Génération de glace et de la chaleur et de masse Transfert Phénomènes d'eau Présentation à un bain froid de la saumure
Summary
Ici, nous présentons un protocole pour démontrer la génération de glace lorsque l'eau est introduite dans un bain froid de la saumure, comme réfrigérant secondaire, à une plage de températures bien au-dessous du point de congélation de l'eau. Elle peut être utilisée comme un autre moyen de produire de la glace pour l'industrie.
Abstract
Nous démontrons une méthode pour l'étude du transfert de chaleur et de masse, ainsi que des phénomènes de gel dans un environnement de saumure sous-refroidi. Notre expérience a montré que, dans les conditions appropriées, la glace peut être produit lorsque l'eau est introduite dans un bain de saumure froide. Pour faire sous forme de glace, en plus d'avoir la saumure et de l'eau mélange, le taux de transfert de chaleur doit contourner celle du transfert de masse. Lorsque l'eau est introduite sous la forme de minuscules gouttelettes à la surface de la saumure, le mode de transfert de chaleur et de masse se fait par diffusion. La flottabilité empêche l'eau de se mélanger avec la saumure en dessous, mais comme la glace se développe plus épais, il ralentit le taux de transfert de chaleur, ce qui rend la glace plus difficile de croître en conséquence. Lorsque l'eau est introduit à l'intérieur de la saumure sous la forme d'un flux, un certain nombre de facteurs se trouvent à influencer la quantité de glace peut se former. la température de la saumure et de la concentration, qui sont les forces motrices de transfert de chaleur et de masse, respectivement, peuvent affecter la conversion rati l'eau à la glaceo; des températures de bain inférieures et les concentrations de saumure encouragent plus de glace pour former. La rhéologie d'écoulement, qui peut directement affecter à la fois la chaleur et les coefficients de transfert de masse, est également un facteur clé. De plus, la rhéologie d'écoulement change la surface de contact de l'écoulement du fluide en vrac.
Introduction
Les coulis de glace sont largement utilisés dans l' industrie, et une application particulièrement réussie est la technologie de la glace de raclage 1, 2. En comparaison avec la mousse classique et de porc solide, le cochon de glace peut voyager à travers topologies complexes sur une longue distance en raison de l'effet de lubrification de la phase liquide et l'élévation de son point de congélation que certains des cristaux de glace fondent 3, 4, 5 . Même si le porc est bloqué, on peut se contenter d'attendre les coulis de glace à fondre et à reprendre le processus de nettoyage plus tard. Cette méthode de nettoyage de tuyaux est pas cher et facile à utiliser.
La fraction de glace joue un rôle clé dans la performance du porc de glace. Pour mesurer la fraction de glace, on peut utiliser une cafetière (presse française) pour déterminer si la suspension de la glace est assez épaisse 6,"> 7. Une fraction de glace haute cafetière, typiquement 80%, est nécessaire lors de la réalisation de raclage de glace. Des recherches récentes sur la détection de la fraction de glace en ligne a montré que les deux ondes électromagnétiques et à ultrasons sont adaptés à la tâche 8, 9, 10, 11.
Le cochon de glace est généralement faite par une machine à glaçons à surface raclée à partir d'une solution de NaCl à 5% en poids (saumure). Il est également le principal moyen de faire des coulis de glace dans l'industrie. Ce type de machine à glaçons gèle l'eau ou de la saumure sur une surface métallique froide, typiquement une surface 316 en acier lisse et cisaille cycliquement les particules de glace au large. Les interfaces liquide-métal sont très complexes et sont affectés par un large éventail de facteurs qui sont essentiels pour faire de la glace 12. L'interface entre le non-métal et l'eau peut être très différent, et un exemple particulièrement intéressant est la kaolinite. Le Kaolinterface eau INITE est spécial car il n'y a pas une structure de glace favorable adjacente à la surface du solide, mais plutôt une couche de fluide de substrat amphotère qui encourage les groupes de liaisons hydrogène glace comme pour former au – dessus de celui – ci 13, 14. Une autre façon de produire le cochon de glace nécessite écraser les blocs de glace premade alors à haute concentration de la saumure est ajoutée simultanément. Pour cette méthode, le système de réfrigération peut fonctionner à une température d'évaporation beaucoup plus élevé, car aucun point de congélation dépresseur (FPD) est ajouté avant la formation de la glace; il est donc considéré comme plus efficace en raison du taux de compression réduit et la puissance diminuée d'un droit donné de refroidissement 15, 16, 17.
