دانشنامه جامع کمپرس یخ30
فصل ۳۰
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
طراحی ژلپک با دمای سرمایش و انجماد کنترلشده؛ 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
مقدمه
یکی از موضوعات مهم در طراحی ژلپک، پاسخ به این پرسش است که:
آیا میتوان دمای انجماد و محدوده کاری ژلپک را با تغییر فرمولاسیون کنترل کرد؟
پاسخ کلی مثبت است، اما این کار به سادگی افزودن مقداری نمک به آب نیست.
وقتی یک ماده محلول مانند نمک به آب اضافه میشود، نقطه انجماد محلول میتواند کاهش پیدا کند. همین ویژگی در برخی سیستمهای سردکننده مورد استفاده قرار میگیرد.
اما در ژلپک حاوی پلیآکریلات سدیم، موضوع پیچیدهتر میشود؛ زیرا یونهای محلول میتوانند همزمان بر:
– ظرفیت جذب آب پلیمر،
– میزان تورم،
– ویسکوزیته،
– آب آزاد،
– ساختار ژل،
– رفتار انجماد و ذوب،
– و عملکرد نهایی محصول
اثر بگذارند.
بنابراین هر فرمول دارای نمک باید بهصورت آزمایشگاهی بررسی شود.
—
۳۰-۱ ـ مفهوم نقطه انجماد
آب خالص در فشار معمولی در حدود صفر درجه سانتیگراد منجمد میشود.
اما وقتی ماده محلول به آب اضافه شود، نقطه انجماد میتواند پایینتر بیاید.
به این پدیده:
کاهش نقطه انجماد
گفته میشود.
—
۳۰-۲ ـ چرا کاهش نقطه انجماد اهمیت دارد؟
فرض کنید محصول باید در دمایی پایینتر از صفر درجه سانتیگراد همچنان بخشی از حالت مایع خود را حفظ کند.
در این شرایط، آب خالص ممکن است کاملاً منجمد شود، در حالی که محلول دارای ماده حلشده میتواند رفتار متفاوتی داشته باشد.
—
۳۰-۳ ـ اما هدف همیشه کاهش نقطه انجماد نیست
برای بسیاری از ژلپکها، هدف فقط این است که محصول پس از قرار گرفتن در فریزر، مقدار زیادی انرژی سرمایشی ذخیره کند.
بنابراین پایین آوردن نقطه انجماد لزوماً به معنی افزایش عملکرد در تمام کاربردها نیست.
—
۳۰-۴ ـ یخ و محلول نمکی
آب خالص هنگام انجماد یک تغییر فاز مشخص دارد.
در محلول نمکی، وضعیت پیچیدهتر است.
غلظت محلول، نوع نمک و شرایط دما تعیین میکنند که چه مقدار از آب یخ میزند و چه مقدار در فاز مایع باقی میماند.
—
۳۰-۵ ـ اثر نمک بر پلیآکریلات سدیم
پلیآکریلات سدیم یک پلیمر یونی است.
وجود یونهای اضافی در آب میتواند نیروی یونی محیط را افزایش دهد.
در بسیاری از پلیمرهای فوقجاذب، افزایش شوری باعث کاهش تورم و ظرفیت جذب میشود.
بنابراین:
نمک ممکن است نقطه انجماد را پایین بیاورد، اما همزمان ظرفیت جذب پلیمر را نیز کاهش دهد.
این یکی از مهمترین نکات این فصل است.
—
۳۰-۶ ـ رقابت بین دو اثر
در فرمول نمکی دو اتفاق همزمان رخ میدهد:
اثر اول: کاهش نقطه انجماد
اثر دوم: کاهش احتمالی تورم پلیآکریلات
بنابراین باید اثر نهایی با آزمایش تعیین شود.
—
۳۰-۷ ـ فرمول پایه بدون نمک
برای داشتن یک نمونه مرجع، ابتدا یک فرمول ساده تهیه کنید:
آب + پلیآکریلات سدیم
این نمونه باید به عنوان شاهد در آزمایشها نگهداری شود.
