Summary
Qui, presentiamo un protocollo per dimostrare la generazione di ghiaccio quando l'acqua viene introdotta in un bagno freddo di salamoia, come refrigerante secondario, ad una gamma di temperature ben al di sotto del punto di congelamento dell'acqua. Può essere usato come un modo alternativo di produzione di ghiaccio per l'industria.
Abstract
Abbiamo dimostrato un metodo per lo studio del trasferimento di calore e di massa e dei fenomeni di congelamento in un ambiente salamoia sottoraffreddato. Il nostro esperimento ha dimostrato che, in condizioni appropriate, il ghiaccio può essere prodotto quando l'acqua viene introdotta in un bagno di salamoia fredda. Per rendere forma ghiaccio, oltre ad avere la miscela salina e acqua, la velocità di trasferimento di calore deve escludere che di trasferimento di massa. Quando l'acqua viene introdotto in forma di minuscole goccioline sulla superficie salamoia, la modalità di trasferimento di calore e di massa è per diffusione. La spinta idrostatica ferma acqua dalla miscelazione con salamoia sotto, ma come il ghiaccio si ispessisce, rallenta la velocità di trasferimento di calore, rendendo il ghiaccio più difficile da aumentare a seguito. Quando l'acqua viene introdotta all'interno della salamoia nella forma di un flusso, un certo numero di fattori sono evidenziata un'influenza quanto ghiaccio possono formare. la temperatura e la concentrazione Brine, che sono le forze motrici di calore e di massa, rispettivamente, possono influenzare la conversione rati acqua-ghiaccioo; temperature più basse del bagno e le concentrazioni di salamoia incoraggiano più ghiaccio per formare. La reologia flusso, che può influenzare direttamente sia il calore e coefficienti di trasferimento di massa, è anche un fattore chiave. Inoltre, la reologia flusso cambia l'area di contatto del flusso con il fluido bulk.
Introduction
Fanghi di ghiaccio sono ampiamente utilizzati nell'industria, ed una applicazione particolare successo è la tecnologia di ghiaccio pigging 1, 2. Rispetto alla schiuma convenzionale e maiale solido, il maiale ghiaccio può viaggiare attraverso topologie complesse su una lunga distanza a causa dell'effetto di lubrificazione della fase liquida e l'elevazione del suo punto di congelamento alcuni dei ghiaccio cristalli sciolgono 3, 4, 5 . Anche se il maiale si blocca, si può semplicemente attendere che i fanghi di ghiaccio a sciogliersi e riprendere il processo di pulizia in seguito. Questo metodo di pulizia del tubo è economico e facile da usare.
La frazione di ghiaccio gioca un ruolo chiave nella prestazione del maiale ghiaccio. Per misurare la frazione di ghiaccio, si può usare una caffettiera (stampa francese) per determinare se il liquame ghiaccio è sufficientemente spesso 6,"> 7. Una frazione di ghiaccio alta caffettiera, tipicamente 80%, è necessaria quando effettuano pigging ghiaccio. Recenti ricerche sulla rilevazione frazione ghiaccio mostrato che sia le onde elettromagnetiche e ultrasuoni sono adatti per il lavoro 8, 9, 10, 11.
