Name: ice generation and the heat and mass transfer phenomena of introducing water to a cold bath of brine
Uploaded: 2017-03-13T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 16 s
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Precaución: Hay dos productos químicos tóxicos, metanol y etilenglicol, que se utilizan en estos experimentos. El metanol puede ser metabolizado en el cuerpo humano para generar formaldehído y luego en ácido fórmico o sal de formiato. Estas sustancias son venenosas para el sistema nervioso central y pueden incluso provocar la muerte. El etilenglicol se puede oxidar al ácido, que entonces se puede convertir en ácido oxálico glicólico. Esto puede causar insuficiencia renal y la muerte. No beber estos productos químicos. Consulte a un médico inmediatamente si se produce un accidente. 1. El Sistema de refrigeración NOTA: Es muy difícil mantener la salmuera a -18 ° C o menos cuando la temperatura ambiente es más o menos a temperatura ambiente. Es importante que los tanques de almacenamiento de glicol de etileno y salmuera son bien aisladas y de un tamaño razonable para evitar el exceso de consumo de electricidad y para garantizar un rendimiento óptimo del sistema. Se recomienda que el tamaño del tanque no exceda de 30 L. <ol><li> Preparar el líquido de enfriamiento secundario <ol><li> Verter 1 litro de etilenglicol en el tanque de enfriamiento secundario, Tanque A (base: 400 mm x 200 mm, Altura: 350 mm). Añadir aproximadamente 0,6 a 0,65 L (600-650 g) de agua al tanque A. </li><li> Repita el paso 1.1.1 varias veces hasta que haya suficiente líquido en el tanque A (25 L). </li><li> Se agita el fluido de manera que el fluido es homogéneo. </li><li> Encender las dos bombas en el tanque de la A a la creación de capacidad máxima (2.500 l / h). Asegúrese de que todas las burbujas atrapadas en los intercambiadores de calor y los tubos son liberados. </li><li> Apagar la bomba para observar si todas las burbujas se liberan. Si no es así, repita el paso 1.1.4. </li></ol></li><li> Preparación de la salmuera NOTA: En este ejemplo, se prepara 22% en peso de salmuera. Si se necesitan otras concentraciones, la masa de sal agregada también debería ser modificada en consecuencia. Los valores de concentración y densidad de la salmuera de referencia se pueden encontrar en la página D-257 de la 64ª edición (1983) de THCRC Handbook correo de Química y Física 46. <ol><li> Añadir 4 kg de agua en un vaso de precipitados de plástico de 5 L. </li><li> Medida 1 kg de sal de NaCl en una balanza electrónica y se vierte esta sal en el vaso con el agua. </li><li> Se agita la mezcla hasta que la solución es transparente (es decir, no hay partículas de sal o burbujas de agua visible en la solución). </li><li> Tomar una muestra, ~ 10 ml, de la solución usando una jeringa de 10 ml. </li><li> Inyectar el líquido en el medidor de densidad de tubo en U. </li><li> Compruebe si hay burbujas de aire en el tubo. Si los hay, inyectar más fluido para empujar hacia fuera. </li><li> Presione &quot;Configuración rápida&quot; y seleccione &quot;Densidad de temperatura.&quot; Tipo de 20 ° C y pulse &quot;OK&quot;. El medidor de densidad ahora medir la densidad del fluido a esta temperatura. </li><li> Pulse Iniciar y esperar el resultado. </li><li> Compare la lectura de la densidad con 1164,00 kg / m3. </li><li> Añadir más sal si la lectura está por debajo del COMPARACIÓNDensidad n. Añadir agua si es de otra manera. </li><li> Repita los pasos 1.2.3-1.2.10 hasta que la densidad del fluido es correcto (1164.00 kg / m 3). </li><li> Verter esta solución en un recipiente más grande, Container A. </li><li> Siga los pasos para hacer 1.2.1-1.2.12 35-40 l de salmuera y poner Container A en un congelador a -40 ° C. Mantenga la salmuera allí durante 48-72 horas, hasta que su temperatura alcanza -19,18 ° C (punto de este 22% en peso de salmuera congeladora). </li></ol></li></ol> 2. Preparación del hielo para el agua de lavado y Inyectar <ol><li> Preparar el hielo para la inyección de agua <ol><li> Verter 1 L de agua en un recipiente pequeño (200 × 200 × 50 mm). </li><li> Repita el paso 2.1.1 con otro recipiente y coloque los dos contenedores en el congelador a -40 ° C. </li><li> Mantener en el congelador durante 10 horas o más para asegurarse de que toda el agua se congela. </li></ol></li><li> Preparar capa de hielo de agua de lavado <ol><li> Llenar un 5-L vaso de precipitados con 5 L de agua. </li><li> Llenar un 2-L vaso de precipitados con 2 L de agua. </li><li> Coloque ambos vasos en el congelador a -40 ° C durante 8-10 h, de modo que hay una cáscara gruesa envoltura de hielo en torno al agua no congelada. </li><li> Utilizar un chorro de agua a alta velocidad a una velocidad de 3-5 m / s de la llave para abrir un agujero de 3 cm de diámetro en la parte superior de la capa de hielo. </li><li> Escurrir el agua dentro de la capa de hielo. </li><li> Ponga los dos vasos de precipitados de nuevo en el congelador. </li><li> Si la masa de la capa de hielo no llega a 3 kg y 1 kg para los dos vasos de precipitados, respectivamente, repita los pasos 2.2.1-2.2.5, pero mantener los vasos en el congelador ya en el paso 2.2.3. Los dos vasos de precipitados ahora deben ser capaces de contener 2 L y 1 L de agua, respectivamente. </li></ol></li></ol> 3. El agua Introducción La posición y el experimento de control de reología <ol><li> Introducir agua en la superficie salmuera <ol><li> Decantar 2 L de 22% en peso de salmuera fría del recipiente A en elcubo de aluminio de la máquina para hacer helados y el interruptor de la unidad de refrigeración. </li><li> Medir la temperatura de la salmuera con un termómetro / termopar (ya sea tipo K o de tipo T son adecuados). Continuar el experimento si la salmuera es de -15 ° C o menos. </li><li> Llenar la jeringa de vidrio de 100 ml con agua del grifo a temperatura ambiente. Adjuntar un diámetro de 2 mm interno, de espesor 1 mm, y 1-m tubo largo de silicona a la punta de la jeringa. </li><li> Coloque la jeringa en una posición específica de tal manera que hay una cabeza entre el agua en la jeringa y la salida del tubo de silicona. La presión hidrostática se apriete el agua fuera del tubo. </li><li> Sumergir una cierta longitud del tubo de silicona, por lo general de 70 cm, en la salmuera. </li><li> Ajustar