Buz Üretimi ve tuzlu su bir soğuk Bath Tanıtımı Su Isı ve Kütle Transferi

Özet

Burada, suyun bir sıcaklık aralığı çok altında, suyun donma noktasında, ikinci bir soğutucu olarak, tuzlu su, soğuk banyo kişiye zaman buz oluşumunu göstermek için bir protokol mevcut. Bu endüstri için buz üretme alternatif bir yol olarak kullanılabilir.

Özet

Biz aşırı soğutulmuş tuzlu su ortamında ısı ve kütle transferi ve donma olaylarının incelenmesi için bir yöntem ortaya koymaktadır. Bizim Deney su soğuk tuzlu su banyosuna ilave edilir olduğunda, uygun koşullar altında, buz üretilebilir olduğunu göstermiştir. tuzlu su ve su karışımı olan ek olarak, buz formunu sağlamak için, ısı aktarımı oranı kütle transferi bu baypas gerekir. Su tuzlu yüzeyine küçük damlacıklar formunda verildiğinde, ısı ve kütle transferi modu difüzyon sayesinde gerçekleşir. yüzdürme altında tuzlu su ile karıştırılarak su durur, ama buz kalın büyüdükçe, o bir sonucu olarak büyümeye daha zor buz yapma, ısı transfer oranını yavaşlatır. Su akışı şeklinde tuzlu su içine sokulur zaman, bir dizi faktör oluşturur ne kadar buz etki bulunmuştur. ısı ve kütle transferi itici gücü olan tuzlu su sıcaklığı ve konsantrasyonu, sırasıyla, su-buz dönüşüm rati etkileyebilirO; Alt banyo sıcaklıkları ve tuzlu su konsantrasyonları oluşturmak için daha fazla buz teşvik ediyoruz. doğrudan ısı ve kütle transferi katsayılarının hem etkileyebilir akış reolojisi, aynı zamanda önemli bir faktördür. Buna ek olarak, akış reoloji dökme sıvı akış temas alanı değiştirir.

Giriş

Buz bulamaçlar yoğun endüstrisinde kullanılan ve özellikle başarılı bir uygulama buz pig teknoloji ^{1, 2 'dir.} Geleneksel köpük ve katı domuz karşılaştırıldığında, buz domuz nedeniyle sıvı fazın yağlama etkisi ve kristaller ^{3, 4, 5} eritmek buz gibi bazı donma noktasının yüksekliği uzun bir mesafe boyunca karmaşık topolojileri seyahat edebilirsiniz . domuz takılıyor bile, biri sadece eritmek ve daha sonra temizleme işlemine devam etmek için buz çamurları için bekleyebilir. boru temizleme yöntemi, ucuz ve kullanımı kolaydır.

Buz fraksiyonu buz domuz performansında önemli bir rol oynar. Buz fraksiyonu ölçmek için, bir buz bulamaç yeterince ⁶ kalın olup olmadığını belirlemek için bir cafetiere (Fransız basın) ^{kullanabilir,}"Buz Pig yaparken> 7. Yüksek cafetière buz fraksiyonu, tipik olarak% 80, gereklidir. Online buz fraksiyonu algılama Son araştırmalar, hem elektromanyetik ve ultrasonik dalgalar iş ^{8, 9, 10, 11} için uygun olduğunu gösterdi.

