Spin und Chill

Evaluating the Heat Transfer of a Spin-and-Chill

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Chemical Engineering

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Evaluating the Heat Transfer of a Spin-and-Chill

4.3: Viscosity of Propylene Glycol Solutions

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08:44 min

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April 11, 2017

Overview

Quelle: Michael G. Benton und Kerry M. Dooley, Department of Chemical Engineering, Louisiana Landesuniversität, Baton Rouge, LA

Der Spin und Chill nutzt die Grundlagen der Wärmeübertragung und Flüssigkeitsströmung Getränke 38 f in nur 2 Minuten zu entspannen. Man bräuchte einen Kühlschrank ca. 240 min und eine Kühlbox 40 min, um die gleiche Temperatur zu erreichen. Der Spin und Chill behauptet auch, dass dies erreicht wird, durch “sanft” Spinnen bei 500 u/min, die wenig oder gar keine Schaumbildung schafft.

In diesem Experiment wird die Fähigkeit ein Schiffes zu spinnen, ein alkoholfreies Getränk an Rekordgeschwindigkeiten cool ausgewertet werden. Der Spin und Chill soll die Verwendung von ein Eis Brust zu Gunsten der Getränke zu kühlen, schnell und individuell zu entkräften. Verschiedene Betriebsparameter, wie unterschiedlich die Drehzahl des Gerätes, werden bewertet werden, um ihre Auswirkungen auf die Wärmeübertragung zu bestimmen. Darüber hinaus werden die konzentrierte Parameter Analyse und transient Heat Conduction Analyse zur Wärmeübertragung herangezogen werden.

Principles

Der Spin und Chill transiente Wärmeleitung und konvektive Wärmeübertragung nutzt. Durch Drehen der Dose, warme Flüssigkeit aus der Mitte der Dose bewegt sich nach außen und kommt in Kontakt mit der kalten Oberfläche. Dann wird Energie an die kalte Oberfläche in Form von Wärme aus der warmen Flüssigkeit übertragen. Dies wird fortgesetzt, bis der gesamte Behälter gekühlt wurde. Kältetechnik nutzt einen ähnlichen Prozess¹. In der Kältetechnik Kältemittel durchläuft das System, und erfährt einen Rückgang der Druck¹. Als Reaktion darauf nimmt die Temperatur des Kältemittels stark nach unten die Temperatur der Raum gekühlt¹. Diese Temperaturdifferenz führt zu Hitze bewegt natürlich aus dem wärmeren Raum auf dem Kühler Kältemittel, wo es ist, später ausgegeben, und der Vorgang wiederholt sich¹.

Spin und Chill ist analog zur Kühlung eines Batch-Schiffes und etwas analog zur Kühlung einer Flüssigkeit in einem Rohr fließt. Für Flüssigkeit in einem Batch-Behälter mit Rührwerk und in einem Rohr ist die durchschnittliche Fluidgeschwindigkeit bekannt. Theorie und Korrelationen stehen Wärmeübertragungskoeffizienten vorherzusagen (h) Werte. Wärmestrom in den Spin und Chill wird durch Widerstände gesteuert. Wir möchten auf zwei begrenzende Fälle zu konzentrieren.

Die konzentrierte Parameter-Analyse reduziert eine Anlage auf eine Reihe von diskreten “Klumpen”, wo die Temperaturdifferenz in jeder Klumpen als vernachlässigbar angesehen wird.

In dieser Gleichung, T ist Temperatur, h ist Wärmeübergangskoeffizient, A ist Bereich, t Laufzeit, ρ ist Dichte Cp ist die Wärmekapazität und V ist Volumen.

Wärmestrom aus dem Wasser in die Dose auf dem Eis beinhaltet einen Innenwiderstand, eine Wand, und eine externe Beständigkeit (Abbildung 1). Für den Fall einer anwendbar muss sowohl das Wasser in die Dose und das Eis gut gemischt werden. Dies vereinfacht den Fall an eine eindimensionale Hitzeproblem Transfer.

Abbildung 1: Eine schematische Darstellung des Temperaturbedingungen für den Fall einer.

