دانشنامه جامع کمپرس یخ24
فصل ۲۴
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
روش آزمایشگاهی اندازهگیری ظرفیت سرمایشی ژلپک؛ محاسبه انرژی جذبشده، اندازهگیری دما در طول زمان، مقایسه فرمولاسیونها، طراحی آزمون داخلی و تبدیل نتایج آزمایش به مشخصات فنی محصول
مقدمه
یکی از مهمترین مراحل توسعه ژلپک، پاسخ دادن به یک سؤال ساده اما بسیار مهم است:
یک ژلپک مشخص، در شرایط مشخص، چه مقدار سرمایش ایجاد میکند و این سرمایش را برای چه مدت حفظ میکند؟
پاسخ این سؤال را نمیتوان فقط با وزن ژلپک، میزان جذب آب پلیمر یا دمای اولیه آن مشخص کرد.
عملکرد واقعی به مجموعهای از عوامل وابسته است:
– جرم ژلپک
– ترکیب داخلی
– مقدار آب
– دمای اولیه
– دمای محیط
– سطح تماس
– ضخامت بسته
– جنس فیلم
– عایق اطراف
– نحوه قرارگیری
– مدت آزمون
– شرایط جریان هوا
– تعداد دفعات انجماد و ذوب
بنابراین لازم است یک روش آزمون داخلی، تکرارپذیر و قابل ثبت طراحی شود.
—
۲۴-۱ ـ تفاوت «ظرفیت سرمایشی» و «مدت سرمایش»
این دو اصطلاح یکسان نیستند.
ظرفیت سرمایشی به مقدار انرژی حرارتی اشاره دارد که یک سیستم میتواند جذب کند.
اما مدت سرمایش به شرایط محیط و سرعت انتقال حرارت نیز وابسته است.
ممکن است دو ژلپک ظرفیت حرارتی مشابهی داشته باشند، اما یکی به دلیل سطح تماس یا شکل متفاوت، سریعتر گرما دریافت کند.
—
۲۴-۲ ـ واحد اندازهگیری انرژی
انرژی حرارتی معمولاً با ژول یا کیلوژول بیان میشود.
رابطه پایه برای یک ماده بدون تغییر فاز:
Q = m × Cp × ΔT
که در آن:
– Q = انرژی حرارتی
– m = جرم
– Cp = ظرفیت گرمایی ویژه
– ΔT = تغییر دما
است.
—
۲۴-۳ ـ نقش تغییر فاز
اگر مادهای در طول آزمون از جامد به مایع تبدیل شود، فقط تغییر دما مطرح نیست.
در این حالت باید انرژی نهان تغییر فاز نیز در نظر گرفته شود.
بهصورت ساده:
Q = m × Cp × ΔT + m × L
که L انرژی نهان تغییر فاز است.
برای آب یخزده، بخش قابل توجهی از ظرفیت سرمایشی مرتبط با تغییر فاز یخ به آب است.
—
۲۴-۴ ـ چرا ژلپک پلیمری پیچیدهتر است؟
در ژلپک حاوی پلیمر، همه آب الزاماً مانند یک توده یخ خالص رفتار نمیکند.
بخشی از آب ممکن است:
– آزادتر باشد؛
– در شبکه پلیمر قرار داشته باشد؛
– بهصورت متفاوتی منجمد شود.
بنابراین استفاده مستقیم از یک عدد تئوری برای کل محصول میتواند خطا ایجاد کند.
—
۲۴-۵ ـ بهترین روش؛ اندازهگیری تجربی
برای محصول واقعی بهتر است علاوه بر محاسبه تئوری، آزمون تجربی انجام شود.
در آزمون تجربی باید:
1. جرم نمونه مشخص شود.
2. دمای اولیه ثبت شود.
3. دمای محیط ثبت شود.
4. شرایط عایق مشخص شود.
5. دما در طول زمان ثبت شود.
6. آزمون حداقل چند بار تکرار شود.
—
۲۴-۶ ـ تجهیزات مورد نیاز
یک آزمایشگاه ساده میتواند با تجهیزات زیر شروع کند:
– ترازو با دقت مناسب
– دماسنج دیجیتال
– ترموکوپل یا دیتالاگر
– فریزر
– جعبه عایق
– کرنومتر یا ثبتکننده زمان
– دماسنج محیط
– ظرف یا محفظه آزمون
برای توسعه صنعتی، تجهیزات دقیقتر توصیه میشود.
—
۲۴-۷ ـ دیتالاگر دما
دیتالاگر امکان ثبت دما در فواصل زمانی مشخص را فراهم میکند.