Buz domuz genellikle ağırlık bazında% 5 NaCI çözeltisi (tuzlu su) ile ilgili olarak, bir kazıma yüzeyli buz hazırlama yapılır. Aynı zamanda sanayide buz çamurlar yapma birincil yoludur. Buz makinesi Bu tür soğuk metalik yüzey, tipik olarak, pürüzsüz 316 çelik yüzeyi üzerine su veya tuzlu su donar ve daha sonra periyodik olarak rahatsız partiküller makas. Sıvı metale arayüzleri çok karmaşık ve buz ¹² yapmak için gerekli olan faktörler çok çeşitli etkilenir. olmayan metal ve su arasındaki arayüzü çok farklı olabilir, ve bir özellikle ilginç bir örnektir Kaolinit olduğunu. Kaolsağlam yüzeyine bitişik uygun bir buz yapısı değil, bu ^{13 üst 14} oluşturmak için buz gibi hidrojen-bağlı kümeleri teşvik amfoterik alt-tabaka bir sıvı tabakası olmadığı için sonlu su ara-yüzünde özeldir. Buz domuz üretme başka bir yolu da yüksek konsantrasyonlu tuzlu su aynı anda ilave edilir ise önceden hazırlanmış buz blokları kırma gerektirir. Resim donma noktası düşürücü (FPD) buz oluşumundan önce ilave edilir, bu yöntem için, soğutma sisteminin çok daha yüksek bir buharlaştırma sıcaklıkta olabilir; Bu nedenle bağlı belirli bir soğutma görev ^{15, 16, 17} için alçaltılmış sıkıştırma oranı ve azaltılabilir gücüne daha etkili olarak kabul edilir.

diğer iki buz üretim yöntemi vardır: aşırı soğutulmuş sudan buz üreten ve doğrudan temas soğutucu ve su koyarak ^{18, 19.} aşırı soğuma yöntemi buz çekirdeklenme ve büyüme üretmek için metastable aşırı soğutulmuş su rahatsız içerir. Bu yöntem için en büyük sorun sistemini bloke edebilir istenmeyen buz oluşumudur. soğutucu ne de yağlama yağı ne son buz üründe aranan çünkü doğrudan temas yöntemi buz pigleme için uygun olmadığı kabul edilir.

buz oluşumu nedeniyle sürecinde oluşturulan füzyon gizli ısı ısı ve kütle transferi gerektirmektedir. İlk gazların ısı ve kütle ulaşım kuvvetle bağlanır ve benzeri matematiksel formüller ²⁰ ifade edilebilir 1874 yılında Osborn Reynolds tarafından keşfedilmiştir. Bu çalışma sıvıları momentum, ısı ve kütle transferi konusunda öncü kağıt kurdu ve ²² birkaç kez ²¹ yeniden basıldı. Bu konu daha sonra bir tarafından incelenmiştirGaz, sıvı, ve erimiş metal ^{23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33} için analitik ve empirik yaklaşımlar, başkalarının sayısı. Kenara ısı ve kütle transferi, sıvı dendritik buz büyüme gelişebilir çekirdeklenme siteleri ihtiyacı var. Buz kristallerinin büyüme içine modern fikir buz Bu şekilde ^{34, 35, 36} yetişen açıklamak Adrian Bejan geliştirdiği Constructal Kanunu kullanılır.

tuzlu su buz oluşumu nedeniyle tuzunun varlığı saf su içinde olandan çok farklıdır. Her şeyden önce, tuz sıvı termodinamik değiştirir ve donma noktasını karartıyor. İkinci olarak, tuz (sıcaklık ötektik noktasına ulaştığında, sadece oluşturabilen, Hidrohalit hariç), buz matris içinde çözülmez ve buz büyümeye başladığı zaman dökme sıvı transfer edilmektedir. Tuz ret laboratuarında ^{37, 38} okudu deniz buz ve buz hem de keşfedildi. reddedilen yüksek konsantrasyonlu brin bir sıcaklığa çok altında, deniz suyunun donma noktasında olduğundan, inerken, buz akan tuzlu su ve hareketsiz dökme sıvı arasındaki arayüzde büyür. Ayrıca brinicles adlı bu buz sarkıtlar, ilk McMurdo Sound, Antarktika keşfedildi ve deneysel ^{39, 40, 41, 42} çalışıldı. 2011 yılında, BBC Frozen Planet serisinin brinicles oluşumunu filme"xref"> ^{43, 44.}

Laboratuvarda, su soğuk tuzlu su banyosuna sokulur akan ve durgun sıvılar tersine çevirerek, su doğru koşullar altında ⁴⁵ buz dönüşebilir olduğu ortaya çıktı. Su ilave edilir konumu, reolojisini, akış ve tuzlu su ısı ve konsantrasyon fazla buz üretilebilir kadar etkileyen tüm önemli faktörler olduğu bulunmuştur. Bu çalışmanın genel amacı, bir buz makinesi yüksek evaporatör sıcaklığı ve sıvı-sıvı ısı transferi yüksek oranda enerji kullanımının verimliliğini artırabilir düşünüyor, buz çamurlar oluşturmak için bu mekanizma yoluyla gelişmiş olabilir, eğer araştırmaktır. Bu makale hisseleri deney anahtar yönleri.

