دانشنامه جامع کمپرس یخ46
فصل ۴۶
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
روش افزایش سرعت انجماد ژلپک؛ بررسی ضخامت، سطح تماس، نسبت آب به پلیآکریلات، نوع فیلم، دمای فریزر، گردش هوا، جرم بسته و طراحی ژلپک برای انجماد سریعتر
مقدمه
در بسیاری از کاربردهای ژلپک، تنها ظرفیت سرمایشی اهمیت ندارد؛ بلکه سرعت آمادهشدن محصول برای استفاده نیز بسیار مهم است.
ممکن است یک ژلپک مقدار زیادی آب داشته باشد و از نظر انرژی سرمایشی مناسب باشد، اما اگر به دلیل ضخامت زیاد یا انتقال حرارت ضعیف ساعتها برای انجماد نیاز داشته باشد، در کاربرد عملی مطلوب نباشد.
بنابراین در طراحی ژلپک باید میان دو موضوع تفاوت قائل شد:
ظرفیت سرمایشی
و
سرعت انجماد
افزایش یکی الزاماً به معنی افزایش دیگری نیست.
برای مثال، افزایش جرم آب میتواند ظرفیت کل سرمایشی را افزایش دهد، ولی اگر همان آب در یک بسته ضخیم قرار گیرد، مسیر انتقال حرارت تا مرکز بسته طولانیتر شده و زمان انجماد افزایش پیدا میکند.
هدف این فصل، بررسی راهکارهایی است که میتوانند بدون افزایش غیرضروری هزینه، سرعت انجماد ژلپک را بهبود دهند.
—
۴۶-۱ ـ سرعت انجماد چیست؟
سرعت انجماد را میتوان به صورت زمان لازم برای رسیدن ژلپک به یک نقطه پایان مشخص تعریف کرد.
مثلاً:
زمان رسیدن دمای مرکز بسته به ۰°C
یا:
زمان رسیدن مرکز به دمای هدف تعریفشده برای محصول
است.
—
۴۶-۲ ـ چرا دمای مرکز مهم است؟
سطح بسته مستقیماً با هوای سرد فریزر تماس دارد.
اما مرکز بسته از سطح فاصله دارد.
بنابراین ممکن است سطح منجمد باشد ولی مرکز هنوز کاملاً سرد یا منجمد نشده باشد.
—
۴۶-۳ ـ دمای سطح معیار کافی نیست
اندازهگیری فقط دمای سطح میتواند باعث شود زمان انجماد کمتر از مقدار واقعی برآورد شود.
برای آزمایش دقیقتر، سنسور باید در نقطهای نزدیک به مرکز حرارتی قرار گیرد.
—
۴۶-۴ ـ مراحل سرد شدن
ژلپک معمولاً ابتدا از دمای اولیه به نزدیکی نقطه انجماد میرسد.
سپس بخشهایی از آب شروع به تغییر فاز میکنند.
بعد از آن، باقیمانده آب نیز به تدریج سرد یا منجمد میشود.
جزئیات این فرآیند به ترکیب و شرایط محصول بستگی دارد.
—
۴۶-۵ ـ نقش آب
در ژلپک آب معمولاً اصلیترین جزء ذخیرهکننده انرژی حرارتی است.
هرچه جرم آب بیشتر باشد، انرژی بیشتری برای تغییر دمای آن باید از سیستم خارج شود.
بنابراین افزایش آب میتواند هم ظرفیت سرمایشی را افزایش دهد و هم زمان انجماد را بیشتر کند.
—
۴۶-۶ ـ نقش پلیآکریلات
پلیآکریلات عمدتاً برای نگهداری آب و ایجاد ساختار ژل استفاده میشود.
افزایش مقدار پلیمر الزاماً به معنی افزایش متناسب سرعت انجماد نیست.
در برخی فرمولها حتی افزایش بیش از حد پلیمر میتواند ساختار را متراکمتر کند.
—
۴۶-۷ ـ هدف طراحی
هدف بهتر این است:
آب کافی + حداقل پلیمر مؤثر + ضخامت کم + سطح تماس مناسب
این ترکیب میتواند امکان رسیدن به ظرفیت سرمایشی مناسب همراه با زمان انجماد کمتر را فراهم کند.