Il maiale ghiaccio è generalmente costituito da un fabbricatore di ghiaccio raschiato superficie da una soluzione di NaCl 5% in peso (salamoia). E 'anche il modo principale di fare fanghi di ghiaccio nel settore industriale. Questo tipo di macchina del ghiaccio congela acqua o acqua salata su una superficie metallica fredda, tipicamente una superficie di 316 liscia e poi cesoie ciclicamente le particelle di ghiaccio al largo. Le interfacce liquido-metallo sono molto complesse e sono interessati da una vasta gamma di fattori che sono essenziali per il ghiaccio fare 12. L'interfaccia tra non-metallo e acqua può essere molto differente, e un esempio particolarmente interessante è Kaolinite. il KaolInterfaccia inite-acqua è speciale perché non c'è una struttura di ghiaccio favorevole adiacente alla superficie del solido, ma piuttosto uno strato di fluido substrato anfotero che incoraggia i cluster-bonded idrogeno simili al ghiaccio per formare su di esso 13, 14. Un altro modo di produrre maiale ghiaccio richiede la frantumazione dei blocchi di ghiaccio predefiniti, mentre si aggiunge allo stesso tempo ad alta concentrazione salina. Per questo metodo, il sistema di refrigerazione può essere eseguito ad una temperatura di evaporazione molto superiore perché non viene aggiunto alcun punto di congelamento depressivo (FPD) prima della formazione di ghiaccio; è quindi considerato più efficiente grazie al rapporto di compressione ridotto e potenza diminuita per un determinato duty raffreddamento 15, 16, 17.
Ci sono altri due metodi di produzione del ghiaccio: la produzione di ghiaccio da acqua sopraffuse e mettendo refrigerante e l'acqua a contatto diretto
La formazione di ghiaccio richiede calore e di massa a causa del calore latente di fusione generato nel processo. E 'stato scoperto da Osborn Reynolds nel 1874 che il trasporto di calore e di massa nel gas sono fortemente accoppiati e può essere espressa in formule matematiche similari 20. Questo lavoro ha costituito la carta pionieristica in materia di momento, calore e trasferimento di massa nei fluidi e ristampata più volte 21, 22. Questo argomento è stato poi studiato da unnumero di altri, da entrambi i metodi analitici ed empirici, per gas, liquidi e metallo fuso 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33. A parte il trasferimento di calore e di massa, il fluido deve siti di nucleazione in cui la crescita del ghiaccio dendritica può sviluppare. Una visione moderna nella crescita dei cristalli di ghiaccio utilizza legge Constructal, sviluppato da Adrian Bejan, per spiegare perché il ghiaccio cresce in questo modo 34, 35, 36.
La formazione di ghiaccio in salamoia è molto diverso da quello in acqua pura a causa dell'esistenza di sale. Prima di tutto, sale cambia la termodinamica del fluido ed abbassa il punto di congelamento. In secondo luogo, il sale non può dissolversi nella matrice di ghiaccio (tranne hydrohalite, che può formare solo quando la temperatura raggiunge il punto eutettico), ed è respinto al fluido massa quando il ghiaccio comincia a crescere. Il rifiuto del sale è stato scoperto in entrambi ghiaccio marino e il ghiaccio ha studiato in laboratorio 37, 38. Poiché la respinta salamoia ad alta concentrazione è ad una temperatura ben al di sotto del punto di congelamento dell'acqua di mare, mentre scende, ghiaccio cresce all'interfaccia tra la salamoia fluente e fluido bulk quiescente. Queste stalattiti di ghiaccio, chiamato anche brinicles, sono stati scoperti nel McMurdo Sound, Antartide e sono stati studiati sperimentalmente 39, 40, 41, 42. Nel 2011, la BBC ha filmato la formazione di brinicles nella sua serie Frozen Planet"xref"> 43, 44.
Nel nostro laboratorio, si è scoperto che invertendo i fluidi in movimento e di riposo quando l'acqua viene introdotta in un bagno di salamoia fredda, l'acqua può trasformarsi in ghiaccio sotto le condizioni corrette 45. Si è constatato che la posizione in cui viene introdotta l'acqua, flusso reologia, e la temperatura e la concentrazione della salamoia sono tutti fattori chiave che influenzano la quantità di ghiaccio può essere prodotta. L'obiettivo generale di questo studio è quello di indagare se una macchina del ghiaccio può essere sviluppato attraverso questo meccanismo per generare fanghi di ghiaccio, visto che la temperatura evaporatore elevata e l'alto tasso di trasferimento di calore liquido-liquido può migliorare l'efficienza del consumo di energia. Questo articolo condivide gli aspetti chiave di questo esperimento.
