دانشنامه جامع کمپرس یخ35
فصل ۳۵
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
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
مقدمه
زمان انجماد یکی از مهمترین مشخصات فنی ژلپک است. ممکن است یک تولیدکننده محصولی با ظرفیت سرمایشی مناسب تولید کند، اما اگر بسته برای رسیدن به وضعیت مناسب انجماد به زمان بسیار زیادی نیاز داشته باشد، استفاده عملی از آن دشوار خواهد شد.
از طرف دیگر، سریع منجمدشدن الزاماً به معنی ظرفیت سرمایشی بیشتر نیست.
برای مثال، یک ژلپک نازک ممکن است بسیار سریعتر از یک بسته ضخیم به دمای پایین برسد، اما اگر جرم آن کمتر باشد، انرژی سرمایشی ذخیرهشده نیز کمتر خواهد بود.
بنابراین طراحی صحیح باید میان دو مفهوم تعادل برقرار کند:
سرعت انجماد
و
ظرفیت سرمایشی.
در این فصل اثر جرم، ضخامت، سطح تماس، شکل هندسی، دمای فریزر، گردش هوا، فاصله بین بستهها و روش تعیین پایان واقعی انجماد بررسی میشود.
—
۳۵-۱ ـ زمان انجماد چیست؟
زمان انجماد مدت زمانی است که ژلپک برای رسیدن به وضعیت حرارتی تعریفشده در فریزر نیاز دارد.
این تعریف باید دقیق باشد.
مثلاً میتوان معیار را:
رسیدن مرکز بسته به دمای مشخص
قرار داد.
—
۳۵-۲ ـ انجماد کامل با سردشدن سطح متفاوت است
ممکن است سطح ژلپک یخزده به نظر برسد، اما مرکز هنوز دمای بالاتری داشته باشد.
بنابراین مشاهده ظاهری برای تعیین زمان انجماد کامل کافی نیست.
—
۳۵-۳ ـ دمای مرکز
در بستههای ضخیم، مرکز معمولاً یکی از آخرین نقاطی است که به دمای پایین میرسد.
به همین دلیل اندازهگیری دمای مرکز اهمیت زیادی دارد.
—
۳۵-۴ ـ سنسور دما
برای آزمایش دقیقتر میتوان از یک دیتالاگر یا دماسنج ثبتکننده استفاده کرد.
سنسور در مرکز هندسی بسته قرار میگیرد و دما در فواصل زمانی مشخص ثبت میشود.
—
۳۵-۵ ـ منحنی دما ـ زمان
نتیجه آزمایش بهتر است به شکل منحنی نمایش داده شود.
محور افقی:
زمان
محور عمودی:
دمای مرکز ژلپک
باشد.
این منحنی اطلاعات بسیار بیشتری از یک عدد منفرد ارائه میدهد.
—
۳۵-۶ ـ مرحله اول سردشدن
در ابتدا دمای ژلپک از دمای محیط به سمت دمای فریزر کاهش مییابد.
در این مرحله عمدتاً با کاهش دمای محسوس روبهرو هستیم.
—
۳۵-۷ ـ مرحله تغییر فاز
اگر بخش قابل توجهی از آب یخ بزند، تغییر فاز رخ میدهد.
در این مرحله انرژی قابل توجهی باید به صورت گرمای نهان از سیستم خارج شود.
—
۳۵-۸ ـ مرحله پس از انجماد
پس از یخزدن بخش اصلی آب، دمای بخشهای داخلی میتواند همچنان کاهش پیدا کند.
بنابراین «شروع یخزدن» با «رسیدن مرکز به دمای طراحی» یکسان نیست.
—
۳۵-۹ ـ نقش جرم
هرچه جرم ماده سردکننده افزایش یابد، انرژی بیشتری باید از آن خارج شود.
بنابراین افزایش جرم میتواند زمان انجماد را افزایش دهد.
اما هندسه نیز بسیار مهم است.
