Spin y Chill

Chemical Engineering

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Overview

Fuente: Michael G. Benton y Kerry M. Dooley, Departamento de ingeniería química, Universidad Estatal de Louisiana, Baton Rouge, LA

El Spin y Chill utiliza los fundamentos de transferencia de calor y flujo de fluidos para enfriar bebidas a 38 F en sólo 2 minutos. Tomaría un refrigerador aproximadamente 240 min y un pecho de hielo 40 min para lograr la misma temperatura. El Spin y relajarse también afirma que esto se logra por "suavemente" gira a 500 rpm, que genera poca o ninguna formación de espuma.

En este experimento, se evaluará la capacidad de girar un recipiente para enfriar un refresco a velocidades récords. El Spin y Chill está diseñado para invalidar el uso de un pecho de hielo, a favor de enfriar bebidas rápidamente e individualmente. Diferentes parámetros operacionales, tales como variar las rpm del dispositivo, serán evaluados para determinar su efecto sobre la transferencia de calor. Además, el análisis del parámetro hidrológico y análisis de conducción de calor transitoria se utilizará para determinar la transferencia de calor.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Ingeniería química. Spin y Chill. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

El Spin y Chill hace uso de la conducción transitoria de calor y transferencia de calor por convección. Haciendo girar la lata, el líquido caliente de la mitad de la lata se mueve hacia el exterior y entra en contacto con la superficie más fría. Entonces, la energía se transfiere del líquido caliente a la fría superficie en forma de calor. Esto continúa hasta que el recipiente entero se ha enfriado. Refrigeración hace uso de un similar de proceso1. En refrigeración, refrigerante ciclos a través del sistema y somete a una reducción en la presión1. En respuesta, la temperatura del refrigerante disminuye severamente a continuación la temperatura del espacio refrigerado por1. Esta diferencia de temperatura resulta en calor hacia naturalmente desde el espacio más caliente el refrigerante enfriador, donde se da, después de emitida, y el proceso se repite1.

La vuelta y Chill es análoga a la refrigeración de un buque por lotes y algo análogo para el enfriamiento de un fluido que fluye en una tubería. Para el fluido en un recipiente por lotes con un agitador y en un tubo, la velocidad media del fluido es conocida. Hay teoría y correlaciones predecir el coeficiente de traspaso térmico (h) valores. Flujo de calor en la vuelta y Chill es controlado por las resistencias. Nos queremos centrar en los dos casos límites.

El análisis del parámetro agrupan reduce un sistema térmico a un número de discretos "grumos", donde la diferencia de temperatura en cada bulto se considera insignificante.

Equation 1

En esta ecuación, T es la temperatura, h es el coeficiente de transferencia de calor, A es área, t es tiempo, ρ es la densidad, Cp es la capacidad de calor, y V es volumen.

Flujo de calor del agua en la lata para el hielo implica una resistencia interna, una resistencia de la pared y una resistencia externa (Figura 1). Para el caso a ser aplicable, tanto el agua en la lata y el hielo debe mezclarse bien. Esto simplifica el caso a un problema de transferencia de calor unidimensional.

Figure 1
Figura 1: Un esquema de condiciones de temperatura para el caso uno.

En este caso, la pared es muy delgada y la resistencia de la pared puede ser descuidada. Aquí, la transferencia de calor es predominantemente controlada por la resistencia interna. Esto conduce al análisis del parámetro hidrológico, que permite la determinación de la resistencia interna.

El número de Biot es un índice de la relación de resistencias de transferencia de calor dentro y fuera de una membrana,

BI = Lh/k

donde Bi es el número de Biot, L es la longitud característica (volumen dividido por el área de la superficie), h es el coeficiente de transferencia de calor, y k es la conductividad térmica. Este número se utiliza para comparar las resistencias de transferencia de calor entre distintos cuerpos.

Caso dos utiliza un análisis de conducción unidimensional de calor transitoria.

Equation 2

Donde τ es la constante de tiempo, α es la difusividad térmica, t es el tiempo y r0 es el radio inicial. Esta fórmula se utiliza para encontrar la difusividad térmica, que consiste en la conductividad térmica, k, dividida por la densidad ρ y la capacidad calorífica, Cp.

