Summary
Здесь мы приводим протокол для демонстрации генерации льда, когда вода вводится в холодную ванну рассола, в качестве вторичного холодильного агента, в диапазоне температур ниже температуры замерзания воды. Он может быть использован в качестве альтернативного способа производства льда для промышленности.
Abstract
Мы демонстрируем метод для изучения тепло- и массообмена и явлений замораживания в переохлажденной среде рассола. Наш опыт показал, что, при надлежащих условиях, лед может быть получен, когда вода вводится в ванну с холодной рассола. Для того, чтобы сделать форму льда, в дополнение к наличию рассола и смесь воды, скорость теплопередачи должен обойти, что массопередачи. Когда вода вводится в виде мельчайших капель на поверхность рассола, режим тепло- и массообмена является путем диффузии. Плавучести останавливает воду от смешивания с рассолом снизу, но, как лед становится всё гуще, он замедляет скорость передачи тепла, что делает лед труднее расти в результате. Когда вода вводится в рассоле в виде потока, ряд факторов, оказываются влиять на сколько льда может формироваться. температура рассола и концентрации, которые являются движущей силой тепло- и массообмен, соответственно, может повлиять на преобразование рати воды к льдуO; более низкие температуры ванны и концентрации рассола стимулировать больше льда с образованием. Реология поток, который может непосредственно влиять как на тепло и коэффициенты массопередачи, также является ключевым фактором. Кроме того, реологические свойства потока изменяет площадь контакта потока с объемной жидкостью.
Introduction
Ледяная шуга широко используются в промышленности, и один особенно успешное применение является лед-скребков технологии 1, 2. По сравнению с обычной пеной и твердых чушках, лед свинья может проходить через сложных топологий на большие расстояния из - за смазывающего эффекта жидкой фазы и возвышения точки замерзания , как некоторые из кристаллов льда расплавить 3, 4, 5 , Даже если свинья застревает, можно просто ждать, ледяной шуги, чтобы расплавить и возобновить процесс очистки позже. Этот метод очистки труб является дешевым и простым в использовании.
Фракция льда играет ключевую роль в выполнении ледовой свиньи. Для измерения ледяной фракции, можно использовать кофейник (французский пресс) , чтобы определить , является ли взвесь лед достаточно толстый 6,"> 7. Ледяной фракции с высокой кофейник, как правило , 80%, требуется при проведении льда скребков. Недавние исследования в области онлайн обнаружения льда фракции показали , что обе электромагнитные и ультразвуковые волны подходят для работы 8, 9, 10, 11.
Льда свиньи обычно производится с помощью льдогенератора Царапины поверхности от 5% -ного раствора NaCl (рассола). Он также является основным способом изготовления ледяной шуги в промышленности. Этот тип льдогенератора замораживает воду или рассол на холодную металлическую поверхность, как правило, гладкая 316 стальная поверхность, а затем циклически резаки частицы льда прочь. Интерфейсы жидкость-металл, очень сложны и зависят от широкого спектра факторов, которые необходимы для приготовления льда 12. Интерфейс между неметалла и водой могут быть очень разными, и один особенно интересным примером является каолинит. KaolИнтерфейс санную-вода является особенным , потому что нет благоприятного льда структуры прилегающих к поверхности твердой, а скорее слой амфотерного жидкости подложки , что способствует льдоподобного водородными связями с образованием кластеров поверх него 13, 14. Другой способ получения льда свинья требует дробления Premade ледяных блоков в то время как высококонцентрированный рассол добавляют одновременно. Для этого метода, система охлаждения может работать при значительно более высокой температуре кипения, так как ни одна точка замерзания успокоительное средство (ПФД) не добавляют до образования льда; она , следовательно , считается более эффективным из - за пониженной степени сжатия и уменьшенного мощности при заданной холодопроизводительности 15, 16, 17.
Есть два других способа производства льда: производство льда из переохлажденной воды и положить хладагент и воду в прямом контакте
Образование льда требует тепло- и массопереноса за счет скрытой теплоты плавления, вырабатываемые в процессе. Впервые он был обнаружен Osborn Рейнольдс в 1874 году , что транспортировка тепла и массы в газах сильно связаны и могут быть выражены в аналогичных математических формул 20. Эта работа легла в пионерской работе по теме импульса, тепла и массообмена в жидкостях и несколько раз переиздавалась 21, 22. Этот вопрос был изучен затемряд других, из обоих аналитических и эмпирических подходов для газов, жидкостей и расплавленного металла 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33. Помимо тепло- и массообмена, жидкость нуждается в активных центров, где могут развиваться дендритные рост льда. Современное понимание роста кристаллов льда использует Constructal закон, разработанный Адриан Бежан, чтобы объяснить , почему лед растет таким образом 34, 35, 36.
