Summary
Her præsenteres en protokol til at påvise dannelsen af is, når vand indføres til et koldt bad af saltvand, som et sekundært kølemiddel, ved en række temperaturer langt under frysepunktet for vand. Det kan bruges som en alternativ måde at producere is for industrien.
Abstract
Vi viser en fremgangsmåde til undersøgelse af varme- og masseoverførsel og indefrysningen fænomener i en underafkølet saltlage miljø. Vores forsøg viste, at under de rette betingelser, kan isen fremstilles, når vand indføres til et bad af kold saltvand. For at gøre is-dannelse, ud over at have den saltvand og vand blandes, skal hastigheden for varmeoverførsel omgå den for massetransport. Når vand indføres i form af små dråber til saltlage overflade, måden for varme- og masseoverførsel er ved diffusion. Opdriften stopper vand fra blanding med saltlagen nedenunder, men da isen bliver tykkere, det sinker hastigheden af varmeoverførsel, hvilket gør is vanskeligere at stige som følge. Når vand indføres inde i saltlage i form af en strøm, er en række faktorer fundet at påvirke hvor meget der kan dannes is. Brine temperatur og koncentration, som er de drivende kræfter i varme- og massetransport, henholdsvis kan påvirke vand-til-ice konvertering ratio; lavere bad temperaturer og saltlage koncentrationer tilskynde mere is til at danne. Strømmen reologi, som direkte kan påvirke både varme- og massetransport koefficienter, er også en vigtig faktor. Desuden, strømmen rheologi ændrer kontaktområdet for flowet med bulkvæskens.
Introduction
Ice slam er flittigt brugt i industrien, og en særligt vellykket ansøgning er is-pigging teknologi 1, 2. I sammenligning med den konventionelle skum og solid gris, kan isen gris rejser gennem komplekse topologier over en lang afstand på grund af smøring virkning af væskefasen og højden af sin frysepunkt som nogle af iskrystaller smelter 3, 4, 5 . Selv hvis grisen sidder fast, kan man blot vente på isen slam til at smelte og genoptage renseprocessen senere. Denne metode til rørrensning er billigt og let at bruge.
Isen fraktion spiller en central rolle i udførelsen af isen gris. For at måle isen fraktion, kan man anvende en cafetière (fransk presse) at bestemme, om isen opslæmning er tyk nok 6,"> 7. En høj cafetière is fraktion, typisk 80%, er ved udførelsen af is grise. Nylig forskning på online is fraktion detektion viste, at både elektromagnetiske og ultrasoniske bølger er egnede til jobbet 8, 9, 10, 11.
Isen gris er sædvanligvis fremstillet af en skrabet-overflade ismaskine fra en 5 vægt% NaCl-opløsning (brine). Det er også den primære måde at gøre is slam i industrien. Denne type ismaskine fryser vand eller saltlage på en kold metallisk overflade, typisk en glat 316 stål overflade og derefter cyklisk sakse isen partikler fra. De flydende-til-metal grænseflader er meget komplekse og påvirkes af en bred vifte af faktorer, der er afgørende for is gør 12. Interfacet mellem ikke-metal og vand kan være meget forskellige, og en særligt interessant eksempel er Kaolinit. Den Kaolinite-vand-grænsefladen er speciel, fordi der ikke er en positiv is struktur støder op til den faste overflade, men snarere et lag af amfoter substrat væske, der tilskynder isen-lignende hydrogenbundne klynger til dannelse på toppen af det 13, 14. En anden måde at producere isen svin kræver knusning premade isblokke mens høj koncentration saltvand tilsættes samtidigt. Til denne fremgangsmåde kan kølesystemet kørt med en meget højere fordampningstemperatur fordi ingen frysepunktsnedsættende middel (FPD) tilsættes før dannelsen af is; og det er derfor anset for mere effektive på grund af den sænkede kompressionsforhold og mindsket effekt for en given køling told 15, 16, 17.