la posición relativa entre la jeringa y la salida de tubo de modo que la presión hidrostática es suficientemente grande para permitir que el agua para salir de la jeringa. Si el tubo está bloqueado, aumentar la cabeza mediante la elevación de la jeringa a una posición vertical superior, until la presión hidrostática puede superar la tensión de corte dentro del tubo. </li><li> Mantenga el tubo de salida de aproximadamente 1 cm o menos por encima de la superficie de la salmuera. </li><li> Ajustar la longitud del tubo sumergido y de la altura de la jeringa para controlar la salida del agua deja la temperatura y la velocidad de flujo con el fin de determinar la cantidad de hielo puede ser producida o la cantidad de mezcla se produce en la superficie salmuera. El fenómeno de congelación ahora debe observarse en la superficie salmuera. Véase la referencia 45 para más instrucciones. </li></ol></li><li> Introducir agua a través de la salmuera <ol><li> Repita los pasos 3.1.1-3.1.6. </li><li> Mantenga la salida del tubo dentro de la salmuera, de preferencia en la parte inferior del recipiente. </li><li> Ajuste de la longitud del tubo sumergido y de la altura de la jeringa. </li><li> Ajustar el ángulo de la salida del tubo para controlar la reología de la corriente. </li><li> Repita los pasos 3.2.3-3.2.4 para encontrar la mejor reología de flujo acoplado y la velocidad que puede producir la mayor parte del hielo fluir. </li></ol></li></ol><ol><li> hacer hielo <ol><li> Si hay burbujas en los tubos, encender las dos bombas en el interior del tanque de A a liberar las burbujas fuera del sistema de circulación de glicol, y luego apagar las bombas. </li><li> Se encienden las tres unidades de refrigeración y dejar correr durante 10-16 h para enfriar las soluciones de glicol de etileno. </li><li> Medir la solución de etilenglicol con un termómetro / termopar. La temperatura de glicol debe ser aproximadamente a -25 ° C. </li><li> Medir la temperatura de la salmuera en el recipiente A para asegurarse de que está a -19 ° C antes de proceder al paso 4.1.5. </li><li> Llenar el tanque de salmuera, Tanque B, con aproximadamente 30 l de salmuera del recipiente A y el interruptor de las dos bombas en el tanque A. </li><li> Medir la temperatura del glicol en el Tanque A. Si es más frío que -19 ° C, apagar una o más unidades de refrigeración para evitar la precipitación de partículas de hielo fuera de los intercambiadores de calor in tanque B. Si la temperatura es más caliente que la temperatura de la salmuera se esperaba, a su vez en las tres unidades de refrigeración. Llevar a cabo el experimento a -17 ° C a -19 ° C. </li><li> Coloque los dos bloques prefabricados de hielo desde el paso 2.1 en el aislamiento de 5 litros vaso de precipitados, de contenedores B, y vierta más o menos 3 litros de agua en el vaso de precipitados. </li><li> Medir la temperatura del agua y la mantendrá a 2 ° C por agitación de la mezcla entre los experimentos si la temperatura sube. </li><li> Llene la jeringa de vidrio con 100 ml de agua 2 ° C. </li><li> Aplicar 5-10 ml de metanol a la ventana de cristal de tanque B para detener la condensación y la formación de hielo. </li><li> Inyectar el agua en la salmuera mediante el ajuste de la posición relativa entre la jeringa y la salida del tubo de manera que existe una presión hidrostática constante y por lo tanto una velocidad de flujo constante. Cerca de 70 cm del tubo de silicona deben ser sumergidas en la salmuera. Ajustar el ángulo de inyección para 0 °, de modo que la velocidad inicial de agua en la extrema hacia arribacción es 0 m / s. NOTA: La jeringa puede ser o sujeto a un soporte de mano. De mano es más apropiado cuando la temperatura de la salmuera es más frío, porque se necesita más tiempo para ajustar un soporte, y el hielo puede bloquear la trompa. Mantenga la reología flujo constante durante todo el experimento, garantizando una velocidad de flujo y la inyección de ángulo constante (0 °) y manteniendo la frontera de congelación de aproximadamente 3 cm por encima de la salida del tubo. No deje que el flujo de entrar en la región en la que comienza a girar turbulenta 47. Véase la referencia 45 para más instrucciones. </li><li> Recoger el hielo como se describe en los pasos 4.2 y 4.3. Repita los pasos 4.1.8 - 4.1.11 a diferentes temperaturas de salmuera. </li></ol></li><li> Recoger el hielo producido y estimar la cantidad de hielo se produce (colección seco) <ol><li> Coloque un recipiente (200 × 200 × 50 mm) en la escala de cero y la lectura pulsando el botón &quot;Activar&quot; botón. </li><li> Utilizar el tamiz para recoger el hielo y quitarse de encimala salmuera. </li><li> Ponga este hielo en el recipiente. Medir la masa del hielo usando la escala. </li><li> Después de que se derrita el hielo, utilizar la jeringa de 10 ml para tomar una muestra. Inyectar esta muestra de líquido en el medidor de densidad. </li><li> Realice los pasos 1.2.6-1.2.9. </li><li> Registre la lectura de la densidad. </li><li> Calcular la masa neta de agua de su densidad (es decir, la masa de agua convertida en hielo) utilizando la siguiente fórmula: <img alt="Ecuación" src="/files/ftp_upload/55014/55014eq1.jpg" /> dónde <img alt="Ecuación" src="/files/ftp_upload/55014/55014eq2.jpg" /> es la concentración de la salmuera en% en peso y <img alt="Ecuación" src="/files/ftp_upload/55014/55014eq3.jpg" /> y <img alt="Ecuación" src="/files/ftp_upload/55014/55014eq4.jpg" /> son las masas de sal y agua, respectivamente. </li></ol></li><li> Recoger el hielo producido y estimar la cantidad de hielo se produce (recogida en húmedo) <ol><li> Llenar el vaso de precipitados de 5-L con una capa de hielo (paso 2.2) a temperatura ambiente y el agua del grifo. Poner de nuevo en el congelador a -40 ° C. </li><li> Decantar el agua con la capa de hielo de la 5-L en un vaso de precipitados de 2-L vaso de precipitados cuando su temperatura es de al 0 ° C. Llenar el vaso de precipitados de 5 l. Mantenga los dos vasos en el congelador. </li><li> Saca la hielo producido en los pasos 4.1.8 y 4.1.9 y verter 200-500 ml de agua de la 2-L vaso de precipitados sobre el hielo para lavarlo. No agite el tamiz antes de aplicar el agua a 0 ° C. </li><li> Sacudir el líquido en el tamiz. </li><li> Repita los pasos 4.2.2-4.2.7. </li></ol></li></ol>

