Name: Wytwarzanie lodu a zjawiska wymiany ciepła i masy spowodowane wprowadzaniem wody do zimnej kąpieli solankowej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-13T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 16 s
Description: Poznaj metodę wytwarzania lodu przez wprowadzanie wody do zimnej kąpieli solankowej. Technika ta umożliwia badanie zjawisk wymiany ciepła i masy w systemach chłodniczych bez konieczności stosowania niskich temperatur parowania.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy nie mają żadnych podziękowań.

Uwaga: W eksperymentach tych wykorzystuje się dwie toksyczne substancje chemiczne: metanol oraz glikol etylenowy. Metanol może być metabolizowany w organizmie człowieka do formaldehydu, a następnie do kwasu mrówkowego lub soli mrówczanowej. Substancje te są toksyczne dla ośrodkowego układu nerwowego i mogą prowadzić do śmierci. Glikol etylenowy może ulec utlenieniu do kwasu glikolowego, który następnie może przekształcić się w kwas szczawiowy. Może to spowodować niewydolność nerek i śmierć. Nie dopuszczać do spożycia tych substancji. W przypadku wypadku należy niezwłocznie skonsultować się z lekarzem.
1. System chłodzenia
UWAGA: Bardzo trudno jest utrzymać solankę w temperaturze około -18 °C, gdy temperatura otoczenia jest zbliżona do temperatury pokojowej. Ważne jest, aby zbiorniki przeznaczone do przechowywania glikolu etylenowego i solanki były dobrze izolowane i miały odpowiedni rozmiar, co pozwoli uniknąć nadmiernego zużycia energii elektrycznej i zapewni optymalną wydajność systemu. Zaleca się, aby pojemność zbiornika nie przekraczała 30 L.
<ol>
	<li>Przygotuj pomocniczy płyn chłodzący
	<ol>
		<li>Wlej 1 l glikolu etylenowego do wtórnego zbiornika chłodzącego, zbiornika A (podstawa: 40 mm × 20 mm, wysokość: 350 mm). Do zbiornika A dodaj około 0,6–0,65 l (60–650 g) wody.</li>
		<li>Powtórz krok 1.1.1 kilka razy, aż w zbiorniku A znajdzie się odpowiednia ilość cieczy (25 L).</li>
		<li>Zamieszaj ciecz do uzyskania jednorodnej mieszaniny.</li>
		<li>Włącz dwie pompy w zbiorniku A, ustawiając je na pełną wydajność (2 50 L/h). Upewnij się, że wszystkie pęcherzyki powietrza uwięzione w wymiennikach ciepła i rurkach zostały usunięte.</li>
		<li>Wyłączyć pompę, aby sprawdzić, czy wszystkie pęcherzyki powietrza zostały usunięte. Jeśli nie, powtórzyć krok 1.1.4.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie solanki 
	UWAGA: W niniejszym przykładzie przygotowano solankę o stężeniu 2% wag. Jeśli wymagane są inne stężenia, masę dodanej soli należy zmienić stosownie do nich. Wartości referencyjne stężenia i gęstości solanki znajdują się na stronie D-257 dokumentu 64th Wydanie (1983) z Podręcznik Chemii i Fizyki CRC46.
	<ol>
		<li>Wlać 4 kg wody do plastikowego zlewki o pojemności 5 l.</li>
		<li>Odważ 1 kg soli NaCl na wadze elektronicznej i wsyp sól do zlewki z wodą.</li>
		<li>Mieszaj mieszaninę, aż roztwór stanie się klarowny (t.j. w roztworze nie są widoczne żadne cząsteczki soli ani pęcherzyki wody).</li>
		<li>Pobierz próbkę roztworu o objętości ok. 10 ml za pomocą strzykawki 10-ml.</li>
		<li>Wstrzyknij ciecz do u-denzyometru.</li>
		<li>Należy sprawdzić, czy w rurce znajdują się pęcherzyki powietrza. Jeśli tak, należy wstrzyknąć więcej płynu, aby je wypchnąć.</li>
		<li>Naciśnij „Quick Settings” i wybierz „Density Temperature”. Wpisz 20 °C następnie naciśnij „OK”. Densytometr zmierzy teraz gęstość cieczy w tej temperaturze.</li>
		<li>Naciśnij start i poczekaj na wynik.</li>
		<li>Porównaj odczyt gęstości z wartością 164,0 kg/m³3.</li>
		<li>Dodać więcej soli, jeśli odczyt jest niższy od gęstości porównawczej. W przeciwnym razie dodać wodę.</li>
		<li>Powtarzać kroki 1.2.3–1.2.10 do momentu uzyskania właściwej gęstości cieczy (164,0 kg/m³).3).</li>
		<li>Przelej ten roztwór do większego naczynia, Naczynia A.</li>
		<li>Należy wykonać kroki 1.2.1–1.2.12, aby przygotować 35–40 l solanki, a następnie umieścić pojemnik A w zamrażarce skrzyniowej w temperaturze -40 °CPozostawić w solance przez 48–72 h, aż jej temperatura osiągnie -19.18 °C (temperatura krzepnięcia tej 2% wag. solanki).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Przygotowanie lodu do wody wstrzykiwanej i płuczącej
<ol>
	<li>Przygotowanie lodu do wody wtryskowej
	<ol>
		<li>Wlej 1 L wody do małego pojemnika (20 × 200 × 50 mm).</li>
		<li>Powtórz krok 2.1.1 z innym pojemnikiem i umieść oba pojemniki w zamrażarce skrzyniowej w temperaturze -40 °C.</li>
		<li>Przechowuj je w zamrażarce przez 10 h lub dłużej, aby upewnić się, że cała woda zamarzła.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie lodowej skorupy dla wody płuczącej
	<ol>
		<li>Napełnij zlewkę o pojemności 5 L ilością 5 L wody.</li>
		<li>Napełnij zlewkę o pojemności 2 L ilością 2 L wody.</li>
		<li>Umieść obie zlewki w zamrażarce skrzyniowej w temperaturze -40 °C na 8-10 h, tak aby wokół niezamarzniętej wody utworzyła się gruba lodowa skorupa.</li>
		<li>Użyj strumienia wody z kranu o wysokiej prędkości 3-5 m/s, aby wykonać otwór o średnicy 3 cm w górnej części lodowej skorupy.</li>
		<li>Odlej wodę znajdującą się wewnątrz lodowej skorupy.</li>
		<li>Włóż obie zlewki z powrotem do zamrażarki.</li>
		<li>Jeśli masa lodowej skorupy dla obu zlewek nie osiągnie odpowiednio 3 kg i 1 kg, powtórz kroki 2.2.1-2.2.5, ale w kroku 2.2.3 pozostaw zlewki w zamrażarce na dłuższy czas. Obie zlewki powinny teraz pomieścić odpowiednio 2 L i 1 L wody.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Pozycja wprowadzenia wody i eksperyment kontroli reologii
<ol>
	<li>Wprowadzanie wody na powierzchni solanki
	<ol>
		<li>Przelać 2 L zimnej solanki o stężeniu 2% wag. z pojemnika A do aluminiowego wiaderka maszyny do lodów i włączyć urządzenie chłodzące.</li>
		<li>Zmierzyć temperaturę solanki za pomocą termometru/termopary (odpowiednie będą typy K lub T). Kontynuować eksperyment, jeśli temperatura solanki wynosi -15 °C lub mniej.</li>
		<li>Napełnić szklaną strzykawkę o pojemności 10 mL wodą z kranu w temperaturze pokojowej. Do końcówki strzykawki przyczepić rurkę silikonową o średnicy wewnętrznej 2 mm, grubości 1 mm i długości 1 m.</li>
		<li>Umieścić strzykawkę w określonej pozycji tak, aby istniała różnica wysokości między wodą w strzykawce a wylotem rurki silikonowej. Ciśnienie hydrostatyczne wypchnie wodę z rurki.</li>
		<li>Zanurzyć określoną długość rurki silikonowej, zazwyczaj 70 cm, w solance.</li>
