Method Article
هنا، نقدم بروتوكول للتدليل على جيل من الجليد عند تقديم الماء لحمام بارد من محلول ملحي، وكمبرد الثانوية، في مجموعة من درجات الحرارة أقل بكثير من نقطة تجمد الماء. ويمكن استخدامه كطريقة بديلة لإنتاج الجليد للصناعة.
ونحن لشرح طريقة لدراسة الحرارة والكتلة نقل والظواهر تجميد في بيئة المياه المالحة subcooled. وأظهرت تجربتنا أنه في ظل الظروف المناسبة، والجليد يمكن أن تنتج عندما يتم إدخال الماء إلى حمام من محلول ملحي بارد. لجعل شكل جليد، بالإضافة إلى وجود مزيج الماء المالح والماء، فإن معدل نقل الحرارة يجب تجاوز ذلك من نقل الجماعي. عندما يتم إدخال الماء في شكل قطرات صغيرة على سطح الماء المالح، وطريقة نقل الحرارة والشامل عن طريق الانتشار. توقف الطفو المياه من الاختلاط مع الماء المالح تحت، ولكن كما الجليد ينمو أكثر سمكا، ويبطئ معدل انتقال الحرارة، مما يجعل الجليد من الصعب أن ينمو نتيجة لذلك. عندما يتم إدخال الماء داخل محلول ملحي في شكل تدفق، تم العثور على عدد من العوامل التي تؤثر على مقدار الجليد يمكن أن تشكل. درجة حرارة الماء المالح وتركيز، والتي هي القوة الدافعة والحرارة ونقل الجماعي، على التوالي، يمكن أن تؤثر على تحويل راتي الماء إلى جليدس؛ انخفاض درجات الحرارة حمام وتركيز المحلول الملحي تشجع المزيد من الجليد لتشكيل. والريولوجيا التدفق، والتي يمكن أن تؤثر بشكل مباشر على كل من الحرارة ومعاملات نقل الجماعي، هو أيضا عامل رئيسي. بالإضافة إلى ذلك، الريولوجيا تدفق يتغير مجال الاتصال من تدفق مع السوائل السائبة.
وتستخدم عجائن الجليد على نطاق واسع في الصناعة، واحد التطبيق الناجح بشكل خاص هو-ولادة الخنازير تكنولوجيا الثلج 1 و 2. بالمقارنة مع رغوة التقليدية وخنزير الصلبة، يمكن للخنزير الجليد السفر من خلال طبولوجيا معقدة على مسافة طويلة بسبب تأثير تزييت الطور السائل وارتفاع درجة التجمد لها وبعض من الجليد بلورات تذوب 3، 4، 5 . حتى لو كان يحصل عالقا الخنزير، يمكن للمرء ببساطة الانتظار للعجائن الجليد في الذوبان واستئناف عملية التنظيف في وقت لاحق. هذه الطريقة في التنظيف الأنابيب هي رخيصة وسهلة الاستخدام.
جزء الجليد يلعب دورا رئيسيا في أداء الخنزير الجليد. لقياس نسبة الجليد، يمكن للمرء استخدام كافيتيري (الصحافة الفرنسية) لتحديد ما إذا كان الطين الجليد سميكا بما يكفي 6،"> 7. هناك جزء الجليد عالية كافيتيري، عادة 80٪، مطلوب عند إجراء ولادة الخنازير الجليد. وأظهرت البحوث التي أجريت مؤخرا على الإنترنت كشف جزء الجليد أن كلا من الموجات الكهرومغناطيسية والموجات فوق الصوتية هي مناسبة لهذا المنصب 8، 9، 10، 11.