In diesem Fall die Wand ist sehr dünn und der Wand Widerstand vernachlässigt werden kann. Hier ist die Wärmeübertragung überwiegend durch den Innenwiderstand gesteuert. Dies führt zu der konzentrierten Parameter-Analyse, die Bestimmung des Innenwiderstands ermöglicht.

Die Biot-Zahl ist ein Index des Verhältnisses der Hitze Übergangswiderstände innerhalb und außerhalb einer Membran,

BI = Lh/k

wo Bi ist das Biot-Zahl, L ist die charakteristische Länge (Volumen dividiert durch Fläche) ist der Wärmeübergangskoeffizient h und k ist die Wärmeleitfähigkeit. Diese Nummer wird verwendet, um Wärme Übergangswiderstände zwischen verschiedenen Körpern zu vergleichen.

Fall zwei nutzt eine eindimensionale transiente Wärmeleitung Analyse.

Wo τ Zeitkonstante, α ist die thermische Diffusivität, t ist Zeit und R₀ ist der anfängliche Radius. Diese Formel wird verwendet, um thermische Diffusivität zu finden, die der Wärmeleitfähigkeit, k, geteilt durch die Dichte ρ und Wärmekapazität, C_pbesteht.

Wenn das Wasser eine echte “Festkörper”, Wasser Massentemperatur werden nicht gleichmäßige Temperatur und Wärmestrom aus dem Wasser wird durch Wärmeleitung gesteuert werden. Mit der Zeit wird die Temperatur an der Mittellinie der Dose (Abbildung 2) entwickeln. Wärmestrom aus dem Wasser zu Eis beinhaltet Wärmeleitung durch die “Solid” und einen Innenwiderstand.

Abbildung 2: Eine schematische Darstellung des Temperaturbedingungen für Fall 2.

Wenn Sie eine Eis Brust zu verwenden, die Flüssigkeit in der Dose ist nicht als “solide” auch ohne sich zu vermischen, und natürlicher Konvektion aufgrund der Temperaturgradienten eingerichtet werden. Die Kerntemperatur Linie lässt sich den scheinbaren Innenwiderstand bestimmen durch die Annahme eines langen Zylinders mit Wärmeleitung in radialer Richtung.

Procedure

(1) die Prüfung der Spin und Chill

Die Aluminium-Cola-Dose mit Raumtemperaturwasser füllen und dann die Temperatur aufzeichnen.
Messen Sie das Gesamtgewicht des Eises mit der Balance, genug verwendet wird, um den Spin und Chill umgeben.
Siegel der Aluminium-Soda können Deckel mit Kunststoff Abdichtung und fügen Sie die Assembly in den drehen und Chill.
Aktivieren Sie die Spin und kalt stellen. Es sollte laufen ca. 2 min bei ~ 500 u/min.
Entfernen Sie die Aluminium-Cola-Dose aus dem Spin und Chill und entfernen Sie die Kunststoff-Deckel verschließen. Aufzeichnen kann die Endtemperatur des Wassers innerhalb der Aluminium-Soda.
Notieren Sie die Menge des Eises, das geschmolzen, um Wasser mit einem Messzylinder oder ein Gleichgewicht.

(2) konzentrierte Parameter Modell

Führen Sie ausgehend von der Dose eine Raumtemperatur, ~ 4 Einzelfahrten gedacht mit dem Spin und Chill (~ 4). Es sollte laufen für ~ 2 min bei ~ 500 u/min.
Notieren Sie die Endtemperatur des Wassers innerhalb der kann nach jedem Lauf.
Führen Sie dann die Spin und Chill nacheinander drei Zeiten, beginnend mit einer warmen Dose. Führen Sie eine angemessene Anzahl von Wiederholungen für die sequenzielle Spin und Chill- Experiment. Es sollte laufen für ~ 2 min bei ~ 500 u/min.
Erfassen Sie die Menge an Eis geschmolzen und Endtemperatur nach jedem Lauf. Seien Sie vorsichtig, wenn Sie die Dose zu öffnen – es kann oder kann nicht schäumen.
Dann wiederholen Sie und variieren Sie die Betriebsdrehzahl der Spin und Chill. Beginnen Sie mit der Dose bei Raumtemperatur und durchführen Sie 2 min läuft bei u/min reichen von wenigen bis zu 500 u/min.

