دانشنامه جامع کمپرس یخ39
فصل ۳۹
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
مقایسه مواد سردکننده در ژلپک؛ بررسی آب، یخ، پلیآکریلات سدیم، پلیآکریلات پتاسیم، هیدروژلها، مواد تغییر فازدهنده و سامانههای خودسردشونده از نظر ظرفیت سرمایشی، قیمت، ایمنی، دوام و قابلیت تولید صنعتی
مقدمه
انتخاب ماده سردکننده، یکی از مهمترین مراحل طراحی کمپرس یخ و ژلپک است. بسیاری از محصولات ظاهراً مشابه، از نظر ماده داخلی، روش تولید، ظرفیت سرمایشی، زمان انجماد، زمان ذوب، انعطافپذیری، قیمت و دوام تفاوت قابل توجهی دارند.
در سادهترین حالت، میتوان از آب استفاده کرد و با انجماد آن یک بسته سرمایشی ساخت. در ساختارهای دیگر، آب توسط پلیمرهای فوقجاذب مانند پلیآکریلات سدیم نگهداری میشود. همچنین میتوان از هیدروژلها، مواد تغییر فازدهنده یا در برخی محصولات خاص از سیستمهای خودسردشونده استفاده کرد.
نکته اساسی این است که مادهای که بیشترین جذب آب را دارد الزاماً مادهای نیست که بیشترین ظرفیت سرمایشی را ایجاد میکند.
ظرفیت سرمایشی، زمان انجماد، رفتار ذوب و انتقال حرارت باید در محصول نهایی بررسی شوند.
—
۳۹-۱ ـ دستهبندی مواد سردکننده
مواد و ساختارهای مورد استفاده در این حوزه را میتوان به چند گروه تقسیم کرد:
۱. آب و یخ؛
۲. ژل آبپایه؛
۳. پلیآکریلات سدیم؛
۴. پلیآکریلات پتاسیم؛
۵. سایر پلیمرهای فوقجاذب؛
۶. هیدروژلهای مختلف؛
۷. محلولهای نمکی؛
۸. مواد تغییر فازدهنده؛
۹. سامانههای خودسردشونده.
—
۳۹-۲ ـ آب؛ سادهترین ماده
آب یکی از سادهترین مواد برای طراحی بسته سردکننده است.
مزیتهای آن:
– قیمت نسبتاً پایین؛
– دسترسی آسان؛
– ظرفیت گرمایی مناسب؛
– امکان انجماد و ذوب؛
– فرایند تولید ساده.
محدودیت اصلی، روانبودن آب و احتمال نشتی در صورت خرابی بستهبندی است.
—
۳۹-۳ ـ یخ آب خالص
یخ آب خالص در صورت انجماد کامل، از گرمای نهان ذوب قابل توجهی برخوردار است.
مقدار مرجع گرمای نهان ذوب آب در نزدیکی نقطه انجماد حدود:
۳۳۴ kJ/kg
است.
این مقدار برای محاسبات نظری بسیار مهم است.
—
۳۹-۴ ـ ظرفیت سرمایشی یخ
اگر یک کیلوگرم یخ در نزدیکی صفر درجه ذوب شود، تقریباً:
۳۳۴ kJ
انرژی در مرحله تغییر فاز جذب میکند.
البته ظرفیت واقعی یک سیستم سردکننده به شرایط اولیه و محدوده دمایی موردنظر نیز وابسته است.
—
۳۹-۵ ـ ژل آبپایه
در ژلپک، آب درون یک ساختار ژلی نگهداری میشود.
این ساختار میتواند:
– نشتی را کاهش دهد؛
– انعطاف بسته را افزایش دهد؛
– جابهجایی را آسانتر کند؛
– شکل ماده را کنترل کند.
—
۳۹-۶ ـ نقش پلیمر
پلیمر معمولاً نقش اصلی در نگهداری آب دارد.
بنابراین باید میان:
ظرفیت جذب آب
و
ظرفیت سرمایشی
تفاوت گذاشت.
—
۳۹-۷ ـ پلیآکریلات سدیم
پلیآکریلات سدیم یکی از پلیمرهای فوقجاذب شناختهشده است که میتواند مقدار زیادی آب را در شبکه خود نگه دارد.
مقدار واقعی جذب به عوامل متعددی مانند:
– نوع پلیمر؛
– اندازه ذرات؛
– آب؛
– املاح؛
– pH؛
– فشار مکانیکی
وابسته است.
