Overview
מקור: מייקל בנטון וקרי מ. דולי, המחלקה להנדסה כימית, אוניברסיטת לואיזיאנה סטייט, באטון רוז', לוס אנג'לס
ספין-ו-צ'יל משתמשת בהעברת חום וביסודות זרימת נוזלים כדי לצנן משקאות מטמפרטורת החדר ל-38 מעלות צלזיוס ב-2 דקות בלבד. זה ייקח מקרר כ 240 דקות וחזה קרח כ 40 דקות כדי להשיג שינוי טמפרטורה שווה ערך. זה מושלם ספין וצמרמורת על ידי ספינינג פחית או בקבוק ב עד 500 סל"ד, אשר יוצר מעט או לא קצף.
בניסוי זה, היעילות של ספינינג צילינדר (כלומר, פחית סודה) במהירויות גבוהות כדי לקרר משקה קל תיבחן. פרמטרים תפעוליים, כגון סל"ד וזמן ספין, יהיו מגוונים כדי להעריך את השפעתם על העברת החום, ומקדם העברת החום יחושב באמצעות מודל פרמטר גושי.
Principles
הספין-ו-צ'יל עושים שימוש בהעברת חום קונבקטיבית. על ידי סיבוב הפחית במגע עם אמבט קרח חיצוני, נוזל חם מאמצע הפחית נע החוצה ובא במגע עם המשטח הקר יותר. לאחר מכן, אנרגיה מועברת מהנוזל החם למשטח הקר בצורה של חום. זה ממשיך עד שכל כלי השיט התקרר. קירור עושה שימוש בתהליך דומה1. בקירור, קירור מחזורים דרך המערכת, ועובר ירידה בלחץ1. בתגובה, טמפרטורת הקירור יורדת מאוד לטמפרטורה מתחת לטמפרטורת החלל שמתקרר1. הפרש טמפרטורה זה גורם לחום לנוע באופן טבעי מהחלל החם יותר לקירור הקריר יותר, שם הוא נלקח, נפלט מאוחר יותר, והתהליך חוזר על עצמו1.
הספין-ו-צ'יל מקביל לקירור של כלי אצווה ודומה במקצת לקירור של נוזל הזורם בצינור. עבור נוזל בכלי נסער או בצינור, מהירות הנוזל הממוצעת ידועה. תיאוריה ומתאם זמינים לחיזוי ערכי מקדם העברת חום(ח). מכיוון שהפחיות בספין-ו-צ'יל מסתובבות במהירויות גבוהות מאוד (עד 500 סל"ד) תוכן הפחיות יכול להיחשב מעורבב היטב. משמעות הדבר היא שהטמפרטורה בתוך הפחית תהיה אחידה ביחס למיקום, אם כי הנוזל בפחית יהיה מצמרר כמו הפחית מסתובבת. טמפרטורה אחידה זו פירושה שההולכה זניחה בתוך הפחית וזרימת החום בספין-ו-צ'יל נשלטת בעיקר על ידי התנגדויות להסעה.
מכיוון שההולכה בתוך הפחית זניחה וההתכנסות היא הגורם הקובע בקירור תוכן הפחית, ניתן להשתמש בניתוח פרמטרים משולב כדי לדגמן את התנהגות הקירור. ניתוח הפרמטרים הגושי מפחית מערכת תרמית ל"התנגדות גושית " נפרדת אחת, שבה הפרש הטמפרטורה של כל התנגדות בודדת נחשב לא ידוע. המשוואה הבאה משמשת בניתוח פרמטרים גושיים:
במשוואה זו, T(t) הוא הטמפרטורה של הפחית בזמן t, T∞ הטמפרטורה בשלב בתפזורת מחוץ לפחית (קרח), T(i) היא הטמפרטורה הראשונית בפחית, h הוא מקדם העברת חום גושי, אזור A הוא, t הוא זמן ריצה, ρ הוא צפיפות ממוצעת, Cp הוא קיבולת החום הממוצעת, ו- V הוא אמצעי אחסון. זכור את הנוזל בתוך ומחוץ לפחית מניחים שיש טמפרטורות בתפזורת כי הם אחידים ביחס למיקום. עם זאת, הטמפרטורה של הפחית עדיין יורדת במהלך תהליך הקירור. הטמפרטורה של אמבט הקרח היא קבועה במהותה (0 °C (5 °F) מכיוון שהאמבטיה אינסופית בהשוואה לנפח הפחית.