Protokol

Dikkat: Bu deneylerde kullanılan iki zehirli kimyasallar, metanol ve etilen glikol bulunmaktadır. Metanol, formik asit veya format tuzu formaldehit oluşturmak için insan vücudunda metabolize edilebilir. Bu maddeler merkezi sinir sisteminde zehirli ve hatta ölüme yol açabilir. Etilen glikol, sonra oksalik asit dönüşebilir asit, glikolik oksidize edilebilir. Bu böbrek yetmezliği ve ölüme neden olabilir. Bu kimyasallar içmeyin. bir kaza durumunda hemen bir doktora başvurun.

1. Soğutma Sistemi

NOT: ortam sıcaklığı, oda sıcaklığında yaklaşık olarak ise ° C ya da daha -18 tuzlu tutmak zordur. Etilen glikol ve tuzlu depolama tankları aşırı elektrik tüketimini önlemek ve optimum sistem performansı sağlamak için iyi yalıtılmış ve makul boyutta olması önemlidir. Tank boyutu 30 L. geçmemesi önerilmektedir

1. Ikincil soğutma sıvısı hazırlayın
   1. ikincil soğutma tankı, tank A (: 200 mm, Yükseklik x 400 mm: 350 mm Taban) içine etilen glikol 1 L dökün. Tank A'ya su yaklaşık 0,6-0,65 L (600-650 g) ekleyin
   2. Adımı tekrarlayın 1.1.1 birkaç kez Tank A (25 L) içinde yeterli sıvı kalmayıncaya kadar.
   3. akışkan homojen şekilde sıvıyı karıştırın.
   4. Tam kapasite ayarı (2,500 L / saat) Tank A iki pompa açın. tüm kabarcıklar ısı eşanjörleri sıkışıp ve borular serbest olduğundan emin olun.
   5. tüm kabarcıklar serbest olup olmadığını gözlemlemek için pompayı kapatın. Eğer değilse, adım 1.1.4 tekrarlayın.
2. Tuzlu su hazırlanması
   Not: Bu örnekte, 22 ağırlıkça% brin hazırlanır. Diğer konsantrasyonları ihtiyaç varsa, ilave tuz kütlesi de uygun şekilde değiştirilmelidir. Referans tuzlu su konsantrasyonu ve yoğunluk değerleri Sayfa D-257 inci 64 ^inci Edition (1983) bulunabilirKimya ve Fizik ⁴⁶ e CRC Handbook.
   1. 5 litrelik plastik beher içine su 4 kg ekleyin.
   2. elektronik bir tartıda NaCl tuzu 1 kg ölçün ve su ile beher içine, bu tuz dökün.
   3. Çözelti berraklaşıncaya kadar karıştırdıktan (yani, çözelti içinde görünür bir tuz partikülleri ya da su kabarcığı vardır).
   4. 10 mL'lik bir şırınga kullanılarak çözelti, ~ 10 mL numune alın.
   5. U boru yoğunluğu metre içine sıvı enjekte edilir.
   6. tüpündeki hava kabarcıkları olup olmadığını kontrol edin. Eğer varsa, onları dışarı itmek için daha fazla sıvı enjekte.
   7. Basın "Hızlı Ayarlar" seçin ve "Yoğunluk Sıcaklığı." 20 ° C ve basın yazın "Tamam." yoğunluk ölçer şimdi bu sıcaklıkta akışkan yoğunluğunu ölçer.
   8. Basın başlatmak ve sonucu bekleyin.
   9. 1.164,00 kg / m ³ ile yoğunluk okuma karşılaştırın.
   10. okuma compariso altında ise daha fazla tuz ekleyinn yoğunluğu. Aksi takdirde su ekleyin.
   11. Adımları tekrarlayın 1.2.3-1.2.10 akışkan yoğunluğu doğru olana kadar (1164,00 kg / m ^3).
   12. Daha büyük bir kabın içine bu çözüm dökün, Konteyner A.
   13. Kullanım tuzlu 35-40 L yapmak ve -40 ° C'de bir göğüs dondurucu içine Konteyner A koymak 1.2.1-1.2.12 adımları. sıcaklığı (bu, 22 ağırlıkça%, tuzlu su donma noktası) -19,18 ° C ulaşana kadar, 48-72 saat boyunca burada tuzlu tutun.

