دانشنامه جامع کمپرس یخ21
فصل ۲۱
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
طراحی بستهبندی و کاربرد ژلپک در زنجیره سرد؛ چیدمان، تعداد موردنیاز، عایقکاری، کنترل دما و طراحی بسته سردکننده
مقدمه
ژلپک زمانی بیشترین کارایی را دارد که بهعنوان بخشی از یک سیستم سرمایشی طراحی شود، نه اینکه بهتنهایی مسئول تمام فرآیند خنکسازی باشد.
در یک بسته سردکننده، معمولاً چهار عامل اصلی با یکدیگر کار میکنند:
محصول + ژلپک + عایق + بستهبندی
اگر ژلپک مناسبی انتخاب شود اما جعبه عایق ضعیفی داشته باشد، سرمایش سریع از بین میرود. برعکس، اگر جعبه عایق مناسبی داشته باشد اما تعداد یا محل قرارگیری ژلپک مناسب نباشد، دمای محصول ممکن است به محدوده مطلوب نرسد.
بنابراین طراحی صحیح باید کل سیستم را همزمان در نظر بگیرد.
—
۲۱-۱ ـ زنجیره سرد چیست؟
زنجیره سرد مجموعهای از فرآیندها برای نگهداری محصول در محدوده دمایی موردنظر از زمان آمادهسازی تا مصرف یا تحویل است.
این زنجیره ممکن است شامل:
– پیشسرد کردن
– بستهبندی
– قرار دادن ژلپک
– حمل
– انبارش
– تحویل
باشد.
ژلپک تنها یکی از اجزای این زنجیره است.
—
۲۱-۲ ـ تفاوت خنکسازی و حفظ سرما
این دو مفهوم نباید با یکدیگر اشتباه شوند.
خنکسازی یعنی کاهش دمای محصول.
حفظ سرما یعنی جلوگیری از افزایش مجدد دما.
اگر محصول از ابتدا دمای بسیار بالایی داشته باشد، ممکن است انرژی سرمایشی زیادی برای رساندن آن به دمای هدف لازم باشد.
به همین دلیل پیشسرد کردن محصول در بسیاری از کاربردها اهمیت زیادی دارد.
—
۲۱-۳ ـ نقش ژلپک
ژلپک میتواند بهعنوان مخزن انرژی سرمایشی عمل کند.
پس از منجمد شدن، هنگام گرمشدن بخشی از انرژی واردشده از محیط یا محصول را جذب میکند.
اما ظرفیت سرمایشی آن محدود است.
بنابراین هر ژلپک فقط مقدار مشخصی انرژی حرارتی میتواند جذب کند.
—
۲۱-۴ ـ چرا عایق مهم است؟
اگر جعبه بدون عایق باشد، گرمای محیط با سرعت بیشتری وارد آن میشود.
عایق مناسب باعث کاهش:
Heat Gain یا ورود گرما
میشود.
در نتیجه همان مقدار ژلپک میتواند مدت بیشتری دمای پایین را حفظ کند.
—
۲۱-۵ ـ اجزای یک بسته سردکننده
یک سیستم ساده میتواند شامل این اجزا باشد:
1. جعبه خارجی
2. لایه عایق
3. محصول
4. ژلپک
5. جداکننده یا لایه محافظ
6. فضای داخلی
7. پوشش نهایی
هر یک از این قسمتها در عملکرد نهایی نقش دارند.
—
۲۱-۶ ـ انتخاب جعبه
جعبه باید متناسب با:
– وزن محصول
– حجم محصول
– تعداد ژلپک
– روش حمل
– مدت حمل
– شرایط محیط
انتخاب شود.
جعبه بیش از حد بزرگ فضای خالی بیشتری ایجاد میکند و ممکن است نیاز به مواد سرمایشی و عایق بیشتری داشته باشد.
جعبه بسیار کوچک نیز ممکن است باعث فشردگی و آسیب محصول شود.