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Heat Mass Transfer. 40, 799-816 (1997).</li><li>Bejan, A., Lorente, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Constructal+theory+of+generation+of+configuration+in+nature+and+engineering.">Constructal theory of generation of configuration in nature and engineering.</a> J. Appl. Phys. 100, 041301 (2006).</li><li>Bejan, A., Lorente, S., Yilbas, B. S., Sahin, A. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Why+solidification+has+an+S-shaped+history.">Why solidification has an S-shaped history.</a> Sci. Rep. 3, 1711 (2013).</li><li>Lake, R. A., Lewis, E. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Salt+rejection+by+sea+ice+during+growth.">Salt rejection by sea ice during growth.</a> J. Geophys. Res. 75, 583-597 (1970).</li><li>Wettlaufer, J. S., Worster, M. G., Huppert, H. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Natural+convection+during+solidification+of+an+alloy+from+above+with+application+to+the+evolution+of+sea+ice.">Natural convection during solidification of an alloy from above with application to the evolution of sea ice.</a> J. Fluid Mech. 344, 291-316 (1997).</li><li>Paige, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stalactite+Growth+beneath+Sea+Ice.">Stalactite Growth beneath Sea Ice.</a> Science. 167, 171-172 (1970).</li><li>Dayton, P. K., Martin, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observations+of+ice+stalactites+in+McMurdo+Sound,+Antarctica.">Observations of ice stalactites in McMurdo Sound, Antarctica.</a> J. Geophys. Res. 76, 1595-1599 (1971).</li><li>Eide, L. I., Martin, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+formation+of+brine+drainage+features+in+young+sea+ice.">The formation of brine drainage features in young sea ice.</a> J. Glaciol. 14, 137-154 (1975).</li><li>Martin, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ice+stalactites:+comparison+of+a+laminar+flow+theory+with+experiment.">Ice stalactites: comparison of a laminar flow theory with experiment.</a> J. Fluid Mech. 63, 51-79 (1974).</li><li>Jeffs, K., Attenborough, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Frozen Planet: Episode 5 'Winter'. , (2011).</li><li>Fothergill, A., Berlowitz, V., Attenborough, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ch.+Winter:+Life+closes+down.">Ch. Winter: Life closes down.</a> in Frozen Planet: A World Beyond Imagination. , (2011).</li><li>Yun, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ice+formation+in+the+subcooled+brine+environment.">Ice formation in the subcooled brine environment.</a> Int. J. Heat Mass Transfer. 95, 198-205 (2016).</li><li>Weast, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> CRC Handbook of Chemistry and Physics. 64, 257-258 (1983).</li><li>Bejan, A., Lage, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Prandtl+Number+Effect+on+the+Transition+in+Natural+Convection+Along+a+Vertical+Surface.">The Prandtl Number Effect on the Transition in Natural Convection Along a Vertical Surface.</a> J. Heat Transfer. 112, 787-790 (1990).</li></ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

