دانشنامه جامع کمپرس یخ26
فصل ۲۶
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
طراحی ژلپک برای کاربردهای صنعتی و عمومی؛ انتخاب فرمول، ابعاد، ظرفیت سرمایشی، بستهبندی، دوام و کاربردهای غیرپزشکی و غیرغذایی
مقدمه
ژلپک الزاماً محصولی برای کاربرد پزشکی یا نگهداری مواد غذایی نیست. بخش قابل توجهی از نیاز بازار را میتوان در کاربردهای عمومی و صنعتی تعریف کرد؛ جایی که هدف، جذب گرما، کاهش دما یا حفظ یک محیط خنک برای مدت مشخص است.
این کاربردها میتوانند شامل تجهیزات، ابزارها، محفظههای غیرغذایی، فرآیندهای صنعتی، حمل برخی محصولات غیرحساس و مصارف عمومی باشند.
در چنین کاربردهایی نیز طراحی محصول باید بر اساس یک نیاز واقعی انجام شود، نه صرفاً بر اساس مقدار پلیمر یا میزان آب داخل بسته.
—
۲۶-۱ ـ تعریف ژلپک صنعتی
ژلپک صنعتی بستهای انعطافپذیر یا نیمهانعطافپذیر است که حاوی ماده سردکننده بوده و برای جذب گرمای یک جسم یا محفظه استفاده میشود.
ساختار کلی میتواند شامل:
فیلم یا کیسه + آب یا مایع پایه + پلیمر یا ماده ژلکننده + در صورت نیاز افزودنیهای خاص
باشد.
—
۲۶-۲ ـ تفاوت ژلپک عمومی و تخصصی
ژلپک عمومی ممکن است تنها برای کاهش دما طراحی شود.
اما محصول تخصصی ممکن است نیاز داشته باشد:
– دمای مشخصی ایجاد کند؛
– مدت مشخصی فعال بماند؛
– چندین بار منجمد و ذوب شود؛
– در برابر فشار مقاوم باشد؛
– ابعاد مشخصی داشته باشد.
هرچه نیاز دقیقتر شود، طراحی فنی نیز تخصصیتر میشود.
—
۲۶-۳ ـ کاربردهای عمومی
برخی کاربردهای قابل بررسی عبارتاند از:
– خنککردن محفظههای ابزار
– کاهش دمای تجهیزات
– بستههای سردکننده عمومی
– کاربردهای کمپینگ
– جعبههای عایق عمومی
– خنکسازی موقت برخی قطعات
– آزمایشهای آموزشی
– فرآیندهای آزمایشگاهی غیرحساس
کاربرد نهایی باید با الزامات ایمنی و مقررات مربوط به همان حوزه بررسی شود.
—
۲۶-۴ ـ کاربردهای صنعتی
در صنعت، ژلپک میتواند برای ایجاد یک منبع سرمایش قابل حمل یا موقت مورد استفاده قرار گیرد.
برای مثال:
قطعه گرم → تماس با ژلپک → انتقال گرما → کاهش دمای قطعه
اما باید توجه داشت که ژلپک جایگزین سیستمهای تبرید صنعتی در تمام شرایط نیست.
—
۲۶-۵ ـ ژلپک برای خنککردن ابزار
در برخی کارهای فنی، ممکن است نیاز به کاهش موقت دمای ابزار یا محفظه وجود داشته باشد.
در این کاربرد، موارد زیر اهمیت دارند:
– سطح تماس
– وزن
– انعطافپذیری
– مقاومت فیلم
– مدت سرمایش
—
۲۶-۶ ـ ژلپک برای تجهیزات الکترونیکی
در نزدیکی تجهیزات الکترونیکی باید احتیاط بیشتری شود.
ژلپک نباید:
– نشتی داشته باشد؛
– باعث ایجاد رطوبت روی قطعه شود؛
– مستقیماً با قسمتهای حساس تماس پیدا کند.
بهتر است در چنین کاربردهایی یک لایه جداکننده و مانع رطوبت نیز در نظر گرفته شود.
—
۲۶-۷ ـ خطر میعان
اگر سطح ژلپک بسیار سردتر از هوای محیط باشد، بخار آب هوا میتواند روی سطح سرد به قطرات آب تبدیل شود.
