Overview
출처: 마이클 G. 벤턴과 케리 M. 둘리, 화학 공학부, 루이지애나 주립 대학, 배턴 루지, LA
스핀 앤 칠은 열 전달 및 유체 흐름 기초를 사용하여 실온에서 38 °F까지 음료를 2 분 만에 냉각시킵니다. 동등한 온도 변화를 달성하기 위해서는 냉장고약 240분, 얼음 가슴은 약 40분정도 소요됩니다. 이것은 거의 또는 전혀 거품을 생성 최대 500 rpm에서 캔이나 병을 회전하여 스핀과 냉각을 달성한다.
본 실험에서는 청량음료를 냉각하기 위해 고속으로 실린더(즉, 소다 캔)를 회전하는 효능을 평가한다. rpm 및 스핀 타임과 같은 작동 파라미터는 열 전달에 미치는 영향을 평가하기 위해 다양하며, 열 전달 계수는 덩어리 파라미터 모델을 사용하여 계산됩니다.
Principles
스핀 앤 칠은 대류 열 전달을 사용합니다. 외부 얼음 욕조와 접촉 캔을 회전시킴으로써, 중간에서 따뜻한 액체가 외부로 이동하여 차가운 표면과 접촉합니다. 그런 다음, 에너지는 열의 형태로 차가운 표면에 따뜻한 액체에서 전송됩니다. 이것은 전체 선박이 냉각 될 때까지 계속됩니다. 냉장 보관은 유사한 프로세스1을사용합니다. 냉장에서 냉매는 시스템을 통해 순환하며 압력1의감소를 겪습니다. 이에 따라 냉매의 온도가 냉각되는 공간의 온도보다 낮은 온도로 크게감소한다 1. 이러한 온도 차이로 인해 따뜻한 공간에서 쿨러 냉매로 자연스럽게 움직이는 열이 발생하며, 이 곳에서 나중에 방출되며 공정자체가1을반복합니다.
스핀 앤 칠은 배치 용기의 냉각과 유사하며 파이프에서 흐르는 유체의 냉각과 다소 유사합니다. 교반 용기 또는 파이프의 유체의 경우 평균 유체 속도가 알려져 있습니다. 이론과 상관 관계는 열 전달계수(h) 값을 예측하는 데 사용할 수 있습니다. 스핀 앤 칠의 캔은 매우 빠른 속도 (최대 500 rpm)에서 회전하기 때문에 캔의 내용물이 잘 혼합된 것으로 간주 될 수 있습니다. 즉, 캔 내의 온도는 위치에 대하여 균일할 것이지만, 캔의 액체는 회전할 수 있기 때문에 차가워질 것이다. 이 균일한 온도는 전도가 캔 내에서 무시할 수 있다는 것을 의미하며 스핀 앤 칠의 열 흐름은 주로 대류저항에 의해 제어됩니다.
캔 내에서전도가 무시할 수 있고 대류는 캔의 함량을 냉각하는 결정요인이므로, 덩어리 파라미터 분석을 사용하여 냉각 동작을 모델링할 수 있다. 일괄 파라미터 해석은 열 시스템을 단일 개별 저항의 온도 차가 알려지지 않은 것으로 간주되는 단일 이산 "덩어리 저항"으로 감소시킵니다. 다음 방정식은 일괄 매개 변수 해석에 사용됩니다.
이 방정식에서, T(t)는 캔시의 온도t, T(i)∞ 캔(ice), T(i) 외부의 벌크 상에서의 온도는 캔(얼음), T(i)가 캔의 초기 온도이고, h는 덩어리열 전달 계수, A는 주행 시간, T는 평균 밀도,Cp는 평균 열용량, V부피이다. 캔 안팎의 액체를 회수하면 위치와 관련하여 균일한 벌크 온도를 갖는 것으로 가정됩니다. 그러나 냉각 과정에서 캔의 온도가 여전히 떨어지고 있습니다. 얼음 목욕의 온도는 본질적으로 일정한 (0 °C) 목욕캔의 부피에 비해 무한하기 때문에.
캔의 물에서 얼음으로의 열 흐름에는 내부 저항, 벽 저항 및 외부 저항이 포함됩니다(그림 1). 스핀 앤 칠에서 캔과 얼음의 물이 잘 혼합되어 시스템을 1차원 열 전달 문제로 단순화합니다.
