دانشنامه جامع کمپرس یخ37
فصل ۳۷
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
روش افزایش مدت زمان ذوب ژلپک؛ بررسی مقدار آب منجمد، پلیآکریلات، ضخامت بسته، سطح تماس، عایق، دمای محیط، انتقال حرارت و طراحی ژلپک برای حفظ سرمایش در طولانیترین زمان ممکن
مقدمه
یکی از مهمترین اهداف در طراحی ژلپک، افزایش مدت زمانی است که بسته میتواند سرمایش مفید ایجاد کند.
اما عبارت «دیرتر ذوب شدن» به تنهایی یک معیار فنی کامل نیست. ممکن است یک ژلپک بسیار دیر گرم شود، ولی سرمایش قابلتوجهی به محصول منتقل نکند. برعکس، بستهای ممکن است سریعتر گرما دریافت کند اما در مدت کوتاه، انتقال حرارت زیادی انجام دهد.
بنابراین هدف اصلی باید این باشد:
افزایش مدت زمانی که ژلپک میتواند بار حرارتی موردنظر را با حفظ دمای هدف تحمل کند.
برای رسیدن به این هدف باید چند عامل به صورت همزمان بررسی شوند:
– مقدار آب؛
– میزان آب منجمد؛
– پلیآکریلات؛
– گرمای نهان؛
– جرم کل؛
– ضخامت؛
– سطح تماس؛
– فیلم؛
– عایق؛
– دمای محیط؛
– دمای اولیه ژلپک؛
– و نحوه چیدمان.
—
۳۷-۱ ـ تفاوت «ذوب» و «گرمشدن»
در یک ژلپک، تمام فرآیند گرمشدن الزاماً به معنی ذوبشدن نیست.
ابتدا ممکن است دمای ماده جامد افزایش پیدا کند، سپس بخش منجمدشده تغییر فاز دهد و پس از آن دمای بخش مایع دوباره افزایش یابد.
—
۳۷-۲ ـ چرا گرمای نهان مهم است؟
تغییر فاز آب از جامد به مایع مقدار زیادی انرژی جذب میکند.
برای یخ آب خالص، مقدار مرجع گرمای نهان ذوب حدود:
۳۳۴ kJ/kg
است.
این انرژی میتواند در مدت تغییر فاز جذب شود بدون اینکه دما مانند مرحله محسوس به همان نسبت افزایش پیدا کند.
—
۳۷-۳ ـ ژلپک واقعی با یخ خالص متفاوت است
اگر آب در ساختار پلیمر قرار داشته باشد، رفتار انجماد و ذوب آن ممکن است با یخ خالص متفاوت باشد.
بنابراین ظرفیت تغییر فاز واقعی باید آزمایش شود.
—
۳۷-۴ ـ مقدار آب منجمد
یکی از مهمترین عوامل تعیینکننده مدت سرمایش، مقدار آبی است که واقعاً در هنگام انجماد به فاز جامد تبدیل شده است.
هرچه سهم مؤثر آب منجمد بیشتر باشد، امکان استفاده از گرمای نهان بیشتر خواهد بود.
—
۳۷-۵ ـ آب آزاد و آب نگهداریشده
در ژل پلیآکریلاتی ممکن است بخشی از آب به صورت آزاد و بخشی در شبکه ژل نگهداری شود.
این دو حالت میتوانند رفتار حرارتی متفاوتی داشته باشند.
—
۳۷-۶ ـ مقدار پلیمر
افزایش پلیمر باعث افزایش ظرفیت جذب آب میشود، اما پلیمر جای آب را نیز میگیرد.
بنابراین افزایش پلیمر تا بینهایت راهکار مناسبی برای افزایش ظرفیت سرمایشی نیست.
—
۳۷-۷ ـ هدف فرمولاسیون
هدف مناسب این است که:
کمترین مقدار پلیمر موردنیاز برای نگهداری مقدار مطلوب آب
تعیین شود.
—
۳۷-۸ ـ افزایش آب
افزایش آب در صورت امکان نگهداری پایدار آن توسط پلیمر میتواند مقدار ماده قابل انجماد را افزایش دهد.