این پدیده میعان است.
در نزدیکی تجهیزات الکتریکی، همین آب میتواند مشکلساز شود.
—
۲۶-۸ ـ روش کاهش خطر میعان
میتوان از:
– روکش ثانویه
– کیسه مقاوم
– لایه عایق
– پارچه یا پوشش جداکننده
استفاده کرد.
اما راهکار دقیق باید با کاربرد واقعی آزمایش شود.
—
۲۶-۹ ـ ژلپک انعطافپذیر
یکی از مزایای فرمولاسیون ژل، امکان ساخت بستهای انعطافپذیر است.
بسته انعطافپذیر میتواند بهتر روی سطح نامنظم قرار گیرد.
در نتیجه تماس حرارتی افزایش مییابد.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۲۶-۱۰ ـ ژلپک سخت
برخی کاربردها به بستهای نسبتاً سخت نیاز دارند.
در این حالت میتوان از محفظههای پلاستیکی یا ساختارهای سختتر استفاده کرد.
مزیت احتمالی:
– مقاومت مکانیکی بیشتر
– شکل ثابتتر
– قابلیت چیدمان
اما انعطافپذیری کاهش مییابد.
—
۲۶-۱۱ ـ ژلپک نازک
ژلپک نازک میتواند سطح تماس زیادی نسبت به حجم خود ایجاد کند.
برای کاربردهایی که فضای کمی وجود دارد، این طراحی مفید است.
—
۲۶-۱۲ ـ ژلپک ضخیم
بسته ضخیمتر میتواند جرم بیشتری از ماده سردکننده را در خود جای دهد.
اما انجماد کامل آن ممکن است زمان بیشتری نیاز داشته باشد.
همچنین انتقال حرارت از مرکز بسته با سطح متفاوت خواهد بود.
—
۲۶-۱۳ ـ ژلپک کوچک
بستههای کوچک برای:
– ابزار
– محفظههای کوچک
– کیفهای عایق
– کاربردهای موضعی
مناسبتر هستند.
مزیت مهم آنها امکان توزیع چند نقطهای سرمایش است.
—
۲۶-۱۴ ـ ژلپک بزرگ
بسته بزرگ برای جعبه یا محفظه بزرگ میتواند مناسب باشد.
اما حمل، انجماد و کنترل تغییر شکل آن دشوارتر است.
—
۲۶-۱۵ ـ چند بسته کوچک در برابر یک بسته بزرگ
فرض کنید مجموع جرم ماده سردکننده دو کیلوگرم است.
میتوان آن را به شکل:
یک بسته ۲ کیلوگرمی
یا:
چهار بسته ۵۰۰ گرمی
ساخت.
از نظر جرم ماده مشابه هستند، اما توزیع حرارت، سطح تماس و انعطافپذیری متفاوت خواهد بود.
—
۲۶-۱۶ ـ طراحی بر اساس سطح تماس
برای کاربردهایی که انتقال حرارت سریع اهمیت دارد، سطح تماس یکی از متغیرهای مهم است.
افزایش سطح تماس میتواند مقاومت حرارتی تماس را کاهش دهد.
—
۲۶-۱۷ ـ طراحی بر اساس جرم
برای جذب مقدار مشخصی گرما، جرم ماده سردکننده اهمیت زیادی دارد.
بهصورت ساده:
Q = m × Cp × ΔT
و در صورت تغییر فاز:
Q = m × L
نیز باید در نظر گرفته شود.
—
۲۶-۱۸ ـ نمونه محاسبه
اگر ۲ کیلوگرم آب از ۰ تا ۱۰ درجه گرم شود، انرژی محسوس آن تقریباً:
Q = 2 × 4.18 × 10 = 83.6 kJ
است.
اگر تغییر فاز نیز درگیر باشد، انرژی نهان باید جداگانه محاسبه شود.
این محاسبه صرفاً یک نمونه آموزشی است.
—
۲۶-۱۹ ـ دمای شروع
دو ژلپک با فرمول یکسان اگر یکی در دمای پایینتر و دیگری در دمای بالاتر استفاده شود، ظرفیت سرمایشی قابل استفاده یکسانی نخواهند داشت.