Der er to andre is produktionsmetoder: fremstilling is fra underafkølet vand og sætte kølemiddel og vand i direkte kontakt
Isdannelsen kræver varme- og masseoverførsel grund af den latente smeltevarme genereres i processen. Det blev først opdaget af Osborn Reynolds i 1874, at transporten af varme og masse i gasser er stærkt koblet og kan udtrykkes i lignende matematiske formler 20. Dette arbejde dannede banebrydende papir om emnet momentum, varme og massetransport i væsker og blev genoptrykt flere gange 21, 22. Dette emne blev derefter undersøgt af enrække andre, fra både analytiske og empiriske metoder, for gasser, væsker og smeltet metal 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33. Bortset fra varmen og massetransport, væsken brug nukleeringssteder hvor dendritiske is vækst kan udvikle. En moderne indsigt i væksten af iskrystaller bruger Constructal Law, udviklet af Adrian Bejan, at forklare, hvorfor isen vokser på denne måde 34, 35, 36.
Isdannelse i saltlage er meget forskellig fra den i rent vand på grund af eksistensen af salt. Først og fremmest, salt ændrer termodynamik fluidet og nedtrykker dens frysepunkt. For det andet kan salt ikke opløses i isen matrix (undtagen hydrohalite, som kun kan dannes, når temperaturen når den eutektiske punkt), og det afvises til bulkvæskens når isen begynder at vokse. Afvisningen af salt blev opdaget i både havis og is undersøgt i laboratoriet 37, 38. Da den afviste høj koncentration saltvand har en temperatur langt under frysepunktet for havvand, som det stiger ned, is vokser ved grænsefladen mellem den strømmende saltvand og den hvilende bulkvæskens. Disse is stalaktitter, også navngivne brinicles, blev først opdaget i McMurdosundet, Antarktis og blev undersøgt eksperimentelt 39, 40, 41, 42. I 2011 BBC filmet dannelsen af brinicles i sin Frozen Planet serien"xref"> 43, 44.
I vores laboratorium, blev det opdaget, at ved at vende de strømmende og hvilende væsker, når vand indføres til et bad af kold brine, kan vandet omdanne til is under de rette betingelser 45. Det blev konstateret, at det sted, hvor vand indføres, flow rheologi, og saltvand temperatur og koncentration er alle vigtige faktorer, der påvirker, hvor meget is kan produceres. Det overordnede mål med denne undersøgelse er at undersøge, om en ismaskine kan udvikles gennem denne mekanisme til at generere is slam, i betragtning af at den forhøjede fordamper temperatur og den høje væske-til-væske varmeoverførsel kan øge effektiviteten af energiforbruget. Denne artikel aksjer centrale aspekter af forsøget.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Forsigtig: Der er to giftige kemikalier, methanol og ethylenglycol, blev anvendt i disse eksperimenter. Methanol kan metaboliseres i kroppen til at generere formaldehyd og derefter til myresyre eller formiatsalt. Disse stoffer er giftige for centralnervesystemet og kan endog medføre døden. Ethylenglycol kan oxideres til glycolsyre, som derefter kan blive til oxalsyre. Dette kan medføre nyresvigt og død. Drik ikke disse kemikalier. Søg læge straks, hvis der sker en ulykke.
1. Kølesystem
BEMÆRK: Det er meget vanskeligt at holde saltvand ved -18 ° C eller deromkring, når omgivelsestemperaturen er nogenlunde ved stuetemperatur. Det er vigtigt, at tankene lagring af ethylenglycol og saltvand er velisoleret og af en rimelig størrelse for at undgå overskydende elforbrug og for at sikre optimal systemydelse. Det anbefales, at tanken størrelse ikke overstiger 30 L.
- Forbered sekundære kølende væske
- Hæld 1 liter ethylenglycol i den sekundære køletank, Tank A (Base: 400 mm × 200 mm, Højde: 350 mm). Tilføj omtrent 0,6 til 0,65 L (600-650 g) vand til tank A.
- Gentag trin 1.1.1 adskillige gange, indtil der er tilstrækkelig væske i Tank A (25 L).
- Omrør væsken så væsken er homogen.
- Tænd de to pumper i Tank A til indstillingen fuld kapacitet (2.500 l / h). Sørg for, at alle bobler fanget i varmevekslerne og rør frigives.
