دانشنامه جامع کمپرس یخ41
فصل ۴۱
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
روش افزایش ظرفیت سرمایشی ژلپک بدون افزایش محسوس قیمت؛ بررسی بهینهسازی آب و پلیآکریلات، کاهش ضخامت، افزایش سطح مؤثر، انتخاب فیلم، هندسه بسته، عایق و روش محاسبه ظرفیت سرمایشی به ازای هر تومان هزینه
مقدمه
در تولید صنعتی ژلپک، یکی از مهمترین مسائل اقتصادی این است که چگونه میتوان ظرفیت سرمایشی را افزایش داد، بدون آنکه قیمت تمامشده به همان نسبت افزایش پیدا کند.
راهحل این مسئله الزاماً افزودن ماده گرانتر یا افزایش شدید مقدار پلیآکریلات نیست. در بسیاری از موارد، بهینهسازی طراحی، کاهش مواد غیرضروری، افزایش سهم آب قابل انجماد، اصلاح ضخامت، بهبود هندسه، کاهش پرت تولید و استفاده بهتر از عایق میتواند نتیجه اقتصادی بهتری ایجاد کند.
در این فصل، هدف اصلی بررسی یک مفهوم مهم است:
ظرفیت سرمایشی به ازای واحد هزینه
یعنی به جای اینکه فقط بپرسیم «این ژلپک چقدر سرد میشود؟»، باید بپرسیم:
در برابر هر واحد هزینه، چه مقدار سرمایش مفید دریافت میکنیم؟
—
۴۱-۱ ـ تعریف ظرفیت سرمایشی
ظرفیت سرمایشی مقدار انرژی است که سیستم سردکننده میتواند از محیط یا محصول دریافت کند.
برای بخش محسوس میتوان از رابطه زیر استفاده کرد:
Q = m × Cp × ΔT
که در آن:
– Q انرژی؛
– m جرم؛
– Cp ظرفیت گرمایی ویژه؛
– ΔT تغییر دما
است.
—
۴۱-۲ ـ ظرفیت تغییر فاز
اگر آب یا ماده دیگری تغییر فاز دهد، باید انرژی تغییر فاز نیز در نظر گرفته شود:
Q = m × L
برای آب خالص در نزدیکی نقطه انجماد، گرمای نهان ذوب حدود:
۳۳۴ kJ/kg
است.
—
۴۱-۳ ـ چرا آب اهمیت دارد؟
در بسیاری از ژلپکها، بخش عمده جرم را آب تشکیل میدهد.
بنابراین اگر بتوان مقدار بیشتری آب را به صورت پایدار در بسته قرار داد، میتوان ظرفیت سرمایشی بیشتری ایجاد کرد؛ مشروط بر اینکه فرآیند انجماد و انتقال حرارت نیز مناسب باشد.
—
۴۱-۴ ـ نقش پلیآکریلات
پلیآکریلات سدیم عمدتاً برای نگهداری آب و تبدیل آن به ساختار ژلی استفاده میشود.
بنابراین باید تلاش کرد پلیمر به اندازهای مصرف شود که:
آب کافی + پایداری مناسب + قابلیت تولید
همزمان حاصل شود.
—
۴۱-۵ ـ افزایش پلیمر همیشه مفید نیست
اگر پلیمر بیش از مقدار موردنیاز اضافه شود، ممکن است:
– قیمت افزایش یابد؛
– ژل بسیار سفت شود؛
– پمپاژ دشوار شود؛
– سرعت تولید کاهش یابد؛
– نسبت آب قابل انجماد کاهش پیدا کند.
بنابراین افزایش پلیمر باید نتیجه قابل اندازهگیری داشته باشد.
—
۴۱-۶ ـ مفهوم حداقل پلیمر مؤثر
میتوان یک مقدار حداقلی برای پلیمر تعریف کرد که در آن:
آب آزاد قابل توجه وجود نداشته باشد
و ژل از نظر تولید و بستهبندی پایدار باشد.
این مقدار باید با آزمایش تعیین شود.
—
۴۱-۷ ـ طراحی آزمایش اقتصادی
برای تعیین نقطه مناسب، میتوان چند نمونه با مقدار ثابت آب و مقادیر مختلف پلیمر تهیه کرد.
