塩水の冷浴に水を導入するアイス生成と熱・物質移動現象

ここでは、水は温度範囲井戸下水の凝固点において、二次冷媒として、飽和食塩水の冷浴に導入されたときに氷の生成を実証するためのプロトコルを提示します。これは、産業用の氷を製造する別の方法として使用することができます。

我々は、熱および物質移動のと過冷却塩水環境における凍結現象の研究のための方法を示しています。我々の実験は、水が冷たい塩水浴に導入されたときに適切な条件下で、氷を製造することができる、ことを示しました。ブラインおよび水混合物を有することに加えて、氷の形を作るために、熱伝達率は、物質移動のことを回避しなければなりません。水は塩水表面に小さな液滴の形態で導入されたとき、熱及び物質移動のモードは、拡散によるものです。浮力が下に食塩水との混合から水を停止しますが、氷が厚く成長するにつれて、それが結果として成長することがより困難で氷を作り、熱伝達の速度を遅くします。水の流れの形態で塩水内部に導入されると、多くの要因は、氷が形成することができるどのくらい影響を与えることが見出されています。熱及び物質移動の駆動力であるブライン温度と濃度は、それぞれ、水と氷変換RATIに影響を与えることができO;低い浴温およびブライン濃度は、形成するために、より多くの氷を奨励します。直接熱および物質移動係数の両方に影響を与えることができるフローレオロジーは、また重要な要因です。また、フローレオロジーはバルク流体と流体の接触面積を変化させます。

氷スラリーは、広く産業界で使用され、一つの特に成功したアプリケーションを氷ひどい技術^1、2です。従来の発泡体と固体ブタと比較して、氷ブタため、液相の潤滑効果と結晶は^3、4、5を溶融氷の一部としての凝固点の標高の長距離複雑なトポロジを通過することができ。豚が立ち往生しても、一つは単純に溶融し、それ以降の洗浄プロセスを再開するために氷スラリーを待つことができます。配管洗浄するこの方法は、安価で使いやすいです。

氷画分を氷豚の性能において重要な役割を果たしています。氷の割合を測定するためには、氷スラリーは⁶十分に厚いかどうかを判断するためにCAFETIERE（フレンチプレス）を使用することができ^、「氷のひどいを行う場合> 7。高CAFETIEREアイス画分は、典型的には80％が、必要とされる。オンライン氷フラクション検出に関する最近の研究では、両方の電磁超音波ジョブ^{8、9、10、11}に適していることが示されました。

氷のブタは、通常5重量％NaCl溶液（塩水）から掻き取り表面製氷機によって行われます。また、業界で氷スラリーを作る主要な方法です。製氷機のこのタイプは、冷たい金属表面、一般的に滑らかな316鋼表面に水または食塩水を凍結した後、周期的にオフ氷粒子を剪断します。液体-金属界面は、非常に複雑であり^、12製氷に不可欠な要素の広い範囲に影響されます。非金属と水との間のインターフェースは非常に異なることができ、一つの特に興味深い例は、カオリナイトです。 Kaolinite -水界面はの固体表面に隣接して有利な氷の構造がないので特別ではなく、むしろ^、それ¹³の上に^14を形成するために^、氷のような水素結合クラスタを促進両性基質液の層。氷ブタを生産する別の方法は、高濃度の食塩水を同時に添加しながら既成の氷のブロックを粉砕が必要です。何の凝固点降下（FPD）は氷の形成の前に添加されていないので、この方法では、冷凍システムは、はるかに高い蒸発温度で実行することができます。それが故に、所定の冷却デューティ^15、16、17のための低下による圧縮比と小さく、電力をより効率的であると考えられます。

他の二つの氷の生産方法があります。過冷却水から氷を製造し、直接接触して冷媒と水を入れて ^18、19。過冷却方法は、氷の核生成及び成長を生成するために、準安定過冷却水を乱すことを含みます。この方法の最大の問題は、システムをブロックすることができ、不要な氷の形成です。冷媒や潤滑油のいずれも最終氷製品に指名手配されているため、直接接触法は、氷の全くのには適していないと考えられています。

