دانشنامه جامع کمپرس یخ66
فصل ۶۶
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
روش طراحی ژلپک برای سرمایش طولانیمدت و همزمان سریع؛ بررسی تعادل بین سرعت انتقال حرارت و ظرفیت سرمایشی، جرم آب، ضخامت بسته، سطح تماس، عایق، تعداد ژلپک و طراحی سیستم دو مرحلهای سرمایش
66-1 ـ مقدمه
در بسیاری از کاربردهای حرفهای، دو هدف همزمان وجود دارد:
محصول باید سریع سرد شود و سپس برای مدت طولانی سرد باقی بماند.
این دو هدف الزاماً با یک طراحی واحد به بهترین شکل تأمین نمیشوند. ژلپک بسیار نازک و بزرگ میتواند انتقال حرارت سریعی داشته باشد، اما ممکن است ظرفیت کلی محدودی داشته باشد. در مقابل، یک بسته بسیار ضخیم میتواند جرم زیادی از ماده سردکننده را در خود جای دهد، اما انتقال سرمایش به مرکز محصول ممکن است کندتر شود.
بنابراین یکی از روشهای مهم طراحی، استفاده از سیستم سرمایش دو مرحلهای است.
—
66-2 ـ تعریف سرمایش سریع و طولانیمدت
در طراحی صنعتی بهتر است دو شاخص مستقل تعریف شوند:
زمان سرمایش:
مدت زمانی که محصول برای رسیدن به دمای هدف نیاز دارد.
زمان حفظ دما:
مدتی که دمای محصول در محدوده موردنظر باقی میماند.
برای مثال:
[
t_{cool}\leq2h
]
و:
[
t_{hold}\geq24h
]
این دو مشخصه باید جداگانه اندازهگیری شوند.
—
66-3 ـ چرا یک ژلپک ممکن است برای هر دو هدف ایدهآل نباشد؟
برای سرمایش سریع، مسیر انتقال حرارت کوتاه مطلوب است.
برای ماندگاری طولانی، جرم ماده سردکننده و عایق اهمیت بیشتری دارند.
بنابراین طراحی بسیار ضخیم ممکن است برای نگهداری طولانی مناسب باشد، ولی سرعت اولیه سرمایش را کاهش دهد.
طراحی بسیار نازک نیز ممکن است سریع سرد کند، اما ظرفیت ذخیره سرمایش کمتری در فضای محدود داشته باشد.
—
66-4 ـ مفهوم سیستم دو مرحلهای
در یک سیستم دو مرحلهای میتوان دو نوع ژلپک در کنار یکدیگر استفاده کرد:
مرحله اول: ژلپکهای نازک و با سطح تماس زیاد برای سرمایش سریع.
مرحله دوم: ژلپکهای با جرم حرارتی بیشتر برای حفظ سرمایش طولانیمدت.
این طراحی میتواند به صورت همزمان یا با چیدمان متفاوت انجام شود.
—
66-5 ـ مرحله اول؛ سرمایش سریع
ژلپک مرحله اول معمولاً باید:
– سطح تماس زیاد؛
– ضخامت کم؛
– فاصله کم از محصول؛
– دمای اولیه مناسب
داشته باشد.
هدف این بستهها انتقال سریع انرژی سرمایی به محصول است.
—
66-6 ـ مرحله دوم؛ ذخیره سرمایش
ژلپک مرحله دوم میتواند جرم بیشتری داشته باشد.
در این مرحله، هدف اصلی مقابله با ورود گرما از محیط است.
بنابراین:
[
Q_{reserve}
]
یا ظرفیت سرمایشی ذخیرهشده اهمیت بیشتری پیدا میکند.
—
66-7 ـ بار حرارتی اولیه
بار اولیه محصول:
[
Q_{initial}=mC_p(T_i-T_f)
]
است.