		<li>Dostosować względną pozycję strzykawki i wylotu rurki tak, aby ciśnienie hydrostatyczne było wystarczające do wypływu wody ze strzykawki. W przypadku zablokowania rurki zwiększyć wysokość słupa wody, podnosząc strzykawkę w pionie, aż ciśnienie hydrostatyczne pokona naprężenie ścinające wewnątrz rurki.</li>
		<li>Utrzymywać wylot rurki mniej więcej 1 cm lub mniej nad powierzchnią solanki.</li>
		<li>Regulować długość zanurzonej rurki oraz wysokość strzykawki, aby kontrolować temperaturę wylotową wody i natężenie przepływu w celu ustalenia, ile lodu może powstać lub w jakim stopniu zachodzi mieszanie na powierzchni solanki. Zjawisko zamarzania powinno być teraz widoczne na powierzchni solanki. Dalsze wytyczne znajdują się w referencji 45.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wprowadzanie wody przez solankę
	<ol>
		<li>Powtórzyć kroki 3.1.1–3.1.6.</li>
		<li>Utrzymywać wylot rurki wewnątrz solanki, najlepiej na dnie pojemnika.</li>
		<li>Dostosować długość zanurzonej rurki oraz wysokość strzykawki.</li>
		<li>Dostosować kąt wylotu rurki, aby kontrolować reologię przepływu.</li>
		<li>Powtórzyć kroki 3.2.3–3.2.4, aby znaleźć optymalną reologię przepływu sprzężonego i natężenie przepływu, które pozwolą uzyskać największą ilość lodu.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Wytwarzanie, pobieranie i pomiar lodu
<ol>
	<li>Przygotuj lód
	<ol>
		<li>Jeśli w rurach znajdują się pęcherzyki powietrza, włącz dwie pompy wewnątrz zbiornika A, aby usunąć pęcherzyki z układu cyrkulacji glikolu, a następnie wyłącz pompy.</li>
		<li>Włącz trzy jednostki chłodzące i pozostaw je włączone przez 10–16 h, aby schłodzić roztwory glikolu etylenowego.</li>
		<li>Zmierzyć temperaturę roztworu glikolu etylenowego za pomocą termometru lub termopary. Temperatura glikolu powinna wynosić około -25 °C.</li>
		<li>Zmierzyć temperaturę solanki w pojemniku A, aby upewnić się, że wynosi ona -19 °C przed przejściem do kroku 4.1.5.</li>
		<li>Napełnij zbiornik solankowy, Zbiornik B, około 30 l solanki z Pojemnika A i włącz dwie pompy w Zbiorniku A.</li>
		<li>Zmierz temperaturę glikolu w zbiorniku A. Jeśli jest ona niższa niż -19 °Cwyłączyć jedną lub więcej jednostek chłodniczych, aby zapobiec wytrącaniu się cząsteczek lodu poza wymiennikami ciepła w zbiorniku B. Jeśli temperatura jest wyższa od oczekiwanej temperatury solanki, należy włączyć wszystkie trzy jednostki chłodnicze. Eksperyment należy przeprowadzić w temperaturze -17 °C do -19 °C.</li>
		<li>Umieść dwa przygotowane w kroku 2.1 bloki lodu w izolowanym zlewce o pojemności 5 l (Zlewka B), a następnie wlej do zlewki około 3 l wody.</li>
		<li>Zmierz temperaturę wody i utrzymuj ją na poziomie 2 °C poprzez mieszanie mieszaniny pomiędzy doświadczeniami w przypadku wzrostu temperatury.</li>
		<li>Napełnić szklaną strzykawkę 10 ml 2 °C woda</li>
		<li>Nanieś 5–10 ml metanolu na szklane okno zbiornika B, aby zatrzymać kondensację i tworzenie się lodu.</li>
		<li>Wstrzyknąć wodę do solanki, regulując względną pozycję strzykawki i wylotu rurki w taki sposób, aby zapewnić stałe ciśnienie hydrostatyczne, a tym samym stałą prędkość przepływu. Około 70 cm rurki silikonowej powinno być zanurzone w solance. Dostosować kąt wstrzykiwania do 0° tak, aby początkowa prędkość wody w kierunku pionowym była równa 0 m/s. 
		UWAGA: Strzykawkę można trzymać w ręce lub przymocować zaciskiem do statywu. Trzymanie strzykawki w ręce jest bardziej odpowiednie przy niższej temperaturze solanki, ponieważ regulacja statywu zajmuje więcej czasu, a lód może zablokować rurkę. Aby zachować spójność reologii przepływu podczas całego eksperymentu, należy zapewnić stałą szybkość przepływu oraz kąt wstrzyknięcia (0°) oraz poprzez utrzymywanie granicy zamrażania około 3 cm powyżej wylotu rurki. Nie należy dopuścić do przedostania się przepływu do obszaru, w którym zaczyna on stawać się turbulentny47Szczegółowe instrukcje znajdują się w odniesieniu 45.</li>
		<li>Zebrać lód zgodnie z opisem w krokach 4.2 i 4.3. Powtórzyć kroki 4.1.8 – 4.1.1 dla różnych temperatur solanki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zebrać wytworzony lód i oszacować jego ilość (pobranie na sucho)
	<ol>
		<li>Umieść pojemnik (20 × 20 × 50 mm) na wadze i wyzeruj odczyt, naciskając przycisk „Turn On”.</li>
		<li>Użyj sitka, aby wyłowić lód i strząsnąć solankę.</li>
		<li>Umieść lód w pojemniku. Zmierz masę lodu za pomocą wagi.</li>
		<li>Po roztopieniu lodu należy pobrać próbkę za pomocą strzykawki o pojemności 10 ml. Następnie należy wstrzyknąć tę próbkę cieczy do densytometru.</li>
		<li>Wykonaj kroki 1.2.6-1.2.9.</li>
		<li>Zapisz odczyt gęstości.</li>
		<li>Oblicz netto masę wody na podstawie jej gęstości (t.j. masę wody przekształconej w lód) za pomocą następującego wzoru: 
		<img alt="Równanie bilansu materiałowego: 1-C_B=m_w/(m_s+m_w), analiza procesu chemicznego." src="/files/ftp_upload/55014/55014eq1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie"> 
		gdzie <img alt="równowaga statyczna; równania ΣFx=0, MA=0; schemat analizy strukturalnej" src="/files/ftp_upload/55014/55014eq2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie"> czy stężenie solanki wyrażone w % wag. oraz <img alt="Równania równowagi statycznej; ΣFx=0, MA=0; schemat równowagi sił; edukacyjny koncept fizyki" src="/files/ftp_upload/55014/55014eq3.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie"> i <img alt="mw, komponent równania w indeksie dolnym, obliczanie masy, zapis naukowy, zastosowanie edukacyjne" src="/files/ftp_upload/55014/55014eq4.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie"> stanowią odpowiednio masy soli i wody.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zebrać powstały lód i oszacować jego ilość (metodą mokrego zbierania)
	<ol>
		<li>Napełnij zlewkę o pojemności 5 l płaszczem lodowym (krok 2.2) oraz wodą z kranu w temperaturze pokojowej. Włóż ją z powrotem do zamrażarki w temperaturze -40 °C.</li>
		<li>Przelej wodę z powłoką lodową zlewki o pojemności 5 l do zlewki o pojemności 2 l, gdy jej temperatura osiągnie 0 °CNapełnić zlewkę o pojemności 5 l. Umieścić obie zlewki w zamrażarce.</li>
		<li>Wybierz lód otrzymany w krokach 4.1.8 i 4.1.9 i wlej 20–50 ml wody zlewki o pojemności 2 l na lód, aby go wypłukać. Nie potrząsaj sita przed zastosowaniem 0 °C woda</li>
		<li>Strząśnij ciecz z sita.</li>