זרימת החום מהמים בפחית לקרח כרוכה בהתנגדות פנימית, התנגדות לקיר והתנגדות חיצונית (איור 1). בספין-ו-צ'יל, הן המים בפחית והן בקרח מעורבים היטב, ומפשטים את המערכת לבעיית העברת חום חד ממדית.
איור 1: שרטוט של תנאי טמפרטורה עבור ספין וצינה.
במקרה זה, הקיר דק מאוד והתנגדות הקיר ניתן להזניח. איור 2 מראה את האבולוציה של פרופילי הטמפרטורה הפנימיים ביחס לזמן.
איור 2: שרטוט של תנאי טמפרטורה בפחית (נוזל חם) לאורך זמן. במהלך ספינינג, העברת חום convective גורם לטמפרטורת הנוזל בפחית לרדת.
בעת שימוש בחזה קרח, הנוזל בפחית יהיה נע גם ללא ערבוב או ספינינג. ההבשלה הטבעית תתרחש בשל שיפועי הטמפרטורה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. בדיקת הספין-וצינה
- מלא את פחית הסודה מאלומיניום במי טמפרטורת החדר ולאחר מכן להקליט את הטמפרטורה.
- למדוד את המשקל הכולל של הקרח בשימוש עם האיזון, מספיק כדי להקיף את ספין-ו-צ'יל.
- לאטום את סודה אלומיניום יכול באמצעות מכסה איטום פלסטיק ולהכניס את ההרכבה לתוך ספין וצמרמורת.
- הפעל את ספין-ו-צ'יל. זה צריך לרוץ על 2 דקות ב ~ 300 סל"ד.
- הסר את פחית הסודה מאלומיניום מהספין-ו-צ'יל והסר את מכסה איטום הפלסטיק. תעד את הטמפרטורה הסופית של המים בתוך פחית הסודה מאלומיניום.
- תעד את כמות הקרח שנמסה באמצעות גליל מדורג או יתרה.
2. מודל פרמטר גושי
- החל מהפחית בטמפרטורת החדר, בצע ~ 4 ריצות בודדות באמצעות ספין וצמרמורת. כל אחד צריך לרוץ אחרון ~ 2 דקות בסל"ד קבוע (למשל, 500).
- תיעד את הטמפרטורה הסופית של המים בתוך הפחית לאחר כל ריצה.
- לאחר מכן, הפעל את ספין וצ'יל ברצף שלוש פעמים החל עם פחית חמה. בצע מספר סביר של שכפולים לניסוי ספין וצ'יל הרציף. זה צריך לרוץ ~ 2 דקות בסל"ד קבוע (למשל, 500).
- תיעדו את כמות הקרח המומסת ואת הטמפרטורה הסופית לאחר כל ריצה. היזהר כאשר אתה פותח את הפחית - זה יכול או לא יכול להקציף אם משקה מוגז משמש.
- חזור על הפעולה לפי הרצון כדי לבדוק את ההשפעה של פרמטרי ספין-ו-צ'יל. לדוגמה, שנה את הסל"ד של ההפעלה בזמני ספין קבועים או שנה את זמני הסיבוב בסל"ד קבוע.
ספין וצמרמורת הם דוגמאות ביתיות לטכנולוגיית העברת חום. ניתן לנתחם כדי להבין תהליכים הנדסיים הנחקרים ומיושמים בתעשייה. ספין וצמרמורת משקאות קלים קרירים הרבה יותר מהר מאשר מקררים או תיבות קרח. הם פועלים על ידי סיבוב פחיות סודה בתוך מאגר קרח במהירויות של מאות מהפכות לדקה. הספין-ו-צינה משתמשים בהעברת חום קונבקטיבית כדי לקרר את פחיות הסודה. על ידי מדידת קצב הקירור בתנאים שונים, ניתן לקבוע את ההתנהגות הקונבקטיבית. אשר יכול לשמש כדי לשפר את יעילות הקירור, כמו גם מודל ולהבין מצבי העברת חום הקשורים. סרטון זה ממחיש את עקרונות ההפעלה של הספין-ו-צינה, מדגים ניסויים המעריכים העברת חום קונבקטיבית, ודן ביישומים קשורים.