اما اگر آب بیش از ظرفیت نگهداری ژل باشد، آب آزاد ایجاد میشود.
—
۳۷-۹ ـ نقطه بهینه آب
برای هر پلیمر باید محدودهای از نسبت:
آب / پلیمر
آزمایش شود.
برای مثال میتوان چند نسبت مختلف را در مقیاس آزمایشگاهی بررسی کرد و میزان:
– آب آزاد؛
– یکنواختی؛
– تورم؛
– پایداری؛
– انجماد
را ثبت کرد.
—
۳۷-۱۰ ـ فرمولاسیون اقتصادی
در محصول اقتصادی، افزایش پلیمر معمولاً باید زمانی انجام شود که نتیجه فنی مشخصی داشته باشد.
مثلاً اگر افزودن ۱۰٪ پلیمر اضافی هیچ بهبود قابلاندازهگیری در پایداری یا عملکرد ایجاد نکند، توجیه اقتصادی آن باید بررسی شود.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۳۷-۱۱ ـ جرم کل ژلپک
افزایش جرم معمولاً مقدار کل انرژی قابل جذب را افزایش میدهد، مشروط بر اینکه سایر شرایط نیز مناسب باشند.
اما جرم بیشتر ممکن است زمان انجماد را نیز افزایش دهد.
—
۳۷-۱۲ ـ جرم و زمان انجماد
اگر حجم بیشتری از ماده سردکننده در همان هندسه قرار گیرد، ضخامت ممکن است افزایش پیدا کند.
در نتیجه مسیر انتقال حرارت طولانیتر میشود.
—
۳۷-۱۳ ـ افزایش جرم با حفظ ضخامت
یک روش دیگر این است که طول و عرض افزایش یابد اما ضخامت تقریباً ثابت بماند.
این روش در برخی طراحیها میتواند ظرفیت بیشتری را بدون افزایش شدید مسیر انتقال حرارت ایجاد کند.
—
۳۷-۱۴ ـ محدودیت فضای جعبه
البته بزرگترکردن طول و عرض همیشه امکانپذیر نیست.
جعبه، محصول و تجهیزات حمل فضای مشخصی دارند.
بنابراین باید ظرفیت سرمایشی در حجم قابلاستفاده بهینه شود.
—
۳۷-۱۵ ـ ضخامت ژل
ضخامت زیاد معمولاً باعث افزایش فاصله مرکز تا سطح میشود.
این موضوع میتواند هم در انجماد و هم در گرمشدن اثرگذار باشد.
—
۳۷-۱۶ ـ ضخامت کم
ژلپک نازک:
– سریعتر گرما دریافت میکند؛
– سطح تماس بیشتری نسبت به حجم دارد؛
– انعطافپذیرتر است.
اما ممکن است ذخیره انرژی کمتری در هر واحد داشته باشد.
—
۳۷-۱۷ ـ ضخامت زیاد
بسته ضخیمتر میتواند مقدار بیشتری ماده سردکننده را در یک بسته نگه دارد.
اما ممکن است:
– دیرتر منجمد شود؛
– مرکز آن دیرتر گرم شود؛
– انعطاف آن کاهش یابد.
—
۳۷-۱۸ ـ هدف «ذوب آهسته»
برای ذوب آهسته، فقط افزایش ضخامت کافی نیست.
باید مشخص شود گرما از چه سطحی وارد بسته میشود و انتقال حرارت داخلی چگونه انجام میگیرد.
—
۳۷-۱۹ ـ نقش سطح تماس
سطح تماس بیشتر معمولاً انتقال حرارت را افزایش میدهد.
بنابراین بسته تخت ممکن است سریعتر از بسته ضخیم گرم شود.
—
۳۷-۲۰ ـ تناقض ظاهری
در نگاه اول ممکن است تصور شود:
سطح تماس بیشتر = بهتر
اما اگر هدف ماندگاری طولانی باشد، سطح تماس زیاد میتواند ورود گرما را نیز افزایش دهد.
