Spin et Chill

Chemical Engineering

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Overview

Source : Michael G. Benton et Kerry M. Dooley, département de génie chimique, Louisiana State University, Baton Rouge, Louisiane

Spin et refroidissez utilise les principes fondamentaux du transfert de chaleur et l’écoulement des fluides pour refroidir les boissons à 38 F en seulement 2 min. Il faudrait un réfrigérateur environ 240 min et une glacière 40 min pour atteindre la même température. Spin et refroidissez affirme également que ceci est accompli en « douceur » tourne à 500 tr/min, ce qui crée peu ou aucune formation de mousse.

Dans cette expérience, on évaluera la possibilité de la filature d’un navire pour refroidir une boisson gazeuse à une vitesse record. Spin et Chill est conçu pour invalider l’utilisation d’une glacière, en faveur de la réfrigération des boissons rapidement et individuellement. Différents paramètres opérationnels, tels que variant la vitesse de rotation de l’appareil, seront évalués afin de déterminer leur effet sur le transfert de chaleur. En outre, l’analyse des paramètres tant analyse de conduction de chaleur transitoire servira à déterminer le transfert de chaleur.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Génie chimique. Spin et Chill. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Spin et refroidissez fait usage de conduction thermique transitoire et le transfert de chaleur par convection. En faisant tourner la boîte, un liquide chaud au milieu de la boîte se déplace vers l’extérieur et entre en contact avec la surface plus froide. Ensuite, l’énergie est transféré depuis le liquide chaud à la surface froide sous forme de chaleur. Cela continue jusqu'à ce que le bateau entier a été refroidi. Réfrigération fait appel à un processus similaire de1. En réfrigération, réfrigérant parcourt le système et subit une réduction de pression1. En réponse, la température du fluide frigorigène diminue fortement en dessous la température de l’espace étant refroidi1. Cette différence de température se traduit par la chaleur allant naturellement l’espace plus chaud vers le réfrigérant plus froid, où il est pris, plus tard émis, et le processus se répète1.

Le Spin et le refroidissement éolien est analogue au refroidissement d’un navire de lot et quelque peu analogue au refroidissement d’un fluide s’écoulant dans un tuyau. Pour le liquide dans un récipient de lot avec un agitateur et dans un tuyau, la vitesse moyenne du fluide est connue. Théorie et corrélations sont disponibles pour prédire le coefficient de transfert thermique (h) valeurs. Flux de chaleur dans Spin et Chill est contrôlé par des résistances. Nous voulons mettre l’accent sur deux cas limites.

L’analyse des paramètres permet de réduire un système thermique à un certain nombre de discrètes « grumeaux », où la différence de température de chaque morceau est considéré comme négligeable.

Equation 1

Dans cette équation, T est la température, h est le coefficient de transfert thermique, A est l’aire, t est moment de l’exécution, ρ est la densité, le Cp est la capacité calorifique et V est le volume.

Flux de chaleur de l’eau dans le bidon sur la glace implique une résistance interne, une résistance de la paroi et une résistance externe (Figure 1). Pour les cas d’être applicable, les deux l’eau dans le bidon et la glace doit être bien mélangé. Cela simplifie l’affaire à un problème de transfert de chaleur unidimensionnel.

Figure 1
Figure 1 : Schéma des conditions de température pour les cas un.

Dans ce cas, le mur est très mince et la résistance de la paroi peut être négligée. Ici, le transfert de chaleur est principalement contrôlée par la résistance interne. Cela conduit à l’analyse des paramètres qui permet la détermination de la résistance interne.

Le nombre de Biot est un indice du rapport des résistances de transfert de chaleur à l’intérieur et à l’extérieur d’une membrane,

Bi = Lh/k

où Bi est le nombre de Biot, L est la longueur caractéristique (volume divisé par la superficie), h est le coefficient de transfert thermique et k est la conductivité thermique. Ce numéro est utilisé pour comparer les résistances de transfert de chaleur entre les différents organes.

