Ice-Generation und die Wärme- und Stoffübertragung Phänomene der Einführung in Wasser zu einem Kältebad von Brine
Summary
Hier stellen wir ein Protokoll die Erzeugung von Eis zu zeigen, wenn Wasser in ein kaltes Bad von Salzlake eingebracht wird, als ein sekundäres Kältemittel, bei einem Bereich von Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser. Es kann zur Herstellung von Eis für die Industrie als Alternative verwendet werden.
Abstract
Wir zeigen, ein Verfahren zur Untersuchung der Wärme- und Massenübertragung und der Gefrier Phänomene in einer unterkühlten Salzlösung Umwelt. Unser Experiment zeigte, dass unter den richtigen Bedingungen kann Eis hergestellt werden, wenn Wasser in einem Bad von kalter Sole eingebracht wird. Um Eis Form, zusätzlich zu den mit der Sole und Wasser-Mischung, die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung machen muss, dass der Massentransfer umgehen. Wenn Wasser in Form von winzigen Tröpfchen an den Soleoberfläche eingeführt wurde, ist die Art der Wärme- und Stoffaustausch durch Diffusion. Der Auftrieb verhindert, dass Wasser von unten mit dem Sole Mischen, aber das Eis dicker wächst, es verlangsamt die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung nach unten, so dass Eis schwieriger als Ergebnis zu wachsen. Wenn Wasser in der Salzlösung in der Form eines Fluss eingeführt werden eine Reihe von Faktoren ab, wie viel Eis bilden kann, zu beeinflussen, zu finden. Brine Temperatur und Konzentration, die die treibenden Kräfte der Wärme- und Stoffübertragung sind, können jeweils beeinflussen das Wasser-zu-Eis Umwandlung RatiO; niedrigere Badtemperaturen und Solekonzentrationen ermutigen, mehr Eis zu bilden. Die Strömung Rheologie, die direkt sowohl die Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten beeinflussen können, ist auch ein wichtiger Faktor. Außerdem ändert sich die Strömungs Rheologie, die Kontaktfläche des Strömungs mit dem Hauptfluid.
Introduction
Ice – Slurries werden in großem Umfang in der Industrie verwendet, und eine besonders erfolgreiche Anwendung ist das Eis-Molchtechnik 1, 2. Im Vergleich zu dem herkömmlichen Schaum und feste Schwein, kann das Eis pig durch komplexe Topologien über eine lange Strecke fahren wegen der Schmierwirkung der flüssigen Phase und der Höhe seines Gefrierpunktes als einige der Eiskristalle 3 schmelzen, 4, 5 . Auch wenn das Schwein stecken bleibt, kann man einfach für die Eisbrei warten, um später den Reinigungsprozess schmelzen und wieder aufzunehmen. Dieses Verfahren der Rohrreinigung ist billig und einfach zu bedienen.
Das Eis Fraktion spielt eine Schlüsselrolle bei der Erfüllung des Eises Schwein. Um das Eis Fraktion messen, kann man eine cafetière (Französisch Presse) verwenden , um festzustellen , ob die Eisbrei ist dick genug , um 6,"> 7. Eine hohe cafetière Eis – Fraktion, in der Regel 80%, ist erforderlich, wenn Eis Molch Durchführung. Neuere Forschungen auf Online – Eis Fraktion Nachweis zeigte , dass beide elektromagnetischen und Ultraschallwellen geeignet sind für den Job 8, 9, 10, 11.
Das Eis Schwein wird in der Regel durch eine Kratz Eisbereiter aus einer 5 Gew% igen NaCl-Lösung (Sole) durchgeführt. Es ist auch der primäre Weg Eisbrei in der Industrie zu machen. Diese Art der Eismaschine gefriert Wasser oder Sole auf eine kalte Metalloberfläche, in der Regel eine glatte 316 Stahloberfläche und dann schert zyklisch die Eispartikel aus. Die Flüssigkeit-zu-Metall – Grenzflächen sind sehr komplex und werden von einem breiten Spektrum von Faktoren beeinflusst , die unerlässlich sind , um Eis 12 zu machen. Die Schnittstelle zwischen nicht-metallischen und Wasser kann sehr unterschiedlich sein, und ein besonders interessantes Beispiel ist Kaolinit. Die Kaolstimmter-Wasser – Grenzfläche ist besonders , weil es keine günstige Eisstruktur Angrenzend an die feste Oberfläche ist, sondern eine Schicht aus amphoteren Substratflüssigkeit, die die eisähnliche Wasserstoff-gebundenen Clustern fördert 14 auf es 13, zu bilden. Ein anderer Weg, um das Eis Schwein zu produzieren erfordert die premade Eisblöcke Zerkleinern während hochkonzentrierte Sole gleichzeitig zugegeben wird. Für dieses Verfahren kann das Kühlsystem mit einer viel höheren Verdampfungstemperatur ausgeführt werden, da kein Gefrierpunktserniedrigungs (FPD) vor der Bildung von Eis gegeben; Es ist daher effizienter aufgrund der abgesenkten Verdichtungsverhältnis und verringert Leistung für eine gegebene Kälteleistung 15, 16, 17 betrachtet.