مثلاً میتوان دما را:
– هر ۳۰ ثانیه
– هر یک دقیقه
– هر پنج دقیقه
ثبت کرد.
فاصله مناسب به سرعت تغییر دما بستگی دارد.
—
۲۴-۸ ـ تعداد سنسورها
برای یک آزمون ساده میتوان حداقل دو دما را ثبت کرد:
دمای محیط و دمای نقطه موردنظر
در آزمونهای دقیقتر میتوان چند سنسور در نقاط مختلف قرار داد.
—
۲۴-۹ ـ محل قرارگیری سنسور
محل سنسور بسیار مهم است.
قرار دادن سنسور روی سطح خارجی ژلپک، دمای سطح را نشان میدهد، نه الزاماً دمای مرکز محصول.
در برخی آزمونها بهتر است یک سنسور در مرکز جرم یا ناحیه مرکزی قرار گیرد.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۲۴-۱۰ ـ سنسور داخلی و خطر نشتی
اگر سنسور داخل ژلپک قرار گیرد، ورود سنسور و آببندی مجدد میتواند ساختار نمونه را تغییر دهد.
بنابراین برای آزمون تحقیقاتی بهتر است از نمونه مخصوص آزمون استفاده شود و نتیجه آن با محصول تولیدی اشتباه نشود.
—
۲۴-۱۱ ـ آمادهسازی نمونه
قبل از آزمون باید مشخصات نمونه ثبت شود:
– کد نمونه
– تاریخ تولید
– جرم
– ابعاد
– نوع فیلم
– فرمولاسیون
– مقدار پلیمر
– مقدار آب
این اطلاعات بعدها برای مقایسه نمونهها بسیار ارزشمند است.
—
۲۴-۱۲ ـ اندازهگیری جرم
جرم نمونه را قبل از انجماد اندازهگیری کنید.
اگر آزمون پس از ذوب نیز انجام میشود، جرم دوباره اندازهگیری شود.
تغییر جرم میتواند نشانهای از:
– نشتی
– تبخیر
– خروج مایع
باشد.
—
۲۴-۱۳ ـ اندازهگیری ابعاد
طول، عرض و ضخامت ژلپک نیز ثبت شود.
این اطلاعات برای بررسی تغییر حجم در هنگام انجماد و ذوب مفید است.
—
۲۴-۱۴ ـ دمای اولیه آزمون
دمای اولیه باید ثابت و مشخص باشد.
برای مثال، اگر تمام نمونهها پس از رسیدن به شرایط مشابه از فریزر خارج شوند، مقایسه آنها معتبرتر خواهد بود.
نباید یک نمونه را با دمای بسیار پایین و نمونه دیگر را با دمای بالاتر مقایسه کرد.
—
۲۴-۱۵ ـ دمای محیط
دمای محیط یکی از مهمترین متغیرهای آزمون است.
مثلاً آزمون در:
– ۱۵ درجه
– ۲۵ درجه
– ۳۵ درجه
میتواند نتایج کاملاً متفاوتی ایجاد کند.
—
۲۴-۱۶ ـ رطوبت و جریان هوا
در آزمونهای دقیقتر بهتر است شرایط محیط نیز ثبت شود.
جریان هوای زیاد میتواند انتقال حرارت را افزایش دهد.
بنابراین آزمون نمونهها باید در شرایط مشابه انجام شود.
—
۲۴-۱۷ ـ آزمون در فضای آزاد
سادهترین آزمون این است که ژلپک از فریزر خارج شده و در محیط قرار گیرد.
دمای آن در طول زمان ثبت میشود.
این آزمون برای مقایسه اولیه مناسب است، اما الزاماً شرایط استفاده واقعی را شبیهسازی نمیکند.
—
۲۴-۱۸ ـ آزمون داخل جعبه عایق
برای کاربردهای تجاری، آزمون داخل یک جعبه عایق اهمیت بیشتری دارد.
در این حالت میتوان اثر:
– ضخامت عایق
– حجم جعبه
– تعداد ژلپک
– محل قرارگیری
را بررسی کرد.
—
۲۴-۱۹ ـ آزمون با بار حرارتی مشخص
یکی از روشهای کاربردی این است که یک جرم مشخص آب یا ماده مرجع داخل محفظه قرار داده شود.
سپس ژلپک در شرایط مشخص قرار گیرد.
تغییر دمای بار حرارتی ثبت میشود.
—
۲۴-۲۰ ـ چرا آب میتواند بار مرجع مناسبی باشد؟
آب ظرفیت گرمایی نسبتاً شناختهشدهای دارد.
