Spin und Chill

Spin-and-Chills sind Haushaltsbeispiele für Wärmeübertragungstechnologie. Sie können analysiert werden, um technische Prozesse zu verstehen, die in der Industrie umfassend untersucht und angewendet werden. Spin-and-Chill kühlt Erfrischungsgetränke viel schneller ab als Kühlschränke oder Eiskisten. Sie funktionieren, indem sie Getränkedosen in einem Eisbehälter mit Geschwindigkeiten von Hunderten von Umdrehungen pro Minute drehen. Das Schleudern und Kühlen nutzt die konvektive Wärmeübertragung, um die Getränkedosen zu kühlen. Durch die Messung der Abkühlgeschwindigkeit unter verschiedenen Bedingungen kann das konvektive Verhalten bestimmt werden. Dies kann verwendet werden, um die Kühleffizienz zu verbessern sowie damit verbundene Wärmeübertragungssituationen zu modellieren und zu verstehen. Dieses Video veranschaulicht die Funktionsprinzipien des Spin-and-Chill-Systems, demonstriert Experimente zur Bewertung der konvektiven Wärmeübertragung und diskutiert verwandte Anwendungen.

Das Schleudern und Chillen ist so gestaltet, dass es aus einer warmen Getränkedose besteht, die in eine große, kalte Umgebung getaucht wird. Die Dose hat dünne Wände und ist mit Flüssigkeit gefüllt. Das Fluid ist in der Mitte am heißesten und am Rand am kältesten. Und die Temperaturverteilung ist symmetrisch um die Drehachse der Dose. Während sich die Dose dreht, wird die Flüssigkeit im Inneren abgekühlt. Man geht davon aus, dass die Umgebung so groß ist, dass sie sich nicht nennenswert erwärmt. Diese Visualisierung kann in mehrere Zonen unterteilt werden, die sich jeweils durch ihre einzigartige Temperaturverteilung und ihren Wärmeübertragungsmechanismus auszeichnen. Die Wand ist als dünne Membran modelliert. Der dominierende Mechanismus der Wärmeübertragung ist die Wärmeleitung. Die Ausbreitung von Wärme ohne makroskopische Bewegung des Mediums. Die Dosenwand ist jedoch so dünn, dass die Leitung in der Wand vernachlässigbar ist. Auf beiden Seiten befinden sich Grenzschichten, Bereiche aus Flüssigkeit mit starken Temperaturgradienten. Hier ist der dominierende Mechanismus der Wärmeübertragung die Konvektion. Wärmeübertragung mit Hilfe der Bewegung von Flüssigkeiten. Beim schnellen Schleudern ist die Konduktion im Inneren der Dose vernachlässigbar, da der Inhalt gut vermischt ist. In den Bulk-Regionen schließlich überwiegt wieder die Leitung. Da das Volumen des Eises im Vergleich zur Flüssigkeit in der Dose jedoch groß ist, ändert sich die Temperatur in der Eisphase nicht nennenswert. Und die Leitung ist vernachlässigbar. Da die Leitung innerhalb der Dose vernachlässigbar ist und die Konvektion der bestimmende Faktor für die Abkühlung des Fluids in der Dose ist, kann die Analyse von Lumpenparametern verwendet werden, um das Abkühlverhalten zu modellieren. Die Analyse der konzentrierten Parameter reduziert ein thermisches System auf einen einzigen diskreten geklumpten Widerstand. Dabei gilt die Temperaturdifferenz jedes einzelnen Widerstands als unbekannt. Das Modell mit konzentrierten Parametern geht davon aus, dass der größte Widerstand gegen Wärmeübertragung in den Grenzschichten auftritt. Wenn die Dose mit der Zeit abkühlt, sinkt die Temperatur des Schüttguts gleichmäßig über sein Volumen. Mit der gezeigten Gleichung kann man den geklumpten Wärmeübergangskoeffizienten h für eine Dose berechnen, die mit einem Spin-and-Chill-Verfahren gekühlt wird. Der Wärmedurchgangskoeffizient berücksichtigt alle Widerstände gegen konvektive Wärmeübertragung und fasst sie in einer Konstante zusammen. Diese Konstante ist das Verhältnis des Wärmeflusses zur treibenden Kraft für den Wärmefluss. In diesem Fall die Differenz zwischen der Temperatur der Flüssigkeit in der Dose und der Temperatur des Eises. Das sind die Prinzipien. Lassen Sie uns nun zeigen, wie man die konvektive Wärmeübertragung mit Hilfe eines Spin-and-Chill-Verfahrens untersucht.

