دانشنامه جامع کمپرس یخ62
فصل ۶۲
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
روش طراحی ژلپک با بیشترین ظرفیت سرمایشی در کمترین حجم؛ بررسی ظرفیت سرمایشی حجمی، چگالی، ضخامت، سطح تماس، هندسه بسته، نسبت آب به پلیآکریلات، تعداد بستهها و بهینهسازی فضای داخل جعبه
62-1 ـ مقدمه
در طراحی سیستمهای سردکننده، گاهی محدودیت اصلی وزن نیست، بلکه فضای داخل جعبه است.
ممکن است یک ژلپک از نظر وزنی مناسب باشد، اما حجم زیادی از فضای جعبه را اشغال کند. در چنین شرایطی باید شاخص دیگری به نام ظرفیت سرمایشی حجمی مورد توجه قرار گیرد.
هدف این فصل طراحی محصولی است که در کمترین حجم ممکن، ظرفیت سرمایشی کافی ایجاد کند.
—
62-2 ـ ظرفیت سرمایشی حجمی چیست؟
ظرفیت سرمایشی حجمی از رابطه زیر قابل تعریف است:
[
VC=\frac{Q_{useful}}{V}
]
که در آن:
– (VC): ظرفیت سرمایشی حجمی؛
– (Q_{useful}): ظرفیت سرمایشی مفید؛
– (V): حجم اشغالشده توسط ژلپک.
واحد میتواند kJ/L یا kJ/m³ باشد.
—
62-3 ـ تفاوت ظرفیت جرمی و حجمی
دو ژلپک ممکن است ظرفیت سرمایشی یکسانی بر حسب کیلوگرم داشته باشند، اما حجم متفاوتی اشغال کنند.
بنابراین باید دو شاخص همزمان بررسی شوند:
[
SC_m=\frac{Q}{m}
]
و:
[
SC_v=\frac{Q}{V}
]
اولی ظرفیت سرمایشی جرمی و دومی ظرفیت سرمایشی حجمی است.
—
62-4 ـ چرا حجم در جعبه اهمیت دارد؟
فرض کنید فضای مفید جعبه ۲۰ لیتر باشد.
اگر ژلپکها ۸ لیتر از آن را اشغال کنند، فقط ۱۲ لیتر برای محصول و فضای گردش هوا باقی میماند.
بنابراین افزایش جرم ژلپک بدون توجه به حجم ممکن است طراحی بستهبندی را دشوار کند.
—
62-5 ـ نقش چگالی
رابطه ساده:
[
\rho=\frac{m}{V}
]
است.
اگر ظرفیت سرمایشی جرمی ثابت باشد، افزایش چگالی میتواند ظرفیت سرمایشی حجمی را افزایش دهد.
اما در ژلپک آبپایه، افزایش چگالی نباید با افزودن موادی انجام شود که عملکرد سرمایشی را کاهش میدهند.
—
62-6 ـ نقش آب در ظرفیت حجمی
آب بخش اصلی سیستمهای سردکننده آبپایه است.
آب علاوه بر گرمای ویژه مناسب، در صورت یخزدن دارای گرمای نهان تغییر فاز است.
گرمای نهان ذوب یخ خالص حدود:
[
334,kJ/kg
]
است.
اما ظرفیت واقعی ژلپک باید آزمایش شود.
—
62-7 ـ نقش پلیآکریلات
پلیآکریلات سدیم در این سیستم بیشتر نقش نگهدارنده آب و ایجاد ساختار ژل دارد.
اگر مقدار پلیمر بسیار زیاد شود:
– جرم افزایش مییابد؛
– هزینه افزایش مییابد؛
– ممکن است رفتار انتقال حرارت تغییر کند.
بنابراین مقدار پلیمر باید به حد موردنیاز محدود شود.
—
62-8 ـ حداقل پلیمر مؤثر
هدف این نیست که بیشترین مقدار پلیمر استفاده شود.
هدف:
کمترین مقدار پلیمر که بتواند آب را با پایداری قابل قبول نگه دارد.
این مقدار باید با آزمایش تعیین شود.
—
62-9 ـ نسبت آب به پلیمر
نسبت مهم فرمولاسیون:
[
R=\frac{M_w}{M_p}
]
است.
برای مثال اگر:
– آب = ۱۰۰۰ گرم؛
– پلیمر = ۱۰ گرم،
باشد:
[
R=100
]
این عدد فقط یک نسبت فرمولاسیونی است و به معنی ظرفیت جذب واقعی پلیمر نیست.
