Method Article
כאן, אנו מציגים פרוטוקול כדי להדגים את הדור של קרח, כאשר מתערבים מים באמבט צונן של מי מלח, כמו קירור משני, בטווח של בטמפרטורות מתחת לנקודת הקיפאון של מים. זה יכול לשמש כדרך חלופית לייצר קרח לתעשייה.
אנו להדגים שיטה לחקר העברת חום ומסה ושל התופעות הקפאת בסביבה מלח subcooled. הניסוי שלנו הראה כי, תחת התנאים המתאימים, קרח יכול להיות מיוצר כאשר מים הוא הציג באמבט של מלח קר. כדי להפוך טופס קרח, בנוסף בעל תמהיל מלח ומים, על קצב העברת החום חייב לעקוף את זה של העברת מסה. כאשר המים הציגו בצורה של טיפות זעירות על פני שטח המלח, במצב של חום ומסה הוא על ידי דיפוזיה. הציפה מפסיקה מים מן הערבוב עם המלח מתחת, אבל כמו הקרח מתעבה, זה מאט את קצב העברת חום, מה שהופך קרח קשה יותר לצמוח כתוצאה מכך. כאשר המים הוא הציג בתוך מלח בצורת זרימה, מספר גורמים נמצאים להשפיע כמה קרח יכול להיווצר. טמפרטורה וריכוז בריין, אשר הם הכוחות המניעים של חום ומסה, בהתאמה, יכולים להשפיע על רטי המרת מים אל הקרחo; טמפרטורות אמבטיה נמוכות וריכוזי התמלחות לעודד עוד קרח להיוצר. Rheology הזרימה, אשר יכול להשפיע באופן ישיר גם מן החום וגם מקדמי העברה המוניים, הוא גם גורם מפתח. בנוסף, rheology הזרימה משנה את שטח המגע של הזרימה עם הנוזל בכמות הגדול.
Slurries הקרח נמצא בשימוש נרחב בתעשייה, ואת יישום אחד מוצלח במיוחד הוא הטכנולוגיה pigging קרח 1, 2. בהשוואת הקצף הקונבנציונלי החזיר מוצק, חזיר הקרח יכול לנסוע דרך טופולוגיות מורכבות לאורך מרחק גדול בגלל השפעת השימון של השלב הנוזלי ואת הגובה של נקודת הקיפאון שלה כמו חלק מקרח גבישים להמס 3, 4, 5 . גם אם החזיר נתקע, אפשר פשוט לחכות slurries הקרח כדי להמיס ולחדש את תהליך ניקוי מאוחר יותר. שיטה זו של ניקוי צינור היא זולה וקלה לשימוש.
שבר הקרח ממלא תפקיד מרכזי בביצוע של חזיר הקרח. כדי למדוד את השבר קרח, אפשר להשתמש CAFETIERE (בעיתונות הצרפתית) כדי לקבוע אם slurry קרח עבה מספיק 6,"> 7. שבריר קרח גבוהה CAFETIERE, בדרך כלל 80%, נדרש בעת ביצוע הצנרת נקראת קרח. מחקרים אחרונים על גילוי חלק קרח באינטרנט הראו כי הן גלים אלקטרומגנטיים ואולטרא סאונד מתאימים לתפקיד 8, 9, 10, 11.
חזיר קרח בדרך כלל נעשה על ידי יצרנית קרח מגורד-משטח מפתרון NaCl 5% WT (מלח). זוהי גם הדרך העיקרית של ביצוע slurries קרח בתעשייה. סוג זה של יצרנית קרח קופא מים או מלח על משטח מתכתי קר, בדרך כלל משטח 316 פלדה חלקה ולאחר מכן מחזור מזמרת חלקיקי הקרח off. ממשקי נוזלי אל מתכת הם מאוד מורכבים ומושפעים מגוון רחב של גורמים חיוניים קרח עושה 12. הממשק בין הלא-מתכת ומים יכול להיות שונה מאוד, ואחד במיוחד דוגמה מעניינת היא קאוליניט. Kaolממשק inite-מים הוא מיוחד כי אין מבנה קרח נוח סומך לפני השטח של מוצק, אלא שכבה של נוזל מצע amphoteric המעודדת אשכול מלוכדות המימן-הקרח כמו להיוצר על גבי זה 13, 14. דרך נוספת לייצר חזיר הקרח דורשת ריסוק אבני קרח premade בעוד מלח גבוה ריכוז מתווסף זמנית. בשיטה זו, מערכת הקירור יכולה לרוץ בטמפרטורה מתאדה הרבה יותר גבוהה כי אף דיכאון נקודת קיפאון (FPD) מתווסף לפני ההיווצרות של קרח; ולכן זה נחשב יעיל יותר בשל יחס דחיסת וריד וכוח פחתה עבור חובת קירור נתונה 15, 16, 17.