		<li>Powtórz kroki 4.2.2–4.2.7.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Cleaning and separation in conduits. UK patent. , GB2358229, WO0151224 (2001).</li>
<li>Quarini, J. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/222726601_Ice-pigging_to_reduce_and_remove_fouling_and_to_achieve_clean-in-place">Ice-pigging to reduce and remove fouling and to achieve clean-in-place.</a> Appl. Therm. Eng. 22, 747-753 (2002).</li>
<li>Evans, T. S., Quarini, G. L., Shire, G. S. F. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0140700707001132">Investigation into the transportation and melting of thick ice slurries in pipes.</a> Int. J. Refrig. 31, 145-151 (2008).</li>
<li>Shire, G. S. F., Quarini, G. L., Rhys, T. D. L., Evans, T. S. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/257128398_The_anomalous_pressure_drop_behaviour_of_ice_slurries_flowing_through_constrictions">The anomalous pressure drop behaviour of ice slurries flowing through constrictions.</a> Int. J. Multiph. Flow. 34, 510-515 (2008).</li>
<li>Shire, G. S. F., Quarini, G. L., Evans, T. S. <a target="_blank" href="http://fulltext.study/preview/pdf/648711.pdf">Pressure drop of flowing ice slurries in industrial heat exchangers.</a> Appl. Therm. Eng. 29, 1500-1506 (2009).</li>
<li>Evans, T. S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Technical+Aspects+of+Pipeline+Pigging+with+Flowing+Ice+Slurries+%5B%5D%22">Technical Aspects of Pipeline Pigging with Flowing Ice Slurries [dissertation]</a>. , Department of Mechanical Engineering, University of Bristol. (2007).</li>
<li>Shire, G. S. F. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22The+behaviour+of+ice+pigging+slurries+%5B%5D%22">The behaviour of ice pigging slurries [dissertation]</a>. , Department of Mechanical Engineering, University of Bristol. (2006).</li>
<li>Hales, A., et al. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/263737485_Ice_Fraction_Measurement_of_Ice_Slurries_through_Electromagnetic_Attenuation">Ice fraction measurement of ice slurries through electromagnetic attenuation.</a> Int. J. Refrig. 47, 98-104 (2014).</li>
<li>Hales, A., et al. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/269724728_The_Effect_of_Salinity_and_Temperature_on_Electromagnetic_Wave_Attenuation_in_Brine">The effect of salinity and temperature on electromagnetic wave attenuation in brine.</a> Int. J. Refrig. 51, 161-168 (2015).</li>
<li>Hales, A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Ice+slurry+diagnostics+through+electromagnetic+wave+attenuation+and+other+techniques+%5B%5D%22">Ice slurry diagnostics through electromagnetic wave attenuation and other techniques [dissertation]</a>. , Department of Mechanical Engineering, University of Bristol. (2015).</li>
<li>Lucas, E. J. K., Hales, A., McBryde, D., Yun, X., Quarini, G. L. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/283951498_Noninvasive_Ultrasonic_Monitoring_of_Ice_Pigging_in_Pipes_Containing_Liquid_Food_Materials">Noninvasive Ultrasonic Monitoring of Ice Pigging in Pipes Containing Liquid Food Materials.</a> J. Food Process. Eng. 40, e12306(2015).</li>
<li>Carrasco, J., Hodgson, A., Michaelides, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+molecular+perspective+of+water+at+metal+interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">A molecular perspective of water at metal interfaces.</a> Nat. Mater. 11, 667-674 (2012).</li>
<li>Hu, X. L., Michaelides, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ice+formation+on+kaolinite%3A+Lattice+match+or+amphoterism%3F+%5BTitle%5D)+AND+%22Surf.+Sci%22%5BJournal%5D)">Ice formation on kaolinite: Lattice match or amphoterism? </a> Surf. Sci. 601, 5378-5381 (2007).</li>
<li>Hu, X. L., Michaelides, A. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/244168678_The_kaolinite_0_0_1_polar_basal_plane">The kaolinite (0 0 1) polar basal plane.</a> Surf. Sci. 604, 111-117 (2010).</li>
<li>Leiper, A. N., Ash, D. G., McBryde, D. J., Quarini, G. L. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/256967634_Improving_the_thermal_efficiency_of_ice_slurry_production_through_comminution">Improving the thermal efficiency of ice slurry production through comminution.</a> Int. J. Refrig. 35, 1931-1939 (2012).</li>
<li>Leiper, A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Carnot+cycle+optimisation+of+ice+slurry+production+through+comminution+of+bulk+ice+%5B%5D%22">Carnot cycle optimisation of ice slurry production through comminution of bulk ice [dissertation]</a>. , Department of Mechanical Engineering, University of Bristol. (2012).</li>
<li>Leiper, A. N., Hammond, E. C., Ash, D. G., McBryde, D. J., Quarini, G. L. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/271559602_Energy_conservation_in_ice_slurry_applications">Energy conservation in ice slurry applications.</a> Appl. Therm. Eng. 51, 1255-1262 (2013).</li>
<li>Bédécarrats, J. -P., David, T., Castaing-Lasvignottes, J. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/245053319_Ice_slurry_production_using_supercooling_phenomenon">Ice slurry production using supercooling phenomenon.</a> Int. J. Refrig. 33, 196-204 (2010).</li>
<li>Wijeysundera, N. E., Hawlader, M. N. A., Andy, C. W. B., Hossain, M. K. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/229303526_Ice-slurry_production_using_direct_contact_heat_transfer">Ice-slurry production using direct contact heat transfer.</a> Int. J. Refrig. 27, 511-519 (2004).</li>
<li>Reynolds, O. On the extent and action of the heating surface of steam boilers. Proc. Lit. Philos. Soc. Manch. 14, 7-12 (1874).</li>
<li>Reynolds, O. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aReynolds%2C+O+%22Papers+on+mechanical+and+physical+subjects%3A+reprinted+from+various+transactions+and+journals%22">Papers on mechanical and physical subjects: reprinted from various transactions and journals</a>. , Cambridge University Press. Vol. I, 1869-1882, Ch. 14. On the extent and action of the heating surface of steam boilers 81-85 (1900).</li>
<li>Reynolds, O. Papers on mechanical and physical subjects. Int. J. Heat Mass Transfer. 12, 129-136 (1969).</li>
<li>Prandtl, L. <a target="_blank" href="http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-662-11836-8_44">Eine Beziehung zwischen Wärmeaustausch und Strömungswiderstand der Flüssigkeiten (On the relation between heat exchange and stream resistance of fluid flow).</a> Physik. Z. 11, 1072-1078 (1910).</li>
