Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att demonstrera alstringen av is när vatten introduceras till ett kallt bad av saltlösning, som en sekundär köldmedium, vid ett intervall av temperaturer långt under fryspunkten för vatten. Det kan användas som ett alternativt sätt att producera is för industrin.
Abstract
Vi visar en metod för studiet av värme- och massöverföring och av frysningsfenomen i en underkyld saltlösning miljö. Vårt experiment visade att under lämpliga förhållanden, kan isen produceras när vatten införs till ett bad av kall saltlösning. För att göra is blankett, förutom att ha saltlösning och vatten blandning, skall graden av värmeöverföring kringgå att massöverföring. När vatten införs i form av små droppar till saltlaken ytan, är det läge av värme- och massöverföring genom diffusion. Flyt stoppar vattnet från att blandas med saltlake under, men eftersom isen växer tjockare, saktar ner hastigheten för värmeöverföring, vilket gör isen svårare att växa som ett resultat. När vatten införes inuti saltlösning i form av ett flöde, är ett antal faktorer befunnits påverka hur mycket is kan bildas. Brinetemperatur och koncentration, som är drivkrafterna för värme- och massöverföring, respektive, kan påverka vatten till is konvertering ratio; lägre badtemperaturer och saltlösning koncentrationer uppmuntra mer is bildas. Flödet reologi, som direkt kan påverka både värme- och massöverföring koefficienter, är också en viktig faktor. Dessutom ändrar flödet reologi kontaktytan av flödet med bulkvätska.
Introduction
Is slam används i stor utsträckning inom industrin, och en särskilt framgångsrik tillämpning är is-rensningsteknik 1, 2. I jämförelse med den konventionella skum och fast gris, kan isen gris färdas genom komplexa topologier över en lång sträcka på grund av den smörjeffekt av vätskefasen och höjden av dess fryspunkt som några av isen kristallerna smälter 3, 4, 5 . Även om grisen fastnar, kan man helt enkelt vänta på att isen slam för att smälta och återuppta rengöringsprocessen senare. Denna metod för rengöring av rör är billigt och enkelt att använda.
Isen fraktionen spelar en nyckelroll i utvecklingen av isen gris. För att mäta isen fraktionen kan man använda en cafetière (fransk press) för att bestämma om isen uppslamningen är tillräckligt tjock 6,"> 7. En hög cafetière is fraktion, typiskt 80%, krävs när de utför is pigging. Ny forskning om nätet is fraktion detektering visade att båda elektromagnetiska och ultraljudsvågor är lämpliga för jobbet 8, 9, 10, 11.
Isen gris sker vanligtvis genom en ytskrapad ismaskin från en 5 vikt-% NaCl-lösning (saltlösning). Det är också det främsta sättet att göra is slam inom industrin. Denna typ av ismaskin fryser vatten eller saltlösning på en kall metallyta, typiskt en slät 316 stålyta och sedan cykliskt klipper ispartiklarna ut. De flytande mot metall gränssnitt är mycket komplex och påverkas av en lång rad faktorer som är väsentliga för is att göra 12. Gränssnittet mellan icke-metall och vatten kan vara mycket olika, och ett särskilt intressant exempel är kaolinit. den Kaolinite-vattengränsytan är speciellt eftersom det inte finns en gynnsam is struktur i anslutning till den fasta yta, utan snarare ett lager av amfoter substrat vätska som uppmuntrar isen liknande vätebundna grupper bildas på toppen av det 13, 14. Ett annat sätt att framställa isen gris kräver krossning av de premade isblock medan högkoncentrerad saltlösning tillsätts samtidigt. För denna metod kan kylsystemet drivs vid en mycket högre förångningstemperatur eftersom ingen fryspunktsnedsättande (FPD) tillsättes före bildningen av is; Därför är det anses vara mer effektiv på grund av den sänkta kompressionsförhållande och minskat effekt för en given kylning tull 15, 16, 17.