氷の形成は、デュー・プロセスで生成された融解潜熱に熱および物質移動を必要とします。これは、第一のガス中の熱および質量の輸送を強力に結合され、同様の数式²⁰で表すことができることを1874年にオズボーンレイノルズによって発見されました。この作品は、運動量、熱のテーマに先駆的な論文、および流体中の物質移動を形成し、数回^21、22を復刻しました。この主題は、それまでに研究されました気体、液体、溶融金属²³の分析および実験的両方のアプローチから他の数^{、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33。}別に熱および物質移動から、流体は、樹枝状の氷の成長が開発することができ核形成部位を必要とします。氷の結晶の成長に近代的な洞察は、氷がこの方法^34、35、36で成長する理由を説明するために、エイドリアンBejanによって開発された、Constructal法を使用しています。

塩水での氷の形成は、塩の存在に起因する純水のそれとは非常に異なっています。まず第一に、塩は、流体の熱力学を変更し、その凝固点を押下します。第二に、塩は、（温度が共晶点に達したときにのみ形成することができる、hydrohaliteを除く）氷マトリックス中に溶解することができず、氷が成長し始めると、それは、バルク流体に拒否されます。塩の拒絶はラボ^37、38で研究海氷と氷の両方で発見されました。拒否された高濃度の塩水がよく、海の水の凝固点以下の温度であるので、それが下降するように、氷が流れるブラインおよび静止バルク流体との間の界面に成長します。またbriniclesという名前のこれらの氷の鍾乳石は、最初のマクマードサウンド、南極で発見された、実験^{39、40、41、42}を研究しました。 2011年、BBCはそのフローズンプラネットシリーズのbriniclesの形成を撮影します"外部参照"> ^43、44。

私たちの研究室では、水が冷たい塩水浴に導入されたときに流れると静止流体を逆転させることにより、水が正しい条件の⁴⁵の下で氷に変換することができることが発見されました。これは、水が導入される位置は、レオロジーの流れ、及びブライン温度と濃度が非常に氷を製造することができるかに影響を及ぼすすべての主要な要因であることが見出されました。本研究の全体的な目標は、製氷機が上昇し、蒸発器の温度および液体対液体の熱伝達率が高いが、エネルギー使用の効率を高めることができることを考慮すると、氷スラリーを生成するために、この機構を介して開発することができるかどうかを調べることです。この記事では、実験の重要な側面を共有しています。

注意：これらの実験で使用される2つの有毒化学薬品、メタノール及びエチレングリコールがあります。メタノールは、ギ酸またはギ酸塩に、次にホルムアルデヒドを生成するために、人間の体内で代謝することができます。これらの物質は、中枢神経系に有毒であり、さらには死を引き起こす可能性があります。エチレングリコールは、次いでシュウ酸に変えることができ、グリコール酸に酸化することができます。これは、腎不全や死を引き起こす可能性があります。これらの化学物質を飲んではいけません。事故が発生した場合、すぐに医師に相談してください。

1.冷却システム

注：周囲温度が室温でおよそとき-18℃で、またはそのように塩水を維持することは非常に困難です。エチレングリコール及び塩水を貯蔵タンクが過剰電力消費を回避するために、最適なシステム性能を確保するために十分に絶縁され、合理的なサイズであることが重要です。タンクのサイズは30、Lを超えていないことをお勧めします

