دانشنامه جامع کمپرس یخ15
فصل ۱۵
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
محاسبه ظرفیت سرمایشی ژلپک و تعیین تعداد و وزن مورد نیاز برای جعبههای حمل
—
۱۵-۱ ـ مقدمه
یکی از مهمترین مراحل طراحی یک سیستم سرمایشی مبتنی بر ژلپک، تعیین مقدار واقعی ماده سردکننده مورد نیاز است.
بسیاری از تولیدکنندگان یا مصرفکنندگان ژلپک تنها به وزن بسته توجه میکنند؛ برای مثال تصور میشود یک ژلپک ۵۰۰ گرمی یا یک کیلوگرمی باید برای یک جعبه مشخص کافی باشد. در حالی که ظرفیت سرمایشی واقعی فقط به وزن ژلپک وابسته نیست.
عوامل متعددی مانند:
– دمای اولیه محصول
– دمای محیط
– مدت زمان حمل
– حجم و جرم محصول
– جنس جعبه
– ضخامت عایق
– تعداد دفعات باز شدن درب
– تابش خورشید
– رطوبت محیط
– دمای اولیه ژلپک
– نوع ماده داخل ژلپک
– شکل و ابعاد ژلپک
– گردش هوا در داخل جعبه
بر میزان سرمایش اثر میگذارند.
بنابراین طراحی علمی ژلپک باید از یک سؤال ساده آغاز شود:
چه مقدار گرما باید از سیستم گرفته شود و این گرما قرار است در چه مدت زمانی جذب شود؟
در این فصل روش محاسبه تقریبی ظرفیت سرمایشی، انتخاب وزن ژلپک، تعیین تعداد بستهها، محاسبه اثر عایق و روش آزمایش عملی توضیح داده میشود.
—
۱۵-۲ ـ ظرفیت سرمایشی یعنی چه؟
ظرفیت سرمایشی را میتوان به زبان ساده مقدار گرمایی دانست که یک ماده یا سیستم سرمایشی میتواند از محیط اطراف خود دریافت کند.
واحد رایج برای بیان انرژی گرمایی:
ژول (J)
است.
در کاربردهای بزرگتر میتوان از:
کیلوژول (kJ)
یا
کیلوواتساعت (kWh)
نیز استفاده کرد.
برای طراحی ژلپک، مفهوم اصلی این است که ژلپک در هنگام گرمشدن، مقداری انرژی از محیط اطراف جذب میکند.
اگر ماده داخل ژلپک فقط مانند یک ماده معمولی گرم شود، ظرفیت آن عمدتاً به گرمای ویژه ماده بستگی دارد.
اما اگر ماده بتواند در یک فرآیند تغییر فاز، مقدار زیادی گرما جذب کند، ظرفیت سرمایشی آن میتواند بسیار بیشتر شود.
این تفاوت در فصلهای مربوط به PCM و مواد تغییر فازدهنده اهمیت زیادی دارد.
—
۱۵-۳ ـ تفاوت بین «سرد بودن» و «ظرفیت سرمایشی»
یک اشتباه رایج این است که تصور شود هر مادهای که دمای پایینتری دارد، الزاماً ظرفیت سرمایشی بیشتری دارد.
این موضوع درست نیست.
دو ژلپک ممکن است هر دو در دمای حدود صفر درجه سانتیگراد قرار داشته باشند، اما مقدار گرمایی که میتوانند جذب کنند ممکن است متفاوت باشد.
برای مثال:
– ژلپک A ممکن است ۵۰۰ گرم جرم داشته باشد.
– ژلپک B نیز ممکن است ۵۰۰ گرم باشد.
اما اگر ترکیب، آب، پلیمر، نمک یا ماده تغییر فازدهنده آنها متفاوت باشد، رفتار حرارتی آنها نیز متفاوت خواهد بود.
بنابراین در طراحی باید دو موضوع جداگانه بررسی شود:
دمای ژلپک
و
مقدار انرژی قابل جذب توسط ژلپک
—
۱۵-۴ ـ فرمول ساده محاسبه گرمای محسوس
برای مادهای که تغییر فاز نمیدهد، میتوان به صورت تقریبی از رابطه زیر استفاده کرد:
Q = m × Cp × ΔT
که در آن:
– Q = مقدار گرمای جذبشده
– m = جرم ماده
– Cp = گرمای ویژه ماده
– ΔT = تغییر دمای ماده
است.