مثلاً:
نمونه| آب| پلیمر
A| ۱۰۰۰ گرم| ۵ گرم
B| ۱۰۰۰ گرم| ۱۰ گرم
C| ۱۰۰۰ گرم| ۱۵ گرم
D| ۱۰۰۰ گرم| ۲۰ گرم
این مقادیر صرفاً برای طراحی آزمایش هستند.
—
۴۱-۸ ـ معیار انتخاب نمونه
برای هر نمونه باید حداقل موارد زیر بررسی شود:
– آب آزاد؛
– یکنواختی؛
– زمان تشکیل ژل؛
– قابلیت پرکردن؛
– نشتی؛
– انجماد؛
– ظرفیت سرمایشی؛
– هزینه.
—
۴۱-۹ ـ نسبت آب به پلیمر
نسبت:
R = آب / پلیمر
یکی از مهمترین متغیرهای فرمولاسیون است.
اما عدد مناسب برای همه پلیمرها یکسان نیست.
—
۴۱-۱۰ ـ کیفیت آب
املاح موجود در آب میتوانند تورم پلیمر را کاهش دهند.
بنابراین اگر فرمولی با آب مشخص آزمایش شده باشد، تغییر منبع آب ممکن است نتیجه را تغییر دهد.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۴۱-۱۱ ـ استفاده از آب با کیفیت ثابت
در تولید انبوه بهتر است منبع آب مشخص باشد یا حداقل مشخصات آن کنترل شود.
پارامترهایی مانند:
– EC؛
– pH؛
– دما
میتوانند در کنترل فرآیند مفید باشند.
—
۴۱-۱۲ ـ آب آزاد و ظرفیت سرمایشی
وجود مقدار کمی آب آزاد الزاماً به معنی شکست فرمول نیست، اما اگر آب آزاد زیاد باشد:
– احتمال نشت بیشتر میشود؛
– ژل یکنواخت نیست؛
– رفتار بسته در حمل تغییر میکند.
—
۴۱-۱۳ ـ افزایش ظرفیت با آب
اگر پلیمر توانایی نگهداری مقدار بیشتری آب را داشته باشد، یکی از سادهترین راهها افزایش جرم آب در بسته است.
اما باید اطمینان حاصل شود که آب اضافه باعث ناپایداری نمیشود.
—
۴۱-۱۴ ـ کاهش پلیمر
اگر یک فرمول با پلیمر زیاد عملکردی مشابه فرمول کمپلیمر داشته باشد، کاهش پلیمر میتواند قیمت تمامشده را پایین بیاورد.
این موضوع باید با آزمون حرارتی و مکانیکی اثبات شود.
—
۴۱-۱۵ ـ نسبت هزینه پلیمر
در بسیاری از فرمولها، مقدار آب نسبت به پلیمر بسیار بیشتر است.
بنابراین اگر پلیمر سهم قابل توجهی از هزینه داشته باشد، بهینهسازی مصرف آن میتواند اثر اقتصادی محسوسی ایجاد کند.
—
۴۱-۱۶ ـ هزینه فیلم
گاهی تمرکز تولیدکننده فقط روی ماده داخلی است، در حالی که فیلم نیز میتواند سهم قابل توجهی از قیمت نهایی داشته باشد.
کاهش ضخامت فیلم، بدون افت ایمنی و استحکام، میتواند هزینه را کاهش دهد.
—
۴۱-۱۷ ـ کاهش فیلم
کاهش مصرف فیلم باید با آزمونهای:
– کشش؛
– سوراخشدن؛
– سقوط؛
– فشار؛
– نشتی پس از انجماد
همراه باشد.
کاهش ضخامت بدون آزمون میتواند ریسک نشتی را افزایش دهد.
—
۴۱-۱۸ ـ هندسه بسته
هندسه یکی از ارزانترین متغیرهای قابل اصلاح است.
با تغییر:
– طول؛
– عرض؛
– ضخامت؛
– فاصله دوخت
میتوان رفتار حرارتی را تغییر داد.
—
۴۱-۱۹ ـ بسته تخت
بسته تخت معمولاً سطح تماس بیشتری ایجاد میکند.
این ویژگی برای انتقال سریعتر سرمایش مفید است.
اما ممکن است سرعت دریافت گرما نیز افزایش یابد.
—
۴۱-۲۰ ـ بسته ضخیم
بسته ضخیم میتواند جرم بیشتری در خود جای دهد.
اما مسیر انتقال حرارت درون بسته افزایش مییابد و مرکز آن ممکن است دیرتر به شرایط موردنظر برسد.
