Avaliação a Transferência de Calor de um Equipamento de Resfriamento e Agitação

Spin-and-chills são exemplos domésticos de tecnologia de transferência de calor. Eles podem ser analisados para entender os processos de engenharia que são amplamente estudados e aplicados na indústria. Spin-and-chills resfria refrigerantes muito mais rápido do que geladeiras ou caixas de gelo. Eles operam girando latas de refrigerante dentro de um reservatório de gelo a velocidades de centenas de rotações por minuto. O spin-and-chill utiliza transferência de calor por convecção para resfriar as latas de refrigerante. Medindo a taxa de resfriamento sob diferentes condições, o comportamento convectivo pode ser determinado. Que pode ser usado para melhorar a eficiência do resfriamento, bem como modelar e entender as situações de transferência de calor relacionadas. Este vídeo ilustra os princípios operacionais do spin-and-chill, demonstra experimentos que avaliam a transferência de calor por convecção e discute aplicações relacionadas.

O spin-and-chill é modelado como consistindo de uma lata de refrigerante quente submersa em um ambiente grande e frio. A lata tem paredes finas e está cheia de fluido. O fluido é mais quente no centro e mais frio na borda. E a distribuição de temperatura é simétrica em torno do eixo de rotação da lata. À medida que a lata gira, o fluido interno é resfriado. Supõe-se que os arredores sejam tão grandes que não aquecem sensivelmente. Essa visualização pode ser dividida em várias zonas, cada uma caracterizada por sua distribuição de temperatura e mecanismo de transferência de calor exclusivos. A parede é modelada como uma membrana fina. Seu mecanismo dominante de transferência de calor é a condução. A propagação do calor sem movimento macroscópico do meio. A parede da lata é tão fina, no entanto, que a condução na parede é insignificante. Em ambos os lados estão as camadas limite, regiões de fluido com fortes gradientes de temperatura. Aqui, o mecanismo dominante de transferência de calor é a convecção. Transferência de calor auxiliada pelo movimento dos fluidos. Durante a centrifugação rápida, a condução é insignificante dentro da lata, porque o conteúdo é bem misturado. Finalmente, nas regiões de massa, a condução mais uma vez predomina. No entanto, como o volume de gelo é grande em comparação com o fluido na lata, a temperatura na fase de gelo a granel não muda sensivelmente. E a condução é insignificante. Como a condução dentro da lata é insignificante e a convecção é o fator determinante no resfriamento do fluido na lata, a análise de parâmetros concentrados pode ser usada para modelar o comportamento de resfriamento. A análise de parâmetros concentrados reduz um sistema térmico a uma única resistência concentrada discreta. Onde a diferença de temperatura de cada resistência individual é considerada desconhecida. O modelo de parâmetro concentrado assume que a maior resistência à transferência de calor ocorre nas camadas limite. À medida que a lata esfria com o tempo, a temperatura do volume diminui uniformemente ao longo de seu volume. Usando a equação mostrada, pode-se calcular o coeficiente de transferência de calor concentrado, h, para uma lata sendo resfriada usando um spin-and-chill. O coeficiente de transferência de calor leva em consideração todas as resistências à transferência de calor por convecção e as agrupa em uma constante. Essa constante é uma razão entre o fluxo de calor e a força motriz do fluxo de calor. Nesse caso, a diferença entre a temperatura do fluido na lata e a temperatura do gelo. Esses são os princípios. Agora vamos demonstrar como estudar a transferência de calor por convecção usando um spin-and-chill.

O procedimento requer uma lata de amostra de alumínio selável. Registre as dimensões da lata. Encha-o com água e registre sua massa e temperatura. Em seguida, sele a lata com uma tampa de vedação de plástico. Pese o gelo que será usado na configuração. Carregue-o no aparelho e, por fim, insira a lata de alumínio. Defina o centrifugação e resfriamento para executar um único ciclo de dois minutos a 300 RPM e ligue-o. Após a conclusão da centrifugação, retire a lata, retire a tampa e meça a temperatura da água. Por fim, use um cilindro graduado para medir a quantidade de gelo que derreteu. Use ciclos sequenciais para avaliar os efeitos de tempos de execução mais longos no resfriamento do fluido na lata. Em ciclos sequenciais, um ciclo de dois minutos é realizado como antes e a temperatura é registrada. Em seguida, a lata é recolocada na centrifugação e resfriamento e outro ciclo de dois minutos é iniciado. Além do tempo de rotação, estude o efeito da modificação de outros parâmetros. Como a velocidade de rotação no desempenho de resfriamento. Execute ciclos de dois minutos em várias velocidades, variando de alguns RPM a mais de 500 RPM.

Os dados para o modelo de parâmetro concentrado foram calculados em 10 ensaios de execução única. Cada um com duração de dois minutos a 300 RPM. Em média, uma corrida de dois minutos diminuiu a temperatura da lata de 82,12 graus Fahrenheit para 55,88 graus Fahrenheit. Substituindo as características físicas e geométricas relevantes da lata, o coeficiente de transferência de calor pode ser calculado. A eficiência termodinâmica foi estimada dividindo-se o calor perdido pela lata com o calor necessário para derreter o gelo durante a corrida. Usando execuções sequenciais em RPM constante, foi demonstrado que o desempenho de resfriamento foi aprimorado com tempos de ciclo mais longos. No entanto, os ciclos sequenciais mostram que a eficiência do resfriamento diminui com o tempo. Essa diminuição na eficiência é comum na transferência de calor, quando o diferencial de temperatura que impulsiona a transferência de calor se torna menor. Variar as RPMs em um tempo de execução fixo mostra o efeito da velocidade no desempenho de resfriamento. Um tempo de centrifugação mais rápido levou a uma queda de temperatura maior dentro da lata. A eficiência da transferência de calor foi maior quando o spin-and-chill foi operado na RPM mais alta.

O processo de transferência de calor observado no spin-and-chill é visto em muitos ambientes laboratoriais e industriais. O congelamento de alta pressão é usado para preservar amostras de tecido para espectroscopia eletrônica de transmissão. Em um processo análogo ao spin-and-chill, as amostras são expostas a jatos de nitrogênio líquido pressurizado. Permitindo uma criofixação rápida e não destrutiva. Isso é particularmente útil para tecidos vegetais, que devem ser rapidamente congelados para evitar danos celulares através da formação de gelo. Procedimentos semelhantes são usados para preservar células musculares humanas ou células-tronco. Os reatores nucleares também operam com base nos princípios da transferência de calor por convecção. Eles contêm um núcleo dentro do qual ocorre uma reação de fissão altamente controlada. O núcleo é submerso em uma corrente de água pressurizada, que absorve o calor gerado pela reação de fissão e vaporiza. A água vaporizada é então usada para acionar geradores. A segurança desses reatores, independentemente da escala, depende em grande parte do controle do processo de transferência de calor por convecção que ocorre em seu núcleo.

Você acabou de assistir à introdução de JOVE à transferência de calor no spin-and-chill. Agora você deve estar familiarizado com a transferência de calor por convecção, um procedimento para medir parâmetros que afetam a transferência de calor por convecção e algumas aplicações. Como sempre, obrigado por assistir.