دانشنامه جامع کمپرس یخ61
فصل ۶۱
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
روش طراحی ژلپک سبک و کموزن با ظرفیت سرمایشی بالا؛ بررسی نسبت ظرفیت سرمایشی به وزن، کاهش جرم فیلم و پلیمر، افزایش سهم آب، هندسه تخت، سطح تماس، عایق و محاسبه هزینه حمل در ژلپکهای صنعتی
61-1 ـ مقدمه
در بسیاری از کاربردهای صنعتی، فقط ظرفیت سرمایشی ژلپک اهمیت ندارد؛ وزن محصول نیز یک عامل اقتصادی و عملیاتی مهم است.
ژلپک سبکتر میتواند:
– هزینه حمل کمتری داشته باشد؛
– فضای بیشتری در جعبه باقی بگذارد؛
– جابهجایی آسانتری داشته باشد؛
– بار کمتری به بستهبندی وارد کند.
اما کاهش وزن نباید باعث افت عملکرد سرمایشی شود.
—
61-2 ـ مفهوم ژلپک سبک
ژلپک سبک محصولی نیست که صرفاً وزن کمی داشته باشد.
هدف اصلی این است:
[
\text{کمترین وزن برای رسیدن به ظرفیت سرمایشی موردنیاز}
]
بنابراین طراحی باید بر اساس نیاز واقعی کاربرد انجام شود.
—
61-3 ـ ظرفیت سرمایشی ویژه
یکی از شاخصهای مناسب:
[
SP=\frac{Q_{useful}}{m}
]
است.
در این رابطه:
– (SP): ظرفیت سرمایشی ویژه؛
– (Q_{useful}): ظرفیت سرمایشی مفید؛
– (m): جرم ژلپک.
واحد میتواند kJ/kg باشد.
—
61-4 ـ چرا آب مهم است؟
در سیستمهای آبپایه، بخش عمده جرم بسته معمولاً از آب تشکیل میشود.
آب ظرفیت گرمایی بالایی دارد و در صورت یخزدن، گرمای نهان انجماد نیز در اختیار سیستم قرار میگیرد.
گرمای نهان ذوب یخ خالص تقریباً:
[
334,kJ/kg
]
است.
—
61-5 ـ پلیآکریلات چه نقشی دارد؟
پلیآکریلات عمدتاً برای نگهداری آب در ساختار ژل استفاده میشود.
بنابراین افزایش بیش از حد پلیمر الزاماً به معنی افزایش متناسب ظرفیت سرمایشی نیست.
اگر هدف کاهش وزن و قیمت باشد، باید مقدار پلیمر به صورت آزمایشی بهینه شود.
—
61-6 ـ حداقل مقدار پلیمر
در یک طراحی اقتصادی، مقدار پلیمر باید آنقدر باشد که:
– آب آزاد کنترل شود؛
– ژل پایدار باشد؛
– نشتی رخ ندهد؛
– بسته قابل تولید باشد؛
– عملکرد سرمایشی موردنیاز حفظ شود.
کمتر از این محدوده ممکن است باعث افت پایداری شود.
—
61-7 ـ کاهش پلیمر چگونه وزن را کاهش میدهد؟
فرض کنید دو بسته هر کدام ۵۰۰ گرم آب دارند.
فرمول اول:
– ۵۰۰ گرم آب؛
– ۲۰ گرم پلیمر.
فرمول دوم:
– ۵۰۰ گرم آب؛
– ۱۰ گرم پلیمر.
کاهش ۱۰ گرم پلیمر در هر بسته در تولید ۱۰۰ هزار عدد برابر است با:
[
10\times100000=1,000,000g
]
یعنی ۱۰۰۰ کیلوگرم کاهش مصرف پلیمر.
البته فقط در صورتی که عملکرد حفظ شود.
—
61-8 ـ آب بیشتر و پلیمر کمتر
این رویکرد در ژلپکهای آبپایه از نظر اقتصادی جذاب است.