Образование льда в рассоле сильно отличается от такового в чистой воде из-за наличия соли. Прежде всего, соль изменяет термодинамика жидкости и угнетает его точки замерзания. Во-вторых, соль не может растворяться в матрице со льдом (за исключением гидрогалит, которые могут образовывать только тогда, когда температура достигает точки эвтектики), и она отклоняется к объемной жидкости, когда лед начинает расти. Отказ от соли был обнаружен как в морском льду и льду изучал в лаборатории 37, 38. Так как отклоненный высококонцентрированный рассол при температуре значительно ниже точки замерзания морской воды, как это происходит, лед растет на границе раздела между текущей рассола и покоящейся объемной жидкости. Эти ледяные сталактиты, также названные brinicles, были впервые обнаружены в Мак - Мердо, Антарктида и изучены экспериментально 39, 40, 41, 42. В 2011 году BBC снят формирование brinicles в своей серии Frozen Planet"Xref"> 43, 44.
В нашей лаборатории было обнаружено , что при движении задним ходом проточного и покоящихся жидкостей , когда вода подается в ванну с холодной рассолом, вода может превратиться в лед при правильных условиях 45. Было установлено, что место, где вводится вода, поток реологию, и температура рассола и концентрация являются ключевыми факторами, влияющими на сколько льда может быть произведено. Общей целью данного исследования является изучение, если льдогенератор могут быть разработаны с помощью этого механизма для создания ледяной шуги, принимая во внимание, что повышенная температура испарителя и высокая скорость жидкость-жидкость переноса тепла может повысить эффективность использования энергии. Эта статья разделяет ключевые аспекты эксперимента.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Внимание: Есть два ядохимикатов, метанол и этиленгликоль, используемые в этих экспериментах. Метанол может быть метаболизируется в организме человека, чтобы генерировать формальдегид, а затем в муравьиную кислоту или соли муравьиной кислоты. Эти вещества ядовиты для центральной нервной системы и даже может привести к смерти. Этиленгликоль может быть окислен до гликолевой кислоты, который затем может превратиться в щавелевую кислоту. Это может привести к почечной недостаточности и смерти. Не пить эти химические вещества. Немедленно обратитесь к врачу, если произойдет несчастный случай.
1. Система охлаждения
Примечание: Очень трудно сохранить рассола при -18 ° C или около того, когда температура окружающей среды примерно при комнатной температуре. Важно, чтобы резервуары, хранящие этиленгликоль и насыщенным раствором соли, хорошо изолированы и разумных размеров, чтобы избежать избыточного потребления электроэнергии и для обеспечения оптимальной производительности системы. Рекомендуется, чтобы размер резервуара не превышает 30 л
- Подготовка вторичной охлаждающей жидкости
- Залить 1 л этиленгликоля в вторичного охлаждения бака, бак A (база: 400 мм × 200 мм, высота: 350 мм). Добавить примерно 0,6-0,65 л (600-650 г) воды к резервуару А.
- Повторять шаг 1.1.1 несколько раз, пока не будет достаточного количества жидкости в баке (25 л).
- Перемешивайте жидкость таким образом, что текучая среда является однородной.
- Включите двух насосов в баке до установки полной емкости (2500 л / ч). Убедитесь, что все пузырьки в ловушке в теплообменниках и трубы выпускаются.
- Выключите насос, чтобы наблюдать, если все пузырьки будут освобождены. Если нет, то повторите шаг 1.1.4.
- Приготовление солевого раствора
Примечание: В этом примере 22% вес рассол готовят. Если необходимы другие концентрации, масса добавленной соли также должна быть соответствующим образом изменена. Концентрация и плотность опорных значений рассол можно найти на странице D-257 64 - го издания (1983 г.) из - йе CRC Справочник по химии и физике 46.- Добавляют 4 кг воды в пластиковый стакан с 5-л.
- Мера 1 кг соли NaCl на электронных весах и вылить эту соль в стакан с водой.
- Перемешать смесь до тех пор , пока раствор не станет ясно , (то есть, нет частицы соли или пузырьки воды , видимые в растворе).
- Возьмем образец, ~ 10 мл, раствора с использованием 10-мл шприца.
- Вводите жидкости в плотномер U-трубки.