Equation 3

Si el agua es un verdadero "cuerpo sólido", la temperatura del agua a granel no será uniforme de la temperatura y flujo de calor del agua se controlará por conducción. Con el tiempo, la temperatura en la línea central de la can evolucionará (Figura 2). Flujo de calor desde el agua al ice implica la conducción a través de la "sólida" y una resistencia interna.

Figure 2
Figura 2: Un esquema de condiciones de temperatura para el caso dos.

Cuando se utiliza un pecho de hielo, el líquido de la lata no es tan "sólido" incluso sin mezcla y convección natural se establecerán por los gradientes de temperatura. La temperatura de la línea de centro puede utilizarse para determinar la resistencia interna aparente asumiendo un cilindro largo con la conducción de calor en la dirección radial.

Procedure

1. prueba de la vuelta y Chill

  1. Llenar la lata de soda de aluminio con agua a temperatura ambiente y luego registro de la temperatura.
  2. Medir el peso total del hielo se utiliza con el equilibrio suficiente para rodear el Spin y Chill.
  3. Sello de la soda de aluminio puede usar un sellador plástico tapa e inserte el conjunto en la Spin y Chill.
  4. Activar el centrifugado y relajarse. Se debe ejecutar aproximadamente 2 min a ~ 500 rpm.
  5. Sacar la lata de soda de aluminio de la vuelta y Chill y retire el plástico de la tapa de sellado. Registro la temperatura final del agua a la soda de aluminio puede.
  6. Registra la cantidad de hielo que se derritió al agua usando un cilindro graduado o un equilibrio.

2. modelo de parámetro agrupan

  1. A partir de la lata a temperatura ambiente, realizar ~ 4 solo funciona usando el Spin y Chill (~ 4). Se debe ejecutar para ~ 2 min a ~ 500 rpm.
  2. Registrar la temperatura final del agua dentro de la lata después de cada carrera.
  3. A continuación, ejecute el giro y Chill secuencialmente tres veces a partir de una lata caliente. Realizar un número razonable de repeticiones para el secuencial experimento Spin y relajarse . Se debe ejecutar para ~ 2 min a ~ 500 rpm.
  4. Registra la cantidad de hielo derretido y la temperatura final después de cada carrera. Tenga cuidado cuando abres la lata - puede o no puede de la espuma.
  5. Luego, repetir y variar el funcionamiento rpm del centrifugado y Chill. Comience con la lata a temperatura ambiente y realizar carreras de 2 min a rpm que van desde unos pocos a 500 rpm.

3. modelo de conducción transitorio

  1. Realizar los mismos experimentos como arriba. El giro de la carga y enfriar con hielo y un cilindro sólido de aluminio (con un pequeño orificio perforado en la línea de centro para la medición de temperatura).
  2. Cada pocos minutos medir y registrar la temperatura en el centro de la can y el cilindro de aluminio - tenga cuidado de no remover o alterar el contenido de la lata.

Results

El modelo de parámetro hidrológico se utiliza para determinar el coeficiente de transferencia de calor, h, para las diferentes condiciones experimentales. La eficacia observada no es dependiente de cualquier mecanismo de transferencia de calor o caso limitante. Para calcular la eficiencia, primero determinamos la energía en el hielo y del agua. Si el sistema adibático (100% eficientes), Qagua + Qhielo = 0. La eficiencia se determina dividiendo el valor absoluto de la energía térmica del agua (Qagua) por la energía térmica del hielo (hielode la Q) (tabla 1). Para los ensayos secuenciales, la eficiencia, η, disminuye del 78% al 71% y luego al 50% ya que la temperatura acerca a 32 F (tabla 2). La eficiencia, η disminuye con recorridos secuenciales. Esto es porque se reduce la eficiencia de transferencia de calor cuando las temperaturas están cerca unas de otras. El líquido dentro de la can acerca a la temperatura del hielo, por lo tanto reduce la eficiencia. Los números de Biot fueron encontrados para ser alrededor de 10 para todas las carreras individuales. Éstos excedan significativamente el valor esperado de 0.1. El mayor valor indica mayor resistencia térmica fuera de la can que dentro. El número de Biot es declarado con mayor precisión como la resistencia externa al flujo térmico dividido por la resistencia interna. Aquí, un número mayor para h y k es indicativo de menor resistencia o "mayor" flujo de calor. Una muy grande k crear una temperatura uniforme en el que "k" fase. Girar la lata aparece para crear un buque bien mezclado. El análisis del parámetro hidrológico es perfectamente aplicable.