<li>Prandtl, L. <a target="_blank" href="http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-662-11836-8_130">Bemerkung über den Wärmeübergang im Rohr (Note on heat transmission in pipes).</a> Physik. Z. 29, 487-489 (1928).</li>
<li>Taylor, G. I. Conditions at the surface of a hot body exposed to the wind. Rep. Memo. ACA. 272, (1916).</li>
<li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="http://www.jstor.org/stable/95514?seq=1#page_scan_tab_contents">The Application of Osborne Reynolds' Theory of Heat Transfer to Flow through a Pipe.</a> Proc. R. Soc. A. 129, 25-30 (1930).</li>
<li>Kármán, T. v <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aK%C3%A1rm%C3%A1n%2C+Tv+%22Proceedings+of+the+Fourth+International+Congress+for+Applied+Mechanics%22">Proceedings of the Fourth International Congress for Applied Mechanics</a>. , Cambridge, UK. 54-91 (1934).</li>
<li>Kármán, T. v The analogy between fluid friction and heat transfer. Trans. Am. Soc. Mech. Eng. 61, 705-710 (1939).</li>
<li>Martinelli, R. C. Heat transfer to molten metals. Trans. Am. Soc. Mech. Eng. 69, 947-959 (1947).</li>
<li>Colburn, A. P. <a target="_blank" href="http://www.worldcat.org/title/method-of-correlating-forced-convection-heat-transfer-data-and-a-comparison-with-fluid-friction/oclc/35848717">A method of correlating forced convection heat-transfer data and a comparison with fluid friction.</a> Trans. Am. Inst. Chem. Eng. 29, 174-210 (1933).</li>
<li>Colburn, A. P. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0017931064901255">A method of correlating forced convection heat-transfer data and a comparison with fluid friction.</a> Int. J. Heat Mass Transfer. 7, 1359-1384 (1964).</li>
<li>Chilton, T. H., Colburn, A. P. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ie50299a012">Mass Transfer (Absorption) Coefficients Prediction from Data on Heat Transfer and Fluid Friction.</a> Ind. Eng. Chem. 26, 1183-1187 (1934).</li>
<li>Friend, W. L., Metzner, A. B. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/229776452_Turbulent_heat_transfer_inside_tubes_and_the_analogy_among_heat_mass_and_momentum_transfer">Turbulent heat transfer inside tubes and the analogy among heat, mass, and momentum transfer.</a> AIChE J. 4, 393-402 (1958).</li>
<li>Bejan, A. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/223601884_Constructal-theory_Network_of_Conducting_Paths_for_Cooling_a_Heat_Generating_Volume">Constructal-theory network of conducting paths for cooling a heat generating volume.</a> Int. J. Heat Mass Transfer. 40, 799-816 (1997).</li>
<li>Bejan, A., Lorente, S. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/234911209_Constructal_theory_of_generation_of_configuration_in_nature_and_engineering">Constructal theory of generation of configuration in nature and engineering.</a> J. Appl. Phys. 100, 041301(2006).</li>
<li>Bejan, A., Lorente, S., Yilbas, B. S., Sahin, A. Z. <a target="_blank" href="http://www.academia.edu/15487976/Why_solidification_has_an_S-shaped_history">Why solidification has an S-shaped history.</a> Sci. Rep. 3, 1711(2013).</li>
<li>Lake, R. A., Lewis, E. L. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/JC075i003p00583/abstract">Salt rejection by sea ice during growth.</a> J. Geophys. Res. 75, 583-597 (1970).</li>
<li>Wettlaufer, J. S., Worster, M. G., Huppert, H. E. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/231890446_Natural_convection_during_solidification_of_an_alloy_from_above_with_application_to_the_evolution_of_sea_ice">Natural convection during solidification of an alloy from above with application to the evolution of sea ice.</a> J. Fluid Mech. 344, 291-316 (1997).</li>
<li>Paige, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stalactite+Growth+beneath+Sea+Ice%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Stalactite Growth beneath Sea Ice.</a> Science. 167, 171-172 (1970).</li>
<li>Dayton, P. K., Martin, S. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/240484312_Observations_of_Ice_Stalactites_in_McMurdo_Sound_Antarctica">Observations of ice stalactites in McMurdo Sound, Antarctica.</a> J. Geophys. Res. 76, 1595-1599 (1971).</li>
<li>Eide, L. I., Martin, S. The formation of brine drainage features in young sea ice. J. Glaciol. 14, 137-154 (1975).</li>
<li>Martin, S. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/231803789_Ice_stalactites_Comparison_of_a_laminar_flow_theory_with_experiment">Ice stalactites: comparison of a laminar flow theory with experiment.</a> J. Fluid Mech. 63, 51-79 (1974).</li>
<li>Jeffs, K., Attenborough, D. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aJeffs%2C+K+%22Frozen+Planet%3A+Episode+5+%27Winter%27%22">Frozen Planet: Episode 5 'Winter'</a>. , BBC. (2011).</li>
<li>Fothergill, A., Berlowitz, V., Attenborough, D. Ch. Winter: Life closes down. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFothergill%2C+A+%22in+Frozen+Planet%3A+A+World+Beyond+Imagination%22">in Frozen Planet: A World Beyond Imagination</a>. , BBC books. (2011).</li>
<li>Yun, X., et al. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/287800102_Ice_formation_in_the_subcooled_brine_environment">Ice formation in the subcooled brine environment.</a> Int. J. Heat Mass Transfer. 95, 198-205 (2016).</li>
<li>Weast, R. C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWeast%2C+RC+%22CRC+Handbook+of+Chemistry+and+Physics%22">CRC Handbook of Chemistry and Physics</a>. 64, 64 edn, CRC Press. 257-258 (1983).</li>
<li>Bejan, A., Lage, J. L. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/236541062_The_Prandtl_Number_Effect_on_the_Transition_in_Natural_Convection_Along_a_Vertical_Surface">The Prandtl Number Effect on the Transition in Natural Convection Along a Vertical Surface.</a> J. Heat Transfer. 112, 787-790 (1990).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Proces wytwarzania lodu przy użyciu solanki jako wtórnego czynnika chłodniczego polega na połączeniu wymiany ciepła i masy. Jeśli wymiana ciepła jest większa, lód tworzy się, zanim woda będzie miała szansę zmieszać się z płynem luzem. Zaobserwowano, że gdy występuje względny ruch między wprowadzoną wodą a spoczynkową solanką (tj. wstrzykiwanie wody do solanki), przepływ wspomaga przenoszenie ciepła i zachęca do szybkiego tworzenia się lodu. Jednak gdy w przepływie występuje zbyt duża turbulencja, nie można wytwo...

