دانشنامه جامع کمپرس یخ34
فصل ۳۴
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
طراحی ژلپک برای ماندگاری بیشتر سرما؛ بررسی جرم ژل، ظرفیت گرمایی، گرمای نهان انجماد، عایقکاری، دمای شروع، تعداد ژلپک، چیدمان در جعبه و روش افزایش مدت زمان حفظ دمای پایین
مقدمه
در بسیاری از پروژههای تولید ژلپک، یک سؤال اساسی وجود دارد:
چگونه میتوان کاری کرد که ژلپک برای مدت طولانیتری سرد بماند؟
پاسخ این سؤال فقط افزایش مقدار پلیمر یا افزایش وزن بسته نیست. ماندگاری سرمایش حاصل تعامل چند عامل است:
– مقدار ماده سردکننده؛
– مقدار آب موجود در آن؛
– وضعیت انجماد؛
– دمای اولیه؛
– ظرفیت حرارتی؛
– گرمای نهان در صورت وجود فاز یخ؛
– سطح تماس؛
– ضخامت بسته؛
– جنس بسته؛
– عایق جعبه؛
– دمای محیط؛
– تعداد دفعات بازشدن جعبه؛
– و نحوه چیدمان بستهها.
در واقع باید میان دو مفهوم تفاوت گذاشت:
سرمایش سریع
و
حفظ سرما برای مدت طولانی.
گاهی طراحیای که بسیار سریع سرد میکند، لزوماً طولانیترین زمان سرمایش را فراهم نمیکند.
—
۳۴-۱ ـ تعریف ماندگاری سرمایش
ماندگاری سرمایش را میتوان به صورت مدت زمانی تعریف کرد که دمای محصول یا فضای موردنظر در یک محدوده مشخص باقی میماند.
مثلاً:
«مدت زمانی که دمای داخل جعبه کمتر از ۸ درجه سانتیگراد باقی میماند.»
دمای هدف باید براساس کاربرد تعیین شود.
—
۳۴-۲ ـ ظرفیت سرمایشی چیست؟
ظرفیت سرمایشی مقدار انرژی گرمایی است که ماده سردکننده میتواند از محیط یا محصول دریافت کند.
برای بخش محسوس میتوان از رابطه زیر استفاده کرد:
Q = m × Cp × ΔT
که در آن:
Q = انرژی گرمایی
m = جرم
Cp = ظرفیت گرمایی ویژه
ΔT = تغییر دما
است.
—
۳۴-۳ ـ گرمای نهان یخ
اگر آب داخل بسته به یخ تبدیل شود، بخش مهمی از انرژی در فرآیند تغییر فاز جذب میشود.
برای آب خالص، گرمای نهان ذوب یخ حدود:
۳۳۴ kJ/kg
است.
این مقدار یک مقدار مرجع فیزیکی برای آب است؛ فرمولاسیون ژلی واقعی ممکن است رفتار متفاوتی داشته باشد.
—
۳۴-۴ ـ چرا آب مهم است؟
در ژلپکهای مبتنی بر پلیآکریلات، بخش عمده جرم ممکن است آب باشد.
پلیمر عمدتاً نقش نگهداری و ژلکردن آب را دارد.
بنابراین افزایش پلیمر بدون توجه به مقدار آب الزاماً ظرفیت سرمایشی را متناسب با هزینه افزایش نمیدهد.
—
۳۴-۵ ـ نقش پلیآکریلات
پلیآکریلات سدیم میتواند مقدار زیادی آب را در ساختار ژل نگه دارد.
اما میزان جذب آن به عواملی مانند:
– کیفیت آب؛
– یونها و نمکها؛
– نوع پلیمر؛
– اندازه ذرات؛
– شبکه اتصال عرضی
وابسته است.
—
۳۴-۶ ـ پلیمر بیشتر یا آب بیشتر؟
این یکی از پرسشهای مهم اقتصادی است.
اگر هدف اصلی ذخیره انرژی سرمایشی باشد، افزایش آب موجود میتواند اهمیت زیادی داشته باشد.
