دانشنامه جامع کمپرس یخ32
فصل ۳۲
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
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
مقدمه
یکی از مهمترین عواملی که در طراحی ژلپک کمتر از فرمولاسیون مورد توجه قرار میگیرد، شکل و هندسه بسته است.
دو ژلپک ممکن است:
– وزن یکسان،
– فرمول یکسان،
– فیلم یکسان
داشته باشند، اما فقط به دلیل تفاوت در شکل و ضخامت، رفتار حرارتی متفاوتی نشان دهند.
دلیل اصلی این موضوع، انتقال حرارت است.
حرارت باید از محیط به داخل ژلپک منتقل شود یا در هنگام انجماد از داخل ژل خارج شود. هرچه فاصله نقاط داخلی تا سطح سرد بیشتر باشد، مسیر انتقال حرارت نیز بیشتر میشود.
از این رو، طراحی ژلپک تخت میتواند در برخی کاربردها باعث بهبود سرعت انجماد شود؛ البته تختبودن بیش از حد نیز میتواند مشکلات مکانیکی و تولیدی ایجاد کند.
—
۳۲-۱ ـ منظور از ژلپک تخت چیست؟
ژلپک تخت بستهای است که ضخامت آن نسبت به طول و عرض بسیار کمتر است.
برای مثال، بستهای با ابعاد:
۳۰ × ۲۰ × ۲ سانتیمتر
یک ساختار نسبتاً تخت محسوب میشود.
—
۳۲-۲ ـ چرا تختکردن بسته اهمیت دارد؟
در یک بسته تخت، فاصله مرکز تا سطح کاهش مییابد.
این موضوع میتواند انتقال حرارت را تسهیل کند.
در نتیجه، در شرایط مشابه، بسته تخت ممکن است سریعتر از یک بسته ضخیم به دمای موردنظر نزدیک شود.
—
۳۲-۳ ـ رابطه سطح تماس و انتقال حرارت
به طور ساده:
سطح تماس بیشتر → امکان انتقال حرارت بیشتر
اما این رابطه به تنهایی کافی نیست.
ضریب انتقال حرارت، اختلاف دما، ضخامت، جنس فیلم و خواص ژل نیز مهم هستند.
—
۳۲-۴ ـ سطح تماس در فریزر
وقتی ژلپک داخل فریزر قرار میگیرد، سطح خارجی بسته با هوای سرد یا سطح سرد تماس دارد.
بنابراین افزایش سطح تماس میتواند برای انتقال حرارت مفید باشد.
—
۳۲-۵ ـ سطح تماس هنگام استفاده
در زمان استفاده نیز شکل بسته اهمیت دارد.
یک بسته تخت میتواند سطح بیشتری از یک قطعه یا دیواره را پوشش دهد.
در برخی کاربردهای صنعتی این ویژگی بسیار مهم است.
—
۳۲-۶ ـ بسته ضخیم
در بسته ضخیم، فاصله مرکز تا سطح بیشتر است.
بنابراین اگر جرم کل ثابت باشد، ممکن است مرکز بسته دیرتر سرد یا گرم شود.
—
۳۲-۷ ـ مثال ساده
دو بسته هر دو حاوی ۱۰۰۰ گرم ژل هستند.
بسته A:
۴۰ × ۲۰ × ۱٫۵ سانتیمتر
بسته B:
۲۰ × ۱۰ × ۳ سانتیمتر
حتی اگر حجم و جرم تقریباً مشابه باشد، توزیع ماده و مسیر انتقال حرارت یکسان نیست.
—
۳۲-۸ ـ اهمیت حجم واقعی
قبل از طراحی، حجم موردنیاز مشخص شود.
اگر چگالی متوسط ژل تقریباً معلوم باشد:
V = m / ρ
که در آن:
V = حجم
m = جرم
ρ = چگالی
است.
—
۳۲-۹ ـ چگالی ژلپک
چگالی ژلپک تابعی از:
– مقدار آب
– مقدار پلیمر
– آب آزاد
– حباب هوا
است.
بنابراین بهتر است چگالی محصول واقعی اندازهگیری شود.
—
۳۲-۱۰ ـ محاسبه حجم
اگر جرم ژلپک:
۱۰۰۰ گرم
و چگالی:
۱ گرم بر سانتیمتر مکعب
باشد:
V ≈ ۱۰۰۰ cm³
این مثال ساده برای توضیح روش محاسبه است.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۳۲-۱۱ ـ نسبت طول به عرض
نسبت طول به عرض روی چیدمان و سطح تماس اثر میگذارد.