Cas deux utilise une analyse de conduction de chaleur transitoire unidimensionnel.

Equation 2

Où τ est la constante de temps, α est la diffusivité thermique, t est le temps et r0 est le rayon initial. Cette formule est utilisée pour trouver la diffusivité thermique, qui se compose de la conductivité thermique, k, divisée par la masse volumique ρ et la capacité calorifique, Cp.

Equation 3

Si l’eau est un véritable « solid body », la température de l’eau en vrac ne sera pas une température uniforme et flux de chaleur de l’eau sera contrôlé par conduction. Avec le temps, la température à l’axe central de la canette va évoluer (Figure 2). Flux de chaleur de l’eau à la glace consiste à conduction à travers le « solide » et une résistance interne.

Figure 2
Figure 2 : Un schéma des conditions de température pour les cas deux.

Lorsque vous utilisez une glacière, le liquide contenu dans la boîte n’est pas aussi « solid » même sans mélange, et on établira une convection naturelle due à des gradients de température. La température de ligne du centre peut être utilisée pour déterminer la résistance interne apparente en supposant un long cylindre avec conduction de la chaleur dans le sens radial.

Procedure

1. essais de Spin et Chill

  1. Remplir le bidon de soude aluminium avec eau à température ambiante et ensuite enregistrer la température.
  2. Mesurer le poids total des glaces utilisé avec la balance, assez pour entourer le Spin et le froid.
  3. Sceau de soude l’aluminium peut à l’aide d’un mastic plastique couvercle et insérez l’ensemble dans la Spin et refroidissez.
  4. Activer Spin et réfrigérer. Il devrait fonctionner environ 2 min à ~ 500 tr/min.
  5. Retirer l’aluminium soude peut du Spin et Chill et enlever le plastique couvercle d’étanchéité. Enregistrer la température finale de l’eau au sein de la soude en aluminium peut.
  6. Enregistrer la quantité de glace qui a fondu à l’eau à l’aide d’une éprouvette graduée ou un équilibre.

2. des paramètre modèle

  1. À partir de la boîte une température de la pièce, effectuer ~ 4 unique s’exécute à l’aide de l' essorage et Chill (~ 4). Il doit s’exécuter pour ~ 2 min à ~ 500 tr/min.
  2. Noter la température finale de l’eau dans le bidon après chaque course.
  3. Ensuite, exécutez le Spin et Chill successivement trois délais débutant avec une boîte chaude. Effectuer un nombre raisonnable de répétitions pour le séquentiel expérience Spin et refroidissez . Il doit s’exécuter pour ~ 2 min à ~ 500 tr/min.
  4. Consigner la quantité de glace fondue et température finale après chaque course. Soyez prudent lorsque vous ouvrez la boîte - il peut ou ne peut pas mousse.
  5. Ensuite, répétez et varier le nombre de tours d’exploitation du Spin et Chill. Commencez avec la boîte à température ambiante et effectuer des séries de 2 min à tr/min, allant de quelques nanomètres à 500 tr/min.

3. modèle transitoires par Conduction

  1. Effectuez les mêmes expériences comme ci-dessus. Charger le spin et refroidissez avec glace et un cylindre d’aluminium solide (avec un petit trou percé dans l’axe pour mesures de température).
  2. Toutes les quelques minutes mesurer et enregistrer la température au centre de la can et le cylindre en aluminium - soyez prudent pas de remuer ou de déranger le contenu de la boîte.