اما آب بیش از ظرفیت نگهداری پلیمر میتواند باعث:
– آب آزاد؛
– جدایش؛
– کاهش پایداری؛
– مشکلات پرکردن
شود.
—
۳۴-۷ ـ آب آزاد
آب آزاد به آبی گفته میشود که به اندازه کافی در ساختار ژل نگهداری نشده باشد.
وجود مقدار زیاد آب آزاد میتواند خواص محصول را تغییر دهد.
—
۳۴-۸ ـ ماندگاری سرما و آب آزاد
آب آزاد الزاماً به معنی محصول بهتر نیست.
ممکن است:
– هنگام حمل جابهجا شود؛
– فشار موضعی ایجاد کند؛
– آببندی را دشوار کند؛
– یا در انجماد رفتار متفاوتی داشته باشد.
—
۳۴-۹ ـ نقش جرم
در شرایط مشابه، افزایش جرم ماده سردکننده معمولاً ظرفیت کل سرمایشی را افزایش میدهد.
اما افزایش جرم بدون توجه به حجم جعبه و انتقال حرارت میتواند باعث افزایش زمان انجماد نیز شود.
—
۳۴-۱۰ ـ یک اصل مهم
افزایش ظرفیت سرمایشی و افزایش سرعت سرمایش دو هدف متفاوت هستند.
برای ظرفیت بیشتر ممکن است جرم بیشتری لازم باشد.
برای سرمایش سریعتر، کاهش ضخامت و افزایش سطح تماس میتواند مؤثر باشد.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۳۴-۱۱ ـ دمای شروع ژلپک
ژلپک باید پیش از استفاده تا حد امکان به دمای طراحی برسد.
ژلپکی که از فریزر خارج شده اما مرکز آن هنوز به دمای موردنظر نرسیده، ظرفیت واقعی طراحیشده را در زمان استفاده ارائه نمیکند.
—
۳۴-۱۲ ـ دمای سطح و مرکز
ممکن است سطح بسته بسیار سرد باشد اما مرکز آن گرمتر باشد.
بنابراین اندازهگیری دمای سطح به تنهایی کافی نیست.
—
۳۴-۱۳ ـ اهمیت سنسور مرکزی
برای آزمون دقیقتر، یک سنسور در مرکز هندسی ژلپک قرار داده میشود.
این کار امکان ثبت دمای واقعی بخش داخلی را فراهم میکند.
—
۳۴-۱۴ ـ ضخامت ژل
اگر جرم ثابت باشد، کاهش ضخامت و افزایش سطح میتواند فاصله انتقال حرارت را کاهش دهد.
این موضوع در فصل قبل بررسی شد.
—
۳۴-۱۵ ـ ضخامت زیاد و ماندگاری
بسته ضخیم ممکن است دیرتر منجمد شود اما مقدار زیادی ماده سردکننده را در یک واحد نگهداری کند.
پس نباید صرفاً براساس ضخامت درباره عملکرد تصمیم گرفت.
—
۳۴-۱۶ ـ تعداد ژلپکها
به جای یک بسته بسیار بزرگ میتوان از چند بسته کوچکتر استفاده کرد.
مزایا:
– توزیع بهتر سرمایش؛
– سطح تماس بیشتر؛
– انعطاف در چیدمان؛
– امکان جایگزینی یک بسته آسیبدیده.
معایب:
– فیلم بیشتر؛
– دوخت بیشتر؛
– هزینه تولید بیشتر.
—
۳۴-۱۷ ـ یک بسته بزرگ یا چند بسته کوچک؟
فرض کنید مجموع جرم سردکننده:
۴ کیلوگرم
باشد.
میتوان آن را به:
– یک بسته ۴ کیلوگرمی؛
– دو بسته ۲ کیلوگرمی؛
– چهار بسته ۱ کیلوگرمی؛
– هشت بسته ۵۰۰ گرمی
تقسیم کرد.
ظرفیت انرژی کل ممکن است مشابه باشد، اما رفتار انتقال حرارت متفاوت خواهد بود.