1. 二次冷却液を調製
   1. 二次冷却槽にエチレングリコールの1 Lを注ぎ、タンクA（ベース：200ミリメートル×400ミリメートル、高さ：350ミリメートル）。タンクAに水の約0.6から0.65 L（600〜650グラム）を追加
   2. 手順を繰り返し1.1.1数回タンクA（25 L）に十分な流体があるまで。
   3. 流体が均一になるように、流体を撹拌します。
   4. フル容量設定（2500 L / H）にタンクA内の2つのポンプのスイッチをオンにします。熱交換器や配管の中に閉じ込め、すべての気泡がリリースされていることを確認します。
   5. すべての気泡が解放されるかどうかを観察するためのポンプのスイッチをオフにします。そうでない場合、ステップ1.1.4を繰り返します。
2. 塩水の調製
   注：この例では、22重量％食塩水を調製します。他の濃度が必要な場合は、追加された塩の塊もそれに応じて変更する必要があります。参照ブライン濃度と密度の値は、ページD-257番目の64 ^番目の版 （1983年）の上で見つけることができます化学と物理学 ⁴⁶ の電子CRCハンドブック 。
   1. 5-Lのプラスチックビーカーに水の4キロを追加します。
   2. 電子規模でのNaCl塩の1キロを測定し、水を入れたビーカーの中にこの塩を注ぎます。
   3. 溶液が透明になるまで混合物を攪拌（ すなわち、溶液中で目に見える塩粒子や水の気泡が存在しません）。
   4. 10-mLシリンジを用いて溶液のサンプルを取り、〜10 mLです。
   5. U字管密度計に流体を注入します。
   6. チューブ内の気泡を確認してください。いずれかがある場合は、それらを押し出すためのより多くの流体を注入します。
   7. 押して「クイック設定」を選択し、「密度の温度。」 20°Cを押しを入力し、「OK。」密度計は、現在、この温度で流体の密度を測定します。
   8. 押して起動し、その結果を待ちます。
   9. 1164.00キロ/メートル³で読書密度を比較してください。
   10. 読み取りがcompariso以下であればより多くの塩を追加します。n個の密度。そうでない場合は、水を追加します。
   11. 手順を繰り返し1.2.3-1.2.10流体密度が正しくなるまで（1164.00キロ/ m ^3）で。
   12. より大きな容器にこのソリューションを注ぎ、コンテナA.
   13. 使用して、塩水の35-40 Lを作成し、-40℃で冷凍庫に容器Aを入れて1.2.1-1.2.12を繰り返します。その温度が（この22重量％の食塩水の凍結点）-19.18℃に達するまで、48〜72時間のためにそこに食塩水を保管してください。

注入するための氷と洗浄水の調製

1. 注入水が氷を準備
   1. 小容器（200×200×50ミリメートル）に1Lの水を注ぎます。
   2. 別の容器と繰り返し手順2.1.1とは、-40℃で冷凍庫に2つのコンテナを配置します。
   3. 全ての水が凍結されていることを確実にするために10時間以上冷凍庫に保管してください。
2. 洗浄水の氷のシェルを準備します
   1. 水5リットルで5-Lのビーカーを埋めます。
   2. 2Lの水で2リットルのビーカーを埋めます。
   3. 未凍結水周りの氷のラッピングの厚いシェルが存在するように8-10​​時間、-40℃冷凍庫に両方のビーカーを置きます。
   4. 氷の殻の上部に3 cmの直径の穴を開くためにタップ3〜5メートル/秒の速度で高速のウォータージェットを使用してください。
   5. 氷の殻の内側に水を抜きます。
   6. バック冷凍庫で2ビーカーを置きます。
   7. 氷の殻の質量は、2つのビーカーのために3キロと1キロに達していない場合は、それぞれ、繰り返しは2.2.1-2.2.5ステップが、ステップ2.2.3で長い冷凍庫にビーカーを保ちます。 2ビーカーは今、それぞれ、2 Lおよび水1Lを含めることができるはずです。

3.水導入位置とレオロジー制御実験

1. 塩水表面で水を導入
   1. コンテナAから22重量％の冷食塩水の2リットルをデカント冷却ユニット上のアイスクリームメーカーとスイッチのアルミバケツ。
   2. 温度計/熱電対（K-TypeやT型が適しているのいずれか）と食塩水の温度を測定します。塩水は、-15℃以下であれば、実験を続けていきます。
   3. 室温で水道水で100 mLのガラスシリンジを埋めます。注射器の先端に2 mmの内径、厚さ1mm、および1-メートル長いシリコンチューブを取り付けます。
   4. 注射器内の水とシリコンチューブの出口との間に頭があるように、特定の位置に注射器を置きます。静水圧は、チューブから水を絞るます。
   5. 塩水に70 cmの、典型的に、シリコーンチューブのある長さに水没。
   6. 静水圧は水が注射器を残すことを可能にするのに十分な大きさとなるよう注射器と管出口との間の相対位置を調整します。管がブロックされている場合、より高い垂直位置に注射器を上昇させることによりヘッドを増やし、UNTILは、静水圧は、チューブ内のせん断応力を克服することができます。
   7. およそ1cm以下ブライン表面の上方管出口を保管してください。
   8. 水の出口は温度を聞かせすることができどのくらいの氷や塩水の表面で発生したどのくらいの混合を決定するために、流量を制御するために水没し、チューブの長さと注射器の高さを調整します。凍結現象は今塩水表面で観察されるはずです。さらに方向のためのリファレンス45を参照してください。
2. 食塩水を通して水を導入
   1. 繰り返しは、3.1.1-3.1.6を繰り返します。
   2. 好ましくは、容器の底に、塩水内側管出口を保管してください。
   3. 水没チューブの長さと注射器の高さを調整します。
   4. 流れのレオロジーを制御するために、管出口の角度を調整します。
   5. 繰り返して、最高の結合されたフローレオロジーを見つけ、ほとんどの氷を生成することができますレートを流れるように3.2.3-3.2.4を繰り返します。