اما رابطه باید آزمایش شود:
[
R=\frac{M_{water}}{M_{polymer}}
]
افزایش بیش از حد (R) میتواند آب آزاد ایجاد کند.
—
61-9 ـ ظرفیت سرمایشی و وزن
فرض کنیم:
[
Q=4000,kJ
]
و جرم:
[
m=1kg
]
باشد.
در این صورت:
[
SP=4000,kJ/kg
]
اگر جرم به ۰٫۸ کیلوگرم کاهش یابد ولی ظرفیت به ۳۲۰۰ kJ برسد:
[
SP=4000,kJ/kg
]
بنابراین کاهش جرم الزاماً باعث کاهش ظرفیت ویژه نمیشود.
—
61-10 ـ ظرفیت سرمایشی کل
در کنار ظرفیت ویژه باید ظرفیت کل نیز کنترل شود.
ممکن است محصولی ظرفیت ویژه خوبی داشته باشد، اما ظرفیت کل آن برای یک جعبه بزرگ کافی نباشد.
بنابراین:
[
Q_{total}\geq Q_{required}
]
باید برقرار باشد.
—
61-11 ـ کاهش وزن فیلم
فیلم نیز بخشی از جرم محصول است.
اگر جرم فیلم هر بسته ۱۵ گرم باشد و به ۱۰ گرم کاهش یابد، در ۱۰۰ هزار بسته:
[
5\times100000=500kg
]
کاهش جرم ایجاد میشود.
اما کاهش ضخامت باید با آزمون مکانیکی همراه باشد.
—
61-12 ـ فیلم نازکتر
فیلم نازکتر ممکن است:
– وزن کمتر؛
– قیمت کمتر؛
– انتقال حرارت مناسبتر
داشته باشد.
اما احتمال سوراخشدن یا کاهش استحکام دوخت نیز باید بررسی شود.
—
61-13 ـ فیلم چندلایه سبک
گاهی یک فیلم چندلایه نازک میتواند نسبت مناسبی از:
– استحکام؛
– انعطاف؛
– قابلیت دوخت
ارائه دهد.
انتخاب نهایی باید بر اساس آزمون واقعی باشد، نه صرفاً نام ساختار فیلم.
—
61-14 ـ طراحی تخت
یکی از راههای مؤثر برای افزایش سطح تماس، استفاده از بسته تخت است.
بسته تخت معمولاً نسبت:
[
\frac{A}{V}
]
بالاتری نسبت به بسته بسیار ضخیم دارد.
این موضوع میتواند انتقال حرارت را بهبود دهد.
—
61-15 ـ چرا سطح تماس اهمیت دارد؟
دو بسته با جرم برابر را در نظر بگیرید.
بسته اول ضخیم و کوچک است.
بسته دوم تخت و پهن است.
بسته دوم میتواند سطح تماس بیشتری با:
– دیواره جعبه؛
– محصول؛
– هوای داخل جعبه
داشته باشد.
در نتیجه رفتار حرارتی آنها میتواند متفاوت باشد.
—
61-16 ـ ضخامت کم
کاهش ضخامت میتواند:
– زمان انجماد را کاهش دهد؛
– فاصله انتقال حرارت را کم کند؛
– تماس سطحی را افزایش دهد.
اما کاهش بیش از حد ضخامت ممکن است بسته را از نظر مکانیکی آسیبپذیر کند.
—
61-17 ـ یک بسته بزرگ یا چند بسته کوچک؟
فرض کنید مجموع جرم موردنیاز ۲ کیلوگرم است.
دو گزینه:
گزینه A: یک بسته ۲ کیلویی.
گزینه B: چهار بسته ۵۰۰ گرمی.
گزینه B انعطاف بیشتری برای چیدمان دارد.
همچنین ممکن است کنترل دمای نقاط مختلف جعبه با چند بسته آسانتر شود.
