Ocena wymiany ciepła podczas wirowania i schładzania

Spin-and-chill to domowe przykłady technologii wymiany ciepła. Można je analizować w celu zrozumienia procesów inżynieryjnych, które są szeroko badane i stosowane w przemyśle. Wirowanie i schładzanie schładza napoje bezalkoholowe znacznie szybciej niż lodówki czy skrzynie na lód. Ich działanie polega na obracaniu puszek po napojach w zbiorniku lodu z prędkością setek obrotów na minutę. Wirowanie i schładzanie wykorzystuje konwekcyjną wymianę ciepła do chłodzenia puszek po napojach. Mierząc szybkość chłodzenia w różnych warunkach, można określić zachowanie konwekcyjne. Które można wykorzystać do poprawy wydajności chłodzenia, a także do modelowania i zrozumienia powiązanych sytuacji wymiany ciepła. Ten film ilustruje zasady działania wirowania i schładzania, demonstruje eksperymenty oceniające konwekcyjne przenoszenie ciepła i omawia powiązane zastosowania.

Spin-and-chill jest modelowany jako składający się z ciepłej puszki po napoju zanurzonej w dużym, zimnym otoczeniu. Puszka ma cienkie ścianki i jest wypełniona płynem. Płyn jest najgorętszy w środku i najzimniejszy na obręczy. A rozkład temperatury jest symetryczny wokół osi obrotu puszki. Gdy puszka się obraca, płyn w środku jest schładzany. Zakłada się, że otoczenie jest tak duże, że nie nagrzewa się znacząco. Wizualizację tę można podzielić na kilka stref, z których każda charakteryzuje się unikalnym rozkładem temperatury i mechanizmem wymiany ciepła. Ściana jest modelowana jako cienka membrana. Jego dominującym mechanizmem wymiany ciepła jest przewodzenie. Rozprzestrzenianie się ciepła bez makroskopowego ruchu ośrodka. Ścianka puszki jest jednak tak cienka, że przewodzenie w ściance jest znikome. Po obu stronach znajdują się warstwy graniczne, obszary płynu o silnych gradientach temperatury. Tutaj dominującym mechanizmem wymiany ciepła jest konwekcja. Wymiana ciepła wspomagana ruchem płynów. Podczas szybkiego wirowania przewodzenie wewnątrz puszki jest znikome, ponieważ zawartość jest dobrze wymieszana. Wreszcie, w regionach masowych, po raz kolejny dominuje przewodzenie. Ponieważ jednak objętość lodu jest duża w porównaniu z płynem w puszce, temperatura w fazie lodu luzem nie zmienia się znacząco. A przewodzenie jest znikome. Ponieważ przewodzenie w puszce jest znikome, a konwekcja jest czynnikiem determinującym chłodzenie płynu w puszce, analiza parametrów skupionych może być wykorzystana do modelowania zachowania chłodzenia. Analiza parametrów skupionych redukuje system termiczny do pojedynczego dyskretnego oporu skupionego. Gdzie różnica temperatur każdego indywidualnego oporu jest uważana za nieznaną. Model parametrów skupionych zakłada, że największa odporność na przenikanie ciepła występuje w warstwach przygranicznych. Ponieważ puszka ochładza się z czasem, temperatura masy spada równomiernie w całej jej objętości. Korzystając z przedstawionego równania, można obliczyć skupiony współczynnik przenikania ciepła, h, dla puszki chłodzonej za pomocą wirowania i schładzania. Współczynnik przenikania ciepła uwzględnia wszystkie opory konwekcyjnego przenoszenia ciepła i wrzuca je do jednego worka. Ta stała to stosunek strumienia ciepła do siły napędowej przepływu ciepła. W tym przypadku różnica między temperaturą płynu w puszce a temperaturą lodu. Takie są zasady. Pokażmy teraz, jak badać konwekcyjną wymianę ciepła za pomocą wirowania i schładzania.