- Sluk pumpen for at observere, om frigives alle boblerne. Hvis ikke, gentages trin 1.1.4.
- Fremstilling af saltvand
BEMÆRK: I dette eksempel er 22 vægt-% saltvand fremstillet. Hvis der er behov for andre koncentrationer, bør massen af tilsat salt også ændres i overensstemmelse hermed. De henvisning saltlage koncentration og densitetsværdier kan findes på side D-257 i 64 th Edition (1983) af the Gummibibelen 46.- Tilsættes 4 kg vand i en 5-L plastbæger.
- Mål 1 kg NaCl salt på en elektronisk vægt og hæld dette salt i bægeret med vand.
- Omrør blandingen indtil opløsningen er klar (dvs., der er ingen salt partikler eller vand bobler synlige i opløsningen).
- Tag en prøve, ~ 10 ml, af opløsningen under anvendelse af en 10 ml sprøjte.
- Injicere væsken ind i U-røret density meter.
- Kontroller for luftbobler i slangen. Hvis der er nogen, injicere mere væske til at skubbe dem ud.
- Tryk "Hurtige indstillinger" og vælg "Density Temperatur." Indtast 20 ° C og tryk på "OK". Densiteten meter vil nu måle fluidum densitet ved denne temperatur.
- Tryk på start og vente på resultatet.
- Sammenlign tætheden læsning med 1164,00 kg / m 3.
- Tilføj mere salt hvis aflæsningen er under SAMMENLIGNINGn tæthed. Tilsæt vand, hvis ellers.
- Gentag trin 1.2.3-1.2.10 indtil væsken tæthed er korrekt (1164.00 kg / m3).
- Hæld denne opløsning i en større beholder, Container A.
- Brug trin 1.2.1-1.2.12 at gøre 35-40 liter saltvand og sætte Container A i en kummefryser ved -40 ° C. Hold saltlage der for 48-72 timer, indtil dens temperatur når -19,18 ° C (frysepunktet i denne 22 vægt% saltlage).
2. Forberedelse af Ice for injektion og vaskevand
- Forbered is for indsprøjtning af vand
- Hæld 1 liter vand i en lille beholder (200 x 200 x 50 mm).
- Gentag trin 2.1.1 med en anden container og placere de to beholdere i kummefryser ved -40 ° C.
- Holde dem i fryseren i 10 timer eller mere for at sikre, at alt vand er frosset.
- Forbered vaskevandet ice shell
- Fyld en 5-L bægerglas med 5 liter vand.
- Fyld en 2-liters bægerglas med 2 I vand.
- Placer begge bægerglas ind i kummefryser ved -40 ° C i 8-10 timer, således at der er en tyk skal af is indpakning omkring ufrosne vand.
- Brug en høj hastighed vandstråle med en hastighed på 3-5 m / s fra hanen til at åbne en huldiameter 3-cm ved toppen af isen skallen.
- Tøm vandet inde i isen skallen.
- Sætte de to bægre tilbage i fryseren.
- Hvis massen af isen skallen ikke når 3 kg og 1 kg for de to bægre henholdsvis gentage trin 2.2.1-2.2.5, men holde bægerglassene i fryseren længere i trin 2.2.3. De to bægre skulle nu være i stand til at indeholde 2 L og 1 l vand, hhv.
3. Vand Indledning holdning og rheologikontrollerende Experiment
- Indføre vand ved brine overflade
- Dekanteres 2 I 22 vægt% kold brine fra Container A ind ialuminium spand ismaskinen og kontakt på køleenheden.
- Måle temperaturen på saltopløsningen med et termometer / termoelement (enten K-Type eller T-typen, er egnede). Carry på eksperimentet, hvis saltlage er -15 ° C eller lavere.
- Fyld 100 ml glassprøjte med ledningsvand ved stuetemperatur. Vedhæfte en 2-mm indvendig diameter, 1 mm tykt, og 1-m lang silikoneslange til spidsen af sprøjten.
