دانشنامه جامع کمپرس یخ55
فصل ۵۵
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
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
55-1 ـ مقدمه
در بسیاری از طراحیهای ژلپک، نخستین راهحل برای تغییر دمای انجماد، افزودن نمک یا مواد محلول است. با این حال، همیشه چنین کاری ضروری نیست.
در بسیاری از کاربردهای عمومی و صنعتی میتوان با استفاده از آب، پلیآکریلات سدیم، هندسه مناسب، فیلم مناسب، دمای اولیه کنترلشده و عایقکاری صحیح به یک رفتار حرارتی قابل پیشبینیتر دست یافت.
هدف این فصل بررسی همین رویکرد است: ساخت ژلپکی که بدون اتکا به نمک، دمای کاری آن تا حد امکان کنترلشده و تکرارپذیر باشد.
—
55-2 ـ منظور از دمای کنترلشده چیست؟
دمای کنترلشده الزاماً به معنی یک دمای کاملاً ثابت نیست.
در عمل میتوان هدف را به صورت یک محدوده تعریف کرد؛ برای مثال:
[
T_{min}\leq T\leq T_{max}
]
مثلاً اگر هدف ۵ تا ۱۰°C باشد، سیستم باید تا حد امکان محصول را در همین محدوده نگه دارد.
بنابراین کنترل دما بیشتر به معنی کنترل رفتار حرارتی در طول زمان است.
—
55-3 ـ چرا حذف نمک میتواند مفید باشد؟
حذف نمک چند مزیت بالقوه دارد:
– فرمول سادهتر؛
– کنترل مواد اولیه آسانتر؛
– کاهش اثر یونی بر پلیآکریلات؛
– کاهش احتمال خوردگی برخی اجزا؛
– سادهتر شدن کنترل کیفیت؛
– کاهش تعداد متغیرهای فرمولاسیون.
البته این به معنی مناسب بودن فرمول بدون نمک برای تمام کاربردها نیست.
—
55-4 ـ فرمول پایه
سادهترین ساختار پیشنهادی:
آب + پلیآکریلات سدیم
است.
در این سیستم:
آب → جزء اصلی حرارتی
و
پلیآکریلات → نگهدارنده آب و ایجادکننده ساختار ژل
است.
سپس بستهبندی و شرایط استفاده رفتار حرارتی نهایی را تعیین میکنند.
—
55-5 ـ نقش دمای اولیه
یکی از سادهترین روشهای کنترل رفتار ژلپک، تغییر دمای اولیه آن است.
مثلاً دو بسته با فرمول یکسان میتوانند در شرایط مختلف از دماهای اولیه متفاوت وارد جعبه شوند.
در نتیجه حتی بدون تغییر ترکیب شیمیایی، رفتار سرمایشی متفاوت خواهد بود.
—
55-6 ـ پیشسردسازی کنترلشده
پیشسردسازی یعنی رساندن ژلپک به دمای مشخص قبل از قرار دادن در سیستم.
این روش میتواند برای کاربردهایی مفید باشد که:
– سرمایش شدید مطلوب نیست؛
– محصول حساس به سرما است؛
– محدوده دمایی مشخصی موردنظر است.
دمای واقعی مرکز بسته باید اندازهگیری شود.
—
55-7 ـ تفاوت فریزر و دمای بسته
اگر فریزر روی دمای خاصی تنظیم شده باشد، این به معنی رسیدن فوری مرکز ژلپک به همان دما نیست.
زمان رسیدن مرکز تابع:
– ضخامت؛
– جرم؛
– سطح تماس؛
– گردش هوا؛
– دمای اولیه
است.
پس «مدت قرارگیری در فریزر» باید همراه با دمای واقعی مرکز ثبت شود.
—
55-8 ـ کنترل از طریق هندسه
یکی از روشهای مؤثر بدون تغییر شیمیایی، تغییر شکل بسته است.
