دانشنامه جامع کمپرس یخ29
فصل ۲۹
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
مقایسه ژلپک آب خالص، ژلپک پلیآکریلات سدیم و کمپرس یخ؛ بررسی ظرفیت سرمایشی، زمان انجماد و ذوب، وزن، قیمت، دوام، نشتی، کاربرد صنعتی و انتخاب ساختار مناسب برای تولید و فروش
مقدمه
برای طراحی یک محصول سردکننده، همیشه لازم نیست از پیچیدهترین فرمول استفاده شود.
در بسیاری از کاربردها، یک بسته ساده آب منجمد میتواند عملکرد مناسبی داشته باشد. در برخی کاربردهای دیگر، استفاده از پلیآکریلات سدیم برای نگهداری آب در ساختار ژل میتواند مزایای فرآیندی و کاربردی ایجاد کند.
از طرف دیگر، اصطلاح «کمپرس یخ» ممکن است به بستهای از آب منجمد، یخ خردشده یا حتی یک بسته ژلی سردکننده اطلاق شود.
بنابراین برای انتخاب محصول باید چند عامل را همزمان بررسی کرد:
ظرفیت سرمایشی، دمای کاری، زمان انجماد، مدت ماندگاری سرمایش، انعطافپذیری، احتمال نشتی، قیمت، دوام، تعداد دفعات استفاده و کاربرد نهایی.
—
۲۹-۱ ـ سه ساختار اصلی
سه ساختار ساده مورد بررسی در این فصل عبارتاند از:
۱. آب خالص در بسته و پس از انجماد
۲. آب + پلیآکریلات سدیم به شکل ژل
۳. یخ یا کمپرس یخ در ساختارهای مختلف
هرکدام ویژگیهای خاص خود را دارند.
—
۲۹-۲ ـ آب خالص منجمد
آب خالص پس از انجماد به یخ تبدیل میشود.
مزیت مهم آن، سادگی و قیمت پایین ماده اولیه است.
از نظر انتقال حرارت و انرژی نهان ذوب نیز آب یک ماده مرجع بسیار مهم برای مقایسه سردکنندهها محسوب میشود.
—
۲۹-۳ ـ ژلپک پلیآکریلات سدیم
در این ساختار، بخشی از جرم محصول را پلیآکریلات و بخش عمده آن را آب تشکیل میدهد.
پلیمر آب را در ساختار متورم خود نگه میدارد.
در نتیجه پس از انجماد و ذوب، محصول میتواند حالت ژلی یا نیمهجامد داشته باشد.
—
۲۹-۴ ـ کمپرس یخ
کمپرس یخ میتواند انواع مختلفی داشته باشد.
ممکن است:
– کیسه یخ
– یخ در بسته
– بسته آب منجمد
– بسته سردکننده ژلی
باشد.
بنابراین قبل از مقایسه باید تعریف محصول مشخص شود.
—
۲۹-۵ ـ ظرفیت سرمایشی
ظرفیت سرمایشی را میتوان با انرژی جذبشده در هنگام گرمشدن بیان کرد.
فرمول پایه برای گرمایش محسوس:
Q = m × Cp × ΔT
که در آن:
m = جرم
Cp = ظرفیت گرمایی ویژه
ΔT = تغییر دما
است.
—
۲۹-۶ ـ گرمای نهان یخ
یکی از مهمترین ویژگیهای یخ، انرژی نهان ذوب آن است.
برای آب خالص، مقدار مرجع گرمای نهان ذوب حدود:
۳۳۴ kJ/kg
است.
یعنی یک کیلوگرم یخ در فرآیند ذوب در نقطه انجماد میتواند مقدار قابل توجهی انرژی دریافت کند، بدون آنکه دمای آن در طول تغییر فاز به همان شکل مواد کاملاً محسوس افزایش یابد.
—
۲۹-۷ ـ چرا ژلپک الزاماً معادل یخ خالص نیست؟
اگر ژلپک حاوی پلیمر باشد، تمام جرم آن آب نیست.
مثلاً در یک کیلوگرم محصول، بخشی پلیمر و بخشی آب است.
