دانشنامه جامع کمپرس یخ70
فصل ۷۰
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
روش طراحی ژلپک با بیشترین انتقال حرارت و سرعت سرمایش؛ بررسی ضریب انتقال حرارت، ضخامت ژل، سطح تماس، نوع فیلم، تماس با محصول، گردش هوا و روش افزایش سرعت انتقال سرما از ژلپک به محیط
70-1 ـ مقدمه
ظرفیت سرمایشی و سرعت انتقال سرما دو مفهوم متفاوت هستند. ممکن است یک ژلپک مقدار زیادی انرژی حرارتی جذب کند، اما به دلیل ضخامت زیاد یا تماس حرارتی نامناسب، سرمای خود را بهآرامی منتقل کند.
برای کاربردهایی که هدف آنها سرمایش سریع است، باید علاوه بر مقدار انرژی ذخیرهشده، مسیر انتقال حرارت نیز بهینه شود.
عوامل مهم عبارتاند از:
– ضخامت ژل؛
– سطح تماس؛
– جنس و ضخامت فیلم؛
– دمای اولیه ژلپک؛
– تماس مستقیم با محصول؛
– گردش هوا؛
– شکل بسته؛
– عایق اطراف.
—
70-2 ـ ظرفیت سرمایشی در برابر سرعت سرمایش
ظرفیت سرمایشی یعنی مقدار کل انرژیای که ژلپک میتواند جذب کند.
بهصورت ساده:
[
Q=mC_p\Delta T
]
اما سرعت سرمایش به نرخ انتقال حرارت وابسته است:
[
\dot Q=UA\Delta T
]
بنابراین ممکن است دو ژلپک ظرفیت مشابهی داشته باشند اما سرعت سرمایش آنها متفاوت باشد.
—
70-3 ـ نقش دمای اولیه
هرچه ژلپک از قبل سردتر باشد، اختلاف دمای آن با محیط بیشتر است.
برای مثال، ژلپک در:
[
-18^\circ C
]
در تماس با جسمی با دمای:
[
25^\circ C
]
اختلاف دمای اولیه بسیار بیشتری نسبت به ژلپک در:
[
5^\circ C
]
خواهد داشت.
این اختلاف دما بر سرعت اولیه انتقال حرارت اثر میگذارد.
—
70-4 ـ قانون ساده انتقال حرارت
در یک مدل ساده:
[
\dot Q=UA(T_{product}-T_{pack})
]
که در آن:
– (U): ضریب کلی انتقال حرارت؛
– (A): سطح تماس؛
– (T_{product}): دمای محصول؛
– (T_{pack}): دمای ژلپک.
هرچه (UA) بیشتر باشد، در شرایط یکسان انتقال حرارت سریعتر خواهد بود.
—
70-5 ـ سطح تماس
افزایش سطح تماس یکی از روشهای مهم افزایش سرعت سرمایش است.
اگر سطح تماس دو برابر شود و سایر شرایط ثابت بماند، در مدل ساده مقدار انتقال حرارت لحظهای نیز تقریباً دو برابر میشود.
البته در شرایط واقعی مقاومتهای حرارتی دیگر نیز وجود دارند.
—
70-6 ـ ضخامت ژل
ضخامت زیاد میتواند مسیر انتقال حرارت داخلی را افزایش دهد.
در نتیجه بخش مرکزی ژلپک ممکن است دیرتر با سطح به تعادل حرارتی برسد.
به همین دلیل برای سرمایش سریع، بستههای تخت و نسبتاً نازک معمولاً ارزش بررسی دارند.
—
70-7 ـ رابطه تقریبی زمان با ضخامت
در بسیاری از فرآیندهای هدایت حرارتی، زمان مشخصه به صورت تقریبی با مربع طول مشخصه تغییر میکند:
[
t\propto L^2
]
بنابراین اگر ضخامت مؤثر دو برابر شود، زمان انتقال حرارت میتواند به طور قابل توجهی افزایش یابد.