הספין-וצינה מעוצבים כמורכב סודה חמה יכול שקוע בסביבה גדולה וקרה. לפחית יש קירות דקים והיא מלאה בנוזלים. הנוזל חם ביותר במרכז הקר ביותר בקצה. והתפלגות הטמפרטורה סימטרית סביב ציר הסיבוב של הפחית. כשהפחית מסתובבת, הנוזל בפנים מקורר. מניחים שהסביבה כל כך גדולה שהם לא מתחממים באופן ניכר. הדמיה זו יכולה להיות מחולקת למספר אזורים, כל אחד מאופיין בהתפלגות הטמפרטורה הייחודית שלה ומנגנון העברת חום. הקיר מעוצב כמו קרום דק. המנגנון הדומיננטי של העברת חום הוא הוללה. התפשטות החום ללא תנועה מקרוסקופית של המדיום. קיר הפחית כל כך דק, עם זאת, כי ההולכת בקיר היא זניחה. משני הצדדים יש שכבות גבול, אזורי נוזל עם שיפועי טמפרטורה חזקים. כאן המנגנון הדומיננטי של העברת חום הוא הסעה. העברת חום בסיוע תנועת הנוזלים. במהלך ספינינג מהיר, ההולכה היא זניחה בתוך הפחית, כי התוכן מעורבב היטב. לבסוף, באזורים בתפזורת, ההולכת שוב שולטת. עם זאת, מכיוון שנפח הקרח גדול בהשוואה לנוזל בפחית, הטמפרטורה בשלב הקרח בתפזורת אינה משתנה באופן ניכר. וההולכת זניחה. מכיוון שההולכה בתוך הפחית זניחה וההתכנסות היא הגורם הקובע בקירור הנוזל בפחית, ניתן להשתמש בניתוח פרמטרים גושי כדי לדגמן את התנהגות הקירור. ניתוח הפרמטרים הגושי מפחית מערכת תרמית לעמידות חד-פעמית. כאשר הפרש הטמפרטורה של כל התנגדות בודדת נחשב לא ידוע. מודל הפרמטרים הגושי מניח שההתנגדות הגדולה ביותר להעברת חום מתרחשת בשכבות הגבול. כמו הפחית מתקררת עם הזמן, הטמפרטורה של בתפזורת פוחתת באופן אחיד על נפח שלה. באמצעות המשוואה המוצגת, ניתן לחשב את מקדם העברת החום הגושי, h, עבור פחית להיות מקורר באמצעות ספין וצינה. מקדם העברת החום לוקח בחשבון את כל ההתנגדות להעברת חום קונבקטיבית, ומכניס אותם לקיבוע אחד. הקבוע הזה הוא יחס בין שטף חום לכוח המניע לזרימת חום. במקרה זה, ההבדל בין טמפרטורת הנוזל בפחית לבין טמפרטורת הקרח. אלה העקרונות. עכשיו בואו להדגים איך ללמוד העברת חום convective באמצעות ספין וצמרמורת.
ההליך דורש ספין וצינה, קרח, ופחית דגימת אלומיניום אטומה. הקלט את הממדים של הפחית. מלאו אותו במים ורשמו את המסה והטמפרטורה שלו. לאחר מכן לאטום את הפחית עם מכסה איטום פלסטיק. שקול את הקרח שישמש בהתקנה. לטעון אותו לתוך המנגנון, ולבסוף, להכניס את פחית האלומיניום. הגדר את הספין-ו-צינה כדי לבצע מחזור יחיד של שתי דקות ב-300 סל"ד והפעל אותו. לאחר השלמת הסיבוב, למשוך את הפחית, להסיר את המכסה, ולמדוד את הטמפרטורה של המים. לבסוף, השתמש גליל מדורג כדי למדוד את כמות הקרח שנמס. השתמש במחזורים רציפים כדי להעריך את ההשפעות של זמני ריצה ארוכים יותר על קירור הנוזל בפחית. במחזורים רציפים, מחזור של שתי דקות מבוצע כבעבר, והטמפרטורה נרשמת. לאחר מכן הפחית מוחלפת בספין-ו-צינה, ומחזור נוסף של שתי דקות מתחיל. בנוסף לזמן ספין, ללמוד את ההשפעה של שינוי פרמטרים אחרים. כגון מהירות סיבוב על ביצועי קירור. בצע מחזורים של שתי דקות במהירויות מרובות, החל מכמה סל"ד ועד מעל 500 סל"ד.
