دانشنامه جامع کمپرس یخ54
فصل ۵۴
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
طراحی ژلپک زیر صفر با پلیآکریلات سدیم؛ بررسی کاهش نقطه انجماد، اثر نمکها بر جذب پلیمر، مقدار آب و پلیآکریلات، رفتار ژل در دماهای منفی، انتخاب فیلم، انبساط، استحکام دوخت و آزمون عملکرد در دماهای زیر صفر
54-1 ـ مقدمه
ژلپک زیر صفر زمانی مطرح میشود که هدف سیستم سرمایشی، حفظ دما در محدودهای پایینتر از صفر درجه سانتیگراد باشد. در این کاربرد، طراحی تنها به انتخاب یک پلیمر جاذب آب محدود نمیشود و باید همزمان فرمول، نقطه انجماد، مقدار آب، نوع پلیآکریلات، دمای اولیه، هندسه بسته، فیلم، فضای خالی، انبساط و شرایط جعبه بررسی شود.
مهمترین تفاوت ژلپک زیر صفر با ژلپک معمولی این است که دمای منفی میتواند رفتار آب، ژل، فیلم و دوخت را بهطور همزمان تغییر دهد.
—
54-2 ـ تعریف کاربرد زیر صفر
عبارت «ژلپک زیر صفر» بهتنهایی کافی نیست.
برای طراحی باید مشخص شود هدف مثلاً:
– حدود ۰ تا -۲°C؛
– حدود -۲ تا -۵°C؛
– حدود -۵ تا -۱۰°C؛
– یا دمای پایینتر
است.
هرچه دمای هدف پایینتر باشد، نیاز به بررسی دقیقتر فرمول وجود دارد.
—
54-3 ـ تفاوت دمای هدف با دمای فریزر
تنظیم فریزر مثلاً روی -۱۰°C به این معنی نیست که مرکز ژلپک نیز دقیقاً -۱۰°C خواهد شد.
جرم بسته، ضخامت، جریان هوا، تماس با سطح سرد و مدت زمان ماندن در فریزر، همگی اثر دارند.
بنابراین باید دمای واقعی مرکز ژلپک اندازهگیری شود.
—
54-4 ـ چرا پایین آوردن نقطه انجماد اهمیت دارد؟
آب خالص در شرایط معمول در حدود ۰°C منجمد میشود.
برای دستیابی به رفتار انجمادی پایینتر، میتوان از محلولهای حاوی مواد محلول یا سامانههای خاص استفاده کرد.
اما در ژلپک پلیآکریلاتی، کاهش نقطه انجماد باید همزمان با بررسی اثر ماده محلول بر ساختار ژل انجام شود.
—
54-5 ـ مشکل اصلی افزودن نمک
نمکها میتوانند نقطه انجماد آب را پایین بیاورند، اما یونهای موجود در محلول میتوانند تورم پلیآکریلات را کاهش دهند.
بنابراین ممکن است با افزودن نمک:
دمای انجماد پایینتر شود
ولی همزمان:
مقدار آب قابل نگهداری در ژل کاهش پیدا کند.
این یک مصالحه مهم در طراحی است.
—
54-6 ـ پلیآکریلات سدیم و محیط یونی
پلیآکریلات سدیم یک پلیمر دارای گروههای یونی است و رفتار تورمی آن به محیط آبی وابسته است.
آب دارای یونهای زیاد میتواند نسبت به آب کمیون، تورم متفاوتی ایجاد کند.
به همین دلیل هر فرمول زیر صفر باید با آب واقعی مورد استفاده در تولید آزمایش شود.
—
54-7 ـ نقش آب در ظرفیت سرمایشی
آب همچنان بخش مهم ظرفیت حرارتی ژلپک است.
برای بخش محسوس:
[
Q=mC_p\Delta T
]
و اگر بخشی از آب تغییر فاز دهد، انرژی نهان نیز مطرح میشود.
گرمای نهان ذوب یخ آب خالص در شرایط مرجع تقریباً 334 kJ/kg است، ولی رفتار ژل و محلول را نباید بدون آزمایش با یخ خالص یکسان فرض کرد.