Results

Le modèle des paramètres permettant de déterminer le coefficient de transmission thermique, h, pour les différentes conditions expérimentales. L’efficacité observée n’est pas tributaire de tout mécanisme de transfert de l’affaire ou de la chaleur limitant. Pour calculer l’efficacité, nous avons d’abord déterminer l’énergie dans la glace et de l’eau. Si le régime adiabatique (efficace à 100 %), Ql’eau + Qglace = 0. Le rendement est déterminé en divisant la valeur absolue de l’énergie thermique de l’eau (eaude Q) par l’énergie thermique de la glace (glacede Q) (tableau 1). Pour les séries séquentielles, l’efficacité, η, diminue de 78 % à 71 % et puis à 50 % la température dépasse 32 F (tableau 2). L’efficacité, η diminue avec les circuits séquentiels. C’est parce que l’efficacité du transfert de chaleur est réduite quand les températures sont proches l’un de l’autre. La température de la glace à l’extérieur, ce qui réduit l’efficacité des approches le liquide à l’intérieur de la boîte. Le nombre de Biot s’est révélé pour être autour de 10 pour tous les passages unique. Elles dépassent de beaucoup la valeur attendue de 0,1. La valeur beaucoup plus élevée indique une plus grande résistance thermique à l’extérieur de la can qu’à l’intérieur. Le nombre de Biot est mieux indiqué que la résistance extérieure au flux de chaleur divisée par la résistance interne. Ici, un plus grand nombre pour h et k est révélateur de moins de résistance ou des flux de chaleur « supérieur ». Un très grand k qui créerait une température uniforme "k » phase. Rotation de la boîte semble créer un navire bien mélangé. L’analyse des paramètres est parfaitement applicable.

Essai # livres d’eau Température initiale (°F) Temp finale (°F) Δ T (°F) Glace Δm (lbs.) Qglace Ql’eau Η h
(Btu/hr-ft2-F)
h
(W/m2- C)
1 0,783 77 53,42 23.58 0,172 24.768 18.463 74,54 70.545 400.574
2 0,783 84.74 60,08 24.66 0,17 24,48 19.309 78.88 59.899 340.126
3 0,783 86 59.72 26.28 0,175 25.2 20.577 81,66 63.369 359.829
4 0,783 83.12 55,4 27,72 0,195 28.08 21.705 77,30 74.261 421.674
6 0,783 81.86 52,34 29,52 0,212 30.528 23.114 75,71 85.207 483.832
7 0,783 83,66 58.28 25.38 0,171 24.624 19.873 80,70 64.229 364.710
8 0,783 79.16 50.72 28,44 0,203 29.232 22.269 76.18 87.804 498.576
9 0,783 81,68 56,3 25.38 0,181 26.064 19.873 76,25 67.959 385.890
10 0,783 81.86 56.66 25.2 0,173 24.912 19.732 79.21 66.905 379.906
Moy. 0,783 82,12 55.88 26.24 0,18 26,43 20.55 77,73 70.454 400.057

Tableau 1 : Température nominale de simple-course changer de 82 F de 56 F.

Essai # livres d’eau Température initiale (°F) Temp finale (°F) Δ T (°F) Glace Δm (lbs.) Qglace Ql’eau h h
(Btu/hr-ft2-F)
h
(W/m2- C)
1 a 0,783 80.78 53,6 27.18 0,176 25.344 21.282 83,97 77.414 439.582
1 b 0,783 53,6 41,9 11,7 0,095 13,68 9.161 67,10 74.335 422.095
1c 0,783 41,9 38,3 3.6 0,038 5.472 2,819 51,77 43.223 245.430
2 a 0,783 74,48 55.76 18,72 0,137 19.728 14.658 74,30 55.216 313.530
2 b 0,783 55.76 43,34 12.42 0,088 12.672 9.725 76,90 70.477 400.188
2c 0,783 43,34 37.04 6.3 0,062 8.928 4.933 55,53 77.548 440.340
3 a 0,783 71,42 49,28 22.14 0,141 20.304 17.336 85.38 78.374 445.030
3 b 0,783 49,28 39,56 9.72 0,077 11.088 7.611 68,78 78.767 447.264
3C 0,783 39,56 35,96 3.6 0,046 6.624 2,819 42,77 61.836 351.122

Tableau 2 : Données de trois séquentiel s’exécute avec des changements de température nominale.

Un calcul initial de la température du Centre selon les paramètres suggérés suggère une violation impossible de la deuxième loi de la thermodynamique. Cependant, le problème est que cette équation ne fournit pas une solution de court laps de temps, que des solutions plus long terme. Paramètres supplémentaires s’ajoutent pour satisfaire des délais plus courts.