—
۴۱-۲۱ ـ کاهش ضخامت
کاهش ضخامت میتواند باعث:
– انجماد سریعتر؛
– تماس بهتر؛
– انعطاف بیشتر
شود.
ولی جرم قابلذخیره در هر واحد سطح کاهش مییابد.
—
۴۱-۲۲ ـ افزایش طول و عرض
اگر فضای جعبه اجازه دهد، افزایش طول و عرض بدون افزایش زیاد ضخامت میتواند راهی برای افزایش جرم با حفظ مسیر انتقال حرارت نسبتاً کوتاه باشد.
—
۴۱-۲۳ ـ چند بسته کوچک یا یک بسته بزرگ؟
فرض کنید ۲ کیلوگرم ماده سردکننده موردنیاز است.
میتوان آن را به:
یک بسته ۲ کیلوگرمی
یا:
چهار بسته ۵۰۰ گرمی
تقسیم کرد.
گزینه دوم معمولاً انعطاف بیشتری در چیدمان دارد، اما فیلم و دوخت بیشتری مصرف میکند.
—
۴۱-۲۴ ـ بهینهسازی تعداد بسته
تعداد بسته باید براساس:
– فضای جعبه؛
– سطح تماس؛
– هزینه بستهبندی؛
– سرعت انجماد؛
– نحوه حمل
تعیین شود.
—
۴۱-۲۵ ـ عایق؛ راهکار کمهزینه برای افزایش ماندگاری
افزایش ظرفیت ژلپک تنها یک راهکار است.
راهکار دیگر کاهش بار حرارتی است.
اگر گرمای کمتری وارد جعبه شود، همان مقدار ژلپک میتواند مدت بیشتری کار کند.
—
۴۱-۲۶ ـ رابطه ساده انتقال حرارت
در حالت ساده میتوان نوشت:
Q̇ ≈ U × A × ΔT
که در آن:
– U ضریب انتقال حرارت کلی؛
– A سطح انتقال؛
– ΔT اختلاف دما
است.
کاهش U از طریق عایق بهتر میتواند ورود گرما را کاهش دهد.
—
۴۱-۲۷ ـ افزایش ظرفیت یا کاهش بار حرارتی؟
از دید اقتصادی دو راه وجود دارد:
راه اول: ژلپک بیشتر
راه دوم: ورود گرمای کمتر
در بسیاری از کاربردها، مقایسه اقتصادی این دو راهکار ارزشمند است.
—
۴۱-۲۸ ـ نمونه محاسبه
فرض کنید بار حرارتی روزانه یک جعبه به طور تقریبی:
۴۰۰ kJ
باشد.
اگر ظرفیت سرمایشی مؤثر هر کیلوگرم ژلپک:
۲۰۰ kJ/kg
باشد، به صورت ساده:
400 ÷ 200 = 2 kg
ژلپک لازم است.
اما اگر با عایق بهتر بار حرارتی به:
۳۰۰ kJ
کاهش یابد:
300 ÷ 200 = 1.5 kg
کفایت نظری خواهد کرد.
این فقط یک مثال محاسباتی است و ظرفیت واقعی باید با آزمون تعیین شود.
—
۴۱-۲۹ ـ ارزش اقتصادی عایق
اگر هزینه ۵۰۰ گرم ژلپک از هزینه اصلاح عایق بیشتر باشد، ممکن است افزایش عایق از افزایش ماده سردکننده اقتصادیتر شود.
بنابراین باید هزینه کل سیستم بررسی شود.
—
۴۱-۳۰ ـ عایق و ژلپک مکمل یکدیگرند
عایق جایگزین کامل ژلپک نیست.
ژلپک انرژی را جذب میکند و عایق سرعت ورود انرژی را کاهش میدهد.
طراحی مطلوب باید این دو را با هم ببیند.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۴۱-۳۱ ـ کاهش هزینه بدون کاهش عملکرد
راهکارهای قابل بررسی عبارتاند از:
– کاهش پلیمر اضافی؛
– کاهش پرت آب؛
– کاهش پرت فیلم؛
– کاهش حجم دوخت؛
– بهینهسازی ابعاد؛
– افزایش بهرهوری تولید؛
– کاهش دوبارهکاری؛
– بهبود عایق.
—
۴۱-۳۲ ـ پرت مواد اولیه
اگر در هر بسته مقدار مشخصی مواد دور ریخته شود، در تولید هزاران بسته هزینه آن قابل توجه خواهد شد.
