$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Gli spin-and-chill sono esempi domestici di tecnologia di trasferimento del calore. Possono essere analizzati per comprendere i processi ingegneristici ampiamente studiati e applicati nell'industria. Gli spin-and-chill raffreddano le bevande analcoliche molto più velocemente dei frigoriferi o delle ghiacciaie. Funzionano facendo rotolare le lattine di soda all'interno di un serbatoio di ghiaccio a velocità di centinaia di giri al minuto. Lo spin-and-chill utilizza il trasferimento di calore convettivo per raffreddare le lattine di soda. Misurando la velocità di raffreddamento in diverse condizioni, è possibile determinare il comportamento convettivo. Che può essere utilizzato per migliorare l'efficienza di raffreddamento, nonché per modellare e comprendere le situazioni di trasferimento del calore correlate. Questo video illustra i principi di funzionamento dello spin-and-chill, dimostra gli esperimenti che valutano il trasferimento di calore convettivo e discute le applicazioni correlate.
Lo spin-and-chill è modellato come costituito da una lattina di soda calda immersa in un grande ambiente freddo. La lattina ha pareti sottili ed è piena di liquido. Il fluido è più caldo al centro e più freddo al bordo. E la distribuzione della temperatura è simmetrica attorno all'asse di rotazione della lattina. Mentre la lattina gira, il fluido all'interno viene raffreddato. Si presume che l'ambiente circostante sia così grande da non riscaldarsi in modo apprezzabile. Questa visualizzazione può essere suddivisa in diverse zone, ciascuna caratterizzata da una distribuzione della temperatura e da un meccanismo di trasferimento del calore unici. La parete è modellata come una sottile membrana. Il suo meccanismo dominante di trasferimento del calore è la conduzione. La diffusione del calore senza movimento macroscopico del fluido. La parete della lattina è così sottile, tuttavia, che la conduzione nella parete è trascurabile. Su entrambi i lati ci sono strati limite, regioni di fluido con forti gradienti di temperatura. Qui il meccanismo dominante del trasferimento di calore è la convezione. Trasferimento di calore aiutato dal movimento dei fluidi. Durante la centrifuga rapida, la conduzione è trascurabile all'interno della lattina, perché il contenuto è ben miscelato. Infine, nelle regioni di massa, la conduzione predomina ancora una volta. Tuttavia, poiché il volume di ghiaccio è grande rispetto al fluido nella lattina, la temperatura nella fase di ghiaccio sfuso non cambia in modo apprezzabile. E la conduzione è trascurabile. Poiché la conduzione all'interno della lattina è trascurabile e la convezione è il fattore determinante nel raffreddamento del fluido nella lattina, l'analisi dei parametri concentrati può essere utilizzata per modellare il comportamento di raffreddamento. L'analisi dei parametri concentrati riduce un sistema termico a una singola resistenza concentrata discreta. Dove la differenza di temperatura di ogni singola resistenza è considerata sconosciuta. Il modello a parametri concentrati presuppone che la massima resistenza al trasferimento di calore si verifichi negli strati limite. Man mano che la lattina si raffredda nel tempo, la temperatura della massa diminuisce uniformemente nel suo volume. Utilizzando l'equazione mostrata, è possibile calcolare il coefficiente di scambio termico concentrato, h, per una lattina che viene raffreddata utilizzando una centrifuga e raffredda. Il coefficiente di scambio termico tiene conto di tutte le resistenze al trasferimento di calore convettivo e le raggruppa in un'unica costante. Questa costante è un rapporto tra il flusso di calore e la forza motrice del flusso di calore. In questo caso, la differenza tra la temperatura del fluido nella lattina e la temperatura del ghiaccio. Questi sono i principi. Ora dimostriamo come studiare il trasferimento di calore convettivo utilizzando uno spin-and-chill.