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Protocol
Attenzione: Ci sono due sostanze chimiche velenose, metanolo e glicole etilenico, utilizzati in questi esperimenti. Il metanolo può essere metabolizzato nel corpo umano per generare formaldeide e quindi ad acido formico o sale formiato. Queste sostanze sono tossici per il sistema nervoso centrale e possono anche causare la morte. glicole etilenico può essere ossidato ad acido glicolico, che possono poi trasformarsi in acido ossalico. Ciò può causare insufficienza renale e morte. Non bere queste sostanze chimiche. Consultare immediatamente un medico se si verifica un incidente.
1. Il sistema di raffreddamento
NOTA: È molto difficile mantenere la salamoia a -18 ° C oppure quando la temperatura ambiente è all'incirca a temperatura ambiente. È importante che i bacini di stoccaggio del glicole etilenico e salamoia sono ben isolate e di dimensioni ragionevoli per evitare il consumo di energia elettrica in eccesso e per garantire prestazioni ottimali del sistema. Si raccomanda che le dimensioni del serbatoio non superi 30 L.
- Preparare il fluido di raffreddamento secondario
- Versare 1 L di glicole etilenico nel serbatoio di raffreddamento secondario, serbatoio A (Base: 400 mm × 200 mm, Altezza: 350 mm). Aggiungere circa ,6-,65 L (600-650 g) di acqua al serbatoio A.
- Ripetere il punto 1.1.1 più volte fino a quando c'è abbastanza liquido nel serbatoio A (25 L).
- Mescolare il fluido in modo che il fluido omogeneo.
- Accendere le due pompe in serbatoio A all'impostazione piena capacità (2,500 L / h). Assicurarsi che tutte le bolle intrappolate negli scambiatori di calore e le tubazioni vengono rilasciati.
- Spegnere la pompa di osservare se tutte le bolle vengono rilasciati. In caso contrario, ripetere il passaggio 1.1.4.
- Preparazione della salamoia
NOTA: In questo esempio, il 22% in peso della salamoia viene preparata. Se sono necessarie altre concentrazioni, la massa di sale aggiunto deve essere modificata di conseguenza. I valori di concentrazione e densità salamoia di riferimento può essere trovato a pagina D-257 della 64 ° edizione (1983) di The CRC Handbook of Chemistry and Physics 46.- Aggiungere 4 kg di acqua in un becher di plastica 5-L.
- Misurare 1 kg di sale NaCl su una bilancia elettronica e versare questo sale nel bicchiere con l'acqua.
- Mescolare la miscela fino a soluzione limpida (cioè, non ci sono particelle di sale o bolle d'acqua visibile nella soluzione).
- Prelevare un campione, ~ 10 ml, della soluzione con una siringa da 10 ml.
- Iniettare il liquido nella densimetro U-tube.
- Verificare la presenza di bolle d'aria nel tubo. Se ci sono, iniettare più fluida a spingerli fuori.
- Press "Impostazioni rapide" e selezionare "Densità di temperatura." Digitare 20 ° C e premere "OK". Il misuratore di densità sarà ora misurare la densità del fluido a questa temperatura.
- Premere Start e attendere il risultato.
- Confrontare la lettura di densità con 1164,00 kg / m 3.
- Aggiungere più sale se la lettura è inferiore alla CONFRONTODensità n. Aggiungere l'acqua nel caso contrario.
- Ripetere i passaggi 1.2.3-1.2.10 fino a quando la densità del fluido è corretto (1164.00 kg / m 3).
- Versare questa soluzione in un contenitore più grande, Container A.
- Seguire i punti 1.2.1-1.2.12 di fare 35-40 L di salamoia e messo contenitore A in un congelatore orizzontale a -40 ° C. Mantenere la salamoia lì per 48-72 ore, fino a quando la sua temperatura raggiunge -19,18 ° C (punto di questo il 22% in peso di salamoia congelamento).