این رابطه تقریبی است و برای طراحی نهایی باید با آزمایش تأیید شود.
—
70-8 ـ بسته تخت
بسته تخت چند مزیت دارد:
– سطح تماس زیاد؛
– ضخامت کم؛
– مسیر انتقال حرارت کوتاه؛
– قابلیت قرارگیری روی سطح محصول.
اما باید مقاومت فیلم در برابر خمشدن و سوراخشدن نیز بررسی شود.
—
70-9 ـ بسته ضخیم
بسته ضخیم برای ذخیره جرم زیاد سردکننده در حجم کمتر مناسب است.
اما اگر هدف اصلی رسیدن سریع به دمای هدف باشد، ممکن است نیاز به آزمایش ضخامتهای کمتر داشته باشد.
—
70-10 ـ یک بسته بزرگ یا چند بسته نازک
فرض کنید مجموع جرم ژل:
۲ کیلوگرم
باشد.
میتوان از:
– یک بسته ۲ کیلوگرمی؛
– دو بسته ۱ کیلوگرمی؛
– چهار بسته ۵۰۰ گرمی؛
– هشت بسته ۲۵۰ گرمی
استفاده کرد.
تقسیم جرم میتواند سطح تماس و انعطاف چیدمان را افزایش دهد، اما مقدار فیلم و تعداد دوختها نیز بیشتر میشود.
—
70-11 ـ سطح تماس مؤثر
فقط سطح هندسی مهم نیست.
ممکن است ژلپک دارای سطح بزرگ باشد ولی فقط بخشی از آن واقعاً با محصول یا محیط در تماس باشد.
بنابراین باید:
سطح تماس واقعی
اندازهگیری یا تخمین زده شود.
—
70-12 ـ فاصله هوایی
وجود فاصله هوایی بین ژلپک و محصول میتواند مقاومت انتقال حرارت را افزایش دهد.
در بسیاری از شرایط، تماس مستقیم یا تماس از طریق یک لایه بسیار نازک، انتقال حرارت بیشتری نسبت به یک لایه هوای ضخیم ایجاد میکند.
—
70-13 ـ نقش فیلم
فیلم بخشی از مسیر انتقال حرارت است.
مقاومت حرارتی یک لایه را میتوان به صورت ساده چنین نوشت:
[
R=\frac{L}{kA}
]
که:
– (L): ضخامت؛
– (k): رسانندگی حرارتی؛
– (A): سطح.
فیلم بسیار ضخیم میتواند مقاومت حرارتی بیشتری ایجاد کند.
—
70-14 ـ فیلم بسیار نازک
کاهش ضخامت فیلم میتواند مقاومت حرارتی فیلم را کاهش دهد، اما این کار نباید باعث کاهش ایمنی مکانیکی شود.
بنابراین باید بین:
انتقال حرارت و مقاومت مکانیکی
تعادل برقرار شود.
—
70-15 ـ فیلم چندلایه
فیلم چندلایه ممکن است از نظر مکانیکی یا آببندی مزایایی داشته باشد، اما هر لایه دارای مقاومت حرارتی خود است.
در طراحی حرارتی، ساختار کامل فیلم باید در نظر گرفته شود.
—
70-16 ـ مقاومتهای حرارتی سری
مسیر انتقال حرارت واقعی میتواند شامل چند بخش باشد:
محصول → بستهبندی محصول → هوا یا تماس سطحی → فیلم ژلپک → ژل → ناحیه داخلی بسته
بنابراین:
[
R_{total}=R_1+R_2+R_3+\cdots
]
هر بخش مقاومتر میتواند سرعت کل انتقال حرارت را محدود کند.
—
70-17 ـ نقش تماس مستقیم
اگر ژلپک مستقیماً روی سطح محصول قرار گیرد، مقاومت ناشی از فاصله هوا ممکن است کاهش یابد.
