دانشنامه جامع کمپرس یخ31
فصل ۳۱
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
فرمولاسیون و طراحی 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
مقدمه
ژلپکی که در آزمایشگاه عملکرد خوبی دارد، لزوماً در یک فریزر خانگی یا فریزر صنعتی دقیقاً همان عملکرد را نشان نمیدهد.
یکی از مهمترین دلایل این تفاوت، شرایط انجماد است.
دمای واقعی فریزر، جریان هوای سرد، نحوه قرارگیری بسته، فاصله بین بستهها، ضخامت بسته، جرم محصول و حتی میزان پر بودن فریزر میتواند بر سرعت انجماد اثر بگذارد.
به همین دلیل در طراحی ژلپک باید میان دو مفهوم تفاوت گذاشت:
فرمولاسیون ماده سردکننده
و
طراحی حرارتی بسته سردکننده
فرمول آب و پلیآکریلات فقط بخشی از مسئله است. هندسه بسته و شرایط فریزر نیز به همان اندازه مهم هستند.
—
۳۱-۱ ـ فریزر خانگی چیست؟
فریزر خانگی برای نگهداری مواد غذایی طراحی شده است و معمولاً ظرفیت و گردش هوای آن با تجهیزات صنعتی متفاوت است.
در چنین محیطی، ژلپک ممکن است در:
– کشو
– قفسه
– کنار دیواره
– بین بستههای دیگر
قرار گیرد.
هر موقعیت میتواند زمان انجماد متفاوتی ایجاد کند.
—
۳۱-۲ ـ فریزر صنعتی
فریزرهای صنعتی میتوانند دارای:
– گردش هوای قویتر
– ظرفیت بالاتر
– کنترل دمای دقیقتر
– سیستم سرمایش متفاوت
باشند.
بنابراین زمان انجماد محصول ممکن است با فریزر خانگی کاملاً متفاوت باشد.
—
۳۱-۳ ـ دمای اسمی فریزر کافی نیست
اگر روی فریزر عدد مشخصی درج شده باشد، این عدد الزاماً دمای واقعی مرکز بسته ژلپک نیست.
دمای هوا، سطح بسته و مرکز بسته باید جداگانه در نظر گرفته شوند.
—
۳۱-۴ ـ اندازهگیری دمای واقعی
برای توسعه محصول بهتر است یک سنسور دما در داخل یا مرکز نمونه قرار گیرد.
در صورت امکان، دمای:
– هوای فریزر
– سطح بسته
– مرکز بسته
ثبت شود.
—
۳۱-۵ ـ چرا مرکز مهم است؟
سطح بسته مستقیماً با محیط سرد تماس دارد و معمولاً زودتر سرد میشود.
اما مرکز بسته فاصله بیشتری با محیط دارد.
بنابراین ممکن است سطح یخزده باشد ولی مرکز هنوز کاملاً منجمد نشده باشد.
—
۳۱-۶ ـ مفهوم «انجماد کامل»
برای یک ژلپک، انجماد کامل را نباید فقط از روی سفتشدن سطح تشخیص داد.
باید معیار مشخصی برای دمای مرکز یا رفتار حرارتی تعریف شود.
—
۳۱-۷ ـ جرم بسته
هرچه جرم بسته افزایش یابد، مقدار انرژی بیشتری باید از محصول خارج شود.
بنابراین بسته بزرگتر معمولاً به زمان بیشتری برای انجماد کامل نیاز دارد.
—
۳۱-۸ ـ ضخامت بسته
ضخامت یکی از مهمترین عوامل انتقال حرارت است.
یک بسته تخت ۱ کیلوگرمی با یک بسته ضخیم ۱ کیلوگرمی رفتار یکسانی ندارد.
—
۳۱-۹ ـ مزیت بسته تخت
بسته تخت میتواند:
– سطح تماس زیاد
– مسیر انتقال حرارت کوتاهتر
– چیدمان آسان
داشته باشد.
این ویژگیها میتوانند انجماد را تسهیل کنند.