برای نمونه:
[
m=10kg
]
[
C_p=4kJ/(kg.K)
]
و:
[
T_i-T_f=15K
]
باشد:
[
Q_{initial}=600kJ
]
—
66-8 ـ گرمای ورودی پس از سرمایش
پس از سرد شدن محصول، محیط همچنان به جعبه گرما وارد میکند.
به صورت ساده:
[
\dot Q=UA(T_{out}-T_{in})
]
قابل نمایش است.
بنابراین ظرفیت لازم برای ماندگاری طولانی تقریباً از دو بخش تشکیل میشود:
[
Q_{required}=Q_{initial}+Q_{hold}
]
—
66-9 ـ تفاوت ظرفیت و نرخ انتقال حرارت
ظرفیت سرمایشی نشان میدهد چه مقدار انرژی میتوان جذب کرد.
نرخ انتقال حرارت نشان میدهد این انرژی با چه سرعتی منتقل میشود.
این دو مفهوم نباید با یکدیگر اشتباه شوند.
—
66-10 ـ مثال ساده
دو ژلپک را فرض کنید:
A: ظرفیت ۱۰۰۰ kJ، انتقال حرارت سریع.
B: ظرفیت ۲۰۰۰ kJ، انتقال حرارت کندتر.
اگر هدف سرمایش سریع باشد، A ممکن است در مرحله اولیه مفیدتر باشد.
اگر هدف حفظ سرما باشد، B میتواند ذخیره حرارتی بیشتری فراهم کند.
این فقط یک مثال مفهومی است و عملکرد واقعی باید آزمایش شود.
—
66-11 ـ نقش آب
در ژلپک آبپایه، آب بخش اصلی جرم و ظرفیت حرارتی را تشکیل میدهد.
در صورت انجماد آب، گرمای نهان نیز وارد فرآیند میشود:
[
Q_L=mL
]
برای آب خالص:
[
L\approx334kJ/kg
]
است.
در ژل واقعی باید ظرفیت عملی اندازهگیری شود.
—
66-12 ـ نقش پلیآکریلات سدیم
پلیآکریلات سدیم وظیفه نگهداری آب و ایجاد ساختار ژلی را دارد.
اما برای دستیابی به بیشترین ظرفیت سرمایشی، افزایش بیدلیل مقدار پلیمر مطلوب نیست.
باید حداقل مقدار مؤثر پلیمر تعیین شود.
—
66-13 ـ نسبت آب به پلیمر
رابطه:
[
R=\frac{M_w}{M_p}
]
یکی از متغیرهای مهم فرمولاسیون است.
افزایش آب نسبت به پلیمر میتواند ظرفیت آبپایه را افزایش دهد، ولی در صورت عبور از حد نگهداری ژل، آب آزاد ایجاد میشود.
—
66-14 ـ حداقل مقدار پلیمر
آزمایش باید نشان دهد که کمترین مقدار پلیمر برای دستیابی به:
– پایداری ژل؛
– عدم آب آزاد قابل توجه؛
– عدم نشتی؛
– قابلیت پرکردن؛
– دوام چرخهای
چه مقدار است.
این مقدار برای هر گرید پلیمر و کیفیت آب میتواند متفاوت باشد.
—
66-15 ـ طراحی فرمول دو مرحلهای
برای مرحله سریع میتوان فرمولی با:
– ژل نسبتاً روانتر؛
– ضخامت کمتر؛
– سطح تماس زیاد
بررسی کرد.
برای مرحله ذخیره میتوان بستهای با:
– جرم بیشتر؛
– ضخامت بیشتر؛
– سطح تماس مناسب
طراحی کرد.
هر دو فرمول باید از نظر ظرفیت واقعی آزمایش شوند.
—
66-16 ـ ضخامت بسته مرحله اول
در مرحله اول، کاهش ضخامت اهمیت زیادی دارد.
به صورت تقریبی:
[
t\propto L^2
]
بنابراین افزایش ضخامت میتواند زمان مشخصه انتقال حرارت را افزایش دهد.