—
54-8 ـ نقش پلیآکریلات در ژلپک زیر صفر
پلیآکریلات باید آب را در ساختاری نسبتاً پایدار نگه دارد.
ویژگیهای مهم آن:
– ظرفیت جذب؛
– سرعت آبگیری؛
– اندازه ذرات؛
– نوع شبکه و میزان اتصال عرضی؛
– پایداری پس از انجماد و ذوب.
است.
—
54-9 ـ انتخاب پلیمر
هر پلیآکریلاتی برای هر دمایی مناسب نیست.
در انتخاب ماده باید بررسی شود:
– ظرفیت جذب در آب موردنظر؛
– رفتار در حضور نمک؛
– اندازه ذرات؛
– پایداری چرخهای؛
– آباندازی؛
– سازگاری با فرآیند تولید.
بهتر است ابتدا نمونههای مختلف در مقیاس کوچک مقایسه شوند.
—
54-10 ـ فرمول پایه بدون نمک
برای شروع توسعه، بهتر است یک نمونه مرجع بسازیم:
آب + پلیآکریلات سدیم
این نمونه مرجع مشخص میکند که خود پلیمر بدون افزودنی چه رفتاری دارد.
سپس میتوان اثر نمک یا سایر مواد را با آن مقایسه کرد.
—
54-11 ـ ماتریس آزمایش نمک
مثلاً چهار فرمول:
نمونه| پلیمر| ماده محلول
A| ثابت| صفر
B| ثابت| کم
C| ثابت| متوسط
D| ثابت| بیشتر
در هر نمونه باید موارد زیر اندازهگیری شود:
– دمای شروع انجماد؛
– دمای مرکز؛
– زمان انجماد؛
– ظرفیت نگهداری آب؛
– آب آزاد؛
– عملکرد پس از ذوب.
مقدار واقعی ماده محلول باید از طریق آزمایش تعیین شود.
—
54-12 ـ افزایش تدریجی نمک
بهتر است ماده محلول به صورت مرحلهای افزایش داده شود.
اگر مقدار زیادی نمک از ابتدا اضافه شود، ممکن است ظرفیت ژل بهشدت تغییر کند و تشخیص علت مشکل دشوار شود.
روش مرحلهای امکان تعیین نقطه بهینه را فراهم میکند.
—
54-13 ـ انتخاب نوع نمک
هر نمک الزاماً رفتار یکسانی ندارد.
عوامل مؤثر:
– نوع یون؛
– غلظت؛
– اثر بر پلیمر؛
– اثر بر خوردگی؛
– قیمت؛
– سازگاری با فیلم و تجهیزات.
بنابراین انتخاب نمک باید فنی و آزمایشگاهی باشد.
—
54-14 ـ محاسبه تقریبی کاهش نقطه انجماد
برای محلولهای رقیق، مفهوم کاهش نقطه انجماد را میتوان بهصورت ساده با رابطه زیر بیان کرد:
[
\Delta T_f=iK_fm
]
که در آن:
– i ضریب وانتهوف؛
– K_f ثابت کاهش نقطه انجماد حلال؛
– m مولالیته است.
این رابطه برای محلولهای واقعی غلیظ یا سیستمهای پلیمری الزاماً بهصورت دقیق قابل استفاده نیست و آزمایش واقعی اهمیت دارد.
—
54-15 ـ چرا محاسبه تئوری کافی نیست؟
ژلپک فقط یک محلول ساده نیست.
در سیستم واقعی ممکن است:
– پلیمر آب را محدود کند؛
– یونها با شبکه پلیمر برهمکنش کنند؛
– آب آزاد و آب متصل متفاوت رفتار کنند؛
– تغییر فاز تدریجی باشد.
پس نقطه انجماد واقعی باید اندازهگیری شود.
—
54-16 ـ آب آزاد در ژلپک زیر صفر
وجود آب آزاد میتواند رفتار انجماد را تغییر دهد.
ممکن است آب آزاد زودتر از بخش ژلی منجمد شود و در نتیجه ساختار بسته ناهمگن شود.
بنابراین مقدار آب آزاد باید قبل و بعد از انجماد بررسی شود.
—
54-17 ـ انجماد آب آزاد
اگر آب آزاد وجود داشته باشد، ممکن است هنگام انجماد به کریستالهای یخ تبدیل شود.