—
61-18 ـ مزیت بستههای کوچک
بستههای کوچکتر میتوانند:
– سطح تماس بیشتری ایجاد کنند؛
– در فضاهای مختلف قرار گیرند؛
– توزیع سرمایش را بهتر کنند.
اما مجموع سطح فیلم و هزینه دوخت ممکن است افزایش یابد.
—
61-19 ـ نقطه تعادل
بنابراین باید بین:
وزن + سطح تماس + هزینه فیلم + تعداد بستهها
تعادل برقرار شود.
کمینه کردن یک شاخص به تنهایی ممکن است شاخص دیگری را بدتر کند.
—
61-20 ـ نقش عایق
اگر جعبه عایق ضعیف باشد، افزایش ظرفیت ژلپک ممکن است به تنهایی مشکل را حل نکند.
ورود گرما تقریباً میتواند با رابطه:
[
\dot Q=UA\Delta T
]
بررسی شود.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
61-21 ـ کاهش وزن ژلپک یا افزایش عایق؟
در برخی موارد افزودن مقدار کمی عایق بهتر از افزودن مقدار زیادی ژلپک است.
بنابراین باید هر دو سناریو آزمایش شوند:
سناریو ۱: ژل بیشتر، عایق کمتر.
سناریو ۲: ژل کمتر، عایق بیشتر.
—
61-22 ـ مقاومت حرارتی عایق
برای یک لایه ساده:
[
R=\frac{L}{kA}
]
هرچه ضخامت عایق بیشتر یا رسانندگی حرارتی کمتر باشد، مقاومت حرارتی افزایش مییابد.
—
61-23 ـ تأثیر دمای محیط
ژلپک سبک ممکن است در محیط سرد عملکرد مناسبی داشته باشد، ولی در محیط بسیار گرم نیازمند جرم یا عایق بیشتری باشد.
بنابراین وزن بهینه باید بر اساس شرایط واقعی استفاده تعیین شود.
—
61-24 ـ اثر دمای اولیه
اگر ژلپک از ابتدا کاملاً منجمد باشد، ظرفیت سرمایشی قابل استفاده آن با حالتی که فقط تا دمای نزدیک صفر سرد شده متفاوت است.
پس دمای اولیه باید در مشخصات فنی ثبت شود.
—
61-25 ـ محاسبه بار حرارتی
اگر جرم محصول:
[
m=10kg
]
و گرمای ویژه تقریبی:
[
Cp=4,kJ/(kg.K)
]
باشد و بخواهیم دما ۱۰ درجه کاهش پیدا کند:
[
Q=10\times4\times10=400kJ
]
است.
این فقط بار سرمایشی محصول را نشان میدهد و گرمای ورودی جعبه نیز باید جداگانه محاسبه شود.
—
61-26 ـ تعیین جرم موردنیاز
اگر ظرفیت سرمایشی مفید هر کیلوگرم ژلپک:
[
Q_{pack}=400kJ/kg
]
و بار کل:
[
Q_{total}=8000kJ
]
باشد:
[
m_{pack}=\frac{8000}{400}=20kg
]
است.
این مثال نشان میدهد چرا ظرفیت واقعی آزمایششده اهمیت زیادی دارد.
—
61-27 ـ ظرفیت نظری و عملی
ظرفیت نظری از روابط حرارتی محاسبه میشود.
اما ظرفیت عملی ممکن است به علت:
– انتقال حرارت ناقص؛
– دمای اولیه؛
– آب غیرخالص؛
– پلیمر؛
– بستهبندی؛
– شرایط جعبه
متفاوت باشد.
برای طراحی تجاری باید از ظرفیت مفید اندازهگیریشده استفاده کرد.
—
61-28 ـ وزن آب
در فرمولاسیون آبپایه، افزایش سهم آب معمولاً از نظر ظرفیت گرمایی جذاب است.
ولی آب باید به اندازهای باشد که ساختار ژل پایدار باقی بماند.