Enjekte ve Yıkama Su Buz 2. Hazırlık

1. Enjekte su buz hazırlayın
   1. Küçük bir kap (200 x 200 x 50 mm) içine su 1 L dökün.
   2. Başka bir kapta ile adımı yineleyin 2.1.1 ve -40 ° C'de göğüs dondurucuda iki kapları yerleştirin.
   3. tüm suyun dondurulur sağlamak için 10 saat veya daha fazla süre ile dondurucu içinde tutun.
2. Yıkama suyunun buz kabuğu hazırlayın
   1. 5 L su ile 5 L'lik bir kap doldurun.
   2. 2 L su ile 2 L'lik bir kap doldurun.
   3. donmamış su çevresinde buz ambalajın kalın kabuk olacak şekilde 8-10 saat boyunca -40 ° C 'de göğüs dondurucu içine de beher yerleştirin.
   4. Buz kabuk üstündeki 3 cm çapında bir delik açmak için dokunun 3-5 m / s hızında yüksek hızlı su jeti kullanın.
   5. Buz kabuğun içinde suyu boşaltın.
   6. geri dondurucuya iki beher koyun.
   7. Buz kabuk kütlesi iki bardak için 3 kg ve 1 kg ulaşamazsa, sırasıyla tekrarlayın 2.2.1-2.2.5 adımları ancak adım 2.2.3 uzun dondurucuda beher tutun. İki bardak Şimdi, sırasıyla, 2 L su ve 1 L içermesi mümkün olmalıdır.

3. Su Giriş Pozisyonu ve Reoloji Kontrol Deneyi

1. Tuzlu su yüzeyinde su tanıtmak
   1. Konteyner A 22 ağırlıkça%, soğuk 2 L tuzlu su süzünsoğutma ünitesindeki dondurma makinesi ve anahtarın alüminyum kova.
   2. Bir termometre / termokupl ile tuzlu su sıcaklığını ölçmek (K-Tipi ya da T-tipi uygundur). tuzlu su -15 ° C veya daha düşük olması durumunda deneye taşıyın.
   3. oda sıcaklığında musluk suyu ile 100 ml cam şırınga doldurun. bir şırınganın ucu ile 2 mm iç çapa, kalın 1 mm ve 1-m uzunluğunda silikon boru takın.
   4. şırınga içinde, su ve silikon tüp çıkışı arasında bir kafa vardır, öyle ki belirli bir konumda şırınga. hidrostatik basınç tüpü dışarı suyu sıkmak.
   5. tuzlu su içine silikon tüpün belirli bir uzunluğu, tipik olarak 70 cm, daldırın.
   6. hidrostatik basınç su şırınga ayrılmak için izin vermek yeterince büyük olduğunu ve böylece şırınga ve tüp çıkış arasındaki göreli konumunu ayarlayın. Tüp bloke olursa, unt daha yüksek bir dikey konuma şırınga yükselterek kafa artırmakil hidrostatik basınç tüpü içinde kayma gerilmesi üstesinden gelebilir.
   7. Tüp çıkış kabaca 1 cm ya da salamura yüzeyi üzerinde daha az tutun.
   8. Suyun çıkış sıcaklığı izin vermedi ve tuzlu su yüzeyinde meydana ne kadar buz yapılabilir ya da ne kadar karıştırma belirlemek için akış hızı kontrol etmek için batık tüpün uzunluğu ve şırınga yüksekliğini ayarlayın. donma fenomen şimdi tuzlu su yüzeyinde dikkat edilmelidir. Daha fazla yön için başvuru 45 Bkz.
2. Tuzlu su ile tanıtmak
   1. Yineleyin 3.1.1-3.1.6 adımları.
   2. tercihen, kabın alt tarafında, tuzlu su içindeki tüp çıkışına devam edin.
   3. batık tüpün uzunluğu ve şırınga yüksekliğini ayarlayın.
   4. akış reolojisini kontrol etmek için tüp çıkış açısını ayarlayın.
   5. Tekrarlayın iyi birleştiğinde akış reolojisini bulmak ve en buz üretebilir debi için 3.2.3-3.2.4 adımları.

