دانشنامه جامع کمپرس یخ65
فصل ۶۵
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
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
65-1 ـ مقدمه
در برخی کاربردها هدف ژلپک فقط حفظ سرمای محصول نیست، بلکه باید محصولی را که در ابتدا دمای نسبتاً بالایی دارد، در کوتاهترین زمان ممکن تا دمای هدف پایین بیاورد.
در چنین شرایطی طراحی ژلپک باید همزمان بر دو موضوع متمرکز باشد:
1. ظرفیت سرمایشی کافی
2. سرعت انتقال سرمایش به محصول
زیرا داشتن مقدار زیادی ماده سردکننده، لزوماً به معنی سرد شدن سریع محصول نیست.
—
65-2 ـ سرمایش سریع چیست؟
سرمایش سریع یعنی کاهش دمای محصول در مدت زمان مشخص و رسیدن دمای بخش موردنظر آن به محدوده هدف.
برای مثال، هدف یک آزمایش میتواند چنین باشد:
[
25^\circ C\rightarrow10^\circ C
]
در مدت حداکثر ۲ ساعت.
این زمان باید برای هر کاربرد به صورت مشخص تعریف شود.
—
65-3 ـ تفاوت سرمایش سریع و حفظ سرما
این دو هدف نباید با یکدیگر اشتباه شوند.
سرمایش سریع: نرخ انتقال حرارت اهمیت زیادی دارد.
حفظ سرما: ظرفیت حرارتی و کاهش ورود گرما اهمیت بیشتری پیدا میکند.
بنابراین ممکن است ژلپکی که سریعتر محصول را سرد میکند، الزاماً بیشترین زمان نگهداری سرما را نداشته باشد.
—
65-4 ـ بار حرارتی محصول
اولین مرحله طراحی، محاسبه گرمایی است که باید از محصول گرفته شود:
[
Q=mC_p\Delta T
]
که در آن:
– (m): جرم محصول؛
– (C_p): گرمای ویژه؛
– (\Delta T): مقدار کاهش دما.
—
65-5 ـ مثال محاسبه
فرض کنیم:
[
m=10kg
]
[
C_p=4kJ/(kg.K)
]
و دمای محصول از ۲۵ به ۱۰ درجه کاهش یابد.
پس:
[
\Delta T=15K
]
و:
[
Q=10\times4\times15=600kJ
]
حداقل حدود ۶۰۰ کیلوژول انرژی حرارتی باید از محصول گرفته شود.
—
65-6 ـ این مقدار ظرفیت برای ژلپک کافی است؟
نه لزوماً.
زیرا بخشی از سرمایش ممکن است صرف:
– گرم شدن خود جعبه؛
– گرم شدن جداکنندهها؛
– ورود گرما از محیط؛
– سایر اجزای بستهبندی
شود.
بنابراین بار واقعی سیستم باید بیشتر از بار ساده محصول در نظر گرفته شود.
—
65-7 ـ بار حرارتی جعبه
میتوان به صورت ساده نوشت:
[
Q_{total}=Q_{product}+Q_{box}+Q_{environment}
]
در طراحی دقیقتر، هر بخش جداگانه اندازهگیری یا مدلسازی میشود.
—
65-8 ـ نقش اختلاف دما
اگر ژلپک بسیار سردتر از محصول باشد، نیروی محرک انتقال حرارت بیشتر است.
به صورت ساده:
[
\dot Q\propto\Delta T
]
اما اختلاف دمای بسیار زیاد میتواند خطر ایجاد نقاط سرد موضعی را افزایش دهد.
بنابراین سرعت سرمایش باید همراه با کنترل دمای محصول طراحی شود.
—
65-9 ـ دمای اولیه ژلپک
دمای اولیه ژلپک یکی از مهمترین پارامترهاست.
برای مثال عملکرد ژلپکی که از فریزر خارج شده و مرکز آن کاملاً منجمد است، با بستهای که فقط به چند درجه بالای صفر سرد شده، متفاوت خواهد بود.
دمای اولیه باید در مشخصات آزمون ثبت شود.
—
65-10 ـ ظرفیت سرمایشی ژلپک
اگر ژلپک دارای آب منجمد باشد، بخشی از ظرفیت سرمایشی آن از گرمای نهان ذوب ناشی میشود:
[
Q_L=mL
]
برای یخ آب خالص:
[
L\approx334kJ/kg
]
اما ژلپک پلیآکریلاتی الزاماً ظرفیت یکسانی با همان جرم یخ خالص ندارد.
—
65-11 ـ نقش آب
در فرمول آب و پلیآکریلات، آب مهمترین بخش ظرفیت حرارتی سیستم است.