اگر جرم بر حسب کیلوگرم، گرمای ویژه بر حسب kJ/kg·K و اختلاف دما بر حسب درجه سانتیگراد باشد، Q به صورت تقریبی بر حسب کیلوژول به دست میآید.
این رابطه برای تخمین اولیه بسیار مفید است.
—
۱۵-۵ ـ مثال ساده
فرض کنیم ۱ کیلوگرم ماده سردکننده داریم که گرمای ویژه آن به صورت فرضی حدود ۴ kJ/kg·K باشد.
اگر ماده از صفر درجه به ۲۰ درجه سانتیگراد برسد:
ΔT = 20°C
بنابراین:
Q = 1 × 4 × 20
در نتیجه:
Q ≈ 80 kJ
این عدد فقط یک مثال آموزشی است و برای هر فرمولاسیون واقعی باید گرمای ویژه واقعی ماده اندازهگیری یا از مشخصات معتبر ماده استخراج شود.
—
۱۵-۶ ـ چرا آب اهمیت زیادی دارد؟
آب از نظر حرارتی ماده بسیار مهمی است و به همین دلیل در بسیاری از سیستمهای سرمایشی ساده مورد استفاده قرار میگیرد.
وقتی آب از حالت یخ به آب تبدیل میشود، علاوه بر تغییر دما، انرژی قابل توجهی نیز در فرآیند ذوب جذب میشود.
این انرژی همان گرمای نهان ذوب است.
به همین علت یخ میتواند در شرایط مناسب ظرفیت سرمایشی قابل توجهی داشته باشد.
در سیستم ژلپک نیز اگر فرمولاسیون به گونهای طراحی شده باشد که رفتار حرارتی مناسبی داشته باشد، میتوان از این ویژگی برای افزایش مدت سرمایش استفاده کرد.
—
۱۵-۷ ـ گرمای نهان چیست؟
گرمای نهان انرژیای است که یک ماده هنگام تغییر فاز، بدون تغییر متناظر دما، جذب یا آزاد میکند.
نمونه شناختهشده:
یخ → آب
است.
در هنگام ذوب یخ، مقدار زیادی انرژی از محیط گرفته میشود.
به همین دلیل در بسیاری از کاربردهای زنجیره سرد، مفهوم گرمای نهان اهمیت زیادی دارد.
در مواد تغییر فازدهنده نیز همین اصل به شکل مهندسیشده مورد استفاده قرار میگیرد.
—
۱۵-۸ ـ محاسبه تقریبی سیستمهای دارای تغییر فاز
برای یک ماده تغییر فازدهنده، ظرفیت حرارتی کل را میتوان به صورت ساده به چند بخش تقسیم کرد:
1. گرمای محسوس قبل از تغییر فاز
2. گرمای نهان تغییر فاز
3. گرمای محسوس بعد از تغییر فاز
بنابراین به صورت مفهومی:
Qtotal = Qsensible1 + Qlatent + Qsensible2
در بسیاری از سیستمهای PCM، بخش مربوط به گرمای نهان میتواند سهم بسیار مهمی از ظرفیت سرمایشی داشته باشد.
—
۱۵-۹ ـ چرا وزن ژلپک به تنهایی کافی نیست؟
فرض کنید یک جعبه به ۲ مگاژول ظرفیت سرمایشی نیاز دارد.
اگر ژلپک مورد استفاده ظرفیت واقعی ۲ مگاژول به ازای هر کیلوگرم داشته باشد، مقدار مورد نیاز حدود:
۱ کیلوگرم
خواهد بود.
اما اگر ظرفیت واقعی ماده نصف این مقدار باشد، وزن مورد نیاز تقریباً دو برابر خواهد شد.
پس عبارت:
«برای این جعبه یک کیلو ژلپک کافی است»
بدون انجام محاسبات یا آزمایش معتبر، از نظر فنی کامل نیست.
—
۱۵-۱۰ ـ گرمای واردشده از دیواره جعبه
حتی اگر محصول داخل جعبه هیچ گرمایی تولید نکند، از طریق دیوارههای جعبه گرما وارد سیستم میشود.
