دانشنامه جامع کمپرس یخ36
فصل ۳۶
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
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
مقدمه
یکی از مهمترین موضوعات در طراحی ژلپک، تعیین ظرفیت سرمایشی واقعی است.
بسیاری از افراد تصور میکنند هرچه مقدار پلیمر بیشتر باشد، ژلپک سرمای بیشتری ایجاد میکند. این تصور همیشه درست نیست.
در یک ژلپک مبتنی بر آب و پلیآکریلات، بخش مهمی از انرژی سرمایشی مربوط به آب موجود در سیستم است. پلیمر عمدتاً آب را جذب و در ساختار ژل نگه میدارد.
بنابراین اگر هدف افزایش ظرفیت سرمایشی باشد، باید مجموعهای از عوامل بررسی شود:
– جرم کل ژل؛
– درصد آب؛
– مقدار پلیمر؛
– میزان آب آزاد؛
– دمای اولیه؛
– دمای نهایی؛
– مقدار آب منجمدشده؛
– ضخامت؛
– سطح تماس؛
– و شرایط انتقال حرارت.
نکته مهم دیگر این است که ظرفیت سرمایشی با سرعت سرمایش تفاوت دارد.
یک بسته ممکن است ظرفیت زیادی داشته باشد ولی به دلیل ضخامت زیاد، دیر منجمد شود.
—
۳۶-۱ ـ ظرفیت سرمایشی چیست؟
ظرفیت سرمایشی را میتوان مقدار انرژی گرمایی دانست که ماده سردکننده میتواند دریافت کند.
واحدهای متداول:
– ژول؛
– کیلوژول؛
– مگاژول؛
– واتساعت؛
هستند.
—
۳۶-۲ ـ رابطه پایه
برای تغییر دمای محسوس:
Q = m × Cp × ΔT
در این رابطه:
m = جرم
Cp = ظرفیت گرمایی ویژه
ΔT = تغییر دما
است.
—
۳۶-۳ ـ تغییر فاز
اگر ماده از جامد به مایع تبدیل شود، علاوه بر تغییر دما، انرژی تغییر فاز نیز اهمیت پیدا میکند.
برای یخ آب:
Qlatent = m × L
که L گرمای نهان ذوب است.
—
۳۶-۴ ـ گرمای نهان آب
گرمای نهان ذوب یخ آب خالص در شرایط مرجع حدود:
۳۳۴ kJ/kg
است.
این مقدار نشان میدهد چرا یخ میتواند ذخیرهکننده مؤثر انرژی سرمایشی باشد.
—
۳۶-۵ ـ آیا ژلپک همان یخ است؟
خیر.
ژلپک آب و پلیمر الزاماً رفتار فیزیکی یخ خالص را ندارد.
بخشی از آب ممکن است:
– در ساختار پلیمر نگهداری شود؛
– آب آزاد باشد؛
– یا تحت تأثیر مواد محلول قرار گرفته باشد.
—
۳۶-۶ ـ مقدار آب قابل انجماد
یکی از پارامترهای مهم برای ظرفیت سرمایشی ژلپک، مقدار آبی است که واقعاً در محدوده دمای کاری تغییر فاز میدهد.
این مقدار باید با آزمایش مشخص شود.
—
۳۶-۷ ـ نقش پلیآکریلات سدیم
پلیآکریلات سدیم یک پلیمر فوقجاذب است که میتواند مقدار قابل توجهی آب را در ساختار خود نگه دارد.
در ژلپک، این ویژگی میتواند به جلوگیری از حرکت آزاد مایع و افزایش شکلپذیری کمک کند.
—
۳۶-۸ ـ پلیمر و ظرفیت سرمایشی
پلیمر به خودی خود معادل ظرفیت سرمایشی آب نیست.
بنابراین افزایش درصد پلیمر بدون محاسبه مقدار آب میتواند باعث کاهش سهم آب از جرم کل محصول شود.
—
۳۶-۹ ـ یک مثال ساده
فرض کنید دو بسته هر کدام:
۱۰۰۰ گرم
وزن داشته باشند.