El proceso de la generación de hielo usando salmuera como refrigerante secundario consiste en la combinación de calor y transferencia de masa. Si la transferencia de calor es mayor, entonces se forma el hielo antes de que el agua tiene la oportunidad de mezclarse con el líquido a granel. Se observó que cuando hay un movimiento relativo entre el agua introducida y la salmuera mayor de reposo (es decir, la inyección de agua dentro de la salmuera), el flujo de ayuda a la transferencia de calor y alienta hielo...

<html> Lechadas de hielo se utilizan ampliamente en la industria, y una aplicación particularmente exitosa es la tecnología de rascado de hielo 1, 2. En comparación con la espuma convencional y cerdo sólido, el cerdo de hielo puede viajar a través de topologías complejas a larga distancia, debido al efecto de lubricación de la fase líquida y la elevación de su punto de congelación como algunos de los cristales de hielo se derriten 3, 4, 5 . Incluso si el cerdo se queda atascado, uno puede simplemente esperar a que las lechadas de hielo se derrita y reanudar el proceso de limpieza posterior. Este método de limpieza de tuberías es barato y fácil de usar. La fracción de hielo juega un papel clave en el rendimiento del cerdo hielo. Para medir la fracción de hielo, se puede usar una cafetera de émbolo (prensa francesa) para determinar si la suspensión de hielo es lo suficientemente gruesa 6,&quot;&gt; 7. Una fracción de hielo de alta cafetera, típicamente 80%, se requiere en la realización de pigging hielo. La investigación reciente en la detección fracción de hielo en línea mostró que ambas ondas electromagnéticas y ultrasónicos son adecuados para el trabajo 8, 9, 10, 11. El cerdo de hielo se hace generalmente por una máquina de hielo de superficie raspada de una solución de NaCl al 5% en peso (salmuera). También es la forma principal de hacer lechadas de hielo en la industria. Este tipo de máquina de hielo se congela el agua o salmuera sobre una superficie metálica fría, típicamente una superficie lisa de acero 316 y luego cizalla cíclicamente las partículas de hielo fuera. Las interfaces-líquido-metal son muy complejos y se ven afectados por una amplia gama de factores que son esenciales para la fabricación de hielo 12. La interfaz entre no metal y el agua pueden ser muy diferentes, y un ejemplo especialmente interesante es caolinita. el Kaolunión entre el agua Inite es especial porque no hay una estructura de hielo favorable adyacente a la superficie del sólido, sino más bien una capa de fluido sustrato anfótero que anima a los enlace de hidrógeno similares al hielo que se forman en la parte superior de la misma 13, 14. Otra forma de producir el cerdo de hielo requiere aplastar a los bloques de hielo prefabricados, mientras que se añadió salmuera de alta concentración de forma simultánea. Para este método, el sistema de refrigeración puede funcionar a una temperatura de evaporación mucho más alta porque no depresor del punto de congelación (FPD) se añade antes de la formación de hielo; por lo tanto, se considera más eficaz debido a la relación de compresión baja y energía reducido para un destino determinado de enfriamiento 15, 16, 17. Hay otros dos métodos de producción de hielo: la producción de hielo de agua-enfriada y poniendo el refrigerante y el agua en contacto directo <supclass = &quot;xref&quot;&gt; 18, 19. El método implica sobreenfriamiento perturbar el agua supercooled metaestable para generar la nucleación del hielo y el crecimiento. El mayor problema de este método es la formación de hielo no deseado que puede bloquear el sistema. El método de contacto directo es considerado no apto para limpieza con tacos de hielo debido a que ni el refrigerante ni aceite de lubricación se desean en el producto final de hielo. La formación de hielo requiere calor y transferencia de masa debido al calor latente de fusión generado en el proceso. Fue descubierto por primera vez por Osborn Reynolds en 1874 que el transporte de calor y masa en los gases están fuertemente acoplados y se puede expresar en fórmulas matemáticas similares 20. Este trabajo formó el trabajo pionero sobre el tema del momento, el calor y transferencia de masa en los fluidos y fue reimpreso varias veces 21, 22. A continuación, este tema fue estudiado por unnúmero de otros, de ambos enfoques analíticos y empíricos, para los gases, líquidos y de metal fundido 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33. Aparte de la transferencia de calor y masa, el fluido necesita puntos de nucleación de hielo donde el crecimiento dendrítico puede desarrollar. Una visión moderna en el crecimiento de cristales de hielo utiliza Ley Constructal, desarrollado por Adrian Bejan, para explicar por qué el hielo crece de este modo 34, 35, 36. La formación de hielo en salmuera es muy diferente de la de agua pura debido a la existencia de sal. Ante todo,<html> sal cambia la termodinámica del fluido y deprime su punto de congelación. En segundo lugar, la sal no puede disolverse en la matriz de hielo (excepto para hydrohalite, que sólo puede formar cuando la temperatura alcanza el punto eutéctico), y se rechazó el líquido mayor cuando el hielo comienza a crecer. El rechazo de la sal fue descubierta en tanto el hielo marino y el hielo estudiado en el laboratorio 37, 38. Desde la salmuera de alta concentración rechazado está a una temperatura muy por debajo del punto de congelación del agua de mar, a medida que desciende, el hielo crece en la interfaz entre la salmuera que fluye y el fluido de mayor reposo. Estas estalactitas de hielo, también llamado brinicles, fueron descubiertos por primera vez en el estrecho de McMurdo, en la Antártida y se estudiaron experimentalmente 39, 40, 41, 42. En 2011, la BBC filmó la formación de brinicles en su serie Frozen Planet&quot;xref&quot;&gt; 43, 44. En nuestro laboratorio, se descubrió que mediante la inversión de los fluidos que fluyen y quiescentes cuando se introduce agua a un baño de salmuera fría, el agua puede transformarse en hielo bajo las condiciones correctas 45. Se encontró que la ubicación donde se introduce el agua, la reología de flujo y temperatura de la salmuera y la concentración son factores clave que influyen en la cantidad de hielo se puede producir. El objetivo general de este estudio es investigar si una máquina de hielo puede ser desarrollado a través de este mecanismo para generar lechadas de hielo, teniendo en cuenta que la temperatura del evaporador elevado y la alta tasa de transferencia de calor líquido-líquido pueden mejorar la eficiencia de uso de energía. Este artículo comparte aspectos clave del experimento.