—
۳۵-۱۰ ـ جرم یکسان، زمان متفاوت
دو بسته با جرم یکسان میتوانند زمان انجماد متفاوتی داشته باشند.
علت میتواند تفاوت در:
– ضخامت؛
– سطح تماس؛
– نسبت طول به عرض؛
– گردش هوای اطراف
باشد.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۳۵-۱۱ ـ نقش ضخامت
ضخامت یکی از مهمترین عوامل تعیینکننده زمان انجماد است.
وقتی ضخامت کاهش مییابد، فاصله مرکز تا سطح نیز کاهش پیدا میکند.
—
۳۵-۱۲ ـ مثال هندسی
فرض کنید دو بسته هر دو حدود ۱ کیلوگرم ماده داشته باشند.
بسته اول:
۴۰ × ۲۰ × ۱٫۵ سانتیمتر
بسته دوم:
۲۰ × ۱۰ × ۶ سانتیمتر
هر دو ممکن است حجم مشابهی داشته باشند، ولی مسیر انتقال حرارت در بسته دوم بسیار بزرگتر است.
—
۳۵-۱۳ ـ سطح به حجم
یکی از مفاهیم مهم در طراحی، نسبت:
سطح / حجم
است.
افزایش این نسبت معمولاً باعث افزایش سطح در دسترس برای تبادل حرارت میشود.
—
۳۵-۱۴ ـ بسته تخت
بسته تخت معمولاً نسبت سطح به حجم بالاتری نسبت به یک بسته بسیار ضخیم دارد.
این موضوع یکی از دلایل مناسببودن ساختار تخت برای برخی کاربردها است.
—
۳۵-۱۵ ـ محدودیت بسته تخت
بسته بیش از حد تخت میتواند مشکلاتی ایجاد کند:
– افزایش مصرف فیلم؛
– افزایش طول دوخت؛
– آسیبپذیری بیشتر؛
– دشواری پرکردن یکنواخت.
پس هدف صرفاً کمکردن ضخامت نیست.
—
۳۵-۱۶ ـ فریزر خانگی
در فریزر خانگی دمای واقعی ممکن است با عدد تنظیمشده متفاوت باشد.
همچنین گردش هوا، میزان پرشدگی و دفعات بازشدن درب بر زمان انجماد اثر دارند.
—
۳۵-۱۷ ـ فریزر صنعتی
در فریزرهای صنعتی معمولاً کنترل دما و گردش هوا بهتر است، اما بارگذاری و چیدمان همچنان اهمیت دارد.
—
۳۵-۱۸ ـ دمای هوای فریزر
اگر دمای واقعی فریزر کاهش یابد، نیروی محرکه انتقال حرارت افزایش مییابد.
اما زمان انجماد همچنان تابع ضخامت، فرمولاسیون و گردش هوا خواهد بود.
—
۳۵-۱۹ ـ گردش هوا
هوای سرد باید بتواند در اطراف بسته حرکت کند.
اگر بستهها کاملاً به هم فشرده باشند، انتقال حرارت همرفت ممکن است کاهش یابد.
—
۳۵-۲۰ ـ فاصله بین بستهها
در آزمونهای مقایسهای باید فاصله و نحوه قرارگیری نمونهها ثابت باشد.
در غیر این صورت نتیجه آزمایش قابل مقایسه نخواهد بود.
—
۳۵-۲۱ ـ قرار دادن روی قفسه
اگر قفسه فریزر تماس حرارتی خوبی با بسته ایجاد کند، رفتار بسته میتواند با حالتی که کاملاً در هوای سرد معلق است متفاوت باشد.
بنابراین نوع تماس باید ثبت شود.
—
۳۵-۲۲ ـ تماس با سطح فلزی
سطوح فلزی میتوانند انتقال حرارت متفاوتی نسبت به هوای سرد ایجاد کنند.
این موضوع باید در طراحی آزمون مشخص شود.