הנתונים עבור מודל הפרמטרים הגושים היו בממוצע מעל 10 ניסויים בהפעלה אחת. כל אחד נמשך שתי דקות ב 300 סל"ד. בממוצע, ריצה של שתי דקות הפחיתה את טמפרטורת הפחית מ 82.12 מעלות פרנהייט ל 55.88 מעלות פרנהייט. החלף במאפיינים הפיזיים והגיאומטריים הרלוונטיים של הפחית, ניתן לחשב את מקדם העברת החום. היעילות התרמודינמית הוערכה על ידי חלוקת החום שאבד על ידי הפחית לחום הנדרש כדי להמיס את הקרח במהלך הריצה. באמצעות ריצות רציפות בסל"ד קבוע, הוכח כי ביצועי קירור שופרו עם זמני מחזור ארוכים יותר. עם זאת, מחזורים רציפים מראים כי יעילות הקירור פוחתת עם הזמן. ירידה זו ביעילות נפוצה בהעברת חום, כאשר הפרש הטמפרטורה המניע את העברת החום הופך לקטן יותר. שינוי ה-RPMs בזמן ריצה קבוע מראה את ההשפעה של מהירות על ביצועי הקירור. זמן ספין מהיר יותר הוביל לירידה גדולה יותר בטמפרטורה בתוך הפחית. יעילות העברת החום הייתה הגדולה ביותר כאשר הספין-וצינה הופעלו בסל"ד הגבוה ביותר.
תהליך העברת החום שנצפו בספין-ו-צינה נראה במעבדות רבות ובמסגרות תעשייתיות רבות. הקפאה בלחץ גבוה משמשת לשימור דגימות רקמה לספקטרוסקופיית אלקטרונים שידור. בתהליך מקביל לספין-ו-צינה, דגימות חשופות למטוסי חנקן נוזליים בלחץ. מתיר קריופיקסציה מהירה ולא הרסנית. זה שימושי במיוחד עבור רקמות הצמח, אשר חייב להיות קפוא במהירות כדי למנוע נזק תאי באמצעות היווצרות של קרח. נהלים דומים משמשים לשימור תאי שריר אנושיים או תאי גזע. כורים גרעיניים פועלים גם על פי עקרונות העברת חום קונבקטיבית. הם מכילים ליבה שבתוכה מתרחשת תגובת ביקוע מבוקרת מאוד. הליבה שקועה בזרם של מים בלחץ, אשר סופג את החום שנוצר על ידי תגובת ביקוע ומתאדה. המים המתאדים משמשים לאחר מכן להנעת גנרטורים. הבטיחות של כורים אלה, ללא קשר בקנה מידה, תלויה במידה רבה בשליטה של תהליך העברת החום הקונבקטיבי המתרחש בליבתו.
הרגע צפית בהקדמה של יובה להעברת החום בספין-ו-צינה. כעת עליך להכיר את העברת החום הקונבקטיבית, הליך למדידת פרמטרים המשפיעים על העברת חום קונבקטיבית, ויישומים מסוימים. כמו תמיד, תודה שצפית.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
מודל הפרמטרים הגושי משמש לקביעת מקדם העברת החום, h, עבור תנאי הניסוי השונים. כדי לחשב את היעילות, אנו קובעים תחילה את האנרגיה המועברת כחום לאמבט הקרח מהנוזל שבפחית. אם המערכת הייתה אדיאבטית (יעילה ב-100%),מי Q +Q קרח = 0. היעילות נקבעת על ידי חלוקת הערך המוחלט של חום המשתחרר על ידי המים בפחית (Qמים) על ידי החום נספג על ידי הקרח במהלך ההיתוך(Q קרח). היעילות הנצפית אינה תלויה בשום מקרה מגביל או מנגנון העברת חום.