Det finns två andra ice produktionsmetoder: producerande is från underkylt vatten och sätta kylmedel och vatten i direkt kontakt
Isbildning kräver värme och massöverföring på grund av den latenta smältvärme som genereras i processen. Det upptäcktes först av Osborn Reynolds 1874 att transport av värme och massa i gaser är starkt kopplade och kan uttryckas i liknande matematiska formler 20. Detta arbete bildade banbrytande papper på temat fart, värme och massöverföring i vätskor och trycktes flera gånger 21, 22. Detta ämne studerades sedan genom enantal andra, både analytiska och empiriska metoder, för gaser, vätskor och smält metall 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33. Bortsett från den värme- och massöverföring, måste fluiden kärnbildningsplatser där dendritisk is tillväxt kan utvecklas. En modern insikt i tillväxten av iskristaller använder konstruktalteori, som utvecklats av Adrian Bejan, att förklara varför is växer på detta sätt 34, 35, 36.
Den isbildning i saltlösning skiljer sig mycket från den i rent vatten på grund av förekomsten av salt. För det första, salt ändrar termodynamik av vätska och trycker dess fryspunkt. För det andra salt kan inte lösas upp i isen matrisen (med undantag för hydrohalite, som bara kan bildas när temperaturen når den eutektiska punkten), och att det inte avvisas till bulkvätskan när is börjar växa. Förkastandet av salt upptäcktes i både havsisen och is studeras i labbet 37, 38. Eftersom den förkastade högkoncentrerade saltlösning befinner sig vid en temperatur väl under fryspunkten för havsvatten, eftersom det sänker sig, växer isen vid gränsytan mellan det strömmande saltlösning och det stillastående bulkvätska. Dessa is stalaktiter, som också heter brinicles, upptäcktes först i McMurdo Sound, Antarktis och studerades experimentellt 39, 40, 41, 42. Under 2011 BBC filmade bildandet av brinicles i Frozen Planet serie"xref"> 43, 44.
I vårt labb, upptäcktes det att genom att vända flödet och vilande vätskor när vatten införs till ett bad av kall saltlösning, kan vattnet omvandlas till is under rätt förhållanden 45. Det visade sig att den plats där vattnet införes, flödes reologi, och saltlösning temperatur och koncentration är alla nyckelfaktorer som påverkar hur mycket is kan produceras. Det övergripande målet med denna studie är att undersöka om en ismaskin kan utvecklas genom denna mekanism för att generera is slam, med tanke på att den förhöjda förångartemperaturen och den höga vätske till flytande värmeöverföring kan effektivisera energianvändningen. Denna artikel aktier viktiga aspekter av försöket.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Försiktighet: Det finns två giftiga kemikalier, metanol och etylenglykol, som används i dessa experiment. Metanol kan metaboliseras i människokroppen för att generera formaldehyd och sedan till myrsyra eller formiat salt. Dessa ämnen är giftiga för det centrala nervsystemet och kan även leda till döden. Etylenglykol kan oxideras till glykolsyra, som sedan kan förvandlas till oxalsyra. Detta kan orsaka njursvikt och död. Drick inte dessa kemikalier. Rådfråga omedelbart en läkare om en olycka inträffar.
1. Kylsystem
OBS: Det är mycket svårt att hålla saltlösning vid -18 ° C eller så när den omgivande temperaturen är ungefär vid rumstemperatur. Det är viktigt att tankarna lagring etylenglykol och saltlösning är välisolerade och en rimlig storlek för att undvika överkonsumtion av el och för att säkerställa optimal prestanda. Det rekommenderas att tankstorleken inte överstiger 30 L.
- Förbereda det sekundära kylmediet
- Häll 1 liter etylenglykol i sekundär kyltanken, Tank A (Bas: 400 mm x 200 mm, höjd: 350 mm). Lägg ungefär 0,6 till 0,65 L (600-650 g) av vatten till Tank A.
