Évaluation du transfert de chaleur d'un Spin-and-Chill

Les spin-and-chills sont des exemples domestiques de technologie de transfert de chaleur. Ils peuvent être analysés pour comprendre les processus d’ingénierie qui sont largement étudiés et appliqués dans l’industrie. Les boissons gazeuses refroidissent les boissons gazeuses beaucoup plus rapidement que les réfrigérateurs ou les glacières. Ils fonctionnent en faisant tourner des canettes de soda dans un réservoir de glace à des vitesses de centaines de tours par minute. Le spin-and-chill utilise le transfert de chaleur par convection pour refroidir les canettes de soda. En mesurant la vitesse de refroidissement dans différentes conditions, le comportement convectif peut être déterminé. Ce qui peut être utilisé pour améliorer l’efficacité du refroidissement ainsi que pour modéliser et comprendre les situations de transfert de chaleur associées. Cette vidéo illustre les principes de fonctionnement du système de centrifugation, présente des expériences qui évaluent le transfert de chaleur par convection et traite des applications connexes.

Le spin-and-chill est modélisé comme étant constitué d’une canette de soda chaude immergée dans un grand environnement froid. La boîte a des parois minces et est remplie de liquide. Le fluide est le plus chaud au centre et le plus froid au niveau de la jante. Et la distribution de la température est symétrique autour de l’axe de rotation de la boîte. Au fur et à mesure que la boîte tourne, le fluide à l’intérieur est refroidi. On suppose que les environs sont si vastes qu’ils ne se réchauffent pas sensiblement. Cette visualisation peut être divisée en plusieurs zones, chacune caractérisée par sa distribution de température unique et son mécanisme de transfert de chaleur. Le mur est modélisé comme une fine membrane. Son mécanisme dominant de transfert de chaleur est la conduction. La propagation de la chaleur sans mouvement macroscopique du milieu. La paroi de la boîte est si mince, cependant, que la conduction dans la paroi est négligeable. De chaque côté se trouvent des couches limites, des régions de fluide avec de forts gradients de température. Ici, le mécanisme dominant de transfert de chaleur est la convection. Transfert de chaleur aidé par le mouvement des fluides. Lors d’une rotation rapide, la conduction est négligeable à l’intérieur de la boîte, car le contenu est bien mélangé. Enfin, dans les régions en vrac, la conduction prédomine à nouveau. Cependant, comme le volume de glace est important par rapport au liquide dans la boîte, la température dans la phase de glace en vrac ne change pas sensiblement. Et la conduction est négligeable. Étant donné que la conduction à l’intérieur de la boîte est négligeable et que la convection est le facteur déterminant dans le refroidissement du fluide dans la boîte, l’analyse des paramètres regroupés peut être utilisée pour modéliser le comportement de refroidissement. L’analyse des paramètres regroupés réduit un système thermique à une seule résistance regroupée discrète. Où la différence de température de chaque résistance individuelle est considérée comme inconnue. Le modèle à paramètres regroupés suppose que la plus grande résistance au transfert de chaleur se produit dans les couches limites. Au fur et à mesure que la boîte se refroidit avec le temps, la température de la vrac diminue uniformément sur son volume. À l’aide de l’équation présentée, on peut calculer le coefficient de transfert de chaleur grumeleux, h, pour une boîte refroidie à l’aide d’un système de centrifugation. Le coefficient de transfert de chaleur prend en compte toutes les résistances au transfert de chaleur par convection et les regroupe en une seule constante. Cette constante est un rapport entre le flux de chaleur et la force motrice du flux de chaleur. Dans ce cas, la différence entre la température du liquide dans la boîte et la température de la glace. Ce sont les principes. Voyons maintenant comment étudier le transfert de chaleur par convection à l’aide d’un spin-and-chill.