התוצאות לעשר ריצות של שתי דקות ב-300 סל"ד היו ממוצעות (טבלה 1). המים בפחית התקררו בממוצע של 26 °F לאחר סיבוב שתי דקות. היעילות הממוצעת, η, עמדה על 77.7%.
| בדיקה # | T התחלתי (°F) | T סופי (°F) | ΔT (°F) | קרח Δm (ק"ג) | Qקרח | מי Q | η | h (Btu/hr-ft2-F) |
h (W/m2-C) |
| 1 | 77 | 53.4 | 23.6 | 0.172 | 24.8 | 18.5 | 74.5 | 70.5 | 401 |
| 2 | 84.7 | 60.1 | 24.7 | 0.17 | 24.5 | 19.3 | 78.9 | 59.9 | 340 |
| 3 | 86 | 59.7 | 26.3 | 0.175 | 25.2 | 20.6 | 81.7 | 63.4 | 360 |
| 4 | 83.1 | 55.4 | 27.7 | 0.195 | 28.1 | 21.7 | 77.3 | 74.3 | 422 |
| 6 | 81.9 | 52.3 | 29.5 | 0.212 | 30.5 | 23.1 | 75.7 | 85.2 | 484 |
| 7 | 83.7 | 58.3 | 25.4 | 0.171 | 24.6 | 19.9 | 80.7 | 64.2 | 365 |
| 8 | 79.2 | 50.7 | 28.4 | 0.203 | 29.2 | 22.3 | 76.2 | 87.8 | 499 |
| 9 | 81.7 | 56.3 | 25.4 | 0.181 | 26.1 | 19.9 | 76.2 | 68.0 | 386 |
| 10 | 81.9 | 56.7 | 25.2 | 0.173 | 24.9 | 19.7 | 79.2 | 66.9 | 380 |
| ממוצע. | 82.1 | 55.9 | 26.2 | 0.18 | 26.4 | 20.6 | 77.7 | 70.5 | 400 |
טבלה 1: שינוי טמפרטורה נומינלי בהפעלה אחת מ-82 F ל-56 F. מים בפחית: 0.783 ליברות
באמצעות שלוש ריצות רציפות של 2 דקות בסל"ד קבוע, נצפתה כי ביצועי הקירור שופרו עם זמני ריצה ארוכים יותר(איור 3) הפחתתזמן הסיבוב הובילה לטמפרטורה ממוצעת גבוהה יותר.
איור 3:ירידה בטמפרטורה כפונקציה של זמן ספין. ככל שזמן הסיבוב בסל"ד קבוע עולה, גם ירידת הטמפרטורה הנצפית (Tסופית- Tראשונית) עולה. מים בפחית: 0.783 ק"ג.
בריצות הרציף, היעילות, η, ירדה מ-78% ל-71% ולאחר מכן ל-50% במהלך שלושת הריצות(איור 4). ירידה זו ביעילות נפוצה בהעברת חום כאשר הפרש הטמפרטורה המניע את העברת החום הופך לקטן יותר.
איור 4: היעילות יורדת בריצות רצפות. קווי השגיאה מייצגים סטיית תקן של שלושה שכפולים לפחות. מים בפחית: 0.783 ק"ג סל"ד: ~ 300.
בעת שינוי הסל"ד, נמצא כי הטמפרטורה הממוצעת של הנוזל בתוך הפחית הייתה יחסית הפוכה לסל"ד(איור 5). סל"ד גבוה יותר הוביל לטמפרטורות נוזל נמוכות יותר, קרוב יותר לטמפרטורה האידיאלית, ואילו סל"ד נמוך יותר הוביל לטמפרטורות ממוצעות גבוהות יותר.