—
۳۰-۸ ـ فرمول آزمایشی با نمک
پس از تولید نمونه شاهد، میتوان مقدار کمی نمک به سیستم اضافه کرد و نمونه دیگری ساخت.
بهتر است نمک بهصورت مرحلهای افزایش یابد.
مثلاً:
A = بدون نمک
B = مقدار کم
C = مقدار متوسط
D = مقدار بیشتر
مقادیر دقیق باید براساس هدف محصول و نتایج آزمایش انتخاب شوند.
—
۳۰-۹ ـ چرا افزایش تدریجی بهتر است؟
اگر یکباره مقدار زیادی نمک اضافه شود و عملکرد ژل کاهش پیدا کند، مشخص نمیشود حد مناسب کجا بوده است.
افزایش مرحلهای امکان پیدا کردن محدوده مناسب را فراهم میکند.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۳۰-۱۰ ـ نوع نمک مهم است
همه نمکها رفتار یکسانی ندارند.
پارامترهایی مانند:
– نوع یون مثبت
– نوع یون منفی
– غلظت
– حلالیت
– اثر یونی
میتوانند رفتار پلیمر و آب را تغییر دهند.
—
۳۰-۱۱ ـ کلرید سدیم
کلرید سدیم، یا نمک معمولی، از نظر دسترسی و قیمت مادهای ساده برای آزمایش است.
اما نباید بدون آزمایش تصور کرد که برای هر ژلپکی بهترین انتخاب است.
—
۳۰-۱۲ ـ غلظت نمک
اثر نمک تابع غلظت است.
افزایش تدریجی غلظت میتواند باعث تغییر تدریجی یا حتی شدید در رفتار ژل شود.
بنابراین بهتر است چند سطح آزمایشی تعریف شود.
—
۳۰-۱۳ ـ محاسبه درصد وزنی
اگر ۱۰ گرم نمک در ۱۰۰۰ گرم آب استفاده شود:
درصد وزنی نسبت به آب ≈ ۱٪
است.
اما در گزارش آزمایش باید مشخص شود درصد نسبت به:
– آب،
– کل فرمول،
– یا فاز مایع
محاسبه شده است.
—
۳۰-۱۴ ـ آزمایش جذب آب
برای هر غلظت نمک باید ظرفیت جذب پلیآکریلات اندازهگیری شود.
مثلاً:
نمونه| غلظت نمک| جذب آب
A| صفر| X
B| کم| Y
C| متوسط| Z
D| زیاد| W
در بسیاری از سیستمها انتظار میرود با افزایش شوری، ظرفیت تورم کاهش پیدا کند؛ اما مقدار واقعی باید برای پلیمر مورد استفاده اندازهگیری شود.
—
۳۰-۱۵ ـ چرا آب شور مشکلساز میشود؟
یونهای محلول باعث کاهش اختلاف اسمزی موردنیاز برای تورم پلیمر میشوند.
در نتیجه پلیمر ممکن است نسبت به آب کماملاح، حجم کمتری پیدا کند.
—
۳۰-۱۶ ـ اثر بر ویسکوزیته
وقتی تورم پلیمر کاهش پیدا کند، ویسکوزیته و قوام ژل نیز ممکن است تغییر کند.
این تغییر میتواند روی فرآیند پرکنی اثر بگذارد.
—
۳۰-۱۷ ـ اثر بر آب آزاد
اگر پلیمر نتواند مقدار مورد انتظار آب را نگه دارد، احتمال افزایش آب آزاد وجود دارد.
بنابراین پس از افزودن نمک باید آب آزاد دوباره اندازهگیری شود.
—
۳۰-۱۸ ـ اثر بر پمپاژ
یک فرمول ممکن است بدون نمک ویسکوزیته بالایی داشته باشد.
پس از افزودن نمک ممکن است رقیقتر شود.
در نتیجه رفتار آن در پمپ و نازل تغییر میکند.
—
۳۰-۱۹ ـ اثر بر پرکنی
تغییر ویسکوزیته میتواند مقدار پرشده در هر بسته را تغییر دهد.
بنابراین دستگاه پرکن باید با فرمول نهایی کالیبره شود.