- Placer sprøjte ved en bestemt position, således at der er et hoved mellem vandet i sprøjten og afgangen fra silikoneslange. Det hydrostatiske tryk vil presse vandet ud af røret.
- Nedsænkes en vis længde silikoneslange, typisk 70 cm, i saltvand.
- Justere den relative position mellem sprøjten og røret udgangen, således at det hydrostatiske tryk er stor nok til at tillade vand at forlade sprøjten. Hvis røret er blokeret, øge hovedet ved at hæve sprøjten til en større vertikal position, UNTil det hydrostatiske tryk kan overvinde forskydningsspændingen inden i røret.
- Hold røret exit ca. 1 cm eller mindre over saltlage overflade.
- Justere længden af dykrør og sprøjten højde for at styre vandets udløb lad temperatur og strømningshastighed for at bestemme hvor meget is kan fremstilles eller hvor meget blanding forekommer ved brine overflade. bør nu observeres indefrysningen fænomen ved brine overflade. Se reference 45 for yderligere retning.
- Indføre vand gennem saltvand
- Gentag trin 3.1.1-3.1.6.
- Hold røret exit inde i saltvand, fortrinsvis i bunden af beholderen.
- Justere længden af et dykrør og sprøjten højde.
- Justere vinklen af røret exit at styre rheologien af strømningen.
- Gentag trin 3.2.3-3.2.4 at finde den bedste koblet flow rheologi og strømningshastighed, der kan producere den mest is.
- Lav is
- Hvis der er bobler i rørene, tænde de to pumper inde Tank A at frigive boblerne ud af glycol omsætning system, og derefter slukke pumperne.
- Tænd de tre køleanlæg og lad dem køre i 10-16 timer at køle ned ethylenglycol løsninger.
- Mål ethylenglycolopløsning med et termometer / termoelement. Den glycol temperatur bør være ved ca. -25 ° C.
- Mål temperaturen i saltlage i Container A for at sikre det er på -19 ° C, før du fortsætter til trin 4.1.5.
- Fyld saltlage tank, Tank B, med omtrent 30 L af saltlage fra Container A og switch på de to pumper i Tank A.
- Måle temperaturen af glycol i tank A. Hvis det er koldere end -19 ° C, slukke en eller flere køleenheder for at undgå udfældning af ispartikler uden varmevekslerne in Tank B. Hvis temperaturen er varmere end den forventede brinetemperatur, tænde alle tre køleenheder. Udfør eksperimentet ved -17 ° C til -19 ° C.
- Placer de to premade isblokke fra trin 2.1 i den isolerede 5-L bægerglas, Container B, og hæld ca. 3 l vand i bægerglasset.
- Mål vandtemperaturen og holde det ved 2 ° C ved omrøring af blandingen mellem forsøgene, hvis temperaturen stiger.
- Fyld glassprøjte med 100 ml af 2 ° C vand.
- Påfør 5-10 ml methanol til glasset vindue af tank B at stoppe kondens og isdannelse.
- Injicere vand i saltvand ved at justere den relative position mellem sprøjten og rørets exit således at der er en konstant hydrostatisk tryk og dermed en konstant strømningshastighed. Omkring 70 cm af silikoneslange bør nedsænket i saltvand. Justere vinklen på injektion til 0 °, således at den oprindelige vandhastighed i opadgående direktion er 0 m / s.
BEMÆRK: Sprøjten kan være enten håndholdt eller fastspændt på et stativ. Håndholdt er mere hensigtsmæssigt, når brinetemperaturen er koldere, fordi det tager længere tid at tilpasse en stand, og is kan blokere røret. Hold flow rheologi konsekvent gennem hele eksperimentet ved at sikre en konstant strømningshastighed og injektion vinkel (0 °), og ved at holde frysning grænse ca. 3 cm over røret exit. Lad ikke strømmen ind i området, hvor det begynder at vende turbulent 47. Se reference 45 for yderligere retning. - Indsamle isen som beskrevet i trin 4.2 og 4.3. Gentag trin 4.1.8 - 4.1.11 ved forskellige brinetemperaturerne.