(3) vorübergehende Leitung Modell

Durchführen Sie die gleichen Experimente wie oben beschrieben. Laden Sie den Spin und chill mit Eis und einem soliden Aluminium-Zylinder (mit einem kleinen Loch in der Mittellinie für Temperaturmessungen gebohrt).
Alle paar Minuten messen und Aufzeichnen der Temperatur in der Mitte der Dose und die Aluminium-Zylinder – achten Sie darauf, rühren oder stören kann Inhalt.

Results

Das konzentrierte Parameter-Modell dient zur Bestimmung der Wärmeübergangskoeffizient h, für die verschiedenen experimentellen Bedingungen. Die beobachteten Effizienz ist keine einschränkende Fall oder Hitze Transfermechanismus abhängig. Um die Effizienz zu berechnen, ermitteln wir zuerst die Energie ins Eis und aus dem Wasser. Wenn das System adiabatischen (100 % Wirkungsgrad), Q_Wasser+ Q_Eis= 0. Die Effizienz wird durch die Aufteilung der Absolute Wert der Wärmeenergie des Wassers (Q_Wasser) durch die Wärmeenergie des Eises (Q_Eis) bestimmt (Tabelle 1). Für die sequentielle läuft der Wirkungsgrad η, sinkt von 78 % auf 71 % und dann auf 50 %, wenn die Temperatur nähert sich 32 F (Tabelle 2). Die Effizienz nimmt η mit sequentiellen läuft. Und zwar deshalb, weil die Effizienz der Wärmeübertragung reduziert wird, wenn Temperaturen nahe beieinander sind. Die Flüssigkeit im Inneren der Dose nähert sich die Temperatur des Eises außerhalb, wodurch Effizienz. Die Biot-Zahl befanden sich rund 10 für die einzelnen Läufe werden. Diese nicht den erwarteten Wert von 0,1 deutlich überschreiten. Die viel größere Wert zeigt größere thermischen Widerstand außerhalb der Dose als im Inneren. Die Biot-Zahl ist genauer als die externen Widerstand, Wärmestrom, dividiert durch den Innenwiderstand angegeben. Hier sind größere Zahlen für h und k Indikator für weniger Widerstand oder “größer” Wärmestrom. Eine sehr große k entstünde eine gleichmäßige Temperatur in diesem “k” Phase. Drehen die Dose scheint ein gepflegten Schiffes zu erstellen. Die konzentrierte Parameter-Analyse ist perfekt.

Test #	lbs Wasser	Anfängliche Temperatur (°F)	Endgültige Temp (°F)	Δ T (°F)	Eis Δm (lbs.)	Q-_Eis	Q-_Wasser	Η	h (Btu/hr-ft²-F)	h (W/m²– C)
1	0.783	77	53.42	23.58	0.172	24.768	18.463	74.54	70.545	400.574
2	0.783	84.74	60.08	24.66	0,17	24,48	19.309	78.88	59.899	340.126
3	0.783	86	59.72	26.28	0,175	25.2	20.577	81.66	63.369	359.829
4	0.783	83.12	55,4	27,72	0.195	28.08.	21.705	77.30	74.261	421.674
6	0.783	81.86	52.34	29,52	0.212	30.528	23.114	75.71	85.207	483.832
7	0.783	83,66	58.28	25,38	0.171	24.624	19.873	80,70	64.229	364.710
8	0.783	79,16	50.72	28.44	0.203	29.232	22.269	76.18	87.804	498.576
9	0.783	81.68	56,3	25,38	0.181	26.064	19.873	76,25	67.959	385.890
10	0.783	81.86	56.66	25.2	0.173	24.912	19.732	79.21	66.905	379.906
AVG.	0.783	82.12	55,88	26,24	0.18	26.43	20,55	77.73	70.454	400.057

Tabelle 1: Single-Run Solltemperatur ändern von 82 F bis 56 F.

