Generazione di ghiaccio e il calore e Trasferimento di Massa fenomeni di acqua L'introduzione di un bagno freddo di salamoia

Riepilogo

Qui, presentiamo un protocollo per dimostrare la generazione di ghiaccio quando l'acqua viene introdotta in un bagno freddo di salamoia, come refrigerante secondario, ad una gamma di temperature ben al di sotto del punto di congelamento dell'acqua. Può essere usato come un modo alternativo di produzione di ghiaccio per l'industria.

Abstract

Abbiamo dimostrato un metodo per lo studio del trasferimento di calore e di massa e dei fenomeni di congelamento in un ambiente salamoia sottoraffreddato. Il nostro esperimento ha dimostrato che, in condizioni appropriate, il ghiaccio può essere prodotto quando l'acqua viene introdotta in un bagno di salamoia fredda. Per rendere forma ghiaccio, oltre ad avere la miscela salina e acqua, la velocità di trasferimento di calore deve escludere che di trasferimento di massa. Quando l'acqua viene introdotto in forma di minuscole goccioline sulla superficie salamoia, la modalità di trasferimento di calore e di massa è per diffusione. La spinta idrostatica ferma acqua dalla miscelazione con salamoia sotto, ma come il ghiaccio si ispessisce, rallenta la velocità di trasferimento di calore, rendendo il ghiaccio più difficile da aumentare a seguito. Quando l'acqua viene introdotta all'interno della salamoia nella forma di un flusso, un certo numero di fattori sono evidenziata un'influenza quanto ghiaccio possono formare. la temperatura e la concentrazione Brine, che sono le forze motrici di calore e di massa, rispettivamente, possono influenzare la conversione rati acqua-ghiaccioo; temperature più basse del bagno e le concentrazioni di salamoia incoraggiano più ghiaccio per formare. La reologia flusso, che può influenzare direttamente sia il calore e coefficienti di trasferimento di massa, è anche un fattore chiave. Inoltre, la reologia flusso cambia l'area di contatto del flusso con il fluido bulk.

Introduzione

Fanghi di ghiaccio sono ampiamente utilizzati nell'industria, ed una applicazione particolare successo è la tecnologia di ghiaccio pigging ^{1, 2.} Rispetto alla schiuma convenzionale e maiale solido, il maiale ghiaccio può viaggiare attraverso topologie complesse su una lunga distanza a causa dell'effetto di lubrificazione della fase liquida e l'elevazione del suo punto di congelamento alcuni dei ghiaccio cristalli sciolgono ^{3, 4, 5} . Anche se il maiale si blocca, si può semplicemente attendere che i fanghi di ghiaccio a sciogliersi e riprendere il processo di pulizia in seguito. Questo metodo di pulizia del tubo è economico e facile da usare.

La frazione di ghiaccio gioca un ruolo chiave nella prestazione del maiale ghiaccio. Per misurare la frazione di ghiaccio, si può usare una caffettiera (stampa francese) per determinare se il liquame ghiaccio è sufficientemente spesso ^6,"> 7. Una frazione di ghiaccio alta caffettiera, tipicamente 80%, è necessaria quando effettuano pigging ghiaccio. Recenti ricerche sulla rilevazione frazione ghiaccio mostrato che sia le onde elettromagnetiche e ultrasuoni sono adatti per il lavoro ^{8, 9, 10, 11.}

Il maiale ghiaccio è generalmente costituito da un fabbricatore di ghiaccio raschiato superficie da una soluzione di NaCl 5% in peso (salamoia). E 'anche il modo principale di fare fanghi di ghiaccio nel settore industriale. Questo tipo di macchina del ghiaccio congela acqua o acqua salata su una superficie metallica fredda, tipicamente una superficie di 316 liscia e poi cesoie ciclicamente le particelle di ghiaccio al largo. Le interfacce liquido-metallo sono molto complesse e sono interessati da una vasta gamma di fattori che sono essenziali per il ghiaccio fare ^12. L'interfaccia tra non-metallo e acqua può essere molto differente, e un esempio particolarmente interessante è Kaolinite. il KaolInterfaccia inite-acqua è speciale perché non c'è una struttura di ghiaccio favorevole adiacente alla superficie del solido, ma piuttosto uno strato di fluido substrato anfotero che incoraggia i cluster-bonded idrogeno simili al ghiaccio per formare su di esso ^{13, 14.} Un altro modo di produrre maiale ghiaccio richiede la frantumazione dei blocchi di ghiaccio predefiniti, mentre si aggiunge allo stesso tempo ad alta concentrazione salina. Per questo metodo, il sistema di refrigerazione può essere eseguito ad una temperatura di evaporazione molto superiore perché non viene aggiunto alcun punto di congelamento depressivo (FPD) prima della formazione di ghiaccio; è quindi considerato più efficiente grazie al rapporto di compressione ridotto e potenza diminuita per un determinato duty raffreddamento ^{15, 16, 17.}