Zawiesiny lodowe są szeroko stosowane w przemyśle, a jednym szczególnie udanym zastosowaniem jest technologia piggingu lodu1,2. W porównaniu z konwencjonalną pianką i tłokiem stałym, tłok lodowy może przemieszczać się przez złożone topologie na duże odległości ze względu na efekt smarowania fazy ciekłej i wzrost jej temperatury zamarzania, gdy niektóre kryształki lodu topią się3,4,5. Nawet jeśli świnia utknie, można po prostu poczekać, aż zawiesiny lodu się stopią i wznowić proces czyszczenia później. Ta metoda czyszczenia rur jest tania i łatwa w użyciu.
Frakcja lodu odgrywa kluczową rolę w wydajności lodowej świni. Aby zmierzyć frakcję lodu, można użyć kawówki (prasy francuskiej), aby określić, czy zawiesina lodowa jest wystarczająco gęsta6,7. Podczas tłoczenia lodu wymagana jest wysoka frakcja lodu kawowego, zwykle 80%. Ostatnie badania nad wykrywaniem frakcji lodu w Internecie wykazały, że zarówno fale elektromagnetyczne, jak i ultradźwiękowe są odpowiednie dla zadania8,9,10,11.
Tłok lodowy jest zwykle wytwarzany przez kostkarkę do lodu o skrobanej powierzchni z roztworu NaCl (solanka) o stężeniu 5% wag. Jest to również podstawowy sposób wytwarzania zawiesin lodowych w przemyśle. Ten typ kostkarki do lodu zamraża wodę lub solankę na zimnej metalowej powierzchni, zwykle gładkiej powierzchni ze stali 316, a następnie cyklicznie ścina cząsteczki lodu. Interfejsy ciecz-metal są bardzo złożone i wpływa na nie szeroki zakres czynników, które są niezbędne do produkcji lodu12. Interfejs między niemetalem a wodą może być bardzo różny, a jednym ze szczególnie interesujących przykładów jest kaolinit. Granica faz kaolinit-woda jest wyjątkowa, ponieważ nie ma korzystnej struktury lodu przylegającej do powierzchni ciała stałego, ale raczej warstwa amfoterycznego płynu substratowego, która zachęca do tworzenia się na nim podobnych do lodu klastrów wiązań wodorowych13,14. Inny sposób produkcji świni lodowej wymaga kruszenia gotowych bloków lodu, przy jednoczesnym dodawaniu solanki o wysokim stężeniu. W przypadku tej metody układ chłodniczy może pracować w znacznie wyższej temperaturze parowania, ponieważ przed utworzeniem się lodu nie dodaje się środka obniżającego temperaturę zamarzania (FPD); W związku z tym jest uważany za bardziej wydajny ze względu na obniżony stopień sprężania i mniejszą moc dla danego obciążenia chłodzenia<klasa SUP="xref">15,<klasa SUP="XREF">16,<klasa SUP="Xref">17.
Istnieją dwie inne metody produkcji lodu: wytwarzanie lodu z przechłodzonej wody oraz bezpośrednie kontakt czynnika chłodniczego i wody18,19. Metoda przechłodzenia polega na zakłóceniu metastabilnej przechłodzonej wody w celu wytworzenia zarodkowania i wzrostu lodu. Największym problemem w przypadku tej metody jest niepożądane tworzenie się lodu, który może zablokować system. Uważa się, że metoda bezpośredniego kontaktu nie nadaje się do tłoka lodu, ponieważ w końcowym produkcie lodowym nie jest potrzebny ani czynnik chłodniczy, ani olej smarowy.
Tworzenie się lodu wymaga wymiany ciepła i masy z powodu utajonego ciepła topnienia generowanego w tym procesie. Po raz pierwszy zostało odkryte przez Osborna Reynoldsa w 1874 roku, że transport ciepła i masy w gazach jest silnie sprzężony i może być wyrażony za pomocą podobnych wzorów matematycznych20. Praca ta stanowiła pionierską pracę na temat pędu, ciepła i przenoszenia masy w płynach i była kilkakrotnie przedrukowywana21,22. Temat ten był następnie badany przez szereg innych, zarówno z podejścia analitycznego, jak i empirycznego, dla gazów, cieczy i stopionego metalu23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33. Oprócz wymiany ciepła i masy, płyn potrzebuje miejsc zarodkowania, w których może rozwinąć się lód dendrytyczny. Współczesne spojrzenie na wzrost kryształków lodu wykorzystuje prawo konstrukcyjne, opracowane przez Adriana Bejana, aby wyjaśnić, dlaczego lód rośnie w ten sposób34,35,36.
Tworzenie się lodu w solance jest bardzo różne od tego w czystej wodzie ze względu na istnienie soli. Przede wszystkim sól zmienia termodynamikę płynu i obniża jego temperaturę zamarzania. Po drugie, sól nie może rozpuścić się w matrycy lodowej (z wyjątkiem hydrohalitu, który może powstać tylko wtedy, gdy temperatura osiągnie punkt eutektyczny) i jest odrzucana do płynu luzem, gdy lód zaczyna rosnąć. Odrzucenie soli odkryto zarówno w lodzie morskim, jak i lodzie badanym w lab37,38. Ponieważ odrzucona solanka o wysokim stężeniu ma temperaturę znacznie niższą od temperatury zamarzania wody morskiej, w miarę opadania lodu rośnie na granicy faz między przepływającą solanką a spoczynkiem płynu masowego. Te lodowe stalaktyty, zwane również brinicles, zostały po raz pierwszy odkryte w McMurdo Sound na Antarktydzie i były badane eksperymentalnie39,40,41,42. W 2011 roku BBC sfilmowało powstawanie brinicles w swojej serii Frozen Planet43,44.
W naszym laboratorium odkryto, że poprzez odwrócenie płynących i spokojnych płynów, gdy woda jest wprowadzana do kąpieli z zimną solanką, woda może przekształcić się w lód w odpowiednich warunkach45. Stwierdzono, że miejsce, w którym woda jest wprowadzana, reologia przepływu oraz temperatura i stężenie solanki są kluczowymi czynnikami wpływającymi na ilość lodu, jaką można wyprodukować. Ogólnym celem tego badania jest zbadanie, czy za pomocą tego mechanizmu można opracować kostkarkę do lodu do generowania zawiesin lodu, biorąc pod uwagę, że podwyższona temperatura parownika i wysoka szybkość wymiany ciepła z cieczy do cieczy mogą zwiększyć efektywność wykorzystania energii. W tym artykule omówiono najważniejsze aspekty eksperymentu.