بنابراین نمیتوان بدون اندازهگیری فرض کرد ظرفیت سرمایشی یک کیلوگرم ژل دقیقاً برابر یک کیلوگرم یخ است.
—
۲۹-۸ ـ نقش درصد آب
هرچه سهم آب در ژلپک بیشتر باشد، مقدار مادهای که میتواند در فرآیندهای حرارتی شرکت کند بیشتر خواهد بود.
اما افزایش آب ممکن است موجب:
– آب آزاد
– ژل ضعیف
– تغییر شکل
– افزایش ریسک نشتی در صورت آسیب بسته
شود.
—
۲۹-۹ ـ مزیت ساختار ژلی
مهمترین مزیت عملی ژلپک میتواند این باشد که ماده سردکننده به صورت یک توده ژلی در بسته باقی میماند.
این موضوع میتواند در برخی کاربردها جابهجایی و چیدمان را سادهتر کند.
—
۲۹-۱۰ ـ انعطافپذیری
ژلپک را میتوان در بستههای تخت و انعطافپذیر تولید کرد.
این ویژگی برای تماس با سطوح مختلف میتواند مفید باشد.
البته میزان انعطاف به فرمول، فیلم و دمای محصول بستگی دارد.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۲۹-۱۱ ـ زمان انجماد
زمان انجماد فقط به فرمول بستگی ندارد.
عوامل مهم عبارتاند از:
– جرم بسته
– ضخامت
– دمای فریزر
– جریان هوای فریزر
– فاصله بین بستهها
– جنس بسته
– دمای اولیه
—
۲۹-۱۲ ـ اثر ضخامت
یک بسته ۵۰۰ گرمی بسیار نازک ممکن است نسبت به بستهای با همان جرم ولی ضخامت زیاد، سریعتر منجمد شود.
بنابراین هنگام مقایسه باید ابعاد ثبت شوند.
—
۲۹-۱۳ ـ اثر سطح تماس
اگر سطح بسته با هوای سرد بیشتری در تماس باشد، انتقال حرارت میتواند متفاوت شود.
به همین دلیل شکل هندسی بخشی از طراحی محصول است.
—
۲۹-۱۴ ـ بسته تخت
بسته تخت معمولاً سطح تماس زیادی ایجاد میکند.
مزایای احتمالی:
– چیدمان آسان
– تماس وسیع
– انجماد نسبتاً مناسب
اما احتمال آسیب مکانیکی نیز باید بررسی شود.
—
۲۹-۱۵ ـ بسته ضخیم
بسته ضخیم فضای کمتری نسبت به بسته تخت مشابه اشغال میکند، اما انتقال حرارت به مرکز دشوارتر میشود.
در تولید انبوه باید زمان واقعی انجماد اندازهگیری شود.
—
۲۹-۱۶ ـ زمان ذوب
زمان ذوب نیز تحت تأثیر:
– جرم
– درصد آب
– ضخامت
– دمای محیط
– جریان هوا
– سطح تماس
قرار دارد.
—
۲۹-۱۷ ـ آیا دیرتر ذوبشدن همیشه بهتر است؟
برای یک محصول مشخص، طولانیتر ماندن در محدوده دمای هدف میتواند مطلوب باشد.
اما باید ابتدا دمای هدف تعریف شود.
مثلاً محصولی که قرار است یک سطح صنعتی را برای مدت کوتاهی سرد کند، نیاز متفاوتی با یک جعبه عایق دارد.
—
۲۹-۱۸ ـ دمای شروع
دمای شروع محصول هنگام استفاده اهمیت زیادی دارد.
دو ژلپک یکسان اگر یکی در دمای پایینتر و دیگری در دمای بالاتر وارد سیستم شوند، عملکرد یکسانی نخواهند داشت.
—
۲۹-۱۹ ـ دمای فریزر
هر فریزر شرایط یکسانی ندارد.
بنابراین مشخصات فنی بهتر است در کنار شرایط آزمون ثبت شود.
—
۲۹-۲۰ ـ آزمون استاندارد داخلی
برای مقایسه محصولات میتوان یک شرایط ثابت داخلی تعریف کرد.
مثلاً:
– دمای اولیه یکسان
– فریزر یکسان
– جرم یکسان
– ابعاد مشخص
– زمان مشخص
سپس همه نمونهها تحت همان شرایط مقایسه شوند.