—
66-17 ـ ضخامت بسته مرحله دوم
در مرحله ذخیره، افزایش ضخامت ممکن است قابل قبولتر باشد.
اما نباید به حدی برسد که سرمایش کل سیستم را بیش از حد کند کند.
بنابراین ضخامت مرحله دوم نیز باید بهینه شود.
—
66-18 ـ سطح تماس
رابطه ساده:
[
\dot Q=\frac{kA\Delta T}{L}
]
نشان میدهد که سطح تماس بیشتر و ضخامت کمتر میتواند انتقال حرارت را افزایش دهد.
برای همین، بستههای تخت در مرحله سریع گزینه مناسبی برای آزمایش هستند.
—
66-19 ـ چیدمان دو مرحلهای
یک آرایش پیشنهادی:
ژلپک تخت → محصول → ژلپک تخت
و در اطراف این مجموعه:
ژلپکهای ذخیرهای
قرار گیرند.
البته این چیدمان باید با توجه به نوع محصول و جعبه اصلاح شود.
—
66-20 ـ نقش عایق
عایق مناسب میتواند ظرفیت موردنیاز ژلپک مرحله دوم را کاهش دهد.
اگر نرخ ورود گرما کم شود:
[
Q_{hold}\downarrow
]
در نتیجه جرم ذخیره سرمایش نیز میتواند کاهش یابد.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
66-21 ـ مقاومت حرارتی
برای یک لایه عایق ساده:
[
R=\frac{L}{kA}
]
است.
افزایش ضخامت عایق یا کاهش رسانندگی آن میتواند مقاومت حرارتی را افزایش دهد.
—
66-22 ـ چرا عایق بهتر ممکن است از ژل بیشتر مفیدتر باشد؟
اگر ورود گرما از محیط زیاد باشد، هر کیلوگرم ژل اضافه فقط ظرفیت بیشتری برای مقابله با گرما ایجاد میکند.
اما افزایش مقاومت حرارتی میتواند اصل ورود گرما را کاهش دهد.
به همین دلیل باید:
جرم ژل + عایق
با هم بهینه شوند.
—
66-23 ـ طراحی برای ۱۲ ساعت
برای یک حمل ۱۲ ساعته، میتوان:
1. بار اولیه محصول را محاسبه کرد؛
2. ظرفیت موردنیاز برای حفظ دما را تعیین کرد؛
3. ژلپک مرحله سریع را انتخاب کرد؛
4. ظرفیت ذخیره را محاسبه کرد؛
5. آزمون ۱۲ ساعته انجام داد.
—
66-24 ـ طراحی برای ۲۴ ساعت
برای ۲۴ ساعت، اثر ورود گرمای محیط مهمتر میشود.
در این حالت کیفیت:
– عایق؛
– درب؛
– درزها؛
– چیدمان ژلپک
اهمیت بیشتری پیدا میکند.
—
66-25 ـ طراحی برای ۴۸ ساعت
در حمل ۴۸ ساعته، باید شرایط بدبینانه نیز بررسی شود.
مانند:
– دمای محیط بالا؛
– باز شدن درب؛
– تأخیر در حمل؛
– تابش خورشید؛
– تغییرات دمای محیط.
آزمون واقعی ۴۸ ساعته برای اعتبارسنجی اهمیت زیادی دارد.
—
66-26 ـ محاسبه ظرفیت ذخیره
فرض کنید نرخ متوسط ورود گرما:
[
\dot Q=10W
]
باشد.
در ۲۴ ساعت:
[
Q=10\times24\times3600
]
پس:
[
Q=864000J
]
یا:
[
864kJ
]
ظرفیت ذخیره اضافی حدود ۸۶۴ کیلوژول خواهد بود.
این فقط یک مثال محاسباتی است.
