscimenti.
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 |
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