Test #	lbs Wasser	Anfängliche Temperatur (°F)	Endgültige Temp (°F)	Δ T (°F)	Eis Δm (lbs.)	Q-_Eis	Q-_Wasser	h	h (Btu/hr-ft²-F)	h (W/m²– C)
1a	0.783	80.78	53,6	27.18	0,176	25.344	21.282	83.97	77.414	439.582
1 b	0.783	53,6	41,9	11.7	0.095	13,68	9.161	67,10	74.335	422.095
1c	0.783	41,9	38,3	3.6	0,038	5.472	2.819	51,77	43.223	245.430
2a	0.783	74.48	55.76	18,72	0.137	19.728	14.658	74,30	55.216	313.530
2 b	0.783	55.76	43.34	12,42	0,088	12.672	9.725	76.90	70.477	400.188
2c	0.783	43.34	37,04	6.3	0,062	8.928	4.933	55.53	77.548	440.340
3a	0.783	71.42	49.28	22.14	0.141	20.304	17.336	85.38	78.374	445.030
3 b	0.783	49.28	39.56	9,72	0.077	11.088	7.611	68.78	78.767	447.264
3c	0.783	39.56	35.96	3.6	0.046	6.624	2.819	42,77	61.836	351.122

Tabelle 2: Daten aus drei sequenziellen läuft mit geringen Temperaturschwankungen.

Eine erste Berechnung der Temperatur des Zentrums mit den vorgeschlagenen Parametern schlägt eine unmögliche Verletzung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Das Problem ist jedoch, dass diese Gleichung eine kurzfristig Lösung, nur Lösungen über einen längeren Zeitraum nicht zur Verfügung stellt. Zusätzliche Parameter müssen hinzugefügt werden, um kürzere Zeiträume zu befriedigen.

Betrachten Sie Hitze Übergangswiderstände im Wasser und Aluminium, h, und reine Wärmeleitung, k. Wenn die Wärmeleitung pur – wie in einem Festkörper – auftritt ist, sollte die beobachteten h Werte für beide Systeme gleich sein. Für das Wassersystem auftreten einige natürlicher Konvektion, daher die h -Werte nicht für den beiden Systemen gleich sein sollen.

Wenn die Drehzahl variiert, wurde es festgestellt, dass die durchschnittliche Temperatur der Flüssigkeit im Inneren der Dose umgekehrt proportional zur Drehzahl. Höhere Drehzahlen führte zu flüssigen Temperaturen senken näher an die ideale Temperatur, während eine geringere Drehzahl zu höheren Durchschnittstemperaturen führte. Höhere Drehzahlen reduziert die Temperatur der Flüssigkeit mehr erfolgreich als niedrigere Drehzahlen.

Ein ähnliches Verhältnis fand zwischen Laufzeit und Temperatur bei konstanter Drehzahl. Wenn die Dose für einen reduzierten Betrag der Zeit gedreht wurde, war die durchschnittliche Temperatur wärmer als wenn die Dose für den vollen Betrag der Zeit gesponnen wurde. Die Beziehung erwies sich, dass eine Erhöhung der Laufzeit zu einer erhöhten Veränderung Temperatur und eine insgesamt kühlere Temperatur im Durchschnitt führt.

Applications and Summary

Dieses Experiment dient zur Beurteilung der Fähigkeit eines drehenden Schiffs ein alkoholfreies Getränk an Rekordgeschwindigkeiten, den Spin und Schüttelfrostabkühlen lassen. Runde eins untersucht die Spin und Chill mit einem konzentrierten Parameter-Modell. Runde zwei untersucht die Spin und Chill mit dem vorübergehenden Hitze Wärmeleitung Modell in langen Zylinder. Runde drei vergleicht unsere Spin und Chill Versuchsergebnisse mit Ergebnissen und Korrelationen gefunden in einem anderen Forschung Experiment. Theorie und Korrelationen stehen h Werte Vorhersagen. Wärmestrom in den Spin und Chill wird durch Widerstände gesteuert werden.

