旋转和寒意

旋转和冷却是传热技术的常见例子。可以分析它们以了解工业中广泛研究和应用的工程过程。旋转和冷却软饮料的速度比冰箱或冰柜快得多。它们通过在冰库中以每分钟数百转的速度旋转汽水罐来运行。旋转和冷却利用对流传热来冷却汽水罐。通过测量不同条件下的冷却速率，可以确定对流行为。这可用于提高冷却效率以及建模和了解相关的传热情况。本视频演示了旋转和冷却的工作原理，演示了评估对流传热的实验，并讨论了相关应用。

旋转和冷却被建模为由浸没在大型寒冷环境中的温水罐组成。罐子的壁很薄，里面装满了液体。流体的中心最热，边缘最冷。并且温度分布围绕罐的旋转轴对称。当罐子旋转时，里面的液体被冷却。假设周围环境如此之大，以至于它们不会明显升温。这种可视化可以分为几个区域，每个区域都有其独特的温度分布和传热机制。壁被建模为薄膜。它的主要传热机制是传导。热量的传播，而介质没有宏观运动。然而，罐壁非常薄，以至于罐壁中的传导可以忽略不计。两侧是边界层，即具有强烈温度梯度的流体区域。这里传热的主要机制是对流。流体运动辅助传热。在快速旋转过程中，由于内容物混合良好，罐内的传导可以忽略不计。最后，在大宗区域，传导再次占主导地位。然而，由于冰的体积与罐中的液体相比很大，因此块状冰相中的温度不会发生明显变化。传导可以忽略不计。由于罐内的传导可以忽略不计，而对流是冷却罐中流体的决定因素，因此可以使用集总参数分析来模拟冷却行为。集总参数分析将热系统简化为单个离散的集总电阻。其中每个电阻的温差被认为是未知的。集总参数模型假设最大的传热阻力出现在边界层中。随着罐子随着时间的推移而冷却，块体的温度随其体积均匀降低。使用所示的方程，可以计算使用旋转冷却冷却的罐头的集总传热系数 h。传热系数考虑了对流传热的所有阻力，并将它们归为一个常数。该常数是热通量与热流驱动力的比值。在这种情况下，罐中液体的温度与冰的温度之间的差值。这些是原则。现在，我们来演示如何使用自旋和冷却来研究对流传热。

该程序需要一个旋转和冷却、冰和一个可密封的铝样品罐。记录罐的尺寸。将其装满水并记录其质量和温度。然后用塑料密封盖密封罐子。称量将用于设置的冰块。将其装入设备，最后插入铝罐。将 spin-and-chill 设置为以 300 RPM 执行一个两分钟的循环，然后将其打开。旋转完成后，取出罐子，取下盖子，测量水温。最后，使用量筒测量已融化的冰量。使用顺序循环来评估较长的运行时间对冷却罐中流体的影响。在顺序循环中，像以前一样执行一个 2 分钟的循环，并记录温度。然后在旋转和冷却中更换罐子，并开始另一个两分钟的循环。除了旋转时间之外，还要研究修改其他参数的影响。如转速对冷却性能的影响。以多种速度执行两分钟的循环，范围从几 RPM 到超过 500 RPM。

集总参数模型的数据是在 10 次单次试验中平均的。每个以 300 RPM 的速度持续 2 分钟。平均而言，运行两分钟会将罐头的温度从 82.12 华氏度降低到 55.88 华氏度。代入罐头的相关物理和几何特性，可以计算出传热系数。热力学效率是通过将罐头损失的热量除以运行过程中融化冰所需的热量来估计的。使用恒定 RPM 的连续运行，结果表明，冷却性能随着循环时间的延长而得到增强。然而，顺序循环表明冷却效率会随着时间的推移而降低。这种效率降低在传热中很常见，当驱动传热的温差变小时。在固定运行时间内改变 RPM 可显示速度对冷却性能的影响。更快的旋转时间导致罐内的温度下降更大。当旋转和冷却以最高 RPM 运行时，传热效率最高。

在许多实验室和工业环境中都可以看到在旋转和冷却中观察到的传热过程。高压冷冻用于保存组织样品以进行透射电子光谱分析。在类似于旋转和冷却的过程中，样品暴露在加压液氮射流中。允许快速、非破坏性的冷冻固定。这对植物组织特别有用，植物组织必须迅速冷冻以防止通过结冰而造成细胞损伤。类似的程序用于保存人体肌肉细胞或干细胞。核反应堆也根据对流传热原理运行。它们包含一个核心，其中发生高度受控的裂变反应。堆芯浸没在加压水流中，加压水流吸收裂变反应产生的热量并蒸发。然后，蒸发的水用于驱动发电机。这些反应器的安全性，无论规模大小，在很大程度上取决于对其核心发生的对流传热过程的控制。

您刚刚观看了 JOVE 对旋转和冷却中传热的介绍。现在，您应该熟悉对流传热、测量影响对流传热的参数的程序以及一些应用。一如既往，感谢您的观看。