Summary
Her presenterer vi en protokoll for å demonstrere dannelsen av isen når vann innføres i et kaldt bad av saltlake, som et sekundært kjølemiddel, ved et område av temperaturer godt under frysepunktet for vann. Den kan brukes som en alternativ måte å produsere is for industrien.
Abstract
Vi demonstrerer en fremgangsmåte for undersøkelse av varme- og masseoverføring, og av fryse fenomener i en underkjølt saltlake miljø. Våre forsøk viste at under riktige betingelser, kan is fremstilles når vann innføres i et bad med kaldt saltvann. For å gjøre is form, i tillegg til å ha den saltlake og vann blanding, må hastigheten for varmeoverføring omgå det av masseoverføring. Når vann innføres i form av små dråper i den saltlake overflate, modusen for varme- og masseoverføring er ved diffusjon. Den oppdrift stopper vannet fra blandingen med saltlake under, men som isen vokser tykkere, det senker hastigheten for varmeoverføring, noe som gjør is mer vanskelig å vokse som et resultat. Når vann er innført på innsiden av saltoppløsning i form av en strømning, er en rekke faktorer som influerer på hvor mye is kan dannes. Brine temperatur og konsentrasjon, som er de drivende krefter for varme- og masseoverføring, henholdsvis, kan påvirke vann-til-is omdannelse Ratio; lavere badetemperaturer og saltlake konsentrasjoner oppmuntre mer is å danne. Flyten reologi, som kan direkte påvirke både varme- og massetransport koeffisienter, er også en viktig faktor. I tillegg endrer strømn reologien kontaktarealet av strømnings med væskemassen.
Introduction
Ice slam er mye brukt i industrien, og en spesielt vellykket bruk er isen-pigging teknologi 1, 2. I forhold til den konvensjonelle skum og solid gris, kan det is gris reise gjennom komplekse topologier over en lang avstand på grunn av smøreeffekten av væskefasen og den heving av dens frysepunkt som noen av iskrystallene smelter 3, 4, 5 . Selv om grisen blir sittende fast, kan man bare vente på isen slam til å smelte og gjenoppta renseprosessen senere. Denne metoden for rør rengjøring er billig og lett å bruke.
Isen brøkdel spiller en nøkkelrolle i utviklingen av isen gris. For å måle isen fraksjon, kan man bruke en cafetière (fransk trykk) for å finne ut om isen slurry er tykk nok 6,"> 7. En høy cafetière is fraksjon, typisk 80%, er nødvendig ved gjennomføring av is pigging. Nyere forskning på nettet is fraksjon deteksjon viste at både elektromagnetiske og ultralydbølger er egnet for jobben 8, 9, 10, 11.
Isen svin er vanligvis laget av en skrapet overflate ismaskin fra en 5 vekt% NaCl-oppløsning (saltlake). Det er også den primære måten å lage is slam i bransjen. Denne type ismaskin fryser vann eller saltoppløsning på en kald metalloverflate, typisk en glatt ståloverflate 316 og deretter syklisk skjærer de ispartikler av. De flytende-til-metall grensesnitt er svært komplekst og påvirkes av en rekke faktorer som er avgjørende for is gjør 12. Grensesnittet mellom ikke-metall og vann kan være svært forskjellige, og en spesielt interessant eksempel er kaolinitt. den Kaolinite-vann-grenseflaten er spesielt fordi det ikke er en gunstig is struktur som grenser til den faste overflate, men snarere et lag av amfoter substrat væske som fremmer is-lignende hydrogenbundede klynger for å danne på toppen av den 13, 14. En annen måte for fremstilling av is gris krever knusing av isblokker forhåndslagde mens høykonsentrert saltoppløsning blir tilsatt samtidig. For denne fremgangsmåten, kan kjølesystemet drives ved en mye høyere temperatur fordamper, fordi ingen frysepunktnedsettende middel (FPD) tilsettes før dannelsen av is; Det er derfor ansett som mer effektiv på grunn av den lavere kompresjonsforhold og minsket kraft for en gitt kjøle plikt 15, 16, 17.