Die Effizienz Tropfen gefunden in sequentiellen Läufen wurde erwartet. Die Biot-Zahl erwiesen sich rund 10 für alle Läufe in der ersten Runde. Diese überschreiten stark den erwarteten Wert von 0,1. Die gesammelten Daten Anrufe in Frage die Fähigkeit der Spin und Chill am warmen Dose Cola, 38F in 2 Minuten abkühlen lassen. Mit drei sequenziellen verwendet und einen Zeitraum von ca. 6 Minuten, kann jedoch die Spin und Chill das Erfrischungsgetränk auf die gewünschte Temperatur 38F kühlen. Während der ersten Forderungen für ungültig erklärt wurden, bietet das Konzept einer erweiterten Kühlungsmethode mit mehr Tests in Zukunft effizienter gestaltet werden könnte.

Das konzentrierte Parameter-Modell wurde in den unterschiedlichsten Bereichen angewandt. Durch Verwendung einer konzentrierten Parameter-Analyse können forensischen Labors Tod eines menschlichen Körpers²bestimmen. Forensische Wissenschaftler behandeln den Körper als eine konzentrierte System². Die bisherige Forschung wurde beim Abkühlen, wenn man Faktoren wie Körper Größe und Form²durchgeführt. Differentialgleichungen sind dann mit diesen bekannten kühlenden Faktoren verwendet, um relative Zeit des Todes²festzustellen.

Eine weitere Verwendung des Modells konzentrierte Parameter ist in der Weiterentwicklung der HLK (Heizung, Lüftung und Klimaanlage) Systeme³. Hitze-Lastverteilung kann rechnerisch mit einem konzentrierten Parameter-Modell zur Maximierung der Energie-Effizienz-³vorhergesagt werden. Diese Modelle machen Fluidtransport, Energietransport, Thermodynamik und psychrometrischen³. Durch den Einbau von HLK-Anlagen zu einem konzentrierten Modell, können Ingenieure ihre Effizienz zu maximieren, Reduzierung von Kosten und Energieverbrauch, während die Wirksamkeit der Climate Control System³.

Transient Heat Conduction Modellierung ist in einer Vielzahl von technischen Bereichen, einschließlich der Materialbearbeitung, Kraftwerk, engineering und Kühlung wichtig. Wärmetauscher sind eine häufige Anwendung von transienten Wärmeleitung⁴. Diese Geräte nehmen Energie aus einem heißen Bach und es verwenden, um ein kühler⁴erhitzen. Shell und Rohr sind die häufigste Art der Wärmetauscher⁴. Sie sind normalerweise lange Zylinder, ähnlich wie das Modell für dieses Experiment, aber viel größer im Umfang⁴. Mehrere Röhren in einem größeren Zylinder Schale enthalten eine fließende Flüssigkeit, während eine Separate, wie man durch die Schale⁴fließt. Flow kann in der gleichen oder unterschiedlichen Richtungen sein. Wärme fließt von den heißesten Stream auf der kälteren eine⁴. Diese Tools können verwendet werden, in vielen Branchen, wie z. B. Herstellung von Chemikalien und Erdölverarbeitung, wo sie auf Wärme oder kühle Chemikalien oder Öl⁴eingesetzt werden können.

Transcript

Spin-and-chills are household examples of heat transfer technology. They can be analyzed to understand engineering processes that are widely studied and applied in industry. Spin-and-chills cool soft drinks much faster than refrigerators or ice chests. They operate by rotating soda cans within a reservoir of ice at speeds of hundreds of revolutions per minute. The spin-and-chill utilizes convective heat transfer to cool the soda cans. By measuring the cooling rate under different conditions, the convective behavior can be determined. Which can be used to improve the cooling efficiency as well as model and understand related heat transfer situations. This video illustrates the operating principles of the spin-and-chill, demonstrates experiments that evaluate convective heat transfer, and discusses related applications.

