دانشنامه جامع کمپرس یخ49
فصل ۴۹
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
روش طراحی ژلپک برای حفظ دمای ثابت در جعبه؛ بررسی نقاط گرم و سرد، تعداد سنسورها، نقشه دمایی، چیدمان ژلپک، جریان هوا، عایق، کنترل دمای مرکز محصول و روش کاهش نوسانات دما
49-1 ـ مقدمه
در بسیاری از کاربردهای ژلپک، هدف فقط «سرد کردن» نیست؛ بلکه باید دمای داخل یک جعبه برای مدت مشخص، در محدودهای قابل قبول باقی بماند.
این موضوع تفاوت مهمی با یک ژلپک ساده دارد.
ممکن است دمای یک نقطه از جعبه پایین باشد، اما گوشه دیگر گرمتر شود. همچنین ممکن است سطح محصول سرد باشد ولی مرکز آن دمای بالاتری داشته باشد.
بنابراین طراحی حرفهای سیستم سردکننده نیازمند بررسی توزیع دما است، نه فقط اندازهگیری یک دما.
—
49-2 ـ مفهوم یکنواختی دما
اگر تمام نقاط مهم جعبه تقریباً در یک محدوده دمایی قرار داشته باشند، سیستم یکنواختتر است.
برای مثال، اگر پنج نقطه دارای دماهای:
4، 4.5، 5، 5.5 و 6°C
باشند، اختلاف آنها کم است.
اما اگر دماها:
2، 4، 6، 9 و 13°C
باشند، سیستم دارای اختلاف دمای زیادی است.
در کاربردهای حساس، نقطه گرم میتواند تعیینکننده عملکرد واقعی سیستم باشد.
—
49-3 ـ میانگین دما همیشه کافی نیست
فرض کنید دمای پنج نقطه به شکل زیر باشد:
نقطه| دما
A| 3°C
B| 4°C
C| 4°C
D| 5°C
E| 12°C
میانگین دما حدود 5.6°C است.
اما نقطه E به 12°C رسیده است.
بنابراین گزارش فقط میانگین میتواند مشکل واقعی سیستم را پنهان کند.
در طراحی جعبه سرد، حداکثر دما و محل وقوع آن نیز اهمیت دارد.
—
49-4 ـ نقطه گرم چیست؟
نقطه گرم یا Hot Spot به ناحیهای گفته میشود که نسبت به سایر نقاط جعبه سریعتر یا بیشتر گرم میشود.
علل احتمالی:
– نزدیکی به دیواره خارجی؛
– ضعف عایق؛
– درز جعبه؛
– درپوش ضعیف؛
– فاصله از ژلپک؛
– تابش خورشید؛
– جریان هوای گرم.
پیدا کردن این نقاط یکی از مهمترین اهداف نقشهبرداری دمایی است.
—
49-5 ـ نقطه سرد چیست؟
نقطه سرد ناحیهای است که نسبت به سایر قسمتها دمای پایینتری دارد.
وجود نقطه سرد میتواند ناشی از:
– تماس مستقیم با ژلپک؛
– فاصله کم از سطح سرد؛
– گردش هوای مناسب؛
– تمرکز ظرفیت سرمایشی در یک منطقه.
اگر اختلاف دمای نقاط زیاد باشد، چیدمان باید اصلاح شود.
—
49-6 ـ چرا ژلپک بهتنهایی نمیتواند دمای یکنواخت ایجاد کند؟
ژلپک منبع سرمایش است، اما توزیع دما به مسیر انتقال حرارت نیز وابسته است.
در یک جعبه:
ژلپک → هوا/جسم داخلی → محصول
مسیرهای مختلف انتقال حرارت وجود دارد.
بنابراین ممکن است یک ژلپک در کنار محصول، فقط همان ناحیه را بسیار سرد کند و قسمت دورتر دمای بیشتری داشته باشد.
—
49-7 ـ تعداد سنسورهای مورد نیاز
تعداد سنسورها به اندازه جعبه و حساسیت کاربرد بستگی دارد.
برای نمونه آزمایشگاهی کوچک میتوان از چند سنسور استفاده کرد.