فرمول A:
۹۵۰ گرم آب + ۵۰ گرم پلیمر
فرمول B:
۸۰۰ گرم آب + ۲۰۰ گرم پلیمر
حتی بدون انجام محاسبات پیچیده، میتوان دید که سهم آب در فرمول A بیشتر است.
اما برای انتخاب نهایی باید:
– پایداری ژل؛
– آب آزاد؛
– انجماد؛
– نشتی؛
– و عملکرد واقعی
نیز آزمایش شود.
—
۳۶-۱۰ ـ حداقل پلیمر لازم
هدف اقتصادی این نیست که بیشترین مقدار پلیمر مصرف شود.
هدف این است که کمترین مقدار پلیمر لازم برای ایجاد ساختار پایدار موردنیاز تعیین شود.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۳۶-۱۱ ـ چرا کاهش پلیمر میتواند اقتصادی باشد؟
پلیآکریلات معمولاً از آب گرانتر است.
بنابراین اگر با مقدار کمتری پلیمر بتوان آب موردنیاز را به صورت پایدار نگه داشت، هزینه مواد اولیه کاهش پیدا میکند.
—
۳۶-۱۲ ـ محدودیت کاهش پلیمر
کاهش بیش از حد پلیمر ممکن است باعث:
– آب آزاد زیاد؛
– ژل ضعیف؛
– جدایش؛
– حرکت مایع داخل بسته؛
– مشکلات آببندی
شود.
—
۳۶-۱۳ ـ نقطه بهینه
برای هر نوع پلیمر و آب باید یک نقطه بهینه پیدا شود.
این نقطه را میتوان با آزمایش نسبتهای مختلف آب به پلیمر تعیین کرد.
—
۳۶-۱۴ ـ آزمایش پیشنهادی
چهار فرمول آزمایشی تهیه کنید:
نمونه| آب| پلیمر
A| زیاد| کم
B| زیاد| متوسط
C| متوسط| متوسط
D| کمتر| زیاد
سپس موارد زیر مقایسه شوند:
– آب آزاد؛
– یکنواختی؛
– زمان جذب؛
– قابلیت پرشدن؛
– انجماد؛
– ذوب.
—
۳۶-۱۵ ـ وزن کل
برای مقایسه علمی، ابتدا وزن کل نمونهها را یکسان کنید.
مثلاً همه:
۱۰۰۰ گرم
باشند.
در این صورت اثر تغییر نسبت آب و پلیمر بهتر بررسی میشود.
—
۳۶-۱۶ ـ جرم آب
اگر درصد جرمی آب:
۹۵٪
و وزن ژل:
۱۰۰۰ گرم
باشد:
mwater = 1000 × 0.95 = 950 g
—
۳۶-۱۷ ـ ظرفیت محسوس آب
اگر ۹۵۰ گرم آب از صفر تا ۱۰ درجه گرم شود، با استفاده از ظرفیت گرمایی ویژه تقریبی آب:
Cp ≈ 4.18 kJ/kg.K
داریم:
Q ≈ 0.95 × 4.18 × 10
یعنی حدود:
39.7 kJ
انرژی محسوس.
—
۳۶-۱۸ ـ ظرفیت تغییر فاز
اگر تمام ۰٫۹۵ کیلوگرم آب رفتار مشابه یخ خالص داشته باشد، انرژی تغییر فاز نظری:
Q ≈ 0.95 × 334
حدود:
317 kJ
خواهد بود.
اما در ژل واقعی نباید این عدد را بدون آزمایش به عنوان ظرفیت قطعی محصول اعلام کرد.
—
۳۶-۱۹ ـ اهمیت عبارت «نظری»
محاسبه بالا یک برآورد نظری است.
در محصول واقعی ممکن است:
– همه آب منجمد نشود؛
– دمای تغییر فاز متفاوت باشد؛
– مواد محلول وجود داشته باشند؛
– آب متصل به پلیمر رفتار متفاوتی داشته باشد.
