دانشنامه جامع کمپرس یخ63
فصل ۶۳
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
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
63-1 ـ مقدمه
ظرفیت سرمایشی یک ژلپک تنها به مقدار آب و پلیمر موجود در آن وابسته نیست. نحوه انتقال این سرمایش به محصول نیز اهمیت زیادی دارد.
ممکن است دو ژلپک دارای جرم و فرمول تقریباً یکسان باشند، اما به دلیل تفاوت در:
– ضخامت؛
– شکل؛
– سطح تماس؛
– جنس فیلم؛
– فاصله از محصول؛
– نحوه قرارگیری در جعبه
رفتار حرارتی متفاوتی داشته باشند.
هدف این فصل، بررسی روشهای افزایش انتقال حرارت بدون افزایش غیرضروری مصرف مواد است.
—
63-2 ـ انتقال حرارت چیست؟
انتقال حرارت فرآیندی است که طی آن انرژی حرارتی از محیط گرمتر به محیط سردتر منتقل میشود.
در سیستم ژلپک، مسیر کلی معمولاً چنین است:
محیط یا محصول → بستهبندی → فیلم ژلپک → ژل → آب منجمد یا ماده سردکننده
هرچه مقاومت این مسیر کمتر باشد، انتقال حرارت سریعتر انجام میشود.
—
63-3 ـ سه روش اصلی انتقال حرارت
در جعبههای سرد، سه مکانیسم اصلی وجود دارد:
1. رسانش؛
2. جابهجایی؛
3. تابش.
در تماس مستقیم ژلپک با محصول، رسانش اهمیت بیشتری پیدا میکند.
در فضای خالی اطراف بسته، جابهجایی هوا اهمیت پیدا میکند.
—
63-4 ـ نقش رسانش
رسانش انتقال حرارت از طریق ماده است.
به طور ساده:
[
\dot Q=\frac{kA\Delta T}{L}
]
که در آن:
– (k): رسانندگی حرارتی؛
– (A): سطح انتقال حرارت؛
– (\Delta T): اختلاف دما؛
– (L): ضخامت مسیر انتقال.
این رابطه نشان میدهد که افزایش سطح و کاهش ضخامت مسیر میتواند انتقال حرارت را افزایش دهد.
—
63-5 ـ اهمیت سطح تماس
اگر سطح تماس دو برابر شود و سایر شرایط ثابت بماند، در مدل ساده رسانش، نرخ انتقال حرارت نیز تقریباً متناسب با سطح افزایش مییابد.
البته در محصول واقعی عوامل دیگری نیز وارد میشوند.
بنابراین:
سطح بیشتر همیشه به معنای عملکرد دو برابر نیست، اما معمولاً یک متغیر مهم طراحی است.
—
63-6 ـ اهمیت ضخامت
ضخامت ژلپک یکی از مهمترین عوامل انتقال حرارت است.
با افزایش ضخامت:
[
L\uparrow
]
و در مدل ساده:
[
\dot Q\downarrow
]
اگر سایر عوامل ثابت باشند.
به همین دلیل بستههای بسیار ضخیم ممکن است دیرتر سرد شوند.
—
63-7 ـ بسته تخت
بسته تخت یکی از روشهای مناسب برای افزایش سطح تماس است.
در یک حجم مشخص، میتوان با کاهش ضخامت و افزایش طول و عرض، سطح بیشتری ایجاد کرد.
این ساختار برای:
– کف جعبه؛
– سقف جعبه؛
– دیوارهها؛
– قرارگیری بین محصولات
مناسب است.
—
63-8 ـ نسبت سطح به حجم
یکی از شاخصهای مفید:
[
\frac{A}{V}
]
است.
هرچه این نسبت بیشتر باشد، برای یک حجم مشخص سطح بیشتری در اختیار داریم.
بستههای نازک معمولاً نسبت سطح به حجم بیشتری نسبت به بستههای ضخیم دارند.
—
63-9 ـ شکل مستطیلی
برای یک بسته مستطیلی:
[
V=LWT
]
و سطح خارجی:
[
A=2(LW+LT+WT)
]
است.
با ثابت بودن حجم، تغییر نسبت طول، عرض و ضخامت میتواند سطح خارجی را تغییر دهد.
—
63-10 ـ مثال هندسی
فرض کنید حجم یک بسته ۱ لیتر باشد.
یک طراحی ضخیم و یک طراحی تخت با حجم یکسان ساخته میشوند.
