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Avaliando a transferência de calor de um spin-and-chill
 
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Avaliando a transferência de calor de um spin-and-chill

Overview

Fonte: Michael G. Benton e Kerry M. Dooley, Departamento de Engenharia Química, Universidade Estadual de Louisiana, Baton Rouge, LA

O Spin-and-Chill usa a transferência de calor e os fundamentos do fluxo de fluidos para esfriar bebidas da temperatura ambiente a 38 °F em apenas 2 minutos. Seria preciso uma geladeira de aproximadamente 240 minutos e um baú de gelo aproximadamente 40 minutos para obter uma mudança de temperatura equivalente. Este é realizado Spin and Chill girando uma lata ou garrafa a até 500 rpm, o que cria pouca ou nenhuma espuma.

Neste experimento, será avaliada a eficácia de girar um cilindro (ou seja, lata de refrigerante) em altas velocidades para resfriar um refrigerante. Os parâmetros operacionais, como rpm e tempo de rotação, serão variados para avaliar seu efeito na transferência de calor, e o coeficiente de transferência de calor será calculado usando um modelo de parâmetro fixo.

Principles

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O Spin-and-Chill faz uso de transferência de calor convectiva. Girando a lata em contato com um banho de gelo externo, o líquido quente do meio da lata se move para o exterior e entra em contato com a superfície mais fria. Em seguida, a energia é transferida do líquido quente para a superfície fria na forma de calor. Isso continua até que toda a nave tenha sido resfriada. A refrigeração faz uso de um processo semelhante1. Na refrigeração, o refrigerante circula pelo sistema e sofre uma redução da pressão1. Em resposta, a temperatura do refrigerante diminui muito para uma temperatura abaixo da temperatura do espaço sendo resfriado1. Essa diferença de temperatura resulta em calor movendo-se naturalmente do espaço mais quente para o refrigerante mais frio, onde é tomado, posteriormente emitido, e o processo se repete1.

O Spin-and-Chill é análogo ao resfriamento de um vaso de lote e um pouco análogo ao resfriamento de um fluido que flui em um tubo. Para fluido em um vaso agitado ou em um tubo, a velocidade média do fluido é conhecida. Teoria e correlações estão disponíveis para prever valores do coeficiente de transferência de calor(h). Como as latas no Spin-and-Chill estão girando a velocidades muito rápidas (até 500 rpm) o conteúdo das latas pode ser considerado bem misturado. Isso significa que a temperatura dentro da lata será uniforme em relação à posição, embora o líquido na lata será frio como a lata gira. Esta temperatura uniforme significa que a condução é insignificante dentro da lata e o fluxo de calor no Spin-and-Chill é controlado principalmente por resistências à convecção.

Como a condução dentro da lata é insignificante e a convecção é o fator determinante para resfriar o conteúdo da lata, a análise de parâmetros agrupados pode ser usada para modelar o comportamento de resfriamento. A análise do parâmetro agrupado reduz um sistema térmico a uma única "resistência fixa" discreta, onde a diferença de temperatura de cada resistência individual é considerada desconhecida. A seguinte equação é usada na análise de parâmetros agrupados:

Equation 1

Nesta equação, T(t) é a temperatura da lata no tempo t, T∞ é a temperatura na fase a granel fora da lata (gelo), T(i) é a temperatura inicial na lata, h é o coeficiente de transferência de calor agrupado, A é área, t é tempo de execução, ρ é uma densidade média, Cp é a capacidade média de calor, e V é volume. Lembre-se que o líquido dentro e fora da lata são presumido ter temperaturas a granel que são uniformes em relação à posição. No entanto, a temperatura da lata ainda está caindo durante o processo de resfriamento. A temperatura do banho de gelo é essencialmente constante (0 °C) porque o banho é infinito em comparação com o volume da lata.