پلیآکریلات عمدتاً آب را نگه میدارد و باعث ایجاد ساختار ژلی میشود.
بنابراین کاهش بیش از حد آب ممکن است ظرفیت سرمایشی را کاهش دهد.
—
65-12 ـ نقش پلیآکریلات
پلیآکریلات سدیم باعث میشود آب در یک ساختار ژل نگهداری شود.
مزایای احتمالی آن:
– کاهش حرکت آزاد مایع؛
– کاهش ریسک نشت در صورت آسیب محدود به بسته؛
– ایجاد بسته انعطافپذیر؛
– امکان طراحی فرمول آبپایه.
اما مقدار پلیمر باید بهینه شود.
—
65-13 ـ چرا پلیمر بیشتر همیشه بهتر نیست؟
اگر برای هر ۱۰۰۰ گرم آب، پلیمر بیش از نیاز اضافه شود، ممکن است:
– هزینه افزایش یابد؛
– ویسکوزیته بالا برود؛
– اختلاط دشوارتر شود؛
– رفتار انتقال حرارت تغییر کند.
بنابراین هدف، حداقل پلیمر مؤثر است.
—
65-14 ـ نسبت آب به پلیمر
نسبت:
[
R=\frac{M_w}{M_p}
]
میتواند برای مقایسه فرمولها استفاده شود.
برای مثال:
– ۱۰۰۰ گرم آب + ۱۰ گرم پلیمر → (R=100)
– ۱۰۰۰ گرم آب + ۲۰ گرم پلیمر → (R=50)
اما این نسبت به تنهایی مشخص نمیکند کدام فرمول عملکرد بهتری دارد.
—
65-15 ـ آزمایش فرمول
پیشنهاد میشود چند فرمول با نسبتهای متفاوت ساخته شوند.
برای هر نمونه:
– جرم؛
– حجم؛
– آب آزاد؛
– ویسکوزیته؛
– زمان انجماد؛
– دمای مرکز؛
– ظرفیت سرمایشی
اندازهگیری شود.
—
65-16 ـ ضخامت ژلپک
برای سرمایش سریع، ضخامت اهمیت زیادی دارد.
در بسیاری از مسائل انتقال حرارت، زمان مشخصه انتقال حرارت با مربع ضخامت رابطه تقریبی دارد:
[
t\propto L^2
]
بنابراین افزایش دو برابری ضخامت میتواند در شرایط ساده، زمان مشخصه را تقریباً تا چهار برابر افزایش دهد.
این رابطه فقط یک تقریب است.
—
65-17 ـ ژلپک تخت
برای سرمایش سریع معمولاً میتوان ساختار تخت را بررسی کرد.
مزیت احتمالی:
– سطح تماس بیشتر؛
– ضخامت کمتر؛
– مسیر انتقال حرارت کوتاهتر؛
– امکان قرارگیری در کنار محصول.
—
65-18 ـ افزایش سطح تماس
رابطه ساده رسانش:
[
\dot Q=\frac{kA\Delta T}{L}
]
نشان میدهد که افزایش (A) و کاهش (L)، در شرایط مشابه، انتقال حرارت را افزایش میدهد.
بنابراین طراحی تخت میتواند برای سرمایش سریع مفید باشد.
—
65-19 ـ تماس مستقیم
اگر ژلپک مستقیماً با بسته محصول تماس داشته باشد، مقاومت ناشی از هوای بین آنها کاهش مییابد.
اما در کاربردهای حساس باید از تماس مستقیم جلوگیری کرد.
در این حالت یک جداکننده نازک میتواند استفاده شود.
—
65-20 ـ فاصله بین ژلپک و محصول
برای بررسی اثر فاصله، سه حالت آزمایش شود:
حالت| فاصله
A| حداقل ممکن
B| ۲ سانتیمتر
C| ۵ سانتیمتر
سپس دمای مرکز محصول با هم مقایسه شود.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
65-21 ـ چند ژلپک کوچک
اگر فضای اطراف محصول اجازه دهد، چند بسته تخت کوچک ممکن است نسبت به یک بسته بسیار ضخیم عملکرد سریعتری داشته باشند.
برای مثال ۲ کیلوگرم کل ماده را میتوان به:
– ۴×۵۰۰ گرم؛
– ۲×۱ کیلوگرم؛
– ۱×۲ کیلوگرم
تقسیم کرد.
—
65-22 ـ مزیت توزیع پیرامونی
قرار دادن بستههای سرد در چند طرف محصول میتواند مسیر انتقال حرارت را کوتاهتر کند.
