CC 숯.JPG

숯냉각기는 증발냉각의 원리를 이용하여 냉장 및 식품보존을 위해 내부 온도를 시원하게 유지합니다. 이 장치는 측면이 숯으로 채워져 지속적으로 촉촉한 상태를 유지하는 개방형 목재 프레임으로 구성됩니다. 따뜻하고 건조한 공기가 촉촉한 숯 사이로 흐르면서 물이 공기 중으로 증발되어 냉각됩니다. 열 및 물질 전달의 기본 원리는 숯 냉각기의 기능에 기초합니다. 다양한 실외 조건 및 설계 변수에 대한 숯 냉각기의 기능을 결정하기 위해 EES( Engineering Equation Solver ) 에서 단순화된 분석 모델이 개발되었습니다 . 냉각기의 크기는 유지되는 내부 온도에 최소한의 영향을 미치지만 주변 조건은 장치 기능에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 자세한 구성 지침을 개발하기 위해 프로토타입 냉각기가 제작되었습니다. 이 프로젝트의 향후 작업에는 모델 검증을 위한 프로토타입 테스트가 포함됩니다. EES 모델, CAD 파일 및 인쇄 가능한 PDF 문서는 추가 문서 에서 사용할 수 있습니다 .

발달 요구

증발식 냉각은 공간 냉각( 에어컨 )과 냉장이라는 두 가지 주요 개발 요구 사항을 해결하는 데 사용될 수 있습니다 . 숯 냉각기는 전기를 사용할 수 없는 지역의 냉장 필요성을 해결합니다.

식품을 냉장 보관하는 것은 박테리아 성장을 늦추고 유통기한을 연장하는 방법입니다. 일반적인 냉장고는 섭씨 2~3도 정도 유지되며 농산물의 유통기한을 몇 주 연장할 수 있습니다. [1]

전기를 사용할 수 없는 더운 기후에서는 식품을 냉장하는 것이 발달상 필요합니다. 예를 들어, 수단에서는 토마토가 뜨거운 태양 아래서 2일만 지속됩니다. [2] 냉장을 통한 작물 보존은 식품을 더 오랫동안 신선하게 유지함으로써 개발도상국의 기아와 기아를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 전기가 없는 지역에서는 냉동이 특히 까다로우며 증발식 냉각기 를 포함한 다양한 열 구동 냉동 장치의 설계로 이어졌습니다 . 이러한 장치는 일반적으로 섭씨 2~3도의 온도를 유지할 수 없지만 주변 온도보다 훨씬 더 낮을 수 있으며 약간만 떨어뜨려도 농산물의 유통기한이 크게 연장될 수 있습니다. 예를 들어, 유사한 증발 냉각 장치를 사용하여 보관하면 토마토의 수명을 2일에서 20일까지 연장할 수 있습니다. [2] 증발 냉각은 공기 수분 함량을 높이고, 식품이 건조되는 것을 방지하며, 유통 기한을 연장하는 추가적인 이점도 있습니다. [삼]

백신 및 의약품 보관 에는 냉장도 중요하지만 , 필요한 온도 강하 및 온도 제어로 인해 증발 냉각은 이 용도에 적합하지 않습니다.

기후적 한계

아래의 공학적 원리에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 증발 냉각의 가능성은 공기의 습구 온도와 건구 온도의 차이에 따라 달라집니다. 습한 공기는 상대습도가 높으며 수분을 증발시키는 능력이 그리 크지 않습니다. 공기의 상대 습도가 증가하면 시스템 성능이 저하되어 습한 기후에서의 적용이 제한됩니다. 증발 냉각은 상대 습도가 30% 미만인 기후에서 가장 효과적입니다. [4] 습도가 높아질수록 냉각능력은 떨어지며, 챔버 외부와 내부의 온도차는 작아진다. 증발 냉각이 효과적인지 테스트하려면 온도계 끝에 젖은 천을 놓고 공기 중에 흔들어 습구 온도를 측정할 수 있습니다. [3] 온도계가 읽는 온도는 증발 냉각을 통해 도달할 수 있는 이론상 최저 온도입니다.