Ci sono altri due metodi di produzione del ghiaccio: la produzione di ghiaccio da acqua sopraffuse e mettendo refrigerante e l'acqua a contatto diretto ^{18, 19.} Il metodo consiste supercooling disturbare l'acqua super-raffreddato metastabile per generare nucleazione del ghiaccio e la crescita. Il problema principale di questo metodo è la formazione di ghiaccio indesiderato che può bloccare il sistema. Il metodo di contatto diretto è considerato non adatto a pigging ghiaccio perché né refrigerante né olio lubrificante sono ricercati nel prodotto finale ghiaccio.

La formazione di ghiaccio richiede calore e di massa a causa del calore latente di fusione generato nel processo. E 'stato scoperto da Osborn Reynolds nel 1874 che il trasporto di calore e di massa nel gas sono fortemente accoppiati e può essere espressa in formule matematiche similari ^20. Questo lavoro ha costituito la carta pionieristica in materia di momento, calore e trasferimento di massa nei fluidi e ristampata più volte ^{21, 22.} Questo argomento è stato poi studiato da unnumero di altri, da entrambi i metodi analitici ed empirici, per gas, liquidi e metallo fuso ^{23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33.} A parte il trasferimento di calore e di massa, il fluido deve siti di nucleazione in cui la crescita del ghiaccio dendritica può sviluppare. Una visione moderna nella crescita dei cristalli di ghiaccio utilizza legge Constructal, sviluppato da Adrian Bejan, per spiegare perché il ghiaccio cresce in questo modo ^{34, 35, 36.}

La formazione di ghiaccio in salamoia è molto diverso da quello in acqua pura a causa dell'esistenza di sale. Prima di tutto, sale cambia la termodinamica del fluido ed abbassa il punto di congelamento. In secondo luogo, il sale non può dissolversi nella matrice di ghiaccio (tranne hydrohalite, che può formare solo quando la temperatura raggiunge il punto eutettico), ed è respinto al fluido massa quando il ghiaccio comincia a crescere. Il rifiuto del sale è stato scoperto in entrambi ghiaccio marino e il ghiaccio ha studiato in laboratorio ^{37, 38.} Poiché la respinta salamoia ad alta concentrazione è ad una temperatura ben al di sotto del punto di congelamento dell'acqua di mare, mentre scende, ghiaccio cresce all'interfaccia tra la salamoia fluente e fluido bulk quiescente. Queste stalattiti di ghiaccio, chiamato anche brinicles, sono stati scoperti nel McMurdo Sound, Antartide e sono stati studiati sperimentalmente ^{39, 40, 41, 42.} Nel 2011, la BBC ha filmato la formazione di brinicles nella sua serie Frozen Planet"xref"> ^{43, 44.}

Nel nostro laboratorio, si è scoperto che invertendo i fluidi in movimento e di riposo quando l'acqua viene introdotta in un bagno di salamoia fredda, l'acqua può trasformarsi in ghiaccio sotto le condizioni corrette ^45. Si è constatato che la posizione in cui viene introdotta l'acqua, flusso reologia, e la temperatura e la concentrazione della salamoia sono tutti fattori chiave che influenzano la quantità di ghiaccio può essere prodotta. L'obiettivo generale di questo studio è quello di indagare se una macchina del ghiaccio può essere sviluppato attraverso questo meccanismo per generare fanghi di ghiaccio, visto che la temperatura evaporatore elevata e l'alto tasso di trasferimento di calore liquido-liquido può migliorare l'efficienza del consumo di energia. Questo articolo condivide gli aspetti chiave di questo esperimento.

Protocollo

Attenzione: Ci sono due sostanze chimiche velenose, metanolo e glicole etilenico, utilizzati in questi esperimenti. Il metanolo può essere metabolizzato nel corpo umano per generare formaldeide e quindi ad acido formico o sale formiato. Queste sostanze sono tossici per il sistema nervoso centrale e possono anche causare la morte. glicole etilenico può essere ossidato ad acido glicolico, che possono poi trasformarsi in acido ossalico. Ciò può causare insufficienza renale e morte. Non bere queste sostanze chimiche. Consultare immediatamente un medico se si verifica un incidente.