برای یک جعبه بزرگتر، نقاط بیشتری باید بررسی شوند.
حداقل نقاط پیشنهادی در توسعه اولیه:
1. مرکز؛
2. بالا؛
3. پایین؛
4. کنار دیواره؛
5. گوشه.
—
49-8 ـ محل قرارگیری سنسور مرکز
سنسور مرکز معمولاً برای بررسی دمای داخلی بار بسیار مهم است.
اگر محصول جامد یا نیمهجامد باشد، سنسور میتواند در مرکز نمونه آزمایشی قرار گیرد.
هدف این است که دمای واقعی بخش داخلی اندازهگیری شود، نه فقط هوای اطراف آن.
—
49-9 ـ سنسور نزدیک دیواره
یک سنسور نزدیک دیواره میتواند مشخص کند آیا گرما از دیواره وارد جعبه میشود یا خیر.
اگر دمای نزدیک دیواره بهطور قابل توجهی بالاتر از مرکز باشد، باید عایق و پلهای حرارتی بررسی شوند.
—
49-10 ـ سنسور نزدیک درپوش
در بسیاری از طراحیها، درپوش یکی از مسیرهای مهم انتقال حرارت است.
قرار دادن یک سنسور در نزدیکی قسمت بالایی میتواند مشخص کند که آیا این قسمت زودتر گرم میشود یا خیر.
در صورت مشاهده اختلاف زیاد، بهبود درپوش میتواند مؤثرتر از افزایش ژلپک باشد.
—
49-11 ـ سنسور در گوشهها
گوشهها میتوانند به دلیل هندسه جعبه، اتصال چند سطح و عایقبندی نامناسب رفتار متفاوتی داشته باشند.
برای یک جعبه بزرگ، بررسی حداقل یک یا چند گوشه در آزمون توسعهای مفید است.
—
49-12 ـ نقشه دمایی جعبه
اگر دمای چند نقطه در طول زمان ثبت شود، میتوان یک نقشه دمایی ایجاد کرد.
برای مثال:
محل| ساعت 0| ساعت 6| ساعت 12
مرکز| 3| 4| 5
بالا| 3| 5| 7
پایین| 3| 4| 5
دیواره| 4| 6| 9
گوشه| 4| 7| 11
در این مثال، گوشه و دیواره نیازمند توجه بیشتری هستند.
—
49-13 ـ چیدمان ژلپک در بالا
قرار دادن ژلپک در بالا میتواند برای مقابله با ورود گرما از سقف مفید باشد.
اما اگر فقط از بالا سرمایش انجام شود، ممکن است قسمت پایین جعبه گرمتر باقی بماند.
بنابراین در جعبههای بزرگ باید چیدمانهای مختلف آزمایش شوند.
—
49-14 ـ چیدمان ژلپک در پایین
قرار دادن ژلپک در پایین میتواند کف جعبه را سرد نگه دارد.
اما فشار محصول بر روی بسته باید کنترل شود.
همچنین در صورت ذوب شدن، باید احتمال تماس محصول با رطوبت بررسی شود.
—
49-15 ـ چیدمان جانبی
ژلپکهای جانبی میتوانند فاصله نقاط گرم کنار دیواره را با منبع سرمایش کاهش دهند.
این روش بهخصوص در جعبههای نسبتاً بزرگ قابل بررسی است.
اما افزایش تعداد بستهها باعث افزایش وزن و هزینه میشود.
—
49-16 ـ استفاده همزمان از چند طرف
در یک سیستم حرفهای، میتوان از ترکیب:
بالا + پایین + طرفین
استفاده کرد.
هدف این نیست که جعبه الزاماً با بیشترین تعداد بسته پر شود؛ بلکه باید نقاط ورود گرما و نقاط گرم شناسایی و هدفگذاری شوند.
—
49-17 ـ یک ژلپک بزرگ یا چند ژلپک کوچک؟
یک بسته بزرگ:
– قطعات کمتری دارد؛
– بستهبندی سادهتری دارد؛
– ممکن است ظرفیت زیادی داشته باشد.