Equation 4

Equation 5

Equation 6

Tenir compte des résistances de transfert de chaleur dans l’eau et de l’aluminium et h, conduction pure, k. Si la conduction est pure - comme cela se produit dans un corps solide - les valeurs observées h devraient être les mêmes pour les deux systèmes. Pour le système d’eau, une convection naturelle survient, donc les valeurs de h ne devraient pas être les mêmes pour les deux systèmes.

Lorsqu’elle varie la vitesse de rotation, on a constaté que la température moyenne du liquide à l’intérieur de la boîte était inversement proportionnelle à la vitesse de rotation. RPM plus élevé conduit à abaisser la température du liquide, plus proche de la température idéale, alors qu’un t/mn réduit ont conduit à des températures moyennes plus élevées. RPM plus élevé réduit la température du liquide avec plus de succès que les rpms inférieurs.

Une relation similaire a été trouvée entre le moment de l’exécution et de la température à régime constant. Quand la boîte a été tournée pour une quantité réduite de temps, la température moyenne a été plus chaude que quand la boîte a été filée pour la totalité du temps. La relation s’est avérée pour être qu’une augmentation au moment de l’exécution entraîne une modification augmentation de température et un ensemble refroidisseur en moyenne.

Applications and Summary

Cette expérience vise à évaluer la capacité d’un navire de filature pour refroidir une boisson gazeuse à des vitesses records, Spin et de frissons. Première ronde examine Spin et refroidir à l’aide d’un modèle à paramètres localisés. Deux ronde examine Spin et refroidissez à l’aide du modèle de conduction thermique transitoire dans des cylindres longues. Trois ronds compare nos résultats expérimentaux Spin et refroidissez avec résultats et corrélations trouvées dans une autre expérience de recherche. Théorie et corrélations sont disponibles pour prédire les valeurs de h . Flux de chaleur dans Spin et refroidissez sera contrôlé par des résistances.

La baisse d’efficacité trouvée dans des passages séquentiels était attendue. Le nombre de Biot s’est révélé pour être autour de 10 pour tous les passages en première ronde. Celles-ci dépassent largement la valeur attendue de 0,1. Les données collectées les appels en question la capacité du Spin et réfrigérer pour refroidir à chaud canette de soda à 38F en 2 minutes. Cependant, avec trois utilisations séquentielles et une période d’environ 6 minutes, l' essorer et refroidissez peut refroidir la boisson gazeuse à la température souhaitée de 38F. Bien que les revendications initiales ont été invalidées, le concept donne une méthode de refroidissement avancée qui pourrait être plus efficace avec plus de tests à l’avenir.

Le modèle des paramètres a été appliqué à une grande variété de domaines. Par utilisation d’une analyse des paramètres, des laboratoires de médecine légale peuvent déterminer temps de la mort d’un corps humain2. Légistes traitent le corps comme un système des2. Des recherches antérieures a été menée sur le refroidissement lors de l’examen de facteurs tels que la taille et la forme de l’organe2. Équations différentielles sont puis utilisées avec ces facteurs connus de refroidissement afin de déterminer le temps relatif de la mort2.

Une autre utilisation du modèle des paramètre est marquante de CVC (chauffage, ventilation et climatisation) systèmes3. Répartition de la charge thermique peut être prédite par le calcul avec un modèle à paramètres localisés pour maximiser l’efficacité de l’énergie3. Ces modèles représentent pour le transport des fluides, le transport de l’énergie, thermodynamique et Psychrométrie3. En installant des systèmes de CVC à un modèle des ingénieurs peuvent maximiser leur efficacité, en réduisant les coûts et la consommation d’énergie, tout en augmentant l’efficacité du système climatique contrôle3.