—
62-10 ـ افزایش نسبت آب به پلیمر
افزایش (R) میتواند وزن پلیمر را کاهش دهد، اما اگر بیش از حد افزایش یابد ممکن است:
– آب آزاد؛
– آباندازی؛
– کاهش استحکام ژل؛
– افزایش احتمال نشتی
ایجاد شود.
بنابراین نقطه بهینه باید تجربی تعیین شود.
—
62-11 ـ طراحی آزمایش نسبت آب و پلیمر
برای یک آزمایش داخلی میتوان ۱۰۰۰ گرم آب را با مقادیر مختلف پلیمر آزمایش کرد:
نمونه| آب| پلیمر
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 ظرفیت سرمایشی و پایداری هر نمونه اندازهگیری شود.
—
62-12 ـ حجم واقعی بسته
نباید فقط حجم هندسی فیلم را محاسبه کرد.
بسته واقعی ممکن است به دلیل:
– دوخت؛
– گوشهها؛
– فضای خالی؛
– شکل ژل
حجم متفاوتی داشته باشد.
پس حجم نهایی باید روی محصول واقعی اندازهگیری یا برآورد شود.
—
62-13 ـ ضخامت ژلپک
ضخامت یکی از مهمترین متغیرهای طراحی است.
بسته بسیار ضخیم:
– حجم کمی از نظر سطح اشغال میکند؛
– اما مسیر انتقال حرارت طولانیتر دارد.
بسته تخت:
– سطح تماس بیشتری دارد؛
– معمولاً فاصله انتقال حرارت کمتری دارد.
—
62-14 ـ رابطه تقریبی ضخامت و سرعت انجماد
در بسیاری از شرایط انتقال حرارت، زمان مشخصه انجماد با مربع ضخامت رابطه تقریبی دارد:
[
t\propto L^2
]
بنابراین افزایش ضخامت میتواند زمان انجماد را به شکل قابل توجهی افزایش دهد.
این رابطه یک تقریب مهندسی است و برای محصول واقعی باید آزمایش شود.
—
62-15 ـ سطح تماس
در جعبه، ژلپک باید بتواند با سطح موردنظر تماس مؤثر برقرار کند.
سطح تماس بیشتر ممکن است:
– انتقال حرارت را تسهیل کند؛
– نقاط سرد بیشتری ایجاد کند؛
– امکان توزیع بهتر بستهها را فراهم کند.
—
62-16 ـ بسته تخت
یک ساختار مناسب برای بسیاری از کاربردها:
بسته تخت و نسبتاً پهن
است.
مثلاً به جای یک بسته بسیار ضخیم، میتوان چند بسته تخت طراحی کرد.
البته افزایش تعداد بستهها، هزینه فیلم و دوخت را نیز افزایش میدهد.
—
62-17 ـ نسبت طول به عرض
اگر یک بسته مستطیلی باشد:
[
A=L\times W
]
با ثابت بودن حجم، تغییر نسبت طول به عرض میتواند سطح تماس را تغییر دهد.
بنابراین شکل هندسی باید بر اساس فضای واقعی جعبه انتخاب شود.
—
62-18 ـ یک بسته یا چند بسته؟
فرض کنید ظرفیت سرمایشی موردنیاز با ۲ کیلوگرم ژلپک تأمین میشود.
سه طراحی قابل آزمایش است:
– یک بسته ۲ کیلوگرمی؛
– دو بسته ۱ کیلوگرمی؛
– چهار بسته ۵۰۰ گرمی.
این سه حالت ممکن است رفتار حرارتی متفاوتی داشته باشند.
—
62-19 ـ مزیت چند بسته کوچک
چند بسته کوچک امکان قرارگیری در:
– کف؛
– سقف؛
– دیوارهها؛
– اطراف محصول
را فراهم میکنند.
این روش میتواند برای کاهش نقاط گرم مفید باشد.
—
62-20 ـ معایب چند بسته
افزایش تعداد بستهها باعث افزایش:
– سطح فیلم؛
– تعداد دوخت؛
– عملیات تولید؛
– نقاط بالقوه نشتی
میشود.
بنابراین ظرفیت حجمی تنها معیار انتخاب نیست.
—
62-21 ـ فضای مرده
در بستهبندی، بخشی از فضای جعبه ممکن است به علت شکل نامناسب ژلپک بلااستفاده بماند.
این فضا را میتوان فضای مرده در طراحی داخلی دانست.
ژلپکهای تخت و باریک میتوانند در برخی طراحیها فضای مرده را کاهش دهند.
—
62-22 ـ استفاده از فضای اطراف محصول
در بعضی جعبهها بهترین محل برای ژلپک، کنار محصول است.