عادة ما تكون مصنوعة الخنزير الجليد صانع الجليد كشط سطح من حل كلوريد الصوديوم 5٪ بالوزن (الماء المالح). بل هو أيضا وسيلة أساسية لجعل عجائن الجليد في الصناعة. هذا النوع من صنع الثلج يتجمد الماء أو محلول ملحي على سطح معدني بارد، عادة ما يكون سطح أملس 316 الفولاذ المقاوم للثم ماكينة القص دوريا جزيئات الجليد قبالة. واجهات السائل إلى المعدن معقدة جدا وتتأثر مجموعة واسعة من العوامل التي لا بد منها لصنع الثلج 12. واجهة بين غير المعدنية والماء يمكن أن تكون مختلفة جدا، ومثال واحد خاصة للاهتمام هو الكولنيت. وKaolواجهة المياه inite هو خاص بسبب عدم وجود بنية الجليد مواتية المجاور لسطح صلب، ولكن بدلا طبقة من السائل الركيزة مذبذب أن تشجع مجموعات المستعبدين الهيدروجين مثل الجليد لتشكيل فوقه 13 و 14. وهناك طريقة أخرى لإنتاج الخنزير الجليد يتطلب تكسير كتل الجليد ولم يضف بينما يتم إضافة عالية التركيز محلول ملحي في وقت واحد. لهذا الأسلوب، يمكن للنظام التبريد تشغيل عند درجة حرارة التبخر أعلى من ذلك بكثير بسبب عدم إضافة أية اكتئاب نقطة التجمد (حماية الأسرة) قبل تشكيل الجليد. وبالتالي يعتبر أكثر كفاءة نظرا لنسبة ضغط خفضت والسلطة تراجعت عن واجب إعطاء تبريد 15، 16، 17.
هناك طريقتان إنتاج الآيس الأخرى: إنتاج الثلج من المياه فائق التبريد ووضع التبريد والمياه في اتصال مباشر 18 و 19. الأسلوب ينطوي على البرودة الفائقة تعكير المياه فائق التبريد متبدل الاستقرار لتوليد التنوي الجليد والنمو. المشكلة الأكبر لهذا الأسلوب هو تشكيل الجليد غير المرغوب فيها التي يمكن منع النظام. يعتبر وسيلة اتصال مباشر وليس مناسبة للولادة الخنازير الجليد لأنه لا التبريد ولا زيت التشحيم مطلوبون في المنتج الجليد النهائي.
تشكيل الجليد يتطلب الحرارة ونقل الجماعي بسبب الحرارة الكامنة للانصهار ولدت في هذه العملية. اكتشفت لأول مرة من قبل أوسبورن رينولدز في عام 1874 أن نقل الحرارة والكتلة في الغازات تقترن بقوة ويمكن التعبير عنها في صيغ رياضية مماثلة 20. شكل هذا العمل ورقة رائدة في موضوع الزخم والحرارة ونقل الجماعي في السوائل وطبع عدة مرات 21 و 22. هذا الموضوع ثم درست من قبلعدد من الآخرين، من كلا النهجين التحليلية والتجريبية، للغازات والسوائل، والمعدن المنصهر 23، 24، 25، 26، 27، 28، 29، 30، 31، 32، 33. وبصرف النظر عن انتقال الحرارة والكتلة، يحتاج السائل مواقع التنوي حيث يمكن للنمو الجليد شجيري تتطور. ونظرة حديثة إلى نمو بلورات الثلج يستخدم القانون Constructal، التي وضعتها أدريان بيجان، ليشرح لماذا ينمو الجليد في هذا الطريق 34، 35، 36.