بنابراین سطح تماس باید بر اساس هدف طراحی انتخاب شود.
—
۳۷-۲۱ ـ سرمایش سریع در برابر سرمایش طولانی
برای سرمایش سریع:
سطح تماس زیاد
مطلوب است.
برای کاهش سرعت دریافت گرما:
سطح تماس کنترلشده + عایق بهتر
میتواند مفید باشد.
—
۳۷-۲۲ ـ نقش عایق
یکی از مؤثرترین روشها برای افزایش مدت ماندگاری سرمایش، کاهش ورود گرما به کل سیستم است.
به همین دلیل عایق جعبه اهمیت زیادی دارد.
—
۳۷-۲۳ ـ ژلپک بیشتر یا عایق بیشتر؟
اگر یک سیستم با تعداد زیادی ژلپک اما عایق ضعیف طراحی شود، بخش زیادی از انرژی سرمایشی به سرعت در محیط تلف میشود.
گاهی بهبود عایق میتواند از افزایش تعداد بستهها مؤثرتر باشد.
—
۳۷-۲۴ ـ ضخامت عایق
در حالت ساده، مقاومت حرارتی لایه عایق با رابطه:
R = L / kA
افزایش مییابد.
بنابراین افزایش ضخامت عایق معمولاً مقاومت انتقال حرارت را افزایش میدهد.
—
۳۷-۲۵ ـ جنس عایق
عایقها دارای رسانایی حرارتی متفاوت هستند.
انتخاب عایق باید علاوه بر رسانایی، بر اساس:
– وزن؛
– قیمت؛
– مقاومت رطوبتی؛
– استحکام؛
– قابلیت تولید
انجام شود.
—
۳۷-۲۶ ـ پل حرارتی
حتی اگر دیوارههای جعبه به خوبی عایق شده باشند، نقاطی مانند:
– درزها؛
– درب؛
– گوشهها؛
– محل اتصال
میتوانند مسیر ورود گرما ایجاد کنند.
—
۳۷-۲۷ ـ درب جعبه
در بسیاری از طراحیها درب جعبه باید همسطح یا حتی بیشتر از دیوارهها مورد توجه قرار گیرد.
درز باز یا عایق ضعیف میتواند عملکرد کل سیستم را کاهش دهد.
—
۳۷-۲۸ ـ تابش خورشید
در حمل فضای باز، تابش مستقیم خورشید میتواند بار حرارتی قابل توجهی ایجاد کند.
قرارگیری جعبه در سایه و استفاده از لایه بیرونی مناسب میتواند ورود گرما را کاهش دهد.
—
۳۷-۲۹ ـ دمای محیط
هرچه دمای محیط بالاتر باشد، معمولاً اختلاف دمای میان محیط و داخل سیستم بیشتر میشود.
این مسئله میتواند نرخ ورود گرما را افزایش دهد.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۳۷-۳۰ ـ محاسبه ساده زمان نظری
اگر سیستم به طور متوسط:
Q̇ = 10 W
گرما دریافت کند و ظرفیت سرمایشی مؤثر:
360 kJ
باشد:
t = Q / Q̇
بنابراین:
t = 360000 / 10 = 36000 s
یا حدود:
۱۰ ساعت
این محاسبه فقط یک مدل ساده است؛ در سیستم واقعی نرخ ورود گرما ثابت نیست.
—
۳۷-۳۱ ـ چرا زمان واقعی متفاوت است؟
زیرا در عمل:
– دمای داخل جعبه تغییر میکند؛
– اختلاف دما با محیط تغییر میکند؛
– انتقال حرارت ثابت نیست؛
– محصول نیز گرما دریافت میکند.
بنابراین نرخ ورود گرما تابع زمان است.
—
۳۷-۳۲ ـ مدل دقیقتر
در یک مدل ساده میتوان نوشت:
Qtotal = ∫ Q̇(t) dt
یعنی بار حرارتی در طول زمان باید محاسبه شود.
برای طراحی صنعتی، دادههای واقعی دما میتوانند از این محاسبه پشتیبانی کنند.