La procedura richiede una centrifuga e un chill, ghiaccio e un barattolo di alluminio sigillabile. Registra le dimensioni della lattina. Riempilo d'acqua e registrane la massa e la temperatura. Quindi sigillare la lattina con un coperchio di plastica. Pesare il ghiaccio che verrà utilizzato nella configurazione. Caricalo nell'apparecchio e, infine, inserisci la lattina di alluminio. Impostare la centrifuga e raffreddare per eseguire un singolo ciclo di due minuti a 300 giri/min e accenderla. Al termine della centrifuga, estrarre la lattina, rimuovere il coperchio e misurare la temperatura dell'acqua. Infine, utilizzare un cilindro graduato per misurare la quantità di ghiaccio che si è sciolto. Utilizzare cicli sequenziali per valutare gli effetti di tempi di funzionamento più lunghi sul raffreddamento del fluido nella lattina. Nei cicli sequenziali, viene eseguito un ciclo di due minuti come prima e viene registrata la temperatura. Quindi la lattina viene sostituita nella centrifuga e viene avviato un altro ciclo di due minuti. Oltre al tempo di centrifuga, studia l'effetto della modifica di altri parametri. Come la velocità di rotazione sulle prestazioni di raffreddamento. Esegui cicli di due minuti a più velocità, da pochi giri/min a oltre 500 giri/min.
I dati per il modello a parametri concentrati sono stati calcolati in media su 10 prove a esecuzione singola. Ciascuno della durata di due minuti a 300 giri/min. In media, una corsa di due minuti ha diminuito la temperatura della lattina da 82,12 gradi Fahrenheit a 55,88 gradi Fahrenheit. Sostituendo le caratteristiche fisiche e geometriche rilevanti della lattina, è possibile calcolare il coefficiente di scambio termico. L'efficienza termodinamica è stata stimata dividendo il calore perso dalla lattina per il calore necessario per sciogliere il ghiaccio durante la corsa. Utilizzando esecuzioni sequenziali a un numero di giri costante, è stato dimostrato che le prestazioni di raffreddamento sono migliorate con tempi di ciclo più lunghi. Tuttavia, i cicli sequenziali mostrano che l'efficienza di raffreddamento diminuisce con il tempo. Questa diminuzione dell'efficienza è comune nel trasferimento di calore, quando il differenziale di temperatura che guida il trasferimento di calore diventa più piccolo. La variazione degli RPM a un tempo di esecuzione fisso mostra l'effetto della velocità sulle prestazioni di raffreddamento. Un tempo di centrifuga più rapido ha portato a un calo di temperatura maggiore all'interno della lattina. L'efficienza di trasferimento del calore era massima quando la centrifuga e il raffreddamento venivano azionati al massimo numero di giri.
Il processo di trasferimento del calore osservato nella centrifuga e nel raffreddamento è osservato in molti laboratori e ambienti industriali. Il congelamento ad alta pressione viene utilizzato per conservare campioni di tessuto per la spettroscopia elettronica a trasmissione. In un processo analogo allo spin-and-chill, i campioni sono esposti a getti di azoto liquido pressurizzato. Consente una criofissazione rapida e non distruttiva. Ciò è particolarmente utile per i tessuti vegetali, che devono essere rapidamente congelati per prevenire danni cellulari dovuti alla formazione di ghiaccio. Procedure simili vengono utilizzate per preservare le cellule muscolari umane o le cellule staminali. Anche i reattori nucleari funzionano secondo i principi del trasferimento di calore convettivo. Contengono un nucleo all'interno del quale avviene una reazione di fissione altamente controllata. Il nocciolo è immerso in un flusso di acqua pressurizzata, che assorbe il calore generato dalla reazione di fissione e vaporizza. L'acqua vaporizzata viene quindi utilizzata per azionare i generatori. La sicurezza di questi reattori, indipendentemente dalla scala, dipende in gran parte dal controllo del processo di trasferimento del calore convettivo che avviene al suo interno.
Hai appena visto l'introduzione di JOVE al trasferimento di calore nello spin-and-chill. A questo punto si dovrebbe avere familiarità con il trasferimento di calore convettivo, una procedura per misurare i parametri che influenzano il trasferimento di calore convettivo e alcune applicazioni. Come sempre, grazie per la visione.