- Проверьте наличие пузырьков воздуха в трубке. Если есть какие-либо, впрыснуть больше жидкости, чтобы подтолкнуть их.
- Нажмите "Быстрые настройки" и выберите "Плотность температуры." Тип при 20 ° C и нажмите "OK". Измеритель плотности теперь будет измерять плотность жидкости при этой температуре.
- Нажмите Пуск и ждать результата.
- Сравните показания плотности с 1164.00 кг / м 3.
- Добавьте больше соли, если показание находится ниже comparisoп плотность. Добавьте воду, если в противном случае.
- Повторите шаги 1.2.3-1.2.10 , пока плотность жидкости не правильно (1164.00 кг / м 3).
- Налейте этот раствор в емкости большего объема, Контейнер А.
- Используйте шаги 1.2.1-1.2.12, чтобы около 35-40 л солевого раствора и поместить контейнер в морозильной камеры при -40 ° С. Держите рассол там в течение 48-72 ч, пока ее температура не достигнет -19.18 ° C (точка замерзания этого 22% -ного солевого раствора).
2. Подготовка льда для потребителей инъекционных и вода для стирки
- Приготовьте лед для инъекционного воды
- Залить 1 л воды в небольшой контейнер (200 × 200 × 50 мм).
- Повторите шаг 2.1.1 с другим контейнером и поместить два контейнера в морозильной камере в грудной клетке при -40 ° С.
- Хранить их в морозильнике в течение 10 часов или более, чтобы гарантировать, что вся вода замерзает.
- Подготовка оболочки льда вода для стирки в
- Заполните 5-л лабораторный стакан с 5 л воды.
- Наполните 2-л лабораторный стакан с 2 л воды.
- Поместите обе мензурки в морозильную камеру в грудной клетке при -40 ° С в течение 8-10 ч, так что существует толстой оболочкой льда обтекание незамерзшей воды.
- Используйте струю высокой скорости потока воды со скоростью 3-5 м / с из-под крана, чтобы открыть отверстие диаметром 3 см в верхней части корпуса льдом.
- Слейте воду внутри оболочки льда.
- Поместите две мензурки обратно в морозилку.
- Если масса ледяного панциря не достигает 3 кг и 1 кг для двух стаканах, соответственно, повторите шаги 2.2.1-2.2.5, но держать мензурки в морозильной камере дольше на этапе 2.2.3. Теперь две мензурки должны быть в состоянии содержать 2 л и 1 л воды, соответственно.
3. Вода Введение Положение и эксперимент Реология управления
- Введение воды на поверхности рассола
- Слейте 2 л 22% -ного холодного солевого раствора из контейнера А валюминиевое ведро из мороженого и переключатель на блоке охлаждения.
- Измеряют температуру рассола термометром / термопара (либо К-типа и Т-типа подходят). Провести на опыте, если рассола -15 ° C или ниже.
- Заполните стеклянный шприц объемом 100 мл водопроводной воды при комнатной температуре. Приложить 2-мм внутренний диаметр, 1 мм толщиной, и 1-метровый силиконовую трубку с наконечником шприца.
- Поместите шприц в определенном положении, так что есть голова между водой в шприце и выходе из силиконовой трубки. Гидростатическое давление сожмет воду из трубки.
- Submerge определенную длину силиконовой трубки, обычно на 70 см, в рассоле.
- Отрегулировать относительное положение между шприцем и выпускная труба таким образом, что гидростатическое давление достаточно велико, чтобы позволить воде покидать шприц. Если труба блокирована, увеличить голову, поднимая шприц на более высокий вертикальном положении, ЕНТиль гидростатическое давление может преодолеть напряжение сдвига внутри трубки.
- Держите выход трубки примерно в 1 см или меньше над поверхностью рассола.
- Подгонка длины погруженной трубки и высоту шприца контролировать выход воды позволяют температуры и скорости потока, чтобы определить, сколько льда может быть сделано или сколько смешение происходит на поверхности рассола. Явление замораживания в настоящее время должно наблюдаться на поверхности рассола. См Ссылка 45 для дальнейшего направления.
- Внедрение воды через рассоле
- Повторите шаги 3.1.1-3.1.6.
- Хранить выпускная труба внутри насыщенным раствором соли, предпочтительно в нижней части контейнера.
- Подгонка длины погруженной трубки и высоту шприца.
- Регулировка угла выхода трубки для контроля реологии потока.
- Повторите шаги 3.2.3-3.2.4, чтобы найти лучший соединенный реологию потока и скорости, которые могут производить большую часть льда потока.
