Summary
Hier presenteren we een protocol voor het genereren van ijs gehaald wanneer water wordt ingebracht in een koud bad pekel, als secundair koelmiddel, bij een bereik van temperaturen onder het vriespunt van water. Het kan worden gebruikt als een alternatieve methode voor de productie ijs industrie.
Abstract
We tonen een werkwijze voor de studie van de warmte- en massaoverdracht en de bevriezing verschijnselen in een onderkoelde pekel omgeving. Ons experiment toonde aan dat, onder de juiste omstandigheden, ijs kan worden geproduceerd wanneer water wordt ingevoerd om een bad van koude pekel. Om ijs vorm te maken, naast het hebben van de pekel en water mengen, moet de snelheid van de warmteoverdracht te omzeilen die van de massa-overdracht. Wanneer het water in de vorm van kleine druppeltjes op het oppervlak pekel wordt geïntroduceerd, de wijze van warmte- en massa-overdracht door diffusie. Het drijfvermogen stopt water uit het mengen met de pekel eronder, maar als het ijs dikker groeit, het vertraagt de snelheid van de warmteoverdracht, waardoor ijs moeilijker om te groeien als gevolg. Wanneer water wordt ingebracht in de pekel in de vorm van een stroom, een aantal factoren blijken te beïnvloeden hoeveel ijs kan vormen. Brinetemperatuur en concentratie, die de drijvende krachten van warmte- en massaoverdracht zijn respectievelijk de opstelling kan de water-ice conversie ratiO; lagere badtemperaturen en pekel concentraties stimuleren om ijsvorming. De stroom reologie, die rechtstreeks zowel de warmte- en massaoverdracht coëfficiënten kunnen beïnvloeden, is ook een belangrijke factor. Daarnaast is de stroming rheologie wijzigt het contactgebied van de stroom met de bulkvloeistof.
Introduction
Ijs slurries worden veel gebruikt in de industrie, en een bijzonder succesvolle toepassing is het ijs pigging technologie 1, 2. In vergelijking met de conventionele schuim en vaste varken, kan de ijs varken reizen door complexe topologieën over een grote afstand door de smering effect van de vloeibare fase en de hoogte van het vriespunt als sommige van de ijskristallen smelten 3, 4, 5 . Zelfs indien het varken komt te zitten, kan men eenvoudig wachten tot de slurries ijs smelt en later hervat het reinigingsproces. Deze methode van reinigen van buizen is goedkoop en gemakkelijk te gebruiken.
Het ijs fractie speelt een belangrijke rol bij de uitvoering van de ijs varken. Om het ijs fractie te meten, kan men een koffiezetapparaat (Franse pers) om te bepalen of de ijssuspensie dik genoeg 6,"> 7. Een hoge koffiezetapparaat ijs fractie, kenmerkend 80% is vereist bij het uitvoeren van ijs pigging. Recent onderzoek naar online ijs fractie detectie blijkt dat zowel elektromagnetische en ultrasone golven zijn geschikt voor de baan 8, 9, 10, 11.
Het ijs varken wordt meestal gemaakt door een geschraapt oppervlak ijsmaker van een 5 gew% NaCl-oplossing (pekel). Het is ook de belangrijkste manier om ijs slurries in de industrie. Dit type van ijsmaker bevriest water of pekel op een koude metalen oppervlak, meestal een gladde 316 stalen oppervlak en dan scharen cyclisch de ijsdeeltjes uit. De vloeistof-metaal interfaces zijn zeer complex en worden beïnvloed door een groot aantal factoren die essentieel ijsbereidingsmachine 12 zijn. De interface tussen niet-metaal en water kan zeer verschillend zijn, en een bijzonder interessant voorbeeld is kaoliniet. de Kaolinite-water grensvlak is bijzonder omdat er geen gunstige ijsstructuur grenzend aan het vaste oppervlak is, maar een laag van amfotere substraat vloeistof die het ijsachtige waterstofgebonden clusters aanmoedigt te vormen bovenop het 13, 14. Een andere manier van het produceren van het ijs varken moet breken van de premade ijsblokken terwijl de high-concentratie pekel gelijktijdig wordt toegevoegd. Voor deze werkwijze kan het koelsysteem in werking op een veel hogere verdampingstemperatuur omdat geen vriespuntverlager (FPD) voorafgaand aan de vorming van ijs toegevoegd; Het wordt daarom beschouwd efficiënter vanwege de verlaagde compressieverhouding en verminderd vermogen voor een gegeven koelvermogen 15, 16, 17.