Det er to andre is produksjonsmetodene: fremstilling av is fra underkjølt vann og la kjølemiddel og vann i direkte berøring
Dannelsen av is krever varme- og masseoverføring på grunn av den latente smeltevarme som genereres i prosessen. Det ble først oppdaget av Osborn Reynolds i 1874 at transport av varme og masse i gasser er sterkt koplet, og kan bli uttrykt i lignende matematiske formler 20. Dette arbeidet dannet den banebrytende artikkel om emnet av momentum, varme og massetransport i væsker og ble gjengitt flere ganger 21, 22. Dette temaet ble deretter undersøkt av enantall av andre, fra både analytiske og empiriske fremgangsmåter, for gasser, væsker, og smeltet metall 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33. Bortsett fra varme- og massetransport, må væsken kimsteder hvor dendrittiske is veksten kan utvikle seg. En moderne innsikt i vekst av iskrystaller bruker Constructal Law, utviklet av Adrian Bejan, for å forklare hvorfor isen vokser på denne måten 34, 35, 36.
Den isdannelse i saltlake er svært forskjellig fra den i rent vann på grunn av eksistensen av salt. Først av alt, salt forandrer termodynamikk av væske og presser dens frysepunkt. For det andre salt kan ikke oppløses i isen matrise (med unntak av hydrohalite, som bare kan dannes når temperaturen når den eutektiske punkt), og det blir avvist til den samlede mengde væske når isen begynner å vokse. Avvisningen av salt ble oppdaget i både havis og studert i laboratoriet 37, 38. Siden den avviste høykonsentrert saltoppløsning er ved en temperatur godt under frysepunktet for sjøvann, som det går ned, vokser is ved grenseflaten mellom den flytende saltoppløsning og den stillestående væskemassen. Disse isen stalaktitter, også kalt brinicles, ble først oppdaget i McMurdo Sound, Antarktis og ble studert eksperimentelt 39, 40, 41, 42. I 2011 BBC filmet dannelsen av brinicles i sin Frozen Planet-serien"xref"> 43, 44.
I vårt laboratorium, ble det oppdaget at ved å reversere de strømmende fluider og hvilende når vann innføres i et bad av kaldt saltvann, kan vann forvandles til is under riktige betingelser 45. Det ble funnet at det sted hvor vannet innføres, strømnings reologi og saltvann temperatur og konsentrasjon er alle viktige faktorer som påvirker hvor mye is kan fremstilles. Det overordnede målet med denne studien er å undersøke om en ismaskin kan utvikles gjennom denne mekanismen for å generere isen slam, med tanke på at den forhøyede fordamperen temperatur og høy grad av væske-til-væske varmeoverføring kan effektivisere energiforbruket. Denne artikkelen aksjer viktige aspekter av forsøket.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Forsiktig: Det er to giftige kjemikalier, metanol og etylenglykol, ble brukt i disse eksperimenter. Metanol kan metaboliseres i kroppen til å generere formaldehyd, og deretter til maursyre eller formiat salt. Disse stoffene er giftige for sentralnervesystemet, og kan også føre til døden. Etylenglykol kan oksyderes til glykolsyre, som deretter kan slå inn oksalsyre. Dette kan føre til nyresvikt og død. Ikke drikk disse kjemikaliene. Kontakt lege umiddelbart hvis det skjer en ulykke.
1. Kjølesystem
MERK: Det er svært vanskelig å holde saltlake ved -18 ° C eller så når omgivelsestemperaturen er omtrent ved romtemperatur. Det er viktig at tankene lagring av etylenglykol og saltløsning er godt isolert og av en rimelig størrelse for å unngå overskudd av strømforbruket og for å sikre optimal systemytelse. Det anbefales at beholderen størrelsen ikke overstiger 30 L.
- Klargjør den sekundære kjølevæske
- Hell 1 L av etylenglykol i den sekundære kjøletanken, Tank A (Base: 400 mm x 200 mm, høyde: 350 mm). Legg omtrent 0,6 til 0,65 L (600-650 g) vann til tank A.