—
۴۶-۸ ـ ضخامت بسته
ضخامت یکی از مهمترین عوامل انتقال حرارت در ژلپک است.
هرچه ضخامت بیشتر شود، فاصله مرکز از سطح افزایش مییابد.
—
۴۶-۹ ـ اثر ضخامت بر زمان انجماد
در بسیاری از فرآیندهای انتقال حرارت، زمان مشخصه سردشدن با مربع طول مشخصه ارتباط دارد.
به صورت تقریبی میتوان گفت:
t ∝ L²
البته این رابطه سادهشده است و برای محصول واقعی باید با آزمایش اعتبارسنجی شود.
—
۴۶-۱۰ ـ مثال مفهومی
اگر ضخامت مؤثر یک بسته دو برابر شود، در شرایط کاملاً مشابه نمیتوان انتظار داشت زمان انجماد فقط دو برابر شود.
به دلیل ماهیت انتقال حرارت، افزایش زمان میتواند بسیار بیشتر باشد.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۴۶-۱۱ ـ بسته تخت
یکی از روشهای ساده کاهش زمان انجماد، طراحی بسته تخت است.
در بسته تخت، سطح تماس زیاد و ضخامت کمتر میشود.
—
۴۶-۱۲ ـ نسبت طول به عرض
افزایش طول و عرض در حالی که حجم ثابت میماند، میتواند ضخامت را کاهش دهد.
اما نباید بسته آنقدر نازک شود که:
– استحکام کاهش یابد؛
– دوخت آسیبپذیر شود؛
– سوراخشدن افزایش یابد.
—
۴۶-۱۳ ـ سطح تماس
سطح تماس بیشتر میتواند انتقال حرارت را افزایش دهد.
این موضوع در فریزرهایی که جریان هوا مناسب دارند اهمیت بیشتری پیدا میکند.
—
۴۶-۱۴ ـ یک بسته بزرگ یا چند بسته کوچک؟
برای جرم کل یکسان، چند بسته نازک میتوانند در برخی شرایط سریعتر از یک بسته ضخیم منجمد شوند.
اما تعداد بسته بیشتر به معنی:
– دوخت بیشتر؛
– فیلم بیشتر؛
– هزینه بستهبندی بیشتر؛
– عملیات بیشتر
است.
—
۴۶-۱۵ ـ طراحی اقتصادی
بنابراین باید میان:
سرعت انجماد + هزینه فیلم + تعداد دوخت + ظرفیت هر بسته
تعادل ایجاد شود.
—
۴۶-۱۶ ـ گردش هوا
فریزر دارای جریان هوای بهتر معمولاً میتواند انتقال حرارت از سطح بسته را بهبود دهد.
قرار دادن بستهها به صورت فشرده و بدون فضای عبور هوا ممکن است سرعت سردشدن را کاهش دهد.
—
۴۶-۱۷ ـ تماس مستقیم با سطح سرد
در برخی فریزرها تماس مستقیم با سطح سرد میتواند انتقال حرارت بیشتری نسبت به تماس صرفاً با هوای سرد ایجاد کند.
اما این موضوع به ساختار فریزر بستگی دارد و نباید به عنوان یک قانون عمومی برای همه دستگاهها در نظر گرفته شود.
—
۴۶-۱۸ ـ چیدمان داخل فریزر
چند نکته مهم:
– بستهها روی هم فشرده نشوند؛
– مسیر جریان هوا مسدود نشود؛
– ضخامت بستهها یکنواخت باشد؛
– سنسور در مرکز بسته قرار گیرد.
—
۴۶-۱۹ ـ دمای واقعی فریزر
عبارت «فریزر منفی ۱۸ درجه است» به تنهایی برای یک آزمایش علمی کافی نیست.
باید دمای واقعی محیط اطراف نمونه و تغییرات آن ثبت شود.
—
۴۶-۲۰ ـ باز و بسته شدن در فریزر
باز شدن مکرر در فریزر باعث ورود هوای گرم و تغییر شرایط حرارتی میشود.
بنابراین آزمون مقایسهای باید در شرایط کنترلشده انجام شود.
—
۴۶-۲۱ ـ جرم ژلپک
هرچه جرم کل محصول افزایش یابد، انرژی بیشتری باید از آن خارج شود.
