얼음 생성과 소금물의 차가운 목욕을 소개 물의 열 및 물질 전달 현상

요약

여기서는 물 온도 범위 웰 아래 물의 빙점에서, 2 냉매로서, 염수 차가운 욕에 도입되면 얼음의 발생을 입증하는 프로토콜을 제시한다. 이는 산업 얼음을 제조하는 다른 방법으로 사용될 수있다.

초록

우리는 과냉 염수 환경에서의 열 및 물질 전달 및 동결 현상을 연구하기위한 방법을 보여준다. 본 실험에서는 물이 저온 염수 욕조에 도입 될 때 적절한 조건 하에서 아이스크림을 제조 할 수 있음을 보여 주었다. 염수 및 물의 혼합을 갖는 이외에, 얼음 형태를 만들기 위해, 열 전달 속도는 물질 전달의 우회한다. 물이 염수 표면에 작은 물방울의 형태로 도입 될 때, 열 및 물질 전달의 모드는 확산이다. 부력은 아래 염수와 혼합 물을 정지하지만, 얼음이 두껍게 성장, 그것은 결과적으로 성장하기 어려운 제빙 열전달 속도를 감속한다. 물 흐름의 형태 식염수 안에 도입 될 때, 여러 가지 요인을 형성 할 수있는 정도에 영향을 얼음 발견된다. 열 및 물질 전달의 추진력 브라인 온도 및 농도는 각각 물에 얼음 전환에 영향을 미칠 수 rati영형; 낮은 목욕 온도와 염수 농도를 형성하기 위해 더 많은 얼음 바랍니다. 직접 열 및 물질 전달 계수 모두에 영향을 미칠 수있는 유동 레올 역시 중요한 요소이다. 또한, 유동 레올 벌크 유체 흐름의 접촉 면적을 변화시킨다.

서문

아이스 슬러리 널리 산업에 사용되며, 특히 하나의 성공적인 응용은 얼음 피깅 기술 ^{1, 2이다.} 종래의 거품 고체 돼지에 비해 얼음 돼지 때문에 액상의 윤활 효과 및 결정이 ^{3, 4, 5를} 녹여 얼음의 일부로서 그 응고점의 높이의 장거리 복잡한 토폴로지를 통해 여행 할 . 돼지가 걸리면하더라도 번 단순히 용융 후 세정 처리를 재개 아이스 슬러리를 기다릴 수있다. 파이프 청소의이 방법은 저렴하고 사용하기 쉽습니다.

얼음 분획 얼음 돼지의 성능에 중요한 역할을한다. 얼음 분율을 측정하기 위해 하나의 얼음 슬러리 충분히 ⁶ 두꺼우면 결정하는 cafetière (프렌치 프레스)를 ^{사용하여,}"아이스 피깅을 행하는 경우> 7. 높은 cafetière 얼음 분획 통상 80 %가 요구된다. 온라인 얼음 분획 검출의 최근 연구는 모두 전자 초음파가 작업 ^{8, 9, 10, 11에} 적합한 것으로 나타났다.

얼음 돼지는 일반적으로 5 중량 %의 염화나트륨 용액 (염수)로부터 긁힌 표면 제빙기에 의해 이루어진다. 또한 산업에서 얼음 슬러리를 제조하는 주요 방법이다. 제빙이 종류의 냉 금속 표면, 전형적으로 316 매끄러운 강철 표면에 물 또는 염수가 정지하고 순환 오프 얼음 입자를 위. 액체 - 금속 인터페이스는 매우 복잡하고 얼음 ^(12)을 만드는 데 필수적인 요소 다양한 영향을 받는다. 비금속과 물 사이의 인터페이스는 매우 다를 수 있으며, 하나의 특히 흥미로운 예는 카올리나이트이다. Kaol의 고체 표면에 인접한 바람직한 얼음 구조가 아니라 그 ^{(13)의 상단 (14)에} 형성하는 얼음처럼 수소 결합 클러스터 장려 양쪽 기판 유체의 층이 없기 때문에 inite 물 인터페이스 특별하다. 얼음 돼지를 제조하는 또 다른 방법은 고농도 염수를 동시에 첨가하는 동안 미리 만들어진 얼음 블록 분쇄 요구한다. 더 빙점 강하제 (FPD)가 얼음의 형성 이전에 첨가되지 않기 때문에이 방법은 냉동 시스템은 더 높은 증착 온도에서 실행할 수있다; 이는 따라서 의한 소정의 냉각 듀티 ^{15, 16, 17} 하강 압축비 작아 전력을보다 효율적으로 간주된다.