—
۳۰-۲۰ ـ آیا نمک باعث سرمایش بیشتر میشود؟
نمیتوان چنین نتیجهای را به صورت کلی بیان کرد.
نمک میتواند نقطه انجماد را کاهش دهد، اما مقدار آب یخزده و رفتار تغییر فاز نیز تغییر میکند.
بنابراین ظرفیت سرمایشی کل باید اندازهگیری شود.
—
۳۰-۲۱ ـ تفاوت «دمای پایینتر» و «ظرفیت سرمایشی بیشتر»
این دو مفهوم یکسان نیستند.
ممکن است یک فرمول بتواند به دمای پایینتری برسد، اما انرژی سرمایشی کل آن در یک بازه مشخص کمتر باشد.
بنابراین باید هر دو شاخص اندازهگیری شوند.
—
۳۰-۲۲ ـ دمای هدف را ابتدا تعیین کنید
قبل از اصلاح فرمول باید مشخص شود محصول برای چه کاری طراحی شده است.
مثلاً:
– سرمایش عمومی
– نگهداری یک وسیله
– جعبه عایق
– کاربرد صنعتی
– تماس با سطح
هرکدام شرایط متفاوتی دارند.
—
۳۰-۲۳ ـ ژلپک برای دمای نزدیک صفر
اگر هدف، نگهداری دما در محدوده نزدیک صفر باشد، فرمول آبپایه ساده ممکن است نقطه شروع مناسبی برای آزمایش باشد.
در چنین کاربردی شاید اصلاً نیاز به نمک وجود نداشته باشد.
—
۳۰-۲۴ ـ ژلپک برای دمای زیر صفر
اگر هدف دمای کاری پایینتر از صفر باشد، میتوان فرمولهای دارای ماده محلول را نیز بررسی کرد.
اما باید مشخص شود که چه مقدار از آب واقعاً منجمد میشود.
—
۳۰-۲۵ ـ خطر افزایش بیش از حد نمک
نمک زیاد میتواند باعث کاهش شدید تورم پلیمر شود.
در چنین شرایطی ممکن است ژل به شکل مورد انتظار تشکیل نشود.
—
۳۰-۲۶ ـ نمک را بعد از تشکیل ژل اضافه کنیم؟
این روش نیز ممکن است با اضافهکردن نمک به آب قبل از هیدراتهشدن پلیمر رفتار متفاوتی داشته باشد.
بنابراین ترتیب فرآیند نیز باید به عنوان یک متغیر آزمایش شود.
—
۳۰-۲۷ ـ دو روش قابل مقایسه
روش A:
آب + نمک → سپس پلیآکریلات
روش B:
آب + پلیآکریلات → سپس محلول نمکی
ممکن است این دو روش ژلهایی با رفتار متفاوت ایجاد کنند.
—
۳۰-۲۸ ـ روش سوم؛ افزودن تدریجی محلول
میتوان ابتدا ژل پایه ساخت و سپس محلول نمکی را به صورت تدریجی اضافه کرد.
در این روش باید تغییر:
– ویسکوزیته
– حجم
– آب آزاد
– ساختار ژل
ثبت شود.
—
۳۰-۲۹ ـ آزمایش کوچک قبل از تولید
قبل از استفاده از نمک در بچ بزرگ، آزمایشهای ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ گرمی میتوانند بسیار مفید باشند.
این کار ریسک اقتصادی را کاهش میدهد.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۳۰-۳۰ ـ طراحی ماتریس آزمایش
یک ماتریس ساده میتواند شامل سه متغیر باشد:
X1 = درصد پلیآکریلات
X2 = درصد نمک
X3 = مقدار آب
و خروجیها:
Y1 = ظرفیت جذب
Y2 = آب آزاد
Y3 = ویسکوزیته
Y4 = زمان انجماد
Y5 = عملکرد سرمایشی
—
۳۰-۳۱ ـ نمونه ماتریس
برای مثال:
نمونه| پلیمر| نمک| آب
A| کم| صفر| ثابت
B| متوسط| صفر| ثابت
C| کم| کم| ثابت
D| متوسط| کم| ثابت
E| کم| متوسط| ثابت
F| متوسط| متوسط| ثابت
اعداد واقعی باید براساس آزمون اولیه تعیین شوند.