- Saml den producerede is og anslå, hvor meget is produceres (tør samling)
- Sæt en beholder (200 × 200 × 50 mm) på skalaen og nul læsningen ved at trykke på "Turn On" knappen.
- Brug sien til at øse ud af isen og rystesaltlagen.
- Sætte dette is i beholderen. Måle massen af isen med skalaen.
- Efter at isen er smeltet, bruge 10-ml sprøjte til at tage en prøve. Injicer denne prøve af væske i densitetsmåler.
- Udfør trin 1.2.6-1.2.9.
- Noteres den densitet læsning.
- Beregn nettovægt vandmasse fra dets densitet (dvs. massen af vand omdannes til is) efter følgende formel:
hvor
er brinekoncentrationen vægt-% og 
og 
er masserne af salt og vand, hhv.
- Saml den producerede is og anslå, hvor meget is produceres (våd samling)
- Fyld 5-liters bægerglas med en is shell (trin 2.2) og rum-temperatur postevand. Sæt den tilbage i fryseren ved -40 ° C.
- Dekanteres vandet med isen skallen fra 5-liters bægerglas i en 2-liters bægerglas, når dens temperatur er ved 0 ° C. Fyld 5-L bægerglas. Hold begge bægre i fryseren.
- Øse ud isen fremstillet i trin 4.1.8 og 4.1.9 og hæld 200-500 ml vand fra 2-liters bægerglas på isen at vaske det. Ryst ikke sien før påføring af 0 ° C vand.
- Ryst fluidet i sigte.
- Gentag trin 4.2.2-4.2.7.
er brinekoncentrationen vægt-% og 
og 
er masserne af salt og vand, hhv. Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 sammenligner virkningerne af vand indført på brine overflade til vand injiceres gennem saltvand. I "ice-cap" scenario, det dannede isen er fast, fordi vandet ikke blandes meget med bulkvæskens. temperaturforskellen og tæthed mellem de to fluider genererer opdrift kraft på vandet og forhindrer dem i at blande. Begge væsker er statisk (dvs. varmeoverførslen er meget større end den af massen; Sc ≈ 500, Pr ≈ 10, og Le ≈ 50), så isen kan nemt dannes. Der er hverken dannelsen af en grødet lag eller saltafvisning i dette forsøg. Når isen bliver tykkere, vil det hæmme hastigheden for varmeoverførsel grundet dens lave varmeledningsevne og påvirke hastigheden af isdannelse. På dette tidspunkt kan det tydeligt ses, at den indførte "sweet vand" ikke længere hurtigt kan fryse til en fast stof. Derudover uden konvektion, den lave thermal ledningsevne af selve saltvand hindrer også transporten af den latente varme fra den kolde sink. Hastigheden af isdannelse er direkte forbundet med og meget følsom over brinetemperaturen. For eksempel vand i -15 ° C saltlage fryser meget hurtigere end i -13 ° C saltlage. I vandindsprøjtning tilfældet, formen og størrelsen af isen er relateret til strømmen rheologi. Stangen af is i figur 1 viste har to karakteristiske dele: en lige hovedet efterfulgt af en krøllet hale. Den krøllede afsnit er dannet meget tættere på saltlage overflade, hvor strømmen har mere turbulens til den. Den krøllede hale er normalt meget tyndere end den lige hovedet på grund af indtræden af turbulens, som minimerer forskellen mellem varme- og masseoverførselshastigheder, især på det ydre lag af strømmen, hvor varmen og masse overførsler er de samme. Derfor kan kun den indre kerne fryse til is. Er røret exit holdes vandret i stedet for lodret op, et ark is will blive genereret. Frembringelsen af is bliver mere stabil, og resultaterne er reproducerbare. Endelig fandtes det, at sænkning af strømningshastigheden er ikke en effektiv måde at fjerne blanding. I stedet øger chancerne for blokering af røret.