4。アイス生成、収集、および測定

1. 氷を作ります
   1. 配管内に気泡がある場合は、グリコール循環システムから泡を解放してから、ポンプをオフにするタンクA内部の2つのポンプのスイッチをオンにします。
   2. 3冷凍機のスイッチを入れ、それらをエチレングリコール溶液を冷却するために10-16時間、実行してみましょう。
   3. 温度計/熱電対とのエチレングリコール溶液を測定します。グリコール温度は約-25℃であるべきです。
   4. 必ずそれは4.1.5に進む前に、℃〜-19であることを確認するために容器A内のブラインの温度を測定します。
   5. 約30のコンテナAからの塩水のLとタンクAの2つのポンプのスイッチで、塩水タンク、タンクBを埋めます
   6. 私はそれよりも-19℃の冷たい場合はタンクAのグリコールの温度を測定し、熱交換器の外側に氷粒子の沈殿を防止するために、1つ以上の冷却ユニットのスイッチをオフnはタンクB.温度が予想されるブライン温度よりも暖かい場合は、すべての3つの冷却ユニットの電源をオンにします。 -17°Cまで-19°Cで実験を行います。
   7. 絶縁された5-Lビーカー、容器Bにステップ2.1からの氷の2既成のブロックを置き、ビーカーに水の約3 Lを注ぎます。
   8. 水の温度を測定し、温度が上昇した場合の実験の間で混合物を攪拌することにより2℃で保管してください。
   9. 2℃の水100mLでガラスシリンジを埋めます。
   10. 結露と氷の形成を停止するタンクBのガラス窓にメタノールの5-10ミリリットルを適用します。
   11. 一定の静水圧、したがって一定の流量が存在するように、注射器および管の出口との間の相対的な位置を調整することにより、塩水に水を注入します。シリコンチューブの約70センチ食塩水に沈めなければなりません。 0°に注入の角度を調整するように上向き悲惨で最初の水速度ction 0メートル/秒です。
       注：注射器は、ハンドヘルドまたはスタンドにクランプすることができます。それは、スタンドを調整するために多くの時間がかかり、氷がチューブをブロックする可能性があるため、ブライン温度が、寒いときに手持ちの方がより適切です。一定の流量と噴射角度（0°）を確保することによって、およびおよそ3センチメートル管出口の上に冷凍フロンティアを維持することによって、実験を通して一貫した流れのレオロジーを保管してください。流れは、それが⁴⁷乱流を回すために開始した領域に入らないようにしてください。さらに方向のためのリファレンス45を参照してください。
   12. ステップ4.2および4.3に記載されているように氷を収集します。異なるブライン温度で4.1.11 - を繰り返して、4.1.8を繰り返します。
2. 生成された氷を収集し、生産されるどのくらいの氷見積もり（ドライコレクション）
   1. 規模で、容器（200×200×50 mm）を入れて、ボタン "をオンにする」を押すと、読み取りをゼロ。
   2. 氷をかき出すと振り払うふるいを使用して、塩水。
   3. 容器にこの氷を入れてください。スケールを使用して氷の質量を測定します。
   4. 氷が融解した後、サンプルを取るために10 mLの注射器を使用しています。密度計への液体のこのサンプルを注入します。
   5. 手順を実行します1.2.6-1.2.9。
   6. 密度の読みを記録します。
   7. その密度から純水の質量を計算する（ すなわち、氷に変換する水の質量）以下の式を使用して：
      