또한 물을 사용할 수 있는 지역에서는 증발 냉각을 사용해야 합니다. 조건과 더 시원한 크기에 따라 장치는 효과적으로 작동할 때 하루에 20-70L의 물을 사용할 수 있습니다.

과학적 원리

증발 냉각은 물이 증발하려면 열 에너지가 필요하다는 원리에 기초합니다. 덥고 상대적으로 건조한 기후에서 물이 뜨겁고 건조한 공기로 증발하면 냉각 효과가 발생하여 공간 조절이나 냉장에 적합합니다. 물의 증발로 인해 공간에서 제거되는 열은 방정식 1로 표시됩니다.

˙=이자형˙시간이자형{\displaystyle {\dot {Q}}={\dot {m_{e}}}h_{e}}{\displaystyle {\dot {Q}}={\dot {m_{e}}}h_{e}}(1)

Q는 제거된 열(kW)이고,이자형˙{\displaystyle {\dot {m_{e}}}}{\displaystyle {\dot {m_{e}}}}는 물의 증발 속도(kg/s)이고, he 물의 증발 잠열(~2270kJ/kg)입니다. [5] 따라서 냉각 용량은 물의 증발 속도에 대략 비례하며 이는 다음 사항에 따라 달라집니다.

  • 주변 온도
  • 주변 습도
  • 표면적
  • 증발 매체
  • 공기 이동(자연 또는 인공)

냉각 효과를 최대화하려면 이러한 변수를 특정 응용 분야에 맞게 최적화해야 합니다.

심리측정학

물을 액체에서 기체로 바꾸는 과정인 증발에는 주변 환경의 열이 필요합니다. 습한 공기의 건습기 특성과 열 및 물질 전달의 원리는 냉각을 위한 물의 증발에 적용됩니다. 증발 냉각이 어떻게 작동하는지 이해하려면 습한 공기의 특성을 이해하는 것이 중요합니다.

습한 공기는 수증기와 건조한 공기로 구성된 공기입니다. 공기의 전체 압력은 방정식 2와 같이 수증기와 건조 공기의 분압의 합입니다.

=+V{\displaystyle P=P_{a}+P_{v}}{\displaystyle P=P_{a}+P_{v}}(2)

포화공기는 건조한 공기와 포화수증기가 혼합된 상태입니다. 공기가 포화되면 증기압 P v는 공기 온도에서 물의 포화 압력 P v,max와 같습니다 . 포화압력은 온도에 따라 증가하므로 온도가 높은 공기는 더 많은 수분을 보유할 수 있는 능력을 갖습니다.

습도는 공기 중의 수분의 양을 말하며, 두 가지 방식으로 표현될 수 있습니다. 방정식 3의 상대 습도는 동일한 온도에서 공기 중 수분과 포화 공기의 수분 비율입니다.

아르 자형시간=VV,엑스{\displaystyle RH={\frac {P_{v}}{P_{v,max}}}}{\displaystyle RH={\frac {P_{v}}{P_{v,max}}}}(삼)

따라서 상대습도는 온도와 수분 함량의 함수입니다.

절대습도는 건조한 공기의 질량에 대한 물의 질량의 비율이며 방정식 4로 주어진다.

Ω=V=0.622V-V{\displaystyle \omega ={\frac {m_{v}}{m_{a}}}=0.622{\frac {P_{v}}{P-P_{v}}}}{\displaystyle \omega ={\frac {m_{v}}{m_{a}}}=0.622{\frac {P_{v}}{P-P_{v}}}}(4)

따라서 절대습도는 수분 함량의 함수일 뿐입니다.

공기 증발의 원동력은 공기와 물 사이의 증기압 차이입니다. 온도가 높고 상대 습도가 낮은 공기는 차갑거나 습한 공기보다 더 많은 수분을 증발시킬 수 있습니다. 증발 가능성은 건구 온도와 습구 온도의 차이에 비례합니다. 건구 온도는 공기 흐름의 온도를 측정하는 반면, 습구 온도는 온도와 습도를 모두 나타냅니다. 습구 온도는 온도계 끝에 젖은 천을 놓고 온도를 읽는 동안 공기가 통과하도록 하여 측정할 수 있습니다. 상대습도와 절대습도는 심리측정 차트를 통해 확인할 수 있습니다 .