بنابراین دمای اولیه باید در مشخصات فنی ذکر شود.
—
۲۶-۲۰ ـ فریزر مورد استفاده
نوع فریزر نیز بر وضعیت نهایی ژلپک اثر دارد.
عوامل مهم:
– دمای تنظیمی
– گردش هوا
– زمان ماندگاری
– فاصله نمونه تا دیواره
– تعداد نمونهها
هستند.
—
۲۶-۲۱ ـ زمان انجماد
زمان انجماد باید برای هر طراحی بهصورت جداگانه تعیین شود.
بستهای با ضخامت ۱۰ میلیمتر الزاماً همان زمان انجماد بستهای با ضخامت ۳۰ میلیمتر را ندارد.
—
۲۶-۲۲ ـ اندازهگیری دمای مرکز
اگر امکانپذیر باشد، در مرحله توسعه میتوان دمای مرکز نمونه را نیز بررسی کرد.
این کار نشان میدهد آیا تمام جرم محصول به وضعیت موردنظر رسیده است یا خیر.
—
۲۶-۲۳ ـ انبساط در هنگام انجماد
آب هنگام یخزدن منبسط میشود.
بنابراین بسته نباید بدون درنظر گرفتن فضای کافی کاملاً پر شود.
این موضوع برای کاهش فشار روی دوخت و فیلم اهمیت دارد.
—
۲۶-۲۴ ـ فضای خالی مناسب
فضای خالی یا Headspace باید بر اساس:
– فرمول
– میزان آب
– مقدار انجماد
– شکل بسته
– مقاومت فیلم
تعیین شود.
یک مقدار ثابت برای تمام ژلپکها وجود ندارد.
—
۲۶-۲۵ ـ جنس فیلم
فیلم باید در دمای پایین شکننده نشود و در برابر تنشهای ایجادشده هنگام انجماد مقاومت داشته باشد.
همچنین باید با روش دوخت انتخابشده سازگار باشد.
—
۲۶-۲۶ ـ فیلم تکلایه
فیلم تکلایه میتواند ساده و اقتصادی باشد.
اما در برخی کاربردها ممکن است از نظر:
– استحکام
– نفوذپذیری
– مقاومت سوراخشدن
– کیفیت دوخت
محدودیت داشته باشد.
—
۲۶-۲۷ ـ فیلم چندلایه
فیلم چندلایه میتواند خواص مختلف را ترکیب کند.
برای مثال یک لایه ممکن است نقش اصلی در آببندی داشته باشد و لایه دیگر مقاومت مکانیکی بیشتری ایجاد کند.
انتخاب نهایی به محصول و روش تولید بستگی دارد.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۲۶-۲۸ ـ مقاومت در برابر سوراخشدن
ژلپک در حملونقل ممکن است با:
– لبه کارتن
– ابزار
– قطعات دیگر
– فشار نقطهای
تماس پیدا کند.
بنابراین مقاومت سوراخشدن باید بررسی شود.
—
۲۶-۲۹ ـ اهمیت دوخت
حتی اگر فیلم بسیار مقاوم باشد، دوخت ضعیف میتواند باعث خرابی محصول شود.
در نتیجه آزمون باید هم فیلم و هم ناحیه دوخت را شامل شود.
—
۲۶-۳۰ ـ ژلپک چندبارمصرف
برای محصول چندبارمصرف، باید تعداد چرخههای مورد انتظار مشخص شود.
مثلاً:
انجماد → استفاده → ذوب → انجماد
یک چرخه محسوب میشود.
—
۲۶-۳۱ ـ افت عملکرد در چرخههای متوالی
ممکن است محصول پس از چرخههای متعدد دچار:
– آباندازی
– تغییر شکل
– کاهش استحکام
– تغییر بافت ژل
شود.
بنابراین دوام باید اندازهگیری شود.
—
۲۶-۳۲ ـ آزمون تسریعشده
برای توسعه سریع محصول میتوان آزمونهای چرخهای را در شرایط کنترلشده انجام داد.
اما آزمون تسریعشده الزاماً معادل عمر واقعی نیست.