—
۲۱-۷ ـ فضای خالی داخل جعبه
فضای خالی بین محصول و دیواره جعبه میتواند انتقال گرما و حرکت محصول را تحت تأثیر قرار دهد.
در طراحی مناسب باید فضای خالی تا حد امکان کنترل شود.
استفاده از مواد پرکننده یا طراحی دقیق ابعاد میتواند فضای مرده را کاهش دهد.
—
۲۱-۸ ـ انواع عایق
برای بستهبندی سردکننده میتوان از مواد مختلف استفاده کرد، از جمله:
– فومهای پلیمری
– پلیاستایرن منبسطشده
– پلیاتیلن فومی
– پلییورتان
– مواد عایق چندلایه
– عایقهای نوین
انتخاب عایق باید بر اساس ضریب انتقال حرارت، ضخامت، وزن، قیمت، استحکام و کاربرد نهایی انجام شود.
—
۲۱-۹ ـ ضخامت عایق
افزایش ضخامت عایق معمولاً ورود گرما را کاهش میدهد.
اما افزایش ضخامت باعث:
– افزایش حجم بسته
– افزایش وزن
– کاهش فضای مفید
– افزایش هزینه
نیز میشود.
بنابراین باید ضخامت بهینه تعیین شود.
—
۲۱-۱۰ ـ اثر دمای محیط
یک بسته سردکننده در محیط ۲۰ درجه سانتیگراد با محیط ۴۰ درجه سانتیگراد شرایط یکسانی ندارد.
هرچه اختلاف دمای داخل و خارج بیشتر باشد، پتانسیل انتقال حرارت بیشتر میشود.
بنابراین آزمایش بستهبندی باید با توجه به شرایط واقعی بازار هدف انجام شود.
—
۲۱-۱۱ ـ اثر زمان حمل
مدت حمل یکی از مهمترین عوامل تعیینکننده مقدار ژلپک است.
برای حمل کوتاه ممکن است مقدار کمی ماده سرمایشی کافی باشد.
برای حمل طولانیتر باید:
– ظرفیت سرمایشی
– عایق
– نحوه چیدمان
– دمای شروع
همگی دقیقتر بررسی شوند.
—
۲۱-۱۲ ـ رابطه زمان و ظرفیت سرمایشی
هرچه مدت موردنظر بیشتر باشد، معمولاً باید انرژی سرمایشی بیشتری در سیستم ذخیره شود یا ورود گرما کاهش یابد.
بنابراین افزایش زمان حفظ سرما را میتوان از دو مسیر دنبال کرد:
افزایش ظرفیت سرمایشی
یا
کاهش ورود گرما
در عمل ترکیب هر دو روش معمولاً منطقیتر است.
—
۲۱-۱۳ ـ محاسبه تقریبی بار حرارتی
برای محصولی با جرم مشخص میتوان گرمای لازم برای تغییر دمای آن را با رابطه تقریبی زیر محاسبه کرد:
Q = m × Cp × ΔT
که در آن:
– Q انرژی حرارتی
– m جرم
– Cp ظرفیت گرمایی ویژه
– ΔT تغییر دما
است.
برای محاسبات واقعی، مشخصات دقیق محصول باید مشخص شود.
—
۲۱-۱۴ ـ گرمای ورودی از محیط
علاوه بر خود محصول، گرمای محیط نیز وارد جعبه میشود.
این انتقال حرارت به عوامل زیر وابسته است:
– سطح جعبه
– ضخامت عایق
– رسانایی عایق
– اختلاف دما
– مدت زمان
– پلهای حرارتی
بنابراین فقط محاسبه انرژی لازم برای خنککردن محصول کافی نیست.
—
۲۱-۱۵ ـ پل حرارتی چیست؟
پل حرارتی بخشی از بستهبندی است که گرما از آن مسیر آسانتری برای عبور دارد.
مثلاً:
– درزها
– اتصالات
– قسمتهای بدون عایق
– دیوارههای نازک
– محل بازشدن درب
میتوانند عملکرد عایق را کاهش دهند.