      どこ重量％の塩水濃度であり、そしてそして塩と水の質量はそれぞれ、あります。
3. 生成された氷を収集し、生産されるどのくらいの氷見積もり（ウェットコレクション）
   1. アイスシェル（ステップ2で5リットルのビーカーを埋めます。2）室温の水道水。 -40℃の冷凍庫に戻します。
   2. その温度は0℃であるときに2リットルのビーカーに5リットルのビーカーからの氷殻と水をデカント。 5-Lのビーカーを埋めます。冷凍庫に両方のビーカーを保管してください。
   3. ステップ4.1.8および4.1.9で生成した氷をかき出すと、それを洗浄するために氷の上に2リットルのビーカーからの水の200から500ミリリットルを注ぎます。 0℃の水を適用する前にふるいを振らないでください。
   4. ふるい内の流体を振り払います。
   5. 繰り返しは、4.2.2-4.2.7を繰り返します。

図1は、食塩水を介して注入される水に食塩水の表面で導入された水の効果を比較します。水はバルク流体とのあまりを混ぜていなかったので、「アイス・キャップ」のシナリオでは、形成された氷は固体です。二つの流体の間の温度と密度差は、水の浮力を発生し混合するのを防止します。両方の流体は、静的である（ すなわち、伝熱質量よりもはるかに大きく、Scは≈500、Prの≈10、ル≈50）ので、氷が容易に形成することができます。この実験でどろどろ層や塩除去率のいずれも形成があります。氷が厚く成長すると、それは、その低い熱伝導率への熱伝達の速度を妨害し、氷形成の速度に影響を与えます。この時点で、明らかに導入された「甘い水」はもはや迅速に固体に凍結することができないことを観察することができます。また、対流のない、低THERMA塩水自体のリットルの導電率もコールドシンクからの潜熱の輸送を妨げます。氷の形成速度に直接に関連し、ブライン温度に非常に敏感です。例えば、-15℃の塩水中の水は-13℃のブラインよりもはるかに高速にフリーズします。注水の場合、氷の形状及び大きさは、流れレオロジーに関連しています。カーリーテールが続くストレートヘッド： 図1に示す氷のロッドは2特徴的な部分があります。巻き部は、流れがそれに多くの乱流を有するブライン表面に非常に近く形成されています。カーリーテールは、特に熱および質量の転送が同じであるストリームの外側の層で、通常ので熱および物質移動速度の差を最小化する乱流の発症のストレートヘッドよりもはるかに薄いです。したがって、唯一の内部コアを氷に凍結することができます。管出口は、垂直にではなく氷ウィルのシートを水平に保持されている場合Lが生成されます。氷の発生をより安定になり、結果が再現可能です。最後に、流速を下げるとの混合を除去する効果的な方法ではないことがわかりました。その代わりに、それはかなり管を遮断する可能性を増大させます。

水と氷の変換率の測定を行う際の水噴射角度は、水平軸に対して0°に維持されます。ブライン温度と濃度の影響は、図2に示されています。変換比は、通常、研究ブライン温度と濃度を0.9から0.4の間に座ります。実験を通して氷の形成フロンティア一定のフローレオロジーおよび位置を維持することが重要です。タンクB内の塩水の大容量は測定に局所的な熱勾配の影響を減らすのに役立ちます。ブライン温度と転化率との関係を調べ、温度鳴ったため、一次です電子。最良適合ラインの係数は、 表1に記載されています。異なる射出角が使用される場合、水と氷の変換率は、もはや接触面積ので、これらの関係に従わず、従ってし、熱及び物質移動の速度は、異なっています。氷を収集する際には、一貫性のある塩水/洗浄水を振り払うと、ふるいに残った水の量を最小化しようとする加えられた力を維持することが重要です。ブラインを洗浄するために使用される水の同様の量は、一貫性のない結果を回避するために適用されるべきです。なお、以上の水500mLの氷を洗浄するために使用される場合、任意の更なる塩分の低下が生じにくいことが判明しました。体積は200 ml未満であると、塩分が4重量％と高くすることができます。

蒸発器温度は、この方法は、氷を製造するために使用される場合、通常は、-40℃を使用して掻き取り表面製氷機よりはるかに高いので、高いCOPが期待されています図3の我々の計算によると。例えば、蒸発器温度が-20℃に上昇した場合、COPがほとんど冷媒R134Aのための3に達することができます。