اگر سطح انتقال حرارت متناسب با افزایش جرم رشد نکند، زمان انجماد افزایش مییابد.
—
۴۶-۲۲ ـ جرم به ازای سطح
یکی از شاخصهای مفید:
جرم / سطح انتقال حرارت
است.
کاهش این نسبت معمولاً میتواند مسیر انتقال حرارت را بهبود دهد.
—
۴۶-۲۳ ـ ضخامت مؤثر
برای یک بسته تخت، ضخامت متوسط ژل مهمتر از ضخامت فیلم است.
البته فیلم نیز دارای مقاومت حرارتی است، ولی در بسیاری از طراحیهای معمول، هندسه ژل نقش بزرگتری دارد.
—
۴۶-۲۴ ـ مقاومت حرارتی
به صورت ساده:
R = L / (kA)
که در آن:
– L ضخامت؛
– k ضریب هدایت حرارتی؛
– A سطح انتقال حرارت
است.
افزایش ضخامت، مقاومت انتقال حرارت را افزایش میدهد.
—
۴۶-۲۵ ـ فیلم بستهبندی
فیلم بسیار ضخیم میتواند مقاومت حرارتی بیشتری ایجاد کند.
اما استفاده از فیلم بیش از حد نازک نیز ممکن است استحکام و مقاومت سوراخشدن را کاهش دهد.
بنابراین فیلم باید با توجه به نیاز مکانیکی انتخاب شود.
—
۴۶-۲۶ ـ فیلم چندلایه
فیلم چندلایه ممکن است خواص مکانیکی و آببندی بهتری فراهم کند.
اما لایههای بیشتر الزاماً به معنی سرعت انجماد بیشتر نیست.
—
۴۶-۲۷ ـ ضخامت بهینه فیلم
هدف باید انتخاب کمترین ضخامت فیلمی باشد که آزمونهای استحکام و نشتی را با موفقیت پشت سر بگذارد.
این روش میتواند هزینه و مقاومت حرارتی غیرضروری را کاهش دهد.
—
۴۶-۲۸ ـ آب و پلیمر با ویسکوزیته بالا
اگر ژل بسیار متراکم باشد، جابهجایی داخلی آب و انتقال حرارت میتواند متفاوت از آب آزاد باشد.
بنابراین فرمولهای با درصد پلیمر مختلف باید از نظر منحنی انجماد مقایسه شوند.
—
۴۶-۲۹ ـ آب آزاد و سرعت انجماد
وجود آب آزاد میتواند رفتار حرارتی متفاوتی نسبت به آب کاملاً نگهداریشده در شبکه ایجاد کند.
به همین دلیل صرفاً مقایسه درصد پلیمر کافی نیست.
—
۴۶-۳۰ ـ روش مقایسه سه فرمول
سه نمونه با:
– پلیمر کم؛
– پلیمر متوسط؛
– پلیمر زیاد
ساخته شود.
جرم کل، ابعاد کیسه و شرایط فریزر تا حد امکان ثابت نگه داشته شود.
سپس دمای مرکز بر حسب زمان ثبت گردد.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۴۶-۳۱ ـ نمودار دما ـ زمان
محور افقی:
زمان
و محور عمودی:
دمای مرکز ژلپک
باشد.
از این نمودار میتوان زمان رسیدن به دمای هدف را استخراج کرد.
—
۴۶-۳۲ ـ تعریف «انجماد کامل»
انجماد کامل باید تعریف عملیاتی داشته باشد.
برای مثال میتوان معیار داخلی تعیین کرد که مرکز بسته به یک دمای مشخص برسد و برای مدت مشخص در آن محدوده باقی بماند.
معیار دقیق باید بر اساس فرمول و کاربرد تعیین شود.
—
۴۶-۳۳ ـ سنسور دما
سنسور باید در محلی قرار گیرد که نماینده کندترین بخش سردشونده باشد.
در بسته تخت، این نقطه معمولاً نزدیک مرکز ضخامت است.
—
۴۶-۳۴ ـ کالیبراسیون سنسور
اگر قرار است اختلاف چند دقیقه یا چند درجه مقایسه شود، خطای سنسور اهمیت پیدا میکند.
بنابراین تجهیزات اندازهگیری باید قبل از آزمون کنترل شوند.