این امر میتواند:
– حجم موضعی را تغییر دهد؛
– فشار ایجاد کند؛
– ساختار ژل را جابهجا کند؛
– فشار بیشتری به فیلم وارد کند.
بنابراین کاهش آب آزاد یک هدف مهم در طراحی است.
—
54-18 ـ نسبت آب به پلیمر
نسبت:
[
R=\frac{M_w}{M_p}
]
یکی از پارامترهای پایه است.
مثلاً:
۱۰۰۰ گرم آب + ۱۰ گرم پلیمر:
[
R=100
]
اما این عدد به معنی جذب قطعی ۱۰۰ برابر نیست.
ظرفیت واقعی به کیفیت آب و مشخصات پلیمر وابسته است.
—
54-19 ـ آزمایش نسبتهای مختلف
یک ماتریس اولیه میتواند شامل:
– 5 گرم پلیمر؛
– 7.5 گرم؛
– 10 گرم؛
– 15 گرم؛
– 20 گرم
در برابر ۱۰۰۰ گرم آب باشد.
برای هر نمونه:
– ژلشدن؛
– آب آزاد؛
– ویسکوزیته؛
– انجماد؛
– ذوب
بررسی شود.
—
54-20 ـ حداقل پلیمر مؤثر
هدف، یافتن کمترین مقدار پلیمر است که ژل:
– یکنواخت؛
– پایدار؛
– کمآبانداز؛
– قابل تولید
باشد.
این مقدار الزاماً بیشترین ظرفیت جذب اعلامشده روی مشخصات ماده نیست.
—
54-21 ـ اثر افزایش پلیمر
افزایش پلیمر میتواند آب آزاد را کاهش دهد، اما ممکن است:
– هزینه را افزایش دهد؛
– ویسکوزیته را زیاد کند؛
– اختلاط را دشوار کند؛
– زمان آبگیری را افزایش دهد.
بنابراین باید نقطه بهینه پیدا شود.
—
54-22 ـ اثر اندازه ذرات
ذرات کوچکتر معمولاً سریعتر آبگیری میشوند، اما رفتار واقعی به ساختار پلیمر نیز بستگی دارد.
ذرات خیلی ریز ممکن است:
– گردوغبار بیشتری ایجاد کنند؛
– پراکندگی دشوارتری داشته باشند؛
– کلوخهسازی را افزایش دهند.
پس اندازه ذرات باید با فرآیند تولید هماهنگ باشد.
—
54-23 ـ روش اختلاط
برای جلوگیری از کلوخهشدن:
1. آب را در مخزن قرار دهید.
2. اختلاط را شروع کنید.
3. پلیمر را تدریجی اضافه کنید.
4. شدت اختلاط را کنترل کنید.
5. اجازه آبگیری بدهید.
6. ژل را از نظر یکنواختی بررسی کنید.
افزودن سریع پودر میتواند کلوخه ایجاد کند.
—
54-24 ـ زمان آبگیری
پس از اختلاط بهتر است زمان مشخصی برای هیدراتهشدن در نظر گرفته شود.
زمان لازم تابع:
– نوع پلیمر؛
– اندازه ذرات؛
– نسبت آب؛
– دمای آب؛
– کیفیت آب؛
– روش اختلاط
است.
—
54-25 ـ ویسکوزیته و پرکردن
ژل بسیار غلیظ ممکن است پرکردن کیسه را دشوار کند.
در نتیجه باید بین:
پایداری ژل
و
قابلیت پمپاژ و پرکردن
تعادل ایجاد شود.
این موضوع در تولید صنعتی اهمیت زیادی دارد.
—
54-26 ـ انتخاب فیلم برای دمای منفی
فیلم باید در دمای پایین:
– انعطافپذیر باشد؛
– شکننده نشود؛
– ترک نخورد؛
– استحکام دوخت را حفظ کند.
انتخاب فیلم صرفاً بر اساس عملکرد آن در دمای اتاق کافی نیست.
—
54-27 ـ فیلم چندلایه
فیلم چندلایه میتواند ویژگیهای متفاوتی را ترکیب کند؛ مانند:
– استحکام؛
– انعطاف؛
– قابلیت دوخت؛
– مقاومت در برابر سوراخشدن.