چند بسته کوچک:
– چیدمان انعطافپذیرتری دارند؛
– سطح سرمایش را بهتر توزیع میکنند؛
– در بسیاری از موارد سریعتر منجمد میشوند.
انتخاب نهایی باید بر اساس آزمون انجام شود.
—
49-18 ـ فاصله ژلپک تا محصول
اگر فاصله زیاد باشد، انتقال سرما ممکن است کندتر شود.
اگر ژلپک مستقیماً با محصول تماس داشته باشد، احتمال ایجاد نقطه بسیار سرد افزایش مییابد.
بنابراین در برخی کاربردها استفاده از جداکننده یا لایه میانی میتواند توزیع دما را بهتر کند.
—
49-19 ـ نقش هوا
هوا رسانای حرارتی ضعیفی است، اما حرکت هوا میتواند انتقال حرارت را تغییر دهد.
اگر هوای داخل جعبه آزادانه گردش کند، ممکن است دما در بعضی نقاط یکنواختتر شود.
اما جریان هوای ناخواسته از بیرون، میتواند گرمای بیشتری وارد جعبه کند.
—
49-20 ـ همرفت طبیعی
هوای گرمتر تمایل به حرکت به سمت بالا دارد.
به همین دلیل در برخی جعبهها قسمت بالایی میتواند رفتار متفاوتی داشته باشد.
چیدمان ژلپک باید با توجه به این رفتار و مسیرهای واقعی انتقال حرارت آزمایش شود.
—
49-21 ـ عایق حرارتی
عایق نقش اصلی در کاهش ورود گرما دارد.
رابطه ساده مقاومت حرارتی:
[
R=\frac{L}{kA}
]
نشان میدهد که افزایش ضخامت عایق L یا کاهش ضریب هدایت حرارتی k میتواند مقاومت حرارتی را افزایش دهد.
اما جعبه واقعی دارای مسیرهای حرارتی متعدد است.
—
49-22 ـ ضخامت عایق
افزایش ضخامت عایق معمولاً انتقال حرارت را کاهش میدهد.
اما افزایش بیش از حد آن:
– حجم داخلی را کم میکند؛
– وزن را افزایش میدهد؛
– هزینه را افزایش میدهد.
بنابراین ضخامت باید بر اساس نیاز واقعی تعیین شود.
—
49-23 ـ عایق درپوش
درپوش باید حداقل عملکردی مشابه دیوارهها داشته باشد.
در برخی جعبهها، عایق دیواره مناسب است اما درپوش بسیار نازک است.
در چنین شرایطی افزایش ژلپک ممکن است مشکل اصلی را برطرف نکند.
—
49-24 ـ پل حرارتی در جعبه
قسمتهایی مانند:
– گوشهها؛
– اتصال دیواره و کف؛
– محل قفل؛
– درز درپوش؛
– سوراخ عبور سیم سنسور
میتوانند مسیر انتقال حرارت ایجاد کنند.
این نقاط باید در طراحی بررسی شوند.
—
49-25 ـ کاهش پل حرارتی
راهکارها میتوانند شامل:
– طراحی بهتر اتصال؛
– پوشاندن درزها؛
– افزایش عایق در نقاط ضعیف؛
– کاهش شکاف؛
– استفاده از ساختار چندلایه.
باشند.
هدف، کاهش مسیرهای انتقال حرارت با مقاومت پایین است.
—
49-26 ـ تأثیر دمای محیط
هرچه اختلاف دمای محیط با داخل جعبه بیشتر باشد، پتانسیل انتقال گرما بیشتر میشود.
برای همین یک طراحی ممکن است در 20°C عملکرد مناسبی داشته باشد اما در 35°C به ژلپک و عایق بیشتری نیاز داشته باشد.
آزمون باید با دمای محیط ثبتشده انجام شود.
—
49-27 ـ تغییرات دمای محیط در طول شبانهروز
در حمل واقعی ممکن است دمای محیط ثابت نباشد.
مثلاً:
– روز: 32°C
– شب: 22°C
در چنین شرایطی نرخ ورود گرما تغییر میکند.