—
۳۹-۸ ـ چرا پلیآکریلات سدیم جذاب است؟
برای طراحی ژلپک، این ماده میتواند مزایایی داشته باشد:
– تبدیل آب به ژل؛
– کاهش روانشدن محتویات؛
– امکان ساخت بستههای انعطافپذیر؛
– قابلیت تولید فرمولاسیونهای مختلف.
اما میزان مصرف باید با آزمایش تعیین شود.
—
۳۹-۹ ـ پلیآکریلات پتاسیم
پلیآکریلات پتاسیم نیز از خانواده پلیمرهای فوقجاذب است.
در برخی کاربردهای کشاورزی استفاده از آن رایج است، اما برای ژلپک باید عملکرد آن به صورت اختصاصی آزمایش شود.
نمیتوان صرفاً براساس عملکرد یک پلیمر در خاک، عملکرد سرمایشی آن را نتیجهگیری کرد.
—
۳۹-۱۰ ـ مقایسه اولیه پلیآکریلاتها
ویژگی| پلیآکریلات سدیم| پلیآکریلات پتاسیم
جذب آب| وابسته به گرید| وابسته به گرید
رفتار در آب شور| معمولاً کاهش جذب| معمولاً کاهش جذب
قابلیت ژلسازی| دارد| دارد
کاربرد کشاورزی| رایج| رایج
کاربرد ژلپک| قابل بررسی| نیازمند آزمون
هزینه| وابسته به بازار| وابسته به بازار
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۳۹-۱۱ ـ اثر نمک بر پلیمر
وجود یونها معمولاً باعث کاهش تورم بسیاری از پلیمرهای فوقجاذب میشود.
بنابراین آب خالص و آب دارای املاح میتوانند رفتار متفاوتی ایجاد کنند.
—
۳۹-۱۲ ـ چرا کاهش تورم اهمیت دارد؟
اگر پلیمر در آب شور آب کمتری جذب کند، مقدار آب قابل نگهداری در ژل کاهش مییابد.
در نتیجه ممکن است:
– ژل سفتتر شود؛
– آب آزاد ایجاد شود؛
– نسبت واقعی آب به پلیمر تغییر کند.
—
۳۹-۱۳ ـ هیدروژل چیست؟
هیدروژل شبکهای پلیمری است که مقدار زیادی آب را در خود نگه میدارد.
هیدروژلها میتوانند از مواد مختلف ساخته شوند و خواص آنها با توجه به ساختار شیمیایی و میزان اتصال عرضی متفاوت است.
—
۳۹-۱۴ ـ تفاوت هیدروژل و پلیآکریلات
«هیدروژل» یک عنوان گسترده برای یک خانواده از مواد است.
پلیآکریلات سدیم میتواند یکی از ساختارهای مورد استفاده برای ایجاد هیدروژل آبدار باشد.
بنابراین این دو اصطلاح همیشه رقیب مستقیم یکدیگر نیستند.
—
۳۹-۱۵ ـ میزان اتصال عرضی
ساختار شبکه پلیمری بر میزان تورم اثر دارد.
اتصال عرضی بیشتر میتواند ساختار را محکمتر کند، ولی ممکن است ظرفیت تورم را کاهش دهد.
—
۳۹-۱۶ ـ اندازه ذرات
اندازه ذرات میتواند بر سرعت جذب آب و زمان تشکیل ژل اثر بگذارد.
ذرات ریز معمولاً سطح تماس بیشتری دارند، اما هنگام اختلاط ممکن است بیشتر مستعد کلوخهشدن باشند.
—
۳۹-۱۷ ـ سرعت جذب
برای تولید صنعتی، فقط ظرفیت نهایی مهم نیست.
سرعت رسیدن به وضعیت پایدار نیز اهمیت دارد.
اگر ژل خیلی دیر تشکیل شود، زمان تولید افزایش مییابد.
—
۳۹-۱۸ ـ آب آزاد
اگر نسبت آب بیش از ظرفیت نگهداری ساختار باشد، بخشی از آب ممکن است آزاد بماند.
آب آزاد میتواند در اثر فشار یا آسیب بستهبندی به صورت مایع حرکت کند.
—
۳۹-۱۹ ـ ژل بسیار سفت
افزایش شدید پلیمر میتواند ژل بسیار غلیظ ایجاد کند.