- Upprepa steg 1.1.1 flera gånger tills det finns tillräckligt med vätska i tanken A (25 L).
- Rör om vätskan så att fluiden är homogen.
- Slå på de två pumparna i Tank A till inställningen full kapacitet (2500 L / h). Se till att alla bubblor fångas i värmeväxlarna och ledningar frigörs.
- Stäng av pumpen att observera om alla bubblor frigörs. Om inte, upprepa steg 1.1.4.
- Framställning av saltlösningen
OBS: I det här exemplet är 22 vikt% saltlösning beredd. Om andra koncentrationer behövs, bör massan av salt tillsätts också ändras i enlighet därmed. Koncentrationen och densitetsvärdena referenssaltlake kan hittas på sidan D-257 av 64: e upplagan (1983) av the CRC Handbook of Chemistry and Physics 46.- Tillsätt 4 kg vatten i en 5-L plastbägare.
- Mät 1 kg NaCl salt på en elektronisk våg och häll detta salt i bägaren med vatten.
- Rör blandningen tills lösningen är klar (dvs det finns inga saltpartiklar eller vatten bubblor syns i lösningen).
- Ta ett prov, ~ 10 ml, av lösningen med användning av en 10-ml spruta.
- Injicera vätskan i U-röret densitetsmätare.
- Kontrollera om det finns luftbubblor i röret. Om det finns några, injicera mer vätska för att trycka ut dem.
- Tryck "Snabbinställningar" och välj "Density Temperatur." Typ i 20 ° C och tryck på "OK". Densiteten Mätaren kommer nu mäta fluiddensitet vid denna temperatur.
- Tryck på start och vänta på resultatet.
- Jämför densiteten behandlingen 1164,00 kg / m 3.
- Tillsätt mer salt om värdet är under JÄMFÖRELSEn densitet. Tillsätt vatten om annat.
- Upprepa steg 1.2.3-1.2.10 tills vätskan densitet är korrekt (1164.00 kg / m 3).
- Häll denna lösning i en större behållare, Container A.
- Använd steg 1.2.1-1.2.12 för att göra 35-40 L av saltlösning och sätta Container A in i en frysbox vid -40 ° C. Håll saltvatten där för 48-72 timmar, till dess temperaturen når -19,18 ° C (fryspunkten i denna 22 vikt% saltlösning).
2. Beredning av isen för Injektion och tvättvatten
- Förbered is för att injicera vatten
- Häll 1 liter vatten i en liten behållare (200 × 200 × 50 mm).
- Upprepa steg 2.1.1 med en annan behållare och placera de två behållarna i frysbox vid -40 ° C.
- Hålla dem i frysen under 10 timmar eller mer för att säkerställa att allt vatten är frusen.
- Förbered tvättvattnet ice skal
- Fyll en 5-liter bägare med 5 liter vatten.
- Fyll en 2-liter bägare med 2 liter vatten.
- Placera båda bägarna in i frysbox vid -40 ° C under 8-10 h, så att det finns ett tjockt skal av is omslag runt ofruset vatten.
- Använda en hög-hastighetsvattenstrålen med en hastighet av 3-5 m / s från kranen för att öppna upp en håldiameter 3-cm vid toppen av isen skalet.
- Dränera vattnet inuti isen skalet.
- Sätt tillbaka i frysen de två bägare.
- Om massan av isen skalet inte når 3 kg och 1 kg för de två bägare, respektive, upprepa steg 2.2.1-2.2.5, men hålla bägarna i frysen längre steg 2.2.3. De två bägare ska nu kunna innehålla 2 L och 1 L vatten, respektive.
3. Vatten Introduktion position och reologi kontrollexperimentet
- Införa vatten vid saltytan
- Dekantera 2 liter 22 vikt% kall saltlösning från Container A tillaluminium hink med glassmaskinen och slå på kylaggregat.