برای یک محصول مکعبی، چیدمان اطراف آن ممکن است از قرار دادن تمام جرم در یک طرف مؤثرتر باشد.
—
65-23 ـ سرمایش از بالا و پایین
قرار دادن ژلپک در بالا و پایین میتواند دو مسیر انتقال حرارت ایجاد کند.
اگر جعبه عایق مناسبی داشته باشد، این روش میتواند برای کاهش زمان سرمایش قابل بررسی باشد.
—
65-24 ـ سرمایش چهارطرفه
برای محصولات حساس به زمان، میتوان ژلپک را در چهار طرف قرار داد.
اما افزایش تعداد بستهها باعث افزایش:
– وزن؛
– قیمت؛
– فیلم؛
– دوخت
میشود.
بنابراین باید از نظر اقتصادی نیز بررسی شود.
—
65-25 ـ انتخاب چیدمان
چیدمان مناسب باید با آزمایش تعیین شود.
مثلاً:
طرح A: بالا و پایین
طرح B: چهار طرف
طرح C: بالا + پایین + دو طرف
برای هر طرح دمای مرکز و نقاط مختلف محصول ثبت شود.
—
65-26 ـ نقش عایق
برای سرمایش سریع ممکن است در نگاه اول عایق اهمیت کمتری نسبت به ژلپک داشته باشد.
اما اگر محیط بسیار گرم باشد، ورود گرما میتواند ظرفیت سرمایشی موجود را مصرف کند.
مدل ساده:
[
\dot Q=UA(T_{out}-T_{in})
]
است.
—
65-27 ـ پیشسردسازی جعبه
اگر جعبه نیز گرم باشد، بخشی از سرمای ژلپک صرف سرد کردن آن میشود.
در کاربردهای سرمایش سریع، پیشسرد کردن جعبه میتواند نیاز سرمایشی را کاهش دهد.
—
65-28 ـ پیشسردسازی محصول
پیشسردسازی محصول حتی از پیشسردسازی جعبه مهمتر است.
مثلاً کاهش دمای محصول از ۳۰ به ۲۰ درجه قبل از بستهبندی باعث میشود ژلپک فقط بخش باقیمانده بار حرارتی را تحمل کند.
—
65-29 ـ اهمیت جرم محصول
با افزایش جرم محصول:
[
Q=mC_p\Delta T
]
نیز افزایش مییابد.
پس یک ژلپک ثابت نمیتواند برای همه وزنهای محصول عملکرد یکسانی داشته باشد.
—
65-30 ـ نسبت ژلپک به محصول
میتوان شاخص سادهای تعریف کرد:
[
R_{pm}=\frac{M_{pack}}{M_{product}}
]
مثلاً اگر ۲ کیلوگرم ژلپک برای ۱۰ کیلوگرم محصول استفاده شود:
[
R_{pm}=0.2
]
این نسبت فقط برای مقایسه آزمایشهای داخلی مناسب است و مقدار استاندارد عمومی محسوب نمیشود.
—
65-31 ـ تعیین زمان هدف
عبارت «سرمایش سریع» باید عدد داشته باشد.
برای مثال:
رسیدن مرکز محصول از ۲۵°C به ۱۰°C در کمتر از ۹۰ دقیقه.
بدون تعیین زمان، امکان مقایسه فرمولها وجود ندارد.
—
65-32 ـ ثبت منحنی دما
دمای مرکز محصول در طول زمان ثبت شود:
[
T=f(t)
]
از این منحنی میتوان زمان رسیدن به:
– ۲۰°C؛
– ۱۵°C؛
– ۱۰°C؛
– ۵°C
را استخراج کرد.
—
65-33 ـ نرخ سرمایش
برای یک بازه:
[
Rate=\frac{T_1-T_2}{t_2-t_1}
]
مثلاً کاهش ۱۵ درجه در ۶۰ دقیقه:
[
Rate=0.25^\circ C/min
]
است.
این شاخص باید همراه با شرایط آزمون گزارش شود.
—
65-34 ـ دمای مرکز در برابر سطح
سطح محصول ممکن است خیلی سریع سرد شود، در حالی که مرکز هنوز گرم باشد.
برای محصولات ضخیم، اندازهگیری دمای سطح به تنهایی کافی نیست.
در چنین مواردی، دمای مرکز شاخص مهمتری برای رسیدن واقعی به دمای هدف است.
—
65-35 ـ محصول ضخیم
هرچه مسیر انتقال حرارت داخل محصول طولانیتر باشد، سرمایش مرکز ممکن است کندتر شود.
بنابراین برای محصول ضخیم، فقط افزایش قدرت ژلپک کافی نیست.