—
۲۱-۱۶ ـ اهمیت درب جعبه
حتی اگر دیوارههای جعبه عایق خوبی داشته باشند، درب ضعیف میتواند عملکرد کلی را کاهش دهد.
بنابراین باید:
– درب کاملاً بسته شود؛
– فاصله زیاد نداشته باشد؛
– عایق در قسمت درب نیز ادامه داشته باشد.
—
۲۱-۱۷ ـ چیدمان ژلپک
ژلپک را میتوان:
– بالای محصول
– زیر محصول
– کنار محصول
– اطراف محصول
قرار داد.
بهترین چیدمان به هندسه جعبه، محصول و هدف دمایی بستگی دارد.
—
۲۱-۱۸ ـ قرار دادن ژلپک در بالا
در برخی سیستمها قرار دادن ژلپک در قسمت بالایی مفید است؛ زیرا سطح بالایی جعبه ممکن است در معرض گرمای بیشتری باشد.
اما این موضوع باید با آزمایش واقعی تأیید شود.
—
۲۱-۱۹ ـ قرار دادن ژلپک در پایین
قرار دادن ژلپک در پایین نیز میتواند در برخی کاربردها مفید باشد.
اما اگر محصول مستقیماً با بسته بسیار سرد تماس داشته باشد، ممکن است دمای موضعی آن بیش از حد کاهش پیدا کند.
بنابراین استفاده از لایه جداکننده در صورت نیاز اهمیت دارد.
—
۲۱-۲۰ ـ قرار دادن ژلپک در اطراف
قرار دادن چند ژلپک در اطراف محصول میتواند توزیع سرمایش را بهتر کند.
این روش در جعبههای بزرگ یا محصولاتی با حساسیت دمایی بیشتر میتواند قابل بررسی باشد.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۲۱-۲۱ ـ تماس مستقیم با محصول
تماس مستقیم ژلپک با محصول همیشه بهترین حالت نیست.
اگر ژلپک بسیار سرد باشد، ممکن است باعث ایجاد نقاط سرد موضعی شود.
بنابراین در بعضی کاربردها بهتر است یک لایه جداکننده بین ژلپک و محصول وجود داشته باشد.
—
۲۱-۲۲ ـ لایه جداکننده
لایه جداکننده میتواند از:
– مقوا
– فوم نازک
– فیلم
– پارچه یا مواد مناسب دیگر
ساخته شود.
نوع ماده باید با کاربرد نهایی سازگار باشد.
—
۲۱-۲۳ ـ توزیع یکنواخت سرمایش
هدف فقط قرار دادن تعداد زیادی ژلپک نیست.
باید تلاش کرد سرمایش در فضای بسته به شکل مناسبی توزیع شود.
اگر تمام ژلپکها در یک نقطه قرار گیرند، ممکن است یک قسمت بسیار سرد و قسمت دیگر گرمتر باشد.
—
۲۱-۲۴ ـ ژلپک بزرگ یا چند ژلپک کوچک؟
دو روش قابل بررسی است:
یک بسته بزرگ
مزایا:
– بستهبندی سادهتر
– تعداد قطعات کمتر
– مدیریت سادهتر
معایب:
– انعطاف کمتر
– توزیع سرمایش محدودتر
– آسیب یک بسته به معنی از دست رفتن بخش بیشتری از ظرفیت سرمایشی
چند بسته کوچک
مزایا:
– انعطاف بیشتر
– چیدمان بهتر
– توزیع سرمایش
معایب:
– فیلم بیشتر
– دوخت بیشتر
– هزینه بستهبندی بالاتر
—
۲۱-۲۵ ـ طراحی بر اساس حجم محصول
اگر حجم محصول زیاد باشد، باید ظرفیت جعبه نیز متناسب باشد.
یک روش مناسب این است که ابتدا حجم محصول و فضای مورد نیاز آن محاسبه شود، سپس جای ژلپک و عایق در طراحی لحاظ شود.