برای مثال میتوان یک جرم مشخص ژل را در:
– بسته نازک؛
– بسته متوسط؛
– بسته ضخیم
تقسیم کرد.
با کاهش ضخامت، مسیر انتقال حرارت کوتاهتر میشود.
—
55-9 ـ رابطه تقریبی ضخامت
در انتقال حرارت رسانشی، زمان مشخصه به طور تقریبی میتواند با مربع طول مشخصه تغییر کند:
[
t\propto L^2
]
بنابراین افزایش دو برابری یک بعد مشخصه میتواند بهطور تقریبی اثر قابل توجهی بر زمان پاسخ حرارتی داشته باشد.
این رابطه برای طراحی اولیه است و باید با آزمون واقعی اصلاح شود.
—
55-10 ـ افزایش سطح تماس
اگر ژلپک تختتر شود:
[
\frac{A}{V}\uparrow
]
و معمولاً انتقال حرارت سریعتر میشود.
این ویژگی را میتوان برای کنترل سرعت سرمایش بدون تغییر مواد اولیه به کار گرفت.
—
55-11 ـ یک بسته ضخیم یا چند بسته تخت
فرض کنید جرم کل ژل ۲ کیلوگرم است.
میتوان آن را به شکل:
– یک بسته ۲ کیلوگرمی؛
– دو بسته ۱ کیلوگرمی؛
– چهار بسته ۵۰۰ گرمی
طراحی کرد.
چند بسته کوچکتر ممکن است انعطاف و توزیع حرارتی بهتری داشته باشند، ولی هزینه فیلم و دوخت افزایش پیدا میکند.
—
55-12 ـ نقش آب
در فرمول بدون نمک، آب مهمترین جزء حرارتی است.
برای تغییر دمای محسوس:
[
Q=mC_p\Delta T
]
با فرض تقریبی:
[
C_p\approx4.18;kJ/(kg.K)
]
برای آب.
بنابراین افزایش جرم آب، در شرایط یکسان، ظرفیت حرارتی را افزایش میدهد.
—
55-13 ـ نقش پلیآکریلات
پلیآکریلات آب را در شبکه خود نگه میدارد.
اما اگر مقدار پلیمر بیش از نیاز باشد، سهم آب در جرم کل کاهش پیدا میکند.
از طرف دیگر، اگر پلیمر بسیار کم باشد، آب آزاد افزایش مییابد.
بنابراین باید یک نقطه تعادل پیدا شود.
—
55-14 ـ نسبت آب به پلیمر
رابطه ساده:
[
R=\frac{M_w}{M_p}
]
است.
برای نمونه:
۱۰۰۰ گرم آب و ۱۰ گرم پلیمر:
[
R=100
]
این نسبت فقط مشخصکننده فرمول است و با ظرفیت جذب واقعی برابر نیست.
—
55-15 ـ تعیین نسبت به روش آزمایش
بهتر است چند نمونه ساخته شود:
نمونه| آب| پلیآکریلات
A| 1000 g| 5 g
B| 1000 g| 7.5 g
C| 1000 g| 10 g
D| 1000 g| 15 g
E| 1000 g| 20 g
سپس آب آزاد، پایداری و عملکرد حرارتی مقایسه شوند.
این مقادیر صرفاً یک ماتریس نمونه هستند.
—
55-16 ـ چرا کمترین پلیمر لزوماً بهترین نیست؟
ممکن است فرمول کمپلیمر از نظر قیمت جذاب باشد، اما:
– آب آزاد زیاد داشته باشد؛
– در فشار ژل از هم جدا شود؛
– نشتی را افزایش دهد؛
– پس از چند چرخه ناپایدار شود.
بنابراین هزینه واقعی باید بر اساس عملکرد نهایی محاسبه شود.
—
55-17 ـ چرا پلیمر بیشتر هم لزوماً بهتر نیست؟
افزایش پلیمر ممکن است:
– هزینه مواد را بالا ببرد؛
– ویسکوزیته را افزایش دهد؛
– اختلاط را دشوار کند؛
– پرکردن را کند کند؛
– سهم آب را کاهش دهد.