Er zijn twee andere ijs productiemethoden: de productie van ijs van onderkoelde water en het zetten van koelmiddel en water in direct contact
Ijsvorming vereist warmte- en massaoverdracht door de latente smeltwarmte gegenereerd in het proces. Het werd eerst ontdekt door Osborn Reynolds in 1874 dat het transport van warmte en massa in gassen sterk gekoppeld kunnen worden uitgedrukt in vergelijkbare wiskundige formules 20. Dit werk vormde de baanbrekende papier op het gebied van dynamiek, warmte en massa-overdracht in vloeistoffen en werd meerdere malen herdrukt 21, 22. Dit onderwerp werd vervolgens onderzocht door eenaantal andere, zowel analytische en empirische benaderingen voor gassen, vloeistoffen en gesmolten metaal 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33. Afgezien van de warmte- en massa-overdracht, de vloeistof moet nucleatie sites waar dendritische ijs groei kan ontwikkelen. Een modern inzicht in de groei van ijskristallen gebruikt Constructal Law, ontwikkeld door Adrian Bejan, uitleggen waarom ijs groeit op deze manier 34, 35, 36.
De ijsvorming gepekeld heel anders dan in zuiver water als gevolg van de aanwezigheid van zout. Allereerst, zout verandert de thermodynamica van de vloeistof en drukt het vriespunt. Ten tweede kan het zout niet oplost in het ijs matrix (behalve hydrohalite, die alleen kan vormen wanneer de temperatuur het eutectische punt bereikt) en wordt verworpen als de bulkvloeistof ijs begint te groeien. De verwerping van zout werd ontdekt in zowel zee-ijs en ijs onderzocht in het lab 37, 38. Aangezien de geweigerde hoge concentratie zoutoplossing bij een temperatuur ver beneden het vriespunt van zeewater als het afdaalt, ijs groeit op het grensvlak tussen het stromende pekel en de ruststroom bulkvloeistof. Deze ijs stalactieten, ook genoemd brinicles, werden voor het eerst ontdekt in McMurdo Geluid, Antarctica en werden experimenteel 39, 40, 41, 42 bestudeerd. In 2011, BBC filmde de vorming van brinicles in de Frozen Planet-serie"xref"> 43, 44.
In ons laboratorium, werd ontdekt dat door het omkeren van de stromende en rustende materiaal bij het water wordt ingebracht in een bad van koude pekel, kan het water tot ijs te vormen onder de juiste omstandigheden 45. Gevonden werd dat de locatie waar het water wordt ingebracht, stroomt reologie en pekel temperatuur en concentratie zijn alle belangrijke factoren hoeveel ijs kan worden geproduceerd. Het algemene doel van deze studie is om te onderzoeken of een ijsmachine door middel van dit mechanisme kan worden ontwikkeld om ijs slurry's genereren, gezien het feit dat de verhoogde verdamper temperatuur en de hoge snelheid van de vloeistof-to-liquid warmteoverdracht van de efficiëntie van het energieverbruik kan verbeteren. Dit artikel deelt de belangrijkste aspecten van het experiment.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Voorzichtig: Er zijn twee giftige chemicaliën, methanol en ethyleenglycol, gebruikt in deze experimenten. Methanol kan worden gemetaboliseerd in het menselijk lichaam om formaldehyde te genereren en vervolgens mierenzuur of formiaat zout. Deze stoffen zijn giftig voor het centrale zenuwstelsel en kan zelfs de dood. Ethyleenglycol kan worden geoxideerd tot zuur, dat vervolgens kan omzetten in oxaalzuur glycolzuur. Dit kan nierfalen en de dood tot gevolg hebben. Drink niet deze chemische stoffen. Raadpleeg een arts als er een ongeluk gebeurt.
1. Het koelsysteem
Opmerking: Het is zeer moeilijk om de pekel bij -18 ° C te houden en dus als de omgevingstemperatuur ongeveer bij kamertemperatuur. Het is belangrijk dat de tanks opslaan ethyleenglycol en zoutoplossing zijn goed geïsoleerd en van een redelijke omvang te voorkomen overmatige elektriciteitsverbruik en optimale systeemprestaties garanderen. Het wordt aanbevolen dat de tank een maximale grootte van 30 L.
- Bereid de secundaire koeling vloeistof
- Giet 1 liter ethyleenglycol in de secundaire koeltank, Tank A (Basis: 400 mm x 200 mm, hoogte: 350 mm). Voeg ongeveer 0,6-0,65 L (600-650 g) water aan Tank A.
- Herhaal stap 1.1.1 meerdere keren totdat er voldoende vloeistof in de tank A (25 L).
- Roer de vloeistof zodat de vloeistof homogeen.
- Schakel de twee pompen in Tank A om de instelling volledige capaciteit (2500 L / h). Zorg ervoor dat alle luchtbellen gevangen in de warmtewisselaars en leidingen worden vrijgegeven.
- Schakel de pomp om te zien of alle bubbels worden vrijgegeven. Zo niet, herhaal stap 1.1.4.