—
۳۰-۳۲ ـ معیار حذف سریع
اگر یک نمونه:
– آب آزاد بسیار زیاد،
– ژل ناپایدار،
– یا قابلیت پرکنی نامناسب
داشته باشد، میتوان آن را از مراحل بعدی حذف کرد.
—
۳۰-۳۳ ـ آزمون انجماد نمونههای منتخب
پس از حذف نمونههای ضعیف، فرمولهای باقیمانده وارد آزمون انجماد شوند.
شرایط برای همه نمونهها باید یکسان باشد.
—
۳۰-۳۴ ـ اندازهگیری دمای مرکز
دمای مرکز بسته باید ثبت شود.
دمای سطح ممکن است بسیار متفاوت باشد.
—
۳۰-۳۵ ـ اندازهگیری زمان ماندگاری
به جای اینکه فقط «حداکثر سرمایش» را اندازه بگیرید، مدت زمانی را که نمونه در محدوده دمای هدف قرار دارد نیز ثبت کنید.
—
۳۰-۳۶ ـ انرژی سرمایشی تجربی
در صورت استفاده از بار حرارتی مرجع، میتوان مقدار انرژی جذبشده توسط هر بسته را با روش مشابه برای همه نمونهها محاسبه کرد.
این روش برای مقایسه فرمولها بسیار مفید است.
—
۳۰-۳۷ ـ آزمون چرخهای
فرمولهای دارای نمک باید چندین بار:
منجمد → ذوب → منجمد
شوند.
پس از هر چرخه وضعیت ژل بررسی شود.
—
۳۰-۳۸ ـ احتمال تغییر ساختار
برخی فرمولها ممکن است در چرخههای متعدد رفتار اولیه خود را حفظ نکنند.
بنابراین آزمون چرخهای برای محصول چندبارمصرف ضروری است.
—
۳۰-۳۹ ـ تغییر حجم
انجماد آب معمولاً با افزایش حجم همراه است.
در سیستمهای ژلی، رفتار حجم به فرمول و مقدار آب آزاد نیز وابسته است.
بنابراین فضای خالی داخل بسته باید با آزمایش تعیین شود.
—
۳۰-۴۰ ـ اهمیت Headspace
پرکردن بسته تا نزدیک ظرفیت کامل میتواند در زمان انجماد فشار بیشتری ایجاد کند.
بنابراین مقدار فضای خالی باید بر اساس انبساط واقعی و طراحی فیلم تعیین شود.
—
۳۰-۴۱ ـ انتخاب فیلم برای فرمول نمکی
وجود نمک و محلول میتواند از نظر سازگاری شیمیایی و خوردگی تجهیزات یا اجزای فلزی اهمیت داشته باشد.
بنابراین تماس فرمول با:
– فیلم
– نازل
– مخزن
– پمپ
– اتصالات
باید بررسی شود.
—
۳۰-۴۲ ـ آزمون سازگاری فیلم
نمونه فیلم را با فرمول نهایی در شرایط:
– دمای محیط
– سرمایش
– انجماد
– ذوب
قرار دهید.
سپس تغییرات ظاهری و مکانیکی بررسی شود.
—
۳۰-۴۳ ـ انتخاب فرمول بر اساس کاربرد
ممکن است برای محصول A:
آب + پلیآکریلات
کافی باشد.
برای محصول B:
آب + پلیآکریلات + مقدار کنترلشده ماده محلول
مناسبتر باشد.
فرمول نهایی باید براساس نیاز کاربرد تعیین شود.
—
۳۰-۴۴ ـ آیا نمک همیشه اقتصادی است؟
خیر.
اگر افزودن نمک باعث کاهش ظرفیت جذب پلیمر شود، ممکن است برای حفظ قوام مجبور شوید پلیمر بیشتری مصرف کنید.
در این صورت صرفهجویی احتمالی نمک میتواند با افزایش مصرف پلیمر از بین برود.