طراحی تخت میتواند سطح تماس بیشتری ایجاد کند، اما فیلم بیشتری نیز نیاز دارد.
بنابراین باید سطح تماس مفید با هزینه فیلم مقایسه شود.
—
63-11 ـ سطح تماس مفید
تمام سطح خارجی ژلپک الزاماً در انتقال حرارت مؤثر نیست.
مثلاً اگر یک طرف بسته به عایق چسبیده باشد، آن سطح ممکن است سهم کمتری در انتقال حرارت داشته باشد.
پس باید به جای سطح کل، سطح تماس مؤثر را در طراحی جعبه در نظر گرفت.
—
63-12 ـ تماس مستقیم با محصول
تماس مستقیم میتواند انتقال حرارت را افزایش دهد.
اما اگر محصول به:
– رطوبت؛
– شبنم؛
– سرمای شدید؛
– فشار مکانیکی
حساس باشد، باید یک لایه جداکننده استفاده شود.
—
63-13 ـ نقش فاصله
هرچه فاصله ژلپک تا محصول بیشتر شود، مقاومت انتقال حرارت افزایش مییابد.
بنابراین اگر هدف سرمایش سریع محصول باشد، بهتر است مسیر انتقال حرارت تا حد امکان کوتاه باشد.
—
63-14 ـ ژلپک در تماس با دیواره
قرار دادن ژلپک در کنار دیواره جعبه همیشه بهترین گزینه نیست.
اگر بین ژلپک و محصول فضای بزرگی وجود داشته باشد، انتقال حرارت ممکن است محدود شود.
بهتر است جایگاه بسته بر اساس نقشه دمایی تعیین شود.
—
63-15 ـ ژلپک بالایی
قرار دادن ژلپک روی محصول میتواند برای کنترل گرمای ورودی از قسمت بالایی جعبه مفید باشد.
این روش بهخصوص زمانی اهمیت دارد که درب جعبه مقاومت حرارتی کمتری داشته باشد.
—
63-16 ـ ژلپک پایینی
قرار دادن بسته در کف میتواند محصول را از گرمای واردشده از پایین محافظت کند.
همچنین میتواند یک سطح سرد وسیع در زیر محصول ایجاد کند.
—
63-17 ـ ژلپکهای جانبی
در جعبههای بزرگ، بستههای جانبی میتوانند فاصله بین نقاط گرم و سرد را کاهش دهند.
به این ترتیب سرمایش ممکن است یکنواختتر شود.
—
63-18 ـ ترکیب بالا، پایین و طرفین
یک طراحی پیشرفتهتر میتواند از چند جهت سرمایش ایجاد کند:
بالا + پایین + طرفین
این روش میتواند برای جعبههای بزرگ مفید باشد، ولی وزن و هزینه را افزایش میدهد.
—
63-19 ـ یک بسته بزرگ یا چند بسته تخت
دو ساختار را مقایسه کنید:
ساختار A: یک بسته ضخیم.
ساختار B: چهار بسته تخت.
ساختار B ممکن است سطح تماس بیشتری ایجاد کند و چیدمان را آسانتر کند.
اما هزینه بستهبندی و دوخت بیشتر خواهد شد.
—
63-20 ـ اثر تعداد بستهها
افزایش تعداد بستهها میتواند:
– توزیع سرمایش را بهبود دهد؛
– امکان چیدمان بهتر ایجاد کند؛
– نقاط سرد و گرم را کنترل کند.
اما:
– وزن فیلم؛
– تعداد دوخت؛
– هزینه تولید
افزایش مییابد.
—
63-21 ـ نقش فیلم در انتقال حرارت
فیلم نیز بخشی از مسیر انتقال حرارت است.
مقاومت حرارتی تقریبی فیلم:
[
R_f=\frac{L_f}{k_fA}
]
است.
در فیلمهای بسیار نازک، مقاومت آن ممکن است در مقایسه با سایر مقاومتهای سیستم کوچک باشد، اما در طراحی دقیق باید بررسی شود.
—
63-22 ـ فیلم ضخیم
فیلم ضخیمتر معمولاً مقاومت مکانیکی بیشتری دارد، اما:
[
L_f\uparrow
]
میتواند مقاومت حرارتی را نیز افزایش دهد.
بنابراین باید بین استحکام و انتقال حرارت تعادل ایجاد شود.
—
63-23 ـ فیلم چندلایه
فیلم چندلایه ممکن است عملکرد مکانیکی و آببندی مناسبی ارائه دهد.
