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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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<ol><li> 二次冷却液を調製 <ol><li>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</li><li>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。 </li><li>流体が均一になるように、流体を撹拌します。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li> 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 。 <ol><li> 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。 </li><li>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。 </li><li>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）。 </li><li> 10-mLシリンジを用いて溶液のサンプルを取り、〜10 mLです。 </li><li> U字管密度計に流体を注入します。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>押して起動し、その結果を待ちます。 </li><li> 1164.00キロ/メートル3で読書密度を比較してください。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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. </li><li>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。 </li></ol></li></ol>注入するための氷と洗浄水の調製<ol><li> 注入水が氷を準備 <ol><li>小容器（200×200×50ミリメートル）に1Lの水を注ぎます。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li> 洗浄水の氷のシェルを準備します <ol><li>水5リットルで5-Lのビーカーを埋めます。 </li><li> 2Lの水で2リットルのビーカーを埋めます。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>氷の殻の内側に水を抜きます。 </li><li>バック冷凍庫で2ビーカーを置きます。 </li><li>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。 </li></ol></li></ol> 3.水導入位置とレオロジー制御実験<ol><li> 塩水表面で水を導入 <ol><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li> 食塩水を通して水を導入 <ol><li>繰り返しは、3.1.1-3.1.6を繰り返します。 </li><li>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。 </li><li>水没チューブの長さと注射器の高さを調整します。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li></ol><ol><li> 氷を作ります <ol><li>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。 </li><li> 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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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</li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li> 2℃の水100mLでガラスシリンジを埋めます。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li> 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） <ol><li>規模で、容器（200×200×50 mm）を入れて、ボタン &quot;をオンにする」を押すと、読み取りをゼロ。 </li><li>氷をかき出すと振り払うふるいを使用して、塩水。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>手順を実行します1.2.6-1.2.9。 </li><li>密度の読みを記録します。 </li><li>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： <img alt="方程式" src="/files/ftp_upload/55014/55014eq1.jpg" /> どこ<img alt="方程式" src="/files/ftp_upload/55014/55014eq2.jpg" />重量％の塩水濃度であり、そして<img alt="方程式" src="/files/ftp_upload/55014/55014eq3.jpg" />そして<img alt="方程式" src="/files/ftp_upload/55014/55014eq4.jpg" />塩と水の質量はそれぞれ、あります。 </li></ol></li><li> 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） <ol><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>ふるい内の流体を振り払います。 </li><li>繰り返しは、4.2.2-4.2.7を繰り返します。 </li></ol></li></ol>

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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>

著者らは、開示することは何もありません。

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...

<html>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&gt; 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<supクラス= &quot;外部参照&quot;&gt; 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、<html>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&quot;外部参照&quot;&gt; 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。

<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

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。

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?...

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

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。

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

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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13.8K ビュー.  University of Bristol. 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。 

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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.

X線マイクロトモグラフィーを使用した複数の流体相の貯水池条件ポアスケールのイメージング

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 ...

工学

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.

拡散対流における階段形状の進化

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

環境学

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.

ハイブリッド湿潤性パターンを持つ円筒面上のプール沸騰熱伝達の強化

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.

誘導加熱の小さな磁気圏を取り巻く水の近赤外温度計測

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.

水を愛するSiO2 /Si/SiO2ウェハーから得られるガス包み込み膜の概念実証

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 ...

化学

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 ...

生物学

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.)

室温以下の反応を実施

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 ...

JoVE Science Education

有機化学

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

焼入れと沸騰

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

機械工学

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

スピンと寒さ

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