2. Preparazione del ghiaccio per il Iniettare e lavaggio con acqua
- Preparare il ghiaccio per l'acqua iniezione
- Versare 1 L di acqua in un piccolo contenitore (200 × 200 × 50 mm).
- Ripetere il passaggio 2.1.1 con un altro contenitore e posizionare i due contenitori nel congelatore a -40 ° C.
- Tenerli nel congelatore per 10 ore o più per assicurare che tutta l'acqua è congelato.
- Preparare guscio di ghiaccio dell'acqua di lavaggio
- Riempire un 5-L becher con 5 L di acqua.
- Riempire un 2-L bicchiere con 2 litri di acqua.
- Posizionare entrambi i bicchieri nel congelatore a -40 ° C per 8-10 ore in modo che ci sia uno spesso guscio di avvolgimento ghiaccio attorno acqua non congelata.
- Utilizzare un getto d'acqua ad alta velocità ad una velocità di 3-5 m / s dal rubinetto per aprire un foro del diametro di 3 cm nella parte superiore della calotta di ghiaccio.
- Scaricare l'acqua all'interno del guscio di ghiaccio.
- Mettere i due bicchieri di nuovo nel congelatore.
- Se la massa del guscio di ghiaccio non raggiunge 3 kg e 1 kg per i due bicchieri, rispettivamente, ripetere i punti 2.2.1-2.2.5, ma tenere i bicchieri in freezer più a lungo nella fase 2.2.3. Le due bicchieri dovrebbero ora essere in grado di contenere 2 L e 1 L di acqua, rispettivamente.
3. Acqua Introduzione posizione e l'esperimento di controllo reologia
- Introdurre acqua sulla superficie della salamoia
- Decantare 2 L di 22 wt% di salamoia fredda dal contenitore A nelsecchio di alluminio della gelatiera e accendere l'unità di raffreddamento.
- Misurare la temperatura della salamoia con un termometro / termocoppia (sia di tipo K o tipo T sono adatti). Si prosegue l'esperimento se la salamoia è -15 ° C o inferiore.
- Riempire la siringa di vetro da 100 mL con acqua di rubinetto a temperatura ambiente. Attaccare un diametro di 2 mm interna, spessa 1 mm e tubo lungo silicone 1-m alla punta della siringa.
- Posizionare la siringa in una posizione specifica in modo che vi è una testa tra l'acqua nella siringa e l'uscita del tubo di silicone. La pressione idrostatica spremere l'acqua dal tubo.
- Immergere una certa lunghezza del tubo in silicone, tipicamente 70 cm, in salamoia.
- Regolare la posizione relativa tra la siringa e l'uscita del tubo in modo che la pressione idrostatica è grande abbastanza per permettere all'acqua di lasciare la siringa. Se il tubo è bloccato, aumentare la testa elevando la siringa in posizione verticale superiore, until la pressione idrostatica in grado di superare la sollecitazione di taglio all'interno del tubo.
- Mantenere l'uscita del tubo di circa 1 cm o meno al di sopra della superficie della salamoia.
- Regolare la lunghezza del tubo sommerso e l'altezza della siringa per controllare sbocco dell'acqua lascia temperatura e portata al fine di determinare la quantità di ghiaccio può essere fatto o quanto miscelazione avviene in superficie salamoia. Il fenomeno di congelamento dovrebbe essere osservato in superficie salamoia. Vedere di riferimento 45 per ulteriori direzione.
- Introdurre acqua attraverso la salamoia
- Ripetere i punti 3.1.1-3.1.6.
- Mantenere l'uscita del tubo all'interno della salamoia, preferibilmente nella parte inferiore del contenitore.
- Regolare la lunghezza del tubo sommerso e l'altezza siringa.
- Regolare l'angolo del tubo di uscita per controllare la reologia del flusso.