4. Buz Üretim, Koleksiyon ve Ölçme

1. buz yapmak
   1. borularda kabarcıkları varsa, glikol sirkülasyon sisteminin dışına kabarcıkları serbest bırakın ve sonra pompalar kapatmak için Tank A içinde iki pompa açın.
   2. Üç soğutma üniteleri açın ve onları etilen glikol çözümleri soğumaya 10-16 saat çalışmasına izin verin.
   3. Bir termometre / termokupl ile etilen glikol çözeltisi ölçün. glikol sıcaklığı yaklaşık -25 ° C olması gerekir.
   4. 4.1.5 adıma geçmeden önce ° C -19 de emin yapmak için Konteyner A tuzlu su sıcaklığını ölçün.
   5. Tank A'da iki pompa üzerinde yaklaşık 30 Konteyner A tuzlu L ve anahtarı ile, tuzlu su tankı, tank B Dolgu
   6. Bu daha soğuk -19 ° C Tank A'da glikol sıcaklığını ölçmek, ısı değiştiricileri dışındaki buz parçacıklarının çökelmesini engellemek için bir veya daha fazla soğutma birimi kapatın In Tank B. sıcaklığı her üç soğutma ünitelerinde açmak, beklenen tuzlu su sıcaklığından daha sıcaksa. -17 ° C ila -19 ° C deney yürütmek.
   7. yalıtılmış 5-L beher, Konteyner B içine adım 2.1 iki buz premade blok yerleştirin ve beher içine su yaklaşık 3 L dökün.
   8. Su sıcaklığını ölçmek ve sıcaklık yükselir ise deneyler arasındaki karışım karıştırılarak 2 ° C'de saklayın.
   9. 2 ° C suyun 100 mL 'si ile, cam şırınga doldurun.
   10. yoğunlaşmasını ve buz oluşumunu durdurmak için Tank B cam penceresine metanol 5-10 ml uygulayın.
   11. sabit bir hidrostatik basınç ve böylece sabit bir akış hızı olacak şekilde şırınga ve tüp çıkışı arasında göreceli konumunu ayarlayarak tuzlu suyu enjekte edilir. silikon tüp yaklaşık 70 cm tuzlu batık edilmelidir. 0 ° enjeksiyon açısını ayarlayın, böylece yukarı korkunç ilk su hızıction 0 m / s dir.
       NOT: Şırınga olabilir ya el veya stand kenetlenmiş. o bir stand ayarlamak için daha fazla zaman alır, ve buz tüpü engelleyebilir çünkü tuzlu su sıcaklığı, soğuk olduğunda elle tutulan daha uygun olur. sabit bir akış hızı ve enjeksiyon açısı (0 °) sağlayarak ve kabaca 3 cm tüp çıkışına üzerinde dondurma sınır tutarak deney boyunca tutarlı akış reoloji tutun. Akış bunu ⁴⁷ türbülanslı açmak başlar bölgeyi girmesine izin vermeyin. Daha fazla yön için başvuru 45 Bkz.
   12. adımlarda 4.2 ve 4.3 açıklandığı gibi buz toplayın. Farklı salamura sıcaklıklarında 4.1.11 - Tekrar 4.1.8 adımları.
2. Üretilen buz toplayın ve üretilen ne kadar buz tahmin (kuru toplama)
   1. tuşuna basarak okuma ölçeğinde bir kap (200 × 200 × 50 mm) koyun ve sıfır düğme "Turn On".
   2. buz oymak ve sıyrılmaya elek kullanıntuzlu suyla yıkandı.
   3. kapta bu buz koyun. ölçeğini kullanarak buz kütlesini ölçün.
   4. Buz eridikten sonra, örnek almak için 10 mL'lik bir şırınga kullanın. yoğunluk ölçüm aletine sıvının bu örnek enjekte edilir.
   5. adımları gerçekleştirin 1.2.6-1.2.9.
   6. yoğunluk okuma kaydedin.
   7. Yoğunluğu net su kütlesi hesaplanır (yani, buz içine dönüştürülen su kütlesi), aşağıdaki formül kullanılarak:
      