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

ice generation and the heat and mass transfer phenomena of introducing water to a cold bath of brine

Se demuestra un método para el estudio de la calor y transferencia de masa y de los fenómenos de congelación en un entorno de salmuera subenfriado. Nuestro experimento mostró que, en las condiciones adecuadas, el hielo se puede producir cuando el agua se introduce en un baño de salmuera fría. Para hacer que forma el hielo, además de tener la mezcla de salmuera y agua, la tasa de transferencia de calor debe pasar por alto que el de la transferencia de masa. Cuando se introduce agua en forma de pequeñas gotas a la superficie de la salmuera, el modo de transferencia de calor y masa es por difusión. La flotabilidad se detiene el agua se mezcle con la salmuera por debajo, pero a medida que el hielo se espesa, se ralentiza la velocidad de transferencia de calor, hacer hielo más difíciles de cultivar como resultado. Cuando se introduce agua en el interior de la salmuera en forma de un flujo, una serie de factores se encuentran para influir en la cantidad de hielo puede formar. la temperatura y la concentración de salmuera, que son las fuerzas impulsoras de la transferencia de calor y masa, respectivamente, pueden afectar a la ratificación de conversión de agua-hieloo; más bajas temperaturas del baño y las concentraciones de salmuera animan más hielo a la forma. La reología de flujo, que puede afectar directamente tanto el calor y coeficientes de transferencia de masa, es también un factor clave. Además, la reología de flujo cambia el área de contacto de la corriente con el fluido a granel.

La Figura 1 compara los efectos de agua introducida en la superficie de la salmuera con el agua inyectada a través de la salmuera. En el escenario de &quot;capa de hielo&quot;, el hielo que se forma es sólida porque el agua no se mezclaba mucho con el fluido a granel. La diferencia de temperatura y la densidad entre los dos fluidos genera fuerza de flotabilidad en el agua e impide la mezcla. Ambos fluidos son estáticas (es decir, la transferencia de calor es ...

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Ice Generation and the Heat and Mass Transfer Phenomena of Introducing Water to a Cold Bath of Brine

A continuación, se presenta un protocolo para demostrar la generación de hielo cuando el agua se introduce en un baño de agua fría de salmuera, como refrigerante secundario, en un rango de temperaturas muy por debajo del punto de congelación del agua. Se puede usar como una forma alternativa de producir hielo para la industria.

Generación de hielo y la transferencia de calor y masa fenómenos de introducción de agua a un baño de agua fría de salmuera

We demonstrate a method for the study of the heat and mass transfer and of the freezing phenomena in a subcooled brine environment. Our experiment showed ...

ice-generation-heat-mass-transfer-phenomena-introducing-water-to-cold

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Temperature and Heat

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13.8K vistas.  University of Bristol.  A continuación, se presenta un protocolo para demostrar la generación de hielo cuando el agua se introduce en un baño de agua fría de salmuera, como refrigerante secundario, en un rango de temperaturas muy por debajo del punto de congelación del agua. Se puede usar como una forma alternativa de producir hielo para la industria. 

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Reservoir Condition Pore-scale Imaging of Multiple Fluid Phases Using X-ray Microtomography

X-ray microtomography was used to image, at a resolution of 6.6 &#181;m, the pore-scale arrangement of residual carbon dioxide ganglia in the pore-space of a carbonate rock at pressures and temperatures representative of typical formations used for CO2 storage. Chemical equilibrium between the CO2, brine and rock phases was maintained using a high pressure high temperature reactor, replicating conditions far away from the injection site. Fluid flow was controlled using high pressure high temperature syringe pumps. To maintain representative in-situ conditions within the micro-CT scanner a carbon fiber high pressure micro-CT coreholder was used. Diffusive CO2 exchange across the confining sleeve from the pore-space of the rock to the confining fluid was prevented by surrounding the core with a triple wrap of aluminum foil. Reconstructed brine contrast was modeled using a polychromatic x-ray source, and brine composition was chosen to maximize the three phase contrast between the two fluids and the rock. Flexible flow lines were used to reduce forces on the sample during image acquisition, potentially causing unwanted sample motion, a major shortcoming in previous techniques. An internal thermocouple, placed directly adjacent to the rock core, coupled with an external flexible heating wrap and a PID controller was used to maintain a constant temperature within the flow cell. Substantial amounts of CO2 were trapped, with a residual saturation of 0.203 &#177; 0.013, and the sizes of larger volume ganglia obey power law distributions, consistent with percolation theory.