—
۳۵-۲۳ ـ تماس با دیواره فریزر
قرار دادن بسته مستقیماً روی دیواره بسیار سرد ممکن است سرعت سردشدن را تغییر دهد.
بنابراین برای آزمون استاندارد داخلی، محل نمونه باید ثابت باشد.
—
۳۵-۲۴ ـ مقدار فضای خالی
فضای خالی داخل بسته نیز باید کنترل شود.
دو بسته با جرم برابر اما میزان فضای خالی متفاوت ممکن است شکل و فشار داخلی متفاوتی در انجماد داشته باشند.
—
۳۵-۲۵ ـ آب آزاد
در ژلپکهای حاوی پلیآکریلات، وجود آب آزاد میتواند رفتار انجماد را تغییر دهد.
بنابراین مقدار آب آزاد باید در آزمایش فرمولاسیون اندازهگیری یا حداقل به صورت کیفی کنترل شود.
—
۳۵-۲۶ ـ آب متصل به پلیمر
تمام آب موجود در یک ژل لزوماً رفتار یکسانی ندارد.
آب نگهداریشده در ساختار پلیمر میتواند از نظر تحرک و رفتار انجماد با آب آزاد تفاوت داشته باشد.
—
۳۵-۲۷ ـ اثر نمکها
وجود یونها و نمکها میتواند:
– ظرفیت جذب پلیآکریلات؛
– مقدار آب نگهداریشده؛
– نقطه انجماد؛
– رفتار یخزدن
را تغییر دهد.
به همین دلیل کیفیت آب باید در آزمایش ثبت شود.
—
۳۵-۲۸ ـ آب خالص در برابر آب دارای املاح
اگر دو فرمولاسیون با آب متفاوت ساخته شوند، مقایسه زمان انجماد بدون کنترل کیفیت آب ممکن است گمراهکننده باشد.
—
۳۵-۲۹ ـ اندازه ذرات پلیمر
اندازه ذرات پلیآکریلات میتواند بر سرعت جذب آب و یکنواختی ژل اثر بگذارد.
این موضوع میتواند به صورت غیرمستقیم بر رفتار انجماد نیز اثرگذار باشد.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۳۵-۳۰ ـ طراحی آزمایش سهضخامتی
برای شروع یک آزمایش ساده میتوان سه هندسه ساخت:
نمونه| ضخامت هدف| جرم
A| کم| یکسان
B| متوسط| یکسان
C| زیاد| یکسان
سپس هر سه نمونه در یک فریزر و شرایط یکسان قرار داده شوند.
—
۳۵-۳۱ ـ ثبت دمای اولیه
قبل از شروع آزمایش، دمای اولیه تمام نمونهها ثبت شود.
بهتر است همه نمونهها تقریباً دمای اولیه مشابه داشته باشند.
—
۳۵-۳۲ ـ ثبت دمای فریزر
دمای هوای فریزر نیز باید ثبت شود.
اتکا به عدد تنظیمات دستگاه کافی نیست.
—
۳۵-۳۳ ـ ثبت زمان
زمان شروع باید مشخص باشد.
مثلاً:
ساعت ۱۰:۰۰
سپس دادهها هر ۵ یا ۱۰ دقیقه ثبت شوند.
فاصله ثبت بسته به سرعت تغییرات دما قابل انتخاب است.
—
۳۵-۳۴ ـ تعیین نقطه پایان
یکی از روشهای مناسب این است که پایان آزمون را به صورت عددی تعریف کنیم.
مثلاً:
دمای مرکز ≤ X درجه سانتیگراد
مقدار X باید براساس هدف محصول تعیین شود.
—
۳۵-۳۵ ـ معیار یکنواخت
برای مقایسه محصولات باید معیار پایان همه نمونهها یکسان باشد.
اگر برای نمونه A دمای سطح و برای نمونه B دمای مرکز اندازهگیری شود، مقایسه معتبر نیست.
