Generación de hielo y la transferencia de calor y masa fenómenos de introducción de agua a un baño de agua fría de salmuera
Summary
A continuación, se presenta un protocolo para demostrar la generación de hielo cuando el agua se introduce en un baño de agua fría de salmuera, como refrigerante secundario, en un rango de temperaturas muy por debajo del punto de congelación del agua. Se puede usar como una forma alternativa de producir hielo para la industria.
Abstract
Se demuestra un método para el estudio de la calor y transferencia de masa y de los fenómenos de congelación en un entorno de salmuera subenfriado. Nuestro experimento mostró que, en las condiciones adecuadas, el hielo se puede producir cuando el agua se introduce en un baño de salmuera fría. Para hacer que forma el hielo, además de tener la mezcla de salmuera y agua, la tasa de transferencia de calor debe pasar por alto que el de la transferencia de masa. Cuando se introduce agua en forma de pequeñas gotas a la superficie de la salmuera, el modo de transferencia de calor y masa es por difusión. La flotabilidad se detiene el agua se mezcle con la salmuera por debajo, pero a medida que el hielo se espesa, se ralentiza la velocidad de transferencia de calor, hacer hielo más difíciles de cultivar como resultado. Cuando se introduce agua en el interior de la salmuera en forma de un flujo, una serie de factores se encuentran para influir en la cantidad de hielo puede formar. la temperatura y la concentración de salmuera, que son las fuerzas impulsoras de la transferencia de calor y masa, respectivamente, pueden afectar a la ratificación de conversión de agua-hieloo; más bajas temperaturas del baño y las concentraciones de salmuera animan más hielo a la forma. La reología de flujo, que puede afectar directamente tanto el calor y coeficientes de transferencia de masa, es también un factor clave. Además, la reología de flujo cambia el área de contacto de la corriente con el fluido a granel.
Introduction
Lechadas de hielo se utilizan ampliamente en la industria, y una aplicación particularmente exitosa es la tecnología de rascado de hielo 1, 2. En comparación con la espuma convencional y cerdo sólido, el cerdo de hielo puede viajar a través de topologías complejas a larga distancia, debido al efecto de lubricación de la fase líquida y la elevación de su punto de congelación como algunos de los cristales de hielo se derriten 3, 4, 5 . Incluso si el cerdo se queda atascado, uno puede simplemente esperar a que las lechadas de hielo se derrita y reanudar el proceso de limpieza posterior. Este método de limpieza de tuberías es barato y fácil de usar.
La fracción de hielo juega un papel clave en el rendimiento del cerdo hielo. Para medir la fracción de hielo, se puede usar una cafetera de émbolo (prensa francesa) para determinar si la suspensión de hielo es lo suficientemente gruesa 6,"> 7. Una fracción de hielo de alta cafetera, típicamente 80%, se requiere en la realización de pigging hielo. La investigación reciente en la detección fracción de hielo en línea mostró que ambas ondas electromagnéticas y ultrasónicos son adecuados para el trabajo 8, 9, 10, 11.
El cerdo de hielo se hace generalmente por una máquina de hielo de superficie raspada de una solución de NaCl al 5% en peso (salmuera). También es la forma principal de hacer lechadas de hielo en la industria. Este tipo de máquina de hielo se congela el agua o salmuera sobre una superficie metálica fría, típicamente una superficie lisa de acero 316 y luego cizalla cíclicamente las partículas de hielo fuera. Las interfaces-líquido-metal son muy complejos y se ven afectados por una amplia gama de factores que son esenciales para la fabricación de hielo 12. La interfaz entre no metal y el agua pueden ser muy diferentes, y un ejemplo especialmente interesante es caolinita. el Kaolunión entre el agua Inite es especial porque no hay una estructura de hielo favorable adyacente a la superficie del sólido, sino más bien una capa de fluido sustrato anfótero que anima a los enlace de hidrógeno similares al hielo que se forman en la parte superior de la misma 13, 14. Otra forma de producir el cerdo de hielo requiere aplastar a los bloques de hielo prefabricados, mientras que se añadió salmuera de alta concentración de forma simultánea. Para este método, el sistema de refrigeración puede funcionar a una temperatura de evaporación mucho más alta porque no depresor del punto de congelación (FPD) se añade antes de la formación de hielo; por lo tanto, se considera más eficaz debido a la relación de compresión baja y energía reducido para un destino determinado de enfriamiento 15, 16, 17.