—
۲۱-۲۶ ـ طراحی بر اساس وزن محصول
گاهی محدودیت اصلی وزن است.
در این شرایط افزایش تعداد ژلپک ممکن است باعث افزایش وزن حمل شود.
بنابراین باید بین:
وزن ژلپک + وزن عایق + وزن جعبه + وزن محصول
تعادل برقرار شود.
—
۲۱-۲۷ ـ هزینه حمل
وزن بسته سردکننده مستقیماً بر هزینه حمل اثر میگذارد.
به همین دلیل گاهی افزایش عایق و کاهش مقدار ژلپک میتواند از نظر اقتصادی مفید باشد، حتی اگر هزینه عایق کمی افزایش یابد.
—
۲۱-۲۸ ـ چگالی انرژی سرمایشی
یکی از شاخصهای مهم در طراحی، مقدار انرژی سرمایشی قابل استفاده نسبت به وزن یا حجم ماده سرمایشی است.
بهصورت مفهومی:
چگالی انرژی سرمایشی = انرژی سرمایشی قابل استفاده ÷ جرم یا حجم
این شاخص برای مقایسه سیستمهای مختلف مفید است.
—
۲۱-۲۹ ـ ظرفیت سرمایشی اسمی و واقعی
ظرفیت سرمایشی روی کاغذ با ظرفیت قابل استفاده در بسته واقعی یکسان نیست.
عوامل مؤثر عبارتاند از:
– دمای شروع
– دمای پایان
– عایق
– انتقال حرارت
– چیدمان
– مدت زمان
بنابراین ظرفیت واقعی باید در شرایط کاربرد اندازهگیری شود.
—
۲۱-۳۰ ـ نقش پیشسرد کردن محصول
اگر محصول قبل از بستهبندی از قبل خنک شده باشد، بار سرمایشی موردنیاز ژلپک کاهش مییابد.
برای مثال، یک محصولی که از قبل به دمای نزدیک به دمای هدف رسیده است، به انرژی بسیار کمتری برای حفظ شرایط نیاز دارد تا محصولی که تازه از محیط گرم وارد جعبه شده است.
—
۲۱-۳۱ ـ ژلپک بهعنوان نگهدارنده دما
در بسیاری از کاربردها، هدف اصلی ژلپک حفظ دمای مناسب است، نه کاهش سریع دمای یک محصول بسیار گرم.
این تفاوت باید هنگام طراحی محصول مورد توجه قرار گیرد.
—
۲۱-۳۲ ـ اهمیت دمای اولیه ژلپک
دو ژلپک با وزن یکسان اما دمای اولیه متفاوت، عملکرد یکسانی نخواهند داشت.
بنابراین در دستورالعمل بستهبندی باید شرایط انجماد و دمای آمادهسازی مشخص شود.
—
۲۱-۳۳ ـ مدت زمان ماندن در فریزر
صرفاً قرار دادن ژلپک در فریزر برای مدت نامشخص کافی نیست.
باید مشخص شود که:
– دمای فریزر چقدر است؛
– ضخامت ژلپک چقدر است؛
– جرم آن چقدر است؛
– آیا مرکز آن نیز به دمای هدف رسیده است یا خیر.
—
۲۱-۳۴ ـ دمای مرکز ژلپک
سطح بیرونی بسته ممکن است بسیار سرد باشد، در حالی که مرکز آن هنوز به دمای موردنظر نرسیده است.
در بستههای ضخیم، رسیدن مرکز به شرایط مناسب ممکن است زمان بیشتری طول بکشد.
این مسئله در طراحی ژلپکهای بزرگ اهمیت بیشتری دارد.
—
۲۱-۳۵ ـ نقش ضخامت ژلپک
ضخامت بیشتر میتواند ظرفیت کل بسته را افزایش دهد، اما ممکن است:
– زمان انجماد را افزایش دهد؛
– انتقال حرارت داخلی را کندتر کند؛
– انعطافپذیری را کاهش دهد.