آزمون واقعی بهتر است در صورت امکان چنین تغییراتی را شبیهسازی کند.
—
49-28 ـ اثر تابش خورشید
جعبهای که در آفتاب قرار دارد، ممکن است بیش از جعبهای که در سایه است، گرما دریافت کند.
برای حمل زمینی یا فضای باز، آزمایش تابش خورشید میتواند یک سناریوی جداگانه باشد.
—
49-29 ـ پیشسرد کردن جعبه
اگر جعبه در دمای محیط گرم باشد و ژلپک بسیار سرد داخل آن قرار گیرد، بخشی از ظرفیت سرمایشی صرف خنک کردن خود جعبه میشود.
در صورت امکان، پیشسرد کردن جعبه میتواند این بار اولیه را کاهش دهد.
—
49-30 ـ پیشسرد کردن محصول
پیشسرد کردن محصول معمولاً اهمیت بیشتری از سرد کردن هوای خالی جعبه دارد.
اگر محصول از ابتدا سرد باشد، ظرفیت ژلپک بیشتر برای جبران گرمای ورودی محیط باقی میماند.
—
49-31 ـ طراحی با دو هدف متفاوت
دو هدف متفاوت وجود دارد:
هدف اول: پایین آوردن سریع دمای محصول.
هدف دوم: حفظ دمای پایین برای مدت طولانی.
برای هدف اول ممکن است تماس بیشتر ژلپک با محصول مطلوب باشد.
برای هدف دوم، عایق و کنترل ورود گرما اهمیت بیشتری پیدا میکند.
—
49-32 ـ کنترل سرعت تغییر دما
اگر هدف حفظ دمای ثابت است، نباید فقط دمای نهایی بررسی شود.
شیب منحنی دما نیز مهم است:
[
\frac{\Delta T}{\Delta t}
]
هرچه افزایش دما در واحد زمان کمتر باشد، سیستم پایدارتر است.
—
49-33 ـ منحنی ایدهآل دما
یک منحنی مطلوب ممکن است چنین رفتاری داشته باشد:
شروع سرد → افزایش نسبتاً آهسته → حفظ محدوده هدف → افزایش تدریجی
اما در برخی سیستمهای ضعیف:
شروع سرد → افزایش سریع → عبور زودهنگام از دمای هدف
رخ میدهد.
—
49-34 ـ معیار عبور از دمای هدف
مثلاً اگر هدف زیر 8°C باشد، زمان رسیدن مرکز محصول به 8°C ثبت میشود.
اگر نمونه A پس از 18 ساعت و نمونه B پس از 26 ساعت از این دما عبور کند، هر دو نتیجه باید همراه با شرایط آزمون گزارش شوند.
—
49-35 ـ کاهش نوسانات دما
برای کاهش نوسان میتوان موارد زیر را بررسی کرد:
– توزیع بهتر ژلپک؛
– عایق بهتر؛
– کاهش فضای خالی؛
– پیشسرد کردن؛
– جداکننده مناسب؛
– کاهش پل حرارتی.
افزایش صرف مقدار ژلپک ممکن است نوسان را بهطور کامل برطرف نکند.
—
49-36 ـ نقش جداکننده
یک لایه جداکننده میتواند تماس مستقیم ژلپک و محصول را کاهش دهد.
این کار در صورت وجود نگرانی از سردشدن بیش از حد یک نقطه قابل بررسی است.
جنس جداکننده نیز باید با کاربرد نهایی سازگار باشد.
—
49-37 ـ ژلپک بسیار سرد
ژلپک بسیار سرد میتواند در مدت کوتاهی اختلاف دمای زیادی ایجاد کند.
این مسئله برای بعضی محصولات مطلوب نیست.
بنابراین «سردتر» الزاماً به معنی «مناسبتر» نیست.
دمای اولیه باید بر اساس نیاز محصول انتخاب شود.
—
49-38 ـ مقدار ژلپک و یکنواختی
افزایش مقدار ژلپک میتواند ظرفیت سرمایشی را بالا ببرد، اما اگر تمام بستهها در یک قسمت قرار گیرند، توزیع دما همچنان نامناسب باقی میماند.