—
۳۷-۳۳ ـ اثر دمای شروع
اگر ژلپک از دمای پایینتری شروع کند، ظرفیت قابلاستفاده آن میتواند افزایش یابد.
اما این موضوع به محدوده دمایی موردنظر و وضعیت فاز ماده بستگی دارد.
—
۳۷-۳۴ ـ انجماد کاملتر
برای استفاده از ظرفیت سرمایشی، بهتر است مشخص شود چه مقدار از آب در دمای موردنظر واقعاً منجمد شده است.
سطح یخزده به تنهایی معیار کافی نیست.
—
۳۷-۳۵ ـ اندازهگیری مرکز
قرار دادن سنسور در مرکز ژلپک و ثبت دما در طول انجماد و ذوب یکی از روشهای کاربردی برای بررسی وضعیت واقعی است.
—
۳۷-۳۶ ـ آزمون ذوب
پس از رسیدن نمونه به شرایط اولیه مشخص، آن را در دمای محیط یا سیستم آزمون قرار دهید.
سپس دمای مرکز و محیط را ثبت کنید.
—
۳۷-۳۷ ـ معیار پایان آزمون
مثلاً میتوان پایان آزمون را:
رسیدن مرکز به ۰ درجه
یا هر دمای هدف دیگری تعریف کرد.
اما این دما باید براساس کاربرد واقعی انتخاب شود.
—
۳۷-۳۸ ـ مدت ماندگاری در محدوده هدف
گاهی بهتر است به جای «زمان تا ذوب کامل»، این شاخص اندازهگیری شود:
مدت زمانی که دمای محصول کمتر از دمای مشخص باقی میماند.
این شاخص برای بسیاری از کاربردهای زنجیره سرد کاربردیتر است.
—
۳۷-۳۹ ـ مثال
اگر دمای داخل جعبه:
از ساعت ۸ تا ۱۶
کمتر از ۸ درجه باشد، مدت ماندگاری در محدوده هدف:
۸ ساعت
است؛ حتی اگر ژلپک بعد از آن هنوز کاملاً ذوب نشده باشد.
—
۳۷-۴۰ ـ اهمیت محصول داخل جعبه
اگر محصول خودش سرد باشد، بار اولیه سیستم کمتر است.
اما اگر محصول گرم باشد، بخشی از ظرفیت ژلپک صرف کاهش دمای محصول میشود.
—
۳۷-۴۱ ـ پیشسردکردن
پیشسردکردن محصول میتواند یکی از مؤثرترین روشها برای افزایش مدت ماندگاری سیستم باشد.
در این حالت ژلپک بیشتر انرژی خود را صرف جبران گرمای محیط میکند.
—
۳۷-۴۲ ـ چیدمان ژلپک
چند روش قابل آزمایش است:
کف + سقف
کف + دیوارهها
دور محصول
بالا + طرفین
هیچ آرایش واحدی برای تمام جعبهها بهترین نیست.
—
۳۷-۴۳ ـ تعداد بستهها
افزایش تعداد بستهها ظرفیت کل را افزایش میدهد، اما باید فضای آزاد، وزن و هزینه نیز بررسی شود.
—
۳۷-۴۴ ـ بستههای کوچکتر
مزیت بستههای کوچکتر:
– انعطاف در چیدمان؛
– توزیع بهتر سرمایش؛
– امکان استفاده از چند نقطه تماس.
عیب:
– فیلم بیشتر؛
– دوخت بیشتر؛
– هزینه تولید بالاتر.
—
۳۷-۴۵ ـ بستههای بزرگتر
مزایا:
– فیلم کمتر نسبت به جرم؛
– تعداد واحد کمتر؛
– عملیات تولید سادهتر.
معایب:
– احتمال ضخامت بیشتر؛
– جابهجایی دشوارتر؛
– انعطاف کمتر.