- Сделать лед
- Если имеются пузырьки в трубах, переключатель на два насоса внутри бака A, чтобы выпустить пузырьки из системы циркуляции гликоля, а затем выключите насосы.
- Включите трех холодильных установок и позволить им работать в течение 10-16 ч для охлаждения этиленгликоля решения.
- Измеряют этиленгликоль раствора с термометром / термопарой. Температура должна быть гликоль при температуре около -25 ° С.
- Измерьте температуру рассола в контейнере, чтобы убедиться, что он находится на -19 ° C, прежде чем перейти к этапу 4.1.5.
- Заполните соляной бак, бак B, с примерно 30 л солевого раствора из контейнера и переключатель на два насоса в резервуаре А.
- Измеряют температуру гликоля в баковых А. Если холоднее, чем -19 ° С, выключить один или несколько блоков охлаждения, чтобы предотвратить осаждение частиц льда вне теплообменников яп бак B. Если температура теплее, чем ожидаемая температура рассола, включите все три блока охлаждения. Провести эксперимент при -17 ° C до -19 ° C.
- Поместите два Premade блоков льда с шага 2.1 в изолированной 5-л стакан, Container B, и залить примерно 3 л воды в стакан.
- Измерьте температуру воды и держать его при 2 ° С путем перемешивания смеси между экспериментами, если температура повышается.
- Заполните стеклянный шприц с 100 мл воды 2 C °.
- Нанесите 5-10 мл метанола в стекло окна бака B, чтобы остановить конденсации и образования льда.
- Вводят воду в солевой раствор путем регулирования относительного положения между шприцем и выходом трубки так, что существует постоянная гидростатическое давление и, таким образом, с постоянной скоростью потока. Около 70 см силиконовой трубки должна быть погружена в рассоле. Отрегулируйте угол впрыска до 0 °, так что начальная скорость воды в вверх плачевнымификция 0 м / с.
ПРИМЕЧАНИЕ: шприц может быть ручной или быть закреплена на подставке. Ручной является более подходящим, когда температура рассола холоднее, потому что это занимает больше времени, чтобы приспособиться стенд, и лед может заблокировать трубку. Хранить реологию потока постоянной в течение всего эксперимента путем обеспечения постоянной скорости потока и инжекция угол (0 °), и сохраняя морозильную границу примерно на 3 см выше выпускная труба. Не позволяйте поток попадают в область , где она начинает вращаться турбулентное 47. См Ссылка 45 для дальнейшего направления. - Соберите лед, как описано в пунктах 4.2 и 4.3. Повторите шаги 4.1.8 - 4.1.11 при различных температурах рассола.
- Соберите полученный лед и оценить , сколько льда производится (сухой сбор)
- Поместите контейнер (200 × 200 × 50 мм) по шкале и обнулить показания, нажав кнопку "Включить" кнопку.
- Используйте сито, чтобы выкопать лед и стряхнитерассол.
- Поместите этот лед в контейнере. Измеряют массу льда с использованием шкалы.
- После того, как лед растает, используйте 10 мл шприц, чтобы взять пробу. Вводят этот образец жидкости в измеритель плотности.
- Выполните шаги 1.2.6-1.2.9.
- Запишите показания плотности.
- Вычислить чистую массу воды от ее плотности (то есть, масса воды преобразуется в лед) , используя следующую формулу:
где
концентрация рассола% масс и 
а также 
являются массы соли и воды соответственно.
- Соберите полученный лед и оценить , сколько льда производится (влажная коллекция)
- Заполните 5-л стакан с ледяной оболочкой (этап 2.2) и при комнатной температуре водопроводной воды. Положите его обратно в морозильной камере при температуре -40 ° C.
- Декантируют воду с ледяной оболочкой из химический стакан емкостью 5 л в 2-л лабораторный стакан, когда его температура при 0 ° C. Наполните стакан 5-L. Держите обе мензурки в морозильной камере.
- Выкопайте лед, полученный на этапах 4.1.8 и 4.1.9 и залить 200-500 мл воды из стакана 2-L на лед, чтобы вымыть его. Не трясите сито перед нанесением C воды 0 °.
- Стряхните жидкость в решето.
- Повторите шаги 4.2.2-4.2.7.