- Mäta temperaturen hos saltlösningen med en termometer / termoelement (antingen K-Type eller T-typ är lämpliga). Fortsätta försöket om saltvatten är -15 ° C eller lägre.
- Fylla upp glasspruta med kranvatten den 100-ml vid rumstemperatur. Bifoga en 2-mm innerdiameter, 1 mm tjock, och en-m lång silikonslang till spetsen på sprutan.
- Placera sprutan på en viss position så att det finns ett huvud mellan vattnet i sprutan och utloppet av silikonslangen. Det hydrostatiska trycket kommer att pressa ut vattnet ur röret.
- Dränka en viss längd av silikonslang, typiskt 70 cm, in i saltlösning.
- Justera den relativa positionen mellan sprutan och röret utgång så att det hydrostatiska trycket är tillräckligt stor för att tillåta vatten att lämna sprutan. Om röret är blockerad, ökar huvudet genom att lyfta sprutan till en högre vertikal position, until det hydrostatiska trycket kan övervinna den skjuvspänning inuti röret.
- Håll röret utgång ungefär en cm eller mindre ovanför saltlake ytan.
- Justera längden på dykrör och sprutan höjd för att styra vattnet utlopp låt temperatur och flödeshastighet för att avgöra hur mycket is kan göras eller hur mycket blandning sker vid saltytan. Frysning fenomen bör nu observeras vid saltytan. Se referens 45 för ytterligare riktning.
- Tillförsel av vatten genom saltlake
- Upprepa steg 3.1.1-3.1.6.
- Håll röret exit inuti saltlösning, företrädesvis vid botten av behållaren.
- Justera längden på det dränkta röret och sprutan höjd.
- Justera vinkeln av röret exit att styra reologin av flödet.
- Upprepa steg 3.2.3-3.2.4 att hitta de bästa kopplad flödes reologi och flöde som kan producera de mest isen.
- gör is
- Om det finns bubblor i rören, slå på de två pumparna inne Tank A att släppa bubblorna ur glykolcirkulationssystemet, och sedan stänga av pumparna.
- Slå på tre kylanläggningar och låta dem köra för 10-16 timmar för att kyla ner etylenglykol lösningar.
- Mäta etylenglykollösning med en termometer / termoelement. Glykoltemperaturen bör vara omkring -25 ° C.
- Mät temperaturen på köldbärare in Container A se till att det är vid -19 ° C innan du fortsätter till steg 4.1.5.
- Fyll saltlake tank, tank B, med ungefär 30 liter saltvatten från Container A och slå på de två pumpar i Tank A.
- Mäta temperaturen hos den glykol i Tank A. Om det är kallare än -19 ° C, stänga av en eller flera kylenheter för att förhindra utfällning av ispartiklar utanför värmeväxlarna in Tank B. Om temperaturen är varmare än den förväntade köldbärartemperatur, slå på alla tre kylaggregat. Utföra experimentet vid -17 ° C till -19 ° C.
- Placera två premade isblock från steg 2,1 i den isolerade 5-L bägare, Container B, och häll ungefär 3 liter vatten i bägaren.
- Mät vattentemperaturen och hålla den vid 2 ° C genom omröring av blandningen mellan experiment om temperaturen stiger.
- Fyll glasspruta med 100 ml av 2 ° C vatten.
- Applicera 5-10 ml metanol till glasfönstret i Tank B för att stoppa kondensation och isbildning.
- Injicera vatten i saltlake genom att justera det relativa läget mellan sprutan och rörets utgång så att det finns ett konstant hydrostatiskt tryck och därmed en konstant flödeshastighet. Ca 70 cm av silikonslangen bör nedsänkt i saltlake. Justera vinkeln på injektions till 0 ° så att den initiala vattenhastigheten i den uppåtgående direInsatser är 0 m / s.