نتایج باید با احتیاط تفسیر شوند.
—
۲۶-۳۳ ـ آباندازی
آباندازی یعنی آزاد شدن بخشی از آب از ساختار ژل.
این اتفاق میتواند به شکل:
– آب آزاد
– کاهش حجم ژل
– تجمع مایع
مشاهده شود.
—
۲۶-۳۴ ـ چرا آباندازی مهم است؟
آباندازی ممکن است:
– خطر نشتی را افزایش دهد؛
– ظاهر محصول را تغییر دهد؛
– انتقال حرارت را تغییر دهد.
به همین دلیل باید در آزمونهای پایداری بررسی شود.
—
۲۶-۳۵ ـ نقش مقدار پلیمر
افزایش پلیمر معمولاً ساختار ژل را تغییر میدهد.
اما افزایش بیش از حد ممکن است:
– هزینه را بالا ببرد؛
– فرآیند پرکنی را دشوار کند؛
– نسبت آب به ماده را تغییر دهد.
بنابراین مقدار بهینه باید آزمایش شود.
—
۲۶-۳۶ ـ آیا پلیمر بیشتر یعنی سرمایش بیشتر؟
خیر، لزوماً چنین نیست.
در بسیاری از فرمولها آب بخش اصلی ظرفیت حرارتی را فراهم میکند.
پلیمر بیشتر عمدتاً ساختار و نحوه نگهداری آب را تغییر میدهد.
بنابراین افزایش پلیمر باید از نظر عملکرد کلی بررسی شود.
—
۲۶-۳۷ ـ نقش آب در ظرفیت سرمایشی
در سیستمهای مبتنی بر آب، مقدار آب اهمیت زیادی دارد.
کاهش بیش از حد آب و افزایش مواد جامد میتواند نسبت جرم آب به جرم کل را تغییر دهد.
بنابراین فرمول باید بر اساس ظرفیت سرمایشی کل محصول طراحی شود.
—
۲۶-۳۸ ـ ژلپک اقتصادی
برای محصول عمومی ممکن است هدف اصلی:
کمترین هزینه با عملکرد قابل قبول
باشد.
در این حالت میتوان فرمولهای مختلف را از نظر:
– هزینه
– جرم
– زمان سرمایش
– دوام
مقایسه کرد.
—
۲۶-۳۹ ـ ژلپک صنعتی با دوام بالا
در کاربرد صنعتی ممکن است دوام از قیمت اولیه مهمتر باشد.
برای مثال اگر محصول قرار است صدها بار استفاده شود، افزایش هزینه اولیه بستهبندی ممکن است با افزایش عمر مفید توجیه شود.
البته این نتیجه باید بر اساس محاسبه اقتصادی واقعی تعیین شود.
—
۲۶-۴۰ ـ ژلپک مخصوص حمل ابزار
در چنین کاربردی ویژگیهایی مانند:
– مقاومت مکانیکی
– وزن مناسب
– قابلیت استفاده مجدد
– انعطافپذیری
– عدم نشتی
اهمیت زیادی دارند.
—
۲۶-۴۱ ـ ژلپک برای جعبه عایق عمومی
برای جعبه عایق، ژلپک بخشی از یک سیستم کامل است.
اجزای سیستم:
ژلپک + عایق + جعبه + بار حرارتی + محیط
هستند.
بنابراین نباید عملکرد ژلپک را مستقل از جعبه ارزیابی کرد.
—
۲۶-۴۲ ـ توزیع بستهها
در یک محفظه بزرگ ممکن است چند ژلپک کوچک عملکرد بهتری از یک بسته بزرگ داشته باشند، زیرا سرمایش یکنواختتر توزیع میشود.
اما تعداد بیشتر بستهها هزینه و پیچیدگی را افزایش میدهد.
—
۲۶-۴۳ ـ طراحی برای استفاده در فضای باز
برای کاربرد بیرونی باید اثر:
– تابش خورشید
– دمای محیط
– باد
– رطوبت
– تماس مکانیکی
در نظر گرفته شود.
در این شرایط استفاده از عایق مناسب اهمیت بیشتری پیدا میکند.