پس باید حداقل مقدار مؤثر تعیین شود.
—
55-18 ـ آب آزاد
آب آزاد یکی از مهمترین شاخصهای فرمول است.
برای بررسی ساده:
1. ژل را در ظرف شفاف قرار دهید.
2. چند ساعت نگهداری کنید.
3. سطح و کف را مشاهده کنید.
4. در صورت مشاهده لایه آب، مقدار آن بررسی شود.
این آزمون کیفی است و برای کنترل دقیقتر باید روش کمی تعریف شود.
—
55-19 ـ آباندازی
اگر ژل پس از مدتی آب پس دهد، ممکن است:
– نسبت آب به پلیمر زیاد باشد؛
– ساختار پلیمر مناسب نباشد؛
– آب کیفیت نامناسبی داشته باشد؛
– ژل تحت فشار قرار گرفته باشد.
قبل از تولید انبوه باید علت مشخص شود.
—
55-20 ـ کیفیت آب بدون نمک
حذف نمک به معنی بیاهمیت شدن کیفیت آب نیست.
آب سخت یا دارای یونهای زیاد همچنان میتواند رفتار پلیآکریلات را تغییر دهد.
بنابراین حتی در فرمول ساده، کیفیت آب باید ثابت باشد.
—
55-21 ـ آب تصفیهشده
در صورت اختلاف زیاد بین بچها، استفاده از آب تصفیهشده میتواند بررسی شود.
مزیت اصلی:
کاهش تغییرات ناشی از کیفیت آب
است.
اما هزینه تصفیه نیز باید در محاسبه اقتصادی وارد شود.
—
55-22 ـ اثر pH
pH آب و محیط ژل میتواند بر رفتار پلیمر اثر داشته باشد.
در توسعه محصول بهتر است pH آب ورودی ثبت شود.
اگر از افزودنی دیگری استفاده شود، pH نهایی نیز باید اندازهگیری شود.
—
55-23 ـ روش اختلاط
روش پیشنهادی:
1. آب را وزن کنید.
2. اختلاط را شروع کنید.
3. پلیمر را بهآرامی اضافه کنید.
4. از ایجاد تودههای بزرگ جلوگیری کنید.
5. زمان آبگیری بدهید.
6. یکنواختی ژل را بررسی کنید.
هدف این است که تمام ذرات پلیمر فرصت تماس با آب داشته باشند.
—
55-24 ـ جلوگیری از کلوخه
کلوخه شدن میتواند باعث شود بخش داخلی ذرات خشک باقی بماند.
در نتیجه:
– جذب واقعی کاهش پیدا میکند؛
– ژل ناهمگن میشود؛
– آب آزاد افزایش مییابد.
پس کیفیت اختلاط مستقیماً بر کیفیت محصول اثر دارد.
—
55-25 ـ زمان هیدراتاسیون
بعد از اختلاط، ژل نباید الزاماً بلافاصله بستهبندی شود.
زمان مشخصی برای آبگیری میتواند در فرآیند تعریف شود.
این زمان باید برای هر گرید پلیمر و نسبت آب به صورت تجربی تعیین شود.
—
55-26 ـ ویسکوزیته
ویسکوزیته باید بین دو نیاز تعادل ایجاد کند:
پایداری ژل
و
قابلیت پرکردن کیسه
اگر ژل بیش از حد غلیظ باشد، تجهیزات پرکن ممکن است با مشکل مواجه شوند.
اگر بیش از حد رقیق باشد، آب آزاد افزایش پیدا میکند.
—
55-27 ـ ژل یکنواخت
یک نمونه خوب باید تا حد امکان:
– یکنواخت؛
– بدون کلوخه بزرگ؛
– بدون لایه آب؛
– بدون حباب شدید؛
– قابل پرکردن
باشد.
یکنواختی قبل از آزمایش حرارتی باید تأیید شود.