קיימות שתי שיטות ייצור קרח אחרות: ייצור קרח ממים בקירור לשים קירור ומים בקשר ישיר 18, 19. השיטה קירור-יתר כרוך בהפרות מים בקירור metastable ליצור נוקלאציה קרח וצמיחה. הבעיה הגדולה ביותר עבור שיטה זו היא היווצרות הקרח לא הרצויה שיכול לחסום את המערכת. שיטת הקשר הישירה נחשבת לא מתאימה צנרת נקרא קרח כי לא קירור ולא שמן סיכה הם רצו במוצר הקרח האחרון.
היווצרות קרח דורש חום ומסה עקב החום הכמוס של היתוך שנוצר בתהליך. זה התגלה לראשונה על ידי אוסבורן ריינולדס בשנת 1874 כי הובלת חום ומסה בגזים הם מצמידים חזק יכול לבוא לידי ביטוי נוסחאות מתמטיות דומה 20. עבודה זו יצרה את הנייר חלוצית בנושא מומנטום, חום, ומסה בנוזל ראתה אור מחדש מספר פעמים 21, 22. נושא זה ולאחר מכן נחקר על ידימספר היתר, שתי הגישות אנליטיים ואמפיריים, גזים, נוזלים, ואת מתכת מותכת 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33. מלבד העברת חום ומסה, הנוזל צריך אתרי התגרענות שצמיחת קרח הדנדריטים יכול לפתח. תובנה מודרנית לתוך הצמיחה של גבישי קרח משתמשת חוק Constructal, שפותח על ידי אדריאן Bejan, כדי להסביר מדוע קרח גדל בדרך זו 34, 35, 36.
היווצרות הקרח במי מלח שונה מאוד מזו מים טהורים בשל קיומו של מלח. ראשית כל, מלח משנה את התרמודינמיקה של נוזל ומדכא נקודת הקיפאון שלה. שנית, מלח אינו יכול להתמוסס המטריצה קרח (למעט hydrohalite, אשר יכול להיווצר רק כאשר הטמפרטורה מגיעה לנקודה eutectic), והוא דחה את נוזל בכמות גדולה כאשר הקרח מתחיל לצמוח. דחיית המלח התגלתה בשני קרח מים וקרח למד במעבדה 37, 38. מאז המלח גבוה ריכוז דחה הוא בטמפרטורה הרבה מתחת לנקודת הקיפאון של מי ים, ככל שיורד, קרח גדל על הממשק בין המלח זורם הנוזל בתפזורת השקט. נטיפי קרח אלה, גם בשם brinicles, התגלו לראשונה ב מקמורדו סאונד, אנטרקטיקה נחקרו 39 באופן ניסיוני, 40, 41, 42. בשנת 2011, ה- BBC צלמה את היווצרות brinicles בסדרת Planet הקפוא שלה"Xref"> 43, 44.
במעבדה שלנו, התגלה כי על ידי היפוך הנוזלים זורמים שקטים כאשר מים הוא הציג באמבט של מלח קר, המים עלולים להפוך קרח בתנאים הנכונים 45. נמצא כי המיקום שבו המים הוא הציג, לזרום rheology, וטמפרטורת מלח וריכוז הם כל הגורמים המרכזיים המשפיעים כיצד קרח הרבה יכול להיות מיוצר. המטרה הכללית של מחקר זה היא לחקור אם יצרנית קרח ניתן לפתח באמצעות מנגנון זה כדי ליצור slurries קרח, בהתחשב כי הטמפרטורה המאיידת הגבוהה והשיעור הגבוה של נוזל אל נוזל העברת חום יכולים לשפר את היעילות של שימוש באנרגיה. מניות מאמר זה היבטים מרכזיים של הניסוי.