پس هدف:
حداکثر آب قابل استفاده با حداقل آب آزاد
است.
—
61-29 ـ آزمایش نسبتهای مختلف
یک آزمون داخلی میتواند با نمونههای زیر انجام شود:
نمونه| آب| پلیمر
A| 1000 g| 5 g
B| 1000 g| 7.5 g
C| 1000 g| 10 g
D| 1000 g| 15 g
E| 1000 g| 20 g
پس از هیدراتاسیون، موارد زیر اندازهگیری شوند:
– آب آزاد؛
– جرم؛
– شکل؛
– ظرفیت سرمایشی؛
– دوام.
—
61-30 ـ آزمون وزن ثابت
پس از ساخت نمونه، جرم آن اندازهگیری شود:
[
m_0
]
بعد از چند چرخه:
[
m_n
]
ثبت شود.
اختلاف:
[
\Delta m=m_0-m_n
]
شاخص سادهای برای بررسی نشتی یا کاهش محتویات است.
—
61-31 ـ طراحی با حداقل آب آزاد
اگر فرمول با پلیمر کمتر دارای آب آزاد باشد، سه راه وجود دارد:
1. افزایش جزئی پلیمر؛
2. کاهش جزئی آب؛
3. اصلاح روش اختلاط و هیدراتاسیون.
راهکار سوم مهم است، زیرا گاهی مشکل از فرآیند است نه مقدار کل پلیمر.
—
61-32 ـ اندازه ذرات پلیمر
اندازه ذرات میتواند بر سرعت آبگیری اثر بگذارد.
ذرات بسیار ریز ممکن است سریعتر آبگیری شوند ولی احتمال کلوخهشدن آنها بیشتر شود.
ذرات درشتتر ممکن است اختلاط متفاوتی داشته باشند.
پس باید گرید واقعی ماده اولیه آزمایش شود.
—
61-33 ـ روش اختلاط
برای جلوگیری از کلوخه:
آب → ایجاد جریان مناسب → افزودن تدریجی پلیمر
میتواند روش پایه مناسبی برای آزمایش باشد.
افزودن حجم زیاد پودر در یک نقطه میتواند تشکیل کلوخه را افزایش دهد.
—
61-34 ـ زمان هیدراتاسیون
نمونه بلافاصله پس از اختلاط الزاماً نماینده وضعیت نهایی نیست.
باید زمان مشخصی برای آبگیری در نظر گرفته شود و سپس:
– بافت؛
– آب آزاد؛
– جرم؛
– ویسکوزیته
بررسی شود.
—
61-35 ـ اثر فشار
ژلپک درون جعبه ممکن است تحت فشار قرار گیرد.
اگر آب آزاد زیاد باشد، فشار میتواند باعث حرکت مایع و تمرکز تنش شود.
بنابراین آزمون فشار باید روی نمونه واقعی انجام شود.
—
61-36 ـ طراحی هندسی اقتصادی
یک طراحی خوب باید همزمان موارد زیر را کنترل کند:
– سطح فیلم؛
– حجم داخلی؛
– ضخامت؛
– تعداد دوخت؛
– فضای خالی؛
– سطح تماس.
بهترین هندسه الزاماً مربع یا مستطیل ساده نیست.
—
61-37 ـ محاسبه تقریبی حجم
اگر بسته مستطیلی باشد:
[
V=L\times W\times T
]
مثلاً:
[
40\times20\times1=800cm^3
]
حجم هندسی تقریبی برابر ۸۰۰ سانتیمتر مکعب خواهد بود.
—
61-38 ـ ارتباط حجم و جرم
اگر چگالی متوسط محتویات حدود:
[
\rho=1g/cm^3
]
باشد، حجم ۸۰۰ سانتیمتر مکعب تقریباً معادل ۸۰۰ گرم محتویات خواهد بود.
در ژل واقعی چگالی باید اندازهگیری شود.