증발

증발은 액체와 기체 사이의 상태 변화입니다. 물과 공기의 경우 증발에는 액체 물이 습한 공기 흐름으로 증발하는 과정이 포함됩니다. Charcol Cooler 모델의 목적을 위해 두 가지 단순화된 물질 전달 사례, 즉 표면으로부터의 증발과 전달 매체를 통한 증발이 고려되었습니다.

표면에서의 증발

간단한 경험적 상관 관계를 사용하여 표면에서 물의 증발 속도를 추정할 수 있습니다. 그림 1은 회로도를 보여줍니다.

그림 1: 방정식 5의 회로도

방정식 5는 증발 속도 me e (kg/h)에 대한 경험적 상관 관계를 제공합니다. [6]

이자형˙=(25+19VN)(Ω에스-Ω){\displaystyle {\dot {m_{e}}}=A(25+19V_{바람})(\omega _{sat}-\omega )}{\displaystyle {\dot {m_{e}}}=A(25+19V_{바람})(\omega _{sat}-\omega )}(5)

Ω에스{\displaystyle \omega _{sat}}{\displaystyle \omega _{sat}}주변 온도에서의 포화 절대 습도이고Ω{\디스플레이스타일\오메가 }{\디스플레이스타일\오메가 }실제 절대습도입니다. A는 수면적이다.

전달 매체를 통한 증발

많은 증발식 냉각 장치는 물이 계속 보충되는 다공성 침수 패드를 통해 공기를 통과시킵니다. 그림 2는 회로도를 보여줍니다.

그림 2: 방정식 6, 7, 8의 회로도

매체의 증발 효율은 방정식 6에 의해 주어진다. [7]

이자형에프에프=1-21-이자형,1{\displaystyle eff={\frac {T_{1}-T_{2}}{T_{1}-T_{습구,1}}}}{\displaystyle eff={\frac {T_{1}-T_{2}}{T_{1}-T_{습구,1}}}}(6)

60~90%의 효율성을 달성하는 것이 가능해야 합니다. 그러나 특정 매체의 효율성 값은 실험적으로 결정될 수 있습니다. [3] 공기 흐름의 에너지 균형은 방정식 7에 표현된 증발 속도를 제공합니다.

(시간2+Ω2시간2)=(Ω2-Ω1)시간에프+(시간1+Ω1시간1){\displaystyle (h_{a2}+\omega _{2}h_{w2})=(\omega _{2}-\omega _{1})h_{f}+(h_{a1}+\omega _ {1}h_{w1})}{\displaystyle (h_{a2}+\omega _{2}h_{w2})=(\omega _{2}-\omega _{1})h_{f}+(h_{a1}+\omega _ {1}h_{w1})}(7)

h a 는 건조 공기의 엔탈피, h w 는 수증기 엔탈피, h f 는 패드 내 물 온도에서 포화 액체의 엔탈피입니다. 증발 속도는 방정식 8에서 결정될 수 있습니다.

이자형˙=아르 자형˙(Ω2-Ω1){\displaystyle {\dot {m_{e}}}={\dot {m_{공기}}}(\omega _{2}-\omega _{1})}{\displaystyle {\dot {m_{e}}}={\dot {m_{공기}}}(\omega _{2}-\omega _{1})}(8)

아르 자형˙{\displaystyle {\dot {m_{공기}}}}{\displaystyle {\dot {m_{공기}}}}는 젖은 패드를 통과하는 공기의 질량 유량입니다.

기본 열 전달

열은 전도, 대류 및 복사를 통해 전달됩니다. 복사의 영향은 다른 형태의 열 전달과 비교할 때 작기 때문에 종종 무시될 수 있습니다. 전도는 고체 표면을 통해 발생하며 방정식 9로 제공됩니다.