—
55-28 ـ نقش حباب هوا
حبابهای زیاد میتوانند:
– انتقال حرارت را تغییر دهند؛
– حجم مؤثر ژل را تغییر دهند؛
– شکل بسته را نامنظم کنند.
بنابراین فرآیند اختلاط باید به گونهای باشد که هوای غیرضروری وارد ژل نشود.
—
55-29 ـ انتخاب فیلم
برای فرمول بدون نمک نیز فیلم اهمیت زیادی دارد.
فیلم باید در شرایط:
– دمای پایین؛
– انجماد؛
– ذوب؛
– فشار؛
– حملونقل
پایداری کافی داشته باشد.
—
55-30 ـ دوخت حرارتی
پارامترهای اصلی:
– دمای فک؛
– زمان تماس؛
– فشار؛
– تمیزی محل دوخت.
هستند.
وجود ژل در محل دوخت میتواند استحکام اتصال را کاهش دهد.
—
55-31 ـ فضای خالی
بسته نباید بدون توجه به تغییر حجم احتمالی کاملاً پر شود.
فضای خالی کنترلشده میتواند برای تحمل تغییر حجم مفید باشد.
اما فضای بسیار زیاد نیز میتواند حرکت داخلی ژل را افزایش دهد.
—
55-32 ـ آزمون انجماد
برای هر نمونه باید ثبت شود:
– دمای فریزر؛
– زمان شروع؛
– دمای سطح؛
– دمای مرکز؛
– زمان رسیدن مرکز به دمای موردنظر.
این دادهها برای مقایسه نمونهها ضروری هستند.
—
55-33 ـ آزمون ذوب
پس از خروج از فریزر، دما در طول زمان ثبت شود.
مثلاً:
زمان| دمای مرکز
0 h| -X°C
2 h| X°C
4 h| X°C
8 h| X°C
12 h| X°C
اعداد باید از آزمایش واقعی به دست آیند.
—
55-34 ـ تعیین محدوده کاری
برای هر کاربرد باید محدوده قابل قبول مشخص شود.
مثلاً:
[
5\leq T\leq10^\circ C
]
سپس محاسبه شود که ژلپک چه مدت در شرایط واقعی میتواند این محدوده را حفظ کند.
—
55-35 ـ کنترل با دمای اولیه به جای نمک
اگر فرمول پایه عملکرد مناسبی دارد، میتوان بدون تغییر ترکیب، رفتار سیستم را با دمای اولیه تغییر داد.
برای نمونه:
– پیشسردسازی کامل؛
– پیشسردسازی متوسط؛
– پیشسردسازی ملایم.
سه حالت قابل مقایسه هستند.
—
55-36 ـ کنترل با جرم
جرم ژلپک نیز ابزار تنظیم عملکرد است.
افزایش جرم معمولاً ظرفیت کل سرمایشی را بالا میبرد، اما هزینه و وزن حمل را نیز افزایش میدهد.
کاهش جرم نیز ممکن است زمان ماندگاری را کم کند.
بنابراین جرم باید با بار حرارتی جعبه هماهنگ باشد.
—
55-37 ـ کنترل با ضخامت
فرض کنید دو بسته جرم برابر دارند.
بسته تختتر:
– سطح تماس بیشتری دارد؛
– مرکز آن به سطح نزدیکتر است؛
– ممکن است سریعتر منجمد و ذوب شود.
بسته ضخیمتر:
– ظرفیت موضعی بیشتری دارد؛
– اما پاسخ حرارتی آن کندتر است.
—
55-38 ـ کنترل با چیدمان
میتوان بدون تغییر فرمول، محل قرارگیری بستهها را تغییر داد.
مثلاً:
طرح A: بالا و پایین
طرح B: چهار طرف
طرح C: ترکیبی
این روش میتواند برای تنظیم یکنواختی دما بسیار مؤثر باشد.