- Ripetere i punti 3.2.3-3.2.4 per trovare la reologia flusso migliore accoppiata e la velocità che può produrre il più ghiaccio fluire.
- fare il ghiaccio
- Se ci sono bolle nei tubi, accendere le due pompe all'interno del serbatoio A per liberare le bolle fuori del sistema di circolazione glicole, e poi spegnere le pompe.
- Accendere il tre unità di refrigerazione e lasciarli correre per 10-16 ore per raffreddare le soluzioni di glicole etilenico.
- Misurare la soluzione glicole etilenico con un termometro / termocoppia. La temperatura glicole dovrebbe essere di circa -25 ° C.
- Misurare la temperatura della salamoia in un contenitore A per assicurarsi che sia a -19 ° C prima di procedere al punto 4.1.5.
- Riempire il serbatoio salamoia, Serbatoio B, con circa il 30 L di salamoia dal contenitore A e accendere le due pompe in vasca A.
- Misurare la temperatura del glicole nella vasca A. Se è più freddo di -19 ° C, spegnere una o più unità di raffreddamento per impedire la precipitazione di particelle di ghiaccio di fuori scambiatori in serbatoio B. Se la temperatura è più calda rispetto alla temperatura della salamoia previsto, accendere tutte e tre le unità di raffreddamento. Effettuare l'esperimento a -17 ° C a -19 ° C.
- Posizionare i due blocchi predefiniti di ghiaccio dal punto 2.1 nella isolata 5-L bicchiere, contenitore B, e versare circa 3 litri di acqua nel bicchiere.
- Misurare la temperatura dell'acqua e la tiene a 2 ° C mescolando la miscela tra esperimenti, se la temperatura aumenta.
- Riempire la siringa di vetro con 100 ml di acqua 2 ° C.
- Applicare 5-10 ml di metanolo al vetro della finestra Serbatoio B per fermare la condensazione e la formazione di ghiaccio.
- Iniettare l'acqua in salamoia regolando la posizione relativa tra la siringa e l'uscita del tubo in modo che vi sia una pressione idrostatica costante e quindi una portata costante. Circa 70 cm di tubo di silicone deve essere immersa nella salamoia. Regolare l'angolo di iniezione a 0 ° in modo che la velocità iniziale di acqua nel dire ascendentection è 0 m / s.
NOTA: La siringa può essere o bloccato ad un supporto portatile. Tenuto in mano è più appropriato quando la temperatura è più fredda della salamoia, perché ci vuole più tempo per regolare uno stand, e il ghiaccio può bloccare il tubo. Mantenere la reologia flusso costante durante l'esperimento garantendo una portata e iniezione angolo costante (0 °) e mantenendo la frontiera congelamento di circa 3 cm sopra l'uscita del tubo. Non lasciate che il flusso di entrare nella regione in cui si inizia a girare turbolenta 47. Vedere di riferimento 45 per ulteriori direzione. - Raccogliere il ghiaccio come descritto ai punti 4.2 e 4.3. Ripetere i punti 4.1.8 - 4.1.11 a diverse temperature salamoia.
- Raccogliere il ghiaccio prodotto e stimare quanto il ghiaccio si produce (insieme a secco)
- Mettere un contenitore (200 × 200 × 50 mm) sulla bilancia e azzerare la lettura premendo il tasto "Turn On" pulsante.
- Utilizzare il setaccio per scavare il ghiaccio e scrollarsi di dossola salamoia.
- Mettere questo ghiaccio nel contenitore. Misurare la massa del ghiaccio con la scala.
- Dopo il ghiaccio è sciolto, usare la siringa 10 ml per prelevare un campione. Iniettare questo campione di liquido nel densimetro.
- Eseguire i punti 1.2.6-1.2.9.
- Registrare la lettura di densità.
- Calcolare la massa d'acqua netto della sua densità (cioè, la massa dell'acqua convertita in ghiaccio) utilizzando la seguente formula:
dove
è la concentrazione salamoia wt% e 
e 
sono i pesi rispettivamente sale e acqua,.