بنابراین:
مقدار + محل قرارگیری
هر دو اهمیت دارند.
—
49-39 ـ آزمایش سه چیدمان
میتوان سه طرح را مقایسه کرد:
طرح| بالا| پایین| طرفین
A| ✓| —| —
B| ✓| ✓| —
C| ✓| ✓| ✓
برای هر طرح، دمای چند نقطه در یک بازه زمانی مشخص ثبت شود.
این آزمایش نشان میدهد افزایش تعداد بستهها چه اثری بر یکنواختی دارد.
—
49-40 ـ آزمایش با جرم ثابت
برای مقایسه عادلانه چیدمانها بهتر است جرم کل ژلپک ثابت بماند.
مثلاً:
طرح A: یک بسته 2 کیلوگرمی
طرح B: دو بسته 1 کیلوگرمی
به این ترتیب اثر هندسه و توزیع بهتر بررسی میشود، نه فقط افزایش جرم.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
49-41 ـ آزمایش با جرم متغیر
در مرحله بعد میتوان جرم را تغییر داد.
مثلاً:
– 1 کیلوگرم؛
– 1.5 کیلوگرم؛
– 2 کیلوگرم؛
– 3 کیلوگرم.
هدف یافتن نقطهای است که افزایش جرم، بهبود عملکرد قابل توجهی ایجاد میکند.
—
49-42 ـ تعیین بهترین ترکیب
ممکن است نتیجه آزمایش به شکل زیر باشد:
جرم| مدت زیر دمای هدف| هزینه
1 kg| 10 h| پایین
1.5 kg| 16 h| متوسط
2 kg| 22 h| بالاتر
3 kg| 24 h| بسیار بالاتر
در چنین شرایطی افزایش جرم از 2 به 3 کیلوگرم شاید نسبت به هزینه اضافی، بهبود زیادی ایجاد نکرده باشد.
البته انتخاب نهایی به هدف تجاری و فنی محصول بستگی دارد.
—
49-43 ـ نقش فرمول ژل در پایداری دما
فرمول داخلی باید:
– آب کافی داشته باشد؛
– پلیمر به مقدار مناسب داشته باشد؛
– آب آزاد کنترلشده داشته باشد؛
– در انجماد پایدار باشد؛
– در ذوب رفتار قابل پیشبینی داشته باشد.
تغییر فرمول بدون آزمون دما ـ زمان توصیه نمیشود.
—
49-44 ـ کنترل کیفیت هر بچ تولیدی
پس از نهایی شدن طراحی، لازم است هر بچ از نظر برخی شاخصها کنترل شود:
– وزن؛
– ابعاد؛
– ظاهر؛
– کیفیت دوخت؛
– نشتی؛
– شرایط انجماد؛
– رفتار دمایی نمونه مرجع.
این کار به حفظ یکنواختی تولید کمک میکند.
—
49-45 ـ ثبت دادههای آزمون
برای هر آزمایش بهتر است ثبت شود:
تاریخ ـ فرمول ـ جرم ـ ابعاد ـ فیلم ـ دمای فریزر ـ زمان انجماد ـ دمای محیط ـ جرم بار ـ جعبه ـ عایق ـ چیدمان ـ نتایج سنسورها
بدون این اطلاعات، مقایسه آزمایشهای مختلف دشوار میشود.
—
49-46 ـ پروتکل استاندارد داخلی
برای تولید حرفهای بهتر است یک روش آزمون ثابت تعریف شود:
1. آمادهسازی جعبه؛
2. آمادهسازی بار؛
3. انجماد ژلپک؛
4. ثبت دمای اولیه؛
5. قرار دادن سنسورها؛
6. چیدمان ژلپک؛
7. بستن جعبه؛
8. شروع ثبت داده؛
9. ثبت دمای محیط؛
10. تحلیل نتایج.
این روش میتواند مبنای کنترل کیفیت و توسعه محصول باشد.