- Bereiding van de pekel
Opmerking: In dit voorbeeld wordt 22 gew% zoutoplossing bereid. Als andere concentraties nodig, de massa van zout toegevoegd moet worden aangepast. De verwijzing pekel concentratie en dichtheid waarden is te vinden op pagina D-257 van de 64 e editie (1983) van the CRC Handbook of Chemistry and Physics 46.- Voeg 4 kg water in een 5-liter kunststof beker.
- Meet 1 kg NaCl zout op een elektronische weegschaal en giet dit zout in de beker met water.
- Roer het mengsel tot de oplossing helder is (dat wil zeggen, er zijn geen zoutdeeltjes of waterbellen zichtbaar in de oplossing).
- Neem een monster ~ 10 ml van de oplossing met behulp van een 10 ml spuit.
- Injecteer de vloeistof in de U-buis dichtheidsmeter.
- Controleer of er luchtbelletjes in de buis. Als die er zijn, injecteren meer vocht om hen te duwen.
- Druk op "Quick Settings" en selecteer "Density Temperatuur." Type in 20 ° C en druk op "OK." De dichtheidsmeter meet nu de vloeistofdichtheid bij deze temperatuur.
- Druk op start en wacht op het resultaat.
- Vergelijk de dichtheid lezen met 1164,00 kg / m 3.
- Voeg meer zout als het gegeven onder de VERGELIJKIn dichtheid. Voeg water toe als anders.
- Herhaal stap 1.2.3-1.2.10 totdat de vloeistofdichtheid klopt (1164,00 kg / m 3).
- Giet deze oplossing in een grotere houder, container A.
- Gebruik stappen 1.2.1-1.2.12 tot 35-40 L pekel en zet Container A in een diepvrieskist bij -40 ° C. Houd de pekel er voor 48-72 uur, totdat de temperatuur van -19,18 ° C (vriespunt van deze 22 gew% pekel) bereikt.
2. Voorbereiding van het ijs voor het injecteren en Wassen Water
- Bereid ijs voor het injecteren van water
- Giet 1 liter water in een kleine houder (200 x 200 x 50 mm).
- Herhaal stap 2.1.1 met een andere container te plaatsen en de twee houders in de diepvrieskist bij -40 ° C.
- Houd ze in de vriezer voor 10 uur of meer om ervoor te zorgen dat al het water is bevroren.
- Bereid het waswater's ijs shell
- Vul een 5-L bekerglas met 5 L water.
- Vul een 2-L bekerglas met 2 liter water.
- Plaats beide bekers in de diepvrieskist bij -40 ° C gedurende 8-10 uur, zodat er een dikke schil van ijs verpakken rond bevroren water.
- Gebruik een hoge snelheid waterstralen met een snelheid van 3-5 m / s uit de kraan te openen een gatdiameter 3 cm boven het ijs shell.
- Giet het water in het ijs schelp.
- Zet de twee bekers terug in de vriezer.
- Als de massa van het ijs shell geen 3 kg en 1 kg bereiken voor de twee bekers, respectievelijk, herhaalt u de stappen 2.2.1-2.2.5, maar houd de bekers in de vriezer langer in stap 2.2.3. De twee bekers moet nu in staat zijn om 2 L en 1 liter water respectievelijk bevatten.
3. Water Introductie standpunt en de Reologie controle-experiment
- Introduceer water bij de pekel oppervlak
- Giet 2 L van 22 gew% koude pekel van Container A in dealuminium bak van de ijsmachine en de schakelaar op de koelunit.
- Meet de temperatuur van de pekel met een thermometer / thermokoppel (ofwel K-type of T-type zijn geschikt). Doorgaan het experiment als de pekel -15 ° C of lager.
- Vul de 100-ml glazen spuit met leidingwater bij kamertemperatuur. Bevestig een 2-mm inwendige diameter, 1 mm dik en 1 meter lange siliconenslang aan de punt van de spuit.
- Plaats de injectiespuit op een bepaalde positie zodat er een weg tussen het water in de injectiespuit en de uitgang van de silicone buis. De hydrostatische druk zal het water knijp uit de buis.
- Dompel een bepaalde lengte van de siliconen buis, kenmerkend 70 cm, in de pekel.
- Pas de relatieve positie tussen de spuit en de buis uitgang zodat de hydrostatische druk groot genoeg om water aan de spuit verlaten. Indien de buis verstopt, verhogen het hoofd door het opvoeren van de spuit om een hogere verticale positie, until de hydrostatische druk kan de schuifspanning in de buis te overwinnen.
- Houd de tube exit ongeveer 1 cm of minder boven de pekel oppervlak.