در برخی دیگر:
– بالا؛
– پایین؛
– دو طرف؛
– یا ترکیبی از این محلها
بهتر عمل میکند.
انتخاب باید با نقشه دمایی جعبه انجام شود.
—
62-23 ـ چیدمان لایهای
یک روش عملی میتواند چنین باشد:
لایه پایین: ژلپک
لایه میانی: محصول
لایه بالا: ژلپک
در صورت نیاز میتوان از ژلپکهای جانبی نیز استفاده کرد.
این ساختار باید در جعبه واقعی آزمون شود.
—
62-24 ـ جلوگیری از تماس مستقیم نامناسب
اگر محصول یا بسته داخلی به رطوبت حساس باشد، ژلپک نباید به دلیل تشکیل شبنم یا تعریق، مستقیماً با آن تماس داشته باشد.
در این شرایط استفاده از جداکننده یا لایه محافظ میتواند ضروری باشد.
—
62-25 ـ نقش عایق
افزایش ظرفیت سرمایشی بدون کنترل ورود گرما ممکن است اقتصادی نباشد.
مدل ساده ورود گرما:
[
\dot Q=UA\Delta T
]
است.
کاهش (U) از طریق طراحی بهتر عایق میتواند نیاز به جرم زیاد ژلپک را کاهش دهد.
—
62-26 ـ ژلپک کوچکتر با عایق بهتر
فرض کنید دو جعبه دارای بار سرمایشی یکسان باشند.
جعبه A:
– عایق ضعیف؛
– ژلپک زیاد.
جعبه B:
– عایق بهتر؛
– ژلپک کمتر.
در برخی شرایط، جعبه B میتواند وزن و حجم سیستم را کاهش دهد.
—
62-27 ـ محاسبه بار حرارتی محصول
اگر:
[
m=10kg
]
[
Cp=4,kJ/(kg.K)
]
و کاهش دما:
[
\Delta T=8K
]
باشد:
[
Q=10\times4\times8=320kJ
]
این فقط بار محسوس محصول است و گرمای ورودی محیط نیز باید اضافه شود.
—
62-28 ـ محاسبه حجم موردنیاز
فرض کنیم ظرفیت سرمایشی مفید آزمایششده:
[
VC=500,kJ/L
]
و بار موردنیاز:
[
Q=5000kJ
]
باشد.
حجم نظری:
[
V=\frac{5000}{500}=10L
]
خواهد بود.
در طراحی واقعی باید ضریب اطمینان نیز لحاظ شود.
—
62-29 ـ ضریب اطمینان
اگر ضریب اطمینان ۲۰ درصد در نظر گرفته شود:
[
Q_{design}=1.2Q
]
برای مثال:
[
1.2\times5000=6000kJ
]
بنابراین حجم طراحی:
[
V=\frac{6000}{500}=12L
]
خواهد بود.
این فقط نمونه محاسباتی است.
—
62-30 ـ ظرفیت مفید با ظرفیت نظری متفاوت است
ظرفیت محاسباتی نباید بدون آزمون به عنوان ظرفیت تجاری محصول اعلام شود.
ظرفیت واقعی به عوامل زیادی بستگی دارد:
– دمای اولیه؛
– دمای هدف؛
– میزان یخزدگی؛
– آب موجود؛
– ترکیب ژل؛
– فیلم؛
– جعبه؛
– محیط.
—
62-31 ـ نقش دمای اولیه ژلپک
دو بسته با جرم یکسان را در نظر بگیرید.
اگر یکی از آنها کاملاً منجمد و دیگری فقط سرد باشد، عملکرد آنها یکسان نخواهد بود.
بنابراین در آزمون ظرفیت سرمایشی باید دمای اولیه ثبت شود.
—
62-32 ـ اثر دمای محیط
افزایش دمای محیط، نرخ ورود گرما را افزایش میدهد.
بنابراین ظرفیت موردنیاز برای:
– حمل در محیط معتدل؛
– تابستان؛
– فضای بسته؛
– فضای گرم
ممکن است متفاوت باشد.
—
62-33 ـ اثر باز و بسته شدن جعبه
اگر جعبه چندین بار باز شود، هوای گرم وارد آن میشود.
در چنین کاربردی ممکن است ژلپک کوچک از نظر ظرفیت کل مناسب باشد ولی عمر حرارتی واقعی کاهش یابد.
—
62-34 ـ اثر تابش خورشید
در حمل یا استفاده بیرونی، تابش مستقیم خورشید میتواند بار حرارتی را افزایش دهد.
در طراحی فضای بیرونی باید:
– رنگ و ساختار جعبه؛
– سایه؛
– لایه بیرونی؛
– عایق
نیز بررسی شوند.