그림 1: 스핀 앤 칠을 위한 온도 조건의 회로도.
이 경우 벽은 매우 얇고 벽 저항을 무시할 수 있습니다. 도 2는 시간에 대하여 내부 온도 프로파일의 진화를 나타낸다.
그림 2: 시간이 지남에 따라 캔(뜨거운 유체)의 온도 조건 의 회로도. 회전 하는 동안, 대류 열 전송 감소 수 에 있는 액체의 온도 발생.
얼음 가슴을 사용하는 경우, 캔에 있는 액체는 혼합하거나 회전하지 않고도 움직일 것입니다. 자연 대류는 온도 그라데이션으로 인해 발생합니다.
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Procedure
1. 스핀 앤 칠 테스트
- 알루미늄 소다 캔을 실온 물로 채운 다음 온도를 기록하십시오.
- 스핀 앤 칠을 둘러싸고 있을 만큼 균형과 함께 사용되는 얼음의 총 중량을 측정합니다.
- 알루미늄 소다를 밀봉하여 플라스틱 밀봉 뚜껑을 사용하여 스핀 앤 칠에 어셈블리를 삽입할 수있습니다.
- 스핀 앤 칠을 활성화합니다. ~ 300 rpm에서 약 2 분 동안 실행해야합니다.
- 스핀 앤 칠에서 알루미늄 소다 캔을 제거하고 플라스틱 밀봉 뚜껑을 제거합니다. 알루미늄 소다 캔 내에서 물의 최종 온도를 기록합니다.
- 졸업한 실린더 나 균형을 사용하여 녹은 얼음의 양을 기록합니다.
2. 일괄 매개 변수 모델
- 실온에서 캔으로 시작하여 스핀 앤 칠을 사용하여 ~ 4 개의 단일 실행을 수행하십시오. 각 은 일정한 rpm (예 : 500)에서 2 분 동안 지속되어야합니다.
- 각 실행 후 캔 내에서 물의 최종 온도를 기록합니다.
- 그런 다음 따뜻한 캔으로 시작하여 스핀 앤 칠을 순차적으로 세 번 실행합니다. 순차적 스핀 앤 칠 실험에 대해 적절한 수의 복제를 수행합니다. 그것은 일정한 rpm (예 : 500)에서 ~ 2 분 동안 실행해야합니다.
- 각 실행 후 녹은 얼음의 양과 최종 온도를 기록합니다. 캔을 열 때주의하십시오 - 탄산 음료를 사용하는 경우 거품이 있을 수도 있고 그렇지 않을 수도 있습니다.
- 스핀 앤 칠 매개 변수의 효과를 테스트하려면 원하는 대로 반복합니다. 예를 들어 일정한 스핀 시간에 작동 rpm을 변경하거나 일정한 rpm에서 스핀 시간을 변경합니다.
스핀 앤 오한은 열 전달 기술의 가정용 예입니다. 업계에서 널리 연구되고 적용되는 엔지니어링 프로세스를 이해하기 위해 분석할 수 있습니다. 스핀 앤 오한냉장고나 아이스 가슴보다 훨씬 빠른 청량 음료를 시원하게 합니다. 그들은 분당 수백 개의 회전 속도로 얼음 저수지 내에서 소다 캔을 회전하여 작동합니다. 스핀 앤 오한은 대류 열 전달을 사용하여 소다 캔을 식힙니다. 상이한 조건하에서 냉각 속도를 측정함으로써 대류 동작을 결정할 수 있습니다. 이는 냉각 효율뿐만 아니라 모델및 관련 열 전달 상황을 이해하는 데 사용할 수 있습니다. 이 비디오는 스핀 앤 오한의 작동 원리를 설명하고, 대류 열 전달을 평가하는 실험을 시연하고, 관련 응용 프로그램에 대해 설명합니다.