اما تماس مستقیم باید با توجه به:
– رطوبت؛
– میعان؛
– جنس محصول؛
– احتمال آسیب دمایی
بررسی شود.
—
70-18 ـ سرمایش سریع با سرمایش طولانی متفاوت است
برای سرمایش سریع، هدف اصلی افزایش:
[
\dot Q
]
است.
برای سرمایش طولانی، هدف افزایش:
[
Q_{total}
]
و کاهش نرخ ورود گرماست.
به همین دلیل یک ژلپک فوقالعاده ضخیم ممکن است برای یک کاربرد طولانی مناسب باشد ولی برای سرمایش سریع بهترین هندسه نباشد.
—
70-19 ـ گرمای نهان
اگر بخش قابل توجهی از آب ژلپک منجمد شود، انرژی مربوط به تغییر فاز نیز اهمیت پیدا میکند.
برای آب خالص:
[
Q_L=mL
]
و گرمای نهان ذوب آب در حدود:
[
L\approx334,kJ/kg
]
است.
مقدار واقعی انرژی قابل استفاده در ژلپک به ترکیب و شرایط آن بستگی دارد.
—
70-20 ـ نقش آب در ژلپک
در فرمولهای آبپایه، بخش عمده جرم ژلپک معمولاً آب است.
آب نقش اصلی در ظرفیت گرمایی و در صورت وقوع تغییر فاز، در ذخیره انرژی نهان دارد.
پلیمر بیشتر نقش ساختاری و نگهدارنده آب را ایفا میکند.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
70-21 ـ مقدار پلیآکریلات
افزایش پلیآکریلات لزوماً به معنی افزایش ظرفیت سرمایشی نیست.
اگر پلیمر فقط جایگزین بخشی از آب شود، ممکن است ظرفیت حرارتی جرمی تغییر کند.
هدف باید تعیین حداقل مقدار پلیمر لازم برای ایجاد ژل پایدار باشد.
—
70-22 ـ نسبت آب به پلیمر
میتوان:
[
R=\frac{M_w}{M_p}
]
را به عنوان شاخص اولیه فرمولاسیون استفاده کرد.
برای مثال سه فرمول با نسبتهای مختلف ساخته و موارد زیر مقایسه شوند:
– سرعت جذب؛
– آب آزاد؛
– شکل ژل؛
– قابلیت پرکردن؛
– عملکرد سرمایشی.
—
70-23 ـ آب آزاد و انتقال حرارت
آب آزاد و آب متصل به ساختار ژل رفتار یکسانی ندارند.
اگر آب آزاد زیاد باشد، ممکن است ژل رفتار مایعتری پیدا کند.
اگر ژل بیش از حد خشک یا سفت شود، حرکت داخلی و انتقال حرارت نیز ممکن است متفاوت شود.
بنابراین ساختار ژل باید براساس کاربرد بهینه شود.
—
70-24 ـ اثر کیفیت آب
وجود یونهایی مانند:
– سدیم؛
– کلسیم؛
– منیزیم؛
– کلرید؛
– سولفات
میتواند بر تورم پلیآکریلات اثر بگذارد.
بنابراین اگر سرعت جذب یا ساختار ژل تغییر کرد، کیفیت آب باید بررسی شود.
—
70-25 ـ گردش هوا
در ژلپکهایی که سرمایش از طریق هوا انجام میشود، گردش هوا اهمیت زیادی دارد.
اگر هوای سرد اطراف بسته حرکت نکند، لایهای از هوای سرد تشکیل میشود که میتواند انتقال حرارت را محدود کند.
—
70-26 ـ تماس با سطح سرد
در فریزر، تماس مناسب بسته با سطح یا هوای سرد میتواند سرعت انجماد را افزایش دهد.
با این حال، نباید بستهها آنقدر روی هم قرار گیرند که جریان هوا متوقف شود.
—
70-27 ـ فاصله بین بستهها
اگر چند ژلپک همزمان منجمد میشوند، فاصله مناسب بین آنها میتواند به گردش هوای سرد کمک کند.