—
۳۴-۱۸ ـ چیدمان در جعبه
چیدمان مناسب میتواند از خود ژلپک مهمتر باشد.
برای مثال، اگر تمام بستهها فقط در کف جعبه قرار گیرند، قسمت بالایی ممکن است گرمتر بماند.
—
۳۴-۱۹ ـ چیدمان اطراف محصول
قرار دادن بستهها در:
– بالا؛
– پایین؛
– طرفین
میتواند توزیع دما را بهتر کند.
البته تعداد و محل مناسب باید با آزمون دمایی تعیین شود.
—
۳۴-۲۰ ـ ژلپک روی محصول
قرار دادن یک بسته سرد روی محصول میتواند در بعضی شرایط انتقال حرارت خوبی ایجاد کند.
اما باید خطر:
– فشار؛
– رطوبت؛
– سرمایش موضعی بیش از حد
بررسی شود.
—
۳۴-۲۱ ـ ژلپک زیر محصول
قرارگیری در کف جعبه نیز میتواند مفید باشد، ولی باید اثر وزن محصول و فاصله حرارتی بررسی شود.
—
۳۴-۲۲ ـ ژلپکهای جانبی
بستههای جانبی میتوانند فاصله محصول تا دیوارههای جعبه را کاهش دهند و مسیر انتقال حرارت را کنترل کنند.
—
۳۴-۲۳ ـ نقش عایق
ژلپک انرژی سرمایشی دارد، اما عایق تعیین میکند این انرژی با چه سرعتی از سیستم خارج شود.
بنابراین:
ژلپک خوب + جعبه ضعیف
ممکن است عملکرد ضعیفی داشته باشد.
—
۳۴-۲۴ ـ عایق ضخیمتر
افزایش ضخامت عایق معمولاً مقاومت حرارتی جعبه را افزایش میدهد.
اما هزینه، حجم و وزن بستهبندی نیز بیشتر میشود.
—
۳۴-۲۵ ـ پل حرارتی
قسمتهایی مانند:
– درزها؛
– درِ جعبه؛
– محل عبور کابل یا سنسور؛
– اتصالات
ممکن است مسیرهای انتقال حرارت ایجاد کنند.
—
۳۴-۲۶ ـ درِ جعبه
در بسیاری از جعبهها، درز درب یکی از نقاط مهم ورود گرما است.
بنابراین عایق فقط نباید روی دیوارهها متمرکز شود.
—
۳۴-۲۷ ـ بازشدن مکرر
هر بار بازشدن جعبه میتواند هوای گرم وارد سیستم کند.
بنابراین مدت ماندگاری در جعبهای که مرتب باز میشود با جعبه بسته متفاوت خواهد بود.
—
۳۴-۲۸ ـ دمای محیط
اگر دمای محیط افزایش یابد، اختلاف دمای میان محیط و داخل جعبه بیشتر میشود.
در نتیجه ورود گرما میتواند افزایش یابد.
—
۳۴-۲۹ ـ تابش خورشید
قرارگرفتن جعبه در معرض تابش مستقیم خورشید میتواند بار حرارتی را افزایش دهد.
در کاربردهای فضای باز، سایه و پوشش بیرونی مناسب اهمیت دارند.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۳۴-۳۰ ـ محاسبه ساده بار حرارتی
فرض کنیم جعبه در یک بازه زمانی به طور متوسط:
Q̇ = 10 W
گرما دریافت کند.
در ۱۰ ساعت:
Q = 10 × 3600 × 10
بنابراین:
Q = 360,000 J
یا:
360 kJ
انرژی سرمایشی موردنیاز برای جبران این بار حدود ۳۶۰ کیلوژول خواهد بود.
این فقط یک مثال محاسباتی است.
—
۳۴-۳۱ ـ اهمیت ضریب اطمینان
در طراحی واقعی بهتر است مقداری حاشیه اطمینان در نظر گرفته شود.
برای مثال اگر بار محاسبهشده ۳۶۰ کیلوژول باشد، طراحی دقیقاً روی همین عدد انجام نشود.
مقدار حاشیه باید براساس عدم قطعیتهای واقعی تعیین شود.
