بخشی از مقاله
چکیده :
در طراحی خشک کن برودتی آزمایشگاهی بطور کلی چند بخش به عنوان قسمتهای اساسی در نظر گرفته شده اند که عبارتند از محفظه چمبر، قفسه ها، کندانسور یخ و سیستمهای گرمایش چمبر، تبرید کندانسور و خلاء ، محاسبات مربوط به هر قسمت با توجه به ظرفیت تعریف شده برای دستگاه قابلیت ها و کاربردی که برای آن در گزارش مرحله طراحی مقدماتی تعریف شده، صورت گرفته است. به این ترتیب دستگاه دارای یک محفظه چمبر جداگانه است که از طریق یک لوله انعطاف پذیر به قطر داخلی 50 میلی متر به محفظه کندانسور یخ متصل می شود.
در داخل چمبر تعداد پنج قفسه آلومینیومی در نظر گرفته شده که چهار عدد آنها برای بارگذاری مواد قرار می گیرند و بالاترین قفسه تنها به عنوان صفحه تشعشعی عمل می کند. گرمایش قفسه ها از طریق المنتهای الکتریکی تأمین می شود. برای اعمال کنترل دمای مناسب با توجه به تنوع مواد و شکل فرآیند تغییر دما، یک دستگاه کامپیوتر وظیفه اجرای عملیات کنترل اتوماتیک، نمایش و ارتباط با اوپراتور و ذخیره اطلاعات را به عهده خواهد داشت. بارگذاری به صورت فلاسک از طریق یک لوله چند راهه که مستقیماً به کندانسور یخ متصل می شود، نیز می تواند انجام گیرد.
مقدمه:
فرآیند خشک کردن بوسیله دستگاه خشک کن برودتی یک فرآیند چند مرحله ای است که قسمت اعظم آن بر مبنای تصعید یخ موجود در مواد قرار گرفته است، از آنجا که تصعید در شرایط خلاء و در ماده منجمد انجام می شود، لذا باید بتوان در این دستگاه، خلاء و برودت مورد نیاز را تأمین نمود. به این ترتیب در یک دستگاه خشک کن برودتی، قسمتهای تولید برودت، خلاء و گرمایش کنترل شده مواد از بخشهای اساسی دستگا به حساب می آیند. بر اساس طراحی های انجام شده، نقشه های اجرایی مربوط به هر یک از قسمتهای دستگاه تهیه شده و تهیه نقشه ها بر اساس یک الگوی کلی از نقشه های مونتاژی مجموعه های بزرگتر شروع شده و تا کوچکترین اجزاء سیستم ادامه یافته است.
ارائه طراحی های نهایی و نقشه های اجرایی مربوط به ساخت و نهایتا ساخت خشک کن برودتی از مهمترین نتایج طرح می باشد. در انجام طراحی هر یک از قسمتهای دستگاه، یک دیدگاه کلی لحاظ شده است که بر اساس آن ارتباط بین سیتسمهای مختلف و تعامل بین آنها در نظر گرفته شده است. به این ترتیب بارهای مختلف وارده به هر قسمت اعم از بارهای مکانیکی، حرارتی، فشار و ... با توجهب ه این دیدگاه محاسبه شده و بر پایه آن محاسبات مربوط به هر بخش کامل گردیده است. هدف از انجام طراحی ها، دستیابی به مشخصات سیستمها، ابعاد و اندازه ها و بطور کلی خصوصیات لازم برای ساخت و مونتاژ قسمت های مختلف می باشد.
ظرفیت در نظر گرفته شده برای دستگاه بر اساس توانایی کندانسور یخ در جذب بخار آب و تبدل آن به یخ تعریف می شود. ظرفیت نامی برای دستگاه، چهارکیلوگرم یخ تعریف می شود. ظرفیت نامی برای دستگاه ، چهار کیلوگرم یخ در 24 ساعت و حداکثر توان جذب یخ توسط کویلهای کندانسور 6 کیلوگرمی در نظر گرفته شده است. همچنین ظرفیت شستشوی یخ روی کویلهای کندانسور - ظرفیت حجمی عملی کندانسور - 12 لیتر خواهد بود. حداقل دمای مورد نظر -50 درجه سانتی گراد روی کویلهای کندانسور یخ می باشد.
محاسبات برای طراحی بدنه های کندانسور یخ و چمبر بر اساس تحمل فشار خارجی معادل - 1 bar - انجام شده است که در حالت خلاء شدن دستگاه رخ می دهد. یکی از بخشهای اساسی سیکل تبرید خصوصا در ارتباط با نقش کندانسور یخ، اوپراتور آن می باشد که با توجه به ظرفیت برودت نسبتا پایین از نوع کویلی یک ردیفه انتخاب شده است. با توجه به ظرفیت جمع آوری یخ روی کویلهای کندانسور، محاسبات هندسی تعیین اندازه لوله انجام گردیده و سپس مقدار بدست آمده با معیارهای موجود دیگر مقایسه و اصلاح گردیده است.