1. Il sistema di raffreddamento

NOTA: È molto difficile mantenere la salamoia a -18 ° C oppure quando la temperatura ambiente è all'incirca a temperatura ambiente. È importante che i bacini di stoccaggio del glicole etilenico e salamoia sono ben isolate e di dimensioni ragionevoli per evitare il consumo di energia elettrica in eccesso e per garantire prestazioni ottimali del sistema. Si raccomanda che le dimensioni del serbatoio non superi 30 L.

1. Preparare il fluido di raffreddamento secondario
   1. Versare 1 L di glicole etilenico nel serbatoio di raffreddamento secondario, serbatoio A (Base: 400 mm × 200 mm, Altezza: 350 mm). Aggiungere circa ,6-,65 L (600-650 g) di acqua al serbatoio A.
   2. Ripetere il punto 1.1.1 più volte fino a quando c'è abbastanza liquido nel serbatoio A (25 L).
   3. Mescolare il fluido in modo che il fluido omogeneo.
   4. Accendere le due pompe in serbatoio A all'impostazione piena capacità (2,500 L / h). Assicurarsi che tutte le bolle intrappolate negli scambiatori di calore e le tubazioni vengono rilasciati.
   5. Spegnere la pompa di osservare se tutte le bolle vengono rilasciati. In caso contrario, ripetere il passaggio 1.1.4.
2. Preparazione della salamoia
   NOTA: In questo esempio, il 22% in peso della salamoia viene preparata. Se sono necessarie altre concentrazioni, la massa di sale aggiunto deve essere modificata di conseguenza. I valori di concentrazione e densità salamoia di riferimento può essere trovato a pagina D-257 della 64 ^° edizione (1983) di The CRC Handbook of Chemistry and Physics ^46.
   1. Aggiungere 4 kg di acqua in un becher di plastica 5-L.
   2. Misurare 1 kg di sale NaCl su una bilancia elettronica e versare questo sale nel bicchiere con l'acqua.
   3. Mescolare la miscela fino a soluzione limpida (cioè, non ci sono particelle di sale o bolle d'acqua visibile nella soluzione).
   4. Prelevare un campione, ~ 10 ml, della soluzione con una siringa da 10 ml.
   5. Iniettare il liquido nella densimetro U-tube.
   6. Verificare la presenza di bolle d'aria nel tubo. Se ci sono, iniettare più fluida a spingerli fuori.
   7. Press "Impostazioni rapide" e selezionare "Densità di temperatura." Digitare 20 ° C e premere "OK". Il misuratore di densità sarà ora misurare la densità del fluido a questa temperatura.
   8. Premere Start e attendere il risultato.
   9. Confrontare la lettura di densità con 1164,00 kg / m ^3.
   10. Aggiungere più sale se la lettura è inferiore alla CONFRONTODensità n. Aggiungere l'acqua nel caso contrario.
   11. Ripetere i passaggi 1.2.3-1.2.10 fino a quando la densità del fluido è corretto (1164.00 kg / m ^3).
   12. Versare questa soluzione in un contenitore più grande, Container A.
   13. Seguire i punti 1.2.1-1.2.12 di fare 35-40 L di salamoia e messo contenitore A in un congelatore orizzontale a -40 ° C. Mantenere la salamoia lì per 48-72 ore, fino a quando la sua temperatura raggiunge -19,18 ° C (punto di questo il 22% in peso di salamoia congelamento).

2. Preparazione del ghiaccio per il Iniettare e lavaggio con acqua

1. Preparare il ghiaccio per l'acqua iniezione
   1. Versare 1 L di acqua in un piccolo contenitore (200 × 200 × 50 mm).
   2. Ripetere il passaggio 2.1.1 con un altro contenitore e posizionare i due contenitori nel congelatore a -40 ° C.
   3. Tenerli nel congelatore per 10 ore o più per assicurare che tutta l'acqua è congelato.
2. Preparare guscio di ghiaccio dell'acqua di lavaggio
   1. Riempire un 5-L becher con 5 L di acqua.
   2. Riempire un 2-L bicchiere con 2 litri di acqua.
   3. Posizionare entrambi i bicchieri nel congelatore a -40 ° C per 8-10 ore in modo che ci sia uno spesso guscio di avvolgimento ghiaccio attorno acqua non congelata.
   4. Utilizzare un getto d'acqua ad alta velocità ad una velocità di 3-5 m / s dal rubinetto per aprire un foro del diametro di 3 cm nella parte superiore della calotta di ghiaccio.
   5. Scaricare l'acqua all'interno del guscio di ghiaccio.
   6. Mettere i due bicchieri di nuovo nel congelatore.
   7. Se la massa del guscio di ghiaccio non raggiunge 3 kg e 1 kg per i due bicchieri, rispettivamente, ripetere i punti 2.2.1-2.2.5, ma tenere i bicchieri in freezer più a lungo nella fase 2.2.3. Le due bicchieri dovrebbero ora essere in grado di contenere 2 L e 1 L di acqua, rispettivamente.