- Raccogliere il ghiaccio prodotto e stimare quanto ghiaccio viene prodotto (raccolta bagnato)
- Riempire il 5-L bicchiere con un guscio di ghiaccio (fase 2.2) ed a temperatura ambiente l'acqua del rubinetto. Rimetterlo in freezer a -40 ° C.
- Decantare l'acqua con il guscio di ghiaccio dal 5-L bicchiere in un 2-L becher quando la sua temperatura è a 0 ° C. Riempire il 5-L bicchiere. Mantenere entrambi i bicchieri in freezer.
- Raccogliere la ghiaccio prodotto in passi 4.1.8 e 4.1.9 e versare 200-500 ml di acqua da 2-L bicchiere sul ghiaccio per lavarlo. Non agitare il setaccio prima di applicare l'acqua 0 ° C.
- Agitare il fluido nel setaccio.
- Ripetere i punti 4.2.2-4.2.7.
è la concentrazione salamoia wt% e 
e 
sono i pesi rispettivamente sale e acqua,. Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figura 1 confronta gli effetti dell'acqua introdotta sulla superficie della salamoia di acqua iniettata attraverso la salamoia. Nello scenario "calotta", il ghiaccio formatosi è solida perché l'acqua non mescolare molto con il fluido bulk. La differenza di temperatura e di densità tra i due fluidi genera forza di galleggiamento sull'acqua e impedisce loro di miscelazione. Entrambi i fluidi sono statici (cioè, il trasferimento di calore è molto maggiore di quella della massa; Sc ≈ 500, Pr ≈ 10, e Le ≈ 50), in modo da ghiaccio possono formare facilmente. Non c'è né formazione di uno strato pastoso né reiezione salina in questo esperimento. Una volta che il ghiaccio si ispessisce, si ostacolano la velocità di trasferimento di calore a causa della sua bassa conduttività termica e influenzare la velocità di formazione di ghiaccio. A questo punto, si può chiaramente osservare che il introdotta "acqua dolce" non può più prontamente congelare in un solido. Inoltre, senza convezione, la bassa thermal conducibilità della salamoia si impedisce anche il trasporto del calore latente dal pozzo freddo. La velocità di formazione di ghiaccio è direttamente associato e molto sensibile alla temperatura salamoia. Ad esempio, acqua -15 ° C salamoia congela molto più velocemente rispetto a -13 ° C salamoia. Nel caso di iniezione di acqua, la forma e le dimensioni del ghiaccio è correlata alla reologia flusso. L'asta di ghiaccio di figura 1 ha due parti distinte: una testa diritta seguita da una coda arricciata. La sezione ricci è formata molto più vicino alla superficie della salamoia, dove il flusso è più turbolenza ad esso. La coda ricci è generalmente molto più sottile di testa rettilineo a causa dell'insorgenza di turbolenza, che minimizza la differenza tra calore e velocità di trasferimento di massa, soprattutto a strato esterno del flusso, in cui il trasferimento di calore e di massa sono identici. Pertanto, solo il nucleo interno può congelare in ghiaccio. Se l'uscita del tubo sia tenuta in orizzontale anziché verticalmente, una lastra di ghiaccio will essere generato. La generazione di ghiaccio diventa più stabile ed i risultati sono riproducibili. Infine, si è constatato che l'abbassamento del tasso di flusso non è un modo efficace di eliminare miscelazione. Invece, aumenta notevolmente le possibilità di intasamento del tubo.