두 개의 다른 얼음 생산 방법이 있습니다 과냉각 물에서 얼음을 생산과 직접 접촉 냉매와 물을 넣어 ^{18, 19.} 과냉각있어서 얼음 핵 생성 및 성장을 생성하는 준 과냉각 물을 방해 포함한다. 이 방법의 가장 큰 문제는 시스템을 차단할 수 있습니다 원치 않는 얼음 형성 있습니다. 냉매도 윤활유가 모두 최종 얼음 제품에서 원하고 있기 때문에 직접 접촉 방법은 얼음 피깅에 적합하지 않은 것으로 간주됩니다.

결빙으로 인해 융합 과정에서 발생하는 잠열을 열 및 물질 전달을 필요로한다. 이것은 제 가스의 열 및 물질 수송 강하게 결합하여 유사한 수학 식 ^20로 표현 될 수있는 1874 년 오스본 레이놀즈에 의해 발견되었다. 이 작품은 유체의 운동량, 열 및 물질 전달의 주제에 선구적인 논문을 ^{형성하고, 22} 차례 ^(21)을 복각했다. 이 주제는 다음에 의해 연구되었다가스, 액체, 및 용융 금속 ^{23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33} 모두 분석 및 경험적 접근법에서 다른 번호. 이외에도 열 및 물질 전달에서, 유체는 수지상 얼음 성장을 개발할 수 있습니다 핵 사이트를 필요로한다. 얼음 결정의 성장에 현대 통찰력 얼음이 방법은 ^{34, 35, 36에서} 성장하는 이유를 설명하기 위해, 아드리안 Bejan가 개발 Constructal 법을 사용한다.

염수의 결빙으로 인해 염의 존재로 초순수의 것과 매우 다르다. 가장 먼저, 염은 유체의 열역학 변경 및 빙점을 누른다. 둘째, 염 (온도가 공정 점에 도달 할 때에 만 형성 될 수있는 hydrohalite 제외) 얼음 매트릭스에 용해 할 수없고, 얼음이 성장하기 시작할 때 벌크 유체 거부된다. 소금의 거부는 실험실 ^{(37), (38)에서} 연구 바다 얼음과 얼음 모두에서 발견되었다. 거부 고농도 염수 온도 웰 아래 해수의 어는점 때문에이 가져갈, 얼음 흐르는 염수 무부하 벌크 유체 사이의 계면에서 자란다. 또한 brinicles라는 이름의이 얼음 종유석은, 첫째 맥머도 사운드, 남극 대륙에서 발견 된 실험적 ^{39, 40, 41, 42} 연구 하였다. 2011 년 BBC는 냉동 행성 시리즈 brinicles의 형성을 촬영"외부 참조"> ^{43, 44.}

우리의 실험에서, 물이 저온 염수 욕조에 도입되는 대기 흐르는 유체를 바꿈으로써, 물이 적절한 조건 하에서 ⁴⁵ 얼음으로 변환 할 수있다는 것을 발견 하였다. 이것은 물이 도입되는 위치는 레올 로지, 유동 및 염수 온도 및 농도가 더 얼음이 제조 될 수 있는지에 영향을 미치는 모든 주요 인자 인 것으로 밝혀졌다. 본 연구의 전반적인 목적은 제빙기가 높은 증발기 온도 및 액체 대 액체 열 전달의 높은 비율이 에너지 사용의 효율성을 향상시킬 수있는 것을 고려하면, 아이스 슬러리를 생성하기 위해이 메커니즘을 통해 개발 될 수 있는지를 조사하는 것이다. 이 문서를 공유 실험의 주요 측면.

프로토콜

주의 :이 실험에서 사용 된 두 독성 화학 메탄올 및 에틸렌 글리콜이있다. 메탄올은 포름산 또는 포름산 염 후 포름 알데히드를 발생하는 인체에서 대사 될 수있다. 이 물질은 중추 신경계에 독성이며 사망의 원인이 될 수 있습니다. 에틸렌 글리콜이어서 옥살산으로 설정할 수 산, 글리콜을 산화 할 수있다. 이 신부전 및 사망을 일으킬 수 있습니다. 이러한 화학 물질을 마시지 마십시오. 사고가 발생하면 즉시 의사에게 문의하십시오.