3. Acqua Introduzione posizione e l'esperimento di controllo reologia

1. Introdurre acqua sulla superficie della salamoia
   1. Decantare 2 L di 22 wt% di salamoia fredda dal contenitore A nelsecchio di alluminio della gelatiera e accendere l'unità di raffreddamento.
   2. Misurare la temperatura della salamoia con un termometro / termocoppia (sia di tipo K o tipo T sono adatti). Si prosegue l'esperimento se la salamoia è -15 ° C o inferiore.
   3. Riempire la siringa di vetro da 100 mL con acqua di rubinetto a temperatura ambiente. Attaccare un diametro di 2 mm interna, spessa 1 mm e tubo lungo silicone 1-m alla punta della siringa.
   4. Posizionare la siringa in una posizione specifica in modo che vi è una testa tra l'acqua nella siringa e l'uscita del tubo di silicone. La pressione idrostatica spremere l'acqua dal tubo.
   5. Immergere una certa lunghezza del tubo in silicone, tipicamente 70 cm, in salamoia.
   6. Regolare la posizione relativa tra la siringa e l'uscita del tubo in modo che la pressione idrostatica è grande abbastanza per permettere all'acqua di lasciare la siringa. Se il tubo è bloccato, aumentare la testa elevando la siringa in posizione verticale superiore, until la pressione idrostatica in grado di superare la sollecitazione di taglio all'interno del tubo.
   7. Mantenere l'uscita del tubo di circa 1 cm o meno al di sopra della superficie della salamoia.
   8. Regolare la lunghezza del tubo sommerso e l'altezza della siringa per controllare sbocco dell'acqua lascia temperatura e portata al fine di determinare la quantità di ghiaccio può essere fatto o quanto miscelazione avviene in superficie salamoia. Il fenomeno di congelamento dovrebbe essere osservato in superficie salamoia. Vedere di riferimento 45 per ulteriori direzione.
2. Introdurre acqua attraverso la salamoia
   1. Ripetere i punti 3.1.1-3.1.6.
   2. Mantenere l'uscita del tubo all'interno della salamoia, preferibilmente nella parte inferiore del contenitore.
   3. Regolare la lunghezza del tubo sommerso e l'altezza siringa.
   4. Regolare l'angolo del tubo di uscita per controllare la reologia del flusso.
   5. Ripetere i punti 3.2.3-3.2.4 per trovare la reologia flusso migliore accoppiata e la velocità che può produrre il più ghiaccio fluire.