<table><tbody><tr><td>DMA 4500 M</td><td></td><td>Miernik gęstości</td><td>81546022 Anton Paar</td></tr><tr><td>GELATO Chef 2200</td><td>magimix</td><td>0036500504R13</td><td>Maszyna do lodów</td></tr><tr><td>280D</td><td>FREEZE MASTER</td><td>241-1441</td><td>Zamrażarka rurowa</td></tr><tr><td>M17,5X2</td><td>NIEBIESKIE MASZYNY DO LODU</td><td>GK924</td><td>Maszyna do błota pośniegowego</td></tr><tr><td>HH68K</td><td>OMEGA</td><td>140045</td><td>Termometr</td></tr><tr><td>OHAUS</td><td>TS4KW</td><td>1324</td><td>Waga</td></tr><tr><td>ZFC321WA/BNI225</td><td>ZANUSSI</td><td>920672574-00</td><td>Zamrażarka</td></tr><tr><td>EIS Podgrzewacz Matryca</td><td>Wymiennik ciepła</td><td>Vauxhall</td><td>214720041</td></tr><tr><td>2500LPH</td><td>JBA</td><td>AP-2500</td><td>Pompa</td></tr><tr><td>Szklana strzykawka</td><td>FORTUNA Optima</td><td></td><td>100 ml</td></tr><tr><td>OAT skoncentrowany płyn chłodzący</td><td>wilko</td><td>P30409014</td><td>Glikol etylenowy</td></tr><tr><td>czysta suszona sól próżniowa</td><td>INEOS Enterprise</td><td>1433324</td><td>NaCl</td></tr><tr><td>Sól Metylowana spirytus</td><td>Barrettine</td><td>1170</td><td>Metanol&nbsp;</td></tr></tbody></table>