O fluxo de calor da água na lata para o gelo envolve uma resistência interna, uma resistência à parede e uma resistência externa (Figura 1). No Spin-and-Chill, tanto a água na lata quanto o gelo são bem misturados, simplificando o sistema para um problema de transferência de calor unidimensional.
Equation 2
Figura 1: Um esquema de condições de temperatura para o Spin-and-Chill.
Neste caso, a parede é muito fina e a resistência da parede pode ser negligenciada. A Figura 2 mostra a evolução dos perfis internos de temperatura em relação ao tempo.

Equation 3
Figura 2: Um esquema de condições de temperatura na lata (fluido quente) ao longo do tempo. Durante a fiação, a transferência de calor convectivo faz com que a temperatura do fluido na lata diminua.
Ao usar um baú de gelo, o líquido na lata estará se movendo mesmo sem misturar ou girar. A convecção natural ocorrerá devido aos gradientes de temperatura.

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Procedure

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1. Testando o Spin-and-Chill

  1. Encha a lata de refrigerante de alumínio com água de temperatura ambiente e, em seguida, regise a temperatura.
  2. Meça o peso total do gelo que está sendo usado com o equilíbrio, o suficiente para cercar o Spin-and-Chill.
  3. Sele a lata de refrigerante de alumínio usando uma tampa de vedação de plástico e insira o conjunto no Spin-and-Chill.
  4. Ative o Spin-and-Chill. Ele deve rodar cerca de 2 min a ~ 300 rpm.
  5. Retire a lata de refrigerante de alumínio do Spin-and-Chill e remova a tampa de vedação de plástico. Regisso recorde a temperatura final da água dentro da lata de refrigerante de alumínio.
  6. Registo a quantidade de gelo que derreteu usando um cilindro graduado ou um equilíbrio.

2. Modelo de parâmetros agrupados

  1. Começando com a lata em temperatura ambiente, realize ~ 4 corridas individuais usando o Spin-and-Chill. Cada um deve correr por último ~ 2 min em uma rpm constante (por exemplo, 500).
  2. Registo a temperatura final da água dentro da lata após cada corrida.
  3. Em seguida, execute o Spin-and-Chill sequencialmente três vezes começando com uma lata quente. Execute um número razoável de réplicas para o experimento sequencial Spin-and-Chill. Ele deve funcionar por ~ 2 min em uma rpm constante (por exemplo, 500).
  4. Registo a quantidade de gelo derretido e temperatura final após cada corrida. Tenha cuidado ao abrir a lata - ela pode ou não espumar se uma bebida carbonada for usada.
  5. Repita como desejado para testar o efeito dos parâmetros Spin-and-Chill. Por exemplo, varie o rpm de operação em tempos de rotação constantes ou varie os tempos de rotação em rpm constante.

Spin-and-chills são exemplos domésticos de tecnologia de transferência de calor. Eles podem ser analisados para entender processos de engenharia que são amplamente estudados e aplicados na indústria. Spin-and-chills refrigerantes frios muito mais rápido do que geladeiras ou baús de gelo. Eles operam girando latas de refrigerante dentro de um reservatório de gelo a velocidades de centenas de revoluções por minuto. O spin-and-chill utiliza transferência de calor convectivo para resfriar as latas de refrigerante. Medindo a taxa de resfriamento em diferentes condições, o comportamento convectivo pode ser determinado. Que pode ser usado para melhorar a eficiência de resfriamento, bem como modelo e entender situações relacionadas à transferência de calor. Este vídeo ilustra os princípios operacionais do spin-and-chill, demonstra experimentos que avaliam a transferência de calor convectiva e discute aplicações relacionadas.

