دانشنامه جامع کمپرس یخ64
فصل ۶۴
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
روش طراحی ژلپک برای سرمایش یکنواخت؛ بررسی توزیع دما در جعبه، تعداد و محل سنسورها، نقاط گرم و سرد، چیدمان ژلپکها، فاصله از محصول و روش کاهش اختلاف دمای نقاط مختلف
64-1 ـ مقدمه
در بسیاری از کاربردهای ژلپک، پایین بودن دمای یک نقطه کافی نیست. هدف واقعی این است که دمای بخشهای مختلف محصول تا حد امکان در محدوده موردنظر باقی بماند.
ممکن است یک جعبه در مرکز بسیار سرد باشد، اما گوشهها یا قسمت نزدیک درب گرمتر باقی بمانند. به همین دلیل طراحی ژلپک باید علاوه بر ظرفیت سرمایشی، به یکنواختی دما نیز توجه کند.
—
64-2 ـ سرمایش یکنواخت چیست؟
سرمایش یکنواخت یعنی اختلاف دمای نقاط مختلف محصول در یک محدوده قابل قبول باقی بماند.
اگر دمای سه نقطه چنین باشد:
– نقطه A: ۵ درجه؛
– نقطه B: ۶ درجه؛
– نقطه C: ۵٫۵ درجه،
توزیع دما نسبتاً یکنواخت است.
اما اگر:
– A: ۱ درجه؛
– B: ۸ درجه؛
– C: ۱۴ درجه،
باشد، سیستم سرمایشی یکنواخت نیست.
—
64-3 ـ چرا نقاط گرم ایجاد میشوند؟
نقاط گرم معمولاً در محلهایی ایجاد میشوند که:
– از ژلپک دور هستند؛
– عایق ضعیفتری دارند؛
– به دیواره خارجی نزدیکاند؛
– درب جعبه در آن قسمت مقاومت کمتری دارد؛
– گردش هوا متفاوت است.
بنابراین صرفاً افزایش مقدار ژلپک همیشه مشکل را حل نمیکند.
—
64-4 ـ چرا نقاط سرد ایجاد میشوند؟
نقطه سرد معمولاً در نزدیکی یک ژلپک بزرگ یا سطح تماس مستقیم با بسته سرد ایجاد میشود.
اگر اختلاف دمای زیادی بین ژلپک و محصول وجود داشته باشد، این اختلاف ممکن است بیشتر شود.
برای بعضی محصولات، نقطه سرد بیش از حد نیز نامطلوب است.
—
64-5 ـ هدف اصلی طراحی
هدف طراحی را میتوان چنین بیان کرد:
[
T_{min}\leq T_{product}\leq T_{max}
]
در تمام نقاط مهم محصول و در مدت زمانی که برای کاربرد تعریف شده است.
این محدوده باید برای هر محصول به صورت جداگانه تعیین شود.
—
64-6 ـ اهمیت سنسور دما
برای ارزیابی یکنواختی، حداقل یک سنسور کافی نیست.
یک سنسور فقط وضعیت همان نقطه را نشان میدهد.
ممکن است مرکز جعبه دمای مطلوب داشته باشد ولی گوشهای از محصول چند درجه گرمتر باشد.
—
64-7 ـ تعداد سنسورها
تعداد سنسورها به:
– اندازه جعبه؛
– مقدار محصول؛
– تعداد ژلپکها؛
– پیچیدگی هندسی؛
– هدف آزمون
بستگی دارد.
برای نمونه اولیه میتوان از ۵ تا ۹ نقطه اندازهگیری استفاده کرد و سپس بر اساس نتایج تعداد را اصلاح کرد.
—
64-8 ـ محل سنسور مرکزی
یکی از سنسورها بهتر است در مرکز توده محصول قرار گیرد.
این سنسور نشان میدهد دمای بخش داخلی محصول چگونه تغییر میکند.
دمای هوای مرکز جعبه با دمای مرکز محصول یکسان نیست.
—
64-9 ـ سنسور نزدیک ژلپک
یک سنسور را میتوان نزدیک ژلپک قرار داد.
این سنسور به شناسایی نقاط بسیار سرد کمک میکند.
البته سنسور نباید به شکلی نصب شود که تماس غیرواقعی یا مصنوعی با ژلپک ایجاد کند.