스핀 앤 오한은 따뜻하고 차가운 환경에서 침수 할 수있는 따뜻한 소다로 구성된 모델링됩니다. 캔은 얇은 벽을 가지고 있으며 유체로 채워져 있습니다. 유체는 중앙에서 가장 뜨겁고 림에서 가장 춥습니다. 그리고 온도 분포는 회전의 캔축 주위에 대칭이다. 캔이 회전할 수 있기 때문에 내부의 유체가 냉각됩니다. 주변 환경은 너무 커서 매우 따뜻해지지 않는 것으로 추정됩니다. 이 시각화는 고유한 온도 분포 및 열 전달 메커니즘을 특징으로 하는 여러 영역으로 나눌 수 있습니다. 벽은 얇은 멤브레인으로 모델링됩니다. 열 전달의 지배적 인 메커니즘은 전도입니다. 매체의 거시적 움직임없이 열의 확산. 그러나 캔 월은 너무 얇아서 벽의 전도가 무시할 수 있습니다. 양쪽에는 경계 층이 있으며, 온도 그라데이션이 강한 유체 영역이 있습니다. 여기서 열 전달의 지배적 인 메커니즘은 대류입니다. 유체의 움직임에 의해 지원 열 전달. 급속한 회전 하는 동안, 전도는 캔 내부 무시할 수 있습니다., 내용이 잘 혼합 되어 있기 때문에. 마지막으로, 벌크 지역에서 전도가 다시 우세합니다. 그러나 얼음의 부피가 캔의 유체에 비해 크므로 벌크 얼음 상의 온도가 크게 변하지 않습니다. 그리고 전도는 무시할 수 있습니다. 캔 내에서전도가 무시할 수 있고 대류는 캔 내의 유체를 냉각하는 결정요인이기 때문에, 덩어리 파라미터 해석을 사용하여 냉각 동작을 모델링할 수 있다. 일괄 매개변수 해석은 열 시스템을 단일 이산 덩어리 저항으로 감소시킵니다. 각 개별 저항의 온도 차이는 알 수없는 것으로 간주됩니다. 일괄 매개 변수 모델은 경계 레이어에서 열 전달에 대한 가장 큰 저항이 발생한다고 가정합니다. 시간이 지남에 따라 냉각 될 수 있기 때문에 벌크의 온도가 부피보다 균일하게 감소합니다. 표시된 방정식을 사용하여, 하나는 스핀 및 냉각을 사용하여 냉각되는 캔에 대한 덩어리 열 전달 계수를 계산할 수 있습니다. 열 전달 계수는 대류 열 전달에 대한 모든 저항을 고려하여 하나의 상수로 덩어리를 만듭니다. 그 상수는 열 흐름에 대한 원동력에 열 플럭스의 비율입니다. 이 경우 캔내의 유체 온도와 얼음의 온도 간의 차이입니다. 이것은 원리입니다. 이제 스핀 앤 오한을 사용하여 대류 열 전달을 연구하는 방법을 설명해 보겠습니다.
이 절차는 스핀 앤 오한, 얼음 및 밀봉 가능한 알루미늄 샘플이 필요합니다. 캔의 치수를 기록합니다. 물로 채우고 질량과 온도를 기록하십시오. 그런 다음 플라스틱 밀봉 뚜껑으로 캔을 밀봉하십시오. 설정에 사용되는 얼음의 무게를 측정합니다. 장치에 적재하고 마지막으로 알루미늄 캔을 삽입합니다. 스핀 앤 오한을 설정하여 300 RPM에서 단일 2분 주기를 수행하고 켭니다. 스핀이 완료된 후 캔을 철회하고 뚜껑을 제거하고 물의 온도를 측정합니다. 마지막으로, 졸업된 실린더를 사용하여 녹은 얼음의 양을 측정합니다. 순차적 주기를 사용하여 캔의 유체 냉각에 더 긴 실행 시간의 효과를 평가합니다. 순차적 사이클에서는 이전과 마찬가지로 2분 주기가 수행되고 온도가 기록됩니다. 그런 다음 캔을 스핀 앤 오한으로 교체하고 또 다른 2 분 주기가 시작됩니다. 스핀 타임 외에도 다른 매개 변수를 수정하는 효과를 연구합니다. 냉각 성능의 회전 속도와 같은. 몇 RPM에서 500 RPM 이상에 이르기까지 여러 속도로 2분 주기를 수행합니다.