˙=케이(Δ){\displaystyle {\dot {Q}}={\frac {kA}{t}}(\Delta T)}{\displaystyle {\dot {Q}}={\frac {kA}{t}}(\Delta T)}(9)

˙{\displaystyle {\dot {Q}}}{\displaystyle {\dot {Q}}}는 와트(W) 단위로 전달된 열, k는 W/mK 단위의 전도 계수, t는 미터 단위의 고체 두께, 델타 T는 고체 전체의 온도 차이입니다. 전도 계수는 재료의 특성이며 문헌이나 실험을 통해 확인할 수 있습니다.

대류는 고체 물체 위를 통과하는 유체에서 발생하며 방정식 10으로 제공됩니다.

˙=시간(-){\displaystyle {\dot {Q}}=hA(T-T_{\infty })}{\displaystyle {\dot {Q}}=hA(T-T_{\infty })}(10)

h는 대류 계수, A는 면적, T는 고체의 온도,{\displaystyle T_{\infty }}{\displaystyle T_{\infty }}유체의 온도입니다. 대류 계수는 유체 속도, 유체 특성 및 물체 크기의 함수입니다. 이는 실험적으로 결정되거나 파생된 상관관계를 통해 결정될 수 있습니다.

장치 구성

프로토타입 숯 냉각기가 제작되었습니다. 사용된 자재와 자세한 제작방법은 아래와 같습니다. 프로토타입 숯 냉각기는 1피트 x 1피트 x 1피트였지만 지침은 장치 크기에 관계없이 적용되어야 합니다. 이 장치의 장점 중 하나는 다재다능하고 다양한 재료로 만들 수 있다는 것입니다. 따라서 대체품이 제안됩니다.

쿨러에 대한 재료, 구성 세부 사항 및 작동 지침을 포함하는 인쇄 가능한 PDF가 추가 리소스 에 포함되어 있습니다 .

필수 재료

재료그림번갈아 하는대략적인 비용($ CA)
목재
1cm x 2cm 목재 12피트
CC 나무.JPG
다른 크기의 목재를 사용할 수 있습니다. 대나무나 기타 구조 재료도 사용할 수 있습니다.$2/3피트(총 $8)
메쉬 치킨 와이어
약 10sq.ft가 필요합니다.
CC 치킨와이어.JPG
$8/롤

황마 천 또는 캔버스: 약 12sq.ft가 필요합니다.
CC옷.JPG
다른 흡수성 천 소재를 사용할 수도 있습니다.$1/12평방피트
손톱
마무리 및 목공 손톱
CC네일.JPG
목공 못 대신 나사를 사용할 수 있습니다. 가능한 경우 스테이플 건과 마무리 못을 교체할 스테이플을 사용하면 시공이 훨씬 쉬워집니다. 필요한 경우 끈이나 로프를 사용하여 프레임을 묶을 수 있습니다.$2/패키지

약 4kg
CC 숯.JPG
공기 순환을 허용하고 상당한 양의 수분을 보유할 수 있으며 쿨러 프레임 내에 포함될 수 있는 다른 흡수재로도 충분합니다. [삼]$10/패키지
2개의 경첩
CC 경첩.JPG
$3/패키지
솔리드 보드
1개, 약 1ft x 1ft(쿨러 베이스 치수)
CC보드.JPG
짠 대나무나 갈대를 사용하여 보드를 대체할 수 있습니다.$1
플라스틱 호스
직경 약 10피트 1/2-1인치
CC튜빙.JPG
또는 호스를 사용할 수 없는 경우 쿨러 상단에 통을 놓을 수도 있습니다. 이 수정 사항은 건설 지침에서 더 자세히 논의됩니다.$7.60/10피트(5/8" D)
타이
약 8개의 플라스틱 타이 장치
CC ziptie.JPG
끈이나 끈은 넥타이의 좋은 대안입니다.$2/패키지
하나의 버킷
모든 크기
CC버킷.JPG
물을 담을 수 있는 모든 장치를 사용할 수 있습니다. 호스 대신 통을 사용하면 버킷이 필요하지 않습니다.$5
도구
망치, 톱, 가위 또는 와이어 커터가 필요합니다.
CC 도구2.JPG
못 대신 나사를 사용하는 경우 드라이버를 사용할 수 있습니다. 스테이플 건이 건설에 도움이 될 것입니다. 끈을 사용하여 프레임을 묶는 경우 망치가 필요하지 않습니다.