концентрация рассола% масс и 
а также 
являются массы соли и воды соответственно. Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
На рисунке 1 приведено сравнение эффектов воды , вводимой на поверхности рассола водой вдувать через рассол. В сценарии "ледяная шапка", образовавшийся лед является твердой, потому что вода не смешивались много с объемной жидкостью. Разность температур и плотности между двумя жидкостями создает выталкивающую силу на воде и предотвращает их смешивание. Обе жидкости статичны (то есть, передача тепла значительно больше , чем у массы, Sc ≈ 500, Pr ≈ 10, и Ле ≈ 50), так что лед легко можно сформировать. Существует ни формирование кашицеобразного слоя, ни отторжение соли в этом эксперименте. После того, как лед утолщается, она будет препятствовать скорости теплопередачи из-за его низкой теплопроводности и влияет на скорость образования льда. На данный момент, можно четко заметить, что введенная "сладкая вода" больше не может быстро замерзнуть в твердое тело. Кроме того, без конвекции, низкая термал проводимость самого рассола также затрудняет транспортировку скрытой теплоты от холодного раковине. Скорость образования льда напрямую связано с и очень чувствительны к температуре рассола. Например, вода в -15 ° C рассол замерзает гораздо быстрее, чем в -13 ° C рассол. В случае инжекции воды, форма и размер льда связан с реологическими потока. Стержень льда показано на фиг.1 , имеет две отличительные части: прямой головы , за которым следует фигурной хвост. Фигурная секция формируется гораздо ближе к поверхности рассола, где поток имеет больше турбулентность к нему. Курчавый хвост, как правило, гораздо тоньше, чем прямая головка из-за возникновения турбулентности, что сводит к минимуму разницу между скорости тепло- и массообмена, особенно на внешнем слое потока, где тепло и массовые переводы одинаковы. Таким образом, только внутреннее ядро может замерзнуть в лед. Если выпускная труба держится горизонтально, а не вертикально вверх, лист льда Вильл генерироваться. Генерирование льда становится более стабильным и результаты воспроизводимы. И наконец, было установлено, что снижение скорости потока не является эффективным способом устранения смешивания. Вместо этого, он значительно увеличивает шансы на блокирование трубки.
Угол впрыска воды поддерживается на уровне 0 ° по отношению к горизонтальной оси при выполнении воды на льду измерений коэффициент конверсии. Влияние температуры соляного раствора и концентрации, показаны на рисунке 2. Коэффициенты конвертации обычно сидят между 0,4 до 0,9 для изученных температур рассола и концентрациях. Важно, чтобы держать реологию потока и положение образования льда пограничной постоянной в течение всего эксперимента. Большой объем солевого раствора в резервуаре B помогает снизить влияние локальных температурных градиентов на измерениях. Соотношение между температурой рассола и коэффициент конверсии является первого порядка для исследуемой звенел температурые. Коэффициенты для наилучшего соответствия линий приведены в таблице 1. Если другой угол инжекции используется, коэффициенты конверсии водо-лед больше не будет следовать этим отношения, так как площадь контакта и, следовательно, скорости тепло- и массообмена, различны. При сборе льда, важно сохранить силы, приложенной к стряхнуть рассола / воды для стирки в соответствии и попытаться свести к минимуму количество воды, оставшейся в решето. Аналогичные количества воды, используемой, чтобы смыть рассол следует применять, чтобы избежать противоречивые результаты. Было установлено, что если более чем в 500 мл воды, используемой для промывки льда, любое дальнейшее снижение солености маловероятно. Когда объем ниже 200 мл, соленость может достигать 4% мас.
Поскольку температура испарителя значительно выше, чем льдогенератора с очищенной поверхностью, который обычно использует -40 ° C, если этот метод используется для производства льда, более высокий СОР, как ожидается,согласно нашим расчетам , на рисунке 3. Если, например, температура испарителя повышается до -20 ° С, КС может почти до 3 для хладагента R134a.