- Pas de lengte van de dompelbuis en de spuit hoogte controle afvoer van het water liet temperatuur en stroomsnelheid om te bepalen hoeveel ijs kan worden gemaakt of hoeveel menging plaatsvindt op het oppervlak pekel. Bevriezing verschijnsel moet nu waargenomen op het oppervlak pekel. Zie referentie 45 voor verdere richting.
- Introduceer water door de pekel
- Herhaal de stappen 3.1.1-3.1.6.
- Houd de buis uitgang in de zoutoplossing, bij voorkeur op de bodem van de houder.
- Pas de lengte van de dompelbuis en de spuit hoogte.
- Pas de hoek van de buis aan de uitgang van de reologie te regelen.
- Herhaal de stappen 3.2.3-3.2.4 om de beste gekoppelde stroom reologie te vinden en het debiet dat de meeste ijs kan produceren.
- maak ijs
- Als er luchtbellen in de leidingen, het inschakelen van de twee pompen in Tank A om de bubbels los uit het glycol circulatiesysteem, en dan schakel de pompen.
- Schakel de drie koelunits en laat ze lopen voor 10-16 uur om af te koelen de ethyleenglycol oplossingen.
- Meet de ethyleenglycol oplossing met een thermometer / thermokoppel. De glycol temperatuur moet bij ongeveer -25 ° C.
- Meet de temperatuur van de pekel in Container A om ervoor te zorgen dat het bij -19 ° C voordat u verder gaat met stap 4.1.5.
- Vul de pekel tank, Tank B, met ongeveer 30 liter pekel van Container A en schakelaar op de twee pompen in de tank A.
- Meet de temperatuur van het glycol in tank A. Als het kouder dan -19 ° C, zet één of meer koeleenheden om precipitatie van ijsdeeltjes buiten de warmtewisselaars voorkomen in Tank B. Indien de temperatuur warmer dan de verwachte brijntemperatuur, zet drie koeleenheden. Verricht het experiment bij -17 ° C tot -19 ° C.
- Zet de twee premade ijsblokken uit stap 2.1 in de geïsoleerde 5-L bekerglas Container B en giet ongeveer 3 liter water in de beker.
- Meet de temperatuur van het water en houdt het bij 2 ° C door het mengsel te roeren tussen de experimenten als de temperatuur stijgt.
- Vul het glas spuit met 100 ml van de 2 ° C water.
- Toepassen 5-10 ml methanol aan het glasvenster Tank B condensatie en ijsvorming stoppen.
- Injecteer het water in de pekel door het relatieve positie tussen de spuit en de uitgang van de buis, zodat er een constante hydrostatische druk en dus een constant debiet. Ongeveer 70 cm van de siliconenslang worden ondergedompeld in pekel. Pas de hoek van injectie 0 °, zodat de initiële watersnelheid in opwaartse directie is 0 m / s.
OPMERKING: De spuit kan zowel hand- of geklemd tot stilstand. Hand-held is meer geschikt als de pekel kouder is, want het kost meer tijd om een stand aan te passen, en ijs kan de buis te blokkeren. Houd de stroom reologie consequent gedurende het experiment door te zorgen voor een constant debiet en de injectie hoek (0 °) en door het houden van de bevriezing grens ongeveer 3 cm boven de buis af te sluiten. Laat je niet door de stroom in te voeren van de regio waar het begint turbulent 47 te schakelen. Zie referentie 45 voor verdere richting. - Verzamel het ijs zoals beschreven in stappen 4,2 en 4,3. Herhaal stap 4.1.8 - 4.1.11 bij verschillende temperaturen pekel.
- Verzamel de geproduceerde ijs en schatten hoeveel ijs wordt geproduceerd (droog collectie)
- Zet een container (200 × 200 × 50 mm) op de weegschaal en nul het lezen door op de "Turn On" knop.
- Gebruik de zeef om schep het ijs en af te schuddende pekel.
- Zet dit ijs in de container. Meet de massa van het ijs van de weegschaal.
- Nadat het ijs gesmolten is, gebruikt de 10-mL spuit om een monster te nemen. Injecteer dit monster van vloeistof in de dichtheid meter.
- Voer stappen 1.2.6-1.2.9.
- Noteer de densiteit lezen.
- Bereken het net watermassa van de dichtheid (dwz de watermassa omgezet in ijs) met de volgende formule:
waar
is de pekel concentratie gew% en 
en 
zijn de massa's van zout en water, respectievelijk.
- Verzamel de geproduceerde ijs en schatten hoeveel ijs wordt geproduceerd (nat collectie)
- Vul het 5-L beker met een ijs shell (stap 2.2) en op kamertemperatuur kraanwater. Zet het terug in de vriezer bij -40 ° C.
- Giet het water met ijs mantel van de 5-L beker in een 2 liter bekerglas wanneer de temperatuur bij 0 ° C. Vul de 5-L beker. Houdt beide bekers in de vriezer.