일괄 매개 변수 모델에 대한 데이터는 평균 10개 이상의 단일 실행 평가판이었습니다. 각 300 RPM에서 2 분 동안 지속됩니다. 평균적으로 2분간 의 기온은 화씨 82.12도에서 화씨 55.88도로 감소했습니다. 캔의 관련 물리적 및 기하학적 특성을 대체하여 열 전달 계수를 계산할 수 있다. 열역학적 효율은 캔에 의해 손실된 열을 실행 중에 얼음을 녹여는 데 필요한 열로 나누어 추정되었다. 일정한 RPM에서 순차적인 실행을 사용하여 더 긴 사이클 시간으로 냉각 성능이 향상된 것으로 나타났습니다. 그러나 순차적 주기는 시간에 따라 냉각 효율이 감소한다는 것을 보여줍니다. 이러한 효율 감소는 열 전달에서 흔히 볼 수 있으며, 온도 차가 열 전달을 구동할 때 열 전달이 더 작아집니다. 고정 된 런타임에 RPM을 변경하면 냉각 성능에 속도의 영향을 표시합니다. 스핀 시간이 빨라지면 캔 내에서 온도가 더 많이 떨어졌습니다. 스핀 앤 드 디한이 최고 RPM에서 작동했을 때 열 전달 효율이 가장 좋았습니다.
스핀 앤 오한에서 관찰되는 열 전달 과정은 많은 실험실 및 산업 환경에서 볼 수 있습니다. 고압 동결은 전염 전자 분광법에 대한 조직 샘플을 보존하는 데 사용됩니다. 스핀 앤 오한과 유사한 공정에서 시료는 가압 된 액체 질소 제트에 노출됩니다. 신속하고 비파괴적인 극저온을 허용합니다. 이것은 얼음의 형성을 통해 세포 손상을 방지하기 위하여 급속하게 동결되어야 하는 식물 조직에 특히 유용합니다. 유사한 절차는 인간 적인 근육 세포 또는 줄기 세포를 보존 하기 위해 사용 됩니다. 원자로는 또한 대류 열 전달의 원칙에 따라 작동합니다. 그(것)들은 고도로 통제된 핵분열 반응이 생기는 심을 포함합니다. 코어는 가압 된 물의 흐름에 침수되어 핵 분열 반응에 의해 생성 된 열을 흡수하고 기화합니다. 기화 된 물은 발전기를 구동하는 데 사용됩니다. 규모에 관계없이 이러한 반응기의 안전은 주로 핵심에서 발생하는 대류 열 전달 공정의 제어에 달려 있습니다.
당신은 단지 스핀 앤 오한에서 열 전송에 JOVE의 소개를 보았다. 이제 대류 열 전달, 대류 열 전달에 영향을 미치는 매개 변수 측정 절차 및 일부 응용 분야에 대해 잘 알고 있어야 합니다. 언제나처럼, 시청 주셔서 감사합니다.
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Results
덩어리 파라미터 모델은 상이한 실험 조건에 대해 열 전달 계수, h를 결정하는 데 사용된다. 효율을 계산하기 위해 먼저 캔의 액체에서 얼음 욕조로 열로 전달되는 에너지를 결정합니다. 시스템이 디아바틱(100% 효율), Q물 + Q얼음 = 0이었다면. 효율은 용융 시 얼음에 흡수된 열에 의해 캔(Qwater)에서물에 의해 방출되는 열의 절대값을 용융(Q 얼음)으로 나누어결정된다. 관찰된 효율은 제한 케이스 또는 열 전달 메커니즘에 의존하지 않습니다.
300rpm에서 102분 동안 실행된 결과는 평균이었습니다(표 1). 캔의 물은 2분 스핀 후 평균 26.2°F로 냉각하였다. 평균 효율,η 77.7 %였다.
| 재판 # | 초기 T(°F) | 파이널 T(°F) | ΔT(°F) | 얼음 Δm (파운드) | Q아이스 | Q워터 | 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 |
| 평균. | 82.1 | 55.9 | 26.2 | 0.18 | 26.4 | 20.6 | 77.7 | 70.5 | 400 |
표 1: 단일 실행 명목 온도 변화 82 F에서 56 F. 수에 물: 0.783 파운드
일정한 rpm에서 3개의 순차적인 2분 런을 사용하여, 냉각 성능이 더 긴 주행시간(그림 3)감소로 평균 온도가 높아진 것으로 관찰되었다.
그림 3: 스핀 타임의 함수로서 온도 가을. 일정한 rpm에서 의 스핀 시간이 증가함에 따라 관찰된 온도 강하(T 최종- T초기)도 증가합니다. 수중: 0.783 파운드.