—
۳۶-۲۰ ـ نقش دمای شروع
اگر ژلپک از دمای پایینتری شروع کند، انرژی بیشتری برای جذب گرما در اختیار دارد.
مثلاً تفاوت میان شروع از:
۲۰- درجه
و:
۵- درجه
میتواند قابل توجه باشد.
—
۳۶-۲۱ ـ دمای هدف
ظرفیت سرمایشی باید نسبت به یک محدوده دمایی مشخص بیان شود.
مثلاً:
حفظ دما در محدوده ۰ تا ۸ درجه
با:
حفظ دما در محدوده ۱۰- تا ۰ درجه
یک مسئله یکسان نیست.
—
۳۶-۲۲ ـ چرا ظرفیت سرمایشی بدون دما ناقص است؟
گفتن اینکه «این ژلپک X کیلوژول ظرفیت دارد» بدون مشخصکردن شرایط میتواند گمراهکننده باشد.
باید معلوم شود:
– از چه دمایی؛
– تا چه دمایی؛
– در چه شرایطی؛
– و با چه روش آزمونی.
—
۳۶-۲۳ ـ ضخامت و ظرفیت
ضخامت به خودی خود ظرفیت انرژی را تعیین نمیکند.
اگر جرم آب ثابت باشد، ظرفیت نظری آن تقریباً همان است.
اما ضخامت بر سرعت دسترسی به این ظرفیت اثر میگذارد.
—
۳۶-۲۴ ـ سرعت دسترسی به ظرفیت
یک ژلپک ضخیم ممکن است مقدار انرژی زیادی ذخیره کند، اما انتقال حرارت به مرکز آن کند باشد.
در نتیجه ظرفیت نظری بالا، الزاماً به معنی عملکرد سریعتر نیست.
—
۳۶-۲۵ ـ سطح تماس
افزایش سطح تماس میتواند انتقال حرارت را افزایش دهد.
به همین دلیل بستههای تخت در بسیاری از کاربردها مناسب هستند.
—
۳۶-۲۶ ـ سطح تماس و جرم
اگر جرم افزایش یابد ولی سطح تماس ثابت بماند، ضخامت بیشتر میشود.
این کار میتواند زمان انجماد را افزایش دهد.
—
۳۶-۲۷ ـ راهکار بهتر برای افزایش جرم
در بعضی طراحیها میتوان به جای افزایش ضخامت، طول و عرض را افزایش داد.
این روش باید با فضای موجود در جعبه و محدودیت تولید هماهنگ شود.
—
۳۶-۲۸ ـ چند بسته به جای یک بسته
فرض کنید ظرفیت موردنیاز به ۴ کیلوگرم ماده سردکننده نیاز دارد.
میتوان از:
۱ × ۴ kg
یا:
۴ × ۱ kg
استفاده کرد.
ظرفیت نظری کل ممکن است نزدیک باشد، اما انتقال حرارت و کاربرد متفاوت خواهد بود.
—
۳۶-۲۹ ـ مزیت چند بسته
چند بسته امکان میدهند:
– سطح تماس افزایش یابد؛
– توزیع سرمایش بهتر شود؛
– بستهها در نقاط مختلف قرار گیرند.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۳۶-۳۰ ـ عیب چند بسته
تعداد بیشتر بستهها یعنی:
– فیلم بیشتر؛
– دوخت بیشتر؛
– عملیات تولید بیشتر؛
– احتمال بیشتر نقاط بالقوه نشتی.
بنابراین طراحی باید اقتصادی نیز باشد.
—
۳۶-۳۱ ـ ظرفیت سرمایشی بر واحد وزن
یک شاخص مناسب برای مقایسه:
kJ/kg
است.
این شاخص امکان مقایسه فرمولهای مختلف را فراهم میکند.
—
۳۶-۳۲ ـ ظرفیت سرمایشی بر واحد حجم
برای بعضی کاربردها شاخص:
kJ/L
مهمتر است.
زیرا فضای داخل جعبه محدود است.
—
۳۶-۳۳ ـ ظرفیت سرمایشی بر واحد هزینه
برای تولید انبوه حتی میتوان شاخص:
kJ به ازای هر تومان هزینه
را محاسبه کرد.