We present a methodology for the imaging of multiple fluid phases at reservoir conditions by the use of x-ray microtomography. We show some representative results of capillary trapping in a carbonate rock sample.

Imaging Embalse Condición Pore escala de múltiples fases fluidas Usando Microtomografía de rayos X

X-ray microtomography was used to image, at a resolution of 6.6 &#181;m, the pore-scale arrangement of residual carbon dioxide ganglia in the pore-space ...

Investigación

Ingeniería

Evolution of Staircase Structures in Diffusive Convection

Diffusive convection (DC) occurs when the vertical stratified density is controlled by two opposing scalar gradients that have distinctly different molecular diffusivities, and the larger- and smaller- diffusivity scalar gradients have negative and positive contributions for the density distribution, respectively. The DC occurs in many natural processes and engineering applications, for example, oceanography, astrophysics and metallurgy. In oceans, one of the most remarkable features of DC is that the vertical temperature and salinity profiles are staircase-like structure, composed of consecutive steps with thick homogeneous convecting layers and relatively thin and high-gradient interfaces. The DC staircases have been observed in many oceans, especially in the Arctic and Antarctic Oceans, and play an important role on the ocean circulation and climatic change. In the Arctic Ocean, there exist basin-wide and persistent DC staircases in the upper and deep oceans. The DC process has an important effect on diapycnal mixing in the upper ocean and may significantly influence the surface ice-melting. Compared to the limitations of field observations, laboratory experiment shows its unique advantage to effectively examine the dynamic and thermodynamic processes in DC, because the boundary conditions and the controlled parameters can be strictly adjusted. Here, a detailed protocol is described to simulate the evolution process of DC staircase structure, including its generation, development and disappearance, in a rectangular tank filled with stratified saline water. The experimental setup, evolution process, data analysis, and discussion of results are described in detail.

Diffusive convection (DC) widely occurs in natural processes and engineering applications, characterized by a series of staircases with homogeneous convecting layers and stratified interfaces. An experimental procedure is described to simulate the evolution process of the DC staircase structure, including the generation, development and disappearance, in a rectangular tank.

Evolución de las estructuras de la escalera en convección difusión

Diffusive convection (DC) occurs when the vertical stratified density is controlled by two opposing scalar gradients that have distinctly different ...

Medio ambiente

Pool-Boiling Heat-Transfer Enhancement on Cylindrical Surfaces with Hybrid Wettable Patterns

In this study, pool-boiling heat-transfer experiments were performed to investigate the effect of the number of interlines and the orientation of the hybrid wettable pattern. Hybrid wettable patterns were produced by coating superhydrophilic SiO2 on a masked, hydrophobic, cylindrical copper surface. Using de-ionized (DI) water as the working fluid, pool-boiling heat-transfer studies were conducted on the different surface-treated copper cylinders of a 25-mm diameter and a 40-mm length. The experimental results showed that the number of interlines and the orientation of the hybrid wettable pattern influenced the wall superheat and the HTC. By increasing the number of interlines, the HTC was enhanced when compared to the plain surface. Images obtained from the charge-coupled device (CCD) camera indicated that more bubbles formed on the interlines as compared to other parts. The hybrid wettable pattern with the lowermost section being hydrophobic gave the best heat-transfer coefficient (HTC). The experimental results indicated that the bubble dynamics of the surface is an important factor that determines the nucleate boiling.

Pool-boiling heat-transfer experiments were carried out to observe the effects of hybrid wettable patterns on the heat-transfer coefficient (HTC). The parameters of investigation are the number of interlines and the pattern orientation of the modified wettable surface.

Mejora de la piscina de ebullición de transferencia de calor en superficies cilíndricas con los patrones de humectables Híbridos

In this study, pool-boiling heat-transfer experiments were performed to investigate the effect of the number of interlines and the orientation of the ...

Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere

A technique to measure the temperature of water and non-turbid aqueous media surrounding an induction-heated small magnetic sphere is presented. This technique utilizes wavelengths of 1150 and 1412 nm, at which the absorption coefficient of water is dependent on temperature. Water or a non-turbid aqueous gel containing a 2.0-mm- or 0.5-mm-diameter magnetic sphere is irradiated with 1150 nm or 1412 nm incident light, as selected using a narrow bandpass filter; additionally, two-dimensional absorbance images, which are the transverse projections of the absorption coefficient, are acquired via a near-infrared camera. When the three-dimensional distributions of temperature can be assumed to be spherically symmetric, they are estimated by applying inverse Abel transforms to the absorbance profiles. The temperatures were observed to consistently change according to time and the induction heating power.

A technique utilizing wavelengths of 1150 and 1412 nm to measure the temperature of water surrounding an induction-heated small magnetic sphere is presented.

Técnica de medición de temperatura infrarroja para el agua que rodea una esfera magnética pequeño calentado por inducción

A technique to measure the temperature of water and non-turbid aqueous media surrounding an induction-heated small magnetic sphere is presented. This ...