اما ترکیب لایهها و ضخامت کل باید در آزمون واقعی بررسی شود.
برای ژلپک، مقاومت در دمای پایین و دوام دوخت از معیارهای مهم هستند.
—
63-24 ـ رسانندگی حرارتی فیلم
اگر رسانندگی حرارتی فیلم بیشتر باشد، در مدل ساده مقاومت آن کمتر میشود.
اما در ژلپک واقعی، مقاومت کل شامل:
– فیلم؛
– ژل؛
– لایههای هوا؛
– محصول؛
– جعبه
است.
پس فقط با تغییر فیلم نباید انتظار تغییر بسیار بزرگ در کل سیستم داشت.
—
63-25 ـ گردش هوا
در جعبههایی که ژلپک با محصول تماس مستقیم ندارد، انتقال حرارت از طریق هوا اهمیت پیدا میکند.
هوای ساکن معمولاً عایق حرارتی نسبتاً مناسبی است.
بنابراین فاصله زیاد بین ژلپک و محصول میتواند سرعت سرمایش را کاهش دهد.
—
63-26 ـ ایجاد مسیر انتقال حرارت
هدف طراحی داخلی جعبه باید ایجاد مسیرهای مشخص انتقال حرارت باشد.
برای مثال:
ژلپک → لایه محافظ نازک → محصول
میتواند از نظر انتقال حرارت بهتر از:
ژلپک → فضای هوای بزرگ → محصول
باشد.
—
63-27 ـ عایق و ژلپک
عایق نباید در سمتی قرار گیرد که میخواهیم سرمایش از آن عبور کند.
اگر هدف سرمایش محصول از بالا است:
ژلپک → محصول
باید مسیر اصلی باشد و عایق بیشتر در سمت محیط بیرونی قرار گیرد.
—
63-28 ـ مقاومت حرارتی کلی
میتوان مقاومتهای حرارتی را به صورت ساده در نظر گرفت:
[
R_{total}=R_1+R_2+R_3+\cdots
]
هر بخش از مسیر انتقال حرارت میتواند مقاومت ایجاد کند.
کاهش یک مقاومت بزرگ معمولاً اهمیت بیشتری از کاهش یک مقاومت بسیار کوچک دارد.
—
63-29 ـ شناسایی گلوگاه حرارتی
در طراحی باید مشخص شود کدام قسمت بیشترین مقاومت را دارد.
مثلاً اگر عایق بسیار ضخیم باشد، تغییر فیلم ژلپک ممکن است اثر کمی داشته باشد.
ولی اگر مسیر هوا عامل اصلی باشد، کاهش فاصله ژلپک تا محصول میتواند اثر بیشتری ایجاد کند.
—
63-30 ـ آزمایش سه فاصله
برای بررسی اثر فاصله میتوان سه نمونه ساخت:
نمونه| فاصله ژلپک تا محصول
A| تماس یا حداقل فاصله
B| ۲ سانتیمتر
C| ۵ سانتیمتر
سپس دمای مرکز محصول و زمان رسیدن به دمای هدف ثبت شود.
—
63-31 ـ نقشه دمایی
در یک جعبه واقعی بهتر است چند سنسور قرار گیرد:
– مرکز محصول؛
– گوشه بالا؛
– گوشه پایین؛
– کنار دیواره؛
– نزدیک ژلپک.
این کار نقاط گرم و سرد را مشخص میکند.
—
63-32 ـ نقاط گرم
نقطه گرم ممکن است در محلی ایجاد شود که:
– از ژلپک دور است؛
– عایق ضعیفتری دارد؛
– در معرض تابش یا هوای گرم است؛
– جریان هوا متفاوت است.
افزایش تعداد ژلپکها فقط زمانی مفید است که مشکل نقطه گرم را هدف قرار دهد.
—
63-33 ـ نقاط سرد
برعکس، ممکن است بخشی از محصول بیش از حد سرد شود.
این مسئله در محصولاتی که نسبت به دمای پایین حساس هستند اهمیت دارد.
در این شرایط میتوان:
– فاصله را افزایش داد؛
– جداکننده استفاده کرد؛
– جرم ژلپک را کاهش داد؛
– چیدمان را تغییر داد.
—
63-34 ـ هدف سرمایش سریع
اگر هدف کاهش سریع دمای محصول باشد، معمولاً باید:
– اختلاف دمای مناسب وجود داشته باشد؛
– سطح تماس کافی باشد؛
– مسیر انتقال حرارت کوتاه باشد؛
– ضخامت ژلپک بیش از نیاز نباشد.
