Spin y Chill

Los spin-and-chills son ejemplos domésticos de tecnología de transferencia de calor. Pueden analizarse para comprender los procesos de ingeniería que son ampliamente estudiados y aplicados en la industria. Los centrifugados enfrían los refrescos mucho más rápido que los refrigeradores o las hieleras. Funcionan girando latas de refresco dentro de un depósito de hielo a velocidades de cientos de revoluciones por minuto. El centrifugado utiliza la transferencia de calor convectiva para enfriar las latas de refresco. Al medir la velocidad de enfriamiento en diferentes condiciones, se puede determinar el comportamiento convectivo. Que se puede utilizar para mejorar la eficiencia de enfriamiento, así como para modelar y comprender las situaciones de transferencia de calor relacionadas. Este video ilustra los principios operativos del centrifugado y enfriamiento, muestra experimentos que evalúan la transferencia de calor convectiva y analiza las aplicaciones relacionadas.

El spin-and-chill se modela como si consistiera en una lata de refresco caliente sumergida en un ambiente grande y frío. La lata tiene paredes delgadas y está llena de líquido. El líquido es más caliente en el centro y más frío en el borde. Y la distribución de la temperatura es simétrica alrededor del eje de rotación de la lata. A medida que la lata gira, el líquido del interior se enfría. Se supone que el entorno es tan grande que no se calientan apreciablemente. Esta visualización se puede dividir en varias zonas, cada una caracterizada por su distribución de temperatura y mecanismo de transferencia de calor únicos. La pared está modelada como una membrana delgada. Su mecanismo dominante de transferencia de calor es la conducción. La propagación del calor sin movimiento macroscópico del medio. Sin embargo, la pared de la lata es tan delgada que la conducción en la pared es insignificante. A ambos lados hay capas límite, regiones de fluido con fuertes gradientes de temperatura. Aquí, el mecanismo dominante de transferencia de calor es la convección. Transferencia de calor ayudada por el movimiento de fluidos. Durante el centrifugado rápido, la conducción es insignificante dentro de la lata, porque el contenido está bien mezclado. Finalmente, en las regiones a granel vuelve a predominar la conducción. Sin embargo, debido a que el volumen de hielo es grande en comparación con el fluido en la lata, la temperatura en la fase de hielo a granel no cambia apreciablemente. Y la conducción es insignificante. Debido a que la conducción dentro de la lata es insignificante y la convección es el factor determinante en el enfriamiento del fluido en la lata, el análisis de parámetros agrupados se puede utilizar para modelar el comportamiento del enfriamiento. El análisis de parámetros agrupados reduce un sistema térmico a una sola resistencia agrupada discreta. Donde se considera desconocida la diferencia de temperatura de cada resistencia individual. El modelo de parámetros agrupados asume que la mayor resistencia a la transferencia de calor se produce en las capas límite. A medida que la lata se enfría con el tiempo, la temperatura de la masa disminuye uniformemente a lo largo de su volumen. Usando la ecuación mostrada, se puede calcular el coeficiente de transferencia de calor agrupado, h, para una lata que se enfría usando un centrifugado y enfriamiento. El coeficiente de transferencia de calor tiene en cuenta todas las resistencias a la transferencia de calor convectiva y las agrupa en una constante. Esa constante es una relación entre el flujo de calor y la fuerza impulsora del flujo de calor. En este caso, la diferencia entre la temperatura del fluido en la lata y la temperatura del hielo. Esos son los principios. Ahora vamos a demostrar cómo estudiar la transferencia de calor convectiva usando un spin-and-chill.

El procedimiento requiere un centrifugado y enfriamiento, hielo y una lata de muestra de aluminio sellable. Anota las dimensiones de la lata. Llénalo con agua y registra su masa y temperatura. Luego selle la lata con una tapa de plástico sellada. Pesa el hielo que se utilizará en la instalación. Cárguelo en el aparato y, finalmente, inserte la lata de aluminio. Configure el centrifugado y enfriamiento para realizar un solo ciclo de dos minutos a 300 RPM y enciéndalo. Una vez que se complete el centrifugado, retire la lata, retire la tapa y mida la temperatura del agua. Por último, use un cilindro graduado para medir la cantidad de hielo que se ha derretido. Utilice ciclos secuenciales para evaluar los efectos de los tiempos de funcionamiento más prolongados en el enfriamiento del fluido en la lata. En ciclos secuenciales, se realiza un ciclo de dos minutos como antes y se registra la temperatura. Luego, la lata se reemplaza en el centrifugado y se inicia otro ciclo de dos minutos. Además del tiempo de centrifugado, estudie el efecto de modificar otros parámetros. Como la velocidad de rotación en el rendimiento de enfriamiento. Realice ciclos de dos minutos a múltiples velocidades, que van desde unas pocas RPM hasta más de 500 RPM.

Los datos para el modelo de parámetros agrupados se promediaron en 10 ensayos de una sola ejecución. Cada uno con una duración de dos minutos a 300 RPM. En promedio, una carrera de dos minutos disminuyó la temperatura de la lata de 82.12 grados Fahrenheit a 55.88 grados Fahrenheit. Sustituyendo las características físicas y geométricas relevantes de la lata, se puede calcular el coeficiente de transferencia de calor. La eficiencia termodinámica se estimó dividiendo el calor perdido por la lata entre el calor requerido para derretir el hielo durante la carrera. Utilizando carreras secuenciales a RPM constantes, se demostró que el rendimiento de enfriamiento mejoraba con tiempos de ciclo más largos. Sin embargo, los ciclos secuenciales muestran que la eficiencia del enfriamiento disminuye con el tiempo. Esta disminución de la eficiencia es común en la transferencia de calor, cuando el diferencial de temperatura que impulsa la transferencia de calor se hace más pequeño. La variación de las RPM en un tiempo de funcionamiento fijo muestra el efecto de la velocidad en el rendimiento de enfriamiento. Un tiempo de centrifugado más rápido condujo a una mayor caída de temperatura dentro de la lata. La eficiencia de la transferencia de calor fue mayor cuando el centrifugado y enfriamiento se operó a las RPM más altas.

El proceso de transferencia de calor observado en el centrifugado y enfriamiento se observa en muchos entornos industriales y de laboratorio. La congelación a alta presión se utiliza para preservar muestras de tejido para espectroscopia electrónica de transmisión. En un proceso análogo al centrifugado, las muestras se exponen a chorros de nitrógeno líquido presurizado. Permite una criofijación rápida y no destructiva. Esto es particularmente útil para los tejidos vegetales, que deben congelarse rápidamente para evitar daños celulares a través de la formación de hielo. Se utilizan procedimientos similares para preservar las células musculares humanas o las células madre. Los reactores nucleares también funcionan según los principios de la transferencia de calor por convección. Contienen un núcleo dentro del cual se produce una reacción de fisión altamente controlada. El núcleo se sumerge en una corriente de agua a presión, que absorbe el calor generado por la reacción de fisión y se vaporiza. El agua vaporizada se utiliza para accionar generadores. La seguridad de estos reactores, independientemente de la escala, depende en gran medida del control del proceso de transferencia de calor convectivo que se produce en su núcleo.

Acabas de ver la introducción de JOVE a la transferencia de calor en el spin-and-chill. Ahora debería estar familiarizado con la transferencia de calor por convección, un procedimiento para medir los parámetros que afectan a la transferencia de calor por convección, y algunas aplicaciones. Como siempre, gracias por mirar.