هندسه خود محصول نیز باید در نظر گرفته شود.
—
65-36 ـ اثر رسانندگی محصول
اگر رسانندگی حرارتی محصول پایین باشد، انتقال گرما از مرکز به سطح کندتر میشود.
در این حالت ممکن است حتی ژلپک بسیار سرد نیز نتواند مرکز محصول را سریع سرد کند.
—
65-37 ـ افزایش سطح محصول
در برخی کاربردها، تقسیم محصول به بستههای کوچکتر میتواند سطح تماس را افزایش دهد.
در نتیجه:
[
\frac{A}{V}
]
افزایش یافته و مسیر انتقال حرارت کوتاهتر میشود.
البته تغییر شکل محصول همیشه امکانپذیر نیست.
—
65-38 ـ اثر فیلم
فیلم ژلپک نیز در مسیر انتقال حرارت قرار دارد.
فیلم بیش از حد ضخیم ممکن است مقاومت حرارتی بیشتری ایجاد کند.
اما فیلم باید همچنان:
– در برابر سوراخشدن؛
– انجماد؛
– فشار؛
– دوخت
مقاومت کافی داشته باشد.
—
65-39 ـ فیلم بسیار نازک
کاهش ضخامت فیلم میتواند جرم و مقاومت حرارتی را کاهش دهد.
اما اگر استحکام بیش از حد کاهش یابد، نشتی میتواند کل عملکرد سیستم را از بین ببرد.
پس فیلم باید با آزمون واقعی انتخاب شود.
—
65-40 ـ کنترل هوای داخل بسته
حبابهای بزرگ داخل ژلپک میتوانند باعث ایجاد نواحی با انتقال حرارت متفاوت شوند.
بنابراین در زمان پر کردن باید تلاش شود:
– حباب زیاد ایجاد نشود؛
– وزن یکنواخت باشد؛
– شکل بستهها مشابه باشد.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
65-41 ـ آزمون سه فرمول
برای توسعه محصول میتوان سه فرمول داشته باشیم:
فرمول| پلیمر| آب| هدف
A| کم| زیاد| اقتصادی
B| متوسط| زیاد| متعادل
C| بیشتر| کمتر| ژل پایدارتر
سپس هر سه در یک جعبه و با یک جرم کلی آزمایش شوند.
—
65-42 ـ آزمون سه ضخامت
برای هر فرمول سه ضخامت نیز قابل آزمایش است:
– ۰٫۵ تا ۱ سانتیمتر؛
– ۱ تا ۲ سانتیمتر؛
– ۲ تا ۳ سانتیمتر.
این اعداد صرفاً نمونه آزمایشی هستند و باید با ابعاد واقعی محصول اصلاح شوند.
—
65-43 ـ آزمون ترکیبی
برای یک مطالعه کامل میتوان ماتریسی مانند زیر ساخت:
فرمول| ضخامت| چیدمان
A| کم| بالا/پایین
A| متوسط| بالا/پایین
B| کم| بالا/پایین
B| متوسط| چهارطرفه
C| کم| چهارطرفه
در هر آزمون زمان رسیدن مرکز محصول به دمای هدف ثبت شود.
—
65-44 ـ معیار انتخاب
فرمول برتر از نظر فنی الزاماً ارزانترین فرمول نیست.
برای محصول صنعتی بهتر است همزمان بررسی شود:
– زمان سرمایش؛
– ظرفیت سرمایشی؛
– قیمت؛
– وزن؛
– حجم؛
– نشتی؛
– دوام.
—
65-45 ـ ظرفیت بالا در مقابل سرعت بالا
افزایش جرم ژلپک معمولاً ظرفیت کل را افزایش میدهد.
اما افزایش ضخامت میتواند سرعت انتقال حرارت را کاهش دهد.
بنابراین برای سرمایش سریع ممکن است:
افزایش سطح + کاهش ضخامت
بهتر از:
افزایش ضخامت
باشد.
—
65-46 ـ راهکارهای عملی افزایش سرعت سرمایش
مهمترین راهکارهای قابل آزمایش:
1. کاهش ضخامت ژلپک؛
2. افزایش سطح تماس؛
3. نزدیک کردن بسته به محصول؛
4. استفاده از چند بسته کوچکتر؛
5. پیشسردسازی محصول؛
6. بهبود عایق جعبه؛
7. کاهش حباب و فضای خالی؛
8. بهینهسازی فرمول آب و پلیمر.