- Gjenta trinn 1.1.1 flere ganger inntil det er nok væske i tank A (25 L).
- Omrør fluidet slik at fluidet er homogent.
- Slå på de to pumpene i Tank A til full kapasitet innstilling (2500 l / h). Sørg for at alle boblene fanget i varmevekslerne og rør er utgitt.
- Slå av pumpen for å se om alle boblene frigjøres. Hvis ikke, gjenta trinn 1.1.4.
- Fremstilling av saltlake
MERK: I dette eksemplet er 22 vekt% saltlake forberedt. Hvis andre konsentrasjoner er nødvendig, bør massen av salt tilsettes også endres tilsvarende. Referansesaltlake konsentrasjon og tetthetsverdier kan finnes på side D-257 på 64 th Edition (1983) av the CRC Handbook of Chemistry and Physics 46.- Tilsett 4 kg vann til en 5-L plastbeger.
- Mål 1 kg NaCl-salt på en elektronisk vekt og hell dette salt i begerglasset med vann.
- Rør blandingen inntil løsningen er klar (dvs. det finnes ingen saltpartikler eller vannbobler som er synlige i oppløsning).
- Ta en prøve, ~ 10 ml, av oppløsningen ved anvendelse av en 10 ml sprøyte.
- Injisere fluid inn i U-rør tetthet måler den.
- Se etter luftbobler i røret. Hvis det er noen, injisere mer fluid for å skyve dem ut.
- Trykk "Hurtiginnstillinger" og velg "Tetthet temperatur." Skriv inn 20 ° C og trykk "OK". Tettheten meter vil nå måle fluidtettheten ved denne temperatur.
- Trykk start og vente på resultatet.
- Sammenlign lesing tetthet med 1164,00 kg / m 3.
- Tilsett mer salt hvis avlesningen er under sammenlikningenn tetthet. Tilsett vann hvis noe annet.
- Gjenta trinn 1.2.3-1.2.10 til fluidtettheten er riktig (1164.00 kg / m 3).
- Hell denne oppløsning inn i en større beholder, Container A.
- Bruk trinn 1.2.1-1.2.12 for å gjøre 35-40 liter saltvann og sette beholderen en inn i en fryseboks ved -40 ° C. Hold saltlake der i 48-72 timer, inntil temperaturen når -19,18 ° C (frysepunktet for denne 22 vekt% saltlake).
2. Utarbeidelse av Ice for Injisering og vaskevann
- Forbered isen for å injisere vann
- Hell 1 liter vann inn i en liten beholder (200 x 200 x 50 mm).
- Gjenta trinn 2.1.1 med en annen beholder og sett de to containere i brystet fryser ved -40 ° C.
- Hold dem i fryseren i 10 timer eller mer for å sikre at alt vannet er frosset.
- Forbered vaskevannet isen skall
- Fyll en 5-L begerglass med fem liter vann.
- Fyll en to-L beger med 2 liter vann.
- Plasser begge begerglass, og i brystet fryser ved -40 ° C i 8-10 timer, slik at det er et tykt skall av is innpakning rundt ikke-frosset vann.
- Bruke en høy-hastighetsvannstråle med en hastighet på 3-5 m / s fra springen for å åpne et hull 3-cm diameter ved toppen av is skallet.
- Tapp vannet inne i isen skallet.
- Sett de to begrene tilbake i fryseren.
- Hvis massen av is skallet ikke når 3 kg og 1 kg for de to begre, henholdsvis, gjenta trinn 2.2.1-2.2.5, men holde begrene i fryseren lenger i trinn 2.2.3. De to kanner skal nå være i stand til å inneholde to L og 1 liter vann, henholdsvis.
3. Vann Innledning posisjon og rheologikontroll Experiment
- Innføre vann på overflaten saltvann
- Dekanter 2 liter 22 vekt% kald saltlake fra beholderen en i detaluminium bøtte med iskremmaskinen og slå på kjøleenheten.