—
64-10 ـ سنسور نزدیک دیواره
دیوارههای جعبه معمولاً یکی از مسیرهای مهم تبادل حرارت هستند.
بنابراین قرار دادن سنسور نزدیک دیواره میتواند برای شناسایی ورود گرما مفید باشد.
—
64-11 ـ سنسور نزدیک درب
اگر درب جعبه نسبت به بدنه عایق ضعیفتری داشته باشد، ممکن است قسمت بالایی محصول گرمتر شود.
به همین دلیل اندازهگیری قسمت بالایی اهمیت دارد.
—
64-12 ـ نقشه دمایی
با اندازهگیری چند نقطه میتوان یک نقشه دمایی ایجاد کرد.
برای مثال:
موقعیت| دمای اندازهگیریشده
مرکز| ۵٫۵°C
بالا| ۷°C
پایین| ۴°C
چپ| ۶°C
راست| ۸°C
این جدول نشان میدهد که سمت راست نیازمند بررسی بیشتری است.
—
64-13 ـ دامنه دمایی
شاخص ساده برای اختلاف دما:
[
\Delta T_{box}=T_{max}-T_{min}
]
است.
در مثال بالا:
[
\Delta T_{box}=8-4=4°C
]
هرچه این اختلاف در شرایط یکسان کمتر باشد، توزیع دما یکنواختتر است.
—
64-14 ـ میانگین دما
میتوان میانگین دما را نیز محاسبه کرد:
[
T_{avg}=\frac{T_1+T_2+\cdots+T_n}{n}
]
اما میانگین به تنهایی کافی نیست.
ممکن است میانگین مناسب باشد ولی یک نقطه بسیار گرم یا بسیار سرد وجود داشته باشد.
—
64-15 ـ انحراف از میانگین
برای تحلیل دقیقتر میتوان اختلاف هر نقطه با میانگین را بررسی کرد.
برای مثال:
[
D_i=T_i-T_{avg}
]
این شاخص نشان میدهد کدام نقاط از وضعیت متوسط فاصله بیشتری دارند.
—
64-16 ـ چیدمان متقارن
اگر جعبه تقریباً متقارن باشد، چیدمان متقارن ژلپکها میتواند به توزیع بهتر سرمایش کمک کند.
مثلاً:
ژلپک چپ + مرکز + راست
ممکن است از یک بسته بزرگ در یک طرف بهتر باشد.
—
64-17 ـ یک ژلپک بزرگ در مقابل چند ژلپک کوچک
فرض کنید مجموع جرم ژلپکها ۲ کیلوگرم است.
میتوان آن را به شکل:
– یک بسته ۲ کیلوگرمی؛
– دو بسته ۱ کیلوگرمی؛
– چهار بسته ۵۰۰ گرمی
ساخت.
اگر هدف یکنواختی دما باشد، چند بسته کوچکتر امکان توزیع فضایی بیشتری ایجاد میکنند.
—
64-18 ـ اثر فاصله ژلپکها
اگر دو ژلپک در یک طرف جعبه قرار گیرند، طرف مقابل ممکن است گرمتر شود.
پخش کردن آنها در نقاط مختلف میتواند این اختلاف را کاهش دهد.
—
64-19 ـ سرمایش از بالا
در برخی طراحیها یک ژلپک تخت در قسمت بالایی قرار میگیرد.
این بسته میتواند ورود گرما از درب را تا حدی جبران کند.
ولی باید بررسی شود که آیا باعث ایجاد نقطه سرد در قسمت بالایی محصول میشود یا خیر.
—
64-20 ـ سرمایش از پایین
ژلپک کف میتواند یک سطح سرد ایجاد کند.
در برخی جعبهها این روش مفید است، اما در محصول حساس به سرمای مستقیم ممکن است نیازمند جداکننده باشد.
—
64-21 ـ سرمایش جانبی
قرار دادن ژلپک در طرفین، فاصله حرارتی نقاط کناری را کاهش میدهد.
این روش برای جعبههای کشیده یا عریض میتواند قابل بررسی باشد.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
64-22 ـ ترکیب چند جهت
یکی از طراحیهای قابل آزمایش:
بالا + پایین + دو طرف
است.
اما افزایش تعداد بستهها به معنی افزایش خودکار کیفیت نیست.