1. 냉각 장치

주 : 주위 온도가 상온에서 약 때 ° C 정도 -18에서 식염수를 유지하는 것은 매우 어렵다. 이 에틸렌 글리콜 및 염수 저장 탱크 과도한 전력 소비를 방지하고, 최적의 시스템 성능을 보장하기 위해 잘 절연 합리적인 크기가 중요하다. 이는 탱크의 크기는 30 L.를 초과하지 않는 것이 권장

1. 보조 냉각 유체를 준비
   1. 이차 냉각 탱크, 탱크 A (: 200mm, 높이 400mm × : 350mm 염기)에 에틸렌 글리콜 1 L를 붓는다. 탱크 A. 물의 약 0.6-0.65 L (6백~6백50g)를 추가
   2. 단계를 반복 1.1.1 여러 번 탱크 A (25 L)에 충분한 유체가 될 때까지.
   3. 유체가 균일하게되도록 상기 유체 교반한다.
   4. 전체 용량 설정 (2,500 L / H)에 탱크 A의 두 펌프에 전환합니다. 모든 거품은 열 교환기에 갇혀 및 파이프가 해제되어 있는지 확인합니다.
   5. 모든 거품이 출시되는 관찰 할 수있는 펌프를 끕니다. 그렇지 않은 경우, 단계 1.1.4를 반복합니다.
2. 소금물의 준비
   주 :이 예에서, 22 중량 %의 식염수가 제조된다. 다른 농도가 필요한 경우 부가 염의 질량은 따라서 변경되어야한다. 기준 염수 농도 및 밀도 값은 페이지 D-257 번째의 64 ^{번째 판} (1983)을 발견 할 수있다화학 및 물리학 ^(46)의 전자 CRC 수첩.
   1. 5 L 플라스틱 비커에 물 4kg을 추가합니다.
   2. 전자 규모의 NaCl 소금 1kg을 측정하고 물을 비커에이 소금을 부어.
   3. 용액이 깨끗해질 때까지 혼합물을 교반 하였다 (즉, 용액 중에 가시에는 염 입자 또는 물에 기포가 없음).
   4. 10 ML의 주사기를 사용하여 용액 ~ 10 mL로 샘플을 가져 가라.
   5. U 자 관 농도계로 액체를 주입한다.
   6. 튜브에 공기 방울을 확인합니다. 어떤있을 경우이를 밀어 이상의 유체를 주입.
   7. 보도는 "빠른 설정"을 선택 "밀도 온도." 20 ° C를 눌러 입력합니다 "OK." 밀도 측정기는 지금이 온도에서 유체 밀도를 측정 할 것이다.
   8. 를 눌러 시작하고 결과를 기다립니다.
   9. 1164.00 kg / m ³ 밀도 수치를 비교합니다.
   10. 기록이 compariso 이하이면 더 많은 소금을 추가n 개의 밀도. 그렇지 않은 경우 물을 추가합니다.
   11. 단계를 반복 1.2.3-1.2.10 유체 밀도가 올 때까지 (1164.00 kg / m ^3).
   12. 큰 용기에이 솔루션을 붓고, 컨테이너 A.
   13. 사용 소금물의 35 ~ 40 L을 -40 ° C에서 가슴 냉동고에 컨테이너을 넣어 1.2.1-1.2.12 단계를 반복합니다. 온도가 (이 22 중량 %의 소금물의 포인트를 동결) -19.18 ° C에 도달 할 때까지, 48 ~ 72 시간 동안 거기에 소금물을 유지합니다.

주입과 세척 물에 대한 얼음의 2. 준비

1. 주입 물 얼음을 준비
   1. 작은 용기 (200 × 200 × 50mm)에 물 1 L를 따르십시오.
   2. 다른 컨테이너와 단계를 반복 2.1.1 및 -40 ° C에서 가슴 냉장고에있는 두 개의 컨테이너를 배치합니다.
   3. 모든 물이 동결 될 수 있도록 10 시간 이상 냉장고에 보관하십시오.
2. 세정 수의 얼음 쉘을 준비
   1. 물 5 L로 5-L 비커를 입력합니다.
   2. 물 2 L로 2-L 비커를 입력합니다.
   3. 고정되지 않은 물 주위에 얼음 포장의 두꺼운 껍질이되도록 8 ~ 10 시간 동안 -40 ° C에서 가슴 냉동고에 모두 비커를 놓습니다.
   4. 얼음 외피의 상단에 3 cm 직경의 구멍을 열어 수돗물 3-5 분 / s의 속도로 고속의 물 분사를 사용한다.
   5. 얼음 쉘 내부에 물을 배출합니다.
   6. 다시 냉장고에있는 두 개의 비커를 넣습니다.
   7. 얼음 쉘의 질량이 두 개의 비커에 대한 3kg과 1kg에 도달하지 않을 경우, 각각 반복 2.2.1-2.2.5 단계하지만, 단계 2.2.3에서 더 이상 냉장고에 비커를 유지합니다. 두 커 이제 각각 2 L의 물 1 L를 포함 할 수 있어야한다.