- Måle temperaturen av saltlaken med et termometer / termoelement (enten K-type eller T-type er egnet). Fortsette forsøket hvis saltlaken er -15 ° C eller lavere.
- Fyll opp 100 ml glassprøyte med springvann ved værelsestemperatur. Fest en 2-mm indre diameter, 1 mm tykt, og 1-m lang silikonrøret til spissen av sprøyten.
- Plasser sprøyten i en bestemt stilling slik at det er en leder mellom vannet i sprøyten og utløpet av silikonrøret. Det hydrostatiske trykk vil presse vannet ut av røret.
- Senk en viss lengde av silikon tube, typisk 70 cm, i saltlake.
- Justere den relative posisjonen mellom sprøyten og røret utgang, slik at det hydrostatiske trykket er stort nok til å tillate vann å gå ut av sprøyten. Hvis røret er blokkert, øke hodet ved å heve sprøyten til en høyere vertikal posisjon, until det hydrostatiske trykk kan overvinne skjærspenningen i røret.
- Hold røret exit omtrent 1 cm eller mindre over saltlake overflaten.
- Justere lengden på nedsenkede røret og sprøyten høyde for å kontrollere vannutløps la temperatur og strømningshastighet, for å bestemme hvor mye is kan gjøres, eller hvor mye blandingen inntrer i saltvann overflaten. Fryse fenomenet bør nå observeres ved overflaten saltvann. Se Reference 45 for videre retning.
- Introdusere vann inn i saltlake
- Gjenta trinn 3.1.1-3.1.6.
- Hold røret utgang på innsiden av saltvann, fortrinnsvis ved bunnen av beholderen.
- Juster lengden av den neddykkede røret og sprøyten høyde.
- Justere vinkelen på røret utgang for å kontrollere reologien av strømningen.
- Gjenta trinn 3.2.3-3.2.4 for å finne den beste koplet strømnings reologi og strømningsrate som kan produsere de mest is.
- Gjør is
- Hvis det er bobler i rørene, slå på de to pumpene inne Tank A for å slippe bobler ut av glykol sirkulasjonssystemet, og deretter slå av pumpene.
- Slå på de tre kjøleanlegg og la dem kjøre for 10-16 timer å kjøle ned etylenglykol løsninger.
- Mål etylenglykol-løsning med et termometer / termoelement. Den glykol temperaturen bør være ved ca. -25 ° C.
- Mål temperaturen i saltlake i Container A å sikre at det er ved -19 ° C før du går videre til trinn 4.1.5.
- Fyll saltlake tank, tank B, med omtrent 30 liter saltvann fra Container A og slå på de to pumpene i Tank A.
- Måle temperaturen av glykolen i tank A. Hvis det er kaldere enn -19 ° C, slå av en eller flere kjøleenheter for å hindre utfelling av ispartikler utenfor varmevekslerne in Tank B. Hvis temperaturen er varmere enn forventet saltlake temperatur, slå på alle tre kjøleenheter. Utfør eksperimentet ved -17 ° C til -19 ° C.
- Plasser de to forhåndslagde isblokkene fra trinn 2.1 inn i den isolerte 5-L begerglass, Container B, og helle omtrent 3 liter vann i begerglasset.
- Måle temperaturen i vannet og holde den ved 2 ° C ved omrøring av blandingen mellom forsøkene hvis temperaturen stiger.
- Fyll glassprøyte med 100 ml av den 2 ° C vann.
- Anvende 5-10 ml metanol til glassvinduet fra Tank B for å stoppe kondensasjon og dannelsen av is.
- Injisere vann inn i saltlake ved å justere den relative posisjonen mellom sprøyten og rørets utgang, slik at det er et konstant hydrostatisk trykk og dermed en konstant strømningshastighet. Ca 70 cm av silikonrøret bør være neddykket i saltvannet. Justere vinkelen av injeksjons til 0 °, slik at den første vannhastighet i den oppadgående direDette skjer er 0 m / s.