Prueba # libras de agua Temperatura inicial (°F) Temperatura final (°F) Δ T (°F) Hielo Δm (libras.) Qhielo Qagua 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
Prom. 0.783 82.12 55.88 26,24 0.18 26.43 20.55 77.73 70.454 400.057

Tabla 1: Temperatura nominal de funcionamiento solo cambiar de F 82 a 56 F.

Prueba # libras de agua Temperatura inicial (°F) Temperatura final (°F) Δ T (°F) Hielo Δm (libras.) Qhielo Qagua h h
(Btu/hr-ft2-F)
h
(W/m2- C)
1a 0.783 80.78 53,6 27.18 0.176 25.344 21.282 83.97 77.414 439.582
1B 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
2A 0.783 74.48 55.76 18.72 0.137 19.728 14.658 74.30 55.216 313.530
2B 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
3A 0.783 71.42 49.28 22.14 0.141 20.304 17.336 85.38 78.374 445.030
3B 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

Tabla 2: Datos de tres secuencial funciona con cambios de temperatura nominal.

Un cálculo inicial de la temperatura del centro utilizando los parámetros sugeridos sugiere una imposible violación de la segunda ley de la termodinámica. Sin embargo, el problema es que esta ecuación no proporciona una solución de corto plazo, sólo soluciones en un largo plazo. Hay que añadir parámetros adicionales para satisfacer más cortos períodos de tiempo.

Equation 4

Equation 5

Equation 6

Considerar las resistencias de transferencia de calor en el agua y aluminio, h y la conducción pura, k. Si la conducción es pura - como ocurre en un cuerpo sólido - entonces los valores observados h deben ser igual para ambos sistemas. Para el sistema de agua, se producirán algunos convección natural, por lo tanto los valores de h no deben ser las mismas para los dos sistemas.

Al variar las rpm, se encontró que la temperatura media del líquido dentro de la lata es inversamente proporcional a las rpm. RPM más altas condujo para bajar temperaturas líquidas, más cercano a la temperatura ideal, mientras que un rpm menor llevó a temperaturas promedio más altas. RPM más altas reduce la temperatura del líquido más con éxito que rpms más bajos.

Una relación similar se encontró entre tiempo y temperatura a rpm constante. Cuando el poder fue hecho girar para una cantidad reducida de tiempo, la temperatura era más caliente que cuando era girar la lata por la cantidad total de tiempo. La relación resultó para ser que un aumento en tiempo de ejecución conduce a un mayor cambio en la temperatura y una temperatura más fría en general en promedio.

Applications and Summary

Este experimento está diseñado para evaluar la capacidad de un buque de spinning para enfriar un refresco a velocidades de récord, el Spin y escalofríos. Primera ronda examina el Spin y relajarse mediante un modelo de parámetro hidrológico. Segunda ronda examina el Spin y relajarse utilizando el modelo de conducción transitoria de calor en cilindros largos. Tercera ronda compara nuestros resultados experimentales Spin y relajarse con los resultados y correlaciones encontradas en otro experimento de investigación. Teoría y las correlaciones están disponibles para predecir los valores de h . Flujo de calor en la vuelta y Chill estará controlado por las resistencias.

Se esperaba que la caída de eficiencia en funcionamientos secuenciales. Los números de Biot fueron encontrados para ser alrededor de 10 para todas las carreras en la primera ronda. Fuertemente estos exceden el valor esperado de 0.1. Los datos recogidos llamadas en tela de juicio la capacidad de la vuelta y descansar para refrescarse en el cálido lata de soda a 38F en 2 minutos. Sin embargo, con tres aplicaciones secuenciales y un período de tiempo de aproximadamente 6 minutos, el Spin y relajarse puede enfriar la bebida a la temperatura deseada de 38F. Mientras que los reclamos iniciales fueron invalidados, el concepto de proporcionar un método de enfriamiento avanzado que podría hacerse más eficiente con más pruebas en el futuro.