Рисунок 1: положение введения воды. "Ледяная шапка" может формироваться, когда вода вводится на поверхности рассола. Стержень ледовых форм, когда выпускная труба удерживается в вертикальном положении. Когда вода впрыскивается в рассоле, форма льда зависит от реологических характеристик потока. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2: Преобразование сравнение соотношения при различных концентрациях рассола с наиболее пригодна линии. Оба Бринатемпература е и концентрация влияние, сколько воды может быть заморожена в лед (степень конверсии), когда скорость потока и реология сохраняются такими же. Коэффициент конверсии линейно возрастает с понижением температуры рассола. Более низкие концентрации рассола при более низких температурах ванны производят больше льда. Способ стирки собирает больше льда, чем метод сухого сбора. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3: Коэффициент мощности при различных температурах испарителя для диапазона охлаждающих жидкостей. Более высокие температуры испарителя способствуют коэффициент полезного действия (КПД) систем охлаждения. Две переходные хладагенты (R22 и R134) имеют более чем КС: уже запрещенного R502 и смесей (R404A и R507A).Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
| Концентрация соли (% масс) | Сухая коллекция | Влажные коллекция | ||
| 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 |
Таблица 1: Коэффициенты оптоволоконныйг наиболее подходящим линии для коэффициента преобразования по сравнению с диаграммой температуры рассола. Коэффициент конверсии линейно коррелирует с температурой рассола по формуле: 
, И сухой и смоченный сбора методы перечислены здесь.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Процесс генерации льдом с помощью рассола в качестве вторичного хладагента включает в себя комбинацию тепло- и массообмена. Если передача тепла больше, то образуется лед, пока вода не имеет возможность смешивать с объемной жидкостью. Было отмечено , что , когда происходит относительное перемещение между введенной водой и покоящейся насыпной раствором соли (то есть, впрыск воды в рассоле), поток помогает теплопередачу и способствует лед быстро формировать. Тем не менее, когда есть слишком много турбулентности в потоке, лед не может быть сгенерирован. Самым большим недостатком этой методики является смешивание и разбавление солевого раствора. Объем рассола будет продолжать расти, как этот процесс продолжается. Таким образом, при принятии лед таким образом, важно, чтобы быть в курсе восходящего объема рассола и капельной солености рассола. Кроме того, было отмечено, что, если сгенерированное лед не собирается, он будет плавиться. Это может быть потому, что рассол не на его температуре плавления, что позволяет как теплои массообмен между образовавшегося льда и объемной жидкости. Режим тепло- и массообмена является только диффузии, а скорость плавления медленно. Тем не менее, так как лед плавает на поверхности рассола, дополнительное тепло Ingress из окружающей среды повышает скорость плавления льда. По этой причине, генерируемый лед следует собирать сразу же после его производства, чтобы избежать дальнейшего увеличения объема рассола.
Сокращение разбавления или отделения воды и соли в настоящее время изучается в нашей лаборатории. Одна из многих идей, чтобы вновь ввести закачиваемой воды в другую пробирку, которая больше в диаметре, так что вода будет подвергаться воздействию только для объемной жидкости в течение короткого периода времени, сводя к минимуму изменение объема вторичного хладагента. Лед нуклеации будет происходить, когда вода подвергается воздействию солевого раствора, с последующим завершением роста льда в большей трубе. Добавляя эту твердую поверхность, большая соленость генерируемого льда управляема. Например, если более низкое содержание соли в лед требуется, можно добавить еще "сладкой воды" в жидкости во вторичной трубе. Погружной длина этой вторичной трубы могут быть легко изменены, в зависимости от требуемой льда фракции продукта.
Реология поток оказывает существенное влияние на площадь поверхности контакта и на отношение площади к объему потока в объемной жидкости. Наши наблюдения показывают, что большая площадь контакта является более благоприятным для поощрения больше льда к образованию. Увеличенная площадь контакта должна также улучшить перенос массы, но до сих пор не наблюдалось в исследуемом температурном рассола и концентрации диапазоне. Кажется, что до того, как поток поступает в переходную зону, где завихрения и разделение потока начинают происходить, лед всегда будет создан. Если поток отделяет и существуют большие завихрения, каждый кластер молекул воды нуждается в своей собственной точке зарождения, и лед не могут образовываться в таких ситуациях.
"> Зависимость между температурой рассола и коэффициент конверсии в водо-лед линейна в то время как при постоянной концентрации рассола. Смещения коэффициент конверсии в зависимости от температуры рассол лучше всего подходят линии показывают, что концентрация соляной раствор также играет важную роль в образование льда / воды процесс разбавления. Из-за фазового превращения, граничные условия сильно отличаются в обычных тепло- и массообмена исследований аналогии, и, следовательно, эти аналогии не являются достаточными для описания этой ситуации.Это исследование также показало, что, так как замораживание граница может быть прикреплена к относительной стабильном расстоянии от выхода из трубы, поток может достигать стационарного состояния. Это указывает на то, что это явление может быть использовано в качестве надежного нового механизма для производства льда в промышленности, так как значительно более высокая температура в испарителе и КС, как ожидается, по сравнению с существующими приготовления льда методами.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего раскрывать.
Acknowledgments
Авторы не имеют никаких подтверждений.
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).