MERK: Sprøyten kan være enten håndholdt eller festet til et stativ. Håndholdt er mer hensiktsmessig når saltlaken temperaturen er kaldere, fordi det tar mer tid å justere et stativ, og isen kan blokkere røret. Holde flyten reologi konsekvent gjennom hele eksperimentet ved å sikre en konstant strømningshastighet og injeksjon vinkel (0 °) og ved å holde frysing grensen omtrent 3 cm over røret exit. Ikke la strømmen gå inn i området der det begynner å snu turbulent 47. Se Reference 45 for videre retning. - Samle isen som beskrevet i trinn 4.2 og 4.3. Gjenta trinn 4.1.8 - 4.1.11 ved forskjellige saltlake temperaturer.
- Samle produsert is og anslå hvor mye is er produsert (tørr samling)
- Sett en beholder (200 × 200 × 50 mm) på skalaen og null lesing ved å trykke på "Turn On" knappen.
- Bruk sil til å øse ut isen og riste avsaltlake.
- Sett denne isen i beholderen. Måle massen av isen ved hjelp av skalaen.
- Etter at isen er smeltet, bruker 10-ml sprøyte for å ta en prøve. Injiser denne prøve av væske inn i tettheten måleren.
- Utfør trinn 1.2.6-1.2.9.
- Spill lesing tetthet.
- Beregn netto vannmassen fra dens tetthet (dvs. massen av vann omdannes til is) ved hjelp av følgende formel:
hvor
er den saltlake konsentrasjon vekt-% og 
og 
er massene av salt og vann, henholdsvis.
- Samle produsert is og anslå hvor mye is er produsert (våt samling)
- Fyll fem-L beger med en is skall (trinn 2.2) og romtemperert vann fra springen. Sett den tilbake i fryseren ved -40 ° C.
- Dekanter vann med is skallet fra 5-L beger inn i en to-L begerglass når det har en temperatur ved 0 ° C. Fyll opp fem-L beger. Hold begge begre i fryseren.
- Grav ut isen produsert i trinn 4.1.8 og 4.1.9 og hell 200-500 ml vann fra 2-L beger på isen for å vaske den. Ikke rist sil før du påfører 0 ° C vann.
- Rist av væsken i silen.
- Gjenta trinn 4.2.2-4.2.7.
er den saltlake konsentrasjon vekt-% og 
og 
er massene av salt og vann, henholdsvis. Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 sammenligner effekten av vann som introduseres ved brine overflaten til vannet injiseres gjennom saltlaken. I "is-cap" scenario, er det dannede faste stoff is fordi vannet ikke blande seg mye med væskemassen. Temperaturen og tetthetsforskjellen mellom de to fluidene genererer oppdriftskraft på vannet og hindrer dem fra å blande. Begge fluider er statisk (dvs. er mye større enn massen varmeoverføringen; Sc ≈ 500, Pr ≈ 10, og Le ≈ 50), slik at is kan dannes lett. Det er ingen dannelse av en grøtaktig lag eller salt avvisning i dette eksperimentet. Når isen vokser tykkere, vil det hindre hastigheten for varmeoverføring på grunn av sin lave varmeledningsevne og påvirke hastigheten av isdannelse. På dette punktet, kan det observeres tydelig at den innførte "ferskvann" ikke lenger kan straks fryse til et fast stoff. I tillegg, uten konveksjon, den lave Thermal ledningsevnen for saltoppløsning i seg selv hindrer også transporten av den latente varme fra den kalde vasken. Hastigheten for isdannelse er direkte forbundet med og meget følsom for saltlaken temperatur. For eksempel, vann i -15 ° C fryser saltvann mye raskere enn i -13 ° C saltoppløsning. I vanninjeksjons tilfellet, formen og størrelsen av isen er relatert til strømmen reologi. Stangen av is vist i figur 1 har to distinkte deler: et rett hode, etterfulgt av en krøllete hale. Den krøllete seksjon er dannet mye nærmere den saltlake overflaten, hvor strømmen har mer turbulens til den. Den krøllete hale er vanligvis mye tynnere enn den rette hodet på grunn av den begynnende turbulens, noe som minimaliserer forskjellen mellom varme- og masseoverføringsrater, spesielt ved det ytre lag av strømmen, hvor varme- og masseoverføringer er de samme. Derfor kan bare den indre kjerne fryse til is. Dersom røret utgang blir holdt horisontalt i stedet for vertikalt opp, et ark av is will bli generert. Genereringen av isen blir mer stabil og resultatene er reproduserbare. Til slutt ble det funnet at å senke strømningshastigheten er ikke en effektiv måte å eliminere blanding. I stedet øker i betydelig grad muligheten for å blokkere røret.
