Geração de gelo e de Transferência de Calor e Massa Fenômenos de introdução de água para um banho frio de salmoura

Summary

Aqui, nós apresentamos um protocolo para demonstrar a geração de gelo quando a água é introduzida para um banho frio de salmoura, tal como um refrigerante secundário, numa gama de temperaturas bem abaixo do ponto de congelação da água. Ele pode ser usado como um meio alternativo de produção de gelo para a indústria.

Abstract

Nós demonstramos um método para o estudo da transferência de calor e massa e os fenómenos de congelação em um ambiente de salmoura sub-arref ecido. A nossa experiência mostrou que, sob as condições adequadas, o gelo pode ser produzido quando a água é introduzida para um banho de salmoura fria. Para tornar a forma de gelo, para além de ter a mistura de água e salmoura, a taxa de transferência de calor deve ignorar a de transferência de massa. Quando a água é introduzida na forma de pequenas gotas à superfície da solução salina, o modo de calor e transferência de massa é por difusão. A flutuabilidade pára de água se misture com a água salgada por baixo, mas como o gelo cresce mais espessa, ela diminui a taxa de transferência de calor, fazendo com que o gelo mais difícil crescer como resultado. Quando a água é introduzida dentro da solução salina na forma de um fluxo, um número de factores são encontrados para influenciar a quantidade de gelo que se formam. temperatura salmoura e concentração, que são as forças motrizes de calor e transferência de massa, respectivamente, podem afetar a rati conversão água-geloO; mais baixas temperaturas do banho e concentrações de salmoura incentivar mais a formação de gelo. A reologia do fluxo, o que pode afectar directamente tanto o calor e os coeficientes de transferência de massa, é também um factor chave. Além disso, o fluxo muda a reologia da área de contacto do fluxo de fluido com a granel.

Introduction

Lamas de gelo são amplamente utilizados na indústria, e uma aplicação particularmente bem sucedida é a tecnologia de raspagem de gelo ^{1, 2.} Em comparação com a espuma convencional e porco sólido, o porco gelo pode viajar através topologias complexas a uma grande distância devido ao efeito de lubrificação da fase líquida e a elevação do seu ponto de congelamento, como alguns dos cristais de gelo derreter ^{3, 4, 5} . Mesmo se o porco fica preso, pode-se simplesmente esperar que as suspensões de gelo a derreter e retomar o processo de limpeza mais tarde. Este método de limpeza de tubos é barato e fácil de usar.

A fracção de gelo desempenha um papel chave no desempenho do raspador de gelo. Para medir a fracção de gelo, uma pode utilizar um cafetière (prensa Francesa) para determinar se a pasta de gelo é suficientemente espessa ^6,"> 7. Uma fração de gelo alta cafetière, normalmente 80%, é necessário aquando da realização de raspagem de gelo. Uma pesquisa recente na detecção fração de gelo on-line mostrou que ambas as ondas eletromagnéticas e ultra-som são adequados para o trabalho ^{8, 9, 10, 11.}

O porco gelo é geralmente feito por um máquina de fazer gelo de superfície raspada a partir de uma solução de NaCl a 5% em peso (salmoura). É também a principal maneira de fazer suspensões de gelo na indústria. Este tipo de máquina de fazer gelo congela água ou salmoura em uma superfície metálica fria, tipicamente uma superfície de 316 aço suave e, em seguida, corta ciclicamente as partículas de gelo off. As interfaces líquido-metal são muito complexas e são afetados por uma ampla gama de fatores que são essenciais para fazer gelo ^12. A interface entre o não-metálica e de água podem ser muito diferentes, e um exemplo especialmente interessante é caulinite. o Kaolinterface de água INITE é especial porque não existe uma estrutura favorável gelo adjacente à superfície do sólido, mas, em vez de uma camada de substrato de fluido anfotérico que encoraja os aglomerados ligados a hidrogénio do tipo ICE para formar no topo de ^{13, 14.} Uma outra maneira de produzir o porco gelo requer o esmagamento dos blocos de gelo enquanto premade salmoura de elevada concentração são adicionados em simultâneo. Por este método, o sistema de refrigeração pode ser executado a uma temperatura de evaporação muito maior porque não depressor do ponto de congelação (DPF) é adicionada antes da formação do gelo; É, portanto, considerado mais eficiente devido à taxa de compressão reduzido e poder diminuído para um determinado serviço de arrefecimento ^{15, 16, 17.}

Existem dois outros métodos de produção de gelo: a produção de gelo da água super e colocando refrigerante e água em contacto directo <supclass = "xref"> ^{18, 19.} O método envolve supercooling perturbar a água super metaestável para gerar a nucleação do gelo e crescimento. O maior problema para este método é a formação de gelo não desejado que pode bloquear o sistema. O método de contato direto é considerado não adequado para raspagem de gelo porque nem refrigerante nem óleo de lubrificação são desejados no produto final gelo.