—
۳۵-۳۶ ـ تکرار آزمایش
هر آزمایش بهتر است چند بار تکرار شود.
مثلاً سه تکرار برای هر هندسه میتواند دید بهتری از پراکندگی نتایج ایجاد کند.
—
۳۵-۳۷ ـ میانگین زمان
اگر سه آزمایش زمانهای:
۸ ساعت،
۹ ساعت،
۸٫۵ ساعت
داشته باشند، میانگین حدود:
۸٫۵ ساعت
خواهد بود.
—
۳۵-۳۸ ـ پراکندگی
فقط میانگین کافی نیست.
اگر نتایج بسیار متفاوت باشند، باید علت بررسی شود.
ممکن است:
– دمای فریزر؛
– محل نمونه؛
– جرم؛
– ضخامت؛
– یا شرایط دوخت
متفاوت بوده باشد.
—
۳۵-۳۹ ـ آزمون با جرمهای مختلف
بعد از مشخصشدن اثر ضخامت، میتوان جرم را نیز تغییر داد.
مثلاً:
۵۰۰، ۱۰۰۰ و ۱۵۰۰ گرم
و زمان انجماد مقایسه شود.
—
۳۵-۴۰ ـ جرم بیشتر
افزایش جرم معمولاً انرژی بیشتری برای خارجشدن نیاز دارد.
اما اگر جرم بیشتر با افزایش سطح تماس همراه باشد، اثر نهایی میتواند پیچیدهتر شود.
—
۳۵-۴۱ ـ افزایش جرم بدون افزایش سطح
اگر جرم را افزایش دهیم ولی ابعاد سطحی ثابت بماند، ضخامت افزایش پیدا میکند.
این حالت میتواند زمان انجماد را افزایش دهد.
—
۳۵-۴۲ ـ افزایش جرم همراه با افزایش سطح
اگر همزمان طول و عرض افزایش یابد و ضخامت ثابت بماند، جرم افزایش مییابد اما ضخامت انتقال حرارت ثابت میماند.
این طراحی میتواند رفتار متفاوتی داشته باشد.
—
۳۵-۴۳ ـ مثال طراحی
فرض کنید بسته A:
۲۰ × ۲۰ × ۲ cm
باشد.
برای افزایش جرم، به جای افزایش ضخامت به ۴ سانتیمتر، میتوان سطح را افزایش داد؛ مثلاً:
۲۸ × ۲۰ × ۲ cm
در این حالت مسیر حرارتی در ضخامت تقریباً حفظ میشود.
البته حجم و جرم باید با فرمول واقعی محاسبه شوند.
—
۳۵-۴۴ ـ چند بسته نازک
برای رسیدن به جرم کل مشخص میتوان از چند بسته نازک استفاده کرد.
این کار میتواند:
– سطح تماس را افزایش دهد؛
– انجماد را تسهیل کند؛
– چیدمان را انعطافپذیر کند.
ولی هزینه فیلم و دوخت بیشتر میشود.
—
۳۵-۴۵ ـ انتخاب بر اساس کاربرد
اگر فریزر فقط چند ساعت فرصت دارد، سرعت انجماد اهمیت بیشتری دارد.
اگر بسته یک شب یا بیشتر در فریزر میماند، ظرفیت کل و دوام ممکن است اهمیت بیشتری پیدا کند.
—
۳۵-۴۶ ـ دستورالعمل عملی برای تولیدکننده
برای توسعه محصول:
۱. یک فرمول داخلی ثابت کنید.
۲. سه ضخامت انتخاب کنید.
۳. جرم هر نمونه را مشخص کنید.
۴. فیلم یکسان استفاده کنید.
۵. شرایط فریزر را ثابت نگه دارید.
۶. دمای مرکز را ثبت کنید.
۷. زمان رسیدن به دمای هدف را محاسبه کنید.
۸. آزمون را تکرار کنید.
۹. هزینه هر هندسه را محاسبه کنید.