El modelo de parámetro hidrológico se ha aplicado a una amplia variedad de campos. Por el uso de un análisis del parámetro hidrológico, laboratorios de ciencia forense pueden determinar tiempo de muerte de un cuerpo humano2. Científicos forenses tratan el cuerpo como un sistema hidrológico2. Investigación previa se llevó a cabo en el enfriamiento al considerar factores como el tamaño y la forma de cuerpo2. Ecuaciones diferenciales se utilizan entonces con estos factores de enfriamiento conocidos para determinar el tiempo relativo de la muerte2.

Otro uso del modelo de parámetro hidrológico es el avance de la HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado) de sistemas3. Distribución de la carga de calor se puede predecir computacionalmente con un modelo de parámetros agrupan para maximizar la eficiencia de energía3. Estos modelos representan el transporte de fluidos, transporte de energía, termodinámica y psicrometría3. Instalando sistemas de climatización a un modelo hidrológico, ingenieros pueden maximizar su eficiencia, reducir costes y consumo de energía, aumentando la eficacia de los sistema de control de clima3.

Modelado de la conducción de calor transitoria es importante en una variedad de ámbitos de la ingeniería, incluyendo procesamiento de materiales, central de ingeniería y refrigeración. Intercambiadores de calor son una aplicación común de conducción de calor transitoria4. Estos dispositivos toman energía de una corriente caliente y utilizan para calentar un refrigerador4. Cáscara y del tubo son el tipo más común de los intercambiadores4. Son normalmente largos cilindros, similares al modelo utilizado para este experimento, pero mucho más grande en escala4. Varios tubos dentro de una cáscara de cilindros más grande contienen una fluido, mientras que un separado uno atraviesa la cáscara4. Flujo puede ser en el mismo o diferentes direcciones. Calor fluye de la corriente más caliente a uno más frío4. Estas herramientas pueden utilizarse en muchas industrias, tales como fabricación de productos químicos y refinerías de petróleo, donde puede ser utilizado al calor o productos químicos frescos o aceite4.

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. prueba de la vuelta y Chill

  1. Llenar la lata de soda de aluminio con agua a temperatura ambiente y luego registro de la temperatura.
  2. Medir el peso total del hielo se utiliza con el equilibrio suficiente para rodear el Spin y Chill.
  3. Sello de la soda de aluminio puede usar un sellador plástico tapa e inserte el conjunto en la Spin y Chill.
  4. Activar el centrifugado y relajarse. Se debe ejecutar aproximadamente 2 min a ~ 500 rpm.
  5. Sacar la lata de soda de aluminio de la vuelta y Chill y retire el plástico de la tapa de sellado. Registro la temperatura final del agua a la soda de aluminio puede.
  6. Registra la cantidad de hielo que se derritió al agua usando un cilindro graduado o un equilibrio.

2. modelo de parámetro agrupan

  1. A partir de la lata a temperatura ambiente, realizar ~ 4 solo funciona usando el Spin y Chill (~ 4). Se debe ejecutar para ~ 2 min a ~ 500 rpm.
  2. Registrar la temperatura final del agua dentro de la lata después de cada carrera.
  3. A continuación, ejecute el giro y Chill secuencialmente tres veces a partir de una lata caliente. Realizar un número razonable de repeticiones para el secuencial experimento Spin y relajarse . Se debe ejecutar para ~ 2 min a ~ 500 rpm.
  4. Registra la cantidad de hielo derretido y la temperatura final después de cada carrera. Tenga cuidado cuando abres la lata - puede o no puede de la espuma.
  5. Luego, repetir y variar el funcionamiento rpm del centrifugado y Chill. Comience con la lata a temperatura ambiente y realizar carreras de 2 min a rpm que van desde unos pocos a 500 rpm.

3. modelo de conducción transitorio

  1. Realizar los mismos experimentos como arriba. El giro de la carga y enfriar con hielo y un cilindro sólido de aluminio (con un pequeño orificio perforado en la línea de centro para la medición de temperatura).
  2. Cada pocos minutos medir y registrar la temperatura en el centro de la can y el cilindro de aluminio - tenga cuidado de no remover o alterar el contenido de la lata.

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