—
۳۰-۴۵ ـ محاسبه اقتصادی واقعی
برای مقایسه دو فرمول باید هزینه کل محاسبه شود:
هزینه پلیمر + آب + نمک + فیلم + تولید + انرژی + ضایعات
نه اینکه فقط قیمت نمک با پلیمر مقایسه شود.
—
۳۰-۴۶ ـ یک مثال اقتصادی
فرمول A:
پلیمر بیشتر، بدون نمک
فرمول B:
پلیمر کمتر، همراه با نمک
ممکن است فرمول B در ظاهر ارزانتر باشد.
اما اگر فرمول B:
– آب آزاد بیشتری داشته باشد،
– نشتی بیشتری ایجاد کند،
– یا نیازمند فیلم ضخیمتر باشد،
هزینه واقعی میتواند تغییر کند.
—
۳۰-۴۷ ـ فرمول اقتصادی مطلوب
فرمول اقتصادی مطلوب، فرمولی است که:
دمای هدف + ظرفیت سرمایشی + دوام + قابلیت تولید + قیمت
را همزمان تأمین کند.
—
۳۰-۴۸ ـ اشتباه مهم در طراحی
نباید تنها با مشاهده اینکه یک بسته «خیلی سرد» است، نتیجه گرفت که عملکرد آن بهتر است.
ممکن است دمای سطح بسیار پایین باشد، اما ظرفیت کل سرمایشی یا مدت حفظ دما مناسب نباشد.
—
۳۰-۴۹ ـ چکلیست نهایی
قبل از انتخاب فرمول نمکی بررسی کنید:
☐ نقطه انجماد اندازهگیری شده است؟
☐ ظرفیت جذب پلیمر اندازهگیری شده است؟
☐ آب آزاد بررسی شده است؟
☐ ویسکوزیته مناسب است؟
☐ پرکنی قابل انجام است؟
☐ فیلم سازگار است؟
☐ بسته در انجماد آسیب نمیبیند؟
☐ ظرفیت سرمایشی واقعی اندازهگیری شده است؟
☐ چند چرخه انجماد و ذوب آزمایش شده است؟
☐ هزینه کل محاسبه شده است؟
—
۳۰-۵۰ ـ جمعبندی فصل
کنترل دمای انجماد یکی از ابزارهای مهم در طراحی فرمولهای سردکننده است، اما در ژلپکهای حاوی پلیآکریلات سدیم باید با دقت بیشتری انجام شود.
افزودن نمک یا سایر مواد محلول میتواند نقطه انجماد را کاهش دهد، اما همزمان ممکن است باعث کاهش تورم و ظرفیت جذب پلیآکریلات شود.
بنابراین یک فرمول نمیتواند صرفاً بر اساس این منطق طراحی شود که:
«نمک بیشتر = سرمایش بهتر»
یا:
«نقطه انجماد پایینتر = ظرفیت سرمایشی بیشتر»
این دو رابطه الزاماً برقرار نیستند.
روش اصولی توسعه فرمول عبارت است از:
فرمول بدون نمک → اندازهگیری جذب → افزودن مرحلهای نمک → اندازهگیری مجدد جذب → بررسی آب آزاد → بررسی ویسکوزیته → انجماد → اندازهگیری دمای مرکز → آزمون ذوب → محاسبه ظرفیت سرمایشی → آزمون دوام → محاسبه قیمت
در صورتی که هدف تولید انبوه باشد، بهتر است ابتدا فرمولهای بسیار ساده آزمایش شوند و تنها در صورت وجود نیاز فنی مشخص، مواد اضافی وارد فرمول شوند.
به این ترتیب میتوان از یک طرف از مزیت پلیآکریلات سدیم در نگهداری آب استفاده کرد و از طرف دیگر، اثر منفی احتمالی افزایش یونها بر تورم پلیمر را تحت کنترل قرار داد.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
موضوع پیشنهادی فصل ۳۱
فرمولاسیون ژلپک برای فریزرهای خانگی و صنعتی؛ بررسی دمای فریزر، زمان انجماد، ضخامت بسته، جرم ژل، مقدار آب و پلیآکریلات، انتقال حرارت و طراحی ژلپک برای حداکثر سرمایش در شرایط واقعی