—
۳۱-۱۰ ـ محدودیت بسته تخت
بسته بسیار تخت ممکن است:
– آسیبپذیری مکانیکی بیشتری داشته باشد؛
– سطح دوخت بیشتری نیاز داشته باشد؛
– در هنگام انجماد تغییر شکل دهد.
پس طراحی باید میان حرارت و مکانیک تعادل برقرار کند.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۳۱-۱۱ ـ بسته ضخیم
بسته ضخیم فضای کمی نسبت به حجم ماده اشغال میکند، اما مرکز آن از سطح دورتر است.
در نتیجه ممکن است زمان بیشتری برای انجماد نیاز داشته باشد.
—
۳۱-۱۲ ـ نسبت سطح به حجم
هرچه سطح تماس نسبت به حجم بیشتر باشد، مسیر انتقال حرارت کوتاهتر میشود.
این اصل در طراحی ژلپک اهمیت زیادی دارد.
—
۳۱-۱۳ ـ مثال هندسی
دو بسته هر دو حاوی:
۱ کیلوگرم ژل
هستند.
بسته اول:
۴۰ × ۲۰ × ۲ سانتیمتر
و بسته دوم:
۲۰ × ۱۵ × ۵ سانتیمتر
است.
با وجود جرم برابر، رفتار انجماد آنها میتواند متفاوت باشد.
—
۳۱-۱۴ ـ طراحی برای فریزر خانگی
اگر محصول قرار است در فریزر خانگی منجمد شود، بهتر است ابعاد آن متناسب با فضای واقعی فریزر انتخاب شود.
بستهای که بهراحتی در کشو قرار گیرد، برای مصرفکننده عملیتر است.
—
۳۱-۱۵ ـ طراحی برای فریزر صنعتی
در فریزر صنعتی ممکن است امکان استفاده از بستههای بزرگتر وجود داشته باشد.
اما اگر فاصله بین بستهها کم باشد، جریان هوای سرد محدود میشود.
—
۳۱-۱۶ ـ فاصله بین بستهها
چسباندن تعداد زیادی بسته به یکدیگر میتواند انتقال حرارت را کاهش دهد.
بنابراین در آزمون صنعتی باید نحوه چیدمان واقعی شبیهسازی شود.
—
۳۱-۱۷ ـ تماس با دیواره فریزر
قرار گرفتن بسته در تماس مستقیم با سطح بسیار سرد میتواند با قرار گرفتن آن در مرکز فریزر نتیجه متفاوتی ایجاد کند.
پس محل آزمون باید ثبت شود.
—
۳۱-۱۸ ـ گردش هوا
در فریزرهایی که گردش هوای فعال دارند، جریان هوا میتواند انتقال حرارت از سطح بسته را افزایش دهد.
اما این اثر به طراحی و شرایط واقعی دستگاه وابسته است.
—
۳۱-۱۹ ـ بارگذاری فریزر
فریزر خالی و فریزر پرشده ممکن است رفتار متفاوتی داشته باشند.
وجود مواد دیگر میتواند:
– جریان هوا
– ظرفیت حرارتی
– سرعت بازگشت دما
را تغییر دهد.
—
۳۱-۲۰ ـ باز و بسته شدن در فریزر
در فریزر خانگی، بازشدن مکرر در باعث ورود هوای گرم میشود.
اگر هدف آزمون مصرفکننده واقعی است، این عامل نیز باید در آزمون نهایی لحاظ شود.
—
۳۱-۲۱ ـ نقش فرمول آب + پلیآکریلات
پلیآکریلات ساختار ژل را ایجاد میکند و آب را نگه میدارد.
اما بخش عمده ظرفیت سرمایشی سیستم آبپایه همچنان به مقدار آب و وضعیت فازی آن وابسته است.
—
۳۱-۲۲ ـ مقدار پلیآکریلات
افزایش پلیمر ممکن است قوام را افزایش دهد، اما همزمان سهم جرمی آب را کاهش میدهد.
بنابراین برای حداکثر سرمایش، مقدار پلیمر باید به اندازه نیاز باشد.