—
65-47 ـ اشتباهات رایج
چند اشتباه متداول:
– افزایش بیدلیل مقدار پلیمر؛
– ساخت بسته بسیار ضخیم؛
– استفاده از یک ژلپک بزرگ در یک طرف جعبه؛
– اندازهگیری فقط دمای هوا؛
– بیتوجهی به دمای مرکز محصول؛
– مقایسه نمونهها در دماهای اولیه متفاوت؛
– نادیده گرفتن ورود گرما از جعبه.
—
65-48 ـ پروتکل پیشنهادی تولید نمونه
مرحله ۱: تعیین دمای اولیه محصول.
مرحله ۲: تعیین دمای هدف.
مرحله ۳: محاسبه بار حرارتی.
مرحله ۴: انتخاب جرم اولیه ژلپک.
مرحله ۵: ساخت بسته تخت.
مرحله ۶: انجماد کامل نمونه.
مرحله ۷: قرار دادن ژلپک در جعبه.
مرحله ۸: نصب سنسورها.
مرحله ۹: ثبت دما تا رسیدن محصول به هدف.
مرحله ۱۰: تکرار آزمایش و مقایسه.
—
65-49 ـ چکلیست طراحی سرمایش سریع
☐ دمای اولیه محصول مشخص است.
☐ دمای هدف مشخص است.
☐ زمان هدف مشخص است.
☐ جرم محصول مشخص است.
☐ بار حرارتی محاسبه شده است.
☐ جرم ژلپک تعیین شده است.
☐ دمای اولیه ژلپک ثبت شده است.
☐ ضخامت بسته مشخص است.
☐ سطح تماس مناسب است.
☐ فیلم در دمای پایین آزمایش شده است.
☐ فاصله ژلپک تا محصول کنترل شده است.
☐ دمای مرکز محصول اندازهگیری میشود.
☐ منحنی دما ثبت میشود.
☐ آزمون تکرار شده است.
☐ عملکرد در جعبه واقعی بررسی شده است.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
65-50 ـ جمعبندی فصل
برای طراحی ژلپک مخصوص سرمایش سریع، باید ابتدا مشخص شود که چه مقدار انرژی حرارتی باید از محصول گرفته شود و این کار باید در چه مدت زمانی انجام شود.
رابطه پایه:
[
Q=mC_p\Delta T
]
است.
اما ظرفیت سرمایشی تنها بخشی از مسئله است. برای رسیدن سریع به دمای هدف، نرخ انتقال حرارت اهمیت زیادی دارد.
رابطه ساده:
[
\dot Q=\frac{kA\Delta T}{L}
]
نشان میدهد که در شرایط مشابه، افزایش سطح تماس و کاهش ضخامت مسیر انتقال حرارت میتواند انتقال حرارت را افزایش دهد.
به همین دلیل در بسیاری از کاربردها، ژلپک تخت و نسبتاً نازک میتواند گزینه مناسبی برای آزمایش باشد. همچنین استفاده از چند بسته کوچکتر به جای یک بسته بسیار ضخیم میتواند امکان توزیع بهتر سرمایش در اطراف محصول را فراهم کند.
از طرف دیگر، مقدار پلیآکریلات باید به حد موردنیاز محدود شود. افزایش پلیمر بدون بررسی عملکرد میتواند هزینه و ویسکوزیته را افزایش دهد، در حالی که بخش اصلی ظرفیت حرارتی سیستم آب است.
برای توسعه یک ژلپک سرمایش سریع، روش پیشنهادی این است:
تعیین بار حرارتی → تعیین زمان هدف → تعیین دمای اولیه → انتخاب جرم ژلپک → طراحی هندسه → ساخت نمونه → انجماد → آزمایش در جعبه → اندازهگیری دمای مرکز → اصلاح چیدمان و ضخامت → آزمون مجدد
نکته مهم این است که «سرمایش سریع» را نباید فقط با دمای سطح ژلپک یا دمای هوای جعبه ارزیابی کرد. شاخص واقعی باید رسیدن مرکز محصول به دمای هدف در مدت تعیینشده باشد.
در نهایت، محصول صنعتی مناسب محصولی است که بتواند با حداقل وزن و هزینه، ظرفیت سرمایشی کافی را در زمان موردنظر به محصول منتقل کند و در عین حال نشتی، خرابی فیلم و نوسانات شدید دمایی نداشته باشد.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
پیشنهاد موضوع فصل ۶۶
روش طراحی ژلپک برای سرمایش طولانیمدت و همزمان سریع؛ بررسی تعادل بین سرعت انتقال حرارت و ظرفیت سرمایشی، جرم آب، ضخامت بسته، سطح تماس، عایق، تعداد ژلپک و طراحی سیستم دو مرحلهای سرمایش
۰ دیدگاه