باید اثر هر بسته بر نقشه دمایی بررسی شود.
—
64-23 ـ نقش عایق
عایق حرارتی باید ورود گرما از محیط را کاهش دهد.
اگر عایق در یک سمت ضعیف باشد، همان سمت ممکن است تبدیل به نقطه گرم شود.
بنابراین ضخامت عایق باید در تمام قسمتهای مهم بررسی شود.
—
64-24 ـ درزهای عایق
حتی اگر ماده عایق مناسب باشد، درزهای آن میتوانند مسیر انتقال گرما ایجاد کنند.
محل اتصال:
– کف؛
– دیواره؛
– درب؛
باید به صورت جداگانه بررسی شود.
—
64-25 ـ پل حرارتی
پل حرارتی مسیری است که گرما از آن راحتتر عبور میکند.
نمونهها:
– گوشههای جعبه؛
– محل اتصال درب؛
– دسته؛
– بست؛
– سوراخها؛
– اتصالات.
کاهش پل حرارتی میتواند یکنواختی دما را بهتر کند.
—
64-26 ـ نقش هوای داخل جعبه
اگر بین ژلپک و محصول فضای خالی بزرگی وجود داشته باشد، انتقال حرارت ممکن است کندتر شود.
در بعضی شرایط، جابهجایی طبیعی هوا میتواند به توزیع دما کمک کند؛ در بعضی دیگر، هوای ساکن به عنوان مقاومت حرارتی عمل میکند.
بنابراین فاصله باید آزمایش شود.
—
64-27 ـ جداکننده
یک لایه جداکننده میتواند برای جلوگیری از تماس مستقیم ژلپک با محصول استفاده شود.
این لایه باید تا حد امکان:
– نازک؛
– مقاوم؛
– پایدار در دمای پایین
باشد.
—
64-28 ـ محصول و ظرفیت حرارتی
محصول داخل جعبه خود یک جرم حرارتی است.
اگر محصول از ابتدا سرد باشد، بار سرمایشی کمتری لازم است.
اگر محصول گرم باشد، ژلپک باید ابتدا گرمای محصول را جذب کند و سپس با ورود گرمای محیط مقابله کند.
—
64-29 ـ پیشسردسازی
پیشسرد کردن محصول قبل از بستهبندی میتواند نیاز به ژلپک را کاهش دهد.
برای مثال اگر محصول از ۲۵°C به ۱۰°C برسد، بار اولیه آن بسیار متفاوت از محصولی است که از ۱۰°C وارد جعبه میشود.
—
64-30 ـ محاسبه بار محسوس محصول
رابطه ساده:
[
Q=mCp\Delta T
]
است.
مثلاً:
[
m=10kg
]
[
Cp=4kJ/(kg.K)
]
[
\Delta T=10K
]
پس:
[
Q=400kJ
]
است.
این فقط بار محسوس محصول است.
—
64-31 ـ گرمای نهان
اگر در سیستم آب یا یخ تغییر فاز رخ دهد، گرمای نهان نیز وارد محاسبات میشود.
برای آب خالص:
[
Q_L=mL
]
و:
[
L\approx334kJ/kg
]
است.
اما ژلپک پلیمری الزاماً رفتار کاملاً مشابه یک کیلوگرم یخ خالص ندارد.
—
64-32 ـ نقش پلیآکریلات در یکنواختی
پلیآکریلات باعث نگهداری آب در ساختار ژل میشود.
این ساختار میتواند ویژگیهای فیزیکی بسته را تغییر دهد.
اما نباید فرض کرد افزایش پلیمر همیشه باعث افزایش یکنواختی دما میشود.
این موضوع باید با آزمون مقایسهای بررسی شود.
—
64-33 ـ آب آزاد و انتقال حرارت
آب آزاد میتواند رفتار حرارتی متفاوتی نسبت به آب نگهداشتهشده در شبکه ژل داشته باشد.
بنابراین هنگام مقایسه فرمولها، مقدار آب آزاد باید ثبت شود.
—
64-34 ـ طراحی آزمون یکنواختی
برای آزمون داخلی:
1. جعبه مشخص؛
2. عایق مشخص؛
3. محصول مشخص؛
4. جرم ثابت ژلپک؛
5. دمای اولیه ثابت؛
6. سنسورهای مشخص.
استفاده شود.