به همین دلیل همیشه افزایش ضخامت بهترین راهحل نیست.
—
۲۱-۳۶ ـ ژلپک تخت و پهن
ژلپک تخت میتواند سطح تماس بیشتری ایجاد کند.
این شکل در برخی بستهبندیها باعث توزیع بهتر سرمایش میشود.
اما فیلم بیشتری برای تولید آن نیاز است و مقاومت مکانیکی باید بررسی شود.
—
۲۱-۳۷ ـ ژلپک باریک و بلند
این نوع طراحی برای قرارگیری در فضای محدود میتواند مناسب باشد.
مثلاً میتوان آن را در فضای باریک کنار محصول قرار داد.
اما باید عملکرد حرارتی و مقاومت فیلم آن بررسی شود.
—
۲۱-۳۸ ـ جعبه چندلایه
یک بستهبندی پیشرفته میتواند شامل:
جعبه خارجی + عایق + لایه داخلی + ژلپک + محصول
باشد.
هر لایه باید نقش مشخصی داشته باشد.
—
۲۱-۳۹ ـ کاهش فضای خالی
هرچه فضای خالی غیرضروری کمتر باشد، ممکن است:
– حجم بسته کاهش یابد؛
– مصرف عایق کمتر شود؛
– حرکت محصول کاهش یابد؛
– هزینه حمل پایینتر بیاید.
اما فضای کافی برای قرارگیری صحیح ژلپک و جلوگیری از فشار نامناسب باید حفظ شود.
—
۲۱-۴۰ ـ آزمایش نمونه واقعی
بهترین روش طراحی نهایی، ساخت نمونه واقعی است.
برای مثال میتوان سه طرح ساخت:
طرح A: ژلپک بالا و پایین
طرح B: ژلپک چهار طرف
طرح C: ژلپک بالا + کنارهها
سپس دمای داخل هر سه جعبه با دیتالاگر ثبت شود.
طرح مناسب بر اساس داده واقعی انتخاب میشود، نه صرفاً تصور تئوری.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۲۱-۴۱ ـ نقشه دمایی داخل جعبه
برای بررسی دقیقتر میتوان چند حسگر دما در نقاط مختلف قرار داد:
– مرکز
– نزدیک دیواره
– بالا
– پایین
– نزدیک ژلپک
این کار نشان میدهد آیا دما در تمام نقاط یکنواخت است یا خیر.
—
۲۱-۴۲ ـ نقطه گرم
در برخی بستهها ممکن است بخشی از فضای داخلی زودتر گرم شود.
این قسمت را میتوان بهعنوان نقطه گرم یا Hot Spot شناسایی کرد.
طراحی مجدد محل ژلپک و عایق میتواند برای کاهش این مشکل انجام شود.
—
۲۱-۴۳ ـ نقطه سرد
برعکس، ممکن است یک بخش بیش از حد سرد شود.
این مسئله در محصولاتی که نسبت به دمای پایین حساس هستند اهمیت دارد.
در چنین مواردی میتوان:
– محل ژلپک را تغییر داد؛
– لایه جداکننده اضافه کرد؛
– تعداد یا جرم ژلپک را اصلاح کرد.
—
۲۱-۴۴ ـ بهینهسازی تعداد ژلپک
برای تعیین تعداد بهینه، بهتر است چند حالت آزمایش شود.
مثلاً:
– یک ژلپک
– دو ژلپک
– چهار ژلپک
– شش ژلپک
سپس برای هر حالت:
– زمان حفظ دما
– حداقل دما
– حداکثر دما
– وزن کل
– هزینه
ثبت شود.
—
۲۱-۴۵ ـ بهینهسازی اقتصادی
بیشترین تعداد ژلپک الزاماً بهترین طراحی نیست.
ممکن است با افزایش ضخامت عایق، بتوان تعداد ژلپک را کاهش داد.
یا با بهبود چیدمان، همان تعداد ژلپک عملکرد بهتری ارائه دهد.