—
۲۹-۲۱ ـ مقایسه هزینه آب خالص و ژل
آب ماده اولیه بسیار ارزانتری از پلیآکریلات است.
بنابراین اگر فقط قیمت مواد اولیه بررسی شود، آب خالص مزیت اقتصادی مهمی دارد.
اما بستهبندی و ویژگیهای کاربردی نیز باید وارد محاسبه شوند.
—
۲۹-۲۲ ـ هزینه پلیآکریلات
در ژلپک، هزینه پلیآکریلات به مقدار مصرف آن بستگی دارد.
مثلاً اگر در هر بسته ۵ گرم پلیمر استفاده شود، هزینه آن بسیار کمتر از بستهای است که ۲۰ گرم پلیمر دارد.
—
۲۹-۲۳ ـ افزایش پلیمر و هزینه
افزایش پلیمر ممکن است انسجام ژل را بیشتر کند، اما هزینه مواد اولیه را نیز افزایش میدهد.
بنابراین افزایش پلیمر باید با یک نیاز فنی مشخص توجیه شود.
—
۲۹-۲۴ ـ فیلم در هر سه محصول
در هر سه ساختار، بستهبندی میتواند سهم قابل توجهی از هزینه و عملکرد داشته باشد.
فیلم باید در برابر:
– دمای پایین
– انبساط
– فشار
– سوراخشدن
– دوخت
مقاوم باشد.
—
۲۹-۲۵ ـ ریسک نشتی
در آب خالص، در صورت سوراخشدن بسته، مایع میتواند سریع خارج شود.
در ژل، پلیمر ممکن است بخشی از آب را در ساختار خود نگه دارد.
اما نباید نتیجه گرفت که ژلپک هرگز نشت نمیکند.
بستهبندی همچنان باید آببندی مناسب داشته باشد.
—
۲۹-۲۶ ـ اهمیت آب آزاد
ژلپکی که مقدار زیادی آب آزاد دارد، از نظر ریسک نشت ممکن است رفتاری نزدیکتر به یک بسته مایع داشته باشد.
پس کنترل آب آزاد اهمیت زیادی دارد.
—
۲۹-۲۷ ـ دوام چرخهای
اگر محصول چندبار مصرف است، باید چرخههای:
انجماد → استفاده → ذوب → انجماد
بارها تکرار شود.
پس از هر چرخه باید بررسی شود:
– تغییر حجم
– آباندازی
– تغییر ژل
– نشتی
– تغییر دوخت
—
۲۹-۲۸ ـ کمپرس یخ یکبارمصرف
اگر محصول برای یک بار استفاده طراحی شده باشد، ممکن است نیاز به دوام چرخهای بسیار بالا نداشته باشد.
این موضوع میتواند امکان کاهش هزینه را فراهم کند.
—
۲۹-۲۹ ـ محصول چندبارمصرف
برای محصول چندبارمصرف، هزینه باید در طول عمر محصول محاسبه شود.
مثلاً اگر یک بسته دو برابر قیمت داشته باشد ولی تعداد چرخه بسیار بیشتری تحمل کند، مقایسه صرفاً بر اساس قیمت اولیه کافی نیست.
—
۲۹-۳۰ ـ هزینه به ازای هر چرخه
فرمول ساده:
هزینه هر چرخه = قیمت محصول ÷ تعداد چرخه قابل استفاده
مثلاً:
قیمت = ۱۰۰٬۰۰۰ تومان
تعداد چرخه = ۵۰
هزینه اسمی هر چرخه:
۲۰۰۰ تومان
این مثال صرفاً برای روش محاسبه است.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۲۹-۳۱ ـ مقایسه از نظر انعطاف
ویژگی| آب منجمد| ژلپک پلیآکریلات| کمپرس یخ
انعطاف| متوسط| بسته به فرمول بالا| وابسته به ساختار
آب آزاد پس از ذوب| ممکن| قابل کنترل| ممکن
نیاز به بستهبندی| بله| بله| بله
قابلیت استفاده مجدد| بالا در بسته مناسب| قابل طراحی| وابسته به نوع
—
۲۹-۳۲ ـ مقایسه از نظر قیمت مواد اولیه
آب خالص معمولاً کمهزینهترین جزء است.