تشكيل الجليد في الماء المالح مختلفة جدا عن تلك في الماء النقي بسبب وجود الملح. أولا، الملح يغير الديناميكا الحرارية من السوائل ويقلل درجة التجمد لها. ثانيا، الملح لا يمكن أن تذوب في مصفوفة الجليد (باستثناء هيدروهاليت، التي يمكن أن تشكل فقط عندما تصل درجة الحرارة إلى نقطة سهل الانصهار)، ورفض أن السائل بكميات كبيرة عندما يبدأ الجليد في النمو. تم اكتشاف الرفض من الملح في كل من الجليد البحري والجليد درس في المختبر 37 و 38. منذ رفض محلول ملحي عالي التركيز هو على درجة حرارة أقل بكثير من درجة التجمد لمياه البحر، حيث ينزل، وينمو الجليد في التفاعل بين المياه المالحة المتدفقة والسوائل بكميات كبيرة هادئة. وقد اكتشفت هذه الهوابط الجليد، واسمه أيضا brinicles، لأول مرة في ماكموردو الصوت، والقطب الجنوبي وكان درس التجربة 39، 40، 41، 42. في عام 2011، بي بي سي بتصوير تشكيل brinicles في سلسلة المجمدة كوكب لها"XREF"> 43 و 44.
في المختبر، واكتشف أن طريق عكس السوائل المتدفقة وهادئة عند تقديم الماء للحمام من محلول ملحي بارد، والماء قد تتحول إلى جليد وفقا للشروط الصحيحة 45. وقد تبين أن الموقع حيث يتم إدخال الماء، وتدفق الريولوجيا، ودرجة حرارة المياه المالحة والتركيز كلها عوامل رئيسية تؤثر في الكيفية التي يمكن أن تنتج الكثير من الجليد. ويتمثل الهدف العام من هذه الدراسة هو التحقيق في ما إذا كان يمكن تطوير صانع الجليد من خلال هذه الآلية لتوليد عجائن الجليد، بالنظر إلى أن درجة حرارة المبخر مرتفعة وارتفاع معدل نقل الحرارة السائل إلى سائل يمكن أن تعزز كفاءة استخدام الطاقة. هذه المادة سهم الجوانب الرئيسية من التجربة.
الحذر: هناك نوعان من المواد الكيميائية السامة، والميثانول وجلايكول الإثيلين، وتستخدم في هذه التجارب. الميثانول يمكن استقلابه في الجسم البشري لتوليد الفورمالديهايد ثم إلى حمض الفورميك أو ملح فورمات. هذه المواد سامة للجهاز العصبي المركزي، وربما حتى تسبب الموت. جلايكول الإثيلين يمكن أن تتأكسد لحمض الجليكوليك، والتي يمكن أن تتحول بعد ذلك إلى حمض الأكساليك. هذا يمكن أن يسبب الفشل الكلوي والموت. لا تشرب هذه المواد الكيميائية. استشارة الطبيب فورا في حالة حدوث حادث.
1. نظام التبريد
ملاحظة: من الصعب جدا للحفاظ على المياه المالحة في -18 درجة مئوية أو حتى عندما تكون درجة الحرارة المحيطة تقريبا في درجة حرارة الغرفة. من المهم أن الدبابات تخزين جلايكول الإثيلين والماء المالح هي معزولة جيدا وذات حجم معقول لتجنب استهلاك الكهرباء الزائدة وضمان الأداء الأمثل للنظام. فمن المستحسن أن حجم الخزان لا تتجاوز 30 L.