—
66-27 ـ ضریب اطمینان
اگر ظرفیت محاسبهشده ۸۶۴ kJ باشد و ضریب اطمینان ۱٫۲ در نظر گرفته شود:
[
Q_{design}=864\times1.2
]
[
Q_{design}=1036.8kJ
]
است.
ضریب اطمینان باید بر اساس عدم قطعیت واقعی سیستم تعیین شود.
—
66-28 ـ وزن ژلپک
اگر ظرفیت مفید واقعی هر کیلوگرم ژلپک:
[
400kJ/kg
]
باشد و ظرفیت ذخیره موردنیاز ۱۰۰۰ kJ باشد:
[
m=\frac{1000}{400}=2.5kg
]
است.
در عمل باید این مقدار با آزمون جعبه واقعی تأیید شود.
—
66-29 ـ تأثیر دمای اولیه
اگر ژلپک از دمای پایینتری شروع کند، ظرفیت قابل استفاده آن ممکن است بیشتر باشد.
بنابراین مشخصات باید شامل:
دمای اولیه ژلپک
باشد.
مثلاً:
– ۰°C؛
– −۵°C؛
– −۱۸°C
رفتار یکسانی ندارند.
—
66-30 ـ انجماد کامل
برای طراحی دو مرحلهای، باید مشخص شود که ژلپک در چه شرایطی «آماده استفاده» محسوب میشود.
میتوان معیار داخلی تعریف کرد:
دمای مرکز بسته به مقدار تعیینشده برسد و برای مدت مشخص پایدار بماند.
این معیار باید برای هر محصول تعیین شود.
—
66-31 ـ زمان انجماد
بستههای مرحله سریع به دلیل ضخامت کمتر ممکن است سریعتر منجمد شوند.
این موضوع برای استفاده روزانه یا گردش سریع بستهها مزیت دارد.
—
66-32 ـ چرخه استفاده
اگر محصول چندبارمصرف باشد، باید بررسی شود که پس از چند چرخه:
– نشتی؛
– تغییر حجم؛
– پارگی؛
– کاهش ظرفیت
رخ میدهد.
—
66-33 ـ طراحی ماژولار
یکی از روشهای مناسب برای تولید صنعتی، استفاده از بستههای استاندارد است.
مثلاً:
– ۲۵۰ گرم؛
– ۵۰۰ گرم؛
– ۱ کیلوگرم.
سپس تعداد بستهها بر اساس جعبه انتخاب شود.
—
66-34 ـ مزیت ماژولار بودن
سیستم ماژولار اجازه میدهد برای یک جعبه کوچک دو بسته و برای جعبه بزرگتر شش بسته استفاده شود، بدون آنکه فرمول تولید تغییر کند.
این روش میتواند موجودی و تولید را سادهتر کند.
—
66-35 ـ تقسیم ظرفیت بین دو مرحله
فرض کنید کل ظرفیت موردنیاز ۳۰۰۰ kJ باشد.
میتوان به صورت آزمایشی:
[
Q_{fast}=1000kJ
]
و:
[
Q_{reserve}=2000kJ
]
در نظر گرفت.
این نسبت الزاماً بهینه نیست و باید در آزمون تعیین شود.
—
66-36 ـ نسبت مناسب مرحله سریع و ذخیره
اگر سرمایش اولیه بسیار مهم باشد، سهم مرحله سریع ممکن است بیشتر شود.
اگر مدت حمل بسیار طولانی باشد، سهم ذخیره باید بیشتر شود.
پس نسبت دو مرحله به کاربرد وابسته است.
—
66-37 ـ آزمون مقایسهای
سه سیستم قابل مقایسهاند:
سیستم| ساختار
A| فقط ژلپک ضخیم
B| فقط ژلپک تخت
C| ژلپک تخت + ژلپک ذخیره
برای هر سه:
– زمان رسیدن به هدف؛
– مدت حفظ دما؛
– وزن؛
– حجم؛
– قیمت
اندازهگیری شود.