این گرما تابع عوامل مختلفی است:
– اختلاف دمای داخل و خارج
– سطح جعبه
– ضخامت عایق
– ضریب هدایت حرارتی عایق
– زمان
– کیفیت ساخت جعبه
هرچه عایق بهتر باشد، ورود گرما کمتر خواهد بود.
در نتیجه ممکن است به جای افزایش مقدار ژلپک، بتوان با بهبود عایق مقدار ژلپک را کاهش داد.
—
۱۵-۱۱ ـ نقش ضخامت عایق
فرض کنید دو جعبه کاملاً مشابه داریم:
جعبه اول دارای عایق نازک است.
جعبه دوم دارای عایق ضخیمتر و با هدایت حرارتی کمتر است.
در شرایط یکسان، جعبه دوم گرمای کمتری دریافت میکند.
بنابراین ژلپک دیرتر گرم میشود.
این موضوع نشان میدهد که:
ژلپک و عایق باید به صورت یک سیستم واحد طراحی شوند.
—
۱۵-۱۲ ـ محاسبه ساده انتقال حرارت از عایق
برای یک تخمین ساده میتوان از رابطه:
Q̇ ≈ k × A × ΔT / L
استفاده کرد.
در این رابطه:
– k = ضریب هدایت حرارتی
– A = سطح انتقال حرارت
– ΔT = اختلاف دما
– L = ضخامت عایق
است.
این رابطه برای برآورد اولیه مناسب است، ولی در جعبه واقعی عواملی مانند پل حرارتی، درزها، باز و بسته شدن درب و انتقال حرارت از سایر مسیرها نیز وجود دارند.
—
۱۵-۱۳ ـ پل حرارتی چیست؟
پل حرارتی به مسیری گفته میشود که گرما در آن نسبت به بخشهای عایقشده آسانتر عبور میکند.
برای مثال:
– درز درب
– محل اتصال گوشهها
– بستها
– دسته
– سوراخها
– محل ورود کابل یا تجهیزات
– قسمتهای بدون عایق
میتوانند موجب افزایش انتقال حرارت شوند.
گاهی یک جعبه عایق خوب به دلیل طراحی نامناسب درب، عملکرد واقعی بسیار ضعیفتری نسبت به انتظار دارد.
—
۱۵-۱۴ ـ گرمای اولیه محصول
اگر محصول هنگام قرار گرفتن در جعبه دمای بالایی داشته باشد، مقدار زیادی از ظرفیت سرمایشی ژلپک صرف پایین آوردن دمای خود محصول میشود.
بنابراین تفاوت بزرگی وجود دارد بین:
قرار دادن محصول از قبل سردشده در جعبه
و
قرار دادن محصول گرم در جعبه و انتظار برای سرد شدن آن
در حالت دوم، ژلپک باید علاوه بر جبران ورود گرمای محیط، گرمای اولیه محصول را نیز جذب کند.
—
۱۵-۱۵ ـ فرمول گرمای محصول
برای یک محصول با جرم مشخص میتوان به صورت تقریبی نوشت:
Qproduct = m × Cp × ΔT
برای مثال اگر جرم محصول ۱۰ کیلوگرم باشد، گرمای ویژه آن حدود ۴ kJ/kg·K در نظر گرفته شود و قرار باشد دمای آن ۵ درجه کاهش پیدا کند:
Q = 10 × 4 × 5
بنابراین:
Q ≈ 200 kJ
این مقدار باید در طراحی سرمایشی لحاظ شود.
—
۱۵-۱۶ ـ اگر محصول قبلاً سرد شده باشد
در این حالت بار سرمایشی اولیه کمتر خواهد بود.
به همین دلیل در بسیاری از سیستمهای حمل سرد، توصیه فنی این است که ابتدا محصول تا دمای هدف سرد شود و سپس در بستهبندی عایقشده قرار گیرد؛ مگر اینکه سیستم مشخصاً برای فرآیند خنکسازی محصول طراحی شده باشد.
ژلپک در این حالت بیشتر وظیفه جبران گرمای واردشده از محیط را بر عهده خواهد داشت.