wytwarzanie lodu a zjawiska wymiany ciepła i masy spowodowane wprowadzaniem wody do zimnej kąpieli solankowej

Ice Generation and the Heat and Mass Transfer Phenomena of Introducing Water to a Cold Bath of Brine

Pokazujemy metodę badania wymiany ciepła i masy oraz zjawisk zamarzania w przechłodzonym środowisku solankowym. Nasze doświadczenie wykazało, że w odpowiednich warunkach lód może powstawać, gdy woda jest wprowadzana do kąpieli z zimną solanką. Aby powstał lód, oprócz mieszania solanki i wody, szybkość wymiany ciepła musi ominąć szybkość przenoszenia masy. Kiedy woda jest wprowadzana w postaci drobnych kropelek na powierzchnię solanki, sposób wymiany ciepła i masy odbywa się przez dyfuzję. Wypor powstrzymuje wodę przed mieszaniem się z solanką znajdującą się pod spodem, ale gdy lód staje się grubszy, spowalnia tempo wymiany ciepła, co w rezultacie utrudnia wzrost lodu. Kiedy woda jest wprowadzana do solanki w postaci przepływu, okazuje się, że wiele czynników wpływa na to, ile lodu może się utworzyć. Temperatura i stężenie solanki, które są siłami napędowymi odpowiednio wymiany ciepła i masy, mogą wpływać na stosunek konwersji wody na lód; Niższe temperatury kąpieli i stężenia solanki sprzyjają tworzeniu się większej ilości lodu. Kluczowym czynnikiem jest również reologia przepływu, która może bezpośrednio wpływać zarówno na współczynniki przenikania ciepła, jak i masy. Ponadto reologia przepływu zmienia obszar kontaktu przepływu z płynem masowym.

Rysunek 1 porównuje efekty wprowadzenia wody na powierzchnię solanki z wstrzykiwaniem wody przez solankę. W scenariuszu „czapy lodowej” utworzony lód jest lity, ponieważ woda nie zmieszała się w znacznym stopniu z główną masą cieczy. Różnica temperatury i gęstości między oboma płynami generuje siłę wyporu działającą na wodę i zapobiega ich mieszaniu. Oba płyny są statyczne (tj. transport ciepła jest znacznie większy niż transport masy; Sc ≈ 500, Pr ≈ 10 i Le ≈ 50...

Tutaj prezentujemy protokół, który demonstruje powstawanie lodu, gdy woda jest wprowadzana do zimnej kąpieli solanki, jako wtórny czynnik chłodniczy, w zakresie temperatur znacznie poniżej temperatury zamarzania wody. Może być stosowany jako alternatywny sposób produkcji lodu dla przemysłu.

Wytwarzanie lodu a zjawiska wymiany ciepła i masy spowodowane wprowadzaniem wody do zimnej kąpieli solankowej

We demonstrate a method for the study of the heat and mass transfer and of the freezing phenomena in a subcooled brine environment. Our experiment showed ...