A formação de gelo requer calor e transferência de massa devido ao calor latente de fusão gerada no processo. Foi descoberto pela primeira vez por Osborn Reynolds em 1874 que o transporte de calor e massa em estufa estão fortemente acoplados e podem ser expressos em fórmulas matemáticas semelhantes ^20. Este trabalho formou o papel pioneiro sobre o assunto do momento, calor e transferência de massa em fluidos e foi reeditado várias vezes ^{21, 22.} Este assunto foi então estudado por umnúmero de outros, de ambas as abordagens analíticas e empíricas, por gases, líquidos e metal fundido ^{23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33.} Para além da transferência de calor e massa, o fluido precisa de locais de nucleação de gelo em que o crescimento dendrítica pode desenvolver. Uma visão moderna para o crescimento de cristais de gelo utiliza Lei Constructal, desenvolvido por Adrian Bejan, para explicar por que o gelo cresce deste modo ^{34, 35, 36.}

A formação de gelo em salmoura é muito diferente do que em água pura, devido à existência de sal. Em primeiro lugar, sal muda a termodinâmica do fluido e deprime seu ponto de congelamento. Em segundo lugar, o sal não pode dissolver-se na matriz de gelo (excepto para hydrohalite, que só pode formar-se quando a temperatura atinge o ponto eutéctico), e é rejeitado para o fluido a granel quando o gelo começa a crescer. A rejeição de sal foi descoberto em ambos gelo do mar e gelo estudada no laboratório ^{37, 38.} Uma vez que a salmoura de alta concentração é rejeitada a uma temperatura bem abaixo do ponto de congelação da água do mar, à medida que desce, gelo cresce na interface entre a solução salina que flui e o fluido em massa quiescente. Estas estalactites de gelo, também chamados brinicles, foram descobertos pela primeira vez em McMurdo Sound, Antarctica e foram estudados experimentalmente ^{39, 40, 41, 42.} Em 2011, a BBC filmou a formação de brinicles em sua série planeta congelado"xref"> ^{43, 44.}

No nosso laboratório, foi descoberto que invertendo os fluidos de fluidez e quiescentes quando a água é introduzida para um banho de salmoura fria, a água pode transformar-se em gelo sob as condições correctas ^45. Verificou-se que o local onde é introduzida a água, o fluxo de reologia, temperatura e salmoura e concentração são todos os principais factores que influenciam a quantidade de gelo pode ser produzida. O objetivo geral deste estudo é investigar se uma máquina de gelo podem ser desenvolvidas através deste mecanismo para gerar pastas de gelo, considerando que a temperatura do evaporador elevada e a alta taxa de transferência de calor líquido-líquido pode aumentar a eficiência do uso de energia. Este artigo compartilha alguns aspectos fundamentais da experiência.

Protocol

Cuidado: Existem dois produtos químicos venenosos, de metanol e de etileno-glicol, utilizadas nestas experiências. O metanol pode ser metabolizado no corpo humano para gerar formaldeído e, em seguida, com o ácido fórmico ou sal de formato. Estas substâncias são venenosas para o sistema nervoso central e podem mesmo causar a morte. Etileno glicol pode ser oxidado para se obter o ácido glicólico, o que pode, em seguida, se transformar em ácido oxálico. Isto pode causar falha renal e morte. Não beba estes produ…

Representative Results

A Figura 1 compara os efeitos de água introduzido na superfície da solução salina a água injectada através da salmoura. No cenário "gelo-tampão", o gelo formado é sólida porque a água não se misturam muito com o fluido a granel. A diferença de temperatura e densidade entre os dois fluidos gera força de empuxo sobre a água e os impede de mistura. Ambos os fluidos são estáticas (por exemplo, a transferência de calor é muito maior do qu…

Discussion

O processo de geração de gelo usando solução salina como um refrigerante secundário envolve a combinação de calor e transferência de massa. Se a transferência de calor é maior, então as formas de gelo antes que a água tem a chance de se misturar com o fluido a granel. Observou-se que, quando existe um movimento relativo entre a água introduzida e a salmoura grandes quantidades de repouso (isto é, injectando água dentro da solução salina), o fluxo ajuda a transferência de calor e encoraja a for…

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