      nerede ağırlıkça% brin konsantrasyonudur ve ve sırasıyla tuz ve su kütleleri vardır.
3. Üretilen buz toplayın ve üretilen ne kadar buz tahmin (ıslak toplama)
   1. Bir buz kabuğu (Adım 2 5-L beher.2) ve oda sıcaklığı musluk suyu. -40 ° C'de geri dondurucuya koydu.
   2. sıcaklığı 0 ° C'de iken, 2-L beker içine 5 L'lik bir behere buz kabuğu suyu süzün. 5-L beher doldurun. dondurucuda hem beher tutun.
   3. adımlar 4.1.8 ve 4.1.9 üretilen buz kepçe ve onu yıkamak için buza 2-L beher su 200-500 ml dökün. 0 ° C su uygulamadan önce elek sallamayın.
   4. elek sıvıyı silkeleyin.
   5. Yineleyin 4.2.2-4.2.7 adımları.

Sonuçlar

Şekil 1, tuzlu su ile enjekte suya tuzlu yüzeyinde ortaya suyun etkilerini karşılaştırır. Su dökme sıvı ile çok karıştırmak yoktu çünkü "buz kap" senaryoda, oluşan buz sağlam. iki sıvı arasındaki ısı ve basınç farkı su kaldırma kuvveti oluşturur ve karıştırılması önler. Hem sıvılar statiktir (örneğin, ısı transfer kütlesinin çok daha büyüktür; Sc ≈ 500, Pr ≈ 10, Le ≈ 50), bu yüzden, buz kolay oluşab...

Tartışmalar

ikincil soğutucu olarak tuzlu kullanarak buz nesil süreci ısı ve kütle transferi kombinasyonunu içerir. Isı transferi büyükse, daha sonra su önce buz formları toplu sıvıyla karıştırmak için şansı var. Bu kişiye su ve hareketsiz kütle tuzlu su arasında göreceli bir hareket olduğu zaman (yani, tuzlu su içinde enjekte su), akım ısı transferi sağlar ve hızlı bir şekilde oluşturulması için buz teşvik gözlemlenmiştir. Çok fazla türbülanslı akışta olduğu, ancak, herhangi bi...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
DMA 4500 M	Anton Paar	81546022	Density Metre
GELATO Chef 2200	magimix	0036500504R13	Ice Cream Maker
280D	FREEZE MASTER	241-1441	Pipe Freezer
M17.5X2	BLUE ICE MACHINES	GK924	Slushy Puppy Machine
HH68K	OMEGA	140045	Thermometer
OHAUS	TS4KW	1324	Scale
ZFC321WA/BNI225	ZANUSSI	920672574-00	Freezer
EIS Heater Matrix	Vauxhall	214720041	Heat Exchanger
2500LPH	JBA	AP-2500	Pump
Glass syringe	FORTUNA Optima		100 mL
OAT concentrated coolant	wilko	P30409014	Ethylene Glycol
pure dried vacuum salt	INEOS Enterprise	1433324	NaCl Salt
Methylated Spirits	Barrettine	1170	Methanol