2. إعداد الجليد لحقن وغسل الماء
3. المياه مقدمة الوظيفة وتجربة تحكم دراسة الخواص الانسيابية
الحمار = "jove_title"> 4. إنتاج الثلج، وجمع، والقياس
الشكل 1 يقارن آثار المياه أدخلت على سطح الماء المالح إلى الماء المحقون من خلال محلول ملحي. في السيناريو "الايس كاب"، والجليد المتكون هو صلب لأن الماء لا يختلط كثيرا مع السوائل السائبة. الفرق في درجة الحرارة والكثافة بين السوائل اثنين يولد قوة الطفو على الماء ويمنعها من الاختلاط. كل من السوائل هي ثابتة (أي نقل الحرارة أكبر بكثير من كتلة؛ الشوري ≈ 500، العلاقات العامة ≈ 10، ولو ≈ 50)، لذلك الجليد يمكن أن تشكل بسهولة. ولا يوجد تشكيل طبقة طري ولا رفض الملح في هذه التجربة. مرة واحدة ينمو الجليد سمكا، وسوف تعيق معدل انتقال الحرارة بسبب التوصيل الحراري المنخفض وتؤثر على معدل تكوين الجليد. في هذه المرحلة، يمكن أن نلاحظ بوضوح أن قدم "المياه العذبة" يمكن تجميد لم يعد على وجه السرعة إلى مادة صلبة. وبالإضافة إلى ذلك، من دون الحمل الحراري، ومحطات الط منخفضةل التوصيل من الماء المالح نفسه أيضا يعيق نقل الحرارة الكامنة من الحوض البارد. ويرتبط معدل تكوين الجليد مباشرة مع وحساسة للغاية لدرجة حرارة الماء المالح. على سبيل المثال، الماء في -15 درجة مئوية محلول ملحي يتجمد أسرع بكثير مما كان عليه في -13 درجة مئوية محلول ملحي. في حالة حقن المياه، وشكل وحجم الجليد يرتبط إلى الريولوجيا التدفق. قضيب من الجليد هو مبين في الشكل 1 من جزأين مميزة: رئيس التوالي يليه ذيل مجعد. ويتكون القسم مجعد أقرب إلى سطح الماء المالح، حيث تدفق ديه المزيد من الاضطرابات إليها. الذيل مجعد عادة ما يكون أرق بكثير من رأس التوالي بسبب اندلاع الاضطرابات، مما يقلل الفرق بين الحرارة ومعدلات نقل الجماعي، وخصوصا في الطبقة الخارجية للتيار، حيث نقل الحرارة والكتلة هي نفسها. لذلك، لا يمكن إلا أن النواة الداخلية تجمد في الجليد. إذا بقيت خروج أنبوب أفقي بدلا من عموديا يصل، ورقة من فيل الجليدأن تتولد لتر. جيل من الجليد يصبح أكثر استقرارا وكانت النتائج قابلة للتكرار. وأخيرا، تبين أن خفض معدل التدفق ليست وسيلة فعالة للقضاء على الاختلاط. بدلا من ذلك، لأنه يزيد بشكل كبير من فرص حجب الأنبوب.
يتم الاحتفاظ زاوية حقن المياه في 0 درجة إلى المحور الأفقي عند إجراء قياسات نسبة تحويل الماء إلى جليد. ويوضح تأثير درجات الحرارة محلول ملحي، وتركيزات في الشكل 2. عادة الجلوس على نسب التحويل بين 0،4-0،9 لدرجات حرارة محلول ملحي دراستها وتركيزات. فمن المهم للحفاظ على الريولوجيا تدفق والموقف من تشكيل الجليد الحدود ثابت في كافة مراحل التجربة. حجم كبير من الماء المالح في خزان B يساعد على الحد من آثار التدرجات الحرارية المحلية على القياسات. العلاقة بين درجة حرارة الماء المالح ونسبة التحويل من الدرجة الأولى لرن درجة الحرارة درسه. وترد معاملات للخطوط الأكثر ملائمة في الجدول 1. إذا تم استخدام زاوية حقن مختلفة، ونسب تحويل المياه إلى جليد لم يعد متابعة هذه العلاقات لمجال الاتصال وبالتالي، فإن معدلات الحرارة ونقل الجماعي، مختلفة. عند جمع الجليد، فمن المهم للحفاظ على القوة المطبقة على التخلص من المياه محلول ملحي / غسل متسقة وفي محاولة لتقليل كمية المياه المتبقية في غربال. ينبغي أن تطبق كميات مماثلة من المياه المستخدمة لغسل قبالة المياه المالحة لتجنب نتائج غير متناسقة. وقد وجد أنه إذا تم استخدام أكثر من 500 مل من الماء لغسل الجليد، أي تخفيض ملوحة مزيد من غير المرجح أن يحدث. عندما يكون حجم أقل من 200 مل، يمكن للملوحة أن تصل إلى 4٪ بالوزن.