Proof-of-Concept for Gas-Entrapping Membranes Derived from Water-Loving SiO2/Si/SiO2 Wafers for Green Desalination

Desalination through direct contact membrane distillation (DCMD) exploits water-repellent membranes to robustly separate counterflowing streams of hot and salty seawater from cold and pure water, thus allowing only pure water vapor to pass through. To achieve this feat, commercial DCMD membranes are derived from or coated with water-repellent perfluorocarbons such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene difluoride (PVDF). However, the use of perfluorocarbons is limiting due to their high cost, non-biodegradability, and vulnerability to harsh operational conditions. Unveiled here is a new class of membranes referred to as gas-entrapping membranes (GEMs) that can robustly entrap air upon immersion in water. GEMs achieve this function by their microstructure rather than their chemical make-up. This work demonstrates a proof-of-concept for GEMs using intrinsically wetting SiO2/Si/SiO2 wafers as the model system; the contact angle of water on SiO2 is &#952;o &#8776; 40&#176;. Silica-GEMs had 300 &#956;m-long cylindrical pores whose diameters at the (2 &#956;m-long) inlet and outlet regions were significantly smaller; this geometrically discontinuous structure, with 90&#176; turns at the inlets and outlets, is known as the &#34;reentrant microtexture&#34;. The microfabrication protocol for silica-GEMs entails designing, photolithography, chrome sputtering, and isotropic and anisotropic etching. Despite the water loving nature of silica, water does not intrude silica-GEMs on submersion. In fact, they robustly entrap air underwater and keep it intact even after six weeks (&#62;106 seconds). On the other hand, silica membranes with simple cylindrical pores spontaneously imbibe water (&#60; 1 s). These findings highlight the potential of the GEMs architecture for separation processes. While the choice of SiO2/Si/SiO2 wafers for GEMs is limited to demonstrating the proof-of-concept, it is expected that the protocols and concepts presented here will advance the rational design of scalable GEMs using inexpensive common materials for desalination and beyond.

Proof-of-Concept for Gas-Entrapping Membranes Derived from Water-Loving SiO2/Si/SiO2 Wafers for Green Desalination

Presented here is a stepwise protocol for realizing gas-entrapping membranes (GEMs) from SiO2/Si wafers using integrated circuit microfabrication technology. When silica-GEMs are immersed in water, the intrusion of water is prevented, despite the water-loving composition of silica.

Prueba de Concepto para Membranas Que Atrapa Gas Derivadas de SiO2/Si/SiO2 amante del agua para la desalinización verde

Desalination through direct contact membrane distillation (DCMD) exploits water-repellent membranes to robustly separate counterflowing streams of hot and ...

Measuring Electrical Conductivity to Study the Formation of Brines Under Martian Conditions

This paper describes a protocol to design experiments to study the formation of brines under Martian conditions and monitor the process with electrical conductivity measurements. We used the Engineering Qualification Model (EQM) of Habitability: Brines, Irradiation, and Temperature (HABIT)/ExoMars 2022 instrument for the experiment setup but we provide a brief account of constructing a simple and inexpensive electrical conductivity measurement setup. The protocol serves to calibrate the electrical conductivity measurements of the salt deliquescence into brine in a simulated Martian environment. The Martian conditions of temperature (-70 &#176;C to 20 &#176;C), relative humidity (0% to 100%) and pressure (7 - 8 mbar) with carbon-dioxide atmosphere were simulated in the SpaceQ Mars simulation chamber, a facility at the Lule&#229; University of Technology, Sweden. The hydrate form of the known amount of salt accommodated between a pair of electrodes and thus the electrical conductivity measured depends predominantly on its water content and the temperature and relative humidity of the system. Electrical conductivity measurements were carried out at 1 Hz while exposing salts to a continuously increasing relative humidity (to force transitioning through various hydrates) at different Martian temperatures. For demonstration, a day-night cycle at Oxia Planum, Mars (the landing site of ExoMars 2022 mission) was recreated.

The objective of the protocol is to monitor the hydration of salts and the brine formation process. Electrical conductivity is used as the measurement technique. The experiments are performed in a simulated Martian environment of temperature, relative humidity and carbon-dioxide atmosphere.

This paper describes a protocol to design experiments to study the formation of brines under Martian conditions and monitor the process with electrical ...

Química

Experimental Multiscale Methodology for Predicting Material Fouling Resistance

The buildup of fouling deposits in energy systems degrades their ability to transfer heat, reducing efficiency and causing operational issues such as localized corrosion. Each application presents its own challenges. In nuclear power generation, the buildup of CRUD (Chalk River Unidentified Deposits) induces unique, negative effects ranging from reduced heat transfer, to axial power shifting, to CRUD-induced localized corrosion (CILC), the last of which can cause sudden fuel failure. Knowledge of why CRUD forms and how to prevent its adhesion to nuclear fuel rods represents a major step towards eliminating it. This paper demonstrates a methodology to ascertain which materials may resist CRUD adhesion, thereby preventing its initiation and growth. It presents experiments targeted at multiple length scales: pool boiling (macroscale), which simulates CRUD initiation processes in a nuclear reactor, and atomic force microscope (AFM) force spectroscopy (microscale), which yields quantitative measurements of the adhesion between CRUD constituents and candidate CRUD-resistant materials. Early data from both sets of experiments show some correlation, suggesting that AFM force spectroscopy (AFM-FS) may be used to pre-screen materials for fouling resistance. So far, it appears that CRUD constituents adhere well to oxides, while carbides show both greatly reduced adhesion and no adherent CRUD in pool boiling experiments. The relationship between the AFM-FS measurements and the growth of CRUD in the pool boiling experiments may provide insight into the possible factors affecting fouling in nuclear reactors, eventually leading to its elimination.