OBS: Sprutan kan vara antingen handhållna eller klämmas på ett stativ. Handhållna är lämpligare när köldbärartemperatur är kallare, eftersom det tar mer tid att anpassa ett stativ, och is kan blockera röret. Hålla flödet reologi konsekvent genom hela experimentet genom att säkerställa en konstant flödeshastighet och insprutningsvinkel (0 °) och genom att hålla frys gränsen ca 3 cm ovanför rörets utgång. Låt inte flödet in i området där det börjar vända turbulent 47. Se referens 45 för ytterligare riktning. - Samla isen som beskrivs i steg 4.2 och 4.3. Upprepa steg 4.1.8 - 4.1.11 vid olika köldbärartemperaturerna.
- Samla producerade is och uppskatta hur mycket is bildas (torr samling)
- Sätt en behållare (200 × 200 × 50 mm) på vågen och nollställa avläsningen genom att trycka på "Turn on" -knappen.
- Använd sikten att ösa ut isen och skaka avsaltlaken.
- Sätt denna is i behållaren. Mäta massan av isen med hjälp av skalan.
- Efter att isen smälter, använd 10-ml spruta för att ta ett prov. Injicera detta prov av vätska i densitetsmätare.
- Utför steg 1.2.6-1.2.9.
- Notera densiteten läsning.
- Beräkna nettovattenmassan från dess densitet (dvs massan av vatten omvandlas till is) med användning av följande formel:
var
är den saltlake koncentration vikt-% och 
och 
är den stora massan av salt och vatten, respektive.
- Samla producerade is och uppskatta hur mycket is bildas (våt samling)
- Fylla 5-liter bägare med ett is skal (steg 2.2) och rumstemperatur kranvatten. Sätt tillbaka den i frysen vid -40 ° C.
- Dekantera vattnet med isen skal från 5-liter bägare till en 2-liter bägare, när dess temperatur är 0 ° C. Fyll upp 5 liter bägare. Hålla båda bägarna i frysen.
- Gröp ur isen produceras i steg 4.1.8 och 4.1.9 och häll 200-500 ml vatten från 2-L bägare på isen för att tvätta den. Skaka inte sikten innan applicering av 0 ° C vatten.
- Skaka av fluiden i sikten.
- Upprepa steg 4.2.2-4.2.7.
är den saltlake koncentration vikt-% och 
och 
är den stora massan av salt och vatten, respektive. Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 jämför effekterna av vatten som införs vid saltlösning ytan till vatten sprutas in genom saltlaken. I "ice-cap" scenario, är den bildade isen fast eftersom vattnet inte blanda mycket med bulkvätska. Temperaturskillnaden och täthet mellan de båda vätskorna genererar flytkraft på vattnet och hindrar dem från att blandas. Båda fluiderna är statiska (dvs., är värmeöverföringen mycket större än den av massan; Sc ≈ 500, Pr ≈ 10, och Le ≈ 50), så is kan bilda lätt. Det finns varken bildningen av en sörjig skiktet eller saltavvisning i detta experiment. När isen blir tjockare, kommer den att hindra graden av värmeöverföring på grund av dess låga värmeledningsförmåga och påverka hastigheten för isbildning. Vid denna punkt, kan man tydligt konstatera att den införda "sött vatten" inte längre snabbt kan frysa till en fast. Dessutom utan konvektion, den låga thermal ledningsförmågan hos saltlösningen i sig hindrar också transporten av det latenta värmet från kylan sink. Hastigheten för isbildning är direkt förknippad med och mycket känslig för köldbärartemperatur. Till exempel, vatten i -15 ° C saltlösning fryser mycket snabbare än i -13 ° C saltlösning. I vatteninsprutnings fall är formen och storleken av isen i relation till flödena reologi. Stången av is som visas i figur 1 har två distinkta delar: en rak huvudet följt av en lockig svans. Den lockiga sektionen bildas mycket närmare den saltlake ytan, där flödet har mer turbulens till den. Den lockiga svansen är vanligtvis mycket tunnare än den raka huvudet på grund av uppkomsten av turbulens, vilket minimerar skillnaden mellan värme- och massöverföringshastigheter, särskilt vid det yttre lagret av strömmen, där värme- och massöverföringar är desamma. Därför kan endast den inre kärnan fryser till is. Om röret exit hålls horisontellt snarare än vertikalt upp ett ark av is Will genereras. Genereringen av is blir mer stabil och resultaten är reproducerbara. Slutligen visade det sig att en sänkning av flödeshastigheten inte är ett effektivt sätt att eliminera blandning. I stället, det ökar avsevärt risken för att blockera röret.