بنابراین کنترل وزن و فرآیند پرکردن اهمیت اقتصادی دارد.
—
۴۱-۳۳ ـ دقت دستگاه پرکن
پرکردن بیش از وزن هدف باعث افزایش مستقیم مصرف مواد میشود.
مثلاً اگر هدف:
۵۰۰ گرم
باشد ولی میانگین واقعی:
۵۱۰ گرم
باشد، در ۱۰ هزار بسته:
۱۰۰ کیلوگرم
ماده اضافی مصرف شده است.
—
۴۱-۳۴ ـ کنترل وزن
استفاده از کنترل وزن نمونهای یا سیستم توزین خودکار میتواند از این پرت جلوگیری کند.
—
۴۱-۳۵ ـ دوخت و پرت فیلم
عرض زیاد ناحیه دوخت یا حاشیههای اضافی نیز میتواند مصرف فیلم را افزایش دهد.
طراحی قالب و فاصله دوخت باید بهینه شود.
—
۴۱-۳۶ ـ ظرفیت سرمایشی به ازای هزینه
میتوان شاخصی تعریف کرد:
Ecost = Q / Cost
مثلاً اگر یک نمونه ظرفیت مؤثر:
۲۰۰۰ kJ
و هزینه آن:
۲۰۰ هزار تومان
باشد:
Ecost = 10 kJ به ازای هر تومان
این شاخص فقط زمانی معتبر است که Q برای تمام نمونهها با روش یکسان اندازهگیری شده باشد.
—
۴۱-۳۷ ـ ظرفیت سرمایشی به ازای حجم
شاخص دیگر:
Q / Volume
است.
این شاخص برای جعبههایی که فضای محدودی دارند بسیار مهم است.
—
۴۱-۳۸ ـ ظرفیت سرمایشی به ازای وزن
برای حملونقل:
Q / Mass
میتواند معیار مناسبی باشد.
زیرا وزن بستههای سردکننده روی هزینه حمل اثر میگذارد.
—
۴۱-۳۹ ـ سه شاخص همزمان
برای مقایسه محصولات میتوان سه شاخص را کنار هم قرار داد:
شاخص| کاربرد
kJ/kg| حملونقل
kJ/L| فضای جعبه
kJ/هزینه| اقتصاد
هیچکدام به تنهایی برای همه تصمیمها کافی نیست.
—
۴۱-۴۰ ـ اثر دمای اولیه
اگر ژلپک از دمای پایینتری شروع کند، انرژی بیشتری برای جذب گرما در اختیار سیستم خواهد بود.
اما این موضوع باید با شرایط واقعی نگهداری و انجماد سنجیده شود.
—
۴۱-۴۱ ـ زمان انجماد
افزایش ظرفیت بدون توجه به زمان انجماد میتواند مشکل ایجاد کند.
یک بسته بسیار بزرگ ممکن است ظرفیت بالایی داشته باشد، ولی برای استفاده روزانه مدت زیادی برای انجماد نیاز داشته باشد.
—
۴۱-۴۲ ـ طراحی برای فریزر محدود
اگر مشتری فقط یک فریزر کوچک دارد، چند بسته تخت کوچک ممکن است از یک بسته بزرگ کاربردیتر باشد.
بنابراین طراحی باید براساس شرایط مصرف انجام شود.
—
۴۱-۴۳ ـ آزمون چهار فرمول
برای توسعه اقتصادی میتوان چهار فرمول را آزمایش کرد:
نمونه| پلیمر| آب| هدف
A| کم| زیاد| حداقل هزینه
B| متوسط| زیاد| تعادل
C| زیاد| زیاد| حداکثر پایداری
D| متوسط| متوسط| مرجع
سپس عملکرد واقعی مقایسه شود.
—
۴۱-۴۴ ـ آزمون سه هندسه
برای هر فرمول میتوان سه هندسه ساخت:
– نازک؛
– متوسط؛
– ضخیم.
این کار نشان میدهد آیا مشکل اصلی فرمول است یا انتقال حرارت.
—
۴۱-۴۵ ـ آزمون در جعبه واقعی
بعد از انتخاب فرمول اولیه، باید ژلپک در جعبه واقعی آزمایش شود.
ممکن است فرمولی در آزمایش مستقل خوب باشد ولی در جعبه واقعی عملکرد متفاوتی نشان دهد.
—
۴۱-۴۶ ـ ثبت منحنی دما
در هر آزمایش، نمودار دما ـ زمان ثبت شود.