- Schep het ijs geproduceerd in stap 4.1.8 en 4.1.9 en giet 200-500 ml water uit de 2-L bekerglas op het ijs te wassen. Laat de zeef niet schudden alvorens de 0 ° C water.
- Schud de vloeistof in de zeef.
- Herhaal de stappen 4.2.2-4.2.7.
is de pekel concentratie gew% en 
en 
zijn de massa's van zout en water, respectievelijk. Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 1 vergelijkt het effect van water geïntroduceerd op de pekel oppervlak om water geïnjecteerd door de pekel. In de "ice-cap" scenario, de gevormde ijs is solide, omdat het water niet veel mengen met de bulk vloeistof. De temperatuur en dichtheidsverschil tussen de twee fluïda genereert opwaartse kracht op het water en stopt mengen. Beide vloeistoffen zijn statisch (dwz de warmteoverdracht is veel groter dan die van de massa; Sc ≈ 500, ≈ Pr 10 en Le ≈ 50), zodat ijs kan vormen gemakkelijk. Er is geen vorming van een slappe laag noch zout afwijzing in dit experiment. Zodra het ijs dikker groeit, zal de snelheid van de warmteoverdracht belemmeren vanwege zijn lage thermische geleidbaarheid en invloed op de snelheid van ijsvorming. Op dit punt, kan duidelijk worden vastgesteld dat de geïntroduceerde "zoet water" niet meer tijdig kan bevriezen in een vaste stof. Bovendien, zonder convectie, de lage thermal geleidbaarheid van de pekel zelf belemmert ook het transport van de latente warmte uit de koude gootsteen. De snelheid van ijsvorming is rechtstreeks verbonden met en zeer gevoelig voor de pekel temperatuur. Bijvoorbeeld water in -15 ° C brijn bevriest veel sneller dan -13 ° C brijn. In de waterinjectie geval, de vorm en grootte van het ijs is gerelateerd aan de stroom reologie. De stang ijs figuur 1 heeft twee verschillende delen: een rechte hoofd gevolgd door een gekrulde staart. Het krullende gedeelte is gevormd dichter bij het oppervlak pekel, waarbij de gegevensstroom meer turbulentie aan. De gekrulde staart is meestal veel dunner dan de rechte hoofd door het ontstaan van turbulentie, waarbij het verschil tussen warmte- en massa overdrachtsnelheden vermindert, vooral in de buitenlaag van de stroom, waarbij de warmte en massa overdracht zijn hetzelfde. Daarom kan alleen de binnenste kern bevriezen in ijs. Indien de buis afslag horizontaal wordt gehouden in plaats van verticaal omhoog, een blad van ijs will worden gegenereerd. Het genereren van ijs stabieler en de resultaten reproduceerbaar. Tenslotte werd gevonden dat het verlagen van de stroomsnelheid niet kunnen worden geëlimineerd mengen. In plaats daarvan verhoogt de kans op blokkeren van de buis.
De waterinjectie hoek wordt gehouden op 0 ° met de horizontale as bij het uitvoeren van water naar ijs omzettingsverhouding metingen. De invloed pekel temperaturen en concentraties zijn aangegeven in figuur 2. De conversie ratio's zitten meestal tussen 0,4-0,9 voor de bestudeerde pekel temperaturen en concentraties. Het is belangrijk om de stroom reologie en de positie van ijsvorming grens constant gedurende het experiment te houden. De grote hoeveelheid pekel in de tank B helpt om de effecten van de lokale thermische gradiënten van de metingen verminderen. De relatie tussen de brinetemperatuur en de omzettingsverhouding eerste orde voor de onderzochte temperatuur range. Coëfficiënten voor de best passende lijnen staan in tabel 1. Als een andere hoek injectie wordt gebruikt, zal het water-to-ice conversie ratio's niet meer volgen deze relaties omdat het gebied van contact en dus de tarieven van de warmte en massa-overdracht, zijn verschillend. Bij het verzamelen van het ijs, is het belangrijk om de op consistente af te schudden de pekel / waswater en om te proberen om de hoeveelheid water in de zeef te minimaliseren kracht te houden. Vergelijkbare hoeveelheden water gebruikt te wassen de pekel moet worden toegepast op inconsistente resultaten te vermijden. Het bleek dat als er meer dan 500 ml water wordt gebruikt om het ijs te wassen, verdere verlaging zoutgehalte onwaarschijnlijk. Wanneer het volume beneden 200 ml, kan het zoutgehalte oplopen tot 4 gew% bedragen.
Aangezien de verdamper temperatuur veel hoger dan een geschraapte ijsmachine, die gewoonlijk gebruikt -40 ° C, wanneer deze methode wordt toegepast om ijs te produceren, wordt een hogere COP verwachtvolgens berekeningen in figuur 3. Als bijvoorbeeld de verdamper temperatuur wordt verhoogd tot -20 ° C, kan de COP bijna bereiken 3 voor koelmiddel R134A.