La procédure nécessite une rotation et un refroidissement, de la glace et une boîte d’échantillon en aluminium scellable. Notez les dimensions de la boîte. Remplissez-le d’eau et notez sa masse et sa température. Fermez ensuite la boîte avec un couvercle en plastique. Pesez la glace qui sera utilisée dans la configuration. Chargez-le dans l’appareil et, enfin, insérez la boîte en aluminium. Réglez l’essorage et le refroidissement pour effectuer un seul cycle de deux minutes à 300 tr/min et allumez-le. Une fois l’essorage terminé, retirez la boîte, retirez le couvercle et mesurez la température de l’eau. Enfin, utilisez un cylindre gradué pour mesurer la quantité de glace qui a fondu. Utilisez des cycles séquentiels pour évaluer les effets d’une durée de fonctionnement plus longue sur le refroidissement du liquide dans la boîte. Dans les cycles séquentiels, un cycle de deux minutes est effectué comme précédemment et la température est enregistrée. Ensuite, la boîte est remplacée dans l’essorage et le refroidissement, et un autre cycle de deux minutes est démarré. En plus du temps d’essorage, étudiez l’effet de la modification d’autres paramètres. Tels que la vitesse de rotation sur les performances de refroidissement. Effectuez des cycles de deux minutes à plusieurs vitesses, allant de quelques tr/min à plus de 500 tr/min.

La moyenne des données du modèle à paramètres regroupés a été calculée sur 10 essais en une seule série. Chacun dure deux minutes à 300 tr/min. En moyenne, une course de deux minutes a permis de réduire la température de la canette de 82,12 degrés Fahrenheit à 55,88 degrés Fahrenheit. En remplaçant les caractéristiques physiques et géométriques pertinentes de la boîte, le coefficient de transfert de chaleur peut être calculé. L’efficacité thermodynamique a été estimée en divisant la chaleur perdue par la boîte à la chaleur nécessaire pour faire fondre la glace pendant le passage. En utilisant des cycles séquentiels à un régime constant, il a été démontré que les performances de refroidissement étaient améliorées avec des temps de cycle plus longs. Cependant, les cycles séquentiels montrent que l’efficacité du refroidissement diminue avec le temps. Cette diminution de l’efficacité est courante dans le transfert de chaleur, lorsque la différence de température entraînant le transfert de chaleur devient plus petite. La variation des régimes à un temps de fonctionnement fixe montre l’effet de la vitesse sur les performances de refroidissement. Un temps d’essorage plus rapide a entraîné une baisse de température plus importante à l’intérieur de la boîte. L’efficacité du transfert de chaleur était la plus élevée lorsque l’essorage et le refroidissement étaient utilisés au régime le plus élevé.

Le processus de transfert de chaleur observé dans le spin-and-chill est observé dans de nombreux laboratoires et environnements industriels. La congélation à haute pression est utilisée pour conserver les échantillons de tissus pour la spectroscopie électronique en transmission. Dans un processus analogue au spin-and-chill, les échantillons sont exposés à des jets d’azote liquide sous pression. Permet une cryofixation rapide et non destructive. Ceci est particulièrement utile pour les tissus végétaux, qui doivent être rapidement congelés pour éviter les dommages cellulaires dus à la formation de glace. Des procédures similaires sont utilisées pour préserver les cellules musculaires humaines ou les cellules souches. Les réacteurs nucléaires fonctionnent également selon les principes du transfert de chaleur par convection. Ils contiennent un noyau à l’intérieur duquel se produit une réaction de fission hautement contrôlée. Le cœur est immergé dans un courant d’eau sous pression, qui absorbe la chaleur générée par la réaction de fission et se vaporise. L’eau vaporisée est ensuite utilisée pour faire fonctionner les générateurs. La sûreté de ces réacteurs, quelle que soit leur échelle, dépend en grande partie du contrôle du processus de transfert de chaleur par convection qui se produit en son cœur.

Vous venez de regarder l’introduction de JOVE au transfert de chaleur dans le spin-and-chill. Vous devriez maintenant être familiarisé avec le transfert de chaleur par convection, une procédure de mesure des paramètres affectant le transfert de chaleur par convection, et certaines applications. Comme toujours, merci d’avoir regardé.