O spin-and-chill é modelado como consistindo de uma lata de refrigerante quente submersa em um ambiente grande e frio. A lata tem paredes finas e é cheia de fluido. O fluido é mais quente no centro e mais frio na borda. E a distribuição de temperatura é simétrica em torno do eixo de rotação da lata. À medida que a lata gira, o fluido dentro é resfriado. Presume-se que o ambiente seja tão grande que eles não se aquecem consideravelmente. Esta visualização pode ser dividida em várias zonas, cada uma caracterizada por seu mecanismo único de distribuição de temperatura e transferência de calor. A parede é modelada como uma membrana fina. Seu mecanismo dominante de transferência de calor é a condução. A propagação do calor sem movimento macroscópico do meio. A parede de lata é tão fina, no entanto, que a condução na parede é insignificante. De ambos os lados há camadas de fronteira, regiões de fluido com fortes gradientes de temperatura. Aqui o mecanismo dominante de transferência de calor é a convecção. Transferência de calor auxiliada pelo movimento dos fluidos. Durante a fiação rápida, a condução é insignificante dentro da lata, porque o conteúdo é bem misturado. Finalmente, nas regiões a granel, predomina mais uma vez a condução. No entanto, como o volume de gelo é grande em comparação com o fluido na lata, a temperatura na fase de gelo a granel não muda consideravelmente. E a condução é insignificante. Como a condução dentro da lata é insignificante e a convecção é o fator determinante para resfriar o fluido na lata, a análise de parâmetros amontoados pode ser usada para modelar o comportamento de resfriamento. A análise do parâmetro agrupado reduz um sistema térmico a uma única resistência discreta. Onde a diferença de temperatura de cada resistência individual é considerada desconhecida. O modelo de parâmetro agrupado pressupõe que a maior resistência à transferência de calor ocorra nas camadas de limite. À medida que a lata esfria com o tempo, a temperatura do volume diminui uniformemente sobre seu volume. Usando a equação mostrada, pode-se calcular o coeficiente de transferência de calor agrupado, h, para uma lata ser resfriada usando um spin-and-chill. O coeficiente de transferência de calor leva em conta todas as resistências à transferência de calor convectiva, e as coloca em uma constante. Essa constante é uma proporção de fluxo de calor com a força motriz para o fluxo de calor. Neste caso, a diferença entre a temperatura do fluido na lata e a temperatura do gelo. Esses são os princípios. Agora vamos demonstrar como estudar a transferência de calor convectiva usando um spin-and-chill.

O procedimento requer uma lata de spin-and-chill, gelo e uma amostra de alumínio vedatório. Registo as dimensões da lata. Encha-o com água e registe sua massa e temperatura. Em seguida, sele a lata com uma tampa de vedação de plástico. Pesar o gelo que será usado na configuração. Carregue-o no aparelho e, finalmente, insira a lata de alumínio. Defina o spin-and-chill para executar um único ciclo de dois minutos a 300 RPM e ligue-o. Após o giro completo, retire a lata, retire a tampa e meça a temperatura da água. Por último, use um cilindro graduado para medir a quantidade de gelo que derreteu. Use ciclos sequenciais para avaliar os efeitos de tempos de execução mais longos no resfriamento do fluido na lata. Em ciclos sequenciais, um ciclo de dois minutos é realizado como antes, e a temperatura é registrada. Em seguida, a lata é substituída no giro-e-frio, e outro ciclo de dois minutos é iniciado. Além do tempo de rotação, estude o efeito da modificação de outros parâmetros. Como a velocidade de rotação no desempenho de resfriamento. Realize ciclos de dois minutos a várias velocidades, variando de alguns RPM a mais de 500 RPM.