اما افزایش لایهها معمولاً هزینه و پیچیدگی تولید را افزایش میدهد.
—
54-28 ـ ضخامت فیلم
ضخامت فیلم باید با شرایط استفاده هماهنگ باشد.
فیلم بسیار نازک ممکن است در برابر:
– گوشههای یخ؛
– ضربه؛
– فشار؛
– اصطکاک
آسیبپذیرتر باشد.
از سوی دیگر، فیلم بیش از حد ضخیم نیز میتواند هزینه را افزایش دهد.
—
54-29 ـ انبساط هنگام انجماد
آب هنگام انجماد میتواند افزایش حجم ایجاد کند.
در ژلپک باید:
– حجم پرشده؛
– فضای خالی؛
– انعطاف فیلم؛
– استحکام دوخت
همزمان بررسی شوند.
—
54-30 ـ فضای خالی مناسب
بسته نباید بدون توجه به شرایط انجماد بیش از حد پر شود.
فضای خالی باید به اندازهای باشد که تغییر حجم احتمالی را تحمل کند، ولی آنقدر زیاد نباشد که حرکت ماده و تغییر شکل بسته مشکل ایجاد کند.
مقدار مناسب باید با آزمون واقعی تعیین شود.
—
54-31 ـ استحکام دوخت پس از انجماد
یک دوخت ممکن است در دمای اتاق سالم باشد اما پس از انجماد و انبساط دچار ضعف شود.
بنابراین نمونهها باید:
قبل از انجماد و بعد از انجماد
بررسی شوند.
—
54-32 ـ آزمون فشار پس از انجماد
بسته منجمد میتواند سفتتر و حجیمتر شود.
پس آزمون فشار باید در شرایطی انجام شود که وضعیت واقعی استفاده را شبیهسازی کند.
هدف، شناسایی:
– ترک؛
– بازشدن دوخت؛
– نشت؛
– تغییر شکل دائمی
است.
—
54-33 ـ آزمون سقوط
نمونه منجمد را میتوان تحت آزمون سقوط کنترلشده قرار داد.
پس از آزمون:
– گوشهها؛
– محل دوخت؛
– سطح فیلم؛
– نشتی
بررسی شود.
ارتفاع و شرایط آزمون باید از قبل تعریف شوند.
—
54-34 ـ چرخه انجماد و ذوب
برای ژلپک قابل استفاده مجدد، چرخه زیر مهم است:
انجماد → استفاده → ذوب → بازرسی → انجماد مجدد
پس از چند چرخه باید بررسی شود آیا:
– آب آزاد افزایش یافته؛
– ژل تغییر ساختار داده؛
– فیلم آسیب دیده؛
– دوخت ضعیف شده است یا خیر.
—
54-35 ـ دمای مرکز ژل
در آزمایش زیر صفر، سنسور باید در مرکز یا نقطه تعریفشده قرار گیرد.
اندازهگیری سطح به تنهایی میتواند گمراهکننده باشد.
ممکن است سطح در -10°C باشد ولی مرکز هنوز دمای بسیار بالاتری داشته باشد.
—
54-36 ـ تعریف «انجماد کامل»
انجماد کامل باید با یک معیار عددی داخلی تعریف شود.
مثلاً:
– رسیدن مرکز به دمای مشخص؛
– ثابتشدن دمای مرکز برای مدت معین؛
– یا ترکیبی از داده دما و مشاهده فیزیکی.
معیار باید برای همه نمونهها یکسان باشد.
—
54-37 ـ زمان انجماد
زمان انجماد تابعی از:
– ضخامت؛
– جرم؛
– سطح تماس؛
– دمای فریزر؛
– گردش هوا؛
– نوع فرمول
است.
در طراحی بسته تخت، کاهش ضخامت معمولاً مسیر انتقال حرارت را کوتاهتر میکند.
—
54-38 ـ رابطه تقریبی ضخامت و زمان
در بسیاری از فرآیندهای انتقال حرارت، زمان مشخصه رسانش تقریباً با مربع طول مشخصه تغییر میکند:
[
t\propto L^2
]
این رابطه یک تقریب مهندسی است و برای پیشبینی دقیق ژلپک باید با آزمون واقعی کالیبره شود.