Fouling, or corrosion product deposition, plagues numerous fields of energy production. At its core is adhesion between dissimilar materials. Understanding and controlling adhesion could reduce or eliminate fouling. This paper demonstrates pool boiling experiments (macroscale) and atomic force microscope force-spectroscopy measurements (microscale), which when in agreement, indicate fouling-resistance.

The buildup of fouling deposits in energy systems degrades their ability to transfer heat, reducing efficiency and causing operational issues such as ...

Biología

Conducting Reactions Below Room Temperature

Source: Laboratory of Dr. Dana Lashley - College of William and Mary
Demonstration by: Matt Smith
When new bonds are formed in the course of a chemical reaction, it requires that the involved species (atoms or molecules) come in very close proximity and collide into one another. The collisions between these species are more frequent and effective the higher the speed at which these molecules are moving. A widely used rule of thumb, which has its roots in the Arrhenius equation1, states that raising the temperature by 10 K will approximately double the rate of a reaction, and raising the temperature by 20 K will quadruple the rate:
(1) <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/10224/10224eq1.jpg" />
Equation (1) is often found in its logarithmic form:
(2) <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/10224/10224eq2.jpg" />
where k is the rate of the chemical reaction, A is the frequency factor (relating to frequency of molecular collisions), Ea is the activation energy required for the reaction, R is the ideal gas constant, and T is the temperature at which the reaction is taking place.
A higher temperature therefore means a reaction is completed much faster. Nonetheless, in some cases it is desirable to carry out reactions at low temperatures, in spite of the lowering effect on the rate of the reaction. A few scenarios in this regard are elaborated upon further below.
When it is useful to run a reaction below room temperature, chemists use cooling baths to maintain a certain temperature or temperature range. Reactions are cooled down to a desired temperature by placing the reaction flask inside an appropriate cooling bath. The reagents in the reaction never come in direct contact with the chemicals in the cooling bath. The cooling bath may consist of a single cryogenic (cooling) component (such as ice, dry ice, or liquid nitrogen) or may be a mixture of the cryogenic component with a certain solvent and/or an additive salt. The purpose of the solvent is to effectively transfer temperature of the cooling agent to the reaction flask, and the purpose of the additive is to lower (or depress) the freezing point of the mixture. (Note that it is possible for a substance to be both a solvent and an additive.)

Realizar reacciones por debajo de la temperatura ambiente

Source: Laboratory of Dr. Dana Lashley - College of William and Mary
Demonstration by: Matt Smith
When new bonds are formed in the course of a chemical ...

Educación

JoVE Science Education

Química orgánica

Quenching and Boiling

Source: Alexander S Rattner, Sanjay Adhikari, and Mahdi Nabil; Department of Mechanical and Nuclear Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, PA
Controlled heating followed by rapid cooling is an important element of many materials processing applications. This heat-treating procedure can increase material hardness, which is important for cutting tools or surfaces in high wear environments. The rapid cooling stage is called quenching, and is often performed by immersing materials in a fluid bath (often water or oil). Quenching heat transfer can occur due to forced convection - when the action of rapidly moving material through coolant drives the heat transfer process, and due to free convection - when the reduced density of hot fluid near the material surface causes buoyancy-driven circulation and heat transfer. At high material temperatures, the coolant can boil, leading to increased heat transfer effectiveness. However, when extremely hot materials are quenched, they can be blanketed in relatively low thermal conductivity coolant vapor, leading to poor heat transfer.
In this experiment, quenching heat transfer will be measured for a heated copper cylinder, which is representative of small heat-treated parts. The transient sample temperature profile will be measured during quenching and compared with theoretical results for free convection heat transfer. Boiling phenomena will also be investigated qualitatively.

Quenching, Boiling, Convection and Nusselt Number

Enfriamiento y ebullición

Source: Alexander S Rattner, Sanjay Adhikari, and Mahdi Nabil; Department of Mechanical and Nuclear Engineering, The Pennsylvania State University, ...

Ingeniería mecánica

Evaluating the Heat Transfer of a Spin-and-Chill

Source: Michael G. Benton and Kerry M. Dooley, Department of Chemical Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA
The Spin-and-Chill uses heat transfer and fluid flow fundamentals to chill beverages from room temperature to 38 &#176;F in as little as 2 min. It would take a refrigerator approximately 240 min and an ice chest approximately 40 min to achieve an equivalent temperature change. This is accomplished Spin and Chill by spinning a can or bottle at up to 500 rpm, which creates little or no foaming.
In this experiment, the efficacy of spinning a cylinder (i.e., soda can) at high speeds to cool a soft drink will be evaluated. Operational parameters, such as rpm and spin time, will be varied to assess their effect on heat transfer, and the heat transfer coefficient will be calculated using a lumped parameter model.

Convective Spin-and-Chill Heat Transfer: Lumped Parameter Model

Spin y Chill

Source: Michael G. Benton and Kerry M. Dooley, Department of Chemical Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA
The Spin-and-Chill uses ...