זהירות: ישנם שני כימיקלים רעילים, מתנול אתילן גליקול, השתמשו בניסויים אלה. מתנול יכול להיות מפורק בגוף האדם כדי ליצור פורמלדהיד ולאחר מכן לחומצה פורמית או מלח formate. חומרים אלו רעילים למערכת העצבים המרכזית ואף עלול לגרום למוות. אתילן גליקול ניתן מתחמצן ל חומצה גליקולית, אז מה שיכול להפוך חומצה אוקסלית. זה יכול לגרום לכשל כליות ומוות. אל תשתו הכימיקלים האלה. להתייעץ עם רופא באופן מיידי אם מתרחשת תאונה.
1. מערכת הקירור
הערה: זה מאוד קשה לשמור על המלח ב -18 ° C או משהו כזה כאשר טמפרטורת הסביבה היא בערך בטמפרטורת חדר. חשוב כי טנקי אחסון אתילן גליקול ותמלחות הם מבודדים היטב ושל בגודל סביר, כדי למנוע צריכת חשמל עודפת ולהבטיח ביצועי מערכת מיטביים. מומלץ כי גודל המכל אינו עולה על 30 L.
2. הכנת הקרח עבור ההזרקה ומי כביסה
3. תפקיד מבוא מים ואת ניסוי בקרת Rheology
התחת = "jove_title"> 4. ייצור קרח, אוסף, ומדידה
איור 1 משווה את ההשפעות של מים הציגו בפני שטח המלח למים המוזרק דרך המלח. בתרחיש "קרח-קאפ", הקרח התגבש הוא מוצק כי המים לא לערבב הרבה עם נוזל בכמות גדולה. הבדל הטמפרטורה וצפיפות בין שני הנוזלים מייצר כוח ציפה על פני המים ומונע מהם הערבוב. נוזלים שניהם סטטי (כלומר, את העברת החום הוא גדול בהרבה מזה של המונית; Sc ≈ 500, Pr ≈ 10, ולה ≈ 50), כך קרח יכול להיווצר בקלות. יש לא היווצרות של שכבה רגשנית ולא דחיית מלח בניסוי הזה. כשהקרח מתעבה, זה יפריע את קצב העברת חום בשל מוליכות התרמית הנמוכות שלה ולהשפיע על קצב היווצרות קרח. בשלב זה, אפשר להבחין בבירור כי "מים מתוקים" הציג כבר לא יכול מיד להקפיא לתוך מוצק. בנוסף, ללא הסעה, את THERMA הנמוךמוליכות l התמלחת עצמו גם מעכבת את הובלת החום הכמוס מהכיור קר. שיעור היווצרות קרח קשור ישירות עם ומאוד רגיש לטמפרטורת המלח. לדוגמה, מים במי מלח C -15 ° קופא הרבה יותר מהר מאשר -13 ° C מלח. במקרה הזרקת מים, את הצורה והגודל של הקרח הוא קשור rheology הזרימה. החכה של קרח שמוצג באיור 1 יש שני חלקים בולטים: ראש ישר ואחריו זנב מתולתל. הסעיף מתולתל נוצר הרבה יותר קרוב לפני השטח מלח, שבו יש זרימת מערבולת יותר אליו. הזנב המתולתל הוא בדרך כלל הרבה יותר רזה הראש ישר בגלל תחילתה של התפרעות, אשר ממזערת את ההבדל בין חום קצב העברה המוני, במיוחד על השכבה החיצונית של הנחל, שבו ההעברות החומות ומסה זהות. לכן, רק הליבה הפנימית יכולה להקפיא לתוך קרח. אם היציאה צינור נשמרת אופקית ולא אנכית מעלה, גיליון wil קרחl להיווצר. הדור של קרח הופך להיות יותר יציבה והתוצאות לשחזור. לבסוף, נמצא כי הפחתת שיעור הזרימה היא לא דרך יעילה של ביטול ערבוב. במקום זאת, הוא מגביר באופן משמעותי את הסיכויים של חסימת הצינור.