L'angolo di iniezione di acqua viene mantenuta a 0 ° rispetto all'asse orizzontale quando si eseguono misurazioni del rapporto di conversione acqua-ghiaccio. L'influenza di temperature salamoia e concentrazioni sono illustrati nella Figura 2. I rapporti di conversione di solito siedono tra 0,4-0,9 per le temperature salamoia studiati e concentrazioni. È importante mantenere la reologia flusso e la posizione della costante frontiera formazione di ghiaccio durante l'esperimento. Il grande volume di salamoia nella vasca B aiuta a ridurre gli effetti dei gradienti termici locali sulle misurazioni. La relazione tra la temperatura salamoia e il rapporto di conversione è di primo ordine per la rang temperature studiatoe. Coefficienti per le linee di best-fit sono elencati nella Tabella 1. Se si utilizza un angolo di iniezione diversa, i rapporti di conversione acqua-ghiaccio non seguirà queste relazioni perché l'area di contatto e, quindi, i tassi di calore e di massa, sono diversi. Quando raccogliere il ghiaccio, è importante mantenere la forza applicata per agitare l'acqua glicolata / lavaggio coerente e cercare di minimizzare la quantità di acqua rimasta nel setaccio. simili quantità di acqua utilizzata per lavare via la salamoia devono essere adottate per evitare di risultati inconsistenti. Si è constatato che, se più di 500 ml di acqua è usato per lavare il ghiaccio, ogni ulteriore riduzione della salinità è improbabile che si verifichi. Quando il volume è inferiore a 200 mL, la salinità può essere alto come 4% in peso.
Poiché la temperatura dell'evaporatore è molto superiore a un fabbricatore di ghiaccio raschiato superficie, che solitamente utilizza -40 ° C, se questo metodo è utilizzato per produrre il ghiaccio, è previsto un COP elevatosecondo il nostro calcolo in figura 3. Se, per esempio, la temperatura dell'evaporatore è elevata a -20 ° C, il COP può raggiungere quasi 3 per il refrigerante R134A.
Figura 1: posizione di introduzione di acqua. Un "calotta" può formarsi quando l'acqua viene introdotta in superficie salamoia. Un'asta di forme di ghiaccio quando l'uscita del tubo venga mantenuto diritto. Quando l'acqua viene iniettata nella salamoia, la forma del ghiaccio dipende dalla reologia flusso. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Conversione confronto rapporto a diverse concentrazioni saline con una linea best-fit. entrambi brine la temperatura e l'influenza concentrazione quanta acqua possono essere congelate in ghiaccio (rapporto di conversione) quando la portata e la reologia sono mantenuti gli stessi. Il rapporto di conversione aumenta linearmente con un calo della temperatura salamoia. Le concentrazioni più basse salamoia a temperature più basse del bagno generano più ghiaccio. Il metodo di lavaggio raccoglie più ghiaccio rispetto al metodo a secco di raccolta. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3: coefficiente di prestazione a diverse temperature dell'evaporatore per una gamma di refrigeranti. Le temperature di evaporazione più elevate favoriscono il coefficiente di prestazione (COP) dei sistemi di raffreddamento. I due refrigeranti di transizione (R22 e R134a) hanno COP migliori rispetto alla R502 già bandito e delle miscele (R404A e R507A).Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
| concentrazione di sale (% in peso) | raccolta secco | raccolta Wet | ||
| p1 | p2 | p1 | p2 | |
| 23.3 | -,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 |
Tabella 1: Coefficienti FOr le linee di best-fit per il rapporto di conversione rispetto al diagramma temperatura salamoia. Il rapporto di conversione correla linearmente con la temperatura della salamoia secondo la formula: 
. Entrambi i metodi Dry- e bagnato di raccolta sono elencate qui.