—
۱۵-۱۷ ـ بار حرارتی کل
برای طراحی اولیه میتوان بار حرارتی کل را به صورت زیر در نظر گرفت:
Qtotal = Qproduct + Qbox + Qother
که در آن:
– Qproduct = گرمای مربوط به محصول
– Qbox = گرمای واردشده از محیط
– Qother = سایر بارهای حرارتی
است.
در شرایط واقعی بهتر است یک ضریب اطمینان مناسب نیز در طراحی لحاظ شود.
—
۱۵-۱۸ ـ ضریب اطمینان
محاسبات تئوری معمولاً دقیقاً با شرایط واقعی مطابقت ندارند.
علت آن میتواند:
– تغییر دمای محیط
– تفاوت کیفیت عایق
– باز شدن درب
– خطای اندازهگیری
– تغییر وزن محصول
– تغییر دمای اولیه
– تفاوت واقعی فرمول ژلپک
باشد.
بنابراین پس از محاسبه نظری، معمولاً باید عملکرد نمونه واقعی آزمایش شود.
—
۱۵-۱۹ ـ یک روش ساده برای تعیین مقدار ژلپک
برای یک جعبه مشخص:
مرحله اول
جرم و نوع محصول را مشخص کنید.
مرحله دوم
دمای اولیه محصول را اندازه بگیرید.
مرحله سوم
دمای هدف را تعیین کنید.
مرحله چهارم
دمای محیط و مدت زمان حمل را مشخص کنید.
مرحله پنجم
جعبه و ضخامت عایق را تعیین کنید.
مرحله ششم
بار حرارتی تقریبی را محاسبه کنید.
مرحله هفتم
ظرفیت سرمایشی واقعی یک ژلپک را به دست آورید.
مرحله هشتم
وزن کل ژلپک را تعیین کنید.
مرحله نهم
تعداد و محل قرارگیری ژلپکها را مشخص کنید.
مرحله دهم
آزمایش واقعی انجام دهید.
—
۱۵-۲۰ ـ فرمول تعیین جرم ژلپک
اگر ظرفیت سرمایشی مؤثر ماده به صورت:
qpack = kJ/kg
مشخص باشد و بار حرارتی مورد نیاز:
Qtotal = kJ
باشد، جرم نظری ژلپک را میتوان به صورت:
Mpack = Qtotal / qpack
محاسبه کرد.
اما در عمل بهتر است این مقدار با توجه به ضریب اطمینان، محدودیت انتقال حرارت و شرایط واقعی بستهبندی اصلاح شود.
—
۱۵-۲۱ ـ مثال عددی فرضی
فرض کنیم بار حرارتی یک سیستم:
1200 kJ
برآورد شده باشد.
اگر ظرفیت سرمایشی مؤثر ژلپک:
400 kJ/kg
باشد:
M = 1200 ÷ 400
پس:
M = 3 kg
در این مثال مقدار نظری ژلپک ۳ کیلوگرم است.
اگر تصمیم گرفته شود از سه بسته استفاده شود، هر بسته میتواند حدود:
۱ کیلوگرم
جرم داشته باشد.
این فقط یک مثال محاسباتی است و ظرفیت ۴۰۰ kJ/kg باید برای فرمول واقعی به صورت آزمایشگاهی تعیین شود.
—
۱۵-۲۲ ـ چرا تعداد بستهها مهم است؟
ممکن است از نظر انرژی کل، سه کیلوگرم ژلپک کافی باشد؛ اما قرار دادن تمام سه کیلوگرم در یک نقطه همیشه بهترین روش نیست.
توزیع مناسب میتواند موجب:
– یکنواختی بیشتر دما
– تماس بهتر با هوای داخل جعبه
– کاهش نقاط گرم
– استفاده بهتر از فضای بستهبندی
شود.
—
۱۵-۲۳ ـ ژلپک در بالا، پایین یا اطراف؟
محل قرارگیری به طراحی جعبه و محصول بستگی دارد.
در بعضی سیستمها قرار دادن بستههای سرد در قسمت بالا مفید است، زیرا هوای سرد میتواند به سمت پایین حرکت کند.
در بعضی کاربردها، استفاده از بستههای اطراف محصول مناسبتر است.
در سیستمهای حساس ممکن است ترکیبی از:
– بالا
– پایین
– دو طرف
استفاده شود.