זווית הזרקת המים נשמרת ב 0 ° עד הציר האופקי בעת ביצוע מדידות יחס ההמרה מים אל הקרח. ההשפעה של טמפרטורות וריכוזי התמלחות הם באיור 2. יחסי ההמרה נוהגים לשבת בין 0.4 כדי 0.9 טמפרטורות המלח לומדים והריכוזיות. חשוב לשמור על rheology זרימת עמדה קבועה גבול היווצרות קרח לאורך כל הניסוי. ההיקף הגדול של מלח ב הטנק B עוזר להפחית את ההשפעות של שינויי טמפרטורה מקומיים על המדידות. הקשר בין טמפרטורה מלח ואת יחס ההמרה הוא ממדרגה ראשונה עבור צלצל הטמפרטורה למדדואר. מקדמי עבור קווי-בכושר הטוב ביותר המפורטות בטבלה 1. אם זווית זריקה שונה משמשת, יחסי המרת מים אל הקרח יהיו כבר לא פעלו יחסים אלה משום שטח המגע ומכאן, שיעורי חום והמסה, הם שונים. כאשר איסוף הקרח, חשוב לשמור על הכח המופעל על להתנער מי מלח / כביסה עקבית לנסות למזער את כמות המים שנותרה המסננת. כמויות דומות של מים רגילים לשטוף המלח צריכים להיות מיושמות כדי למנוע תוצאות לא עקביות. נמצא כי אם יותר מ -500 מיליליטר המים משמש לשטוף את הקרח, כל ירידה במליחות נוספת סבירה להתרחש. כאשר הנפח הוא מתחת ל -200 מיליליטר, המליחות יכולה להיות גבוהה ככל 4% WT.
מכיוון שהטמפרטורה המאיידת היא הרבה יותר גבוהה מאשר יצרנית קרח מגורד-פני שטח, אשר בדרך כלל משתמש -40 ° C, אם שיטה זו משמשת לייצור קרח, שוטר גבוה צפויעל פי החישוב שלנו באיור 3. אם למשל, הטמפרטורה המאייד מתעלה -20 ° C, השוטר יכול כמעט להגיע 3 עבור R134A קירור.
איור 1: מיקום הקדמת מים. הצירוף "כיפת הקרח" יכול להיווצר כאשר מתערבים מים על פני השטח מלח. מוט של צורות קרח כאשר יציאת הצינור נשמר זקוף. כאשר מים מוזרקים התמלחת, צורת הקרח תלויה rheology הזרימה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2: השוואת יחס מרה בריכוזי מלח שונים עם קו המיטב-fit. שניהם בריןהטמפרטורה דואר והשפעה ריכוז כמה מים אפשר להקפיא לתוך הקרח (יחס המרה) כאשר קצב זרימת rheology נשמרים זהה. יחס ההמרה מגדיל באופן ליניארי עם ירידה בטמפרטורת מלח. ריכוזי מלח נמוך בטמפרטורות אמבטיה נמוכות ליצור עוד קרח. שיטת כביסת אוספת קרח יותר מאשר בשיטה היבשה-האוסף. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3: מקדם ביצוע בטמפרטורות מאיידות שונות עבור מגוון של נוזלי קירור. טמפרטורות מאיידות גבוהות להעדיף מקדם ביצועים (COP) של מערכות קירור. שתיים קירור המעבר (R22 ו R134A) יש שוטרים טובים יותר R502 כבר-אסר ואת התערובות (R404A ו R507A).אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
ריכוז מלח (% WT) | אוסף יבש | אוסף רטוב | ||
p1 | P2 | p1 | P2 | |
23.3 | -0.09909 | -1.34 | -.1196 | -1.439 |
22 | -.1204 | -1.633 | -.1439 | -1.839 |
21 | -.1261 | -1.682 | -.1545 | -1.98 |
טבלה 1: מקדמי FOr קווים-בכושר הטוב ביותר עבור יחס ההמרה לעומת בתרשים מלח טמפרטורה. יחס ההמרה וקושר באופן ליניארי עם טמפרטורת המלח לפי הנוסחא: . שני שיטות יבשות ורטוב-אוסף בשרות תמצאנה כאן.