순차 적 실행의 경우, 효율성, η, 78 %에서 71 %로 감소하고 세 실행의 과정을 통해 50 %로 감소(그림 4). 이러한 효율 감소는 열 전달을 구동하는 온도 차가 작아질 때 열 전달에서 일반적입니다.
그림 4: 순차적 실행의 효율성이 감소합니다. 오류 막대는 적어도 세 개의 복제본의 표준 편차를 나타냅니다. 수중: 0.783 lbs rpm: ~300.
rpm을 변화시킬 때, 캔 내부의 액체의 평균 온도가 rpm(도5)에반비례하는 것으로 나타났다. rpm이 높을수록 액체 온도가 낮아지며 이상적인 온도에 가깝고 rpm이 낮아평균 기온이 상승했습니다.
그림 5: rpm의 함수로 온도 가강. rpm이 증가함에 따라 관찰된 온도 강하(T최종- T초기)도 증가합니다. 수중: 0.783 파운드
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Applications and Summary
이 실험은 스핀 앤 칠이가 기록적인 속도로 청량 음료를 냉각하는 능력을 평가하도록 설계되었습니다. 덩어리 파라미터 모델은 대류가 전도보다 훨씬 더 중요했기 때문에 사용되었습니다 (혼합의 높은 비율로 인해).
수집된 데이터는 스핀 앤 칠이 2분 만에 따뜻한 소다 캔에서 38°F까지 냉각되는 능력에 의문을 제기합니다. 그러나, 세 가지 순차적 사용과 약 6 분의 기간으로, 스핀 및 칠은 38 ° F의 원하는 온도로 청량 음료를 냉각 할 수 있습니다, 여전히 얼음 가슴이나 가정용 냉장고에 비해 큰 개선. 초기 클레임이 무효화되었지만 이 개념은 향후 더 많은 테스트를 통해 보다 효율적으로 만들 수 있는 고급 냉각 방법을 제공합니다.
일괄 매개 변수 모델은 다양한 필드에 적용되었습니다. 일괄 매개 변수 분석을 사용하여 법의학 실험실은 인체2의사망 시간을 결정할 수 있습니다. 법의학 자들은 몸을 덩어리 시스템2로취급합니다. 이전 연구는 신체 크기 및 모양2와같은 요인을 고려할 때 냉각에 실시되었다. 차동 방정식은 이러한 알려진 냉각 계수와 함께 사용되어 사망 의 상대적 시간을결정합니다 2.
덩어리 파라미터 모델의 또 다른 사용은 HVAC (난방, 환기 및 에어컨) 시스템 3의 발전에있다. 열 하중 분포는 에너지 효율3을최대화하기 위해 일괄 파라미터 모델로 계산적으로 예측될 수 있다. 이 모델은 유체 수송, 에너지 수송, 열역학 및 심령 크롬트리3를고려합니다. HVAC 시스템을 일괄 모델에 장착함으로써 엔지니어는 효율성을 극대화하고 비용과 에너지 사용량을 줄이는 동시에 기후 제어 시스템3의효율성을 높일 수 있습니다.
대류 모델링은 자재 처리, 발전소 엔지니어링 및 냉장 보관을 포함한 다양한 엔지니어링 분야에서 중요합니다. 열 교환기는 대류 열 전달 모델링4의일반적인 응용 프로그램입니다. 이 장치는 뜨거운 스트림에서 에너지를 가지고 쿨러 하나4를가열하는 데 사용합니다. 쉘과 튜브는 교환기4의가장 일반적인 유형입니다. 일반적으로 이 실험에 사용되는 모델과 유사하지만 스케일4에서훨씬 더 큰 긴 실린더입니다. 더 큰 원통형 껍질 내부에 여러 튜브는 하나의 흐르는 액체를 포함하고, 별도의 하나는 쉘4를통해 흐른다. 흐름은 동일하거나 다른 방향으로 있을 수 있습니다. 열은 가장 인기있는 스트림에서 추운 스트림4로흐르게됩니다. 이러한 도구는 화학 제품 이나 오일4를가열하거나 냉각하는 데 사용할 수있는 화학 제조 및 오일 정제와 같은 많은 산업에서 사용할 수 있습니다.
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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.