مواد و روشها:
-1 شناخت کلی در این بخش سعی شده است تا یک شناخت کلی از دستگاه های خشک کن برودتی آزمایشگاهی ارائه شود. به این منظور ابتدا ساختمان کلی یک دستگاه معرفی گردیده است و سپس دستگاه های آزمایشگاهی و موقعیت آنها در بین انواع دیگر بیان شده است.
1-1 خشک کردن برودتی در خشک کردن برودتی مانند تمام روشهای دیگر خشک کردن، هدف، جدا نمودن آب از مواد برای رسیدن به یک حد مطلوب و از پیش تعریف شده است. تفاوت اصلی خشک کردن برودتی با روشهایی که در دستگاه های خشک کن دیگر بکار می رود این است در کلیه روش های دیگر از تبخیر کردن آب برای جداسازی آن از ماده اصلی استفاده می شود. این عمل معمولاً بوسیله انتقال حرارت به ماد اولیه صورت می گیرد.
در خشک کردن برودتی جدایش آب از ماده اصلی بجای تبخیر بوسیله فرآیند تصعید انجام می شود. ایجاد شرایط تصعید بایستی با توجه به نمودار سه گانه آب انجام شود - شکل- - 1 که به عنوان ماده اصلی می باشد. در نمودار سه گانه، آب یا هر حلال دیگری سه فاز جامد، مایع و بخار و نواحی مرزی گذر بین آنها با توجه به شرایط فشار و دما وجود دارند. در پایین تر از نقطه سه گانه آب، تنها دو فاز جامد و بخار وجود دارند که تحت شرایط فشاری مشخص - حدود 0,1 میلی بار فشار مطلق - با افزایش دما تبدیل حالت جامد به بخار بطور مستقیم انجام می شوند.ینا عمل همانطور که بعداً توضیح داده خواهد شد، می تواند در داخل و یا خارج از دستگاه انجام گیرد.
بعد از این مرحله مواد در داخل دستگاه قرار گرفته و تحت خلاء فشار به کمتر 0,1 میلی بار می رسد برای انجام این کار، مواد اولیه باید تحت برودت با دمای پایین - مثلا -45 درجه سانتی گراد در مورد شیر - منجمد شوند. این عمل همانطور که بعداً توضیح داده خواهد شد، می تواند در داخل و یا خارج از دستگاه انجام گیرد. بعد از این مرحله مواد در داخل دستگاه قرار گرفته و تحت خلاء فشار به کمتر 0,1 میلی بار می رسد و تصعید یخ تشکیل شده در داخل مواد آغاز می شود. به این ترتیب و با افزایش دمای ماده منجمد شده در طی یک دوره نسبتا طولانی، یخ به مرور تصعید شده و ماده خشک در انتهای فرآیند باقی خواهد ماند.
با توجه به نحوه عمل خشک شدن که در بالا توضیح داده شد، این دستگاه ها احتیاج به یک سری قسمتهای اصلی دارند که در شکل - 2 - نمایش داده شده اند.
- چمبر - Chamber -
محفظه نگهداری مواد است که در داخل آن انجماد انجام می شود و یا مواد منجمد شده برای خشک شدن در آن قرار می گیرند.
- قفسه ها - shelves -
در بعضی از دستگاه های خشک کن برودتی مواد روی قفسه ها قرار داده می شود و در طول کار دستگاه گرمایش و سرمایش از طریق آنها به مواد منتقل می شود.
- کندانسور یخ - ice condenser -
در یک دستگاه خشک کن برودتی وظیفه بسیار مهمی به عهده دارد. بخار آبی که در اثر ایجاد خلاء تصعید شده است، بدلیل پایین بودن فشار، حجم بسیار زیادی پیدا می کند که عملاً خارج کردن آن از محفظه دستگاه بوسیله پمپ امکان پذیر نیست. در کندانسور یخ دما به اندازه ای پایین نگه داشته می شود که بخار آب تصعید شده مجددا تبدیل به یخ می شود به این ترتیب ضمن جلوگیری از جریان یافتن بخار به داخل پمپ، حجم زیاد بخار آب تولید شده از بین رفته و یک سیستم خلاء با قدرت کمتر جوابگوی نیاز دستگاه خواهد بود.
بطور کلی فرآیند خشک کردن برودتی در سه مرحله شامل انجماد اولیه - pre-freezing - ، خشک کردن اولیه - Primary drying - و خشک کردن ثانویه - secondry drying - انجام می شود. در مرحله انجماد اولیه، بخش عمده ای از رطوبت موجود در ماده یخ زده و منجمد می شود و در مرحله خشک کردن اولیه، قسمت عمده رطوبت یخ زده تحت خلاء از سطح آن جدا و تصعید می گردد. در مرحله خشک کردن اولیه، قسمت عمده رطوبت یخ زده تحت خلاء از سطح آن جدا و تصعید می گردد. در مرحله خشک کردن ثانویه در اثر گرم کردن تدریجی ماده و ایجاد خلاء بیشتر یعنی در حدود 0,01 میلی بار، امکان خروج رطوبت باقیمانده در ماده که به صورت رطوبت درون بافتهای ماده - bond water - می باشد بوجود می آید.