تنها چیدمان ژلپک تغییر کند.
—
64-35 ـ آزمون چیدمان A
در چیدمان A:
یک ژلپک در بالا
قرار میگیرد.
تمام سنسورها فعال میشوند و دما مثلاً هر یک دقیقه ثبت میشود.
—
64-36 ـ آزمون چیدمان B
در چیدمان B:
دو ژلپک در بالا و پایین
قرار میگیرند.
نتایج با A مقایسه میشوند.
—
64-37 ـ آزمون چیدمان C
در چیدمان C:
بالا + پایین + طرفین
آزمایش میشود.
هدف این نیست که صرفاً بیشترین تعداد بسته انتخاب شود، بلکه باید دید آیا یکنواختی واقعاً بهتر شده است.
—
64-38 ـ معیار مقایسه
برای هر آزمون ثبت شود:
– (T_{min})؛
– (T_{max})؛
– (T_{avg})؛
– (\Delta T)؛
– زمان رسیدن به محدوده هدف؛
– مدت باقیماندن در محدوده؛
– جرم ژلپک؛
– هزینه.
—
64-39 ـ منحنی زمانی
دما باید بر حسب زمان رسم شود:
[
T=f(t)
]
این نمودار میتواند نشان دهد:
– کدام نقطه سریعتر سرد میشود؛
– کدام نقطه دیرتر سرد میشود؛
– چه زمانی اختلاف دما بیشینه است؛
– چه زمانی سیستم پایدارتر میشود.
—
64-40 ـ بررسی دمای مرکز محصول
در بسیاری از کاربردها، دمای مرکز محصول مهمتر از دمای هوای جعبه است.
ممکن است هوای جعبه به ۵ درجه رسیده باشد، اما مرکز محصول هنوز ۱۲ درجه باشد.
بنابراین برای ارزیابی عملکرد، دمای محصول نیز باید اندازهگیری شود.
—
64-41 ـ تأخیر حرارتی محصول
محصول دارای ظرفیت حرارتی است و دمای آن معمولاً با هوای اطراف فوراً یکسان نمیشود.
این اختلاف زمانی را باید در طراحی لحاظ کرد.
هرچه محصول ضخیمتر یا جرم آن بیشتر باشد، ممکن است این تأخیر بیشتر شود.
—
64-42 ـ یکنواختی در طول زمان
یک جعبه ممکن است در ساعت اول یکنواخت باشد، ولی پس از چند ساعت یک سمت آن گرمتر شود.
بنابراین یکنواختی باید در چند زمان بررسی شود:
– شروع؛
– ۲ ساعت؛
– ۶ ساعت؛
– ۱۲ ساعت؛
– ۲۴ ساعت.
زمانهای واقعی باید متناسب با کاربرد انتخاب شوند.
—
64-43 ـ شرایط محیطی
آزمون باید در شرایط کنترلشده انجام شود.
برای مثال:
– دمای محیط؛
– رطوبت؛
– تابش؛
– جریان هوا
ثبت شود.
در غیر این صورت مقایسه آزمایشها دشوار خواهد شد.
—
64-44 ـ اثر باز شدن درب
در یک آزمون واقعی میتوان سناریوی باز شدن درب را نیز بررسی کرد.
مثلاً:
– بدون باز شدن؛
– یک بار باز شدن؛
– چند بار باز شدن.
این آزمون میتواند نشان دهد چیدمان ژلپک در شرایط واقعی چگونه عمل میکند.
—
64-45 ـ کاهش نقاط گرم بدون افزایش ژل
اگر یک نقطه گرم شناسایی شود، قبل از افزایش مقدار ژلپک این اقدامات را بررسی کنید:
1. جابهجایی ژلپک؛
2. اصلاح عایق؛
3. کاهش فاصله؛
4. اصلاح درزها؛
5. استفاده از بسته تخت؛
6. اصلاح چیدمان.
گاهی این اقدامات ارزانتر از افزایش جرم ژلپک هستند.
—
64-46 ـ کاهش نقاط سرد
برای کاهش نقطه سرد میتوان:
– فاصله ژلپک تا محصول را افزایش داد؛
– یک جداکننده قرار داد؛
– جرم بسته را کاهش داد؛
– ژلپک بزرگ را به چند بسته کوچکتر تبدیل کرد؛
– محل بسته را تغییر داد.