۱۰. نمونه منتخب را وارد آزمون واقعی کنید.
—
۳۵-۴۷ ـ چرا تست واقعی ضروری است؟
محاسبات انتقال حرارت برای طراحی اولیه مفید هستند، اما ژلپک واقعی میتواند رفتار پیچیدهای داشته باشد.
بهخصوص زمانی که:
– پلیمر؛
– آب؛
– نمک؛
– آب آزاد؛
– تغییر فاز
همزمان وجود دارند.
—
۳۵-۴۸ ـ جدول مشخصات پیشنهادی محصول
برای هر ژلپک میتوان مشخصات زیر را ثبت کرد:
مشخصه| مقدار
جرم اسمی| X g
طول| X cm
عرض| X cm
ضخامت| X cm
فرمول داخلی| مشخص
نوع فیلم| مشخص
دمای اولیه| مشخص
دمای فریزر| مشخص
زمان رسیدن مرکز به دمای هدف| ثبت آزمایش
تعداد چرخه مجاز| بر اساس آزمون
—
۳۵-۴۹ ـ اشتباهات رایج در تعیین زمان انجماد
از خطاهای متداول میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
– اندازهگیری فقط دمای سطح؛
– اعلام «زمان انجماد» بدون ذکر دمای فریزر؛
– مقایسه نمونههای با جرم متفاوت؛
– تغییر محل نمونهها در فریزر؛
– بازکردن مکرر درب فریزر؛
– نادیدهگرفتن دمای اولیه؛
– عدم تکرار آزمایش؛
– اعلام یک عدد ثابت برای همه فریزرها.
بنابراین زمان انجماد بهتر است همیشه همراه با شرایط آزمون اعلام شود.
—
۳۵-۵۰ ـ جمعبندی فصل
زمان انجماد ژلپک تابع یک عامل واحد نیست.
مهمترین عوامل عبارتاند از:
جرم، ضخامت، سطح تماس، هندسه، دمای فریزر، گردش هوا، تماس با سطوح، فرمولاسیون، میزان آب آزاد، فیلم و نحوه چیدمان.
یکی از مهمترین اصول طراحی این است که:
جرم بیشتر الزاماً به معنی محصول بهتر نیست و ضخامت کمتر نیز الزاماً به معنی ظرفیت سرمایشی بیشتر نیست.
اگر هدف افزایش سرعت انجماد باشد، معمولاً کاهش ضخامت و افزایش سطح تماس میتواند مورد بررسی قرار گیرد.
اگر هدف افزایش ظرفیت سرمایشی باشد، باید جرم و سهم آب موجود نیز در نظر گرفته شود.
برای تعیین زمان واقعی انجماد، پیشنهاد میشود تولیدکننده ابتدا معیار مشخصی تعریف کند؛ برای مثال:
رسیدن دمای مرکز بسته به دمای هدف.
سپس دمای واقعی فریزر، دمای اولیه نمونه، محل قرارگیری، جرم و هندسه ثبت شوند.
بهترین روش عملی این است که حداقل سه هندسه با جرم و فرمول یکسان ساخته شده و در شرایط یکسان آزمایش شوند.
نتیجه نهایی باید فقط به شکل «این بسته X ساعت طول میکشد» بیان نشود، بلکه بهتر است مشخص شود:
X ساعت در فریزر با دمای Y، برای بسته با جرم Z و هندسه مشخص، تا رسیدن مرکز به دمای مشخص.
این روش، مشخصات فنی محصول را قابل تکرارتر و مقایسه نتایج را معتبرتر میکند.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
موضوع پیشنهادی فصل ۳۶
طراحی ژلپک با حداکثر ظرفیت سرمایشی؛ محاسبه مقدار آب و پلیآکریلات، بررسی گرمای نهان، نسبت جرم به حجم، ضخامت بسته، روش افزایش انرژی سرمایشی و مقایسه ژلپک با یخ آب خالص