این وضعیت ممکن است:
– پمپاژ را دشوار کند؛
– پرکردن کیسه را مشکل کند؛
– انتقال حرارت را تغییر دهد.
—
۳۹-۲۰ ـ ژل بسیار رقیق
در طرف مقابل، پلیمر کم میتواند ژلی ایجاد کند که مقدار زیادی آب آزاد دارد.
بنابراین طراحی باید میان:
قابلیت نگهداری آب
و
قابلیت تولید و عملکرد حرارتی
تعادل برقرار کند.
—
۳۹-۲۱ ـ محلولهای نمکی
محلول نمکی میتواند نقطه انجماد آب را کاهش دهد.
به همین دلیل بعضی سامانههای سردکننده برای رسیدن به دماهای زیر صفر از محلولهای نمکی استفاده میکنند.
—
۳۹-۲۲ ـ مزیت محلول نمکی
مهمترین مزیت، امکان طراحی دمای انجماد پایینتر از آب خالص است.
اما این موضوع به معنی افزایش همزمان تمام شاخصهای عملکرد نیست.
—
۳۹-۲۳ ـ عیب محلول نمکی
نمک میتواند:
– خوردگی ایجاد کند؛
– بر پلیمر اثر بگذارد؛
– تورم پلیمر را کاهش دهد؛
– انتخاب فیلم را محدود کند.
بنابراین استفاده از آن باید براساس آزمون انجام شود.
—
۳۹-۲۴ ـ رابطه نمک و پلیآکریلات
در ژلپک حاوی پلیآکریلات، افزودن نمک میتواند همزمان دو اثر ایجاد کند:
کاهش نقطه انجماد
و
کاهش ظرفیت تورم پلیمر
این یک مسئله طراحی مهم است.
—
۳۹-۲۵ ـ مواد تغییر فازدهنده
PCMها موادی هستند که در یک محدوده دمایی مشخص مقدار قابل توجهی گرما جذب یا آزاد میکنند.
این مواد برای کاربردهای حرارتی کنترلشده اهمیت دارند.
—
۳۹-۲۶ ـ مزیت PCM
اگر دمای تغییر فاز مناسب انتخاب شود، PCM میتواند برای نگهداشتن سیستم در یک محدوده دمایی خاص مفید باشد.
—
۳۹-۲۷ ـ محدودیت PCM
برخی PCMها:
– گرانتر هستند؛
– نیازمند بستهبندی خاصاند؛
– ممکن است چگالی یا ویسکوزیته متفاوت داشته باشند؛
– نیازمند آزمون چرخهای هستند.
—
۳۹-۲۸ ـ PCM در مقابل آب
آب مادهای ساده و ارزان است.
PCM بیشتر زمانی جذاب میشود که کنترل محدوده دمایی از سادگی و قیمت پایین مهمتر باشد.
—
۳۹-۲۹ ـ سامانههای خودسردشونده
این محصولات به جای استفاده از انرژی ذخیرهشده در فریزر، از یک فرآیند جذب گرما در زمان مصرف استفاده میکنند.
این موضوع در فصل ۳۸ توضیح داده شد.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۳۹-۳۰ ـ مقایسه ظرفیت سرمایشی
برای مقایسه اولیه میتوان از رابطه زیر استفاده کرد:
Q = m × Cp × ΔT
و برای تغییر فاز:
Q = m × L
اما این روابط باید برای ماده و شرایط واقعی اصلاح و با آزمایش تأیید شوند.
—
۳۹-۳۱ ـ ظرفیت سرمایشی بر حسب جرم
گاهی ظرفیت بر اساس:
kJ/kg
گزارش میشود.
این شاخص برای مقایسه مواد مفید است، اما برای محصول واقعی کافی نیست.
—
۳۹-۳۲ ـ ظرفیت سرمایشی بر حسب حجم
در حملونقل، فضای اشغالشده اهمیت دارد.
بنابراین:
kJ/L
نیز میتواند شاخص مناسبی باشد.
—
۳۹-۳۳ ـ ظرفیت سرمایشی بر اساس قیمت
برای تولید اقتصادی، شاخص دیگری نیز اهمیت دارد:
kJ به ازای هر واحد هزینه
ممکن است مادهای ظرفیت حرارتی مناسبی داشته باشد، اما به دلیل قیمت بالا برای محصول اقتصادی مناسب نباشد.