The spin-and-chill is modeled as consisting of a warm soda can submerged in a large, cold environment. The can has thin walls and is filled with fluid. The fluid is hottest at the center and coldest at the rim. And the temperature distribution is symmetric around the can’s axis of rotation. As the can spins, the fluid inside is cooled. The surroundings are assumed to be so large that they do not appreciably warm up. This visualization can be divided into several zones, each characterized by its unique temperature distribution and heat transfer mechanism. The wall is modeled as a thin membrane. Its dominant mechanism of heat transfer is conduction. The spread of heat without macroscopic motion of the medium. The can wall is so thin, however, that conduction in the wall is negligible. On either side are boundary layers, regions of fluid with strong temperature gradients. Here the dominant mechanism of heat transfer is convection. Heat transfer aided by the motion of fluids. During rapid spinning, conduction is negligible inside the can, because the contents are well-mixed. Finally, in the bulk regions, conduction once again predominates. However, because the volume of ice is large compared to the fluid in the can, the temperature in the bulk ice phase does not change appreciably. And conduction is negligible. Because conduction within the can is negligible and convection is the determinant factor in cooling the fluid in the can, lumped parameter analysis can be used to model the cooling behavior. The lumped parameter analysis reduces a thermal system to a single discrete lumped resistance. Where the temperature difference of each individual resistance is considered unknown. The lumped parameter model assumes the greatest resistance to heat transfer occurs in the boundary layers. As the can cools over time, the temperature of the bulk decreases uniformly over its volume. Using the equation shown, one can calculate the lumped heat transfer coefficient, h, for a can being cooled using a spin-and-chill. The heat transfer coefficient takes into account all of the resistances to convective heat transfer, and lumps them into one constant. That constant is a ratio of heat flux to the driving force for heat flow. In this case, the difference between the temperature of the fluid in the can and the temperature of the ice. Those are the principles. Now let’s demonstrate how to study convective heat transfer using a spin-and-chill.

The procedure requires a spin-and-chill, ice, and a sealable aluminum sample can. Record the dimensions of the can. Fill it with water and record its mass and temperature. Then seal the can with a plastic sealing lid. Weigh the ice that will be used in the setup. Load it into the apparatus, and finally, insert the aluminum can. Set the spin-and-chill to perform a single two-minute cycle at 300 RPM, and switch it on. After the spin completes, withdraw the can, remove the lid, and measure the temperature of the water. Lastly, use a graduated cylinder to measure the amount of ice that has melted. Use sequential cycles to assess the effects of longer run times on cooling the fluid in the can. In sequential cycles, a two-minute cycle is performed as before, and the temperature is recorded. Then the can is replaced in the spin-and-chill, and another two-minute cycle is started. In addition to spin time, study the effect of modifying other parameters. Such as rotational speed on cooling performance. Perform two-minute cycles at multiple speeds, ranging from a few RPM to over 500 RPM.

Data for the lumped parameter model was averaged over 10 single-run trials. Each lasting two minutes at 300 RPM. On average, a two-minute run decreased the temperature of the can from 82.12 degrees Fahrenheit to 55.88 degrees Fahrenheit. Substituting in the relevant physical and geometric characteristics of the can, the heat transfer coefficient can be calculated. The thermodynamic efficiency was estimated by dividing the heat lost by the can to the heat required to melt the ice during the run. Using sequential runs at a constant RPM, it was shown that cooling performance was enhanced with longer cycle times. However, the sequential cycles show that cooling efficiency decreases with time. This decrease in efficiency is common in heat transfer, when the temperature differential driving the heat transfer becomes smaller. Varying the RPMs at a fixed run time shows the effect of speed on cooling performance. A faster spin time led to a larger temperature drop within the can. The heat transfer efficiency was greatest when the spin-and-chill was operated at the highest RPM.

The heat transfer process observed in the spin-and-chill is seen in many laboratory and industrial settings. High pressure freezing is used to preserve tissue samples for transmission electron spectroscopy. In a process analogous to the spin-and-chill, samples are exposed to pressurized liquid nitrogen jets. Permitting quick, non-destructive cryofixation. This is particularly useful for plant tissues, which must be rapidly frozen to prevent cellular damage through the formation of ice. Similar procedures are used to preserve human muscle cells or stem cells. Nuclear reactors also operate on the principles of convective heat transfer. They contain a core within which a highly-controlled fission reaction occurs. The core is submerged in a stream of pressurized water, which absorbs the heat generated by the fission reaction and vaporizes. The vaporized water is then used to drive generators. The safety of these reactors, regardless of scale, largely depends on the control of the convective heat transfer process that occurs at its core.

You’ve just watched JOVE’s introduction to the heat transfer in the spin-and-chill. You should now be familiar with convective heat transfer, a procedure for measuring parameters affecting convective heat transfer, and some applications. As always, thanks for watching.