بنابراین برای آزمایشهای مقایسهای میتوان از آن بهعنوان یک بار حرارتی ساده استفاده کرد.
مثلاً:
۵ کیلوگرم آب از ۲۵°C به ۱۰°C
نیازمند جذب مقدار مشخصی انرژی است.
تقریباً:
Q = 5 × 4.18 × 15 = 313.5 kJ
این عدد یک نمونه محاسباتی است.
—
۲۴-۲۱ ـ آزمون مقایسه دو ژلپک
فرض کنید دو فرمولاسیون A و B داریم.
هر دو:
– جرم یکسان
– ابعاد مشابه
– دمای اولیه یکسان
– شرایط محیطی یکسان
دارند.
با ثبت دمای بار حرارتی در طول زمان میتوان رفتار آنها را مقایسه کرد.
—
۲۴-۲۲ ـ نمودار دما ـ زمان
یکی از بهترین روشهای نمایش عملکرد ژلپک، نمودار دما بر حسب زمان است.
محور افقی:
زمان
محور عمودی:
دمای نمونه یا بار حرارتی
است.
از این نمودار میتوان مواردی مانند سرعت سرمایش و زمان رسیدن به دمای هدف را استخراج کرد.
—
۲۴-۲۳ ـ سرعت سرمایش
اگر دما در یک ساعت از ۲۵ به ۱۰ درجه برسد، تغییر دما ۱۵ درجه است.
اما سرعت سرمایش ثابت نیست.
معمولاً در ابتدای آزمون اختلاف دما بیشتر است و انتقال حرارت میتواند سریعتر باشد.
—
۲۴-۲۴ ـ زمان رسیدن به دمای هدف
یک شاخص عملی میتواند این باشد:
زمان رسیدن بار حرارتی به ۱۵°C
یا:
زمان باقی ماندن زیر ۱۵°C
این شاخص برای مقایسه محصولات بسیار کاربردی است.
—
۲۴-۲۵ ـ زمان ماندگاری سرمایش
فرض کنید ژلپک باید دمای بار حرارتی را زیر یک حد مشخص نگه دارد.
در این حالت مدت زمان زیر آن دما ثبت میشود.
مثلاً:
مدت زیر ۱۰°C = ۴ ساعت
البته این عدد فقط نمونه محاسباتی است و باید از آزمون واقعی به دست آید.
—
۲۴-۲۶ ـ تعیین ظرفیت سرمایشی تجربی
اگر جرم بار حرارتی و تغییر دمای آن مشخص باشد، انرژی جذبشده توسط بار حرارتی قابل محاسبه است:
Q = m × Cp × ΔT
در صورت وجود سایر منابع انتقال حرارت، باید آنها نیز در طراحی آزمون در نظر گرفته شوند.
—
۲۴-۲۷ ـ خطای آزمون
هیچ آزمون سادهای کاملاً بدون خطا نیست.
منابع خطا میتوانند شامل:
– دقت ترازو
– دقت سنسور
– اختلاف دمای فریزر
– باز و بسته شدن در فریزر
– اختلاف نمونهها
– جریان هوا
– تفاوت عایق
باشند.
—
۲۴-۲۸ ـ تکرار آزمون
برای کاهش اثر خطا، هر فرمولاسیون بهتر است چند بار آزمایش شود.
اگر نتایج سه آزمایش بسیار نزدیک باشند، اعتماد به نتیجه افزایش مییابد.
—
۲۴-۲۹ ـ میانگینگیری
فرض کنید سه زمان اندازهگیری شده باشند:
۴٫۲ ساعت
۴٫۵ ساعت
۴٫۳ ساعت
میانگین:
(4.2 + 4.5 + 4.3) ÷ 3 = 4.33 ساعت
میتوان مقدار میانگین را همراه با پراکندگی نتایج گزارش کرد.
—
۲۴-۳۰ ـ انحراف نتایج
اگر یک نمونه عملکرد بسیار متفاوتی نسبت به دو نمونه دیگر داشته باشد، باید علت بررسی شود.
ممکن است:
– فیلم نشتی داشته باشد؛
– مقدار پلیمر متفاوت باشد؛
– نمونه به اندازه کافی هیدراته نشده باشد؛
– سنسور خطا داشته باشد.
—
۲۴-۳۱ ـ آزمون انجماد
قبل از آزمون سرمایشی، باید فرآیند انجماد استاندارد شود.
برای مثال:
– زمان مشخص
– دمای مشخص فریزر
– موقعیت مشخص نمونه
– فاصله مشخص بین نمونهها
تعیین شود.