این شاخص برای تصمیم اقتصادی بسیار کاربردی است.
—
۳۶-۳۴ ـ ظرفیت سرمایشی و قیمت پلیمر
اگر افزایش پلیمر فقط مقدار کمی به عملکرد اضافه کند ولی هزینه را زیاد کند، ممکن است از نظر اقتصادی مناسب نباشد.
بنابراین هر افزایش ماده اولیه باید با آزمایش عملکرد توجیه شود.
—
۳۶-۳۵ ـ نقش کیفیت آب
آب دارای املاح میتواند رفتار پلیآکریلات را تغییر دهد.
در بسیاری از موارد افزایش یونها موجب کاهش ظرفیت تورم پلیمر میشود.
بنابراین استفاده از آب با کیفیت کنترلشده میتواند تکرارپذیری تولید را افزایش دهد.
—
۳۶-۳۶ ـ نقش نمک
نمکها میتوانند نقطه انجماد آب را پایین بیاورند.
اما همزمان ممکن است:
ظرفیت جذب پلیآکریلات را کاهش دهند.
بنابراین افزودن نمک برای کاهش نقطه انجماد باید با آزمون انجام شود.
—
۳۶-۳۷ ـ ژلپک زیر صفر
اگر محصول برای دماهای زیر صفر طراحی شود، نقطه انجماد و میزان آب آزاد اهمیت ویژهای پیدا میکنند.
—
۳۶-۳۸ ـ فرمولاسیون بدون نمک
اگر نیازی به کاهش نقطه انجماد وجود نداشته باشد، فرمول سادهتر آب + پلیمر میتواند نقطه شروع مناسبی برای توسعه باشد.
مزیت آن:
– تعداد متغیر کمتر؛
– کنترل سادهتر؛
– تکرارپذیری بهتر.
—
۳۶-۳۹ ـ افزودنیهای غیرضروری
هر ماده اضافی میتواند:
– هزینه؛
– پیچیدگی؛
– اثر بر انجماد؛
– اثر بر پلیمر
ایجاد کند.
بنابراین افزودنی فقط زمانی اضافه شود که دلیل فنی مشخص داشته باشد.
—
۳۶-۴۰ ـ ظرفیت سرمایشی واقعی
برای تعیین ظرفیت واقعی بهتر است آزمون عملی انجام شود.
جرم مشخصی از ژلپک منجمد شود.
سپس در شرایط کنترلشده، دما و زمان ثبت شود.
—
۳۶-۴۱ ـ آزمون کالریمتری ساده
در یک روش تجربی میتوان ژلپک را با یک جرم مشخص آب یا ماده مرجع در یک سیستم عایقشده مقایسه کرد.
تغییر دمای ماده مرجع ثبت میشود.
—
۳۶-۴۲ ـ آزمون جعبه واقعی
روش کاربردیتر، قرار دادن ژلپک در جعبه واقعی است.
در این آزمون:
– دمای محیط؛
– دمای محصول؛
– دمای داخل جعبه؛
– جرم ژلپک؛
ثبت میشوند.
—
۳۶-۴۳ ـ نمودار عملکرد
میتوان نمودار:
دمای داخل جعبه ـ زمان
ترسیم کرد.
این نمودار نشان میدهد محصول چه مدت در محدوده هدف باقی میماند.
—
۳۶-۴۴ ـ ظرفیت نظری در برابر ظرفیت کاربردی
ظرفیت نظری بیشتر برای طراحی اولیه مناسب است.
ظرفیت کاربردی باید در شرایط واقعی تعیین شود.
این دو عدد نباید بدون توضیح جای یکدیگر استفاده شوند.
—
۳۶-۴۵ ـ طراحی برای بیشترین ظرفیت
اگر هدف بیشترین ظرفیت سرمایشی در فضای ثابت باشد، میتوان موارد زیر را بررسی کرد:
۱. افزایش سهم آب.
۲. کاهش پلیمر اضافی.
۳. کاهش مواد غیرضروری.