Vatteninsprutningsvinkel hålls vid 0 ° till den horisontella axeln vid utförande av vatten-till-is omvandlingsförhållandet mätningar. Inverkan av saltlake temperaturer och koncentrationer är illustrerade i figur 2. De omräkningssatserna sitter vanligtvis mellan 0,4-0,9 för de studerade köldbärartemperaturerna och koncentrationer. Det är viktigt att hålla flödet reologi och position för isbildning gräns konstant genom hela experimentet. Den stora volymen av saltlösning i Tank B bidrar till att minska effekterna av lokala värmegradienter på mätningarna. Förhållandet mellan saltlake temperaturen och konverteringsgraden är första order på den studerade temperatur ringdee. Koefficienter för de bäst passar linjer anges i tabell 1. Om en annan insprutningsvinkel används, kommer vatten-to-is omräkningssatserna inte längre följa dessa relationer eftersom kontaktytan och därmed hastigheterna av värme- och massöverföring, är olika. Vid insamling isen, är det viktigt att hålla den kraft som appliceras för att skaka av saltlösning / tvättvatten konsekvent och att försöka minimera den mängd vatten som finns kvar i sikten. Liknande mängder vatten som används för att tvätta bort saltlösningen bör tillämpas för att undvika inkonsekventa resultat. Det visade sig att om mer än 500 ml vatten används för att tvätta isen, är osannolik någon ytterligare minskning salthalt. När volymen är under 200 ml, kan salthalten vara så hög som 4 vikt-%.
Eftersom förångningstemperaturen är mycket högre än en ytskrapad ismaskin, som vanligtvis använder -40 ° C, om denna metod används för att producera is, en högre COP förväntasenligt vår beräkning i figur 3. Om till exempel, är förångaren temperaturen till -20 ° C, kan COP nästan nå 3 för köldmedium R134A.
Figur 1: Vatten introduktion läge. En "ice cap" kan bildas när vatten införes vid saltlösning ytan. En stav av is bildas när röret exit hålls upprätt. När vatten insprutas i saltlösningen, formen av isen beror på flödes reologi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: jämförelse konverteringsgraden vid olika saltlake koncentrationer med en bäst anpassade linjen. både brine temperatur och koncentration påverkar hur mycket vatten kan frysas i is (omvandlingsförhållande) när flödeshastigheten och reologi hålls densamma. Konverteringsgraden ökar linjärt med en droppe i saltlake temperatur. Lägre brine koncentrationer vid lägre badtemperaturer generera mer is. Den tvättmetod samlar mer is än torrinsamlingsmetod. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Värmefaktor vid olika förångningstemperaturer för ett intervall av kylmedel. Högre förångartemperaturer gynnar prestandakoefficienten (COP) i kylsystem. De två övergångsköld (R22 och R134a) har bättre COP än den redan förbjudit R502 och blandningarna (R404A och R507A).Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Saltkoncentration (vikt-%) | torr samling | våt samling | ||
| 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 |
Tabell 1: Koefficienter for de mest lämpliga linjer för konverteringsgraden mot schema köldbärartemperatur. Konverteringsgraden korrelerar linjärt med saltlake temperaturen enligt formeln: 