انتخاب نهایی باید با آزمون دمایی مشخص شود.
—
۱۵-۲۴ ـ اثر شکل ژلپک
دو ژلپک با وزن یکسان میتوانند عملکرد متفاوتی داشته باشند.
بستهای با ضخامت کمتر و سطح تماس بیشتر ممکن است انتقال حرارت سریعتری داشته باشد.
در مقابل، بسته بسیار ضخیم ممکن است در مرکز خود دیرتر گرم یا سرد شود.
بنابراین طراحی هندسی بخشی از طراحی حرارتی است.
—
۱۵-۲۵ ـ ضخامت ژلپک
ضخامت زیاد میتواند مزیت افزایش جرم در حجم مشخص را داشته باشد، اما ممکن است سرعت تبادل حرارتی را کاهش دهد.
بستههای تخت معمولاً برای قرارگیری در فضای محدود مناسب هستند.
بستههای ضخیمتر ممکن است برای کاربردهای خاص صنعتی قابل استفاده باشند.
هیچ ضخامت واحدی برای تمام کاربردها بهترین نیست.
—
۱۵-۲۶ ـ اندازه مناسب بسته
اندازه ژلپک باید با فضای جعبه هماهنگ باشد.
برای مثال اگر محصول در یک جعبه باریک قرار دارد، بستههای تخت ممکن است مناسبتر باشند.
در جعبه بزرگتر میتوان از چند بسته کوچکتر استفاده کرد.
این کار همچنین امکان توزیع بهتر سرمایش را فراهم میکند.
—
۱۵-۲۷ ـ یک بسته بزرگ یا چند بسته کوچک؟
هر دو روش مزایا و محدودیتهایی دارند.
یک بسته بزرگ
مزایا:
– بستهبندی سادهتر
– تعداد قطعات کمتر
– مدیریت آسانتر
معایب:
– توزیع حرارت ممکن است یکنواخت نباشد
– قرار دادن آن در برخی جعبهها دشوار است
چند بسته کوچک
مزایا:
– توزیع بهتر
– انعطافپذیری بیشتر
– امکان تنظیم مقدار سرمایش
معایب:
– تعداد قطعات بیشتر
– افزایش هزینه بستهبندی
—
۱۵-۲۸ ـ نقش دمای اولیه ژلپک
دمای شروع ژلپک یکی از مهمترین متغیرهاست.
مثلاً عملکرد یک ژلپک که از:
۵- درجه سانتیگراد
شروع میکند با ژلپکی که از:
۲۰- درجه سانتیگراد
شروع میکند یکسان نیست.
همچنین دمای پایینتر همیشه به معنای مناسبتر بودن نیست؛ زیرا ممکن است برای برخی محصولات باعث سرمایش بیش از حد یا حتی یخزدگی ناخواسته شود.
—
۱۵-۲۹ ـ سرمایش بیش از حد
هدف طراحی همیشه پایینترین دمای ممکن نیست.
گاهی محصول باید در یک محدوده مشخص باقی بماند.
بنابراین یک ژلپک بسیار سرد ممکن است برای محصولی که به یخزدگی حساس است مناسب نباشد.
در چنین کاربردهایی، ماده تغییر فازدهنده با دمای گذار مشخص میتواند گزینه مهندسی مناسبتری باشد.
—
۱۵-۳۰ ـ مفهوم دمای هدف
قبل از انتخاب ژلپک باید مشخص شود که هدف چیست:
– جلوگیری از افزایش دما
– کاهش دما
– ثابت نگه داشتن دما
– جلوگیری از یخزدگی
– انتقال محصول در یک محدوده دمایی مشخص
این اهداف با یکدیگر تفاوت دارند.
برای مثال ژلپک مورد استفاده برای «حفظ دما» الزاماً نباید همان مشخصاتی را داشته باشد که برای «سرد کردن اولیه محصول» لازم است.
—
۱۵-۳۱ ـ محاسبه زمان ماندگاری سرمایش
مدت ماندگاری سرمایش تابع دو عامل اصلی است:
مقدار انرژی قابل جذب توسط ژلپک
و
سرعت ورود گرما به سیستم
به صورت مفهومی:
زمان ماندگاری ≈ ظرفیت سرمایشی مؤثر ÷ نرخ ورود گرما
اگر گرمای بیشتری در هر ساعت وارد جعبه شود، ژلپک سریعتر ظرفیت خود را از دست میدهد.