چسباندن تعداد زیادی بسته به یکدیگر ممکن است انجماد را کند کند.
—
70-28 ـ طراحی برای فریزر محدود
در فریزرهای کوچک، فضای موجود محدود است.
در این حالت میتوان به جای یک بسته ضخیم، چند بسته تخت طراحی کرد.
این کار میتواند استفاده از فضای فریزر را نیز بهتر کند.
—
70-29 ـ سرمایش سریع محصول
برای محصول گرم، بار حرارتی اصلی را میتوان با:
[
Q=mC_p\Delta T
]
تخمین زد.
مثلاً اگر:
[
m=5kg
]
و:
[
C_p=4kJ/(kg.K)
]
و کاهش دما:
[
\Delta T=15K
]
باشد:
[
Q=5\times4\times15=300kJ
]
است.
—
70-30 ـ ظرفیت مورد نیاز ژلپک
اگر بار حرارتی محصول ۳۰۰ کیلوژول باشد، ظرفیت واقعی ژلپک باید بیش از این مقدار در نظر گرفته شود؛ زیرا جعبه، محیط و اتلاف حرارتی نیز بار ایجاد میکنند.
اگر ضریب اطمینان فرضی ۱٫۲ در نظر بگیریم:
[
Q_{design}=300\times1.2=360kJ
]
این فقط یک مثال طراحی است.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
70-31 ـ زمان رسیدن به دمای هدف
فقط ظرفیت کافی نیست.
ممکن است ژلپک بتواند ۵۰۰ کیلوژول انرژی جذب کند، اما اگر سرعت انتقال حرارت پایین باشد، محصول در زمان موردنظر سرد نشود.
بنابراین باید دو معیار جداگانه تعریف کرد:
ظرفیت کل
و
زمان رسیدن به دمای هدف.
—
70-32 ـ نرخ سرمایش
نرخ متوسط تغییر دما:
[
Rate=\frac{T_1-T_2}{t_2-t_1}
]
است.
اگر دمای محصول از ۲۵ به ۱۵ درجه در ۳۰ دقیقه برسد:
[
Rate=\frac{25-15}{0.5}=20^\circ C/h
]
این شاخص برای مقایسه طراحیها مفید است.
—
70-33 ـ دمای سطح و مرکز
ممکن است سطح محصول بسیار سریع سرد شود، اما مرکز آن همچنان گرم باشد.
بنابراین در محصولات ضخیم، سنسور باید علاوه بر سطح، در مرکز یا نقاط بحرانی نیز قرار گیرد.
—
70-34 ـ تعداد سنسورها
برای آزمون دقیقتر میتوان حداقل سه نقطه را بررسی کرد:
– نزدیک ژلپک؛
– مرکز محصول؛
– دورترین نقطه از ژلپک.
این کار نقاط گرم و سرد را مشخص میکند.
—
70-35 ـ نقشه دمایی
در یک جعبه بزرگ بهتر است چند سنسور نصب شود.
سپس:
[
\Delta T=T_{max}-T_{min}
]
محاسبه شود.
هرچه اختلاف دما کمتر باشد، یکنواختی سرمایش بیشتر است.
—
70-36 ـ چیدمان بالا
قرار دادن ژلپک در قسمت بالایی جعبه میتواند در شرایطی مفید باشد، زیرا هوای سرد تمایل به حرکت به سمت پایین دارد.
اما این موضوع به طراحی جعبه، جریان هوا و عایق وابسته است و باید آزمایش شود.
—
70-37 ـ چیدمان پایین
ژلپک زیر محصول نیز تماس مستقیم مناسبی ایجاد میکند.
در بسیاری از طراحیها استفاده همزمان از بالا و پایین میتواند توزیع دما را بهتر کند.