—
66-38 ـ معیار عملکرد
یک سیستم دو مرحلهای زمانی ارزشمند است که در مقایسه با سیستم ساده:
– سرمایش سریعتر؛
– یا حفظ دمای طولانیتر؛
– یا ترکیبی مناسب از هر دو
ارائه دهد، بدون اینکه افزایش هزینه و وزن آن غیرقابل قبول باشد.
—
66-39 ـ آزمون دمای مرکز
دمای مرکز محصول باید سنسور مستقل داشته باشد.
اگر دمای هوا پایین باشد ولی مرکز محصول هنوز گرم باشد، نباید سیستم را موفق تلقی کرد.
—
66-40 ـ آزمون نقاط مختلف
حداقل چند نقطه باید اندازهگیری شوند:
– مرکز؛
– نزدیک دیواره؛
– نزدیک ژلپک؛
– قسمت بالا؛
– قسمت پایین.
این کار امکان شناسایی نقاط سرد و گرم را فراهم میکند.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
66-41 ـ نمودار عملکرد
برای هر سناریو نمودار:
[
T=f(t)
]
رسم شود.
سه بخش مهم بررسی شود:
1. شیب سرمایش اولیه؛
2. زمان رسیدن به دمای هدف؛
3. شیب گرم شدن پس از رسیدن به هدف.
—
66-42 ـ شیب سرمایش
برای یک بازه:
[
S_c=\frac{T_1-T_2}{t_2-t_1}
]
محاسبه شود.
عدد بزرگتر نشاندهنده کاهش سریعتر دما در همان بازه است.
—
66-43 ـ شیب گرم شدن
پس از رسیدن به دمای هدف نیز میتوان نوشت:
[
S_w=\frac{T_2-T_1}{t_2-t_1}
]
هرچه شیب گرم شدن کمتر باشد، در شرایط آزمون، افزایش دما آهستهتر بوده است.
—
66-44 ـ اثر عایق بر مرحله دوم
اگر عایق بهتر شود، مرحله دوم میتواند با جرم کمتری به هدف برسد.
بنابراین در طراحی اقتصادی باید دو حالت مقایسه شود:
ژل بیشتر + عایق کمتر
در برابر:
ژل کمتر + عایق بیشتر
—
66-45 ـ هزینه سیستم دو مرحلهای
هزینه کل:
[
C_{total}=C_{gel}+C_{film}+C_{box}+C_{insulation}+C_{labor}+C_{energy}
]
است.
افزایش تعداد ژلپکها هزینه فیلم و دوخت را نیز افزایش میدهد.
—
66-46 ـ وزن حمل
هزینه حمل به وزن سیستم وابسته است.
بنابراین باید:
[
Weight_{total}=Weight_{product}+Weight_{gel}+Weight_{box}
]
بررسی شود.
گاهی افزایش ۵۰۰ گرم ژل برای یک بسته، در تیراژ بالا اثر اقتصادی قابل توجهی دارد.
—
66-47 ـ فرمول بهینهسازی
برای توسعه صنعتی میتوان مسئله را به شکل زیر تعریف کرد:
[
\min(C_{total}+W_{total})
]
با محدودیت:
[
t_{cool}\leq t_{target}
]
و:
[
t_{hold}\geq t_{required}
]
همچنین:
[
T_{min}\leq T_{product}\leq T_{max}
]
باید رعایت شود.
—
66-48 ـ پروتکل پیشنهادی توسعه
مرحله ۱: تعیین دمای اولیه محصول.
مرحله ۲: تعیین دمای هدف.
مرحله ۳: محاسبه بار اولیه.
مرحله ۴: محاسبه ورود گرمای محیط.
مرحله ۵: طراحی ژلپک سریع.
مرحله ۶: طراحی ژلپک ذخیره.
مرحله ۷: انتخاب عایق.