—
۱۵-۳۲ ـ مثال مفهومی
فرض کنید یک سیستم دارای ظرفیت سرمایشی مؤثر:
2400 kJ
باشد.
اگر نرخ ورود گرما:
100 kJ/h
باشد، زمان نظری:
24 ساعت
خواهد بود.
اما اگر نرخ ورود گرما به:
200 kJ/h
افزایش پیدا کند، زمان نظری به حدود:
12 ساعت
کاهش مییابد.
این مثال نشان میدهد چرا بهبود عایق میتواند به اندازه افزایش وزن ژلپک اهمیت داشته باشد.
—
۱۵-۳۳ ـ اهمیت آزمایش ۲۴ ساعته
برای یک محصول تجاری، محاسبه نظری کافی نیست.
یکی از آزمایشهای مفید، قرار دادن جعبه واقعی در شرایط کنترلشده و ثبت دما در طول زمان است.
میتوان دما را در نقاط مختلف اندازهگیری کرد:
– مرکز محصول
– نزدیک دیواره
– نزدیک ژلپک
– بالای جعبه
– پایین جعبه
با این روش مشخص میشود که آیا سرمایش یکنواخت است یا خیر.
—
۱۵-۳۴ ـ استفاده از دیتالاگر
دیتالاگر دما میتواند در فواصل زمانی مشخص دما را ثبت کند.
برای مثال:
هر ۵ دقیقه
یا
هر ۱۰ دقیقه
میتوان یک داده ثبت کرد.
سپس نمودار دما بر حسب زمان رسم میشود.
این نمودار برای مقایسه فرمولاسیونهای مختلف ژلپک بسیار ارزشمند است.
—
۱۵-۳۵ ـ آزمایش مقایسهای فرمولاسیون
فرض کنید سه فرمول مختلف دارید:
– فرمول A
– فرمول B
– فرمول C
هر سه باید تحت شرایط کاملاً یکسان آزمایش شوند.
برای مثال:
– وزن برابر
– جعبه برابر
– دمای اولیه برابر
– محیط برابر
– زمان برابر
سپس دمای داخل هر جعبه ثبت شود.
فرمولی که در شرایط آزمایش واقعی عملکرد مناسبتری داشته باشد، مبنای توسعه بیشتر قرار میگیرد.
—
۱۵-۳۶ ـ آزمایش تکرارپذیری
یک آزمایش تنها ممکن است نتیجه اتفاقی ایجاد کند.
بهتر است آزمون حداقل چند بار تکرار شود.
اگر نتایج بسیار متفاوت باشند، باید علت بررسی شود.
ممکن است:
– وزن بستهها متفاوت باشد
– آببندی یکسان نباشد
– دمای اولیه متفاوت باشد
– عایق تغییر کرده باشد
– اندازه بستهها متفاوت باشد
—
۱۵-۳۷ ـ نقش کیفیت آب در ژلهای پایه پلیمر
در فرمولاسیونهایی که از پلیمرهای جاذب آب مانند پلیآکریلات استفاده میشود، کیفیت آب اهمیت زیادی دارد.
آب حاوی مقدار زیاد یونها ممکن است رفتار جذب و تورم پلیمر را نسبت به آب کماملاح تغییر دهد.
بنابراین اگر فرمولاسیون ژلپک بر پایه پلیمر جاذب طراحی شود، بهتر است آب مصرفی نیز مشخص باشد.
—
۱۵-۳۸ ـ آیا جذب آب بیشتر همیشه بهتر است؟
خیر.
در یک ژلپک، هدف فقط جذب بیشترین مقدار آب نیست.
موارد زیر نیز اهمیت دارند:
– پایداری ژل
– آباندازی
– رفتار در سرمایش و گرمایش
– یکنواختی
– سازگاری با بستهبندی
– مقاومت مکانیکی
– تعداد چرخههای استفاده
– زمان آمادهسازی
بنابراین ظرفیت جذب بالا به تنهایی معیار کافی برای انتخاب ماده نیست.
—
۱۵-۳۹ ـ ژلپک خشک یا ژلپک آماده؟
در برخی سیستمها ماده پلیمری ابتدا به صورت خشک تولید و هنگام مصرف با آب آماده میشود.