Vanninjeksjons vinkel ble holdt ved 0 ° i forhold til den horisontale akse ved utføring av vann-til-is konverteringsforholdet målinger. Innflytelsen av saltlake temperaturer og konsentrasjoner er illustrert i figur 2. De konvertering forholdstall vanligvis sitter mellom 0,4 til 0,9 for de undersøkte saltlake temperaturer og konsentrasjoner. Det er viktig å holde strømnings reologi og posisjon for isdannelse grense konstant gjennom hele forsøket. Det store volum av saltoppløsning i tank B bidrar til å redusere virkningene av lokale termiske gradienter på målingene. Forholdet mellom saltvann temperatur og konverteringsforholdet er første orden for det studerte temperatur range. Koeffisienter for best tilpasning linjer er oppført i tabell 1. Hvis en annen injeksjon vinkel blir brukt, vil vann-til-is konvertering forholdstall de ikke lenger følger disse forhold fordi kontaktområdet og dermed satsene for varme og massetransport, er forskjellige. Ved oppsamling av is, er det viktig å holde kraften som anvendes for å riste av saltlake / vaskevannet konsistent og til å forsøke å minimalisere mengden av vann som er igjen i silen. Lignende mengder vann som brukes til å vaske av saltlake bør brukes for å unngå inkonsistente resultater. Det ble funnet at hvis mer enn 500 ml vann ble anvendt for å vaske is, er det usannsynlig at det ytterligere saltholdighet reduksjon. Når volumet er under 200 ml, kan saltinnholdet være så høyt som 4 vekt%.
Siden av fordampertemperaturen er mye høyere enn en skrapet overflate ismaskin, som vanligvis benytter -40 ° C, om denne metoden benyttes for å fremstille is, er en høyere COP forventeti henhold til vår beregning i figur 3. Hvis for eksempel, er fordampertemperaturen hevet til -20 ° C, kan COP nesten komme 3 for kjølemiddel R134A.
Figur 1: Vann innledning stilling. En "iskappe" kan dannes når vann innføres ved saltoppløsningen overflaten. En stang av isen dannes når røret utgang holdes oppreist. Når vann injiseres i saltvann, formen på is avhenger av strømnings reologi. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: Konvertering forholdet sammenligning på ulike saltkonsentrasjoner med linjen som passer best. både Brine temperatur og konsentrasjon påvirker hvor mye vann som kan fryses til is (omsetning) når strømningshastigheten og reologi er holdt den samme. Bytteforholdet øker lineært med en nedgang i saltlake temperatur. Lavere saltkonsentrasjoner ved lavere badetemperaturer generere mer is. Den vaskemetoden samler mer is enn tørrinnsamlingsmetode. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: ytelseskoeffisienten ved forskjellige fordampertemperaturer for en rekke kjølemidler. Høyere temperaturer favoriserer fordamperen ytelseskoeffisienten (COP) av kjølesystemer. De to overgangskjøle (R22 og R134a) har bedre COP enn den allerede utestengt R502 og blandingene (R404A og R507A).Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Saltkonsentrasjon (vekt%) | tørr samling | Wet samling | ||
| p1 | p2 | p1 | p2 | |
| 23,3 | -,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: koeffisienter for den optimale linjer for bytteforholdet mot saltlake temperatur diagram. Bytteforholdet lineært korrelerer med saltlake temperaturen i henhold til formelen: 