התהליך של יצירת קרח באמצעות מלח כמו קירור משני כרוך בשילוב של חום ומסה. אם העברת חום גבוה, אז צורות קרח לפני המים יש את הסיכוי לערבב עם נוזל בכמות גדולה. היה נראה כי כאשר קיימת תנועה יחסית בין המים הציגו ואת המלח בתפזורת השקט (כלומר, הזרקת מים בתוך מי המלח), זרימת עוזר העברת החום ומעודדת קרח כדי ליצור במהירות. עם זאת, כאשר יש תסיסה רבה מדי זרימה, בלי קרח יכול להיווצר. המגבלה הגדולה ביותר של הטכניקה הזו היא ערבוב הדילול של המלח. היקף המלח ישמור עולה בהמשך התהליך. לכן, בעת ביצוע קרח בדרך זו, חשוב להיות מודעים נפח תמיסות עולה ומליחות מלח הפלה. בנוסף, זה היה נראה כי אם הקרח שנוצר לא נאסף, זה יתמוסס. זה יכול להיות בגלל המלח אינו בטמפרטורת ההתכה שלה, המאפשר הוא החוםומסה בין הקרח נוצר והנוזל בתפזורת. המצב של חום ומסה הוא על ידי דיפוזיה בלבד, ושיעור ההיתוך הוא איטי. עם זאת, מאז הקרח שצף על פני המלח, חדיר חום נוסף מסביבת הסביבה מגביר את קצב המסת קרח. מסיבה זו, את הקרח שנוצר יש לאסוף מיד לאחר שהוא מיוצר להימנע עלייה נוספת בהיקף של מלח.
צמצום דילול או הפרדת המים ומלח נחקר כעת במעבדה שלנו. אחד הרעיונות הרבים הוא להחזיר את המים המוזרקים אל צינור אחר כי הוא גדול יותר בקוטר כך מים יהיו חשופים רק בנוזל בתפזורת לתקופה קצרה של זמן, מזעור השינוי בנפח של הקרר המשנית. נוקלאציה קרח תתרחש כאשר מים חשופים התמלחת, ואחריו השלמת צמיחת הקרח בצינור הגדול. על ידי הוספת משטח מוצק זה, המליחות הארי של הקרח שנוצר היא לשליטה. לדוגמא, אם ריכוזי מלח נמוך יותר בקרח נדרש, אפשר להוסיף עוד "מים מתוקים" אל הנוזל בצינור משני. האורך השקוע של צינור משני זו ניתן לשנות בקלות, תלוי שבריר הקרח הנדרש של המוצר.
Rheology זרימת יש השפעה משמעותית על שטח הפנים של המגע על יחס שטח פנים לנפח של זרימת הנוזל בתפזורת. התצפיות שלנו עולות כי שטח גדול יותר של קשר הוא חיובי יותר לעידוד עוד קרח להיוצר. שטח מוגבר של קשר צריך גם לשפר ומסה, אך טרם נצפה בטווח הטמפרטורות וריכוז מלח למד. נראה כי לפני הזרימה נכנסה לאזור המעבר, שבו מערבולות והפרדה של זרימה מתחילים להתרחש, קרח תמיד ייוצר. אם זרימת מפריד מערבולות גדולות להתקיים, כל אשכול של מולקולות המים צריך נקודות התגרענות משלה, וקרח לא יכול להיווצר מצבים אלה.
"> הקשר בין הטמפרטורה המלחית ואת יחס המרת מים אל קרח הוא ליניארי ואילו בריכוז מלח מתמיד. המשמרות של יחס ההמרה לעומת טמפרטורת מלח השורות הטובה ביותר להתאמה עולה כי ריכוז מלח גם ממלא תפקיד חשוב תהליך דילול היווצרות קרח / מים. בשל שינוי השלב, תנאי השפה הם שונים מאוד במחקרי אנלוגיה תרמיים ומסה-העברה קונבנציונליות, ומכאן, אנלוגיות אלה אינן מספיקות לתיאור המצב הזה.גם מחקר זה גילה כי, מאז גבול ההקפאה יכול להיות קבוע עד למרחק יחסי יציב מהיציאה של הצינור, הזרימה יכולה להגיע למצב יציב. זה מצביע על כך תופעה זו יכולה לשמש כמנגנון חדש אמין לייצור קרח בתעשייה, שכן טמפרטורה מאיידת גבוהה בהרבה COP צפוי בהשוואה לטכניקות קיימות קבלת הקרח.
החוקרים אין לי מה לחשוף.
יש המחברים לא בתודות.
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