—
۴۶-۳۵ ـ تکرار آزمایش
یک آزمایش منفرد برای تصمیم نهایی مناسب نیست.
هر فرمول بهتر است حداقل چند بار آزمایش شود تا پراکندگی نتایج مشخص شود.
—
۴۶-۳۶ ـ میانگین و پراکندگی
فرض کنید زمان انجماد سه نمونه:
۱۲۰، ۱۲۸ و ۱۲۳ دقیقه
باشد.
میانگین حدود:
۱۲۳٫۷ دقیقه
خواهد بود.
اما همین میانگین بدون اطلاع از پراکندگی کامل نیست.
—
۴۶-۳۷ ـ تأثیر مقدار آب
اگر پلیمر ثابت باشد و مقدار آب افزایش یابد، جرم حرارتی افزایش مییابد.
بنابراین ممکن است زمان انجماد بیشتر شود.
—
۴۶-۳۸ ـ افزایش آب برای ظرفیت سرمایشی
افزایش آب میتواند از نظر ظرفیت سرمایشی مفید باشد.
اما اگر زمان انجماد بیش از حد افزایش یابد، محصول از نظر عملی ممکن است مطلوب نباشد.
—
۴۶-۳۹ ـ راهکار مهم: افزایش سطح به جای ضخامت
اگر نیاز به افزایش جرم آب وجود دارد، میتوان به جای ضخیمتر کردن بسته، طول و عرض آن را افزایش داد؛ البته تا حدی که بستهبندی و کاربرد اجازه دهد.
این روش میتواند سرعت انجماد را بهتر حفظ کند.
—
۴۶-۴۰ ـ محدودیت ابعاد
بسته بسیار بزرگ ممکن است:
– حمل دشوار؛
– انعطاف کم؛
– مستعد پارگی؛
– نامناسب برای فریزر
باشد.
بنابراین ابعاد باید با کاربرد واقعی انتخاب شود.
—
۴۶-۴۱ ـ پیشسرد کردن
اگر مواد یا محصول داخل یک جعبه ابتدا پیشسرد شوند، بار حرارتی موردنیاز ژلپک کاهش پیدا میکند.
این موضوع سرعت رسیدن کل سیستم به دمای هدف را افزایش میدهد، حتی اگر سرعت انجماد خود ژلپک تغییر نکند.
—
۴۶-۴۲ ـ تفاوت سرعت انجماد و سرعت سردکردن جعبه
این دو موضوع نباید با یکدیگر اشتباه شوند.
سرعت انجماد ژلپک: مربوط به خود بسته است.
سرعت سردشدن جعبه: مربوط به کل سامانه شامل ژلپک، محصول، عایق و هوای داخل جعبه است.
—
۴۶-۴۳ ـ اثر عایق
عایق خوب باعث میشود گرمای محیط دیرتر وارد جعبه شود.
اما در مرحله انجماد ژلپک داخل فریزر، طراحی عایق اطراف آن میتواند بر انتقال حرارت اثر بگذارد و معمولاً باید جداگانه بررسی شود.
—
۴۶-۴۴ ـ بهترین راهکار همیشه افزایش ظرفیت فریزر نیست
برای تولید انبوه، بهتر است ابتدا هندسه و بستهبندی بهینه شود.
اگر بتوان با بسته تختتر زمان انجماد را کاهش داد، ممکن است نیاز به تجهیزات سرمایشی بزرگتر کاهش یابد.
—
۴۶-۴۵ ـ آزمایش سه ضخامت
یک روش بسیار کاربردی:
ضخامت کم
ضخامت متوسط
ضخامت زیاد
با جرم یا شرایط کنترلشده مقایسه شوند.
برای هر نمونه:
– زمان انجماد؛
– دمای مرکز؛
– زمان ذوب؛
– کیفیت بسته
ثبت شود.
—
۴۶-۴۶ ـ انتخاب نقطه بهینه
فرض کنید نتایج چنین باشد:
طراحی| زمان انجماد| هزینه فیلم| ظرفیت سرمایشی
نازک| کمتر| بیشتر| متوسط
متوسط| متوسط| متوسط| بالا
ضخیم| بیشتر| کمتر| بالا
انتخاب نهایی باید براساس نیاز کاربردی و اقتصادی انجام شود.