مثلاً:
۲:۱
با:
۴:۱
از نظر هندسی یکسان نیستند.
—
۳۲-۱۲ ـ بسته بسیار کشیده
بسته بسیار کشیده ممکن است برای بعضی سطوح مناسب باشد.
اما میتواند:
– پیچیدن
– حمل
– بستهبندی ثانویه
را دشوار کند.
—
۳۲-۱۳ ـ بسته تقریباً مربعی
بسته مربعی یا نزدیک به مربع معمولاً برای استفاده عمومی چیدمان سادهتری دارد.
اما در برخی کاربردها بسته مستطیلی بهتر است.
—
۳۲-۱۴ ـ طراحی بر اساس کاربرد
اگر ژلپک قرار است:
– داخل جعبه
– دور یک قطعه
– زیر یک محصول
– روی یک سطح
قرار گیرد، هندسه باید بر اساس همان کاربرد طراحی شود.
—
۳۲-۱۵ ـ سطح مؤثر
تمام سطح بسته الزاماً به یک اندازه در انتقال حرارت مؤثر نیست.
اگر یک طرف بسته در تماس با عایق باشد، انتقال حرارت آن سمت محدودتر میشود.
بنابراین باید سطح مؤثر واقعی را در نظر گرفت.
—
۳۲-۱۶ ـ نقش عایق
اگر هدف حفظ سرما است، میتوان یک طرف یا اطراف بسته را عایق کرد تا انتقال حرارت از جهت ناخواسته کاهش یابد.
—
۳۲-۱۷ ـ ژلپک در جعبه
در جعبه عایق، بسته تخت میتواند در:
– کف
– سقف
– دیوارهها
قرار گیرد.
تعداد و محل قرارگیری باید با آزمون حرارتی تعیین شود.
—
۳۲-۱۸ ـ یک بسته بزرگ
یک بسته بزرگ میتواند از نظر تعداد واحدها اقتصادی باشد.
ولی ممکن است:
– جابهجایی سختتر
– انجماد طولانیتر
– توزیع سرمایش نامتوازن
داشته باشد.
—
۳۲-۱۹ ـ چند بسته کوچک
چند بسته کوچک امکان میدهند سطح تماس در نقاط مختلف افزایش یابد.
همچنین میتوان تعداد بستهها را براساس نیاز تغییر داد.
—
۳۲-۲۰ ـ مقایسه اقتصادی
چند بسته کوچک معمولاً به:
– فیلم بیشتر
– دوخت بیشتر
– عملیات تولید بیشتر
نیاز دارند.
بنابراین افزایش سطح تماس باید با هزینه نیز مقایسه شود.
—
۳۲-۲۱ ـ ضخامت ایدهآل وجود ندارد
هیچ ضخامت واحدی برای همه ژلپکها بهترین نیست.
ضخامت مناسب به:
– جرم
– دمای هدف
– سرعت انجماد
– فضای موجود
– مقاومت مکانیکی
وابسته است.
—
۳۲-۲۲ ـ ضخامت کم
مزایای احتمالی:
– انتقال حرارت سریعتر
– انجماد سریعتر
– انعطاف بیشتر
معایب احتمالی:
– سطح دوخت زیاد نسبت به حجم
– احتمال آسیب مکانیکی
– نیاز به کنترل بهتر فرآیند تولید
—
۳۲-۲۳ ـ ضخامت زیاد
مزایای احتمالی:
– حجم بیشتر در هر بسته
– فیلم کمتر به ازای جرم مشخص
– تعداد بسته کمتر
معایب احتمالی:
– انجماد کندتر
– انعطاف کمتر
– فاصله بیشتر مرکز تا سطح
—
۳۲-۲۴ ـ طراحی دوخت
دوخت فقط برای آببندی نیست.
فاصله دوخت از لبه میتواند:
– ابعاد مفید
– حجم قابل پرشدن
– استحکام بسته
را تغییر دهد.
—
۳۲-۲۵ ـ عرض دوخت
عرض دوخت باید با:
– نوع فیلم
– ضخامت فیلم
– تجهیزات دوخت
– فشار داخلی
هماهنگ باشد.
—
۳۲-۲۶ ـ فاصله ژل از دوخت
اگر ژل تا داخل ناحیه دوخت برسد، احتمال آلودگی محل دوخت افزایش مییابد.
این مسئله میتواند استحکام آببندی را کاهش دهد.
—
۳۲-۲۷ ـ Headspace در بسته تخت
حتی بسته تخت نیز به فضای مناسب برای تغییر حجم نیاز دارد.