۴. افزایش جرم مؤثر در حجم مجاز.
۵. بهبود عایق.
۶. استفاده از هندسه مناسب.
—
۳۶-۴۶ ـ طراحی برای بیشترین ظرفیت در کمترین وزن
اگر وزن محدود باشد، باید ظرفیت سرمایشی بر واحد وزن بهینه شود.
در این حالت ترکیب مواد و تغییر فاز اهمیت زیادی دارد.
—
۳۶-۴۷ ـ طراحی برای بیشترین ظرفیت در کمترین حجم
اگر فضای جعبه محدود باشد، شاخص:
ظرفیت سرمایشی بر واحد حجم
مهمتر میشود.
در این حالت هندسه و چگالی سیستم اهمیت بیشتری پیدا میکنند.
—
۳۶-۴۸ ـ چکلیست توسعه فرمول
☐ درصد آب مشخص شده است.
☐ مقدار پلیمر مشخص شده است.
☐ کیفیت آب مشخص شده است.
☐ آب آزاد بررسی شده است.
☐ رفتار انجماد بررسی شده است.
☐ دمای شروع مشخص است.
☐ دمای هدف مشخص است.
☐ ظرفیت نظری محاسبه شده است.
☐ ظرفیت واقعی آزمایش شده است.
☐ هزینه هر کیلو و هر بسته محاسبه شده است.
—
۳۶-۴۹ ـ اشتباهات رایج
چند خطای رایج عبارتاند از:
– فرض اینکه پلیمر بیشتر یعنی سرمای بیشتر؛
– استفاده از گرمای نهان یخ خالص برای تمام ژلپکها بدون آزمون؛
– نادیدهگرفتن سهم واقعی آب؛
– مقایسه فرمولها با جرمهای متفاوت؛
– نادیدهگرفتن ضخامت؛
– اعلام ظرفیت بدون شرایط دمایی؛
– تمرکز بر ظرفیت و بیتوجهی به زمان انجماد.
—
۳۶-۵۰ ـ جمعبندی فصل
حداکثر ظرفیت سرمایشی ژلپک را نمیتوان فقط با افزایش پلیآکریلات به دست آورد.
در یک سیستم آب ـ پلیمر، آب معمولاً بخش اصلی ظرفیت حرارتی سیستم را فراهم میکند و پلیمر نقش مهمی در نگهداری آب و ایجاد ساختار ژلی دارد.
رابطه پایه ظرفیت محسوس:
Q = m × Cp × ΔT
و برای تغییر فاز:
Q = m × L
است.
گرمای نهان ذوب یخ آب خالص حدود ۳۳۴ kJ/kg است، اما نباید این مقدار را بدون آزمایش به کل آب موجود در یک ژلپک واقعی تعمیم داد.
برای رسیدن به فرمول اقتصادی، باید نقطهای پیدا شود که در آن مقدار پلیمر به اندازه کافی برای نگهداری آب و ایجاد پایداری ژل باشد، اما بیش از نیاز مصرف نشود.
همزمان باید هندسه بسته نیز بهینه شود.
برای افزایش ظرفیت سرمایشی در فضای محدود میتوان موارد زیر را بررسی کرد:
افزایش سهم آب + کاهش مواد غیرضروری + افزایش جرم مؤثر + بهبود هندسه + بهبود عایقکاری.
در نهایت، سه شاخص بسیار مهم برای مقایسه فرمولها عبارتاند از:
ظرفیت سرمایشی بر واحد وزن
ظرفیت سرمایشی بر واحد حجم
ظرفیت سرمایشی نسبت به هزینه
این سه شاخص به تولیدکننده اجازه میدهند میان عملکرد فنی و اقتصاد تولید تعادل برقرار کند.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
موضوع پیشنهادی فصل ۳۷
روش افزایش مدت زمان ذوب ژلپک؛ بررسی مقدار آب منجمد، پلیآکریلات، ضخامت بسته، سطح تماس، عایق، دمای محیط، انتقال حرارت و طراحی ژلپک برای حفظ سرمایش در طولانیترین زمان ممکن