به جای مقایسه فقط یک دما، بهتر است موارد زیر بررسی شود:
– حداقل دما؛
– زمان رسیدن به دمای هدف؛
– مدت ماندگاری؛
– نرخ گرمشدن.
—
۴۱-۴۷ ـ نقطه بهینه اقتصادی
نقطه بهینه جایی است که افزایش هزینه، بهبود عملکرد متناسب ایجاد کند.
مثلاً اگر افزایش هزینه ۱۰٪ باعث افزایش ظرفیت مؤثر ۳۰٪ شود، ارزش بررسی دارد.
اما اگر افزایش هزینه ۲۰٪ فقط ۲٪ عملکرد را بهتر کند، باید توجیه اقتصادی آن بررسی شود.
این مثال صرفاً روش تحلیل را نشان میدهد.
—
۴۱-۴۸ ـ فرمول نهایی هزینه
قیمت تمامشده را میتوان به صورت زیر در نظر گرفت:
Cost = مواد + فیلم + تولید + انرژی + کنترل کیفیت + بستهبندی + پرت + سربار
بنابراین کاهش قیمت فقط با ارزانکردن پلیمر حاصل نمیشود.
—
۴۱-۴۹ ـ چکلیست طراحی اقتصادی
پیش از نهاییکردن محصول بررسی شود:
□ مقدار آب بهینه شده است؟
□ مقدار پلیمر حداقلِ مؤثر است؟
□ آب آزاد کنترل شده است؟
□ ضخامت مناسب است؟
□ فیلم بیش از حد ضخیم نیست؟
□ فیلم به اندازه کافی مقاوم است؟
□ وزن پرشده کنترل میشود؟
□ عایق مناسب است؟
□ زمان انجماد قابل قبول است؟
□ عملکرد در جعبه واقعی تأیید شده است؟
□ هزینه هر واحد محاسبه شده است؟
□ پرت تولید اندازهگیری شده است؟
—
۴۱-۵۰ ـ جمعبندی فصل
افزایش ظرفیت سرمایشی ژلپک لزوماً به معنی افزایش هزینه نیست.
مهمترین مسیرهای بهینهسازی عبارتاند از:
۱. افزایش سهم آب مؤثر
۲. حذف پلیمر اضافی
۳. اصلاح نسبت آب به پلیمر
۴. کنترل آب آزاد
۵. اصلاح ضخامت
۶. بهینهسازی طول و عرض
۷. انتخاب تعداد مناسب بستهها
۸. کاهش پرت فیلم و مواد
۹. کنترل دقیق وزن
۱۰. بهبود عایق جعبه
۱۱. کاهش پلهای حرارتی
۱۲. انتخاب دمای اولیه مناسب
مهمترین نکته این است که ظرفیت سرمایشی باید در محصول واقعی اندازهگیری شود.
ظرفیت جذب آب پلیآکریلات، به تنهایی نشاندهنده ظرفیت سرمایشی نیست. همچنین افزایش مقدار پلیمر الزاماً باعث افزایش ظرفیت سرمایشی نمیشود؛ زیرا بخش اصلی انرژی حرارتی سیستم در بسیاری از ژلپکهای آبپایه مربوط به آب است.
بنابراین برای تولید اقتصادی باید به جای تمرکز روی یک ماده، کل سیستم را بهینه کرد:
آب + پلیمر + فیلم + هندسه + انجماد + عایق + جعبه + فرآیند تولید
در نهایت، یکی از مفیدترین شاخصها برای تولیدکننده میتواند:
ظرفیت سرمایشی مؤثر به ازای هر واحد هزینه
باشد.
با اندازهگیری این شاخص در چند فرمول و چند هندسه مختلف، میتوان به صورت عددی مشخص کرد که افزایش پلیمر، افزایش آب، تغییر فیلم، تغییر ضخامت یا بهبود عایق کدامیک بیشترین اثر را در برابر هزینه ایجاد میکند.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
موضوع پیشنهادی فصل ۴۲
طراحی ژلپک با بیشترین جذب آب و کمترین مصرف پلیآکریلات؛ بررسی ظرفیت واقعی پلیآکریلات سدیم، اثر کیفیت آب، اندازه ذرات، روش اختلاط، زمان آبگیری، آب آزاد، نسبت آب به پلیمر و روش تعیین فرمول اقتصادی
۰ دیدگاه