—
49-47 ـ خطاهای رایج در نقشهبرداری دمایی
خطاهای مهم:
– قرار دادن همه سنسورها در یک نقطه؛
– اندازهگیری فقط دمای هوا؛
– نادیده گرفتن دمای محصول؛
– مقایسه دو آزمون با دمای محیط متفاوت؛
– تغییر همزمان چند متغیر؛
– ثبت نکردن دمای فریزر؛
– عدم تکرار آزمایش.
هرچه روش آزمون استانداردتر باشد، نتیجه قابل اعتمادتر است.
—
49-48 ـ الگوریتم عملی بهینهسازی
برای اصلاح یک جعبه سرد میتوان این ترتیب را دنبال کرد:
مرحله ۱: پیدا کردن نقطه گرم.
مرحله ۲: بررسی مسیر ورود گرما.
مرحله ۳: اصلاح عایق یا پل حرارتی.
مرحله ۴: اصلاح چیدمان ژلپک.
مرحله ۵: اصلاح جرم ژلپک.
مرحله ۶: اصلاح فرمول در صورت نیاز.
مرحله ۷: آزمون مجدد.
این روش از افزایش بیهدف مواد جلوگیری میکند.
—
49-49 ـ چکلیست نهایی طراحی دمای یکنواخت
☐ دمای هدف مشخص است.
☐ دمای اولیه ژلپک مشخص است.
☐ دمای اولیه محصول مشخص است.
☐ جرم ژلپک مشخص است.
☐ ابعاد بسته مشخص است.
☐ حداقل چند نقطه دمایی اندازهگیری شده است.
☐ نقطه گرم شناسایی شده است.
☐ نقطه سرد شناسایی شده است.
☐ عایق بررسی شده است.
☐ درپوش بررسی شده است.
☐ پلهای حرارتی بررسی شدهاند.
☐ چیدمان ژلپک آزمایش شده است.
☐ آزمون حداقل یک بار تکرار شده است.
☐ دمای محیط ثبت شده است.
☐ منحنی دما ـ زمان ذخیره شده است.
☐ معیار پذیرش مشخص است.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
49-50 ـ جمعبندی فصل
طراحی یک ژلپک برای حفظ دمای یکنواخت در جعبه، فقط با افزایش مقدار ماده سردکننده انجام نمیشود.
مهمترین اصل این است که ابتدا مشخص شود گرما از کجا وارد جعبه میشود و کدام قسمت زودتر گرم میشود.
پس از شناسایی نقاط گرم، میتوان با ترکیبی از اقدامات زیر عملکرد را اصلاح کرد:
– بهبود عایق؛
– اصلاح درپوش؛
– حذف پلهای حرارتی؛
– پیشسرد کردن محصول؛
– اصلاح چیدمان ژلپک؛
– استفاده از چند بسته کوچکتر؛
– تنظیم جرم ژلپک؛
– اصلاح ضخامت؛
– اصلاح فرمول آب و پلیآکریلات؛
– کنترل دمای اولیه.
مهمترین ابزار برای این کار، نقشه دمایی است.
بهجای اینکه فقط بگوییم «این جعبه ۲۴ ساعت سرد میماند»، بهتر است مشخص شود:
– دمای شروع چه بوده است؛
– دمای محیط چه بوده است؛
– محصول چه دمایی داشته است؛
– چند ژلپک استفاده شده؛
– جرم هر ژلپک چقدر بوده؛
– عایق چه مشخصاتی داشته؛
– سنسورها کجا قرار گرفتهاند؛
– دمای مرکز و نقاط بحرانی چگونه تغییر کردهاند؛
– و در چه زمانی دمای هدف عبور کرده است.
به این ترتیب، ژلپک از یک «بسته سردکننده ساده» به بخشی از یک سیستم مهندسی کنترل دما تبدیل میشود.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
پیشنهاد موضوع فصل ۵۰
روش محاسبه دقیق عمر حرارتی ژلپک و جعبه عایق؛ بررسی نرخ ورود گرما، ظرفیت سرمایشی مفید، دمای محیط متغیر، مقاومت حرارتی، تعداد ژلپک و روش پیشبینی مدت زمان حفظ دمای هدف
۰ دیدگاه