—
54-39 ـ ظرفیت سرمایشی زیر صفر
اگر هدف رسیدن محصول به زیر صفر باشد، بار سرمایشی شامل:
1. کاهش دمای محسوس؛
2. در صورت وجود تغییر فاز، انرژی نهان؛
3. گرمای ورودی محیط
خواهد بود.
پس ظرفیت ژلپک باید نسبت به مجموع این بارها کافی باشد.
—
54-40 ـ مثال محاسبه بار سرمایشی
فرض کنید ۲ کیلوگرم محصول باید از 5°C به -2°C برسد و به طور ساده C_p=4;kJ/(kg.K) در نظر گرفته شود:
[
Q=2\times4\times7=56;kJ
]
این تنها یک محاسبه محسوس ساده است.
اگر خود محصول نیز دچار تغییر فاز شود، محاسبه بسیار متفاوت خواهد شد و باید گرمای نهان آن در نظر گرفته شود.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
54-41 ـ دمای اولیه ژلپک
هرچه ژلپک سردتر باشد، اختلاف دمای اولیه با محصول بیشتر خواهد بود.
این موضوع میتواند نرخ اولیه انتقال حرارت را افزایش دهد.
اما برای محصول حساس به سرما، سرمایش شدید میتواند مشکلساز باشد.
بنابراین دمای اولیه باید بر اساس محصول تعیین شود.
—
54-42 ـ جلوگیری از سرمایش موضعی
در جعبههای زیر صفر، تماس مستقیم ژلپک بسیار سرد با محصول ممکن است نقطهای با دمای پایینتر ایجاد کند.
برای کنترل آن میتوان از:
– جداکننده؛
– فاصله؛
– لایه محافظ؛
– توزیع چند بسته کوچکتر
استفاده کرد.
—
54-43 ـ یک بسته بزرگ یا چند بسته
چند بسته کوچکتر مزایایی مانند:
– توزیع یکنواختتر؛
– سطح تماس بیشتر؛
– انعطاف در چیدمان
دارند.
اما تعداد بیشتر بستهها هزینه فیلم و دوخت را افزایش میدهد.
انتخاب باید بر اساس آزمون حرارتی و اقتصادی باشد.
—
54-44 ـ نقش عایق
در سیستم زیر صفر، عایق اهمیت ویژهای دارد.
نرخ ورود گرما را میتوان به صورت ساده چنین نمایش داد:
[
\dot Q=UA\Delta T
]
هرچه انتقال حرارت کمتر باشد، ظرفیت سرمایشی برای مدت بیشتری حفظ میشود.
—
54-45 ـ آزمون در جعبه واقعی
بعد از ساخت ژلپک، آن را در جعبه واقعی آزمایش کنید.
سنسورها در نقاط:
– مرکز محصول؛
– هوای داخل؛
– ژلپک؛
– محیط
قرار گیرند.
سپس منحنی دما ـ زمان ثبت شود.
—
54-46 ـ طراحی آزمون دمایی
برای هر نمونه موارد زیر ثابت باشد:
– جرم ژلپک؛
– ابعاد؛
– نوع فیلم؛
– جعبه؛
– جرم محصول؛
– دمای محیط؛
– مدت پیشسردسازی.
این کار مقایسه فرمولها را معتبرتر میکند.
—
54-47 ـ معیارهای انتخاب فرمول زیر صفر
معیار| اهمیت
دمای هدف| بسیار مهم
ظرفیت سرمایشی| بسیار مهم
زمان انجماد| مهم
پایداری ژل| مهم
آب آزاد| مهم
مقاومت فیلم| بسیار مهم
استحکام دوخت| بحرانی
هزینه| مهم
چرخهپذیری| مهم
—
54-48 ـ اشتباهات رایج
۱. فرض اینکه افزودن نمک همیشه عملکرد را بهتر میکند.
۲. یکسان دانستن ژلپک و یخ خالص.
۳. اندازهگیری فقط دمای سطح.
۴. پرکردن بیش از حد کیسه.
۵. بیتوجهی به شکنندگی فیلم در دمای پایین.