Figuur 1: Water inleiding positie. Een "ijskap" kunnen vormen wanneer water wordt geïntroduceerd op de pekel oppervlak. Een staf van ijs vormen wanneer de buis afslag wordt rechtop. Wanneer water wordt geïnjecteerd in de pekel, de vorm van het ijs is afhankelijk van de stroom rheologie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Omwisselverhouding vergelijking op verschillende pekel concentraties met een best-fit lijn. beide Brine temperatuur en concentratie beïnvloeden hoeveel water kan worden bevroren in ijs (omzettingsverhouding) wanneer het debiet en reologie hetzelfde worden gehouden. De omzettingsverhouding lineair toeneemt met een daling brijntemperatuur. Lagere concentraties pekel lagere badtemperatuur genereren meer ijs. De wasmethode verzamelt meer ijs dan de droge-collectie methode. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Coëfficiënt van de prestaties bij verschillende verdamper temperaturen voor een reeks van koelvloeistoffen. Hogere verdamper temperaturen bevorderen de prestatiecoëfficiënt (COP) van de koelsystemen. De twee overgangsregeling koudemiddelen (R22 en R134A) hebben een betere COP dan de reeds verboden R502 en de mengsels (R404A en R507A).Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Zoutconcentratie (gew%) | droog collectie | natte collectie | ||
| p1 | p2 | p1 | p2 | |
| 23.3 | -0,09909 | -1,34 | -0,1196 | -1,439 |
| 22 | -0,1204 | -1,633 | -0,1439 | -1,839 |
| 21 | -0,1261 | -1,682 | -0,1545 | -1,98 |
Tabel 1: Coëfficiënten for de best passende lijnen voor de conversie ratio versus brijn temperatuur diagram. De omzettingsverhouding lineair correleert met de brinetemperatuur volgens de formule: 
. Zowel droog- en nat-collectie methoden worden hier vermeld.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Werkwijze ijs generatie gebruik zoutoplossing als secundair koelmiddel omvat de combinatie van warmte en massaoverdracht. Als de warmteoverdracht groter dan ijs vormt voordat het water de kans te mengen met de bulkvloeistof. Waargenomen werd dat wanneer er een relatieve beweging tussen het ingebrachte water en de ruststroom bulk pekel (dwz injecteren van water in de pekel), de stroming helpt de warmteoverdracht en moedigt ijs snel te vormen. Echter, wanneer er te veel turbulentie in de stroom, geen ijs kan worden gegenereerd. De grootste beperking van deze techniek is het mengen en verdunnen van de pekel. De pekel volume zal blijven stijgen als het proces verder. Wanneer derhalve ijs deze wijze is het belangrijk te weten de toenemende volume pekel en neer pekel zoutgehalte. Bovendien werd opgemerkt dat, indien de gegenereerde ijs niet worden verzameld, zullen smelten. Dit kan zijn omdat de pekel niet bij zijn smeltpunt, waardoor zowel warmteen massa-overdracht tussen de gevormde ijs en het grootste deel vloeistof. De wijze van warmte en massa-overdracht is slechts door diffusie, en de snelheid van het smelten is traag. Echter, omdat het ijs drijft op de pekel oppervlak, extra warmte binnendringen van de omringende omgeving verhoogt de snelheid van het ijs smelten. Daarom moeten de gegenereerde ijs onmiddellijk worden verzameld zodra deze is geproduceerd om een verdere toename van het volume van de zoutoplossing te voorkomen.
Het verminderen van verdunning of van het water te scheiden en het zout wordt momenteel onderzocht in ons lab. Een van de vele ideeën is om het geïnjecteerde water opnieuw naar een andere buis die groter in diameter zodat alleen water wordt blootgesteld aan de bulk vloeistof voor een korte tijd, het minimaliseren van de volumeverandering van het secundaire koudemiddel. Ijs nucleatie optreedt wanneer water wordt blootgesteld aan de pekel, gevolgd door de voltooiing van de groei van ijs in de grotere buis. Doordat er gebruik vast oppervlak, het grootste zoutgehalte van de gegenereerde ijs regelbaar. Als bijvoorbeeld lager zoutgehalte in het ijs nodig, kan meer "zoet water" aan de vloeistof in de secundaire buis. De ondergedompelde lengte van deze secundaire buis kan gemakkelijk worden veranderd, afhankelijk van de vereiste ijs fractie van het product.