Procedura wymaga wirowania i schładzania, lodu i zamykanej aluminiowej puszki na próbki. Zapisz wymiary puszki. Napełnij go wodą i zapisz jego masę i temperaturę. Następnie zamknij puszkę plastikową pokrywką uszczelniającą. Zważ lód, który będzie używany w konfiguracji. Załaduj go do urządzenia, a na koniec włóż aluminiową puszkę. Ustaw wirowanie i schładzanie tak, aby wykonywało pojedynczy dwuminutowy cykl z prędkością 300 obr./min i włącz je. Po zakończeniu wirowania wyjmij puszkę, zdejmij pokrywkę i zmierz temperaturę wody. Na koniec użyj cylindra z podziałką, aby zmierzyć ilość stopionego lodu. Użyj cykli sekwencyjnych, aby ocenić wpływ dłuższych czasów pracy na chłodzenie płynu w puszce. W cyklach sekwencyjnych wykonywany jest dwuminutowy cykl jak poprzednio, a temperatura jest rejestrowana. Następnie puszka jest wkładana do wirowania i schładzania i rozpoczyna się kolejny dwuminutowy cykl. Oprócz czasu wirowania zbadaj wpływ modyfikacji innych parametrów. Takich jak prędkość obrotowa wpływająca na wydajność chłodzenia. Wykonuj dwuminutowe cykle z wieloma prędkościami, od kilku obr./min do ponad 500 obr./min.

Dane dla modelu parametrów grupowych uśredniono z 10 prób jednoseryjnych. Każdy trwa dwie minuty przy 300 obr./min. Średnio dwuminutowy bieg obniżył temperaturę puszki z 82,12 stopni Fahrenheita do 55,88 stopni Fahrenheita. Podstawiając odpowiednie właściwości fizyczne i geometryczne puszki, można obliczyć współczynnik przenikania ciepła. Sprawność termodynamiczna oszacowano, dzieląc ciepło tracone przez puszkę na ciepło potrzebne do stopienia lodu podczas biegu. Stosując sekwencyjne przebiegi ze stałą prędkością obrotową, wykazano, że wydajność chłodzenia uległa zwiększeniu wraz z dłuższymi czasami cyklu. Jednak sekwencyjne cykle pokazują, że wydajność chłodzenia spada z czasem. Ten spadek wydajności jest powszechny w przypadku wymiany ciepła, gdy różnica temperatur napędzająca wymianę ciepła staje się mniejsza. Zmiana prędkości obrotowych w ustalonym czasie pracy pokazuje wpływ prędkości na wydajność chłodzenia. Szybszy czas wirowania doprowadził do większego spadku temperatury wewnątrz puszki. Wydajność wymiany ciepła była największa, gdy wirowanie i chłodzenie pracowało na najwyższych obrotach.

Proces wymiany ciepła obserwowany w wirowaniu i schładzaniu jest obserwowany w wielu warunkach laboratoryjnych i przemysłowych. Zamrażanie wysokociśnieniowe służy do konserwacji próbek tkanek do transmisyjnej spektroskopii elektronowej. W procesie analogicznym do wirowania i schładzania próbki są poddawane działaniu strumieni ciekłego azotu pod ciśnieniem. Pozwala na szybką, nieniszczącą kriofiksację. Jest to szczególnie przydatne w przypadku tkanek roślinnych, które muszą być szybko zamrożone, aby zapobiec uszkodzeniom komórek poprzez tworzenie się lodu. Podobne procedury stosuje się w celu zachowania ludzkich komórek mięśniowych lub komórek macierzystych. Reaktory jądrowe działają również na zasadzie konwekcyjnej wymiany ciepła. Zawierają one rdzeń, w którym zachodzi wysoce kontrolowana reakcja rozszczepienia. Rdzeń jest zanurzony w strumieniu wody pod ciśnieniem, która pochłania ciepło wytwarzane w reakcji rozszczepienia i odparowuje. Odparowana woda jest następnie wykorzystywana do napędzania generatorów. Bezpieczeństwo tych reaktorów, niezależnie od skali, w dużej mierze zależy od kontroli procesu konwekcyjnej wymiany ciepła, który zachodzi w jego rdzeniu.

Właśnie obejrzeliście wprowadzenie JOVE do wymiany ciepła w wirowaniu i chłodze. Powinieneś teraz zapoznać się z konwekcyjną wymianą ciepła, procedurą pomiaru parametrów wpływających na konwekcyjne przenoszenie ciepła oraz niektórymi zastosowaniami. Jak zawsze, dzięki za oglądanie.