لأن درجة الحرارة المبخر هو أعلى بكثير من كشط سطح الجليد صانع، والذي يستخدم عادة -40 ° C، إذا تم استخدام هذا الأسلوب لإنتاج الثلج، فمن المتوقع أن COP العاليوفقا لحساباتنا في الشكل (3). إذا على سبيل المثال، هو ارتفاع درجة حرارة المبخر إلى -20 درجة مئوية، يمكن أن تصل إلى مؤتمر الأطراف ما يقرب من 3 لR134A المبردات.
الشكل 1: موقف مقدمة المياه. و"الغطاء الجليدي" يمكن أن تشكل عند تقديم المياه على سطح الماء المالح. قضيب من أشكال الجليد عندما يتم الاحتفاظ خروج أنبوب تستقيم. عندما يتم حقن الماء في محلول ملحي، وشكل من الجليد يتوقف على الريولوجيا التدفق. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: مقارنة نسبة التحويل بتركيزات مختلفة محلول ملحي مع خط أفضل مناسبا. كل من بريندرجة الحرارة الإلكترونية وتأثير تركيز كمية المياه يمكن تجميدها في الجليد (نسبة التحويل) عندما يتم الاحتفاظ معدل التدفق والريولوجيا نفسه. نسبة التحويل يزيد خطيا مع انخفاض في درجات الحرارة محلول ملحي. تركيزات محلول ملحي أقل في انخفاض درجات الحرارة حمام تولد المزيد من الجليد. طريقة غسل بجمع المزيد من الجليد من الطريقة الجافة جمع. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل (3): معامل الأداء في درجات حرارة المبخر مختلفة لمجموعة من المبردات. ارتفاع درجات الحرارة المبخر صالح معامل الأداء (COP) من أنظمة التبريد. المبردات الانتقالية اثنين (R22 وR134A) لديها مؤتمرات الأطراف أفضل من R502 حظرت بالفعل ويمزج (R404A وR507A).الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
تركيز الملح (٪ بالوزن) | جمع الجاف | جمع الرطب | ||
P1 | P2 | P1 | P2 | |
23.3 | -،09909 | -1.34 | -0.1196 | -1.439 |
22 | -0.1204 | -1.633 | -0.1439 | -1.839 |
21 | -0.1261 | -1.682 | -0.1545 | -1.98 |
الجدول 1: معاملات FOص الخطوط الأكثر ملائمة لنسبة التحويل مقابل رسم بياني درجة حرارة محلول ملحي. نسبة التحويل يرتبط خطيا مع درجة حرارة الماء المالح وفقا للمعادلة: . كلا وترد وسائل الغسل الجاف والرطب جمع هنا.
عملية توليد الجليد باستخدام محلول ملحي كمبرد الثانوية ينطوي على مزيج من الحرارة ونقل الجماعي. إذا كان نقل الحرارة أكبر، ثم أشكال الجليد قبل أن الماء لديه فرصة لخلط مع السوائل السائبة. ولوحظ أنه عندما يكون هناك حركة نسبية بين الماء قدم ومحلول ملحي بالجملة هادئة (أي ضخ المياه داخل محلول ملحي)، وتدفق يساعد على نقل الحرارة ويشجع الجليد لتشكيل بسرعة. ومع ذلك، عندما يكون هناك الكثير من الاضطراب في التدفق، لا الجليد يمكن أن تتولد. أكبر الحد من هذه التقنية هو خلط والتخفيف من محلول ملحي. فإن حجم الماء المالح يستمر في الارتفاع مع استمرار العملية. لذلك، عندما صنع الثلج بهذه الطريقة، فمن المهم أن يكون على بينة من ارتفاع حجم محلول ملحي واسقاط ملوحة الماء المالح. وبالإضافة إلى ذلك، لوحظ أنه إذا لم يتم جمعها الجليد ولدت، وسوف تذوب. قد يكون هذا لأن الماء المالح ليست في درجة حرارة انصهاره، والسماح كلا الحرارةونقل الجماعي بين الجليد شكلت وسائل بالجملة. طريقة نقل الحرارة والشامل عن طريق الانتشار فقط، ومعدل ذوبان بطيء. ومع ذلك، منذ الجليد يطفو على سطح الماء المالح، إضافي دخول الحرارة من البيئة المحيطة يعزز معدل ذوبان الجليد. لهذا السبب، ينبغي جمع الجليد ولدت على الفور بمجرد إنتاجه لتجنب حدوث زيادة أخرى في حجم محلول ملحي.