De stroming reologie heeft een grote invloed op de oppervlakte van contact en het gebied tot volumeverhouding van de stroming in de bulkvloeistof. Onze waarnemingen geven aan dat een groter contactoppervlak is gunstig voor de meer ijsvorming. Een groter contactoppervlak moet tevens de massaoverdracht, maar nog niet waargenomen in de bestudeerde pekel temperatuur- en concentratiebereik. Het schijnt dat voordat de stroom betreedt de overgangszone waar turbulentie en scheiding van stroming start optreden, ijs wordt altijd aangemaakt. Als de stroom scheidt en grote turbulenties bestaan elk cluster watermoleculen heeft zijn eigen nucleatiepunt en ijs kunnen niet gevormd in deze situaties.
"> De relatie tussen de brinetemperatuur en water naar ijs omzettingsverhouding lineair terwijl bij een constante zoutconcentratie. De verschuivingen van de omzettingsverhouding versus brijntemperatuur best passende rechte lijnen aangeven dat brijn concentratie speelt ook een belangrijke rol in de ijsvorming / water verdunningsmethode. Door de faseovergang, de randvoorwaarden zijn zeer verschillend van conventionele warmte- en massa-overdracht analogie studies, en dus deze analogieën onvoldoende voor het beschrijven van deze situatie.Deze studie bleek ook dat, aangezien de bevriezing grens kan worden bevestigd aan een relatief stabiele afstand van de afrit van de buis, kan de stroom een steady-state conditie te bereiken. Dit geeft aan dat dit verschijnsel kan worden gebruikt als een betrouwbare nieuw mechanisme voor de productie van ijs in de industrie, omdat een veel hogere verdampertemperatuur en productiekosten in vergelijking met de bestaande ij smakende technieken worden verwacht.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
De auteurs hebben geen bevestigingen.
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
- Cleaning and separation in conduits. UK patent. Quarini, G. L. , GB2358229, WO0151224 (2001).
- Quarini, J. Ice-pigging to reduce and remove fouling and to achieve clean-in-place. Appl. Therm. Eng. 22, 747-753 (2002).
- Evans, T. S., Quarini, G. L., Shire, G. S. F. Investigation into the transportation and melting of thick ice slurries in pipes. Int. J. Refrig. 31, 145-151 (2008).
- Shire, G. S. F., Quarini, G. L., Rhys, T. D. L., Evans, T. S. The anomalous pressure drop behaviour of ice slurries flowing through constrictions. Int. J. Multiph. Flow. 34, 510-515 (2008).
- Shire, G. S. F., Quarini, G. L., Evans, T. S. Pressure drop of flowing ice slurries in industrial heat exchangers. Appl. Therm. Eng. 29, 1500-1506 (2009).
- Evans, T. S. Technical Aspects of Pipeline Pigging with Flowing Ice Slurries [dissertation]. , Department of Mechanical Engineering, University of Bristol. (2007).
- Shire, G. S. F. The behaviour of ice pigging slurries [dissertation]. , Department of Mechanical Engineering, University of Bristol. (2006).
- Hales, A., et al. Ice fraction measurement of ice slurries through electromagnetic attenuation. Int. J. Refrig. 47, 98-104 (2014).
- Hales, A., et al. The effect of salinity and temperature on electromagnetic wave attenuation in brine. Int. J. Refrig. 51, 161-168 (2015).
- Hales, A. Ice slurry diagnostics through electromagnetic wave attenuation and other techniques [dissertation]. , Department of Mechanical Engineering, University of Bristol. (2015).
- Lucas, E. J. K., Hales, A., McBryde, D., Yun, X., Quarini, G. L. Noninvasive Ultrasonic Monitoring of Ice Pigging in Pipes Containing Liquid Food Materials. J. Food Process. Eng. 40, e12306 (2015).
- Carrasco, J., Hodgson, A., Michaelides, A. A molecular perspective of water at metal interfaces. Nat. Mater. 11, 667-674 (2012).
- Hu, X. L., Michaelides, A. Ice formation on kaolinite: Lattice match or amphoterism? Surf. Sci. 601, 5378-5381 (2007).
- Hu, X. L., Michaelides, A. The kaolinite (0 0 1) polar basal plane. Surf. Sci. 604, 111-117 (2010).
- Leiper, A. N., Ash, D. G., McBryde, D. J., Quarini, G. L. Improving the thermal efficiency of ice slurry production through comminution. Int. J. Refrig. 35, 1931-1939 (2012).
- Leiper, A. Carnot cycle optimisation of ice slurry production through comminution of bulk ice [dissertation]. , Department of Mechanical Engineering, University of Bristol. (2012).
- Leiper, A. N., Hammond, E. C., Ash, D. G., McBryde, D. J., Quarini, G. L. Energy conservation in ice slurry applications. Appl. Therm. Eng. 51, 1255-1262 (2013).
- Bédécarrats, J. -P., David, T., Castaing-Lasvignottes, J. Ice slurry production using supercooling phenomenon. Int. J. Refrig. 33, 196-204 (2010).
- Wijeysundera, N. E., Hawlader, M. N. A., Andy, C. W. B., Hossain, M. K. Ice-slurry production using direct contact heat transfer. Int. J. Refrig. 27, 511-519 (2004).
- Reynolds, O. On the extent and action of the heating surface of steam boilers. Proc. Lit. Philos. Soc. Manch. 14, 7-12 (1874).
- Reynolds, O. Papers on mechanical and physical subjects: reprinted from various transactions and journals. , Cambridge University Press. Vol. I, 1869-1882, Ch. 14. On the extent and action of the heating surface of steam boilers 81-85 (1900).
- Reynolds, O. Papers on mechanical and physical subjects. Int. J. Heat Mass Transfer. 12, 129-136 (1969).
- Prandtl, L. Eine Beziehung zwischen Wärmeaustausch und Strömungswiderstand der Flüssigkeiten (On the relation between heat exchange and stream resistance of fluid flow). Physik. Z. 11, 1072-1078 (1910).
- Prandtl, L. Bemerkung über den Wärmeübergang im Rohr (Note on heat transmission in pipes). Physik. Z. 29, 487-489 (1928).
- Taylor, G. I. Conditions at the surface of a hot body exposed to the wind. Rep. Memo. ACA. 272, (1916).
- Taylor, G. I. The Application of Osborne Reynolds' Theory of Heat Transfer to Flow through a Pipe. Proc. R. Soc. A. 129, 25-30 (1930).
- Kármán, T. v Proceedings of the Fourth International Congress for Applied Mechanics. , Cambridge, UK. 54-91 (1934).
- Kármán, T. v The analogy between fluid friction and heat transfer. Trans. Am. Soc. Mech. Eng. 61, 705-710 (1939).
- Martinelli, R. C. Heat transfer to molten metals. Trans. Am. Soc. Mech. Eng. 69, 947-959 (1947).
- Colburn, A. P. A method of correlating forced convection heat-transfer data and a comparison with fluid friction. Trans. Am. Inst. Chem. Eng. 29, 174-210 (1933).
- Colburn, A. P. A method of correlating forced convection heat-transfer data and a comparison with fluid friction. Int. J. Heat Mass Transfer. 7, 1359-1384 (1964).
- Chilton, T. H., Colburn, A. P. Mass Transfer (Absorption) Coefficients Prediction from Data on Heat Transfer and Fluid Friction. Ind. Eng. Chem. 26, 1183-1187 (1934).
- Friend, W. L., Metzner, A. B. Turbulent heat transfer inside tubes and the analogy among heat, mass, and momentum transfer. AIChE J. 4, 393-402 (1958).
- Bejan, A. Constructal-theory network of conducting paths for cooling a heat generating volume. Int. J. Heat Mass Transfer. 40, 799-816 (1997).
- Bejan, A., Lorente, S. Constructal theory of generation of configuration in nature and engineering. J. Appl. Phys. 100, 041301 (2006).
- Bejan, A., Lorente, S., Yilbas, B. S., Sahin, A. Z. Why solidification has an S-shaped history. Sci. Rep. 3, 1711 (2013).
- Lake, R. A., Lewis, E. L. Salt rejection by sea ice during growth. J. Geophys. Res. 75, 583-597 (1970).
- Wettlaufer, J. S., Worster, M. G., Huppert, H. E. Natural convection during solidification of an alloy from above with application to the evolution of sea ice. J. Fluid Mech. 344, 291-316 (1997).
- Paige, R. A. Stalactite Growth beneath Sea Ice. Science. 167, 171-172 (1970).
- Dayton, P. K., Martin, S. Observations of ice stalactites in McMurdo Sound, Antarctica. J. Geophys. Res. 76, 1595-1599 (1971).
- Eide, L. I., Martin, S. The formation of brine drainage features in young sea ice. J. Glaciol. 14, 137-154 (1975).
- Martin, S. Ice stalactites: comparison of a laminar flow theory with experiment. J. Fluid Mech. 63, 51-79 (1974).
- Jeffs, K., Attenborough, D. Frozen Planet: Episode 5 'Winter'. , BBC. (2011).
- Fothergill, A., Berlowitz, V., Attenborough, D. Ch. Winter: Life closes down. in Frozen Planet: A World Beyond Imagination. , BBC books. (2011).
- Yun, X., et al. Ice formation in the subcooled brine environment. Int. J. Heat Mass Transfer. 95, 198-205 (2016).
- Weast, R. C. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 64, 64 edn, CRC Press. 257-258 (1983).
- Bejan, A., Lage, J. L. The Prandtl Number Effect on the Transition in Natural Convection Along a Vertical Surface. J. Heat Transfer. 112, 787-790 (1990).