—
63-35 ـ هدف حفظ سرما
اگر هدف حفظ دما برای چندین ساعت باشد، طراحی متفاوت است.
در این حالت:
– ظرفیت سرمایشی؛
– جرم آب؛
– عایق؛
– کاهش ورود گرما
اهمیت بیشتری پیدا میکنند.
بنابراین طراحی «سریعترین سرمایش» الزاماً با «طولانیترین ماندگاری» یکسان نیست.
—
63-36 ـ ضخامت بهینه
ضخامت بهینه نقطهای است که میان:
– زمان انجماد؛
– ظرفیت؛
– سطح تماس؛
– استحکام؛
– حجم
تعادل ایجاد کند.
نباید صرفاً با حداقل ضخامت ممکن محصول را طراحی کرد.
—
63-37 ـ آزمایش سه ضخامت
یک روش ساده تحقیق و توسعه:
نمونه| ضخامت
A| کم
B| متوسط
C| زیاد
هر سه نمونه باید جرم و فرمول مشخص و قابل مقایسه داشته باشند.
—
63-38 ـ ثبت منحنی دما
برای هر نمونه:
[
T=f(t)
]
ثبت شود.
از این نمودار میتوان استخراج کرد:
– زمان رسیدن به دمای هدف؛
– سرعت سرمایش؛
– مدت ماندن در محدوده هدف؛
– زمان گرمشدن مجدد.
—
63-39 ـ سرعت سرمایش
در یک بازه مشخص:
[
Cooling\ Rate=\frac{\Delta T}{\Delta t}
]
قابل محاسبه است.
مثلاً اگر دما از ۲۰ به ۱۰ درجه در ۳۰ دقیقه برسد:
[
\frac{20-10}{30}=0.33^\circ C/min
]
این شاخص فقط برای همان شرایط آزمون معتبر است.
—
63-40 ـ تأثیر جرم ژلپک
افزایش جرم معمولاً ظرفیت حرارتی کل را افزایش میدهد.
اما اگر افزایش جرم همراه با افزایش شدید ضخامت باشد، ممکن است سرعت انتقال حرارت کاهش یابد.
به همین دلیل افزایش جرم بهتر است از طریق افزایش سطح نیز بررسی شود.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
63-41 ـ افزایش جرم از طریق سطح
فرض کنید نیاز به ۱ کیلوگرم ژل وجود دارد.
به جای یک بسته ضخیم ۱ کیلویی، میتوان چند بسته تخت ساخت.
این روش ممکن است:
– سطح تماس را افزایش دهد؛
– سرعت انتقال حرارت را بهتر کند؛
– چیدمان را انعطافپذیرتر کند.
—
63-42 ـ محدودیت فیلم
چند بسته تخت به فیلم بیشتری نیاز دارند.
بنابراین باید محاسبه شود:
[
Cost_{film}\propto A_{film}
]
هرچه سطح فیلم افزایش یابد، هزینه بستهبندی نیز معمولاً افزایش پیدا میکند.
—
63-43 ـ تعادل سطح و قیمت
هدف اقتصادی:
بیشترین سطح تماس مفید با کمترین سطح فیلم اضافی
است.
بنابراین افزایش سطح بدون توجه به هزینه تولید میتواند نتیجه اقتصادی نامناسبی داشته باشد.
—
63-44 ـ آزمون اقتصادی-حرارتی
برای هر طراحی ثبت کنید:
شاخص| طراحی A| طراحی B| طراحی C
جرم| —| —| —
حجم| —| —| —
سطح تماس| —| —| —
ظرفیت| —| —| —
زمان انجماد| —| —| —
زمان حفظ دما| —| —| —
قیمت| —| —| —
این جدول امکان مقایسه عینی را فراهم میکند.
—
63-45 ـ نقش آب آزاد
آب آزاد ممکن است پس از انجماد رفتار متفاوتی نسبت به آب متصل به ساختار ژل داشته باشد.
همچنین در هنگام ذوب میتواند حرکت کند.
بنابراین برای طراحی انتقال حرارت باید مقدار آب آزاد مشخص و کنترل شود.
—
63-46 ـ اثر پلیمر زیاد
ژل بسیار غلیظ ممکن است از نظر فرآیند تولید و انتقال حرارت با ژل رقیقتر متفاوت باشد.