Hay otros dos métodos de producción de hielo: la producción de hielo de agua-enfriada y poniendo el refrigerante y el agua en contacto directo <supclass = "xref"> 18, 19. El método implica sobreenfriamiento perturbar el agua supercooled metaestable para generar la nucleación del hielo y el crecimiento. El mayor problema de este método es la formación de hielo no deseado que puede bloquear el sistema. El método de contacto directo es considerado no apto para limpieza con tacos de hielo debido a que ni el refrigerante ni aceite de lubricación se desean en el producto final de hielo.
La formación de hielo requiere calor y transferencia de masa debido al calor latente de fusión generado en el proceso. Fue descubierto por primera vez por Osborn Reynolds en 1874 que el transporte de calor y masa en los gases están fuertemente acoplados y se puede expresar en fórmulas matemáticas similares 20. Este trabajo formó el trabajo pionero sobre el tema del momento, el calor y transferencia de masa en los fluidos y fue reimpreso varias veces 21, 22. A continuación, este tema fue estudiado por unnúmero de otros, de ambos enfoques analíticos y empíricos, para los gases, líquidos y de metal fundido 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33. Aparte de la transferencia de calor y masa, el fluido necesita puntos de nucleación de hielo donde el crecimiento dendrítico puede desarrollar. Una visión moderna en el crecimiento de cristales de hielo utiliza Ley Constructal, desarrollado por Adrian Bejan, para explicar por qué el hielo crece de este modo 34, 35, 36.
La formación de hielo en salmuera es muy diferente de la de agua pura debido a la existencia de sal. Ante todo, sal cambia la termodinámica del fluido y deprime su punto de congelación. En segundo lugar, la sal no puede disolverse en la matriz de hielo (excepto para hydrohalite, que sólo puede formar cuando la temperatura alcanza el punto eutéctico), y se rechazó el líquido mayor cuando el hielo comienza a crecer. El rechazo de la sal fue descubierta en tanto el hielo marino y el hielo estudiado en el laboratorio 37, 38. Desde la salmuera de alta concentración rechazado está a una temperatura muy por debajo del punto de congelación del agua de mar, a medida que desciende, el hielo crece en la interfaz entre la salmuera que fluye y el fluido de mayor reposo. Estas estalactitas de hielo, también llamado brinicles, fueron descubiertos por primera vez en el estrecho de McMurdo, en la Antártida y se estudiaron experimentalmente 39, 40, 41, 42. En 2011, la BBC filmó la formación de brinicles en su serie Frozen Planet"xref"> 43, 44.
En nuestro laboratorio, se descubrió que mediante la inversión de los fluidos que fluyen y quiescentes cuando se introduce agua a un baño de salmuera fría, el agua puede transformarse en hielo bajo las condiciones correctas 45. Se encontró que la ubicación donde se introduce el agua, la reología de flujo y temperatura de la salmuera y la concentración son factores clave que influyen en la cantidad de hielo se puede producir. El objetivo general de este estudio es investigar si una máquina de hielo puede ser desarrollado a través de este mecanismo para generar lechadas de hielo, teniendo en cuenta que la temperatura del evaporador elevado y la alta tasa de transferencia de calor líquido-líquido pueden mejorar la eficiencia de uso de energía. Este artículo comparte aspectos clave del experimento.
Protocol
Representative Results
Discussion
El proceso de la generación de hielo usando salmuera como refrigerante secundario consiste en la combinación de calor y transferencia de masa. Si la transferencia de calor es mayor, entonces se forma el hielo antes de que el agua tiene la oportunidad de mezclarse con el líquido a granel. Se observó que cuando hay un movimiento relativo entre el agua introducida y la salmuera mayor de reposo (es decir, la inyección de agua dentro de la salmuera), el flujo de ayuda a la transferencia de calor y alienta hielo…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores no tienen reconocimientos.
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 |
Referencias
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