Ogólnym celem tego eksperymentu jest zbadanie powstawania lodu i ciepła oraz przenoszenia masy, gdy woda i zimna solanka o wysokim stężeniu są w bezpośrednim kontakcie. Ta metoda może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie wymiany ciepła i masy. Na przykład w odniesieniu do ochrony przed oblodzeniem i magazynowania energii.Główną zaletą tej techniki jest to, że nie wymaga niskiej temperatury parowania i jest wydajna. Ten eksperyment wymaga od 35 do 40 litrów solanki przygotowanej w małych ilościach. Aby przygotować małą partię, zacznij od czterech kilogramów wody w plastikowej pięciolitrowej zlewce i jednego kilograma chlorku sodu.Mierzone za pomocą wagi elektronicznej. Wlej sól do zlewki z wodą, a następnie mieszaj mieszaninę, aż roztwór będzie klarowny. Następnym krokiem jest przetestowanie gęstości za pomocą gęstościomierza youtube.Użyj strzykawki o pojemności 10 mililitrów i pobierz około 10 mililitrów, jeśli roztwór jest próbką. Przed kontynuowaniem wstrzyknij próbkę do gęstościomierza YouTube i upewnij się, że nie ma pęcherzyków powietrza. Na regulatorach gęstościomierza wprowadź temperaturę 20 stopni Celsjusza.Następnie rozpocznij pomiar. Porównaj odczyt z warto

ice-generation-heat-mass-transfer-phenomena-introducing-water-to-cold

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Prezentujemy metodologię obrazowania wielu faz płynu w warunkach zbiornikowych za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej. Przedstawiamy kilka reprezentatywnych wyników uwięzienia kapilarnego w próbce skały węglanowej.

Obrazowanie w skali porów stanu zbiornika wielu faz płynu za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej

Eksperymenty z wymianą ciepła w basenie zostały przeprowadzone, aby zaobserwować wpływ hybrydowych wzorców zwilżalnych stołów na współczynnik wymiany ciepła (HTC). Parametrami badania są liczba interlinii oraz orientacja wzoru zmodyfikowanej powierzchni zwilżalnej.

Poprawa wymiany ciepła we wrzeniu w basenie na powierzchniach cylindrycznych dzięki hybrydowym wzorom zwilżalnym

Przedstawiono technikę wykorzystującą długości fal 1150 i 1412 nm do pomiaru temperatury wody otaczającej małą kulę magnetyczną ogrzewaną indukcyjnie.

Technika pomiaru temperatury w bliskiej podczerwieni dla wody otaczającej małą kulę magnetyczną ogrzewaną indukcyjnie

Konwekcja dyfuzyjna (DC) występuje powszechnie w naturalnych procesach i zastosowaniach inżynieryjnych, charakteryzując się szeregiem schodów z jednorodnymi warstwami konwekcji i warstwowymi interfejsami. Opisano procedurę eksperymentalną mającą na celu symulację procesu ewolucji struktury schodów prądu stałego, w tym powstawania, rozwoju i zaniku, w prostokątnym zbiorniku.

Ewolucja konstrukcji klatek schodowych w konwekcji dyfuzyjnej

W tym artykule przedstawiono protokół projektowania ładunku kosmicznego, eksperymentu kosmicznego z konwekcją termokapilarną, a także analizy danych eksperymentalnych i obrazów.

Kosmiczny eksperyment z konwekcją termokapilarną na satelicie SJ-10

Celem niniejszego eksperymentu jest określenie i kontrolowanie wielkości, kształtu oraz stabilności samoorganizujących się amfifili dyskotycznych w wodzie. W przypadku wodnych polimerów supramolekularnych osiągnięcie takiego poziomu kontroli jest bardzo trudne. Zastosowano strategię wykorzystującą zarówno oddziaływania odpychające, jak i przyciągające. Techniki eksperymentalne użyte do charakterystyki tego układu mają szerokie zastosowanie.

Kontrola rozmiaru, kształtu i stabilności polimerów supramolekularnych w wodzie

Poziome i pionowe elektrohydrodynamiczne mostki cieczowe są prostymi i potężnymi narzędziami do badania interakcji pól elektrycznych o wysokim natężeniu i polarnych cieczy dielektrycznych. Przedstawiono budowę podstawowej aparatury oraz przykłady działania, w tym obrazy termograficzne, dla trzech cieczy (np. wody, DMSO i glicerolu).

Otrzymywanie mostków elektrohydrodynamicznych z polarnych cieczy dielektrycznych

Przedstawiono protokół uzyskiwania profilu chlorków rozpuszczalnych w wodzie przy użyciu metody mielenia o wysokiej precyzji.

Wykrywanie rozpuszczalnego w wodzie rozkładu chlorków w zaczynach cementowych w bardzo precyzyjny sposób

Ten manuskrypt opisuje metody mające na celu pomiar lokalnych współczynników chwilowej konwekcyjnej wymiany ciepła w jednofazowym lub dwufazowym przepływie rurowym. Przedstawiono również prostą metodę optyczną służącą do wyznaczania długości i prędkości rozchodzenia się wydłużonego (Taylora) pęcherzyka powietrza poruszającego się ze stałą prędkością.

Pomiary lokalnej chwilowej konwekcyjnej wymiany ciepła w rurze - przepływ jednofazowy i dwufazowy

Tutaj prezentujemy eksperymentalną metodę rozdzielania współzależnej siły Coriolisa i wyporu obrotowego na rozkłady wymiany ciepła w pełnym polu obracającego się kanału.

Rozprzęganie wpływu siły Coriolisa i wirującego wyporu na właściwości wymiany ciepła w pełnym polu obracającego się kanału

Poznaj metodę wytwarzania lodu przez wprowadzanie wody do zimnej kąpieli solankowej. Technika ta umożliwia badanie zjawisk wymiany ciepła i masy w systemach chłodniczych bez konieczności stosowania niskich temperatur parowania.

Wytwarzanie lodu a zjawiska wymiany ciepła i masy spowodowane wprowadzaniem wody do zimnej kąpieli solankowej

Przeglądaj więcej filmów