3. 물 소개 위치 및 레올 로지 제어 실험

1. 염수 표면에 물을 소개
   1. 에 컨테이너 A의 22 중량 % 차가운 소금물의 2 L를 가만히 따르다냉각 장치의 아이스크림 메이커 및 스위치의 알루미늄 버킷.
   2. 온도계 / 열전쌍과 염수의 온도를 측정한다 (K 형 있거나, T 형이 적합하다). 염수가 -15 ℃ 이하이면 실험을 수행한다.
   3. 실온 수돗물 100 mL 유리 주사기를 채우기. 주사기의 끝 부분에 2 mm 내부 직경, 두께 1 mm, 1-m 길이의 실리콘 튜브를 연결합니다.
   4. 주사기에 물과 실리콘 튜브의 출구 사이에 헤드가되도록 특정한 위치에서 주사기를 놓는다. 정수압은 관에서 물을 짜내는 것입니다.
   5. 염수로 실리콘 관의 특정 길이, 통상 70cm를 담근다.
   6. 정수압은 물이 주사기를 떠날 수 있도록 충분히 큰되도록 주사기와 튜브 출구 사이의 상대적인 위치를 조정합니다. 튜브가 차단 된 경우, UNT 높은 수직 위치로 주사기를 상승하여 머리를 증가(IL)는 수압은 튜브 내에 전단 응력을 극복 할 수있다.
   7. 관 출구 약 1cm 또는 염수 표면 위 이하를 유지합니다.
   8. 물의 출구 온도하자 염수 표면에서 발생하는 양의 얼음 제조 될 수 있거나 어느 정도 혼합 결정하기 위해 유량을 제어하는 ​​침지 튜브의 길이와 주사기 높이를 조정한다. 냉동 현상은 이제 염수 표면에서 관찰해야한다. 더 방향 참조 (45)를 참조하십시오.
2. 소금물을 통해 물을 소개
   1. 반복 3.1.1-3.1.6 단계를 반복합니다.
   2. 바람직하게는 용기의 바닥에, 염수 내부의 튜브 출구를 유지합니다.
   3. 침수 관의 길이 및 주사기의 높이를 조정한다.
   4. 플로우의 레올 제어 튜브 출구의 각도를 조정한다.
   5. 반복 최고의 결합 흐름 유동성을 발견하고 대부분의 얼음을 생산할 수있는 유량에 3.2.3-3.2.4 단계를 반복합니다.