مرحله ۸: ساخت سه نمونه.
مرحله ۹: آزمون ۱۲، ۲۴ و ۴۸ ساعته متناسب با کاربرد.
مرحله ۱۰: تثبیت طراحی.
—
66-49 ـ چکلیست طراحی دو مرحلهای
☐ سرمایش سریع به صورت عددی تعریف شده است.
☐ مدت حفظ دما مشخص شده است.
☐ بار حرارتی محصول محاسبه شده است.
☐ ورود گرمای محیط محاسبه یا اندازهگیری شده است.
☐ ژلپک مرحله سریع طراحی شده است.
☐ ژلپک ذخیره طراحی شده است.
☐ نسبت ظرفیت دو مرحله آزمایش شده است.
☐ ضخامت بستهها مشخص شده است.
☐ سطح تماس بررسی شده است.
☐ عایق آزمایش شده است.
☐ دمای مرکز محصول ثبت شده است.
☐ نقاط گرم و سرد بررسی شدهاند.
☐ هزینه و وزن کل محاسبه شده است.
☐ آزمون واقعی انجام شده است.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
66-50 ـ جمعبندی فصل
یکی از مهمترین چالشهای طراحی ژلپک این است که سرمایش سریع و حفظ سرمایش طولانیمدت دو هدف متفاوت هستند.
سرمایش سریع بیشتر به:
– سطح تماس؛
– ضخامت کم؛
– فاصله کوتاه؛
– اختلاف دمای مناسب؛
– انتقال حرارت سریع
وابسته است.
در مقابل، حفظ طولانیمدت سرما بیشتر به:
– ظرفیت سرمایشی؛
– جرم آب؛
– عایق؛
– کاهش ورود گرما؛
– چیدمان مناسب
وابسته است.
به همین دلیل، یک راهکار قابل بررسی، طراحی سیستم دو مرحلهای است:
مرحله اول: ژلپک تخت و کمضخامت برای سرمایش سریع
مرحله دوم: ژلپک با ظرفیت ذخیره بیشتر برای مقابله با ورود گرما در ادامه مسیر
در این سیستم، پلیآکریلات سدیم نقش مهمی در نگهداری آب دارد، اما افزایش مقدار آن نباید به صورت خودکار به عنوان راه افزایش ظرفیت سرمایشی تلقی شود. مقدار پلیمر باید با آزمایش به حداقل مؤثر برسد.
رابطه اصلی بار حرارتی محصول:
[
Q=mC_p\Delta T
]
و برای آب منجمد، ظرفیت ناشی از تغییر فاز:
[
Q_L=mL
]
است.
در کنار این روابط، ورود گرما از محیط نیز باید بررسی شود:
[
\dot Q=UA\Delta T
]
در نتیجه طراحی کامل به شکل زیر خواهد بود:
بار حرارتی محصول + بار محیط → ظرفیت موردنیاز → تقسیم ظرفیت بین سرمایش سریع و ذخیره → طراحی ژلپک → انتخاب عایق → آزمایش واقعی
برای یک محصول صنعتی، پیشنهاد میشود حداقل سه سیستم مقایسه شوند:
1. یک ژلپک ضخیم؛
2. چند ژلپک تخت؛
3. ترکیب ژلپک تخت و ذخیرهای.
در نهایت، انتخاب باید بر اساس دادههای واقعی شامل زمان رسیدن مرکز محصول به دمای هدف، مدت حفظ دما، وزن، حجم، قیمت، نشتی و دوام انجام شود.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
پیشنهاد موضوع فصل ۶۷
طراحی ژلپک با قابلیت استفاده مجدد و چرخه عمر بالا؛ بررسی تعداد دفعات انجماد و ذوب، تغییر حجم ژل، آباندازی، استحکام فیلم و دوخت، کاهش ظرفیت سرمایشی و روش تعیین عمر واقعی ژلپک
۰ دیدگاه