هدف، یافتن ترکیب مناسب بین:
عایق + ژلپک + وزن + هزینه + زمان
است.
—
۲۱-۴۶ ـ طراحی بسته برای حمل کوتاه
برای حمل کوتاه، معمولاً تمرکز بیشتر روی:
– کاهش هزینه
– کاهش وزن
– سرعت آمادهسازی
است.
در این شرایط ممکن است سیستم سادهتر کافی باشد؛ البته عملکرد واقعی باید آزمایش شود.
—
۲۱-۴۷ ـ طراحی برای حمل طولانی
در حمل طولانی، اهمیت موارد زیر بیشتر میشود:
– عایق بهتر
– ظرفیت سرمایشی بالاتر
– چیدمان دقیق
– کنترل دما
– آزمون واقعی حمل
در این شرایط، طراحی صرفاً بر اساس وزن ژلپک کافی نیست.
—
۲۱-۴۸ ـ مستندسازی طراحی نهایی
پس از انتخاب طراحی، باید مشخصات آن ثبت شود.
برای مثال:
نوع جعبه: …
ضخامت عایق: …
نوع ژلپک: …
وزن هر ژلپک: …
تعداد: …
محل قرارگیری: …
دمای آمادهسازی: …
مدت هدف: …
شرایط محیط آزمایش: …
این اطلاعات امکان تکرارپذیری فرآیند را فراهم میکند.
—
۲۱-۴۹ ـ چکلیست طراحی بسته سردکننده
قبل از عرضه محصول میتوان این موارد را بررسی کرد:
– [ ] جرم محصول مشخص است
– [ ] دمای اولیه محصول مشخص است
– [ ] دمای هدف مشخص است
– [ ] زمان حمل مشخص است
– [ ] شرایط محیط مشخص است
– [ ] نوع عایق مشخص است
– [ ] ضخامت عایق مشخص است
– [ ] تعداد ژلپک مشخص است
– [ ] وزن ژلپک مشخص است
– [ ] محل قرارگیری مشخص است
– [ ] آزمون واقعی انجام شده است
– [ ] دمای داخل جعبه ثبت شده است
– [ ] وزن نهایی بسته مشخص است
– [ ] هزینه نهایی محاسبه شده است
—
۲۱-۵۰ ـ جمعبندی فصل
طراحی یک سیستم بسته سردکننده موفق، فقط انتخاب یک ژلپک بزرگتر نیست.
باید مجموعهای از عوامل بهصورت همزمان بررسی شوند:
جرم محصول، دمای اولیه، دمای هدف، زمان حمل، دمای محیط، عایق، ابعاد جعبه، تعداد ژلپک، وزن ژلپک، محل قرارگیری، فضای خالی و نحوه حمل.
در بسیاری از موارد، افزایش عایق میتواند به اندازه افزایش مقدار ماده سرمایشی اهمیت داشته باشد.
همچنین بهترین محل قرارگیری ژلپک را نمیتوان برای تمام جعبهها یکسان اعلام کرد؛ زیرا هندسه جعبه، نوع محصول، عایق و شرایط محیط متفاوت هستند.
بنابراین روش حرفهای این است که چند طرح اولیه ساخته شود و با استفاده از حسگر دما یا دیتالاگر، عملکرد واقعی آنها در شرایط مشابه مصرف اندازهگیری شود.
در نهایت، طراحی مطلوب باید همزمان سه ویژگی داشته باشد:
عملکرد حرارتی مناسب + وزن و حجم قابل قبول + هزینه اقتصادی قابل توجیه
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
موضوع پیشنهادی فصل ۲۲
فرمولاسیون پیشرفته ژلپک و کمپرس سرد؛ بررسی پلیآکریلات سدیم، آب، نمکها، افزودنیها، ژلهای پلیمری، تغییر ویسکوزیته، آباندازی، رفتار در انجماد و انتخاب فرمول مناسب برای کاربردهای مختلف.