—
۲۶-۴۴ ـ اثر تابش خورشید
سطحی که مستقیماً زیر تابش خورشید قرار دارد میتواند انرژی زیادی دریافت کند.
اگر ژلپک برای چنین کاربردی طراحی شود، باید آزمون در شرایط نزدیک به کاربرد واقعی انجام شود.
—
۲۶-۴۵ ـ رنگ بستهبندی
رنگ سطح میتواند بر جذب تابشی اثر داشته باشد.
اما در بسیاری از کاربردهای صنعتی، اثر اصلی همچنان به عایقکاری و شرایط انتقال حرارت مربوط است.
رنگ نباید جایگزین طراحی حرارتی مناسب شود.
—
۲۶-۴۶ ـ بستهبندی ثانویه
استفاده از یک پوشش ثانویه میتواند برای:
– کاهش آسیب مکانیکی
– جلوگیری از تماس مستقیم
– افزایش ایمنی حمل
– کنترل رطوبت سطح
مفید باشد.
—
۲۶-۴۷ ـ طراحی محصول بر اساس بازار
قبل از خرید دستگاه و تولید انبوه، بهتر است مشخص شود مشتری دقیقاً چه چیزی میخواهد:
وزن کم؟ قیمت پایین؟ دوام زیاد؟ سرمایش طولانی؟ انعطافپذیری؟ قابلیت استفاده مجدد؟
پاسخ این سؤال طراحی محصول را تعیین میکند.
—
۲۶-۴۸ ـ ساخت چند نمونه اولیه
بهتر است به جای ساخت یک فرمول نهایی، چند نمونه ساخته شود.
برای مثال:
– نمونه A با پلیمر کمتر
– نمونه B با پلیمر متوسط
– نمونه C با پلیمر بیشتر
سپس عملکرد واقعی آنها مقایسه شود.
—
۲۶-۴۹ ـ تبدیل نمونه به محصول تجاری
پس از انتخاب نمونه مناسب، باید موارد زیر نهایی شوند:
1. فرمول
2. وزن
3. ابعاد
4. فیلم
5. روش دوخت
6. شرایط انجماد
7. روش استفاده
8. بستهبندی
9. آزمون کنترل کیفیت
10. قیمت تمامشده
در این مرحله محصول از یک نمونه آزمایشگاهی به یک محصول قابل تولید تبدیل میشود.
—
۲۶-۵۰ ـ جمعبندی فصل
طراحی ژلپک صنعتی باید از کاربرد واقعی آغاز شود.
ابتدا باید مشخص شود محصول برای چه کاری ساخته میشود، سپس:
دمای هدف → مدت استفاده → ظرفیت حرارتی → جرم → شکل → فرمول → فیلم → دوخت → روش انجماد → آزمون
تعیین شود.
برای کاربردهای عمومی و صنعتی، امکان طراحی محصولات متنوع وجود دارد؛ از بستههای کوچک و انعطافپذیر تا بستههای بزرگتر و چندبارمصرف.
در سیستمهای مبتنی بر آب و پلیمر، باید توجه ویژهای به این نکته داشت که پلیمر بیشتر الزاماً به معنی ظرفیت سرمایشی بیشتر نیست. آب، تغییر فاز، جرم کل، شرایط انجماد و انتقال حرارت همگی در عملکرد نهایی نقش دارند.
همچنین برای تجهیزات الکترونیکی و سایر کاربردهای حساس، خطر میعان و نشتی باید جدی گرفته شود.
در نهایت، محصولی که برای تولید تجاری انتخاب میشود باید حداقل در سه سطح آزمایش شود:
آزمایش فرمول → آزمایش بسته واقعی → آزمایش در کاربرد واقعی
و نتایج هر مرحله ثبت و مستند شود.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
موضوع پیشنهادی فصل ۲۷
طراحی ژلپکهای اقتصادی با پلیآکریلات سدیم؛ تعیین نسبت آب به پلیمر، کاهش قیمت تمامشده، افزایش ظرفیت سرمایشی، جلوگیری از کلوخهشدن، کنترل ویسکوزیته و بررسی فرمولهای مختلف برای تولید انبوه
۰ دیدگاه