—
۴۶-۴۷ ـ خطاهای رایج
خطاهای متداول:
– اندازهگیری دمای سطح به جای مرکز؛
– تغییر همزمان چند متغیر؛
– عدم ثبت دمای فریزر؛
– مقایسه بستههای با جرم متفاوت؛
– مقایسه ضخامتهای متفاوت بدون ثبت دقیق؛
– باز و بسته کردن مکرر فریزر؛
– آزمایش فقط یک بار.
—
۴۶-۴۸ ـ دستورالعمل پیشنهادی آزمون
۱. فرمول ثابت انتخاب شود.
۲. سه ضخامت طراحی شود.
۳. جرم هر بسته ثبت شود.
۴. ابعاد ثبت شود.
۵. سنسور مرکز نصب شود.
۶. نمونهها همزمان وارد فریزر شوند.
۷. دما در فواصل ثابت ثبت شود.
۸. زمان رسیدن به دمای هدف استخراج شود.
۹. آزمون چند بار تکرار شود.
۱۰. نتایج اقتصادی و حرارتی مقایسه شوند.
—
۴۶-۴۹ ـ چکلیست افزایش سرعت انجماد
□ کاهش ضخامت
□ افزایش سطح مؤثر
□ کنترل جرم
□ کنترل دمای فریزر
□ بهبود گردش هوا
□ کاهش ضخامت غیرضروری فیلم
□ کنترل آب و پلیمر
□ کاهش حباب
□ کنترل فضای بین بستهها
□ اندازهگیری دمای مرکز
□ تکرار آزمایش
—
۴۶-۵۰ ـ جمعبندی فصل
برای افزایش سرعت انجماد ژلپک، لازم نیست الزاماً مقدار پلیآکریلات افزایش پیدا کند.
در بسیاری از طراحیها، هندسه بسته و ضخامت ژل تأثیر بسیار مهمی دارند.
اگر مقدار مشخصی آب باید در ژلپک قرار گیرد، تبدیل یک بسته ضخیم به یک بسته تختتر میتواند مسیر انتقال حرارت را کوتاهتر کند.
همچنین استفاده از چند بسته نازک به جای یک بسته بسیار ضخیم، در برخی کاربردها میتواند زمان انجماد را کاهش دهد؛ هرچند هزینه فیلم، دوخت و بستهبندی افزایش پیدا میکند.
عوامل اصلی که باید همزمان بررسی شوند عبارتاند از:
جرم آب، مقدار پلیآکریلات، ضخامت ژل، سطح تماس، نوع و ضخامت فیلم، دمای واقعی فریزر، گردش هوا، فاصله بین بستهها و محل سنسور دما.
از نظر آزمایشگاهی، بهترین روش این است که برای یک فرمول مشخص، چند ضخامت و چند هندسه ساخته شود و دمای مرکز آنها در طول زمان ثبت گردد.
رابطه تقریبی:
t ∝ L²
نشان میدهد که ضخامت میتواند اثر قابل توجهی بر زمان انتقال حرارت داشته باشد، اما برای تعیین عدد واقعی باید آزمایش انجام شود.
از طرف دیگر، افزایش آب میتواند ظرفیت سرمایشی را بالا ببرد، ولی جرم حرارتی بیشتر ممکن است زمان انجماد را نیز افزایش دهد.
بنابراین طراحی مطلوب معمولاً به دنبال این تعادل است:
آب کافی برای ظرفیت سرمایشی مناسب + حداقل پلیمر مؤثر + ضخامت کم + سطح تماس زیاد + فیلم مقاوم و اقتصادی.
در نهایت، سرعت انجماد باید با دمای مرکز ژلپک و در شرایط کنترلشده فریزر اندازهگیری شود، نه صرفاً با لمس سطح بسته یا مشاهده یخزدگی ظاهری.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
موضوع پیشنهادی فصل ۴۷
روش افزایش مدت نگهداری سرما پس از خروج ژلپک از فریزر؛ بررسی مقدار آب، جرم بسته، ضخامت، دمای اولیه، عایق، فیلم، سطح تماس، دمای محیط و روش طراحی ژلپک برای حفظ سرمایش طولانیتر
۰ دیدگاه