Os dados do modelo de parâmetros agrupados foram mediados em 10 ensaios de execução única. Cada um com duração de dois minutos a 300 RPM. Em média, uma corrida de dois minutos diminuiu a temperatura da lata de 82,12 graus Fahrenheit para 55,88 graus Fahrenheit. Substituindo nas características físicas e geométricas relevantes da lata, o coeficiente de transferência de calor pode ser calculado. A eficiência termodinâmica foi estimada dividindo o calor perdido pela lata ao calor necessário para derreter o gelo durante a corrida. Usando corridas sequenciais em um RPM constante, foi mostrado que o desempenho de resfriamento foi aprimorado com tempos de ciclo mais longos. No entanto, os ciclos sequenciais mostram que a eficiência de resfriamento diminui com o tempo. Essa diminuição da eficiência é comum na transferência de calor, quando o diferencial de temperatura que conduz a transferência de calor fica menor. Variar os RPMs em um tempo de execução fixo mostra o efeito da velocidade no desempenho de resfriamento. Um tempo de rotação mais rápido levou a uma queda de temperatura maior dentro da lata. A eficiência de transferência de calor foi maior quando o spin-and-chill foi operado no RPM mais alto.

O processo de transferência de calor observado no giro-e-frio é visto em muitos ambientes laboratoriais e industriais. O congelamento de alta pressão é usado para preservar amostras de tecido para espectroscopia eletrônica de transmissão. Em um processo análogo ao spin-and-chill, as amostras são expostas a jatos de nitrogênio líquido pressurizado. Permitindo criofixação rápida e não destrutiva. Isso é particularmente útil para tecidos vegetais, que devem ser rapidamente congelados para evitar danos celulares através da formação de gelo. Procedimentos semelhantes são usados para preservar células musculares humanas ou células-tronco. Reatores nucleares também operam com os princípios da transferência de calor convectiva. Eles contêm um núcleo dentro do qual ocorre uma reação de fissão altamente controlada. O núcleo está submerso em um fluxo de água pressurizada, que absorve o calor gerado pela reação de fissão e vaporiza. A água vaporizada é então usada para dirigir geradores. A segurança desses reatores, independentemente da escala, depende em grande parte do controle do processo de transferência de calor convectivo que ocorre em seu núcleo.

Você acabou de assistir a introdução de JOVE para a transferência de calor no giro-e-frio. Agora você deve estar familiarizado com a transferência de calor convectiva, um procedimento para medir parâmetros que afetam a transferência de calor convectiva e algumas aplicações. Como sempre, obrigado por assistir.

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Results

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O modelo de parâmetros é usado para determinar o coeficiente de transferência de calor, h, para as diferentes condições experimentais. Para calcular a eficiência, primeiro determinamos a energia transferida como calor para o banho de gelo do líquido na lata. Se o sistema fosse adiabático (100% eficiente),q água +q gelo = 0. A eficiência é determinada dividindo o valor absoluto do calor liberado pela água na lata(águaQ ) pelo calor absorvido pelo gelo durante o derretimento(Q gelo). A eficiência observada não depende de nenhum caso limitante ou mecanismo de transferência de calor.

Os resultados para dez corridas de dois minutos a 300 rpm foram mediados (Tabela 1). A água na lata foi resfriada em uma média de 26,2 °F após o giro de dois minutos. A eficiência média,η, foi de 77,7%.

Julgamento # T inicial (°F) Final T (°F) ΔT (°F) Ice   Δm (lbs.) Qgelo Qágua 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
Avg. 82.1 55.9 26.2 0.18 26.4 20.6 77.7 70.5 400

Tabela 1: Variação de temperatura nominal de 82 F para 56 F. Água na lata: 0,783 lbs

Usando três corridas sequenciais de 2 min a uma rpm constante, observou-se que o desempenho de resfriamento foi melhorado com tempos de execução mais longos(Figura 3) Reduzir o tempo de rotação levou a uma temperatura média mais alta.

Figure 1
Figura 3: Queda de temperatura em função do tempo de rotação. À medida que o tempo de rotação em uma rpm constante aumenta, a queda de temperatura observada (Tfinal- Tinicial) também aumenta. Água na lata: 0,783 lbs.

Para as corridas sequenciais, a eficiência, η, diminuiu de 78% para 71% e depois para 50% ao longo das três corridas(Figura 4). Essa diminuição da eficiência é comum na transferência de calor quando o diferencial de temperatura que conduz a transferência de calor fica menor.