مزیت این روش میتواند کاهش:
– حجم حمل
– وزن حمل
– فضای انبار
باشد.
اما برای تولید صنعتی باید زمان آمادهسازی، یکنواختی جذب آب و کیفیت نهایی نیز بررسی شود.
—
۱۵-۴۰ ـ اهمیت آببندی در محاسبه واقعی
اگر بسته نشتی داشته باشد، تمام محاسبات حرارتی بیارزش میشود.
زیرا بخشی از ماده ممکن است از بسته خارج شود.
بنابراین پیش از آزمون حرارتی، باید:
– تست نشتی
– تست فشار
– تست افتادن
– تست چرخه انجماد و ذوب
انجام شود.
—
۱۵-۴۱ ـ چرخه انجماد و ذوب
اگر ژلپک قرار است چندین بار استفاده شود، باید مشخص شود که پس از چند چرخه عملکرد آن کاهش پیدا میکند.
چرخه میتواند شامل:
سرد شدن → استفاده → گرم شدن → دوباره سرد شدن
باشد.
پس از هر چرخه باید مواردی مانند:
– نشتی
– تغییر شکل
– جداشدگی
– کاهش ظرفیت
– تغییر وزن
بررسی شود.
—
۱۵-۴۲ ـ وزنکشی پس از چرخهها
یکی از سادهترین روشهای کنترل نشتی، وزنکردن ژلپک قبل و بعد از چرخههای استفاده است.
اگر وزن به شکل غیرعادی کاهش پیدا کند، احتمال نشتی یا خروج ماده وجود دارد.
این روش بهخصوص برای کنترل تولید انبوه بسیار مفید است.
—
۱۵-۴۳ ـ طراحی ژلپک برای حمل طولانی
برای حمل طولانی، افزایش صرف وزن ژلپک همیشه اقتصادیترین راه نیست.
گاهی بهتر است همزمان:
– عایق افزایش یابد
– درزها اصلاح شوند
– شکل بسته تغییر کند
– تعداد ژلپکها بهینه شود
– دمای اولیه اصلاح شود
تا ظرفیت سرمایشی به صورت مؤثرتری استفاده شود.
—
۱۵-۴۴ ـ طراحی اقتصادی
هزینه نهایی یک سیستم سرمایشی شامل تنها قیمت ژلپک نیست.
باید موارد زیر را نیز در نظر گرفت:
– ماده فعال
– آب
– فیلم بستهبندی
– چاپ
– دوخت یا آببندی
– نیروی کار
– انرژی انجماد
– جعبه
– عایق
– حملونقل
– خرابی و ضایعات
گاهی یک ژلپک ارزانتر، به دلیل نیاز به وزن بیشتر یا بستهبندی بیشتر، در نهایت سیستم گرانتری ایجاد میکند.
—
۱۵-۴۵ ـ بهینهسازی وزن ژلپک
هدف مناسب این نیست که بیشترین مقدار ژلپک را داخل جعبه قرار دهیم.
هدف این است که:
کمترین مقدار ژلپک با حفظ عملکرد دمایی مورد نیاز
تعیین شود.
این کار با آزمایش چند وزن مختلف امکانپذیر است.
مثلاً:
– ۱ کیلوگرم
– ۱٫۵ کیلوگرم
– ۲ کیلوگرم
– ۲٫۵ کیلوگرم
– ۳ کیلوگرم
و مقایسه نتایج.
—
۱۵-۴۶ ـ ماتریس طراحی
برای یک محصول تجاری میتوان جدولی مانند زیر ایجاد کرد:
وزن ژلپک| ضخامت عایق| زمان آزمون| دمای نهایی| نتیجه
۱ kg| ۲ cm| ۱۲ h| اندازهگیری شود| آزمون
۱٫۵ kg| ۲ cm| ۱۲ h| اندازهگیری شود| آزمون
۲ kg| ۲ cm| ۱۲ h| اندازهگیری شود| آزمون
۲ kg| ۳ cm| ۱۲ h| اندازهگیری شود| آزمون
۳ kg| ۳ cm| ۲۴ h| اندازهگیری شود| آزمون
این جدول کمک میکند طراحی از حالت حدس و تجربه خارج شود.