—
61-39 ـ حملونقل
در حمل، دو شاخص مهم وجود دارد:
[
C_m=\frac{Cost_{transport}}{Mass}
]
و:
[
C_v=\frac{Cost_{transport}}{Volume}
]
در عمل شرکت حمل ممکن است وزن واقعی یا حجم را مبنا قرار دهد؛ بنابراین هر دو باید بررسی شوند.
—
61-40 ـ صرفهجویی حمل در تیراژ
فرض کنید کاهش وزن هر بسته ۱۰۰ گرم باشد.
در ۱۰ هزار بسته:
[
100g\times10000=1000kg
]
یعنی یک تن کاهش وزن کل.
این مقدار میتواند در حملونقل عمده قابل توجه باشد.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
61-41 ـ اما کاهش ۱۰۰ گرم چه قیمتی دارد؟
اگر کاهش وزن باعث شود ظرفیت سرمایشی مثلاً ۱۵ درصد افت کند، باید بررسی شود آیا این افت قابل قبول است یا خیر.
بنابراین:
[
Weight\ Reduction
]
باید همیشه همراه با:
[
Performance\ Retention
]
بررسی شود.
—
61-42 ـ شاخص ترکیبی
میتوان شاخص داخلی زیر را تعریف کرد:
[
I=\frac{Q_{useful}}{Cost\times Mass}
]
این شاخص میتواند برای مقایسه نمونههای مختلف استفاده شود.
هرچه مقدار آن بیشتر باشد، از دید تعریف ریاضی، ظرفیت سرمایشی بیشتری به ازای هزینه و جرم ارائه شده است.
—
61-43 ـ آزمون سه طراحی
برای توسعه محصول میتوان سه طراحی ساخت:
طراحی| جرم| ضخامت| هدف
A| بالا| زیاد| مرجع
B| متوسط| متوسط| متعادل
C| کم| کم| سبک
هر سه باید در یک جعبه و شرایط یکسان آزمایش شوند.
—
61-44 ـ معیارهای مقایسه
برای هر طراحی ثبت شود:
– جرم؛
– ابعاد؛
– ظرفیت سرمایشی؛
– زمان انجماد؛
– زمان حفظ دمای هدف؛
– قیمت؛
– تعداد چرخه؛
– نشتی؛
– هزینه حمل.
—
61-45 ـ اهمیت تعداد چرخه
اگر ژلپک چندبارمصرف باشد، وزن کمتر فقط زمانی مزیت دارد که دوام کافی داشته باشد.
یک بسته سبک با عمر ۵ چرخه ممکن است از یک بسته کمی سنگینتر با عمر ۵۰ چرخه، از نظر هزینه چرخهای نامناسبتر باشد.
—
61-46 ـ آزمون چرخهای
نمونه سبک باید حداقل در چند مرحله بررسی شود:
– چرخه ۰؛
– چرخه ۵؛
– چرخه ۱۰؛
– چرخه ۲۰؛
– چرخه ۵۰.
در هر مرحله:
– جرم؛
– ابعاد؛
– نشتی؛
– عملکرد سرمایشی
ثبت شود.
—
61-47 ـ انتخاب نهایی
فرمول نهایی نباید فقط بر اساس کمترین جرم انتخاب شود.
پیشنهاد میشود ابتدا حداقلهای زیر تعریف شوند:
[
Q\geq Q_{required}
]
[
Leakage=0
]
[
N\geq N_{required}
]
و سپس از میان نمونههای واجد شرایط، هزینه و وزن مقایسه شود.
—
61-48 ـ مسیر توسعه محصول سبک پادنار
برای توسعه عملی یک محصول سبک میتوان این مسیر را دنبال کرد:
مرحله ۱: انتخاب یک فرمول مرجع.
مرحله ۲: کاهش مرحلهای پلیمر.
مرحله ۳: اصلاح نسبت آب به پلیمر.