—
۲۴-۳۲ ـ زمان کافی برای انجماد
قرار دادن نمونه برای یک زمان ثابت، لزوماً به معنی انجماد کامل نیست.
نمونه ضخیم ممکن است نسبت به نمونه نازک زمان بیشتری نیاز داشته باشد.
بهتر است دمای مرکز نمونه نیز در مطالعات دقیق بررسی شود.
—
۲۴-۳۳ ـ تأثیر ضخامت ژلپک
هرچه ضخامت افزایش یابد، مسیر انتقال حرارت از مرکز به سطح و برعکس تغییر میکند.
به همین دلیل ممکن است یک ژلپک نازک و یک ژلپک ضخیم با جرم مشابه، رفتار یکسانی نداشته باشند.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۲۴-۳۴ ـ تأثیر سطح تماس
افزایش سطح تماس میتواند انتقال حرارت را تغییر دهد.
به همین دلیل شکل هندسی بسته بخشی از طراحی حرارتی است.
—
۲۴-۳۵ ـ مقایسه ژلپک کوچک و بزرگ
فرض کنیم مجموع جرم هر دو سیستم ۲ کیلوگرم است.
حالت اول:
یک بسته ۲ کیلوگرمی
حالت دوم:
چهار بسته ۵۰۰ گرمی
با وجود جرم یکسان، این دو سیستم ممکن است به دلیل سطح تماس و نحوه قرارگیری عملکرد متفاوتی داشته باشند.
—
۲۴-۳۶ ـ آزمون چرخهای
برای محصولات چندبارمصرف باید آزمون چرخهای انجام شود.
یک چرخه میتواند شامل:
انجماد → استفاده → ذوب → بازگشت به شرایط اولیه
باشد.
پس از چند چرخه باید بررسی شود:
– نشتی
– تغییر حجم
– تغییر شکل
– آباندازی
– افت عملکرد حرارتی
—
۲۴-۳۷ ـ آزمون پس از ۱۰ چرخه
یک روش تحقیقاتی ساده میتواند مقایسه محصول نو با محصول پس از ۱۰ چرخه باشد.
اگر اختلاف عملکرد زیاد باشد، باید علت بررسی شود.
عدد ۱۰ صرفاً نمونه طراحی آزمون است و بسته به کاربرد باید تغییر کند.
—
۲۴-۳۸ ـ آزمون پس از ۵۰ چرخه
برای محصولات چندبارمصرف حرفهای، تعداد چرخهها میتواند بیشتر باشد.
اما معیار پذیرش باید از ابتدا تعریف شود.
مثلاً:
– عدم نشتی
– افت جرم کمتر از مقدار مشخص
– تغییر عملکرد حرارتی کمتر از حد تعیینشده
—
۲۴-۳۹ ـ بررسی نشتی در آزمون حرارتی
گاهی محصول از نظر ظاهری سالم است اما در فرآیند انجماد و ذوب نشتی بسیار کوچک ایجاد میشود.
بنابراین پس از آزمون حرارتی باید بسته از نظر:
– لکه
– رطوبت
– کاهش جرم
بررسی شود.
—
۲۴-۴۰ ـ آزمون وزن پس از چرخه
فرض کنید جرم اولیه:
۱۰۰۰ گرم
باشد.
پس از چند چرخه:
۹۹۵ گرم
اندازهگیری شود.
این اختلاف ۵ گرم باید بررسی شود.
ممکن است ناشی از:
– خطای ترازو
– رطوبت سطح
– نشتی
– تبخیر
باشد.
—
۲۴-۴۱ ـ تبدیل نتایج آزمایش به مشخصات فنی
پس از آزمایش باید مشخصات محصول به شکل قابل فهم نوشته شود.
برای مثال:
– وزن اسمی
– ابعاد
– محدوده دمایی آزمون
– دمای اولیه
– مدت سرمایش در شرایط آزمون
– روش آزمون
– تعداد چرخه آزمایششده
—
۲۴-۴۲ ـ چرا نباید فقط بنویسیم «تا ۸ ساعت سرد میکند»؟
چنین عبارتی بدون تعریف شرایط آزمون ناقص است.
۸ ساعت در:
– جعبه کوچک
– جعبه بزرگ
– محیط ۲۰ درجه
– محیط ۳۵ درجه
معنای یکسانی ندارد.
بنابراین هر ادعای زمانی باید همراه با شرایط آزمون باشد.