—
55-39 ـ کنترل با عایق
افزایش مقاومت حرارتی جعبه میتواند نرخ ورود گرما را کاهش دهد.
رابطه ساده:
[
R=\frac{L}{kA}
]
است.
افزایش ضخامت عایق یا کاهش ضریب هدایت حرارتی میتواند مقاومت حرارتی را افزایش دهد.
—
55-40 ـ سیستم واقعی
ژلپک به تنهایی سیستم کنترل دما نیست.
سیستم واقعی شامل:
ژلپک + محصول + جعبه + عایق + هوا + محیط
است.
پس اصلاح هر بخش میتواند نتیجه نهایی را تغییر دهد.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
55-41 ـ آزمایش جعبه خالی
ابتدا میتوان جعبه را بدون محصول آزمایش کرد.
هدف:
– شناخت رفتار حرارتی خود جعبه؛
– تعیین نرخ ورود گرما؛
– شناسایی نقاط گرم و سرد.
سپس محصول واقعی اضافه شود.
—
55-42 ـ آزمایش جعبه با محصول
در مرحله دوم:
– جرم محصول ثابت؛
– دمای اولیه محصول ثابت؛
– تعداد ژلپک ثابت؛
– دمای اولیه ژلپک ثابت
نگه داشته شود.
سپس منحنی دما ـ زمان ثبت گردد.
—
55-43 ـ سنسورهای پیشنهادی
برای آزمون دقیقتر میتوان از چند نقطه اندازهگیری استفاده کرد:
1. مرکز محصول؛
2. سطح محصول؛
3. مرکز ژلپک؛
4. هوای داخل جعبه؛
5. محیط بیرون.
این کار امکان شناسایی نقاط سرد و گرم را فراهم میکند.
—
55-44 ـ مدت ماندگاری در محدوده
فرض کنید هدف ۵ تا ۱۰°C است.
اگر محصول ساعت ۴ وارد محدوده شود و ساعت ۲۰ از آن خارج شود:
[
t_{range}=16h
]
این شاخص برای مقایسه فرمولها بسیار کاربردی است.
—
55-45 ـ آزمایش ۱۲، ۲۴ و ۴۸ ساعته
برای توسعه محصول میتوان سه آزمون استاندارد داخلی تعریف کرد:
آزمون| هدف
۱۲ ساعت| غربال اولیه
۲۴ ساعت| کاربرد معمول
۴۸ ساعت| کاربرد طولانیتر
دمای محیط و شرایط جعبه باید در هر آزمون ثبت شوند.
—
55-46 ـ آزمون چرخهای
ژلپک قابل استفاده مجدد باید چند چرخه را تحمل کند:
انجماد → ذوب → انجماد
پس از هر چرخه:
– نشتی؛
– تغییر شکل؛
– آباندازی؛
– کیفیت دوخت؛
– عملکرد حرارتی
بررسی شود.
—
55-47 ـ معیار انتخاب فرمول
فرمول نهایی باید مجموعهای از ویژگیها داشته باشد:
شاخص| هدف
آب آزاد| کم
پایداری ژل| بالا
ظرفیت سرمایشی| کافی
زمان انجماد| قابل قبول
نشتی| حداقل
هزینه| اقتصادی
تولیدپذیری| مناسب
دوام| قابل قبول
مقادیر عددی این شاخصها باید برای محصول خاص تعیین شوند.
—
55-48 ـ اشتباهات رایج
۱. تصور اینکه حذف نمک بهتنهایی دما را کنترل میکند.
۲. استفاده از دمای فریزر به جای دمای واقعی مرکز ژل.
۳. افزایش بیش از حد پلیمر.
۴. بیتوجهی به آب آزاد.
۵. پرکردن بیش از حد کیسه.
۶. آزمایش نکردن فیلم پس از انجماد.
۷. آزمایش نکردن محصول در جعبه واقعی.
۸. ثبت نکردن دمای محیط.