Das Verfahren erfordert ein Schleudern, Eis und eine verschließbare Aluminiumprobendose. Notieren Sie die Abmessungen der Dose. Füllen Sie es mit Wasser und notieren Sie seine Masse und Temperatur. Verschließen Sie dann die Dose mit einem Verschlussdeckel aus Kunststoff. Wiegen Sie das Eis, das für das Setup verwendet wird. Legen Sie es in das Gerät und setzen Sie schließlich die Aluminiumdose ein. Stellen Sie das Schleudern und Kühlen so ein, dass ein einzelner zweiminütiger Zyklus mit 300 U/min ausgeführt wird, und schalten Sie es ein. Nachdem der Schleudern abgeschlossen ist, ziehen Sie die Dose heraus, nehmen Sie den Deckel ab und messen Sie die Temperatur des Wassers. Verwenden Sie zum Schluss einen Messzylinder, um die Menge an Eis zu messen, die geschmolzen ist. Verwenden Sie sequenzielle Zyklen, um die Auswirkungen längerer Laufzeiten auf die Abkühlung der Flüssigkeit in der Dose zu bewerten. In aufeinanderfolgenden Zyklen wird wie bisher ein zweiminütiger Zyklus durchgeführt und die Temperatur aufgezeichnet. Dann wird die Dose im Schleudern ausgetauscht und ein weiterer zweiminütiger Zyklus gestartet. Untersuchen Sie neben der Drehzeit auch die Auswirkungen der Änderung anderer Parameter. Wie zum Beispiel die Drehzahl bei der Kühlleistung. Führen Sie zweiminütige Zyklen mit mehreren Geschwindigkeiten durch, die von wenigen U/min bis zu über 500 U/min reichen.

Die Daten für das Lumped-Parameter-Modell wurden über 10 Single-Run-Versuche gemittelt. Jeweils zwei Minuten bei 300 U/min. Im Durchschnitt senkte ein zweiminütiger Lauf die Temperatur der Dose von 82,12 Grad Fahrenheit auf 55,88 Grad Fahrenheit. Durch Einsetzen der relevanten physikalischen und geometrischen Eigenschaften der Dose kann der Wärmedurchgangskoeffizient berechnet werden. Der thermodynamische Wirkungsgrad wurde geschätzt, indem die von der Dose verlorene Wärme durch die Wärme dividiert wurde, die zum Schmelzen des Eises während des Laufs erforderlich ist. Bei sequentiellen Durchläufen mit konstanter Drehzahl konnte gezeigt werden, dass die Kühlleistung mit längeren Zykluszeiten verbessert wurde. Die sequentiellen Zyklen zeigen jedoch, dass die Kühleffizienz mit der Zeit abnimmt. Diese Verringerung des Wirkungsgrads tritt häufig bei der Wärmeübertragung auf, wenn die Temperaturdifferenz, die die Wärmeübertragung antreibt, kleiner wird. Das Variieren der Drehzahl bei einer festen Laufzeit zeigt den Einfluss der Drehzahl auf die Kühlleistung. Eine schnellere Schleuderzeit führte zu einem größeren Temperaturabfall innerhalb der Dose. Der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung war am größten, wenn das Schleudern und Kühlen mit der höchsten Drehzahl betrieben wurde.

Der beim Spin-and-Chill beobachtete Wärmeübertragungsprozess ist in vielen Labor- und Industrieumgebungen zu beobachten. Das Hochdruckgefrieren wird verwendet, um Gewebeproben für die Transmissionselektronenspektroskopie zu konservieren. In einem Prozess, der dem Spin-and-Chill-Verfahren entspricht, werden die Proben unter Druck stehenden Flüssigstickstoffstrahlen ausgesetzt. Ermöglicht eine schnelle, zerstörungsfreie Kryofixierung. Dies ist besonders nützlich für pflanzliches Gewebe, das schnell eingefroren werden muss, um Zellschäden durch Eisbildung zu vermeiden. Ähnliche Verfahren werden zur Konservierung von menschlichen Muskelzellen oder Stammzellen eingesetzt. Auch Kernreaktoren arbeiten nach dem Prinzip der konvektiven Wärmeübertragung. Sie enthalten einen Kern, in dem eine hochgradig kontrollierte Spaltreaktion stattfindet. Der Kern wird in einen Strom von unter Druck stehendem Wasser getaucht, das die durch die Spaltreaktion erzeugte Wärme absorbiert und verdampft. Das verdampfte Wasser wird dann zum Antrieb von Generatoren verwendet. Die Sicherheit dieser Reaktoren, unabhängig von ihrer Größe, hängt weitgehend von der Kontrolle des konvektiven Wärmeübertragungsprozesses ab, der in seinem Kern stattfindet.

Sie haben gerade die Einführung von JOVE in die Wärmeübertragung im Spin-and-Chill-Verfahren gesehen. Sie sollten jetzt mit der konvektiven Wärmeübertragung, einem Verfahren zur Messung von Parametern, die die konvektive Wärmeübertragung beeinflussen, und einigen Anwendungen vertraut sein. Wie immer vielen Dank fürs Zuschauen.