—
۳۱-۲۳ ـ اصل طراحی اقتصادی
اگر دو فرمول از نظر عملکرد حرارتی مشابه باشند، فرمولی که پلیمر کمتری مصرف میکند میتواند از نظر هزینه مواد اولیه جذابتر باشد.
اما این موضوع باید با آزمون عملکرد و دوام تأیید شود.
—
۳۱-۲۴ ـ آب بیشتر یا پلیمر بیشتر؟
این پرسش باید با دو شاخص پاسخ داده شود:
عملکرد حرارتی
و
پایداری ژل
ممکن است افزایش آب ظرفیت حرارتی بالقوه را افزایش دهد، ولی اگر باعث آب آزاد زیاد شود، محصول از نظر کاربردی نامناسب شود.
—
۳۱-۲۵ ـ تعیین محدوده آب آزاد
قبل از تولید انبوه باید حداکثر آب آزاد قابل قبول مشخص شود.
این مقدار باید با:
– نوع فیلم
– استحکام دوخت
– کاربرد
– احتمال سوراخشدن
ارتباط داشته باشد.
—
۳۱-۲۶ ـ فریزر و ضخامت فیلم
فیلم ضخیمتر الزاماً همیشه بهتر نیست.
فیلم ضخیم میتواند مقاومت مکانیکی بیشتری داشته باشد، اما ممکن است انتقال حرارت و هزینه را تحت تأثیر قرار دهد.
—
۳۱-۲۷ ـ فیلم نازک
فیلم نازک میتواند انتقال حرارت مناسبی ایجاد کند و هزینه کمتری داشته باشد.
اما مقاومت آن باید در برابر:
– سوراخشدن
– کشش
– انجماد
– ضربه
آزمایش شود.
—
۳۱-۲۸ ـ انبساط هنگام انجماد
آب هنگام تبدیل به یخ منبسط میشود.
بنابراین بسته نباید کاملاً پر و بدون فضای کافی طراحی شود.
مقدار فضای خالی باید براساس فرمول و شکل واقعی بسته تعیین شود.
—
۳۱-۲۹ ـ Headspace
فضای خالی داخل بسته باید به اندازهای باشد که تغییر حجم و فشار در طول انجماد را مدیریت کند.
اما فضای خالی بسیار زیاد نیز حجم مفید بسته را کاهش میدهد.
بنابراین این پارامتر نیز نیازمند بهینهسازی است.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۳۱-۳۰ ـ زمان انجماد را چگونه مقایسه کنیم؟
برای هر فرمول یک روش آزمون ثابت تعریف کنید.
مثلاً:
۱. نمونهها با جرم مساوی تولید شوند.
۲. دمای اولیه آنها یکسان باشد.
۳. همگی در یک فریزر قرار گیرند.
۴. سنسور در مرکز قرار گیرد.
۵. دما در فواصل مشخص ثبت شود.
—
۳۱-۳۱ ـ جدول ثبت زمان انجماد
زمان| دمای مرکز نمونه A| دمای مرکز نمونه B| دمای مرکز نمونه C
۰ دقیقه| …| …| …
۳۰ دقیقه| …| …| …
۶۰ دقیقه| …| …| …
۱۲۰ دقیقه| …| …| …
۱۸۰ دقیقه| …| …| …
این جدول میتواند مبنای مقایسه فرمولها قرار گیرد.
—
۳۱-۳۲ ـ آزمایش با جرمهای مختلف
پس از تعیین فرمول، میتوان جرمهای:
۲۵۰ گرم
۵۰۰ گرم
۱۰۰۰ گرم
۲۰۰۰ گرم
را آزمایش کرد.
هدف، یافتن رابطه میان جرم و زمان انجماد است.
—
۳۱-۳۳ ـ چرا بسته ۲۵۰ گرمی مهم است؟
چند بسته کوچک میتوانند سریعتر منجمد شوند و در جعبه بهتر توزیع شوند.
همچنین در صورت نیاز، مصرفکننده میتواند تعداد بستهها را تغییر دهد.