Modélisation de conduction de chaleur transitoire est importante dans une variété de domaines de l’ingénierie, y compris le traitement des matériaux, centrales d’ingénierie et réfrigération. Échangeurs de chaleur sont une application courante de conduction de chaleur transitoire4. Ces dispositifs prennent l’énergie d’un courant chaud et utilisent pour chauffer un refroidisseur et un4. Multitubulaires sont le type le plus commun des échangeurs4. Ils sont normalement longs cylindres, semblables au modèle utilisé pour cette expérience, mais beaucoup plus grand à l’échelle4. Plusieurs tubes à l’intérieur d’une enveloppe plus grande des bouteilles contiennent un liquide, tandis qu’un distinct, on traverse la coquille4d’écoulement. Débit peut être dans les directions identiques ou différentes. Chaleur s’écoule du flux plus chaud au plus froid un4. Ces outils peuvent être utilisés dans de nombreuses industries, telles que la fabrication de produits chimiques et du raffinage du pétrole, où ils peuvent servir à la chaleur ou produits chimiques cool ou huile4.

References

  1. Vapor-compression Refrigeration." ChemEngineering - Vapor-compression Refrigeration. N.p., n.d. Web. 01 Dec. 2016.
  2. Bartgis, Catherine, Alexander M. Lebrun, Rhongui Ma, and Liang Zhu. "Determination of Time of Death in Forensic Science via a 3-D Whole Body Heat Transfer Model." Journal of Thermal Biology (2016). Web.
  3. Wemhoff, A.p., and M.v. Frank. "Predictions of Energy Savings in HVAC Systems by Lumped Models." Energy and Buildings 42.10 (2010): 1807-814. Web.
  4. Encyclopedia of Chemical Engineering Equipment." Heat Exchangers - Heat Transfer - MEL Equipment Encyclopedia 4.0. N.p., n.d. Web. 01 Dec. 2016.

1. essais de Spin et Chill

  1. Remplir le bidon de soude aluminium avec eau à température ambiante et ensuite enregistrer la température.
  2. Mesurer le poids total des glaces utilisé avec la balance, assez pour entourer le Spin et le froid.
  3. Sceau de soude l’aluminium peut à l’aide d’un mastic plastique couvercle et insérez l’ensemble dans la Spin et refroidissez.
  4. Activer Spin et réfrigérer. Il devrait fonctionner environ 2 min à ~ 500 tr/min.
  5. Retirer l’aluminium soude peut du Spin et Chill et enlever le plastique couvercle d’étanchéité. Enregistrer la température finale de l’eau au sein de la soude en aluminium peut.
  6. Enregistrer la quantité de glace qui a fondu à l’eau à l’aide d’une éprouvette graduée ou un équilibre.

2. des paramètre modèle

  1. À partir de la boîte une température de la pièce, effectuer ~ 4 unique s’exécute à l’aide de l' essorage et Chill (~ 4). Il doit s’exécuter pour ~ 2 min à ~ 500 tr/min.
  2. Noter la température finale de l’eau dans le bidon après chaque course.
  3. Ensuite, exécutez le Spin et Chill successivement trois délais débutant avec une boîte chaude. Effectuer un nombre raisonnable de répétitions pour le séquentiel expérience Spin et refroidissez . Il doit s’exécuter pour ~ 2 min à ~ 500 tr/min.
  4. Consigner la quantité de glace fondue et température finale après chaque course. Soyez prudent lorsque vous ouvrez la boîte - il peut ou ne peut pas mousse.
  5. Ensuite, répétez et varier le nombre de tours d’exploitation du Spin et Chill. Commencez avec la boîte à température ambiante et effectuer des séries de 2 min à tr/min, allant de quelques nanomètres à 500 tr/min.

3. modèle transitoires par Conduction

  1. Effectuez les mêmes expériences comme ci-dessus. Charger le spin et refroidissez avec glace et un cylindre d’aluminium solide (avec un petit trou percé dans l’axe pour mesures de température).
  2. Toutes les quelques minutes mesurer et enregistrer la température au centre de la can et le cylindre en aluminium - soyez prudent pas de remuer ou de déranger le contenu de la boîte.

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