—
70-38 ـ چیدمان چهارطرفه
برای سرمایش سریعتر میتوان ژلپک را در چند طرف محصول قرار داد:
بالا + پایین + چپ + راست
این روش سطح تماس بیشتری ایجاد میکند، اما وزن و هزینه سیستم نیز افزایش مییابد.
—
70-39 ـ فاصله از محصول
اگر هدف سرمایش سریع باشد، فاصله بین ژلپک و محصول باید تا حد امکان کنترل شود.
اما تماس مستقیم همیشه مناسب نیست و ممکن است نیاز به لایه جداکننده یا بستهبندی ثانویه وجود داشته باشد.
—
70-40 ـ نقش عایق
عایقکاری دو اثر متفاوت دارد:
1. کاهش ورود گرمای محیط؛
2. کمک به حفظ سرمای ذخیرهشده.
عایق ضخیمتر الزاماً سرعت سرمایش اولیه را بیشتر نمیکند، اما میتواند مدت نگهداری سرما را افزایش دهد.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
70-41 ـ عایق و سرمایش سریع
در یک سیستم سردکننده، باید بین:
سرعت انتقال سرما به محصول
و
جلوگیری از ورود گرما از محیط
تعادل ایجاد شود.
بنابراین عایق باید در اطراف سیستم استفاده شود، ولی نباید مسیر اصلی انتقال سرما به محصول را مسدود کند.
—
70-42 ـ مقایسه سه طراحی
فرض کنید سه طرح داریم:
طرح| ضخامت| سطح تماس| هدف
A| زیاد| کم| نگهداری طولانی
B| متوسط| متوسط| کاربرد عمومی
C| کم| زیاد| سرمایش سریع
برای کاربرد سرمایش سریع، طرح C ارزش آزمایش بیشتری دارد؛ اما ظرفیت کل و دوام آن نیز باید بررسی شود.
—
70-43 ـ ترکیب بسته سریع و ذخیرهای
یکی از راهکارهای جالب، استفاده از دو نوع بسته است:
بسته نازک با سطح تماس زیاد برای شروع سرمایش سریع،
و
بسته ضخیمتر برای ادامه سرمایش.
این روش در واقع یک سیستم دو مرحلهای ایجاد میکند.
—
70-44 ـ طراحی دو مرحلهای
مرحله اول:
[
Q_{fast}
]
برای کاهش سریع دما.
مرحله دوم:
[
Q_{reserve}
]
برای حفظ سرمایش در مدت طولانیتر.
در نتیجه:
[
Q_{total}=Q_{fast}+Q_{reserve}
]
خواهد بود.
—
70-45 ـ بهینهسازی همزمان
هدف توسعه محصول میتواند به صورت زیر تعریف شود:
[
\min(C+W)
]
با قیود:
[
t_{cool}\leq t_{target}
]
و:
[
t_{hold}\geq t_{required}
]
که در آن (C) هزینه و (W) وزن سیستم است.
—
70-46 ـ آزمون سه ضخامت
برای توسعه عملی، سه ضخامت را انتخاب کنید.
مثلاً:
۵ میلیمتر، ۱۰ میلیمتر و ۱۵ میلیمتر
این اعداد فقط نمونه طراحی هستند.
برای هر نمونه ثبت شود:
– زمان انجماد؛
– زمان رسیدن محصول به دمای هدف؛
– ظرفیت سرمایشی؛
– زمان حفظ دما؛
– وزن فیلم؛
– هزینه.
—
70-47 ـ روش آزمایش عملی
۱. محصول آزمایشی با جرم مشخص آماده شود.
۲. دمای اولیه همه نمونهها یکسان شود.
۳. ژلپکها در دمای یکسان قرار گیرند.
۴. سنسورها در نقاط ثابت نصب شوند.
۵. دما در فواصل زمانی مشخص ثبت شود.
۶. نرخ سرمایش محاسبه شود.
۷. ظرفیت و زمان حفظ دما بررسی شود.
۸. آزمایش چند بار تکرار شود.
—
70-48 ـ خطاهای رایج
اشتباهات متداول عبارتاند از:
– مقایسه بستهها با جرم متفاوت؛
– تفاوت دمای اولیه؛
– تفاوت ضخامت؛
– تفاوت سطح تماس؛
– قرارگیری متفاوت سنسور؛
– تفاوت دمای محیط؛
– باز کردن مکرر جعبه؛
– بیتوجهی به عایق.
این عوامل میتوانند نتیجه را منحرف کنند.
—
70-49 ـ چکلیست طراحی انتقال حرارت
☐ هدف سرمایش سریع مشخص است.
☐ ظرفیت سرمایشی مشخص شده است.
☐ دمای اولیه ژلپک کنترل شده است.
☐ ضخامت بسته مشخص است.
☐ سطح تماس واقعی اندازهگیری شده است.
☐ نوع و ضخامت فیلم مشخص است.
☐ فاصله هوا بررسی شده است.
☐ تماس ژلپک با محصول بررسی شده است.
☐ گردش هوا بررسی شده است.
☐ عایق کنترل شده است.
☐ نقاط گرم و سرد ثبت شدهاند.
☐ دمای مرکز محصول اندازهگیری شده است.
☐ نرخ سرمایش محاسبه شده است.
☐ آزمون تکرار شده است.
☐ هزینه و وزن نیز بررسی شدهاند.
—
70-50 ـ جمعبندی فصل
برای ساخت ژلپکی که سرمای خود را سریعتر منتقل کند، تنها افزایش مقدار پلیآکریلات یا افزایش جرم ژل کافی نیست.
اصلیترین عوامل مؤثر عبارتاند از:
سطح تماس، ضخامت ژل، دمای اولیه، جنس و ضخامت فیلم، تماس واقعی با محصول، فاصله هوایی، گردش هوا و طراحی جعبه.
ظرفیت سرمایشی را میتوان با روابطی مانند:
[
Q=mC_p\Delta T
]
و در صورت وجود تغییر فاز:
[
Q_L=mL
]
بررسی کرد.
اما برای سرعت انتقال حرارت، رابطه ساده:
[
\dot Q=UA\Delta T
]
اهمیت زیادی دارد.
به همین دلیل در طراحی ژلپک سریعسردکننده، باید میان ظرفیت، سرعت انتقال حرارت و مدت نگهداری سرما تفاوت قائل شد.
یک راهکار عملی، استفاده از بستههای تخت و نازک با سطح تماس بالا برای مرحله اولیه سرمایش و در صورت نیاز استفاده از بستههای دارای جرم بیشتر برای حفظ سرمایش است.
همچنین استفاده از ژلپکهای متعدد کوچک به جای یک بسته بسیار ضخیم میتواند در برخی کاربردها سطح تماس بیشتری ایجاد کند؛ البته افزایش تعداد بستهها مصرف فیلم، دوخت و هزینه تولید را نیز بالا میبرد.
در نهایت، بهترین طراحی را نمیتوان فقط با محاسبه تئوری تعیین کرد. باید نمونه واقعی ساخته و در شرایط کنترلشده آزمایش شود:
دمای اولیه یکسان → جرم یکسان → هندسه مشخص → سنسورهای ثابت → ثبت دما → محاسبه نرخ سرمایش → مقایسه ظرفیت → آزمون تکرارپذیری
به این ترتیب میتوان مشخص کرد که کدام طراحی واقعاً برای سرمایش سریع، یکنواخت و اقتصادی مناسبتر است.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
پیشنهاد موضوع فصل ۷۱
روش طراحی ژلپک با قابلیت انتقال سرمایش از فاصله؛ بررسی نقش هوا، رساناهای حرارتی، صفحات انتقال حرارت، لایههای واسط، فاصله از محصول، همرفت طبیعی و اجباری و روش افزایش سرمایش بدون تماس مستقیم ژلپک با محصول
۰ دیدگاه