—
۳۱-۳۴ ـ چرا بسته ۲ کیلوگرمی مهم است؟
یک بسته بزرگ میتواند تعداد واحدهای موردنیاز را کاهش دهد.
اما ممکن است:
– حمل دشوارتر
– انجماد کندتر
– جابهجایی سختتر
باشد.
—
۳۱-۳۵ ـ چند بسته کوچک در برابر یک بسته بزرگ
برای یک جرم کل یکسان، چند بسته کوچک معمولاً امکان توزیع بهتر سطح تماس را فراهم میکنند.
اما هزینه فیلم و دوخت ممکن است افزایش یابد.
—
۳۱-۳۶ ـ طراحی برای فروش
محصول تجاری باید علاوه بر عملکرد فنی، از نظر مصرفکننده نیز قابل استفاده باشد.
موارد مهم:
– وزن مناسب
– ابعاد مناسب
– قابلیت قرارگیری در فریزر
– مقاومت بسته
– دستور استفاده
– قابلیت نگهداری
—
۳۱-۳۷ ـ دستور استفاده
روی بسته یا جعبه باید مشخص شود:
– مدت تقریبی انجماد در شرایط توصیهشده
– روش قرار دادن در فریزر
– روش استفاده
– هشدار درباره آسیبدیدگی بسته
زمانهای درجشده باید از آزمون واقعی محصول به دست آمده باشند.
—
۳۱-۳۸ ـ تفاوت شرایط مصرفکنندگان
یک مصرفکننده ممکن است فریزر بسیار سرد و خالی داشته باشد.
دیگری ممکن است فریزر پر و پرتردد داشته باشد.
بنابراین بهتر است زمان انجماد به صورت یک مقدار مطلق و تضمینی بیان نشود، مگر اینکه شرایط آزمون دقیقاً مشخص شده باشد.
—
۳۱-۳۹ ـ آزمون واقعی خانگی
برای توسعه محصول عمومی میتوان چند فریزر خانگی با شرایط متفاوت را آزمایش کرد.
در هر فریزر:
– جرم نمونه
– ابعاد
– دمای اولیه
– زمان انجماد
ثبت شود.
—
۳۱-۴۰ ـ آزمون صنعتی
در محیط صنعتی بهتر است شرایط واقعی تولید و استفاده شبیهسازی شود.
اگر محصول برای جعبه حمل طراحی شده، آزمایش باید داخل همان نوع جعبه انجام شود.
—
۳۱-۴۱ ـ نقش عایق
در یک سیستم سردکننده، عایق میتواند اهمیت بسیار زیادی داشته باشد.
اگر عایق ضعیف باشد، حتی ژلپک با ظرفیت سرمایشی بالا نیز سریعتر گرم میشود.
—
۳۱-۴۲ ـ طراحی همزمان ژلپک و جعبه
به جای اینکه ابتدا ژلپک تولید شود و بعد جعبه برای آن انتخاب شود، بهتر است هر دو با هم طراحی شوند.
این روش میتواند باعث کاهش:
– جرم ژلپک
– تعداد بستهها
– حجم بستهبندی
شود.
—
۳۱-۴۳ ـ نقش پیشسرد کردن محتویات
اگر محصول داخل جعبه از قبل سرد شده باشد، ژلپک وظیفه متفاوتی نسبت به زمانی دارد که محصول گرم وارد جعبه میشود.
در حالت دوم، بخش قابل توجهی از انرژی سرمایشی صرف کاهش دمای اولیه محصول خواهد شد.
—
۳۱-۴۴ ـ ظرفیت سرمایشی موردنیاز
ظرفیت موردنیاز را میتوان تقریبی با رابطه زیر برآورد کرد:
Q = m × Cp × ΔT
و سپس انرژی انتقالیافته از محیط و سایر اجزا نیز به آن اضافه شود.
—
۳۱-۴۵ ـ ضریب اطمینان
به دلیل تغییر شرایط واقعی، بهتر است در طراحی اولیه یک حاشیه اطمینان در نظر گرفته شود.