. Både torr- och våt-insamlingsmetoder visas här.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Processen av is generering med användning av saltlösning som en sekundär köld innefattar kombinationen av värme och massaöverföring. Om värmeöverföringen är större, då is bildas innan vattnet har möjlighet att blanda med bulkvätska. Det observerades att när det finns en relativ rörelse mellan det införda vattnet och den vilande bulk saltlösning (dvs., att spruta in vatten i den saltlösning), hjälper flödet värmeöverförings och uppmuntrar is för att bilda snabbt. Emellertid, när det finns för mycket turbulens i flödet, kan genereras ingen is. Den största begränsningen med denna teknik är den blandning och utspädning av saltlösning. Saltlake volym kommer att hålla stiger som processen fortsätter. Därför, när isframställning detta sätt är det viktigt att vara medveten om den ökande saltlake volym och släppa saltlösning salthalt. Dessutom observerades det att om den genererade isen inte samlas, kommer den att smälta. Detta kan bero på att saltlaken inte är vid sin smälttemperatur, vilket gör att både värmeoch massöverföring mellan den bildade isen och bulkvätskan. Sättet för värme- och massöverföring är genom endast diffusion, och graden av smältning är långsam. Eftersom isen flyter på saltvatten ytan, ytterligare värme inträngning från omgivningen ökar graden av issmältning. Av denna anledning bör den genererade is samlas prompt, när det är framställt för att undvika en ytterligare ökning av volymen av koksaltlösning.
Minska utspädning eller separera vatten och salt för närvarande studeras i vårt labb. En av de många idéer är att återinföra det insprutade vattnet till ett annat rör som är större i diameter så att vatten endast kommer att utsättas för bulkvätska under en kort tidsperiod, vilket minimerar förändringen i volym hos den sekundära kylmediet. Iskärnebildande kommer att inträffa när vatten utsätts för saltlösningen, följt av fullbordandet av is tillväxten i större rör. Genom att lägga till denna fast yta, är huvuddelen salthalt den genererade is kontrollerbar. Till exempel, om den är lägre salthalt i isen krävs, kan en lägga till mer "sweet water" till vätskan i den sekundära röret. Den nedsänkta längden av denna sekundära röret kan enkelt ändras, beroende på den erforderliga is fraktion av produkten.
Flödet reologi har en betydande inverkan på den ytarea av kontakt och på förhållandet område-till-volym av flödet i bulkvätskan. Våra observationer tyder på att en större kontaktarea är mer gynnsam för att stimulera mer is att bildas. En ökad kontaktyta bör också förbättra massöverföring, men har ännu inte observerats i den studerade köldbärartemperatur och koncentrationsintervall. Det verkar som innan flödet kommer in i övergångszonen, där turbulens och separation av flödet börjar inträffa, is kommer alltid att skapas. Om flödet separerar och stora turbulens förekommer, varje kluster av vattenmolekyler behöver sin egen kärnpunkt, och is kan inte bildas i dessa situationer.
"> Förhållandet mellan saltlake temperatur och vatten-till-is omräkningstal är linjär medan en konstant saltvatten koncentration. De förändringar av konverteringsgraden kontra brinetemperatur bäst passar linjer visar att saltlake koncentration spelar också en viktig roll i den isbildning / vatten utspädningsprocessen. på grund av fasomvandling, randvillkoren är mycket olika i konventionella analogi studier värme- och massöverföring, och därmed dessa analogier är inte tillräckliga för att beskriva denna situation.Studien visade också att, eftersom frysning gränsen kan fästas på ett relativt stabilt avstånd från utloppet av röret, kan flödet nå en steady-state tillstånd. Detta tyder på att detta fenomen kan användas som en tillförlitlig ny mekanism för is produktionen i industrin, eftersom en mycket högre förångningstemperatur och COP förväntas i jämförelse med de befintliga is-göra tekniker.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har ingenting att lämna ut.
Acknowledgments
Författarna har inga bekräftelser.
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).