—
۳۹-۳۴ ـ سرعت انجماد
دو ماده با ظرفیت سرمایشی مشابه میتوانند زمان انجماد متفاوتی داشته باشند.
هندسه، ضخامت، رسانایی حرارتی، دمای فریزر و گردش هوا نیز مؤثرند.
—
۳۹-۳۵ ـ سرعت ذوب
سرعت ذوب نیز به:
– جرم؛
– ضخامت؛
– سطح تماس؛
– دمای محیط؛
– عایق؛
– وضعیت ماده
وابسته است.
—
۳۹-۳۶ ـ دوام چرخهای
برای ژلپک قابل استفاده مجدد، باید چرخههای:
انجماد → ذوب → انجماد
بررسی شوند.
پس از چند چرخه، موارد زیر باید کنترل شوند:
– نشتی؛
– تغییر حجم؛
– تغییر بافت؛
– کاهش عملکرد؛
– آسیب فیلم.
—
۳۹-۳۷ ـ پایداری ژل
یک ژل مناسب نباید در شرایط نگهداری عادی به سرعت دچار آباندازی یا جدایش شود.
آزمون پایداری باید در شرایط واقعی انجام شود.
—
۳۹-۳۸ ـ سازگاری با فیلم
ماده داخلی نباید به مرور زمان باعث:
– شکنندگی؛
– تورم غیرعادی؛
– تغییر چسبندگی؛
– ضعف دوخت
شود.
—
۳۹-۳۹ ـ انتخاب ماده برای محصول اقتصادی
برای محصول اقتصادی، معمولاً ترکیبی از این شاخصها بررسی میشود:
قیمت ماده + ظرفیت حرارتی + مقدار مصرف + هزینه بستهبندی + سرعت تولید
—
۳۹-۴۰ ـ انتخاب ماده برای محصول حرفهای
در محصول حرفهای ممکن است موارد زیر اهمیت بیشتری پیدا کنند:
– محدوده دمایی دقیق؛
– ثبات عملکرد؛
– چرخه عمر؛
– قابلیت ردیابی؛
– کنترل کیفیت.
—
۳۹-۴۱ ـ جدول مقایسه کلی
ماده/ساختار| انجمادپذیری| انعطاف| پیچیدگی| هزینه نسبی| قابلیت تولید
آب| بسیار مناسب| کم| کم| پایین| بسیار خوب
ژل آبپایه| مناسب| زیاد| متوسط| پایین تا متوسط| خوب
پلیآکریلات + آب| مناسب| زیاد| متوسط| وابسته به پلیمر| خوب
محلول نمکی| مناسب| کم تا متوسط| متوسط| پایین تا متوسط| خوب
PCM| وابسته به نوع| وابسته به نوع| بالا| متوسط تا بالا| مناسب
خودسردشونده| معمولاً متفاوت| وابسته به طراحی| بالا| وابسته به فناوری| نیازمند طراحی ویژه
—
۳۹-۴۲ ـ برای محصول صنعتی عمومی
اگر هدف ساخت یک محصول عمومی صنعتی باشد، ترکیب:
آب + پلیمر فوقجاذب مناسب + فیلم مقاوم
میتواند یکی از مسیرهای ساده برای نمونهسازی باشد.
اما نسبت مواد باید با آزمایش تعیین شود.
—
۳۹-۴۳ ـ برای ظرفیت سرمایشی بالا
اگر هدف افزایش ظرفیت سرمایشی باشد، باید مقدار آب مؤثر، مقدار ماده منجمدشونده و جرم کل مورد بررسی قرار گیرد.
افزایش پلیمر بدون افزایش مناسب آب لزوماً ظرفیت سرمایشی را افزایش نمیدهد.
—
۳۹-۴۴ ـ برای دمای پایینتر
اگر رسیدن به دمای زیر صفر اهمیت داشته باشد، میتوان سیستمهای حاوی محلولهای مناسب یا PCM را بررسی کرد.
در چنین محصولی سازگاری ماده با پلیمر و فیلم نیز باید آزمایش شود.
—
۳۹-۴۵ ـ برای ماندگاری طولانی
برای افزایش مدت سرمایش، فقط ماده داخلی مهم نیست.