—
62-35 ـ طراحی برای فضای محدود
اگر حجم جعبه محدود باشد، اول باید فضای موردنیاز محصول تعیین شود.
سپس فضای قابل اختصاص به ژلپک محاسبه شود:
[
V_{pack,max}=V_{box}-V_{product}-V_{other}
]
این روش از طراحی ژلپک بدون توجه به بستهبندی جلوگیری میکند.
—
62-36 ـ مثال فضای واقعی
فرض کنید:
[
V_{box}=30L
]
و:
[
V_{product}=15L
]
باشد.
اگر ۵ لیتر برای جداکننده و فضای داخلی لازم باشد:
[
V_{pack,max}=30-15-5=10L
]
پس کل ژلپک نباید بیش از حدود ۱۰ لیتر فضای مفید اشغال کند.
—
62-37 ـ طراحی ماژولار
به جای ساخت یک محصول در چند اندازه نامرتبط، میتوان یک خانواده محصول طراحی کرد:
– ۲۵۰ گرم؛
– ۵۰۰ گرم؛
– ۱ کیلوگرم؛
– ۲ کیلوگرم.
با ترکیب این بستهها میتوان سیستمهای مختلف ساخت.
—
62-38 ـ مزیت استانداردسازی
استاندارد کردن چند اندازه مشخص باعث کاهش:
– تنوع فیلم؛
– قالبها؛
– تنظیمات دستگاه؛
– موجودی مواد اولیه
میشود.
این موضوع برای تولید انبوه اهمیت دارد.
—
62-39 ـ شاخص ظرفیت به حجم و هزینه
یک شاخص ترکیبی میتواند به شکل زیر تعریف شود:
[
I=\frac{Q_{useful}}{V\times Cost}
]
این شاخص برای مقایسه نمونههای داخلی مفید است.
اما نباید بدون تعریف دقیق هزینه و شرایط آزمون به عنوان استاندارد عمومی استفاده شود.
—
62-40 ـ مقایسه سه فرمول
فرض کنیم سه نمونه آزمایشی داشته باشیم:
نمونه| جرم| حجم| ظرفیت مفید
A| 1 kg| 1.2 L| 400 kJ
B| 1 kg| 1.0 L| 380 kJ
C| 0.9 kg| 0.9 L| 350 kJ
ظرفیت حجمی:
A:
[
333,kJ/L
]
B:
[
380,kJ/L
]
C:
[
389,kJ/L
]
بنابراین نمونهای که جرم کمتری دارد الزاماً ظرفیت حجمی پایینتری ندارد.
—
62-41 ـ وزن در برابر حجم
برای انتخاب ژلپک باید مشخص شود محدودیت اصلی چیست:
اگر محدودیت وزن باشد: ظرفیت kJ/kg مهمتر است.
اگر محدودیت حجم باشد: ظرفیت kJ/L مهمتر است.
اگر هر دو محدود باشند: هر دو شاخص باید همزمان بررسی شوند.
—
62-42 ـ کاهش حجم با افزایش ضخامت؟
افزایش ضخامت میتواند در یک فضای مشخص جرم بیشتری را جای دهد، اما مسیر انتقال حرارت را افزایش میدهد.
بنابراین هدف، «بیشترین جرم در کمترین حجم» نیست؛ بلکه:
بیشترین ظرفیت سرمایشی مفید در فضای قابل قبول
است.
—
62-43 ـ طراحی نازک و عریض
برای جعبههای کمارتفاع، ژلپک نازک و عریض میتواند مناسب باشد.
برای فضاهای باریک و عمقی، ساختار باریک و کشیده ممکن است بهتر باشد.
هندسه باید با جعبه هماهنگ شود.
—
62-44 ـ آزمون واقعی سه هندسه
سه نمونه با حجم یکسان بسازید:
– تخت؛
– متوسط؛
– ضخیم.
سپس برای هرکدام اندازهگیری کنید:
1. زمان انجماد؛
2. دمای مرکز؛
3. ظرفیت سرمایشی؛
4. زمان ذوب؛
5. دوام.
—
62-45 ـ اهمیت دمای مرکز
سطح بسته ممکن است خیلی سریع سرد شود ولی مرکز هنوز گرم باشد.
بنابراین برای تعیین انجماد کامل بهتر است دمای مرکز نیز پایش شود.
این موضوع برای بستههای ضخیم اهمیت بیشتری دارد.
—
62-46 ـ آزمون داخل جعبه
بعد از آزمون مستقل ژلپک، باید آن را در جعبه واقعی آزمایش کرد.
سه حالت پیشنهادی:
آزمون A: ژلپک بالا و پایین.