Es gibt zwei weitere Eisproduktion Methoden: Herstellung von Eis von unterkühltem Wasser und setzen Kältemittel und Wasser in direktem Kontakt <supclass = "xref"> 18, 19. Die Kühlungs Verfahren beinhaltet die metastabilen unterkühlten Wasser störende Eisbildung und Wachstum zu generieren. Das größte Problem bei diesem Verfahren ist der unerwünschte Eisbildung, die das System blockieren kann. Der direkte Kontakt Methode wird für Eis Molch nicht geeignet betrachtet, da weder Kältemittel noch Schmieröl in der letzten Eisprodukts gewünscht werden.
Die Bildung von Eis erfordert Wärme- und Stoffübertragung aufgrund der latenten Schmelzwärme in dem Prozess erzeugt wird. Es wurde zuerst von Osborn Reynolds 1874 entdeckt , dass der Transport von Wärme und Masse in Gasen stark gekoppelt sind und 20 in ähnlichen mathematischen Formeln ausgedrückt werden. Diese Arbeit bildete die Pionier Papier zum Thema Dynamik, Wärme und Stoffübertragung in Flüssigkeiten und wurde mehrmals 21 nachgedruckt, 22. Dieses Thema wurde dann durch ein StudiumReihe von anderen, von beiden analytischen und empirischen Ansätzen für Gase, Flüssigkeiten und geschmolzenes Metall 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33. Abgesehen von der Wärme- und Stoffübertragung, muss die Flüssigkeit Keimstellen, wo dendritische Eis Wachstum entwickeln können. Eine moderne Einblick in das Wachstum von Eiskristallen verwendet constructal Law, entwickelt von Adrian Bejan, zu erklären , warum Eis auf diese Weise wächst 34, 35, 36.
Die Eisbildung in Salzlösung ist sehr verschieden von dem in reinem Wasser aufgrund der Existenz des Salzes. Als erstes, Salz ändert die Thermodynamik des Fluids und drückt seinen Gefrierpunkt. Zweitens Salz kann in der Eis-Matrix (außer Hydrohalit, die nur bilden, wenn die Temperatur der eutektische Punkt erreicht) nicht lösen, und es ist mit dem Hauptfluid abgelehnt, wenn Eis beginnt zu wachsen. Die Ablehnung von Salz wurde in beiden Meereis und Eis im Labor 37, 38 studierte entdeckt. Da die zurückgewiesene hochkonzentrierte Salzlösung bei einer Temperatur weit unter dem Gefrierpunkt von Meerwasser ist, wie es steigt, wächst Eis an der Grenzfläche zwischen dem strömenden Sole und dem Ruhe bulk Flüssigkeit. Diese Eisstalaktiten, auch brinicles genannt, wurden zum ersten Mal in McMurdo Sound, Antarktis entdeckt und untersucht experimentell 39, 40, 41, 42. Im Jahr 2011, um die Bildung von brinicles in seiner Frozen Planet Serie BBC gefilmt"xref"> 43, 44.
In unserem Labor wurde entdeckt , dass die fließenden und ruhenden Flüssigkeiten durch Umkehren , wenn das Wasser zu einem Bad aus kalter Sole eingeführt wird, kann das Wasser in Eis 45 unter den richtigen Bedingungen zu transformieren. Es wurde festgestellt, dass der Ort, wo das Wasser eingeleitet wird, Rheologie fließen, und Soletemperatur und Konzentration sind entscheidende Faktoren beeinflussen, wie viel Eis hergestellt werden. Das übergeordnete Ziel dieser Studie ist es zu untersuchen, ob eine Eismaschine durch diesen Mechanismus entwickelt werden können, um Eisbrei erzeugen, wenn man bedenkt, dass die erhöhte Verdampfungstemperatur und die hohe Rate der Flüssigkeit-zu-Flüssigkeit-Wärmeübertragung, um die Effizienz der Energienutzung verbessern können. Dieser Artikel Aktien wesentliche Aspekte des Experiments.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der Prozess der Eiserzeugung Sole als Sekundär-Kältemittel verwendet, beinhaltet die Kombination von Wärme und Stoffübergang. Wenn die Wärmeübertragung größer ist, dann bildet sich Eis vor dem Wasser hat die Chance, mit dem Bulk-Flüssigkeit zu mischen. Es wurde beobachtet , dass bei einer Relativbewegung zwischen dem eingeführten Wasser und dem Ruhe bulk Sole (dh Einspritzen von Wasser in der Salzlösung), die Strömung des Wärmeübertragungs hilft und fördert Eis schnell zu bilden. Wenn es jedoch i…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren haben keine Bestätigungen.
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 |
Referências
- 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).