باید:
– جرم مناسب؛
– ضخامت مناسب؛
– عایق مناسب؛
– دمای اولیه مناسب؛
– چیدمان مناسب
همزمان طراحی شوند.
—
۳۹-۴۶ ـ روش آزمایش مقایسه مواد
برای مقایسه واقعی، میتوان چند نمونه با جرم مساوی ساخت.
سپس:
۱. همه نمونهها در شرایط یکسان آماده شوند.
۲. دمای اولیه یکسان شود.
۳. در یک محیط ثابت قرار گیرند.
۴. دما با دیتالاگر ثبت شود.
۵. نمودار دما ـ زمان مقایسه شود.
—
۳۹-۴۷ ـ آزمایش با حجم مساوی
مرحله بعد میتواند مقایسه بر اساس حجم مساوی باشد.
این آزمون برای حملونقل مهم است، زیرا فضای جعبه محدود است.
—
۳۹-۴۸ ـ آزمایش بر اساس هزینه مساوی
برای تصمیم اقتصادی، حتی میتوان نمونههایی با:
هزینه ماده داخلی یکسان
ساخت.
در این حالت مشخص میشود با بودجه یکسان، کدام فرمولاسیون ظرفیت عملکردی بیشتری ارائه میدهد.
—
۳۹-۴۹ ـ روش انتخاب نهایی
انتخاب نهایی باید بر اساس یک ماتریس تصمیم فنی انجام شود:
معیار| اهمیت
ظرفیت سرمایشی| بسیار مهم
مدت حفظ سرمایش| بسیار مهم
قیمت| مهم
زمان انجماد| مهم
نشتی| بسیار مهم
دوام| مهم
ایمنی| بسیار مهم
تولیدپذیری| بسیار مهم
سازگاری فیلم| مهم
این جدول باید با دادههای واقعی هر محصول تکمیل شود.
—
۳۹-۵۰ ـ جمعبندی فصل
هیچ ماده سردکنندهای را نمیتوان بدون توجه به کاربرد، به عنوان راهحل واحد برای تمام ژلپکها معرفی کرد.
آب و یخ سادهترین ساختار و مبنای بسیاری از محاسبات حرارتی هستند.
پلیآکریلات سدیم و سایر پلیمرهای فوقجاذب، بیشتر نقش نگهداری آب و ایجاد ساختار ژلی دارند و میزان واقعی آب قابل نگهداری آنها به نوع پلیمر و کیفیت آب وابسته است.
پلیآکریلات پتاسیم نیز میتواند از نظر ساختار ژلی مورد بررسی قرار گیرد، اما عملکرد آن باید برای کاربرد سرمایشی به صورت اختصاصی آزمایش شود.
محلولهای نمکی میتوانند نقطه انجماد را پایین بیاورند، اما ممکن است ظرفیت تورم پلیمر را کاهش دهند و مسائل خوردگی و سازگاری ایجاد کنند.
PCMها برای کاربردهایی که کنترل محدوده دمایی اهمیت دارد، گزینهای قابل بررسی هستند، ولی معمولاً پیچیدگی و هزینه بیشتری دارند.
سامانههای خودسردشونده نیز مسیر متفاوتی هستند و باید از نظر ایمنی، فعالسازی، بستهبندی و پایداری جداگانه طراحی شوند.
برای یک تولیدکننده، بهترین روش این نیست که فقط به مشخصات ماده اولیه نگاه کند. باید ماده + آب + فرمولاسیون + فیلم + هندسه + انجماد + شرایط مصرف به عنوان یک سیستم واحد بررسی شود.
بهترین روش عملی، ساخت نمونههای آزمایشگاهی و مقایسه آنها بر اساس:
ظرفیت سرمایشی، سرعت انجماد، مدت حفظ سرما، قیمت، نشتی، دوام و قابلیت تولید صنعتی
است.
در نهایت، مشخصات واقعی محصول باید از آزمون محصول نهایی به دست آید، نه صرفاً از ظرفیت جذب آب یا اطلاعات تئوری ماده اولیه.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
موضوع پیشنهادی فصل ۴۰
روش ساخت ژلپک با پلیآکریلات سدیم و حداقل مواد اولیه؛ تعیین نسبت آب به پلیمر، روش اختلاط، جلوگیری از کلوخهشدن، آب آزاد، پرکردن کیسه، دوخت، انجماد و آزمون عملکرد نمونه تولیدی
۰ دیدگاه