4. 얼음 생산, 수집 및 측정

1. 얼리다
   1. 관에 기포가있는 경우, 글리콜 순환 시스템에서 기포를 분리 한 다음, 펌프를 끄지 탱크, 안쪽 두 펌프를 스위치.
   2. 세 개의 냉동 장치에 전환하고이 에틸렌 글리콜 용액을 냉각 10-16 시간 동안 실행하자.
   3. 온도계 / 열전쌍 에틸렌 글리콜 용액을 측정한다. 글리콜 온도는 약 -25 ° C에 있어야합니다.
   4. 4.1.5 단계로 진행하기 전에 C ° -19에서 확인이되어 있는지 확인하기 위해 컨테이너 A의 염수의 온도를 측정한다.
   5. A. 탱크에있는 두 펌프에 약 30 컨테이너 A로부터 염수 L 및 스위치, 염수 탱크, 탱크 B 채우기
   6. 이보다 차가운 -19 ° C의 경우 탱크 A.의 글리콜의 온도를 측정, 열교환 외부 얼음 입자의 침전을 방지하기 위해 하나 이상의 냉각 장치의 전원을 끄 IN 탱크 B. 온도는 세 가지 냉각 장치를 켜십시오, 예상 브라인 온도보다 따뜻합니다. -17 ° C에서 -19 ° C에서 실험을 수행한다.
   7. 절연 5-L 비커, 컨테이너 B로 단계 2.1에서 얼음이 들어 찬 블록을 배치하고 비커에 물을 약 3 L을 붓는다.
   8. 물의 온도를 측정하고, 온도가 상승하면 실험 사이 교반하여 2 ℃에서 보관.
   9. 2 ° C를 물 100 mL를 유리 주사기를 입력합니다.
   10. 응축과 결빙을 중지 탱크 B의 유리 창 메탄올 50-10 mL로 적용한다.
   11. 일정한 정수압 및 따라서 일정한 유량이되도록 주사기와 튜브의 출구 사이의 상대 위치를 조정하여 염수로 물을 주입한다. 실리콘 튜브 약 70cm는 소금물에 침수되어야한다. 0 ° 분사의 각도를 조정되도록 상향 디레에서 초기 물 속도ction는 0m / s이다.
       참고 : 주사기가 될 수 있습니다 핸드 헬드 또는 스탠드에 고정. 이 스탠드를 조정하는 데 더 많은 시간이 소요되며, 얼음이 튜브를 차단할 수 있기 때문에 브라인 온도가 추운 경우 핸드 더 적절하다. 일정한 유속 및 주입 각도 (0 °)을 보장함으로써 및 약 3cm 관 출구 위에 냉동 프론티어 유지하여 실험에 걸쳐 일관된 유동 레올 유지. 흐름이 ⁴⁷ 난류 설정하는 시작하는 지역을 입력하게하지 마십시오. 더 방향 참조 (45)를 참조하십시오.
   12. 단계 4.2 및 4.3에 기술 된 바와 같이 얼음 수집. 다른 염수 온도에서 4.1.11 - 반복 4.1.8 단계를 반복합니다.
2. 생성 된 얼음을 수집하고 생산 얼마나 많은 얼음 추정 (건조 컬렉션)
   1. 눌러 독서 규모의 컨테이너 (200 × 200 × 50mm)를 넣고 제로 버튼 "켜기".
   2. 얼음을 퍼 오프 흔들어 체를 사용하여염수.
   3. 컨테이너에이 얼음을 넣어. 스케일을 사용하여 얼음의 질량을 측정한다.
   4. 얼음이 용융 된 후, 샘플을 취하도록 10 ml 주사기를 사용한다. 밀도 측정기로 액체의이 샘플을 주입한다.
   5. 단계를 수행 1.2.6-1.2.9.
   6. 밀도 값을 기록한다.
   7. 밀도에서 그물 물의 질량을 계산 (즉, 얼음으로 변환 물의 질량)는 다음 식을 사용하여 :
      
      어디에 중량 %로 염수 농도이고 과 각각 소금과 물,의 대중이다.
3. 생성 된 얼음을 수집하고 생산 얼마나 많은 얼음 추정 (젖은 컬렉션)
   1. 얼음 쉘 (2 단계와 5-L 비커를 입력합니다.2) 상온 수돗물. -40 ° C에서 다시 냉장고에 넣어.
   2. 온도가 0 ℃ 일 때 2-L 비이커에 5 L 비이커에서 얼음 셸 물을 경사 분리한다. 5-L 비커를 입력합니다. 냉동실에 모두 비커를 유지합니다.
   3. 단계 4.1.8과 4.1.9에서 생성 된 얼음을 퍼 그것을 씻어 얼음에 2-L 비커의 물을 200 ~ 500 mL로 붓는다. 0 ° C를 물을 적용하기 전에 자체를 흔들지 마십시오.
   4. 체의 유체를 흔들어.
   5. 반복 4.2.2-4.2.7 단계를 반복합니다.

결과

도 1은 염수를 통해 주입 된 물에 염수 표면에서 도입 된 물의 효과를 비교한다. 물은 벌크 유체 많이 혼합하지 않았기 때문에 "얼음 캡"시나리오에서 형성된 얼음 고체이다. 두 유체 사이의 온도와 밀도 차이는 물에 부력을 발생하고 혼합에서 방지 할 수 있습니다. 두 유체는 정적 (즉, 열 전달의 질량보다 훨씬 크다; Sc의 ≈ 500 홍보 ≈ 10 르 ≈ 50...

토론

보조 냉매로서 염수를 사용하여 얼음을 생성하는 프로세스는 열 및 물질 전달의 조합을 포함한다. 열전달이 크면 물 전에 얼음 형성은 벌크 유체와 혼합 할 수있는 기회를 갖는다. 이는 도입 된 물과 무부하 벌크 염수 사이의 상대 이동이있을 때 (즉, 염수 내 주입 물), 흐름은 열전달을 돕고 빠르게 형성 얼음을 촉진하는 것이 확인되었다. 너무 많은 난류 흐름에있을 때, 얼음은 생성 될 수 ?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
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