Il existe deux autres méthodes de production de glace: produire de la glace d'eau en surfusion et de mettre le réfrigérant et de l'eau en contact direct <supclass = "xref"> 18, 19. La méthode de surfusion implique perturber l'eau en surfusion métastable pour générer nucléation de la glace et de la croissance. Le plus gros problème de cette méthode est la formation de glace indésirables qui peuvent bloquer le système. La méthode de contact direct est considéré comme ne convient pas pour le raclage de la glace parce que ni le réfrigérant, ni l'huile de lubrification sont recherchés dans le produit de la glace finale.
La formation de la glace a besoin de chaleur et de masse en raison de la chaleur latente de fusion généré dans le processus. Il a été découvert par Osborn Reynolds en 1874 que le transport de chaleur et de masse dans les gaz sont fortement couplés et peut être exprimée dans des formules mathématiques similaires 20. Ce travail a constitué le document de pionnier sur le sujet de mouvement, de chaleur et transfert de masse dans les liquides et a été réimprimé plusieurs fois 21, 22. Ce sujet a ensuite été étudié par unnombre d'autres, des deux approches analytiques et empiriques, des gaz, des liquides et du métal fondu 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33. Mis à part le transfert de chaleur et de masse, le fluide a besoin de sites de nucléation, où la croissance de la glace dendritique peut se développer. Un aperçu moderne dans la croissance des cristaux de glace utilise la loi Constructal, développé par Adrian Bejan, pour expliquer pourquoi la glace se développe de cette manière 34, 35, 36.
La formation de glace dans une saumure est très différente de celle de l'eau pure en raison de l'existence d'un sel. Tout d'abord, sel change la thermodynamique du fluide et abaisse son point de congélation. En second lieu, le sel ne peut pas se dissoudre dans la matrice de la glace (à l'exception hydrohalite, qui ne peut se former lorsque la température atteint le point eutectique), et il est rejeté dans la masse de fluide lorsque la glace commence à se développer. Le rejet de sel a été découvert à la fois la glace de mer et de glace étudiés dans le laboratoire 37, 38. Étant donné que la saumure à haute concentration rejetée est à une température bien en dessous du point d'eau de mer de congélation, car il descend, la glace se développe à l'interface entre la saumure fluide et le fluide en vrac de repos. Ces stalactites de glace, également nommés brinicles, ont été découverts en McMurdo Sound, Antarctique et ont été étudiés expérimentalement 39, 40, 41, 42. En 2011, la BBC a filmé la formation de brinicles dans sa série Frozen Planet"xref"> 43, 44.
Dans notre laboratoire, il a été découvert qu'en inversant les fluides en mouvement et de repos lorsque l' eau est introduite dans un bain de saumure froide, l'eau peut se transformer en glace sous les conditions correctes 45. Il a été constaté que l'endroit où l'eau est introduite, le débit rhéologique et la température de la saumure et la concentration sont des facteurs clés qui influencent la quantité de glace peut être produite. L'objectif global de cette étude est d'étudier si une machine à glaçons peut être développé grâce à ce mécanisme pour générer des coulis de glace, étant donné que la température de l'évaporateur élevée et le taux élevé de transfert de chaleur liquide-liquide peut améliorer l'efficacité de la consommation d'énergie. Cet article présente les aspects clés de l'expérience.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le processus de génération de glace en utilisant la saumure comme réfrigérant secondaire implique la combinaison de chaleur et de masse. Si le transfert de chaleur est supérieure, la glace se forme avant que l'eau a la chance de se mélanger avec le liquide en vrac. Il a été observé que quand il y a un mouvement relatif entre l'eau introduite et la saumure en vrac de repos (ie, injectant de l' eau au sein de la saumure), le flux aide le transfert de chaleur et encourage la glace pour former …
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs ont pas accusés de réception.
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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