따라서 총 재료 비용은 $48.00 입니다 . 대체 재료나 재활용 재료를 사용하면 비용을 줄일 수 있습니다.

1
CC 1단계 구성표.JPG

치수(길이, 너비, 높이)를 선택하고 나무를 자릅니다. 이 장치에는 길이와 너비 각각 2개, 높이 8개가 필요합니다.

2
U-1 프레임
CC 2단계 사진.JPG
목재의 두꺼운 부분이 프레임의 두께를 형성하는 U자형 프레임(U-1) 2개를 만듭니다. 그림에 화살표로 표시된 대로 베이스를 나머지 두 부분에 못으로 고정합니다.
U-2 프레임
CC 3단계 사진.JPG
U자형 프레임(U-2)을 2개 더 만듭니다. 목재의 두꺼운 부분은 그대로 두께로 하되, 이번에는 이미지의 화살표처럼 서로 붙여줍니다.
4
CC step4 구성표.JPG

만들어진 네 개의 프레임에 맞게 황마 천과 철조망을 자릅니다. 이는 약 1ft x 1ft 크기의 조각에 해당해야 합니다. 황마천 8개와 철조망 9개가 필요합니다.

5
모든 프레임에 적용
CC 5단계 사진.JPG
마무리 못을 사용하여 황마 천을 각 프레임의 한쪽에 고정합니다. 각 모서리에 하나의 못을 놓고 필요에 따라 추가 못을 놓습니다. 고정에는 스테이플 건과 스테이플을 사용할 수도 있습니다.
6
모든 프레임에 적용
CC 6단계 사진.JPG
각 프레임의 황마 천 위에 치킨 와이어를 고정합니다. 고정 못을 사용할 수 있지만 철망을 제자리에 고정하려면 철망 위로 구부려야 합니다. 메쉬 와이어는 가장자리가 날카로우므로 취급 시 주의가 필요합니다.
7
U-1 프레임에만 적용
CC step7 사진.JPG
각 U-1 프레임에 황마와 마감 와이어를 모두 반대쪽에 고정합니다.

이제 다음이 있어야 합니다.

8
CC step8 구성표.JPG
CC step8 사진.JPG
U-2 프레임을 U-1 프레임에 못으로 고정하여 입체적인 L자 모양을 만듭니다. 못 위치는 화살표로 표시됩니다.
9
CC step9 구성표.JPG
CC 스텝9 사진.JPG
다른 U-2 프레임을 U-1 프레임에 못으로 고정하여 3차원 U 모양을 만듭니다.
10
CC 10단계 구성표.JPG
CC 10단계 사진.JPG
쿨러 바닥에 맞게 보드를 측정합니다. 보드를 적절한 길이로 자릅니다. 보드를 바닥에 못으로 고정하세요.
11
CC 11단계 구성표.JPG

쿨러 바깥쪽 남은 양면에 황마천과 치킨 와이어를 고정해 주세요.

12
CC 12단계 구성표.JPG
CC 12단계 사진.JPG
프레임의 각 가장자리에 3개의 못을 부착하여 쿨러 중앙을 대각선으로 향하게 합니다.
13
CC 13단계 구성표.JPG
CC 단계13pic2.JPG
CC 13단계 사진.JPG
철조망을 사용하여 상자 중앙에 선반을 만듭니다. 이것은 돌출된 손톱에 메쉬를 엮어 수행됩니다. 선반에 약간의 압력을 가하여 음식을 담을 수 있는지 테스트해 보세요. 대체품으로 판자를 사용하여 선반을 형성하거나 갈대/대나무를 엮을 수 있지만 단단하지 않은 재료가 더 효과적입니다.
14
CC 14단계 구성표.JPG

쿨러의 열린 면에 경첩을 부착합니다.