مرحله ۴: آزمایش آب آزاد.
مرحله ۵: کاهش کنترلشده ضخامت فیلم.
مرحله ۶: اصلاح ابعاد و شکل.
مرحله ۷: اندازهگیری ظرفیت سرمایشی.
مرحله ۸: آزمون چرخهای.
مرحله ۹: آزمایش در جعبه واقعی.
مرحله ۱۰: محاسبه هزینه حمل و تولید.
—
61-49 ـ چکلیست طراحی ژلپک سبک
☐ ظرفیت سرمایشی واقعی اندازهگیری شده است.
☐ سهم آب بهینه شده است.
☐ مقدار پلیآکریلات حداقل مؤثر تعیین شده است.
☐ آب آزاد کنترل شده است.
☐ فیلم با کمترین ضخامت قابل قبول انتخاب شده است.
☐ دوخت آزمایش شده است.
☐ ضخامت بسته بهینه شده است.
☐ سطح تماس کافی است.
☐ جرم نهایی کنترل شده است.
☐ تعداد چرخه مشخص شده است.
☐ هزینه حمل محاسبه شده است.
☐ عملکرد در جعبه واقعی بررسی شده است.
☐ فرمول نهایی در مقیاس نیمهصنعتی تأیید شده است.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
61-50 ـ جمعبندی فصل
طراحی ژلپک سبک به معنای حذف ساده مواد نیست؛ بلکه یک مسئله بهینهسازی همزمان وزن، ظرفیت سرمایشی، دوام، قیمت و قابلیت تولید است.
مهمترین شاخص اولیه:
[
SP=\frac{Q_{useful}}{m}
]
یعنی ظرفیت سرمایشی مفید به ازای هر کیلوگرم محصول است.
اما این شاخص به تنهایی کافی نیست. برای محصول صنعتی باید هزینه، حجم، دوام و قابلیت تولید نیز وارد تصمیمگیری شوند.
یکی از مهمترین فرصتهای اقتصادی، بررسی حداقل مقدار مؤثر پلیآکریلات است. پلیمر وظیفه اصلی نگهداری آب را دارد و افزایش بیش از حد آن لزوماً ظرفیت سرمایشی را به همان نسبت افزایش نمیدهد. بنابراین آزمایش نسبتهای مختلف آب به پلیمر میتواند به کاهش قیمت و وزن منجر شود.
از طرف دیگر، افزایش سهم آب میتواند از نظر ظرفیت حرارتی جذاب باشد، ولی وزن حمل را افزایش میدهد. بنابراین باید ظرفیت سرمایشی بر حسب جرم، حجم و هزینه بررسی شود.
هندسه تخت نیز میتواند نقش مهمی داشته باشد. کاهش ضخامت و افزایش سطح تماس ممکن است سرعت انتقال حرارت و انجماد را بهبود دهد، اما مصرف فیلم و تعداد دوختها باید همزمان کنترل شود.
در نهایت، طراحی مناسب باید چنین هدفی داشته باشد:
کمترین وزن + کمترین هزینه + ظرفیت سرمایشی کافی + دوام مناسب + تولیدپذیری بالا
به همین دلیل، برای تولید صنعتی ژلپک بهتر است ابتدا یک محصول مرجع ساخته شود و سپس با تغییر مرحلهای:
– مقدار پلیآکریلات؛
– مقدار آب؛
– ضخامت فیلم؛
– ضخامت ژل؛
– ابعاد؛
– تعداد بستهها
به نقطه بهینه رسید.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
پیشنهاد موضوع فصل ۶۲
روش طراحی ژلپک با بیشترین ظرفیت سرمایشی در کمترین حجم؛ بررسی ظرفیت سرمایشی حجمی، چگالی، ضخامت، سطح تماس، هندسه بسته، نسبت آب به پلیآکریلات، تعداد بستهها و بهینهسازی فضای داخل جعبه
۰ دیدگاه