پلیآکریلات هزینه بیشتری دارد.
بنابراین اگر استفاده از پلیمر مزیت فنی مشخصی ایجاد نکند، افزودن مقدار زیاد آن از نظر اقتصادی قابل توجیه نیست.
—
۲۹-۳۳ ـ مقایسه از نظر تولید
آب خالص از نظر فرمول بسیار ساده است.
ژلپک نیازمند:
– توزین پلیمر
– اختلاط
– هیدراتهشدن
– کنترل ویسکوزیته
است.
در نتیجه فرآیند تولید ژل پیچیدهتر است.
—
۲۹-۳۴ ـ مزیت احتمالی ژل در تولید
با وجود پیچیدگی بیشتر، ژل میتواند از نظر:
– شکلپذیری
– چیدمان
– کنترل آب آزاد
– استفاده در بستههای انعطافپذیر
مزایایی ایجاد کند.
این مزایا باید با آزمایش کاربردی تأیید شوند.
—
۲۹-۳۵ ـ کاربرد در جعبه عایق
برای جعبه سردکننده، مهمترین مسئله حفظ دمای محتویات است.
بنابراین باید:
جعبه + عایق + ژلپک + چیدمان + دمای محیط
با هم طراحی شوند.
—
۲۹-۳۶ ـ کاربرد در تماس با تجهیزات
در کاربرد صنعتی، بسته سردکننده ممکن است کنار یک قطعه یا سطح قرار گیرد.
در این حالت موارد زیر مهم هستند:
– شکل بسته
– سطح تماس
– مقاومت فیلم
– احتمال تعریق
– دمای سطح
—
۲۹-۳۷ ـ تعریق سطحی
وقتی سطح بسته بسیار سردتر از نقطه شبنم محیط باشد، ممکن است رطوبت هوا روی آن به صورت قطرات آب ظاهر شود.
این آب ممکن است با نشتی اشتباه گرفته شود.
بنابراین باید میان:
تراکم رطوبت محیط
و
نشتی بسته
تفاوت گذاشت.
—
۲۹-۳۸ ـ اهمیت عایق
اگر ژلپک در یک محیط بدون عایق قرار گیرد، انرژی زیادی از محیط دریافت خواهد کرد.
افزایش تعداد ژلپک بدون بهبود عایق همیشه بهترین راهحل نیست.
—
۲۹-۳۹ ـ چند بسته کوچک یا یک بسته بزرگ؟
چند بسته کوچک مزایایی مانند:
– چیدمان انعطافپذیر
– توزیع بهتر سرمایش
– امکان تعویض بخشی از سیستم
دارند.
یک بسته بزرگ ممکن است:
– تولید سادهتر
– تعداد دوخت کمتر
– بستهبندی سادهتر
داشته باشد.
—
۲۹-۴۰ ـ انتخاب تعداد بسته
برای انتخاب تعداد، باید سه عامل بررسی شوند:
جرم کل موردنیاز + فضای موجود + نحوه توزیع سرمایش
—
۲۹-۴۱ ـ اثر محل قرارگیری
قرار دادن بستههای سرد در بالا، پایین یا اطراف محتویات میتواند نتیجه متفاوتی ایجاد کند.
بهترین چیدمان باید با آزمون دمایی واقعی مشخص شود.
—
۲۹-۴۲ ـ آزمون مقایسهای سه محصول
برای توسعه محصول میتوان سه نمونه بسازید:
نمونه A: آب خالص
نمونه B: آب + پلیآکریلات کم
نمونه C: آب + پلیآکریلات بیشتر
جرم، ابعاد و شرایط انجماد را تا حد امکان برابر نگه دارید.
—
۲۹-۴۳ ـ ثبت داده
برای هر نمونه ثبت شود:
– دمای اولیه
– زمان ورود به فریزر
– دمای مرکز
– زمان رسیدن به دمای هدف
– زمان ذوب
– جرم
– ابعاد
– وضعیت ظاهری
—
۲۹-۴۴ ـ نمودار دما ـ زمان
بهترین روش مقایسه این است که برای هر نمونه منحنی دما ـ زمان ترسیم شود.