Figure 2
Figura 4: A eficiência diminui em corridas sequenciais. As barras de erro representam desvio padrão de pelo menos três réplicas. Água na lata: 0,783 lbs rpm: ~300.

Ao variar o rpm, verificou-se que a temperatura média do líquido dentro da lata era inversamente proporcional à rpm(Figura 5). O rpm mais alto levou a temperaturas líquidas mais baixas, mais próximas da temperatura ideal, enquanto a redução da rpm levou a temperaturas médias mais altas.

Figure 3
Figura 5: Queda de temperatura em função de rpm. À medida que a rpm aumenta, a queda de temperatura observada (Tfinal- Tinicial)também aumenta. Água na lata: 0,783 lbs

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Applications and Summary

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Este experimento foi projetado para avaliar a capacidade do Spin-and-Chill de resfriar um refrigerante a velocidades recordes. O modelo de parâmetros foi utilizado, uma vez que a convecção era muito mais importante do que a condução (devido à alta taxa de mixagem).

Os dados coletados questionam a capacidade do Spin-and-Chill de esfriar na lata quente de refrigerante a 38 °F em 2 minutos. No entanto, com três usos sequenciais e um período de tempo de cerca de 6 minutos, o Spin-and-Chill pode resfriar o refrigerante à temperatura desejada de 38 °F, ainda uma grande melhoria sobre baús de gelo ou geladeiras domésticas. Embora as alegações iniciais tenham sido invalidadas, o conceito fornece um método avançado de resfriamento que poderia ser mais eficiente com mais testes no futuro.

O modelo de parâmetros foi aplicado a uma grande variedade de campos. Por meio de uma análise de parâmetros, os laboratórios forenses podem determinar a hora da morte de um corpo humano2. Cientistas forenses tratam o corpo como um sistema agrupado2. Pesquisas anteriores foram realizadas sobre resfriamento ao considerar fatores como tamanho do corpo e forma2. Equações diferenciais são então usadas com esses fatores de resfriamento conhecidos para determinar a hora relativa da morte2.

Outro uso do modelo de parâmetros amontoados está no avanço dos sistemas de HVAC (aquecimento, ventilação e ar condicionado)3. A distribuição da carga de calor pode ser calculadamente prevista com um modelo de parâmetro agrupado para maximizar a eficiência energética3. Esses modelos são responsáveis pelo transporte de fluidos, transporte de energia, termodinâmica e psicorometria3. Ao adequar os sistemas HVAC a um modelo agrupado, os engenheiros podem maximizar sua eficiência, reduzindo custos e uso de energia, aumentando a eficácia do sistema de controle climático3.

A modelagem da convecção é importante em uma variedade de campos de engenharia, incluindo processamento de materiais, engenharia de usinas e refrigeração. Os trocadores de calor são uma aplicação comum da modelagem de transferência de calor convectiva4. Estes dispositivos pegam energia de um fluxo quente e o usam para aquecer um cooler4. Shell e tubo são o tipo mais comum de trocadores4. Normalmente são cilindros longos, semelhantes ao modelo usado para este experimento, mas muito maiores em escala4. Vários tubos dentro de uma concha cilíndrica maior contêm um líquido fluindo, enquanto um separado flui através da concha4. O fluxo pode ser nas mesmas ou diferentes direções. O calor fluirá do fluxo mais quente para o mais frio4. Essas ferramentas podem ser utilizadas em muitas indústrias, como fabricação química e refino de petróleo, onde podem ser usadas para aquecer ou resfriar produtos químicos ou óleo4.

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References

  1. Vapor-compression Refrigeration." ChemEngineering - Vapor-compression Refrigeration. N.p., n.d. Web. 01 Dec. 2016.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Encyclopedia of Chemical Engineering Equipment." Heat Exchangers - Heat Transfer - MEL Equipment Encyclopedia 4.0. N.p., n.d. Web. 01 Dec. 2016.

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