4. Ghiaccio produzione, raccolta, e di misura

1. fare il ghiaccio
   1. Se ci sono bolle nei tubi, accendere le due pompe all'interno del serbatoio A per liberare le bolle fuori del sistema di circolazione glicole, e poi spegnere le pompe.
   2. Accendere il tre unità di refrigerazione e lasciarli correre per 10-16 ore per raffreddare le soluzioni di glicole etilenico.
   3. Misurare la soluzione glicole etilenico con un termometro / termocoppia. La temperatura glicole dovrebbe essere di circa -25 ° C.
   4. Misurare la temperatura della salamoia in un contenitore A per assicurarsi che sia a -19 ° C prima di procedere al punto 4.1.5.
   5. Riempire il serbatoio salamoia, Serbatoio B, con circa il 30 L di salamoia dal contenitore A e accendere le due pompe in vasca A.
   6. Misurare la temperatura del glicole nella vasca A. Se è più freddo di -19 ° C, spegnere una o più unità di raffreddamento per impedire la precipitazione di particelle di ghiaccio di fuori scambiatori in serbatoio B. Se la temperatura è più calda rispetto alla temperatura della salamoia previsto, accendere tutte e tre le unità di raffreddamento. Effettuare l'esperimento a -17 ° C a -19 ° C.
   7. Posizionare i due blocchi predefiniti di ghiaccio dal punto 2.1 nella isolata 5-L bicchiere, contenitore B, e versare circa 3 litri di acqua nel bicchiere.
   8. Misurare la temperatura dell'acqua e la tiene a 2 ° C mescolando la miscela tra esperimenti, se la temperatura aumenta.
   9. Riempire la siringa di vetro con 100 ml di acqua 2 ° C.
   10. Applicare 5-10 ml di metanolo al vetro della finestra Serbatoio B per fermare la condensazione e la formazione di ghiaccio.
   11. Iniettare l'acqua in salamoia regolando la posizione relativa tra la siringa e l'uscita del tubo in modo che vi sia una pressione idrostatica costante e quindi una portata costante. Circa 70 cm di tubo di silicone deve essere immersa nella salamoia. Regolare l'angolo di iniezione a 0 ° in modo che la velocità iniziale di acqua nel dire ascendentection è 0 m / s.
       NOTA: La siringa può essere o bloccato ad un supporto portatile. Tenuto in mano è più appropriato quando la temperatura è più fredda della salamoia, perché ci vuole più tempo per regolare uno stand, e il ghiaccio può bloccare il tubo. Mantenere la reologia flusso costante durante l'esperimento garantendo una portata e iniezione angolo costante (0 °) e mantenendo la frontiera congelamento di circa 3 cm sopra l'uscita del tubo. Non lasciate che il flusso di entrare nella regione in cui si inizia a girare turbolenta ^47. Vedere di riferimento 45 per ulteriori direzione.
   12. Raccogliere il ghiaccio come descritto ai punti 4.2 e 4.3. Ripetere i punti 4.1.8 - 4.1.11 a diverse temperature salamoia.
2. Raccogliere il ghiaccio prodotto e stimare quanto il ghiaccio si produce (insieme a secco)
   1. Mettere un contenitore (200 × 200 × 50 mm) sulla bilancia e azzerare la lettura premendo il tasto "Turn On" pulsante.
   2. Utilizzare il setaccio per scavare il ghiaccio e scrollarsi di dossola salamoia.
   3. Mettere questo ghiaccio nel contenitore. Misurare la massa del ghiaccio con la scala.
   4. Dopo il ghiaccio è sciolto, usare la siringa 10 ml per prelevare un campione. Iniettare questo campione di liquido nel densimetro.
   5. Eseguire i punti 1.2.6-1.2.9.
   6. Registrare la lettura di densità.
   7. Calcolare la massa d'acqua netto della sua densità (cioè, la massa dell'acqua convertita in ghiaccio) utilizzando la seguente formula:
      
      dove è la concentrazione salamoia wt% e e sono i pesi rispettivamente sale e acqua,.
3. Raccogliere il ghiaccio prodotto e stimare quanto ghiaccio viene prodotto (raccolta bagnato)
   1. Riempire il 5-L bicchiere con un guscio di ghiaccio (fase 2.2) ed a temperatura ambiente l'acqua del rubinetto. Rimetterlo in freezer a -40 ° C.
   2. Decantare l'acqua con il guscio di ghiaccio dal 5-L bicchiere in un 2-L becher quando la sua temperatura è a 0 ° C. Riempire il 5-L bicchiere. Mantenere entrambi i bicchieri in freezer.
   3. Raccogliere la ghiaccio prodotto in passi 4.1.8 e 4.1.9 e versare 200-500 ml di acqua da 2-L bicchiere sul ghiaccio per lavarlo. Non agitare il setaccio prima di applicare l'acqua 0 ° C.
   4. Agitare il fluido nel setaccio.
   5. Ripetere i punti 4.2.2-4.2.7.

Risultati

Figura 1 confronta gli effetti dell'acqua introdotta sulla superficie della salamoia di acqua iniettata attraverso la salamoia. Nello scenario "calotta", il ghiaccio formatosi è solida perché l'acqua non mescolare molto con il fluido bulk. La differenza di temperatura e di densità tra i due fluidi genera forza di galleggiamento sull'acqua e impedisce loro di miscelazione. Entrambi i fluidi sono statici (cioè, il trasferimento di calore ...

Discussione

Il processo di generazione di ghiaccio con salamoia come refrigerante secondario comporta la combinazione di calore e di massa. Se il trasferimento di calore è maggiore, allora forme di ghiaccio prima che l'acqua ha la possibilità di mescolare con il fluido bulk. È stato osservato che, quando c'è un movimento relativo tra l'acqua immessa e la salamoia bulk quiescente (cioè, acqua iniettando all'interno salamoia), il flusso aiuta il trasferimento di calore e incoraggia ghiaccio per formare r...

Materiali

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