نباید فقط به شکل ظاهری تخت توجه کرد.
—
۳۲-۲۸ ـ انبساط در انجماد
آب هنگام تبدیل به یخ منبسط میشود.
بنابراین بستهای که در حالت مایع کاملاً پر به نظر میرسد، ممکن است پس از انجماد فشار داخلی بیشتری ایجاد کند.
—
۳۲-۲۹ ـ شکل بسته پس از انجماد
ممکن است بسته تخت پس از انجماد:
– برآمده شود؛
– گوشههای آن تغییر شکل دهند؛
– ضخامت آن افزایش یابد.
بنابراین هندسه باید در حالت منجمد نیز بررسی شود.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۳۲-۳۰ ـ آزمون ضخامت
برای سه ضخامت متفاوت نمونه بسازید.
مثلاً:
۱ سانتیمتر
۲ سانتیمتر
۳ سانتیمتر
سپس جرم و فرمول را تا حد امکان یکسان نگه دارید و زمان انجماد را مقایسه کنید.
—
۳۲-۳۱ ـ اندازهگیری دمای مرکز
در هر نمونه یک سنسور در نقطه مرکزی قرار دهید.
سپس دما برحسب زمان ثبت شود.
—
۳۲-۳۲ ـ رسم منحنی
برای هر ضخامت یک منحنی:
دما ـ زمان
ترسیم کنید.
این روش بسیار بهتر از مقایسه صرفاً زمان شروع یخزدگی است.
—
۳۲-۳۳ ـ معیار مقایسه
میتوان زمان رسیدن مرکز به دمای مشخص را به عنوان یکی از شاخصها تعریف کرد.
مثلاً:
زمان رسیدن مرکز به ۵- درجه سانتیگراد
این فقط یک مثال است و دمای هدف باید براساس کاربرد تعیین شود.
—
۳۲-۳۴ ـ زمان ذوب
همین آزمون باید هنگام خارجکردن نمونه از فریزر نیز انجام شود.
ثبت کنید:
مرکز نمونه چه مدت در محدوده دمای هدف باقی میماند؟
—
۳۲-۳۵ ـ اهمیت ظرفیت حرارتی
بسته تخت ممکن است سریعتر سرد شود.
اما این موضوع لزوماً به معنی ظرفیت سرمایشی بیشتر نیست.
برای ظرفیت سرمایشی، جرم آب و تغییرات فازی نیز اهمیت دارند.
—
۳۲-۳۶ ـ سرعت سرمایش در برابر مدت سرمایش
دو شاخص متفاوت هستند:
سرعت رسیدن به دمای پایین
و
مدت زمان حفظ سرمایش
یک محصول ممکن است در اولی عملکرد خوبی داشته باشد و در دومی متوسط باشد.
—
۳۲-۳۷ ـ طراحی برای سرمایش سریع
اگر هدف رساندن سریع یک قطعه به دمای پایین باشد، سطح تماس و ضخامت کم اهمیت بیشتری پیدا میکنند.
—
۳۲-۳۸ ـ طراحی برای سرمایش طولانی
اگر هدف حفظ دمای پایین برای مدت طولانی باشد، جرم کل ماده سردکننده و عایق اهمیت بیشتری پیدا میکنند.
—
۳۲-۳۹ ـ ترکیب چند ضخامت
در یک سیستم میتوان بستههایی با ضخامتهای مختلف داشت.
مثلاً:
– بستههای نازک برای تماس مستقیم
– بستههای ضخیمتر برای ذخیره انرژی
این موضوع میتواند در طراحی جعبههای سردکننده بررسی شود.
—
۳۲-۴۰ ـ طراحی چندلایه
در برخی کاربردها میتوان چند بسته تخت را در کنار یکدیگر قرار داد.
هدف افزایش سطح تماس و توزیع سرمایش است.
اما فاصله بین بستهها باید به گونهای باشد که انتقال حرارت مطلوب باقی بماند.
—
۳۲-۴۱ ـ خطر حبس هوا
اگر بین بستهها فضای زیادی باقی بماند، ممکن است انتقال حرارت مطلوب نباشد.
بنابراین چیدمان باید بررسی شود.
—
۳۲-۴۲ ـ بسته کاملاً چسبیده به محصول
تماس مستقیم میتواند انتقال حرارت را افزایش دهد.
اما ممکن است باعث:
– سرمایش بیش از حد موضعی
– تشکیل قطرات آب روی سطح
– آسیب احتمالی به برخی تجهیزات حساس
شود.