الحد من التخفيف أو فصل الماء ويجري حاليا دراسة الملح في مختبرنا. واحدة من العديد من الأفكار هو لإعادة الماء المحقون إلى أنبوب آخر أكبر في القطر لذلك سوف فقط أن تتعرض هذه المياه إلى السائل بكميات كبيرة لفترة قصيرة من الزمن، والتقليل من التغير في حجم التبريد الثانوي. وتحدث التنوي الجليد عندما يتعرض الماء إلى الماء المالح، تليها الانتهاء من النمو الجليد في أنبوب أكبر. بإضافة هذا سطح صلب، وملوحة معظم الجليد ولدت هي السيطرة عليها. على سبيل المثال، إذا كان مطلوبا انخفاض محتوى الملح في الجليد، يمكن للمرء أن إضافة المزيد من "المياه العذبة" إلى السائل في الأنبوب الثانوي. طول المغمور من هذا الأنبوب الثانوي يمكن تغييرها بسهولة، اعتمادا على جزء الجليد المطلوبة للمنتج.
والريولوجيا تدفق له تأثير كبير على مساحة اتصال وعلى نسبة التدفق في السوائل بكميات كبيرة منطقة إلى حجم. وتشير ملاحظاتنا أن مساحة أكبر من الاتصال هو أكثر ملائمة لتشجيع المزيد من الجليد لتشكيل. يجب أن مساحة زيادة الاتصال أيضا تعزيز نقل الجماعي، ولكن لم يتم حتى الآن لاحظت في درجة حرارة محلول ملحي وتركيز نطاق الدراسة. ويبدو أن أمام تدفق يدخل منطقة انتقالية، حيث تبدأ الاضطرابات وفصل تدفق تحدث، وسوف يكون دائما خلق كريم. إذا يفصل تدفق وجود اضطرابات كبيرة، كل مجموعة من جزيئات الماء يحتاج نقطة التنوي الخاصة بها، والجليد قد لا تشكل في هذه الحالات.
"> العلاقة بين درجة حرارة الماء المالح ونسبة تحويل الماء إلى جليد خطية بينما عند تركيز المحلول الملحي المستمر. والتحولات من نسبة التحويل مقابل درجة حرارة محلول ملحي خطوط أفضل تناسب تشير إلى أن تركيز محلول ملحي أيضا يلعب دورا هاما في عملية تخفيف / الماء تشكيل الجليد. ونظرا لمرحلة التحول، وشروط الحدود هي مختلفة جدا في الحارة عازل للكتلة نقل دراسات القياس التقليدية، وبالتالي، فإن هذه المقارنات ليست كافية لوصف هذه الحالة.وكشفت هذه الدراسة أيضا أنه منذ الحدودية تجميد يمكن أن تكون ثابتة لمسافة مستقرة نسبيا من الخروج من الأنبوب، وتدفق يمكن أن تصل إلى حالة ثابتة للدولة. وهذا يدل على أن هذه الظاهرة يمكن أن تستخدم آلية جديدة يمكن الاعتماد عليها لإنتاج الثلج في الصناعة، حيث من المتوقع أعلى من ذلك بكثير درجة حرارة المبخر وCOP بالمقارنة مع تقنيات لصنع الثلج القائمة.
الكتاب ليس لديهم ما يكشف.
الكتاب ليس لديهم الاعترافات.
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 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved