دانشنامه جامع کمپرس یخ52
فصل ۵۲
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
روش ساخت ژلپک مخصوص دمای ۰ تا ۵ درجه؛ طراحی فرمول آب و پلیآکریلات، تعیین مقدار آب و پلیمر، انتخاب دمای انجماد، جلوگیری از یخزدگی محصول، طراحی فیلم و آزمون حفظ دما در جعبه
52-1 ـ مقدمه
ژلپک مخصوص محدوده ۰ تا ۵ درجه با ژلپک معمولی تفاوت مهمی دارد. هدف در اینجا صرفاً ایجاد بیشترین سرمایش نیست، بلکه باید دمای داخل جعبه و دمای محصول در محدوده مطلوب باقی بماند.
به همین دلیل طراحی باید همزمان شامل فرمول ژل، مقدار آب، مقدار پلیآکریلات، ابعاد بسته، فیلم، دمای اولیه، عایق و چیدمان باشد.
—
52-2 ـ تعریف محدوده ۰ تا ۵ درجه
وقتی گفته میشود ژلپک برای ۰ تا ۵ درجه طراحی شده است، ابتدا باید مشخص شود منظور:
– دمای خود ژلپک؛
– دمای هوای جعبه؛
– دمای سطح محصول؛
– یا دمای مرکز محصول
است.
برای یک طراحی حرفهای بهتر است دمای محصول معیار اصلی باشد.
—
52-3 ـ هدف اصلی طراحی
هدف را میتوان به صورت زیر تعریف کرد:
[
0 \leq T_{product} \leq 5^\circ C
]
در طول مدت مشخص.
برای مثال، ممکن است هدف یک سیستم این باشد که دمای محصول به مدت ۲۴ ساعت در محدوده مشخص باقی بماند.
این هدف باید پیش از انتخاب فرمول تعیین شود.
—
52-4 ـ چرا ژلپک بسیار سرد همیشه مناسب نیست؟
اگر ژلپک تا دمای بسیار پایین منجمد شود، تماس مستقیم آن با محصول ممکن است باعث ایجاد نقاط بسیار سرد شود.
بنابراین در کاربردهای حساس، افزایش ظرفیت سرمایشی بدون کنترل نحوه انتقال حرارت الزاماً نتیجه مطلوبی ندارد.
گاهی ژلپک با سرمایش ملایمتر، در کنار عایق بهتر، سیستم مناسبتری ایجاد میکند.
—
52-5 ـ اجزای اصلی ژلپک
یک ژلپک ساده آبپایه میتواند شامل:
1. آب؛
2. پلیآکریلات سدیم؛
3. فیلم بستهبندی؛
4. فضای خالی کنترلشده؛
5. دوخت حرارتی
باشد.
در صورت نیاز به تغییر نقطه انجماد یا خواص فیزیکی، مواد دیگری نیز ممکن است بررسی شوند؛ اما افزودن مواد اضافی باید بر اساس آزمون انجام شود.
—
52-6 ـ نقش آب
آب مهمترین بخش جرمی ژلپک آبپایه است.
ظرفیت گرمایی محسوس آب تقریباً:
[
C_p \approx 4.18;kJ/(kg.K)
]
است.
همچنین آب در صورت انجماد و ذوب، انرژی نهان قابل توجهی دارد.
گرمای نهان ذوب یخ آب خالص در شرایط مرجع حدود:
[
L_f \approx 334;kJ/kg
]
است.
—
52-7 ـ نقش پلیآکریلات سدیم
پلیآکریلات سدیم برای افزایش ظرفیت جذب و نگهداری آب استفاده میشود.
در یک ژلپک مناسب، پلیمر باید آب را تا حد امکان یکنواخت در ساختار ژل نگه دارد.
اما مقدار پلیمر نباید صرفاً بر اساس حداکثر جذب آب انتخاب شود؛ زیرا هدف نهایی، عملکرد حرارتی بسته است.
—
52-8 ـ تعیین نسبت آب به پلیمر
نسبت ساده را میتوان چنین تعریف کرد:
[
R=\frac{M_w}{M_p}
]
که در آن:
– M_w = جرم آب
– M_p = جرم پلیآکریلات
است.
برای مثال، اگر ۱۰۰۰ گرم آب با ۱۰ گرم پلیمر استفاده شود:
[
R=100
]
اما این عدد صرفاً نسبت فرمولاسیون است و به معنی جذب واقعی ۱۰۰ برابر در همه شرایط نیست.
—
52-9 ـ آزمایش چند نسبت
بهتر است به جای انتخاب یک نسبت از ابتدا، چند نسبت آزمایش شود.
برای مثال:
نمونه| آب| پلیآکریلات
A| 1000 g| 5 g
B| 1000 g| 7.5 g
C| 1000 g| 10 g
D| 1000 g| 15 g
E| 1000 g| 20 g
این جدول یک ماتریس آزمایشی است و مقادیر نهایی باید با آزمون تعیین شوند.
—
52-10 ـ معیار انتخاب نسبت مناسب
برای هر نمونه بررسی شود:
– آب آزاد؛
– یکنواختی ژل؛
– سرعت جذب؛
– ویسکوزیته؛
– قابلیت پرکردن؛
– انجماد؛
– ذوب؛
– نشتی؛
– هزینه.
فرمولی که کمترین پلیمر را مصرف کند اما آب آزاد زیاد داشته باشد، الزاماً اقتصادیترین فرمول واقعی نیست.
—
52-11 ـ کیفیت آب
کیفیت آب میتواند بر پلیآکریلات اثر بگذارد.
آب دارای یونهای کلسیم، منیزیم و سایر یونها ممکن است ظرفیت تورم را کاهش دهد.
بنابراین در توسعه فرمول بهتر است نوع آب ثابت باشد.
در تولید انبوه نیز کیفیت آب ورودی باید کنترل شود.
—
52-12 ـ استفاده از آب شهری
آب شهری میتواند برای آزمایش اولیه مورد استفاده قرار گیرد، اما باید مشخصات آن در محدوده قابل قبول برای فرمول تولید باشد.
اگر کیفیت آب شهری در مناطق مختلف تغییر کند، ممکن است عملکرد پلیمر نیز تغییر کند.
برای محصول صنعتی، تعریف کیفیت آب ورودی اهمیت دارد.
—
52-13 ـ استفاده از آب تصفیهشده
در صورت مشاهده اختلاف زیاد میان بچها، میتوان استفاده از آب تصفیهشده را بررسی کرد.
روشهایی مانند:
– RO؛
– آب بدون یون؛
– آب مقطر
میتوانند تغییرات ناشی از یونها را کاهش دهند.
انتخاب روش باید بر اساس هزینه و نیاز محصول باشد.
—
52-14 ـ روش صحیح افزودن پلیآکریلات
افزودن سریع مقدار زیادی پودر به آب میتواند باعث تشکیل کلوخه شود.
بهتر است پودر:
– بهتدریج؛
– با پراکندگی مناسب؛
– تحت اختلاط کنترلشده
اضافه شود.
هدف، تماس یکنواخت ذرات با آب است.
—
52-15 ـ جلوگیری از کلوخهشدن
کلوخه شدن باعث میشود:
– مرکز کلوخه دیرتر آبگیری کند؛
– بخشی از پلیمر کاملاً متورم نشود؛
– ژل یکنواخت نباشد؛
– آب آزاد افزایش پیدا کند.
بنابراین کیفیت اختلاط یکی از عوامل اصلی کیفیت ژلپک است.
—
52-16 ـ زمان آبگیری
بعد از اختلاط ممکن است پلیمر به زمان نیاز داشته باشد تا آبگیری کاملتر شود.
بنابراین بهتر است قبل از پرکردن، زمان مشخصی برای آبگیری تعیین شود.
زمان دقیق باید با آزمایش تعیین شود و به نوع پلیمر، اندازه ذرات و نسبت آب بستگی دارد.
—
52-17 ـ تشخیص آب آزاد
یک روش ساده آزمایشگاهی:
1. مقدار مشخصی ژل تهیه کنید.
2. آن را در ظرف شفاف قرار دهید.
3. چند ساعت تا یک شب نگهداری کنید.
4. سطح و کف ظرف را بررسی کنید.
اگر لایه آب جداگانه تشکیل شود، احتمال وجود آب آزاد یا آباندازی وجود دارد.
—
52-18 ـ آباندازی ژل
آباندازی یا Syneresis به خروج بخشی از آب از ساختار ژل گفته میشود.
علل احتمالی:
– پلیمر ناکافی؛
– کیفیت نامناسب آب؛
– فشار مکانیکی؛
– فرمول نامناسب؛
– تغییرات دمایی؛
– ساختار ژل ناپایدار.
این پدیده باید قبل از تولید انبوه بررسی شود.
—
52-19 ـ مقدار مناسب پلیمر
مقدار پلیمر باید به اندازهای باشد که:
آب در بسته به شکل پایدار نگه داشته شود.
اما افزایش بیش از حد پلیمر میتواند:
– هزینه را افزایش دهد؛
– ویسکوزیته را زیاد کند؛
– پرکردن را دشوار کند؛
– سهم آب را در جرم کل کاهش دهد.
پس نقطه بهینه باید آزمایش شود.
—
52-20 ـ هدف از فرمول اقتصادی
فرمول اقتصادی صرفاً ارزانترین فرمول نیست.
فرمول اقتصادی باید بتواند:
– عملکرد حرارتی موردنیاز را تأمین کند؛
– نشتی کمی داشته باشد؛
– تولیدپذیر باشد؛
– در چرخههای انجماد و ذوب پایدار بماند؛
– هزینه مواد و تولید مناسبی داشته باشد.
—
52-21 ـ دمای اولیه ژلپک
برای کاربرد ۰ تا ۵ درجه، دمای اولیه اهمیت زیادی دارد.
مثلاً ژلپک خروجی از فریزر با دمای بسیار پایین میتواند ابتدا سرمایش شدیدی ایجاد کند.
در مقابل، ژلپک با دمای اولیه بالاتر ممکن است برای کاربردهایی که نباید محصول یخ بزند مناسبتر باشد.
—
52-22 ـ تعیین دمای اولیه واقعی
دمای تنظیمشده فریزر با دمای واقعی مرکز ژلپک یکی نیست.
بنابراین باید:
– دمای فریزر؛
– دمای سطح؛
– دمای مرکز ژلپک
اندازهگیری شوند.
دمای مرکز معیار مناسبتری برای مقایسه نمونههاست.
—
52-23 ـ ضخامت ژلپک
ضخامت زیاد باعث افزایش فاصله انتقال حرارت از مرکز میشود.
برای یک ژلپک تخت، کاهش ضخامت معمولاً انتقال حرارت را سریعتر میکند.
اما بسته بسیار نازک ممکن است:
– ظرفیت کل کمتری داشته باشد؛
– سریعتر گرم شود؛
– مقاومت مکانیکی متفاوتی داشته باشد.
—
52-24 ـ افزایش سطح تماس
یکی از روشهای مهم برای کنترل سرمایش، افزایش سطح تماس است.
به جای ساخت یک بسته بسیار ضخیم میتوان از بستهای:
پهنتر و نازکتر
استفاده کرد.
در این حالت سطح بیشتری در تماس با محیط داخلی جعبه قرار میگیرد.
—
52-25 ـ یک ژلپک بزرگ یا چند ژلپک کوچک؟
چند ژلپک کوچک میتوانند توزیع سرمایش بهتری ایجاد کنند.
مزایا:
– انعطاف در چیدمان؛
– افزایش سطح تماس؛
– کاهش ضخامت هر بسته؛
– امکان توزیع در چند نقطه.
اما تعداد بیشتر باعث افزایش دوخت، بستهبندی و هزینه تولید میشود.
—
52-26 ـ طراحی هندسی پیشنهادی
برای یک نمونه آزمایشگاهی میتوان سه هندسه ساخت:
نمونه| شکل| ضخامت نسبی
A| تخت| کم
B| متوسط| متوسط
C| ضخیم| زیاد
جرم و فرمول باید تا حد امکان یکسان باشند.
سپس زمان رسیدن مرکز هر نمونه به دمای هدف اندازهگیری شود.
—
52-27 ـ فیلم مناسب
فیلم باید در دمای پایین:
– انعطافپذیر باقی بماند؛
– ترک نخورد؛
– سوراخ نشود؛
– دوخت آن پایدار باشد.
برای تولید تجاری، انتخاب فیلم باید با آزمون واقعی انجماد و ذوب انجام شود.
—
52-28 ـ ضخامت فیلم
افزایش ضخامت فیلم معمولاً مقاومت مکانیکی را افزایش میدهد، اما ممکن است انتقال حرارت را اندکی تغییر دهد و هزینه مواد را افزایش دهد.
در ژلپک، معمولاً باید میان:
مقاومت + قیمت + انتقال حرارت + قابلیت دوخت
تعادل برقرار شود.
—
52-29 ـ اهمیت دوخت حرارتی
حتی بهترین فرمول در صورت دوخت نامناسب قابل استفاده نیست.
پارامترهای اصلی دوخت عبارتاند از:
– دما؛
– زمان؛
– فشار؛
– تمیزی محل دوخت.
هر چهار مورد باید کنترل شوند.
—
52-30 ـ فضای خالی داخل بسته
هنگام پرکردن نباید بسته را بدون توجه به انبساط احتمالی کاملاً پر کرد.
فضای خالی کنترلشده میتواند به کاهش فشار داخلی کمک کند.
اما مقدار مناسب باید بر اساس فرمول، فیلم، حجم پرشده و شرایط انجماد تعیین شود.
—
52-31 ـ آزمون نشتی
آزمون نشتی باید در چند مرحله انجام شود:
1. بلافاصله پس از دوخت؛
2. پس از انجماد؛
3. پس از ذوب؛
4. پس از چند چرخه؛
5. در صورت نیاز پس از آزمون مکانیکی.
هدف این است که نشتی فقط در شرایط اتاق شناسایی نشود.
—
52-32 ـ آزمون سقوط
یک بسته نمونه میتواند از ارتفاع مشخص و تعریفشده تحت آزمون سقوط قرار گیرد.
پس از سقوط:
– محل دوخت؛
– گوشهها؛
– سطح فیلم؛
– نشتی
بررسی شود.
ارتفاع و تعداد سقوطها باید در مشخصات داخلی محصول تعریف شوند.
—
52-33 ـ آزمون فشار
برای بررسی استحکام بسته میتوان فشار کنترلشده ایجاد کرد.
این آزمون بهویژه پس از انجماد اهمیت دارد؛ زیرا حجم و سختی محتویات تغییر میکند.
—
52-34 ـ آزمون انجماد و ذوب
چرخه پایه:
انجماد کامل → انتقال → ذوب → بررسی → انجماد مجدد
است.
این چرخه باید چند بار تکرار شود تا مشخص شود فیلم و ژل در استفاده مجدد پایدار هستند.
—
52-35 ـ معیار «انجماد کامل»
فقط یخزدن سطح بسته کافی نیست.
بهتر است دمای مرکز ژلپک ثبت شود.
برای مقایسه فرمولها میتوان یک معیار داخلی مانند:
رسیدن مرکز به دمای تعیینشده و ثابتشدن نسبی آن
تعریف کرد.
—
52-36 ـ محاسبه ساده ظرفیت سرمایشی
برای بخش محسوس:
[
Q=mC_p\Delta T
]
برای مثال اگر ۱ کیلوگرم آب از 20°C به 5°C برسد:
[
Q=1\times4.18\times15
]
تقریباً:
[
62.7;kJ
]
انرژی گرمایی جذب شده است.
اگر تغییر فاز نیز رخ دهد، باید انرژی نهان نیز در محاسبه وارد شود.
—
52-37 ـ چرا همه ظرفیت تئوری قابل استفاده نیست؟
ظرفیت تئوری ممکن است به دلایلی بهطور کامل در اختیار محصول قرار نگیرد:
– عایق؛
– تماس ناقص؛
– مقاومت فیلم؛
– فاصله؛
– جریان هوا؛
– ظرفیت محدود محصول؛
– گرمای ورودی جعبه.
پس باید ظرفیت مفید در سیستم واقعی اندازهگیری شود.
—
52-38 ـ بار حرارتی محصول
فرض کنید ۵ کیلوگرم محصول از 15°C باید به 5°C برسد.
با فرض C_p=4;kJ/(kg.K):
[
Q=5\times4\times10=200;kJ
]
این فقط بار محسوس نمونه است.
گرمای ورودی از محیط نیز باید جداگانه محاسبه یا اندازهگیری شود.
—
52-39 ـ نقش جعبه عایق
اگر جعبه عایق ضعیف باشد، حتی یک ژلپک بزرگ نیز ممکن است نتواند دما را برای مدت طولانی حفظ کند.
بنابراین طراحی ژلپک باید همراه با طراحی جعبه انجام شود.
یک سیستم سرد معمولاً شامل:
ژلپک + محصول + جعبه + عایق + چیدمان
است.
—
52-40 ـ چیدمان ژلپک
برای آزمایش اولیه سه چیدمان مفید است:
طرح A: ژلپک بالا و پایین
طرح B: ژلپک در اطراف محصول
طرح C: ترکیبی از بالا، پایین و اطراف
در هر طرح باید تعداد و جرم ژلپک مشخص باشد.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
52-41 ـ جلوگیری از نقطه سرد
اگر محصول حساس به یخزدگی است، بهتر است ژلپک مستقیماً به آن نچسبد.
میتوان از:
– جداکننده؛
– لایه مقوایی مناسب؛
– فیلم یا عایق نازک؛
– فاصله هوایی کنترلشده
استفاده کرد.
اثر هر روش باید با اندازهگیری دما بررسی شود.
—
52-42 ـ تعداد سنسورها
برای یک آزمایش دقیقتر حداقل این نقاط مفید هستند:
1. دمای محیط؛
2. داخل جعبه؛
3. مرکز محصول؛
4. سطح یا مرکز ژلپک.
در جعبههای بزرگتر تعداد سنسورها باید افزایش یابد.
—
52-43 ـ نقشه دمایی
اگر در یک نقطه دما 2°C و در نقطه دیگری 8°C باشد، میانگین ساده ممکن است مشکل را پنهان کند.
بنابراین باید نقاط گرم و سرد مشخص شوند.
هدف سیستم حرفهای، فقط پایین بودن میانگین دما نیست؛ بلکه کنترل یکنواختی دما نیز مهم است.
—
52-44 ـ آزمایش ۱۲ ساعته
در آزمایش ۱۲ ساعته، ثبت شود:
– دمای شروع؛
– کمینه دما؛
– زمان رسیدن به کمینه؛
– مدت حضور در محدوده ۰ تا ۵°C؛
– دمای نهایی.
این آزمون برای غربال اولیه فرمولها مفید است.
—
52-45 ـ آزمایش ۲۴ ساعته
برای حمل طولانیتر، آزمون ۲۴ ساعته انجام شود.
در این آزمایش علاوه بر دما، موارد زیر نیز ثبت شود:
– تغییر شکل بسته؛
– نشتی؛
– آباندازی؛
– وضعیت دوخت؛
– وضعیت محصول.
—
52-46 ـ آزمایش ۴۸ ساعته
آزمون ۴۸ ساعته میتواند برای بررسی ماندگاری طولانیتر انجام شود.
اما نتیجه به شرایط محیطی وابسته است.
مثلاً آزمون در 20°C با آزمون در 35°C یکسان نیست.
بنابراین دمای محیط باید همراه نتایج ثبت شود.
—
52-47 ـ انتخاب فرمول نهایی
پس از آزمونها، یک جدول تصمیم تهیه شود:
معیار| F1| F2| F3
آب آزاد| کم/متوسط/زیاد| |
زمان انجماد| | |
ظرفیت سرمایشی| | |
پایداری| | |
نشتی| | |
هزینه| | |
تولیدپذیری| | |
انتخاب نهایی باید بر اساس نیاز کاربرد انجام شود، نه یک شاخص منفرد.
—
52-48 ـ تبدیل آزمایش به تولید
پس از انتخاب فرمول، باید مشخصات تولید نوشته شود:
– کیفیت آب؛
– جرم آب؛
– جرم پلیمر؛
– ترتیب اختلاط؛
– زمان آبگیری؛
– جرم پرشده؛
– ابعاد کیسه؛
– فضای خالی؛
– پارامتر دوخت؛
– روش آزمون نشتی؛
– روش آزمون انجماد.
این سند، پایه کنترل کیفیت تولید خواهد بود.
—
52-49 ـ دستورالعمل عملی پیشنهادی
برای ساخت نمونه اولیه:
1. آب با کیفیت ثابت تهیه کنید.
2. مقدار مشخص آب را وزن کنید.
3. پلیآکریلات را دقیق وزن کنید.
4. پلیمر را بهآرامی به آب اضافه کنید.
5. از تشکیل کلوخه جلوگیری کنید.
6. اجازه دهید آبگیری کاملتر شود.
7. آب آزاد را بررسی کنید.
8. ژل را در فیلم مناسب پر کنید.
9. فضای خالی کنترلشده ایجاد کنید.
10. دوخت حرارتی انجام دهید.
11. نشتی اولیه را بررسی کنید.
12. بسته را منجمد کنید.
13. دمای مرکز را ثبت کنید.
14. در جعبه عایق آزمایش کنید.
15. دمای محصول را در طول زمان ثبت کنید.
16. فرمول و ابعاد را بر اساس نتایج اصلاح کنید.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
52-50 ـ جمعبندی فصل
ساخت ژلپک مخصوص ۰ تا ۵ درجه سانتیگراد بیش از آنکه به ساخت یک ژل بسیار سرد وابسته باشد، به طراحی صحیح کل سیستم سرمایش وابسته است.
در یک ژلپک آبپایه، آب مهمترین جزء ظرفیت حرارتی است و پلیآکریلات سدیم وظیفه جذب و نگهداری آب را بر عهده دارد. نسبت آب به پلیمر باید با آزمایش تعیین شود؛ زیرا افزایش پلیمر همیشه به معنی افزایش عملکرد سرمایشی نیست.
برای طراحی موفق باید حداقل این عوامل بررسی شوند:
– دمای اولیه ژلپک؛
– مقدار آب؛
– مقدار پلیآکریلات؛
– کیفیت آب؛
– آب آزاد؛
– ضخامت بسته؛
– سطح تماس؛
– نوع و ضخامت فیلم؛
– فضای خالی؛
– استحکام دوخت؛
– دمای فریزر؛
– دمای محیط؛
– نوع و ضخامت عایق؛
– چیدمان ژلپک؛
– دمای مرکز محصول.
یک نکته بسیار مهم این است که هدف، الزاماً سردترین ژلپک نیست؛ هدف، رسیدن محصول به محدوده دمایی موردنظر و باقیماندن در آن محدوده برای مدت کافی است.
به همین دلیل، فرمولی که در فریزر بسیار سرد میشود ممکن است در یک کاربرد خاص عملکرد مطلوبی نداشته باشد و حتی در صورت تماس مستقیم، خطر ایجاد نقطه سرد یا یخزدگی ناخواسته را افزایش دهد.
برای توسعه صنعتی، پیشنهاد میشود ابتدا چند نسبت آب به پلیآکریلات در مقیاس آزمایشگاهی ساخته شود، سپس هر نمونه از نظر آب آزاد، یکنواختی، زمان انجماد، دمای مرکز، نشتی، دوام چرخهای و عملکرد در جعبه واقعی مقایسه شود.
در مرحله بعد، فرمول منتخب باید به یک دستورالعمل تولید تبدیل شود و برای هر بچ، جرم آب، جرم پلیمر، وزن نهایی بسته، ابعاد، پارامترهای دوخت و نتایج آزمونهای کنترل کیفیت ثبت گردد.
به این ترتیب، ژلپک از یک ترکیب ساده آب و پلیمر به یک محصول مهندسیشده برای محدوده دمایی مشخص تبدیل میشود.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
پیشنهاد موضوع فصل ۵۳
طراحی ژلپک مخصوص دمای ۵ تا ۱۰ درجه؛ بررسی فرمول آب و پلیآکریلات، کاهش سرمایش بیش از حد، انتخاب دمای اولیه، جرم و ضخامت بسته، عایقکاری، چیدمان و روش حفظ دمای محصول در محدوده ۵ تا ۱۰ درجه سانتیگراد
۰ دیدگاه