بنابراین فاصله یا لایه جداکننده در بعضی کاربردها مفید است.
—
۳۲-۴۳ ـ نقش لایه جداکننده
یک لایه نازک بین ژلپک و سطح میتواند:
– تماس مستقیم را کاهش دهد؛
– رطوبت سطحی را مدیریت کند؛
– توزیع حرارت را تغییر دهد.
انتخاب آن باید براساس کاربرد باشد.
—
۳۲-۴۴ ـ طراحی بسته برای تولید سریع
در تولید انبوه، شکل بسته باید با دستگاه پرکن و دوخت سازگار باشد.
طرحی که از نظر حرارتی عالی ولی از نظر تولید بسیار دشوار باشد، ممکن است اقتصادی نباشد.
—
۳۲-۴۵ ـ کنترل ابعاد
برای هر بچ باید حداقل این موارد کنترل شوند:
– طول
– عرض
– ضخامت
– جرم
تغییر شدید این پارامترها میتواند عملکرد حرارتی را تغییر دهد.
—
۳۲-۴۶ ـ تلرانس ابعادی
اگر طراحی محصول بر اساس ضخامت مشخصی انجام شده باشد، تولید بستههایی با ضخامت بسیار متفاوت میتواند باعث تغییر زمان انجماد شود.
بنابراین تلرانس تولید باید تعیین شود.
—
۳۲-۴۷ ـ آزمون سقوط بسته تخت
بسته تخت باید از نظر:
– پارگی گوشه
– شکست دوخت
– سوراخشدن
– نشتی
آزمایش شود.
گوشهها معمولاً نقاطی هستند که باید در طراحی مکانیکی مورد توجه قرار گیرند.
—
۳۲-۴۸ ـ چکلیست طراحی هندسی
☐ جرم مشخص است.
☐ حجم مشخص است.
☐ طول و عرض مشخص است.
☐ ضخامت مشخص است.
☐ سطح تماس محاسبه شده است.
☐ فضای خالی مناسب در نظر گرفته شده است.
☐ تغییر حجم هنگام انجماد بررسی شده است.
☐ دوخت آزمایش شده است.
☐ زمان انجماد اندازهگیری شده است.
☐ زمان ذوب اندازهگیری شده است.
—
۳۲-۴۹ ـ فرمول + هندسه
یکی از مهمترین اصول طراحی ژلپک این است که:
فرمولاسیون و هندسه را نمیتوان کاملاً جدا از یکدیگر طراحی کرد.
یک فرمول واحد در دو بسته با ضخامتهای متفاوت، رفتار حرارتی متفاوتی خواهد داشت.
—
۳۲-۵۰ ـ جمعبندی فصل
ژلپک تخت میتواند در بسیاری از کاربردها گزینهای مناسب برای افزایش سطح تماس و کاهش فاصله انتقال حرارت باشد.
مهمترین عوامل هندسی عبارتاند از:
طول + عرض + ضخامت + جرم + حجم + سطح تماس + فاصله دوخت + فضای خالی
کاهش ضخامت میتواند مسیر انتقال حرارت را کوتاهتر کند و در برخی شرایط سرعت انجماد را افزایش دهد؛ اما بسته بسیار نازک ممکن است از نظر مقاومت مکانیکی، آببندی و تولید صنعتی مشکلاتی ایجاد کند.
از طرف دیگر، بسته ضخیم میتواند مقدار بیشتری ماده سردکننده را در یک واحد جای دهد، ولی ممکن است مرکز آن دیرتر منجمد شود.
بنابراین برای توسعه یک محصول عملی، بهتر است حداقل سه هندسه مختلف با جرم و فرمول مشابه تولید شود و سپس:
زمان انجماد + دمای مرکز + زمان ذوب + ظرفیت سرمایشی + دوام بسته + هزینه تولید
مقایسه شود.
در نهایت، شکل مطلوب ژلپک شکلی نیست که صرفاً بیشترین سطح تماس را ایجاد کند؛ بلکه باید میان انتقال حرارت، ظرفیت سرمایشی، مقاومت مکانیکی، قابلیت تولید، هزینه و فضای موردنیاز تعادل ایجاد کند.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
موضوع پیشنهادی فصل ۳۳
تأثیر نوع فیلم و ضخامت بسته بر سرعت انجماد و ذوب ژلپک؛ مقایسه فیلمهای تکلایه و چندلایه، مقاومت در دمای پایین، انتقال حرارت، استحکام دوخت، سوراخشدن و انتخاب فیلم اقتصادی برای تولید انبوه
۰ دیدگاه