איור 5: ירידה בטמפרטורה כפונקציה של סל"ד. ככל שסל"ד עולה, גם ירידת הטמפרטורה הנצפית (Tסופית- Tראשונית) עולה. מים בפחית: 0.783 ק"ג
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
ניסוי זה נועד להעריך את היכולת של ספין-ו-צ'יל לקרר משקה קל במהירויות שיא. מודל הפרמטר הגוש שימש מאז convection היה הרבה יותר חשוב מאשר הולכה (בשל שיעור גבוה של ערבוב).
הנתונים שנאספו מעמידים בספק את היכולת של ספין-ו-צ'יל להתקרר בפחית חמה של סודה ל 38 °F תוך 2 דקות. עם זאת, עם שלושה שימושים רציפים ותקופת זמן של כ -6 דקות, ספין וצ'יל יכול לקרר את המשקה הקל לטמפרטורה הרצויה של 38 מעלות פרנהייט, עדיין שיפור משמעותי על פני תיבות קרח או מקררים ביתיים. בעוד שהטענות הראשוניות בוטלו, הרעיון מספק שיטת קירור מתקדמת שניתן יהיה לייעל יותר עם בדיקות נוספות בעתיד.
מודל הפרמטרים הגושים הוחל על מגוון רחב של שדות. על ידי שימוש בניתוח פרמטרים גושי, מעבדות זיהוי פלילי יכול לקבוע את זמן המוות של גוף האדם2. מדעני זיהוי פלילי מתייחסים לגוף כאל מערכת גושית2. מחקר קודם נערך על קירור כאשר שוקלים גורמים כגון גודל הגוף וצורה2. משוואות דיפרנציאליות משמשות לאחר מכן עם גורמי קירור ידועים אלה כדי לקבוע את זמן המוות היחסי2.
שימוש נוסף בדגם הפרמטרים הגושים הוא בקידום מערכות HVAC (חימום, אוורור ומיזוג אוויר)3. ניתן לחזות את התפלגות עומס החום באופן חישובי עם מודל פרמטר גושי כדי למקסם את יעילות האנרגיה3. מודלים אלה מסבירים הובלת נוזלים, הובלת אנרגיה, תרמודינמיקה ופסיכיאטריה3. על ידי התאמת מערכות HVAC למודל גושי, מהנדסים יכולים למקסם את היעילות שלהם, הפחתת עלויות ושימוש באנרגיה, תוך הגדלת האפקטיביות של מערכת בקרת האקלים3.
מידול ההקמה חשוב במגוון תחומים הנדסיים, לרבות עיבוד חומרים, הנדסת תחנות כוח וקירור. מחליפי חום הם יישום נפוץ אחד של העברת חום קונבקטיבית מידול4. התקנים אלה לוקחים אנרגיה מזרם חם ומשתמשים בו כדי לחמם אחד קריר יותר4. מעטפת וצינור הם הסוג הנפוץ ביותר של מחליפים4. הם בדרך כלל צילינדרים ארוכים, בדומה לדגם המשמש לניסוי זה, אך גדולים בהרבה בקנה מידה4. מספר צינורות בתוך קליפה גלילית גדולה יותר מכילים נוזל זורם אחד, בעוד אחד נפרד זורם דרך הקליפה4. הזרימה יכולה להיות בכיוונים זהים או שונים. החום יזרום מהזרם החם ביותר לקור יותר4. כלים אלה יכולים לשמש בתעשיות רבות, כגון ייצור כימי זיקוק נפט, שם הם יכולים לשמש לחום או כימיקלים קרירים או שמן4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
References
- Vapor-compression Refrigeration." ChemEngineering - Vapor-compression Refrigeration. N.p., n.d. Web. 01 Dec. 2016.
- Bartgis, Catherine, Alexander M. Lebrun, Rhongui Ma, and Liang Zhu. "Determination of Time of Death in Forensic Science via a 3-D Whole Body Heat Transfer Model." Journal of Thermal Biology (2016). Web.
- Wemhoff, A.p., and M.v. Frank. "Predictions of Energy Savings in HVAC Systems by Lumped Models." Energy and Buildings 42.10 (2010): 1807-814. Web.
- Encyclopedia of Chemical Engineering Equipment." Heat Exchangers - Heat Transfer - MEL Equipment Encyclopedia 4.0. N.p., n.d. Web. 01 Dec. 2016.