افزایش پلیمر میتواند:
– ویسکوزیته را افزایش دهد؛
– آب آزاد را کاهش دهد؛
– انتقال داخلی آب را محدود کند.
پس فرمول باید آزمایش شود.
—
63-47 ـ آزمایش استاندارد پیشنهادی
برای مقایسه هندسهها:
1. فرمول یکسان؛
2. جرم کل یکسان؛
3. دمای اولیه یکسان؛
4. فریزر یکسان؛
5. جعبه یکسان؛
6. محصول یکسان؛
7. سنسورهای یکسان.
تنها هندسه یا چیدمان تغییر کند.
این روش اثر متغیر موردنظر را بهتر مشخص میکند.
—
63-48 ـ مسیر طراحی نهایی
برای ساخت ژلپک با انتقال حرارت مناسب:
تعیین هدف → تعیین بار حرارتی → طراحی حجم → طراحی هندسه → تعیین ضخامت → انتخاب فیلم → ساخت نمونه → انجماد → آزمایش جعبه → نقشه دمایی → اصلاح چیدمان → آزمون مجدد
این چرخه باید تا رسیدن به مشخصات موردنظر ادامه یابد.
—
63-49 ـ چکلیست نهایی
☐ سطح تماس مؤثر محاسبه شده است.
☐ ضخامت مناسب تعیین شده است.
☐ فاصله تا محصول کنترل شده است.
☐ جنس فیلم بررسی شده است.
☐ مقاومت حرارتی جعبه بررسی شده است.
☐ نقاط گرم و سرد مشخص شدهاند.
☐ دمای مرکز محصول ثبت شده است.
☐ زمان انجماد ثبت شده است.
☐ زمان حفظ دمای هدف ثبت شده است.
☐ چند هندسه با هم مقایسه شدهاند.
☐ هزینه فیلم و دوخت محاسبه شده است.
☐ دوام بسته بررسی شده است.
☐ نمونه نهایی در جعبه واقعی آزمون شده است.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
63-50 ـ جمعبندی فصل
افزایش سرعت و کیفیت انتقال حرارت در ژلپک صرفاً با تغییر فرمول شیمیایی انجام نمیشود. هندسه، ضخامت، سطح تماس، فاصله از محصول، فیلم، عایق و چیدمان داخل جعبه همگی بخشی از سیستم سرمایشی هستند.
یکی از مهمترین روابط ساده طراحی:
[
\dot Q=\frac{kA\Delta T}{L}
]
است.
این رابطه نشان میدهد که در شرایط مشابه:
– افزایش سطح (A) میتواند انتقال حرارت را افزایش دهد؛
– کاهش ضخامت مسیر (L) میتواند انتقال حرارت را افزایش دهد؛
– افزایش اختلاف دما (\Delta T) نیروی محرک انتقال حرارت را بیشتر میکند.
اما در سیستم واقعی، مقاومتهای متعدد به صورت زنجیرهای وجود دارند. بنابراین باید ابتدا گلوگاه حرارتی شناسایی شود.
برای ژلپکهای پادنار، میتوان یک برنامه توسعه عملی تعریف کرد که در آن یک فرمول ثابت با سه یا چهار هندسه مختلف آزمایش شود. سپس با ثبت منحنی دما، زمان انجماد، زمان رسیدن محصول به دمای هدف، مدت حفظ دما و هزینه تولید، مناسبترین ساختار برای هر کاربرد مشخص شود.
از نظر تولید صنعتی، معمولاً بهترین محصول الزاماً نازکترین، ضخیمترین، بزرگترین یا کوچکترین بسته نیست؛ بلکه محصولی است که بین:
ظرفیت سرمایشی + سرعت انتقال حرارت + حجم + وزن + استحکام + قیمت + دوام
تعادل ایجاد کند.
در نتیجه، طراحی ژلپک باید از نگاه «یک کیسه حاوی ژل» خارج شده و به عنوان یک سیستم کامل انتقال حرارت شامل ماده سردکننده، فیلم، جعبه، محصول، عایق و محیط بررسی شود.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
پیشنهاد موضوع فصل ۶۴
روش طراحی ژلپک برای سرمایش یکنواخت؛ بررسی توزیع دما در جعبه، تعداد و محل سنسورها، نقاط گرم و سرد، چیدمان ژلپکها، فاصله از محصول و روش کاهش اختلاف دمای نقاط مختلف
۰ دیدگاه