Vandet injektion vinkel holdes ved 0 ° med vandret akse ved udførelse conversion ratio målinger vand-til-is. Indflydelsen af saltlage temperaturer og koncentrationer er vist i figur 2. De konvertering nøgletal normalt sidder mellem 0,4-0,9 for de undersøgte brinetemperaturerne og koncentrationer. Det er vigtigt at holde flowet rheologi og positionen af isdannelse konstant grænse under hele forsøget. Den store mængde af saltvand i tank B hjælper til at reducere virkningerne af lokale termiske gradienter på målingerne. Forholdet mellem saltlage temperaturen og konvertering er af første orden for den undersøgte temperatur ringedee. Koefficienter til de bedst tilpassede linier er anført i tabel 1. Hvis der anvendes en anden indsprøjtning vinkel, vil konvertering nøgletal vand-til-is ikke længere følge disse relationer, fordi området for kontakt og dermed satserne for varme- og massetransport, er forskellige. Ved afhentning af is, er det vigtigt at holde den kraft, hvormed ryste brine / vaskevand konsekvent og forsøge at minimere mængden af vand tilbage i sigten. Tilsvarende mængder af vand, der anvendes til at vaske saltlage bør anvendes for at undgå inkonsistente resultater. Det blev konstateret, at hvis mere end 500 ml vand anvendes til at vaske isen, enhver yderligere reduktion saltindhold er usandsynlig. Når volumenet er under 200 ml, kan saltholdigheden være så høj som 4 vægt%.
Eftersom fordamperens temperatur er meget højere end en skrabet-overflade ismaskine, som normalt anvender -40 ° C, hvis der anvendes denne metode til at producere is, forventes en højere COPifølge vores beregning i figur 3. Hvis for eksempel fordampertemperaturen hævet til -20 ° C, kan COP næsten nå 3 for kølemiddel R134A.
Figur 1: Vand introduktion position. En "ice cap" kan dannes, når vand indføres i saltlage overflade. En stang af is former når røret udgang skal holdes oprejst. Når vand indsprøjtes i saltlage, formen af isen afhænger af flowet rheologi. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Konvertering forholdet sammenligning ved forskellige saltlage fusioner af best-fit linjen. Både Brine temperatur og koncentration påvirke hvor meget vand kan fryses i is (conversion ratio), når strømningshastigheden og rheologi holdes det samme. Konverteringen Forholdet stiger lineært med et fald i saltlage temperatur. Lavere koncentrationer saltlage ved lavere bad temperaturer dannes mere is. Den vaskemetode indsamler mere is end den tørre-indsamlingsmetode. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: Ydelseskoefficient ved forskellige fordampertemperaturer for en række kølemidler. Højere fordampertemperaturer favoriserer koefficienten af ydeevne (COP) af de kølesystemer. De to overgangsordninger kølemidler (R22 og R134a) har bedre COP end den allerede forbudt R502 og blandinger (R404A og R507A).Klik her for at se en større version af dette tal.
| Saltkoncentration (vægt-%) | tør samling | Våd samling | ||
| p1 | p2 | p1 | p2 | |
| 23.3 | -0,09909 | -1,34 | -0,1196 | -1,439 |
| 22 | -0,1204 | -1,633 | -0,1439 | -1,839 |
| 21 | -0,1261 | -1,682 | -0,1545 | -1,98 |
Tabel 1: Koefficienter for de bedst tilpassede linjer til omdannelse forholdet versus brinetemperaturen diagram. Konverteringen mellem lineært korrelerer med brinetemperaturen efter formlen: 
. Både tør- og våd-indsamlingsmetoder, er vist her.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Processen med is generation hjælp brine som sekundært kølemiddel involverer kombinationen af varme- og masseoverførsel. Hvis varmeoverførslen er større, så der dannes is, før vandet har mulighed for at blande sig med bulkvæskens. Det blev observeret, at når der er en relativ bevægelse mellem den indførte vand og hvilende bulk-saltvand (dvs. indsprøjtning af vand i saltvand), strømningen hjælper varmeoverføringen og tilskynder is at dannes hurtigt. Men når der er for meget turbulens i strømningen, ingen is kan genereres. Den største begrænsning ved denne teknik er den blanding og fortynding af saltlagen. Den saltlage volumen vil holde stiger som processen fortsætter. Derfor, når lave is denne måde, er det vigtigt at være opmærksom på den stigende saltlage volumen og slippe saltvand saltindhold. Desuden blev det observeret, at hvis den genererede is ikke opsamles, vil det smelte. Dette kan skyldes, at saltvand er ikke ved dens smeltetemperatur, idet der både varmeog masseoverføring mellem den dannede is og bulk fluid. Måden til varme- og masseoverførsel er ved kun diffusion, og hastigheden af smeltning er langsom. Men da isen flyder på saltvand overflade, yderligere varme indtrængning fra det omgivende miljø øger hastigheden af isen smelter. Derfor bør den genererede is indsamles straks, når den er produceret for at undgå en yderligere stigning i mængden af saltlagen.