مقدار آن باید با توجه به عدمقطعیتهای سیستم تعیین شود.
—
۳۱-۴۶ ـ فرمولاسیون و فریزر باید با هم آزموده شوند
ممکن است فرمول A در یک فریزر عملکرد مطلوبی داشته باشد و در فریزر دیگر زمان انجماد بیشتری نیاز داشته باشد.
بنابراین مشخصات محصول بهتر است شرایط آزمون را نیز بیان کند.
—
۳۱-۴۷ ـ کنترل کیفیت محصول منجمد
پس از تولید، تعدادی نمونه باید تحت انجماد واقعی قرار گیرند.
موارد کنترل:
☐ تغییر شکل
☐ نشتی
☐ بازشدن دوخت
☐ تغییر حجم
☐ آباندازی
☐ دمای مرکز
—
۳۱-۴۸ ـ آزمون چرخهای
برای محصول چندبارمصرف میتوان چرخههای متوالی را بررسی کرد:
انجماد → ذوب → انجماد
بعد از چند چرخه، خواص بسته و ژل مقایسه شوند.
—
۳۱-۴۹ ـ چکلیست طراحی برای تولید
قبل از عرضه محصول باید مشخص باشد:
☐ فرمول نهایی مشخص است.
☐ مقدار آب و پلیآکریلات کنترل میشود.
☐ ابعاد بسته مشخص است.
☐ جرم بسته مشخص است.
☐ فیلم انتخاب شده است.
☐ کیفیت دوخت کنترل میشود.
☐ زمان انجماد در شرایط آزمون مشخص است.
☐ عملکرد حرارتی آزمایش شده است.
☐ دوام بسته بررسی شده است.
☐ دستور مصرف تدوین شده است.
—
۳۱-۵۰ ـ جمعبندی فصل
طراحی ژلپک برای فریزر خانگی یا صنعتی تنها به انتخاب فرمول آب و پلیآکریلات محدود نمیشود.
چهار عامل اصلی باید همزمان بررسی شوند:
۱. فرمولاسیون
۲. هندسه بسته
۳. شرایط انجماد
۴. شرایط استفاده
پلیآکریلات سدیم نقش مهمی در تشکیل ساختار ژلی دارد، اما افزایش مقدار آن الزاماً باعث افزایش ظرفیت سرمایشی نمیشود. در یک سیستم آبپایه، مقدار آب، وضعیت فازی آن و شرایط انتقال حرارت اهمیت اساسی دارند.
از طرف دیگر، یک بسته ضخیم و بزرگ ممکن است نسبت به بسته تخت و کوچک با جرم مساوی، زمان بیشتری برای انجماد کامل نیاز داشته باشد.
برای همین، طراحی عملی بهتر است با یک برنامه آزمایشی انجام شود:
انتخاب فرمول → تولید نمونه → اندازهگیری جرم و ابعاد → انجماد در شرایط واقعی → اندازهگیری دمای مرکز → آزمون ذوب → آزمون چرخهای → آزمون نشتی → محاسبه ظرفیت سرمایشی → بررسی هزینه
در محصول خانگی، قابلیت قرارگیری در فریزر و سهولت استفاده اهمیت زیادی دارد؛ در محصول صنعتی، علاوه بر این موارد، سرعت انجماد، دوام، تکرارپذیری و قابلیت تولید انبوه نیز باید کنترل شوند.
در نهایت، هدف از طراحی ژلپک نباید صرفاً رسیدن به «پایینترین دما» باشد. هدف اصلی، ایجاد ظرفیت سرمایشی کافی در بازه دمایی موردنیاز، با جرم، ابعاد، قیمت و دوام مناسب است.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
موضوع پیشنهادی فصل ۳۲
طراحی ژلپک انعطافپذیر و تخت برای بیشترین سطح تماس؛ بررسی هندسه کیسه، ضخامت ژل، نسبت طول به عرض، فاصله دوخت، انبساط هنگام انجماد، انتقال حرارت و تأثیر شکل بسته بر سرعت سرمایش
۰ دیدگاه