. Både tørr- og våt-samling metoder er oppført her.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Prosessen med is generering ved bruk av saltoppløsning som en sekundær kjølemiddel omfatter en kombinasjon av varme- og masseoverføring. Hvis varmeoverføringen er større, da isen dannes før vannet har mulighet til å blande seg med væskemassen. Det ble observert at når det er en relativ bevegelse mellom den innførte vann og hvilebulksaltoppløsning (det vil si å injisere vann i saltløsning), bidrar til strømningen til varmeoverføring og oppmuntrer is for å danne hurtig. Imidlertid, når det er for mye turbulens i strømmen, ikke is kan genereres. Den største begrensningen av denne teknikken er den blanding og fortynning av saltlake. Saltlake volum vil fortsette å stige som prosessen fortsetter. Derfor, når lage is på denne måten, er det viktig å være klar over den økende saltlake volum og slippe saltlake saltholdighet. I tillegg ble det observert at dersom den genererte isen ikke samles opp, vil den smelte. Dette kan være fordi saltlaken er ikke ved dets smeltetemperatur, slik at både varmeog masseoverføring mellom den dannede is, og væskemassen. Modusen av varme- og masseoverføring ved diffusjon er bare, og smeltningstakt er langsom. Imidlertid, siden is flyter på overflaten saltvann, ytterligere varme inntrengning fra det omgivende miljø øker hastigheten for issmelting. Av denne grunn bør den genererte isen samles umiddelbart etter at det er produsert for å unngå en ytterligere økning i volumet av saltoppløsningen.
Redusere fortynning eller skille vann og salt blir nå undersøkt i vårt laboratorium. En av de mange ideer er å gjeninnføre det injiserte vannet til et annet rør som er større i diameter, slik at vannet vil bare bli utsatt for væskemassen i en kort periode av tid, noe som minsker volumendring av det sekundære kjølemiddel. Iskimdannende vil skje når vannet er utsatt for saltvann, etterfulgt av fullførelsen av is vekst i det store rør. Ved å legge denne fast overflate, mesteparten saltholdighet av den genererte is er kontrollerbar. Hvis for eksempel lavere saltinnhold i isen er nødvendig, kan man legge flere "sweet vann" til fluidet i det sekundære rør. Den neddykkede lengde av denne sekundære rør lett kan endres, avhengig av ønsket is fraksjon av produktet.
Strømnings reologi har en betydelig innvirkning på overflatekontaktområdet og på areal-til-volum-forholdet av strømningen i væskemassen. Våre observasjoner tyder på at et større kontaktareal er gunstigere for å oppmuntre mer is å danne. En økt kontaktareal bør også forbedre masseoverføringen, men har ennå ikke blitt observert i det studerte temperatursaltlake og konsentrasjonsområde. Det synes som før strømningen går inn i overgangssonen, hvor turbulenser og separering av strømnings begynne å skje, is vil alltid bli opprettet. Hvis strømningen separerer og store turbulenser eksistere, må hver klynge av vannmolekyler sin egen kjernepunkt, og is kan ikke dannes i disse situasjonene.
"> Forholdet mellom saltvann temperatur og vann-til-is konverteringsforholdet er lineær, mens ved en konstant saltkonsentrasjon. Skiftene av konverteringsforholdet kontra saltvann temperatur med best tilpasning linjer indikerer at saltkonsentrasjonen spiller også en viktig rolle i det dannes is / vann fortynning prosess. på grunn av den fasetransformasjonen, er grensebetingelsene er svært forskjellige i konvensjonelle varme- og masse-overførings analogi studier, og følgelig er disse analogier er ikke tilstrekkelig for å beskrive denne situasjonen.Denne studien viser også at siden det iskalde grensen kan festes til en relativ stabil avstand fra utgangen av røret, kan strømmen nå en likevektstilstand. Dette indikerer at dette fenomenet kan brukes som en pålitelig ny mekanisme for is produksjon i industrien, fordi en mye høyere fordampertemperaturen og COP er forventet i forhold til de eksisterende is for å lage teknikker.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noe å avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne har ingen bekreftelser.
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).