—
55-49 ـ روش پیشنهادی توسعه یک ژلپک کنترلشده
برای توسعه محصول میتوان این مسیر را دنبال کرد:
1. محدوده دمایی هدف را تعیین کنید.
2. فرمول پایه آب + پلیآکریلات را انتخاب کنید.
3. چند نسبت آب به پلیمر بسازید.
4. آب آزاد را بررسی کنید.
5. یکنواختی ژل را بررسی کنید.
6. نمونهها را در فیلم واقعی پر کنید.
7. وزن و ابعاد را کنترل کنید.
8. دوخت را کنترل کنید.
9. چند دمای پیشسردسازی را آزمایش کنید.
10. زمان انجماد را اندازهگیری کنید.
11. ژلپک را در جعبه واقعی قرار دهید.
12. دمای محصول را ثبت کنید.
13. منحنی دما ـ زمان تهیه کنید.
14. مدت حضور در محدوده هدف را محاسبه کنید.
15. جرم، ضخامت یا چیدمان را اصلاح کنید.
16. آزمون را تکرار کنید.
17. چرخههای انجماد و ذوب را بررسی کنید.
18. فرمول و مشخصات نهایی را تثبیت کنید.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
55-50 ـ جمعبندی فصل
ساخت ژلپک با دمای کنترلشده الزاماً نیازمند استفاده از نمک یا مواد شیمیایی متعدد نیست.
در بسیاری از طراحیهای اولیه، میتوان با یک سیستم ساده شامل:
آب + پلیآکریلات سدیم + فیلم مناسب
شروع کرد و سپس با کنترل متغیرهای فیزیکی، رفتار حرارتی را تنظیم نمود.
مهمترین ابزارهای کنترل عبارتاند از:
– دمای اولیه ژلپک؛
– جرم ژلپک؛
– ضخامت؛
– سطح تماس؛
– تعداد بستهها؛
– چیدمان؛
– عایق؛
– دمای اولیه محصول؛
– کیفیت آب.
فرمول پایه:
[
Q=mC_p\Delta T
]
برای محاسبه بخش محسوس ظرفیت حرارتی استفاده میشود و در صورت وقوع تغییر فاز، انرژی نهان نیز باید بررسی شود.
مزیت مهم طراحی بدون نمک، سادهتر شدن فرمول و کاهش تعداد متغیرهای مؤثر بر عملکرد پلیآکریلات است. این موضوع میتواند برای تولید اقتصادی و کنترل کیفیت صنعتی مفید باشد.
البته حذف نمک به معنی ثابت شدن خودکار دمای ژلپک نیست. دمای واقعی همچنان به شرایط انجماد، مقدار آب، هندسه، انتقال حرارت و محیط وابسته خواهد بود.
برای رسیدن به محصولی با عملکرد قابل تکرار، باید فرمولاسیون و طراحی فیزیکی با هم بهینه شوند. در بسیاری از موارد، تغییر ضخامت یا دمای اولیه ژلپک میتواند بدون تغییر شیمیایی فرمول، رفتار سیستم را به میزان قابل توجهی تغییر دهد.
مهمترین اصل این فصل عبارت است از:
به جای تلاش برای تغییر اجباری نقطه انجماد با افزودن مواد بیشتر، ابتدا بررسی کنید آیا میتوان با آب، پلیآکریلات، هندسه، دمای اولیه و عایق مناسب به محدوده دمایی موردنظر رسید یا خیر.
این رویکرد علاوه بر سادهتر بودن، امکان کنترل و تکرارپذیری بیشتری در فرآیند تولید ایجاد میکند.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
پیشنهاد موضوع فصل ۵۶
طراحی ژلپک با حداکثر آب و حداقل پلیآکریلات؛ بررسی مرز آب آزاد، ظرفیت جذب واقعی، پایداری ژل، کاهش قیمت تمامشده، افزایش ظرفیت سرمایشی و تعیین کمترین مقدار پلیمر موردنیاز برای تولید اقتصادی
۰ دیدگاه