—
۳۴-۳۲ ـ جرم موردنیاز
اگر ظرفیت سرمایشی مؤثر هر کیلوگرم ماده مثلاً:
E kJ/kg
باشد:
m = Q / E
جرم موردنیاز به دست میآید.
اما E باید با آزمون واقعی محصول تعیین شود.
—
۳۴-۳۳ ـ تفاوت ظرفیت نظری و واقعی
محاسبات نظری برای طراحی اولیه بسیار مفید هستند.
اما ظرفیت واقعی ممکن است تحت تأثیر:
– ترکیب ژل؛
– دمای شروع؛
– سرعت انتقال حرارت؛
– مقدار یخ؛
– نمکها؛
– عایق
قرار گیرد.
—
۳۴-۳۴ ـ ژلپک کاملاً منجمد
برای حداکثر استفاده از ظرفیت سرمایشی، باید مشخص شود که منظور از «کاملاً منجمد» چیست.
گاهی سطح کاملاً جامد است ولی بخش مرکزی هنوز کاملاً منجمد نشده است.
—
۳۴-۳۵ ـ مدت انجماد
زمان لازم برای انجماد به:
– دمای فریزر؛
– ضخامت بسته؛
– جرم؛
– سطح تماس؛
– جریان هوا؛
– نوع فرمولاسیون
وابسته است.
—
۳۴-۳۶ ـ فریزر پر
اگر فریزر بیش از ظرفیت مناسب پر شود، گردش هوا کاهش مییابد.
در نتیجه زمان انجماد ژلپک میتواند افزایش پیدا کند.
—
۳۴-۳۷ ـ فاصله بین بستهها
چسباندن تعداد زیادی بسته به یکدیگر ممکن است گردش هوای سرد را کاهش دهد.
در آزمون صنعتی باید نحوه واقعی قرارگیری بستهها شبیهسازی شود.
—
۳۴-۳۸ ـ پیشسردکردن محصول
اگر محصول قبل از قرارگیری در جعبه گرم باشد، بخش قابل توجهی از ظرفیت ژلپک صرف کاهش دمای خود محصول میشود.
بنابراین پیشسردکردن میتواند بار سرمایشی را کاهش دهد.
—
۳۴-۳۹ ـ محاسبه بار محصول
برای محصولی با جرم m و ظرفیت گرمایی ویژه Cp:
Q = mCp(Tinitial − Ttarget)
این انرژی باید از سیستم گرفته شود.
بنابراین طراحی فقط براساس حجم جعبه کافی نیست.
—
۳۴-۴۰ ـ مثال بار محصول
اگر ۵ کیلوگرم محصول با ظرفیت گرمایی تقریبی ۳ kJ/kg.K از ۲۰ به ۸ درجه برسد:
Q = 5 × 3 × 12
پس:
Q = 180 kJ
این مقدار فقط بار سرمایشی محصول است و بار جعبه و محیط جداگانه محاسبه میشود.
—
۳۴-۴۱ ـ اهمیت مجموع بارها
بار کل تقریباً شامل موارد زیر است:
بار محصول + بار جعبه + نفوذ گرما + بازشدن درب + سایر منابع حرارتی
است.
—
۳۴-۴۲ ـ طراحی چندمرحلهای
یک روش مناسب طراحی این است:
مرحله اول
محاسبه بار حرارتی.
مرحله دوم
تعیین ظرفیت موردنیاز.
مرحله سوم
انتخاب جرم ژلپک.
مرحله چهارم
انتخاب ابعاد و ضخامت.
مرحله پنجم
انتخاب عایق.
مرحله ششم
آزمون واقعی.
—
۳۴-۴۳ ـ آزمون در شرایط واقعی
بهتر است نمونه نهایی در شرایط واقعی استفاده آزمایش شود.
برای مثال اگر محصول برای حمل در تابستان طراحی شده، آزمایش در دمای محیط پایین آزمایشگاهی به تنهایی کافی نیست.