図1：水の導入位置。水は塩水の表面に導入されたときに「氷のキャップ」を形成することができます。チューブ出口が直立保持された氷形のロッド。水は塩水に注入されると、氷の形状は、フローレオロジーに依存します。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図2：最適な直線と異なる食塩濃度でのコンバージョン率の比較。ブリン両方電子温度及び濃度は、流速およびレオロジーは、同一に保たれているときに氷（変換率）に凍結することができるどのくらいの水に影響を及ぼす。転化率は、ブライン温度の低下と共に直線的に増加します。低い浴温度で低い塩水濃度は、より多くの氷を生成します。洗浄方法は、乾式収集方法よりも多くの氷を収集します。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3：クーラントの範囲のための異なる蒸発器温度での成績係数。より高い蒸発温度は、冷却システムの成績係数（COP）を好みます。 2過渡冷媒（R22およびR134A）は既に禁止R502およびブレンド（R404AおよびR507A）よりも良いのCOPを持っています。この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

表1： 係数FOブライン温度ダイアグラムに対する変換比率のためのRベストフィットライン。転化率は直線式に従ってブライン温度と相関します。 。どちらの乾式と湿式の収集方法は、ここに記載されています。

二次冷媒として食塩水を使用して、氷の生成のプロセスは、熱および物質移動の組合せを含みます。熱伝達が大きい場合には、水の前に氷の形態は、バルク流体と混合するための機会を有します。これは、導入された水（ すなわち、塩水内の水を注入する）静止バルク食塩水との間の相対的な動きがあるとき、流れが熱伝達を助け、迅速に形成する氷を促進することが観察されました。あまりにも多くの乱流が流れの中に存在するときしかし、何の氷が生成することはできません。この技術の最大の制約は、塩水の混合および希釈です。塩水の量は、プロセスが継続するよう上昇し続けます。この方法で氷を作るときしたがって、上昇塩水量及び滴下ブライン塩分を認識することが重要です。加えて、生成された氷が収集されていない場合、それが溶融することが観察されました。ブラインは、両方の加熱を可能にする、その溶融温度ではないからであってもよいです形成された氷とバルク流体間の物質移動。熱及び物質移動のモードは、拡散によってであり、そして融解の速度が遅いです。氷が塩水表面に浮かぶので、周囲環境からの追加の熱侵入が氷の融解の速度を向上させます。塩水の量のさらなる増加を回避するために生産されるようになったら、このような理由から、生成された氷は、速やかに収集する必要があります。

希釈を低減または水と塩を分離すると、現在私たちの研究室で研究されています。多くのアイデアの一つは、水が唯一の二次冷媒の体積変化を最小化、短時間バルク流体に露出されるように、大径の別のチューブに注入された水を再導入することです。水は大きなチューブ内の氷の成長の完了に続いて、塩水にさらされたときに氷の核生成が発生します。この固体表面を追加することで、生成された氷のバルク塩分濃度が制御可能です。氷の下側の塩分が必要な場合たとえば、1は第二のチューブ内の流体に、より「甘い水」を追加することができます。この二次管の浸漬長さを容易に生成物の必要な氷の割合に応じて、変更することができます。

フローレオロジーは、接触の表面積にバルク流体中の流れの面積対体積比に大きな影響を与えます。我々の観察は、接触のより大きな面積を形成するために、より多くの氷を促進するためのより有利であることを示しています。接触の増加した領域はまた、物質移動を向上させる必要があり、まだ検討ブライン温度と濃度範囲で観察されていません。流れが乱流と流れの剥離が発生し始める遷移ゾーンに入る前に、氷が常に作成されるようです。流れが分離し、大きな乱流が存在する場合、水分子の各クラスタは、それ自身の核形成点を必要とし、氷は、これらの状況では形成されないことができます。

この研究はまた、凍結フロンティアは、チューブの出口からの相対的な安定した距離に固定することができるので、流れが定常状態に達することができる、ことが明らかになりました。これは、はるかに高い蒸発温度とCOPが存在する製氷技術と比較して予想されるので、この現象は、業界で氷生産のための信頼できる新しいメカニズムとして使用することができることを示しています。

著者らは、開示することは何もありません。

著者は何の確認応答がありません。