—
۱۵-۴۷ ـ طراحی برای کاربردهای عمومی
اگر هدف تولید ژلپک برای کاربردهای عمومی مانند:
– خنک نگه داشتن نوشیدنیها
– کمپینگ
– پیکنیک
– جعبههای عایق
– حمل برخی محصولات غیرحساس
– خنکسازی موقت تجهیزات
باشد، میتوان طراحی را بر اساس ظرفیت سرمایشی، قیمت، دوام و سهولت استفاده انجام داد.
اما در کاربردهای حساس مانند مواد غذایی، دارویی یا پزشکی، علاوه بر عملکرد حرارتی، الزامات ایمنی، بهداشتی، بستهبندی و مقررات مربوط به همان کاربرد نیز باید جداگانه بررسی شود.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
۱۵-۴۸ ـ یک روش عملی برای شروع تولید آزمایشی
برای تولید نمونه اولیه میتوان این مسیر را دنبال کرد:
گام ۱
یک جعبه با ابعاد مشخص انتخاب کنید.
گام ۲
جرم محصول را مشخص کنید.
گام ۳
دمای اولیه و دمای هدف را تعیین کنید.
گام ۴
ضخامت و جنس عایق را ثبت کنید.
گام ۵
یک وزن مشخص ژلپک انتخاب کنید.
گام ۶
ژلپک را تا دمای مشخص آماده کنید.
گام ۷
محصول و ژلپک را داخل جعبه قرار دهید.
گام ۸
دما را با دیتالاگر ثبت کنید.
گام ۹
آزمون را در مدت مورد نظر ادامه دهید.
گام ۱۰
نتیجه را با وزنهای مختلف تکرار کنید.
این روش میتواند به یک فرمول طراحی قابل تکرار منجر شود.
—
۱۵-۴۹ ـ اشتباهات رایج در تعیین مقدار ژلپک
اشتباه اول: توجه فقط به وزن
وزن بیشتر همیشه به معنی عملکرد بهتر نیست.
اشتباه دوم: بیتوجهی به عایق
جعبه ضعیف میتواند ظرفیت سرمایشی را سریع مصرف کند.
اشتباه سوم: آزمایش نکردن دمای اولیه
دمای اولیه ژلپک و محصول بسیار مهم است.
اشتباه چهارم: آزمایش فقط در یک نقطه
ممکن است مرکز جعبه سرد باشد ولی گوشهای از محصول گرم شود.
اشتباه پنجم: بیتوجهی به زمان
ظرفیت سرمایشی باید نسبت به مدت مورد نظر بررسی شود.
اشتباه ششم: استفاده از اعداد کاتالوگی بدون آزمایش
عملکرد واقعی فرمولاسیون باید در بستهبندی نهایی بررسی شود.
—
۱۵-۵۰ ـ جمعبندی فصل پانزدهم
محاسبه مقدار ژلپک یک مسئله ساده بر اساس وزن نیست، بلکه یک مسئله طراحی حرارتی است.
برای تعیین مقدار مناسب باید حداقل عوامل زیر بررسی شوند:
1. جرم محصول
2. دمای اولیه محصول
3. دمای هدف
4. دمای محیط
5. مدت زمان حمل
6. جنس و ضخامت عایق
7. ظرفیت حرارتی ژلپک
8. دمای اولیه ژلپک
9. ابعاد و شکل بسته
10. نحوه قرارگیری ژلپک
11. میزان باز شدن جعبه
12. ضریب اطمینان
13. امکان استفاده مجدد
14. کیفیت آب و ماده پلیمری در صورت استفاده از هیدروژل
15. نتایج آزمایش واقعی
رابطه پایه برای بار حرارتی محصول:
Q = m × Cp × ΔT
و برای برآورد جرم ژلپک:
Mpack = Qtotal / qpack
است.
با این حال، این روابط باید به عنوان نقطه شروع طراحی استفاده شوند، نه جایگزین آزمایش واقعی.
برای یک محصول تجاری، بهترین روش آن است که ابتدا محاسبه نظری انجام شود، سپس چند نمونه با وزنهای مختلف ساخته شده و در یک جعبه واقعی تحت شرایط کنترلشده آزمایش شوند.