—
۳۴-۴۴ ـ ثبت دما
حداقل چند سنسور در نقاط مختلف جعبه قرار دهید:
– مرکز؛
– نزدیک درب؛
– گوشه؛
– کنار ژلپک؛
– دورترین نقطه از ژلپک.
این کار نقاط گرم و سرد را مشخص میکند.
—
۳۴-۴۵ ـ نقشه دمایی
با اندازهگیری چند نقطه میتوان یک نقشه ساده دمایی تهیه کرد.
اگر گوشهای مرتباً گرمتر باشد، میتوان:
– محل ژلپک؛
– ضخامت عایق؛
– یا هندسه جعبه
را اصلاح کرد.
—
۳۴-۴۶ ـ طراحی اقتصادی
برای افزایش ماندگاری سرما سه راهکار اصلی وجود دارد:
۱. افزایش ظرفیت سرمایشی
۲. کاهش ورود گرما
۳. ترکیب هر دو
در بسیاری از کاربردها، افزایش بیرویه تعداد ژلپکها ممکن است از نظر هزینه منطقی نباشد و بهبود عایق یا کاهش پل حرارتی اثر بیشتری داشته باشد.
—
۳۴-۴۷ ـ مقایسه چهار طراحی
طراحی| جرم ژل| عایق| ضخامت ژل| هدف
A| کم| کم| کم| اقتصادی
B| متوسط| متوسط| متوسط| متعادل
C| زیاد| متوسط| متوسط| ظرفیت بیشتر
D| متوسط| زیاد| کم| حفظ سرما
این جدول برای طراحی آزمایش است، نه رتبهبندی محصولات.
—
۳۴-۴۸ ـ اشتباهات رایج
چند اشتباه مهم عبارتاند از:
– افزایش پلیمر بدون محاسبه ظرفیت؛
– استفاده از ژلپک بیشتر بدون بهبود عایق؛
– اندازهگیری فقط دمای سطح؛
– آزمایش در شرایط غیرواقعی؛
– نادیدهگرفتن دمای اولیه محصول؛
– بیتوجهی به درز جعبه؛
– مقایسه بستهها با جرم متفاوت.
—
۳۴-۴۹ ـ فرمول پیشنهادی برای طراحی اولیه
برای یک طراحی اولیه میتوان نوشت:
Qtotal = Qproduct + Qbox + Qenvironment + Qother
سپس:
Capacity_required ≥ Qtotal × Safety Factor
در مرحله بعد، ظرفیت واقعی ژلپک از آزمون تعیین و با مقدار محاسباتی مقایسه میشود.
—
۳۴-۵۰ ـ جمعبندی فصل
برای افزایش ماندگاری سرمایش ژلپک، یک عامل منفرد تعیینکننده نیست.
مهمترین عوامل عبارتاند از:
جرم ماده سردکننده، مقدار آب، وضعیت انجماد، دمای شروع، هندسه بسته، ضخامت ژل، سطح تماس، تعداد بستهها، عایق، دمای محیط و نحوه چیدمان.
اگر هدف سرمایش سریع باشد، کاهش ضخامت و افزایش سطح تماس اهمیت زیادی دارد.
اگر هدف حفظ سرما برای مدت طولانی باشد، علاوه بر ظرفیت سرمایشی، کاهش ورود گرما از طریق عایقکاری و کنترل درزها اهمیت بسیار زیادی پیدا میکند.
یک طراحی مناسب باید ابتدا بار حرارتی را مشخص کند:
بار محصول + بار جعبه + ورود گرما
سپس ظرفیت موردنیاز ژلپک تعیین شود.
در نهایت نیز نتیجه محاسبات باید با آزمون واقعی تأیید شود.
بهترین روش توسعه صنعتی این است که چند نمونه با جرم، هندسه و عایق متفاوت ساخته شوند و با ثبت دمای چند نقطه در طول زمان مقایسه شوند.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
موضوع پیشنهادی فصل ۳۵
تأثیر اندازه و ضخامت ژلپک بر زمان انجماد؛ بررسی رابطه جرم، سطح تماس، ضخامت، دمای فریزر، گردش هوا و روش تعیین زمان واقعی لازم برای انجماد کامل ژلپک