اثر هر روش باید اندازهگیری شود.
—
64-47 ـ بهینهسازی همزمان
هدف نهایی را میتوان چنین نوشت:
[
\min(\Delta T)
]
با این محدودیت که:
[
T_{min}\geq T_{lower}
]
و:
[
T_{max}\leq T_{upper}
]
باشد.
همزمان باید:
[
Weight\leq Weight_{max}
]
و:
[
Cost\leq Cost_{max}
]
رعایت شود.
—
64-48 ـ پروتکل پیشنهادی توسعه
مرحله ۱: تعیین محدوده دمایی.
مرحله ۲: تعیین حجم و جرم محصول.
مرحله ۳: انتخاب جعبه و عایق.
مرحله ۴: نصب چند سنسور.
مرحله ۵: آزمون یک چیدمان پایه.
مرحله ۶: شناسایی نقاط گرم و سرد.
مرحله ۷: تغییر محل ژلپک.
مرحله ۸: اصلاح فاصله و عایق.
مرحله ۹: آزمون مجدد.
مرحله ۱۰: تثبیت چیدمان نهایی.
—
64-49 ـ چکلیست طراحی سرمایش یکنواخت
☐ محدوده دمایی هدف مشخص شده است.
☐ دمای مرکز محصول اندازهگیری میشود.
☐ چند سنسور در نقاط مختلف قرار گرفتهاند.
☐ نقاط گرم شناسایی شدهاند.
☐ نقاط سرد شناسایی شدهاند.
☐ اختلاف (T_{max}-T_{min}) محاسبه شده است.
☐ چیدمانهای مختلف آزمایش شدهاند.
☐ فاصله ژلپک تا محصول بررسی شده است.
☐ عایق و درزهای آن بررسی شدهاند.
☐ پلهای حرارتی شناسایی شدهاند.
☐ جرم ژلپک ثبت شده است.
☐ هزینه هر طراحی ثبت شده است.
☐ آزمون در شرایط واقعی انجام شده است.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
64-50 ـ جمعبندی فصل
در طراحی یک سیستم سردکننده، رسیدن یک نقطه از جعبه به دمای پایین به معنی موفقیت کامل نیست. هدف مهمتر، رساندن تمام نقاط حساس محصول به محدوده دمایی موردنظر و کاهش اختلاف دمای نقاط مختلف است.
برای این کار، ابتدا باید نقشه دمایی جعبه تهیه شود. استفاده از چند سنسور در مرکز محصول، نزدیکی ژلپک، دیوارهها، کف و درب میتواند نقاط گرم و سرد را مشخص کند.
پس از شناسایی نقاط مشکلدار، به جای افزایش مستقیم مقدار ژلپک، بهتر است ابتدا موارد زیر بررسی شوند:
چیدمان ژلپک → فاصله از محصول → ضخامت بسته → سطح تماس → عایق → درزها و پلهای حرارتی
در بسیاری از موارد، اصلاح این عوامل میتواند بدون افزایش محسوس وزن و هزینه، عملکرد سیستم را بهبود دهد.
برای تولید صنعتی، پیشنهاد میشود یک روش آزمون ثابت تعریف شود و تمام طراحیها با شرایط یکسان مقایسه شوند. در هر آزمون باید حداقل این شاخصها ثبت شوند:
[
T_{min},\quad T_{max},\quad T_{avg},\quad \Delta T
]
همچنین زمان رسیدن به دمای هدف و مدت باقیماندن در محدوده هدف باید اندازهگیری شود.
در نهایت، یک ژلپک مناسب باید نهتنها ظرفیت سرمایشی کافی داشته باشد، بلکه سرمایش را در محل مناسب و با توزیع مناسب به محصول منتقل کند.
بهترین طراحی، طراحیای است که میان ظرفیت سرمایشی، یکنواختی دما، وزن، حجم، هزینه، سرعت انجماد و دوام تعادل برقرار کند.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
پیشنهاد موضوع فصل ۶۵
روش طراحی ژلپک برای سرمایش سریع محصولات گرم؛ محاسبه بار حرارتی محصول، تعیین وزن ژلپک، دمای اولیه، سطح تماس، ضخامت بسته، زمان رسیدن به دمای هدف و طراحی سیستم سرمایش سریع
۰ دیدگاه