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Discussion
Il processo di generazione di ghiaccio con salamoia come refrigerante secondario comporta la combinazione di calore e di massa. Se il trasferimento di calore è maggiore, allora forme di ghiaccio prima che l'acqua ha la possibilità di mescolare con il fluido bulk. È stato osservato che, quando c'è un movimento relativo tra l'acqua immessa e la salamoia bulk quiescente (cioè, acqua iniettando all'interno salamoia), il flusso aiuta il trasferimento di calore e incoraggia ghiaccio per formare rapidamente. Tuttavia, quando c'è troppa turbolenza nel flusso, senza ghiaccio può essere generato. La più grande limitazione di questa tecnica è la miscelazione e la diluizione della salamoia. Il volume di salamoia manterrà in aumento, come il processo continua. Pertanto, quando si effettua il ghiaccio in questo modo, è importante essere consapevoli del crescente volume di salamoia e cadere salamoia salinità. Inoltre, si è osservato che se il ghiaccio generato non sono raccolte, si scioglie. Questo può essere perché la salamoia non è alla sua temperatura di fusione, permettendo sia il caloree trasferimento di massa tra il ghiaccio formatosi e il fluido bulk. La modalità di calore e trasferimento di massa è di solo diffusione, e il tasso di fusione è lenta. Tuttavia, poiché il ghiaccio galleggia sulla superficie della salamoia, ulteriore penetrazione calore dall'ambiente ambiente aumenta la velocità di fusione del ghiaccio. Per questo motivo, il ghiaccio generato devono essere raccolti immediatamente dopo che viene prodotto per evitare un ulteriore aumento del volume della salamoia.
Ridurre la diluizione o la separazione l'acqua e il sale è attualmente in fase di studio nel nostro laboratorio. Una delle molte idee è reintrodurre l'acqua iniettata in un altro tubo che è più grande di diametro in modo che l'acqua sarà esposto al fluido di massa per un breve periodo di tempo, minimizzare la variazione di volume del refrigerante secondario. Ice nucleazione si verificherà quando l'acqua è esposto alla salamoia, seguita dal completamento della crescita ghiaccio nel tubo più grande. Aggiungendo questa superficie solida, la salinità massa del ghiaccio generato è controllabile. Ad esempio, se è richiesta minore contenuto di sale nel ghiaccio, si può aggiungere più "acqua dolce" per il fluido nel tubo secondario. La lunghezza di questo tubo sommerso secondario può essere facilmente modificato, a seconda della frazione di ghiaccio richiesta del prodotto.
La reologia flusso ha un impatto significativo sulla superficie di contatto e dal rapporto superficie-volume del flusso nel fluido rinfusa. Le nostre osservazioni indicano che una zona più ampia di contatto è più favorevole per incoraggiare più ghiaccio per formare. Una maggiore area di contatto dovrebbe anche migliorare il trasferimento di massa, ma non è ancora stata osservata nel range di temperatura e concentrazione salina studiata. Sembra che prima che il flusso entra nella zona di transizione, dove turbolenze e separazione del flusso cominciano a verificarsi, sarà sempre creata ghiaccio. Se il flusso si separa ed esistono grandi turbolenze, ogni cluster di molecole d'acqua ha bisogno di un proprio punto di nucleazione, e il ghiaccio non può formare in queste situazioni.
"> Il rapporto tra la temperatura salamoia e il rapporto di conversione acqua-ghiaccio è lineare, mentre ad una concentrazione salina costante. Gli spostamenti del rapporto di conversione in funzione della temperatura della salamoia linee best-fit indicano che la concentrazione della salamoia gioca anche un ruolo importante nella il processo di diluizione / acqua di formazione di ghiaccio. a causa della trasformazione di fase, le condizioni al contorno sono molto diversi studi analogia al calore e trasferimento di massa convenzionali, e quindi, tali analogie non sono sufficienti per descrivere questa situazione.Questo studio ha anche rivelato che, poiché la frontiera congelamento può essere fissato ad una distanza relativamente stabile dall'uscita del tubo, il flusso può raggiungere una condizione di regime. Ciò indica che questo fenomeno può essere usato come un nuovo meccanismo affidabile per la produzione di ghiaccio in settore, poiché una temperatura evaporatore molto più alta e COP sono attesi rispetto alle tecniche di ghiaccio fabbricazione esistenti.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Gli autori non hanno riconoscimenti.
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
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