—
۳۷-۴۶ ـ آزمون مقایسهای چهار طراحی
برای توسعه محصول میتوان چهار سیستم ساخت:
طرح| ژلپک| عایق| هدف
A| کم| کم| مرجع
B| زیاد| کم| افزایش ظرفیت
C| متوسط| زیاد| کاهش ورود گرما
D| زیاد| زیاد| بررسی ترکیبی
در هر چهار آزمون باید شرایط محیطی تا حد امکان یکسان باشد.
—
۳۷-۴۷ ـ شاخصهای اندازهگیری
برای هر طراحی ثبت شود:
– دمای اولیه؛
– دمای محیط؛
– دمای داخل جعبه؛
– جرم ژلپک؛
– تعداد بستهها؛
– زمان رسیدن به دمای هدف؛
– مدت ماندگاری در محدوده هدف؛
– زمان ذوب.
—
۳۷-۴۸ ـ اشتباهات رایج
اشتباهات رایج عبارتاند از:
– تمرکز فقط بر مقدار پلیمر؛
– افزایش جرم بدون توجه به زمان انجماد؛
– افزایش سطح تماس بدون توجه به هدف؛
– نادیدهگرفتن عایق؛
– اندازهگیری فقط دمای سطح؛
– مقایسه آزمایشها در دماهای محیطی مختلف؛
– استفاده از «زمان ذوب کامل» به عنوان تنها شاخص عملکرد.
—
۳۷-۴۹ ـ روش پیشنهادی برای بهینهسازی
برای یک تولیدکننده میتوان این مسیر را اجرا کرد:
۱. فرمول داخلی را ثابت کنید.
۲. جرمهای مختلف را آزمایش کنید.
۳. سه ضخامت مختلف بسازید.
۴. زمان انجماد را ثبت کنید.
۵. آزمون ذوب را انجام دهید.
۶. عایقهای مختلف را مقایسه کنید.
۷. چیدمانهای مختلف را آزمایش کنید.
۸. نمودار دما ـ زمان تهیه کنید.
۹. هزینه هر طرح را محاسبه کنید.
۱۰. طرح نهایی را در شرایط واقعی آزمایش کنید.
—
۳۷-۵۰ ـ جمعبندی فصل
افزایش مدت زمان سرمایش ژلپک تنها با افزایش پلیآکریلات یا افزایش جرم امکانپذیر نیست.
مهمترین عوامل عبارتاند از:
مقدار آب منجمد + ظرفیت تغییر فاز + جرم کل + ضخامت + سطح تماس + عایق + دمای شروع + دمای محیط + چیدمان.
اگر هدف افزایش ظرفیت سرمایشی باشد، افزایش مقدار آب مؤثر و جرم میتواند اهمیت داشته باشد.
اگر هدف افزایش سرعت سرمایش باشد، بسته تخت و سطح تماس بیشتر میتواند مناسبتر باشد.
اما اگر هدف افزایش مدت حفظ سرما باشد، کنترل ورود گرما و طراحی مناسب عایق اهمیت بسیار زیادی پیدا میکند.
از نظر عملی، بهتر است به جای تمرکز بر «چند ساعت طول میکشد تا ژلپک کاملاً ذوب شود»، شاخص دقیقتری تعریف شود؛ برای مثال:
چند ساعت دمای محصول در محدوده هدف باقی میماند؟
این شاخص میتواند معیار کاربردیتری برای طراحی جعبههای سردکننده باشد.
برای تولید صنعتی نیز بهتر است حداقل چند طراحی مختلف با جرم، ضخامت و عایق متفاوت ساخته شده و با دیتالاگر در شرایط یکسان آزمایش شوند.
در نهایت، محصولی که باید برای مدت طولانی سرما را حفظ کند، حاصل ترکیب صحیح:
ژلپک مناسب + انجماد کافی + هندسه مناسب + عایق مناسب + چیدمان صحیح
است.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
موضوع پیشنهادی فصل ۳۸
طراحی ژلپک برای کاربردهای بدون فریزر؛ بررسی مواد سردکننده، سیستمهای خودسردشونده و پیشسردشونده، واکنشهای گرماگیر، انتخاب مواد، ایمنی، بستهبندی و مقایسه با ژلپکهای قابل انجماد