این نمودار نشان میدهد:
– شروع سرمایش
– سرعت تغییر دما
– مدت ماندن در محدوده هدف
– شروع گرمشدن سریع
چگونه اتفاق میافتد.
—
۲۹-۴۵ ـ آزمون در جعبه واقعی
آزمایش خارج از جعبه بهتنهایی کافی نیست.
پس از انتخاب چند فرمول، آنها را در جعبه واقعی و همراه با بار واقعی آزمایش کنید.
—
۲۹-۴۶ ـ معیار اقتصادی نهایی
برای انتخاب فرمول باید دستکم چهار شاخص کنار هم قرار گیرند:
هزینه
عملکرد حرارتی
دوام
سهولت تولید
فرمولی که فقط یکی از این موارد را بهینه کند، الزاماً برای تولید تجاری مناسب نیست.
—
۲۹-۴۷ ـ جدول تصمیمگیری فنی
شاخص| آب منجمد| ژل پلیآکریلات
سادگی فرمول| بسیار بالا| متوسط
هزینه ماده اولیه| پایین| بالاتر
کنترل آب در ساختار| پایین| بالاتر
امکان طراحی ژل| ندارد| دارد
پیچیدگی تولید| پایین| بالاتر
امکان تنظیم سفتی| محدود| بیشتر
این جدول یک مقایسه فنی کلی است و عملکرد واقعی باید با نمونههای مشخص اندازهگیری شود.
—
۲۹-۴۸ ـ برای بازار عمومی
برای بازار عمومی، محصول باید:
– ساده
– قابل فهم
– کمهزینه
– مقاوم
– دارای بستهبندی مناسب
– دارای دستور استفاده واضح
باشد.
—
۲۹-۴۹ ـ برای بازار صنعتی
برای بازار صنعتی، علاوه بر موارد بالا، بهتر است مشخصات دقیقتری ارائه شود:
– جرم
– ابعاد
– دمای شروع
– زمان انجماد در شرایط آزمون
– منحنی دما ـ زمان
– تعداد چرخه آزمونشده
– نوع فیلم
– روش آببندی
—
۲۹-۵۰ ـ جمعبندی فصل
آب خالص، ژلپک پلیآکریلات سدیم و انواع کمپرس یخ، هرکدام میتوانند برای کاربردهای متفاوت مناسب باشند.
آب منجمد از نظر سادگی و قیمت مواد اولیه مزیت مهمی دارد.
ژلپک پلیآکریلات سدیم امکان نگهداری آب در ساختار ژلی و طراحی شکل و قوام متفاوت را فراهم میکند، اما هزینه و پیچیدگی تولید بیشتری دارد.
کمپرس یخ نیز عنوانی کلی است و بسته به ساختار واقعی محصول میتواند ویژگیهای متفاوتی داشته باشد.
از نظر ظرفیت سرمایشی، نباید صرفاً به نام محصول توجه کرد. مهمترین عامل، جرم آب، وضعیت فازی آب، دمای شروع، دمای هدف، زمان و شرایط انتقال حرارت است.
برای توسعه یک محصول تجاری، پیشنهاد میشود حداقل سه نمونه واقعی ساخته شود:
آب خالص
آب + پلیآکریلات کم
آب + پلیآکریلات بیشتر
و سپس در شرایط یکسان از نظر:
قیمت، زمان انجماد، دمای مرکز، مدت سرمایش، آب آزاد، نشتی، دوام و قابلیت تولید
با یکدیگر مقایسه شوند.
به این ترتیب میتوان به جای تصمیمگیری بر اساس تصور یا فقط ظرفیت جذب پلیمر، محصولی را بر پایه دادههای واقعی طراحی کرد.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
موضوع پیشنهادی فصل ۳۰
طراحی ژلپک با دمای سرمایش و انجماد کنترلشده؛ بررسی اثر نمکها و مواد محلول بر نقطه انجماد، ظرفیت جذب پلیآکریلات سدیم، آب آزاد، رفتار ژل در فریزر و طراحی فرمولهای مناسب برای دماهای مختلف
۰ دیدگاه