آزمون B: ژلپک در چهار طرف.
آزمون C: ترکیب بالا، پایین و طرفین.
دمای چند نقطه ثبت و مقایسه شود.
—
62-47 ـ انتخاب طراحی نهایی
طراحی نهایی باید حداقل این شرایط را داشته باشد:
[
Q_{useful}\geq Q_{required}
]
[
V_{pack}\leq V_{available}
]
[
Weight\leq Weight_{limit}
]
و:
[
Leakage=0
]
در صورتی که معیار صفر نشتی برای کاربرد موردنظر تعریف شده باشد.
—
62-48 ـ مسیر عملی توسعه
برای توسعه یک ژلپک با ظرفیت حجمی بالا:
مرحله ۱: تعیین حجم مجاز.
مرحله ۲: تعیین ظرفیت سرمایشی موردنیاز.
مرحله ۳: انتخاب فرمول آب و پلیآکریلات.
مرحله ۴: تعیین حداقل پلیمر مؤثر.
مرحله ۵: طراحی سه ضخامت.
مرحله ۶: آزمون انجماد و ذوب.
مرحله ۷: آزمایش سه هندسه.
مرحله ۸: آزمایش در جعبه واقعی.
مرحله ۹: محاسبه هزینه.
مرحله ۱۰: تثبیت فرمول و ابعاد.
—
62-49 ـ چکلیست محصول کمحجم
☐ حجم مجاز جعبه مشخص شده است.
☐ بار حرارتی محاسبه شده است.
☐ ظرفیت سرمایشی واقعی اندازهگیری شده است.
☐ ظرفیت حجمی محاسبه شده است.
☐ ظرفیت جرمی نیز محاسبه شده است.
☐ مقدار پلیآکریلات بهینه شده است.
☐ آب آزاد کنترل شده است.
☐ ضخامت مناسب انتخاب شده است.
☐ سطح تماس مناسب است.
☐ فیلم و دوخت آزمایش شدهاند.
☐ چند هندسه با هم مقایسه شدهاند.
☐ عملکرد در جعبه واقعی تأیید شده است.
☐ هزینه تولید و حمل محاسبه شده است.
☐ آزمون چرخهای انجام شده است.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
62-50 ـ جمعبندی فصل
در بسیاری از سیستمهای حمل سرد، فضای داخل جعبه یک منبع محدود است. بنابراین طراحی ژلپک تنها بر اساس وزن انجام نمیشود و ظرفیت سرمایشی به ازای حجم اهمیت ویژهای پیدا میکند.
شاخص اصلی این فصل:
[
VC=\frac{Q_{useful}}{V}
]
است.
اما برای رسیدن به یک محصول صنعتی مناسب باید این شاخص در کنار:
[
\frac{Q_{useful}}{m}
]
و هزینه، دوام، زمان انجماد، استحکام و قابلیت تولید بررسی شود.
در ژلپکهای آبپایه، آب معمولاً بخش اصلی سیستم سرمایشی است و پلیآکریلات وظیفه نگهداری آب در ساختار ژل را بر عهده دارد. بنابراین یکی از مهمترین روشهای بهینهسازی، یافتن حداقل مقدار پلیمر لازم برای جلوگیری از آب آزاد و حفظ پایداری است.
از نظر هندسی نیز بسته تخت میتواند در بسیاری از کاربردها مزیت داشته باشد؛ زیرا امکان افزایش سطح تماس، کاهش ضخامت مسیر انتقال حرارت و استفاده بهتر از فضای داخلی جعبه را فراهم میکند.
در نهایت، طراحی موفق باید همزمان چهار سؤال را پاسخ دهد:
1. چه مقدار ظرفیت سرمایشی لازم است؟
2. چه مقدار حجم در جعبه در اختیار ژلپک است؟
3. چه وزنی برای حمل قابل قبول است؟
4. کمهزینهترین ساختاری که هر سه محدودیت را رعایت کند کدام است؟
بنابراین مسیر منطقی توسعه محصول عبارت است از:
محاسبه بار حرارتی → تعیین حجم مجاز → انتخاب فرمول → تعیین حداقل پلیمر → طراحی هندسه → آزمون انجماد و ذوب → آزمایش جعبه واقعی → محاسبه هزینه → تثبیت محصول.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
پیشنهاد موضوع فصل ۶۳
طراحی ژلپک با بیشترین سطح تماس و انتقال حرارت؛ بررسی شکل هندسی، ضخامت، تعداد لایهها، فاصله از محصول، رسانندگی فیلم، گردش هوا، چیدمان داخل جعبه و روش افزایش سرعت سرمایش
۰ دیدگاه