—
۲۴-۴۳ ـ مشخصات فنی حرفهای
یک مشخصات فنی بهتر است شامل این موارد باشد:
جرم: مثلاً ۵۰۰ گرم
ابعاد: مثلاً ۲۰×۱۵ سانتیمتر
شرایط انجماد: طبق روش داخلی
شرایط آزمون: دمای محیط مشخص
بار حرارتی: مقدار مشخص
نتیجه: زمان و دمای اندازهگیریشده
این ساختار قابلیت تکرارپذیری بیشتری دارد.
—
۲۴-۴۴ ـ مقایسه فرمولاسیونها
برای مقایسه چند فرمول میتوان جدولی مانند زیر ایجاد کرد:
فرمول| جرم پلیمر| جرم آب| زمان رسیدن به هدف| مدت زیر هدف| نشتی
A| کم| زیاد| ثبت شود| ثبت شود| ثبت شود
B| متوسط| متوسط| ثبت شود| ثبت شود| ثبت شود
C| زیاد| کم| ثبت شود| ثبت شود| ثبت شود
این جدول باید با داده واقعی آزمایش تکمیل شود.
—
۲۴-۴۵ ـ بررسی هزینه در کنار عملکرد
فرمولی که عملکرد بیشتری دارد لزوماً اقتصادیترین فرمول نیست.
باید همزمان بررسی شود:
هزینه هر ژلپک / عملکرد حرارتی
به این ترتیب میتوان ارزش اقتصادی واقعی را بهتر مقایسه کرد.
—
۲۴-۴۶ ـ آزمون جعبه واقعی
بعد از آزمایش آزمایشگاهی، محصول باید در بستهبندی واقعی آزمایش شود.
برای مثال:
– جعبه واقعی
– عایق واقعی
– تعداد واقعی ژلپک
– بار حرارتی واقعی
– زمان حمل موردنظر
استفاده شود.
—
۲۴-۴۷ ـ ثبت دادهها
برای هر آزمون بهتر است یک فرم مشخص وجود داشته باشد.
اطلاعات:
کد نمونه، تاریخ، فرمول، جرم، دمای اولیه، دمای محیط، زمان شروع، زمان پایان، دمای بار، وضعیت بسته و نتیجه نهایی
ثبت شود.
—
۲۴-۴۸ ـ طراحی یک روش آزمون داخلی استاندارد
شرکت میتواند یک SOP داخلی ایجاد کند.
این دستورالعمل باید مشخص کند:
1. نمونه چگونه آماده شود.
2. چگونه منجمد شود.
3. چه مدت در شرایط اولیه بماند.
4. سنسور کجا قرار گیرد.
5. دما با چه فاصلهای ثبت شود.
6. آزمون چه زمانی پایان یابد.
7. معیار پذیرش چیست.
—
۲۴-۴۹ ـ تبدیل آزمون داخلی به کنترل کیفیت
پس از تعیین فرمول نهایی، همین آزمون میتواند بخشی از کنترل کیفیت تولید شود.
برای مثال:
هر بچ تولیدی → نمونهبرداری → آزمون وزن → بررسی نشتی → آزمون حرارتی دورهای
آزمون کامل حرارتی ممکن است برای همه بستهها اقتصادی نباشد و میتواند بر اساس برنامه کنترل کیفیت، نمونهبرداری شود.
—
۲۴-۵۰ ـ جمعبندی فصل
اندازهگیری ظرفیت سرمایشی ژلپک باید بر اساس یک روش مشخص، تکرارپذیر و قابل مستندسازی انجام شود.
مهمترین اصول عبارتاند از:
ثابت نگه داشتن شرایط آزمون، اندازهگیری دمای اولیه، ثبت دمای محیط، اندازهگیری دما در طول زمان، کنترل جرم و ابعاد، انجام آزمون تکراری و بررسی عملکرد در شرایط واقعی.
فرمولهای حرارتی مانند:
Q = m × Cp × ΔT
و در صورت وجود تغییر فاز:
Q = m × Cp × ΔT + m × L
برای محاسبات اولیه بسیار مفید هستند؛ اما برای یک ژلپک واقعی، نتایج تجربی اهمیت زیادی دارند.
در نهایت، یک تولیدکننده حرفهای نباید فقط بگوید «این ژلپک قدرت سرمایش بالایی دارد». بلکه باید بتواند نشان دهد:
در چه دمایی، با چه جرم ژلپک، در چه جعبهای، با چه بار حرارتی و برای چه مدت، چه دمایی ثبت شده است.
این روش، مشخصات فنی محصول را از یک ادعای تبلیغاتی به یک داده قابل اندازهگیری و قابل مقایسه تبدیل میکند.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