۶. آزمایش نکردن بعد از چند چرخه.
۷. تعیین فرمول فقط بر اساس ظرفیت جذب آب.
۸. نادیده گرفتن عایق جعبه.
—
54-49 ـ پروتکل پیشنهادی توسعه ژلپک زیر صفر
1. دمای هدف را دقیق تعیین کنید.
2. محصول موردنظر را مشخص کنید.
3. فرمول پایه آب + پلیآکریلات را بسازید.
4. چند نسبت آب به پلیمر را آزمایش کنید.
5. آب آزاد را اندازهگیری کنید.
6. در صورت نیاز، ماده محلول را مرحلهای بررسی کنید.
7. دمای شروع انجماد را اندازهگیری کنید.
8. زمان انجماد را ثبت کنید.
9. دمای مرکز را اندازهگیری کنید.
10. فیلم را در دمای پایین آزمایش کنید.
11. بسته را از نظر انبساط بررسی کنید.
12. آزمون نشتی انجام دهید.
13. آزمون فشار و سقوط انجام دهید.
14. چند چرخه انجماد و ذوب انجام دهید.
15. بسته را در جعبه واقعی آزمایش کنید.
16. دمای محصول را ثبت کنید.
17. منحنی دما ـ زمان را تحلیل کنید.
18. فرمول، هندسه و چیدمان را اصلاح کنید.
19. پس از تکرارپذیری مناسب، مشخصات تولید را تثبیت کنید.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
54-50 ـ جمعبندی فصل
طراحی ژلپک زیر صفر یک مسئله چندمتغیره است. صرفاً افزودن پلیآکریلات یا نمک نمیتواند تضمین کند که محصول به دمای مشخصی برسد یا آن را برای مدت معینی حفظ کند.
در یک سیستم آبپایه، آب مهمترین جزء ظرفیت حرارتی است و پلیآکریلات سدیم وظیفه نگهداری آب و ایجاد ساختار ژلی را دارد.
در صورت استفاده از نمک یا سایر مواد محلول، یک تعادل مهم ایجاد میشود:
کاهش نقطه انجماد ↔ تغییر ظرفیت تورم پلیآکریلات
به همین دلیل بهتر است ابتدا فرمول بدون نمک به عنوان نمونه مرجع ساخته شود و سپس مقدار ماده محلول بهصورت مرحلهای افزایش یابد.
در هر مرحله باید موارد زیر اندازهگیری شوند:
– ظرفیت نگهداری آب؛
– آب آزاد؛
– دمای شروع انجماد؛
– زمان انجماد؛
– دمای مرکز؛
– رفتار ذوب؛
– نشتی؛
– استحکام فیلم؛
– دوام چرخهای.
برای طراحی صنعتی، فیلم و دوخت به اندازه فرمول داخلی اهمیت دارند. انبساط هنگام انجماد، فشار داخلی و شکنندگی احتمالی فیلم باید در شرایط واقعی آزمایش شوند.
همچنین باید میان دمای ژلپک و دمای محصول تفاوت قائل شد. ممکن است ژلپک بسیار سرد باشد اما محصول به دلیل مقاومت حرارتی، عایق و فاصله، به آن دما نرسد. در مقابل، تماس مستقیم با بسته بسیار سرد میتواند باعث ایجاد نقطه سرد شود.
رابطه پایه ظرفیت محسوس:
[
Q=mC_p\Delta T
]
و در صورت وقوع تغییر فاز، انرژی نهان نیز باید در نظر گرفته شود.
در نهایت، یک ژلپک زیر صفر زمانی محصول مهندسیشده محسوب میشود که فرمول، دمای کاری، هندسه، فیلم، دوخت، روش انجماد، چیدمان، جعبه و آزمون عملکرد آن همگی مشخص و قابل تکرار باشند.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
پیشنهاد موضوع فصل ۵۵
طراحی ژلپک با دمای کنترلشده بدون استفاده از نمک؛ بررسی آب، پلیآکریلات سدیم، نسبت آب به پلیمر، ساختار ژل، تغییر فاز، ضخامت بسته، دمای پیشسردسازی و روش دستیابی به سرمایش پایدار و قابل تکرار
۰ دیدگاه