Reduktion fortynding eller adskille vand og salt er i øjeblikket ved at blive undersøgt i vores laboratorium. En af de mange ideer er at genindføre det indsprøjtede vand til et andet rør, som er større i diameter, således at vandet kun vil blive udsat for bulkvæskens for en kort periode, hvilket minimerer ændringen i volumen af det sekundære kølemiddel. Isnukleering vil opstå, når vandet udsættes for saltvand, efterfulgt af færdiggørelsen af isen vækst i større rør. Ved at tilføje denne fast overflade, hovedparten saltholdighed for den genererede is kan styres. For eksempel, hvis lavere saltindhold i isen er påkrævet, kan man tilføje mere "sød vand" til fluidet i den sekundære rør. Den neddykkede Længden af denne sekundære rør kan let ændres, afhængigt af den krævede is brøkdel af produktet.
Strømmen rheologi har en betydelig indvirkning på overfladearealet af kontakt og på området-til-volumen-forholdet af strømmen i bulkvæskens. Vores observationer viser, at et større område af kontakt er mere gunstige for at tilskynde flere is til at danne. Et øget areal med kontakt bør også forbedre massetransport, men er endnu ikke blevet observeret i de undersøgte saltlage temperatur og koncentrationsområde. Det forekommer, at før strømmen kommer ind i overgangszonen, hvor turbulenser og adskillelse af strømningen begynder at opstå, isen vil altid blive oprettet. Hvis flowet udskiller og findes store turbulenser, hver klynge af vandmolekyler brug for sin egen nukleationspunkts, og is kan ikke dannes i disse situationer.
"> Forholdet mellem saltlage temperaturen og vand-til-ice konvertering er lineær, mens en konstant brinekoncentrationen. Forskydningerne af konverteringen forhold som funktion brinetemperaturen bedste tilpasning linier angiver, at brinekoncentrationen også spiller en vigtig rolle i isdannelsen / vand fortyndingsprocessen. på grund af den faseomdannelse, randbetingelserne er meget forskellige i konventionelle varme- og masse-transfer analogi undersøgelser, og dermed disse analogier ikke er tilstrækkelige til at beskrive denne situation.Denne undersøgelse viste også, at eftersom frysning grænse kan fastgøres til en relativ stabil afstand fra afgangen af røret, kan strømmen nå en stationær tilstand tilstand. Dette indikerer, at dette fænomen kan anvendes som en pålidelig ny mekanisme for is produktion i industrien, da en meget højere fordampertemperatur og COP forventes i sammenligning med de eksisterende is-teknikker.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forfatterne har ingen bekræftelser.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Cleaning and separation in conduits. UK patent. Quarini, G. L. , GB2358229, WO0151224 (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]. , Department of Mechanical Engineering, University of Bristol. (2007).
- Shire, G. S. F. The behaviour of ice pigging slurries [dissertation]. , Department of Mechanical Engineering, University of Bristol. (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]. , Department of Mechanical Engineering, University of Bristol. (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]. , Department of Mechanical Engineering, University of Bristol. (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. , Cambridge University Press. Vol. I, 1869-1882, Ch. 14. On the extent and action of the heating surface of steam boilers 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. , Cambridge, UK. 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'. , BBC. (2011).
- Fothergill, A., Berlowitz, V., Attenborough, D. Ch. Winter: Life closes down. in Frozen Planet: A World Beyond Imagination. , BBC books. (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, 64 edn, CRC Press. 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).