15
CC 15단계 구성표.JPG
CC 15단계 사진.JPG
나머지 U-1 프레임을 경첩에 부착하여 쿨러용 도어를 만듭니다. 문이 닫히지 않으면 필요에 따라 걸쇠를 설치하여 문을 닫을 수 있습니다.
16
CC 16단계 구성표.JPG
CC 16단계 사진.JPG
황마 천과 철조망으로 생긴 구멍을 숯으로 채웁니다. 숯은 와동 전체에 고르게 분산되어야 합니다. 숯은 직경 0.5cm 정도의 덩어리로 만들어야 합니다. [3] 메쉬 와이어는 숯을 제자리에 고정하고 구멍이 부풀어오르는 것을 방지할 수 있을 만큼 강해야 합니다.
17
CC 17단계 사진.JPG

호스 끝을 묶어주세요. 타이가 호스 끝을 막을 만큼 충분한지 확인하기 위해 호스에 약간의 물을 붓습니다. 타이가 충분하지 않은 경우 호스를 통해 물이 흐르는 것을 방지하기 위해 마개를 사용해야 합니다. 호스를 사용할 수 없고 통을 사용하는 경우 통을 프레임 상단에 고정하고 목탄 구멍에 못으로 구멍을 뚫을 수 있습니다. 이 방법을 사용하는 경우, 통 표면에서 물이 증발하는 것을 방지하기 위해 통에 뚜껑을 두는 것이 좋습니다.

18
CC 18단계 구성표.JPG
CC 18단계 사진.JPG
문을 열 때부터 시작하여 상자의 열린 측면 위에 호스를 놓습니다. 타이를 사용하여 호스를 메시 와이어에 연결하여 호스를 제자리에 고정합니다. 구멍이 숯으로 채워진 구멍을 향하고 있는지 확인하십시오.
19
CC 19단계 사진.JPG
이제 장치는 다음과 같이 보일 것입니다.
호스의 약 4'를 따라 구멍을 뚫습니다. 구멍은 약 0.5-1cm 간격으로 떨어져 있어야 하며 못을 사용하여 만들 수 있습니다. 구멍의 크기와 간격은 약간의 실험이 필요하며 주어진 기후의 증발 속도에 따라 다릅니다. 숯은 지속적으로 촉촉한 상태를 유지해야 하지만 너무 젖어서 쿨러 바닥으로 흘러내려서는 안 됩니다. 따라서 구멍을 통과하는 물의 유속은 증발 속도와 같아야 합니다. 구멍이 너무 크면 양초 왁스를 사용하여 채우고 핀으로 왁스를 통해 새로운 구멍을 만들 수 있습니다. [삼]
20
CC step20 구성표.JPG

상자 상단에 천이나 엮은 끈을 놓고 제자리에 고정합니다.

21
CC 스텝20 사진.JPG

호스의 자유 끝부분을 높은 버킷 바닥에 연결합니다. 양동이에 물이 채워지면 물이 구멍 속으로 흘러 들어가 숯과 천 소재에 습기가 차게 됩니다.

장치 작동

농산물은 선반이나 쿨러 바닥에 놓을 수 있습니다. 장치는 한쪽이 바람을 향하도록 그늘에 놓아야 합니다. 팬을 이용한 인공 공기 순환도 사용할 수 있습니다. 유지 관리가 거의 필요하지 않지만 처음 구성할 때 냉각기를 모니터링하여 숯을 효과적으로 적시는지 확인해야 합니다.

모델 개발

다양한 설계 변수와 주변 조건의 영향을 파악하기 위해 차콜 쿨러의 EES 모델이 개발되었습니다. 숯 냉각기는 주변 바람에 수직인 한 면을 갖는 제어 볼륨으로 모델링되었습니다. EES 파일은 추가 문서 에서 다운로드할 수 있습니다 . 그림 3은 모델링된 시스템의 개략도를 보여줍니다.

CharcolCooler 구성표.JPG


그림 3: Charcol 쿨러 모델 회로도

분석을 위해 다음과 같은 가정이 이루어졌습니다.

  • 조건은 정상 상태입니다.
  • 쿨러는 그늘진 지역에 배치되며 복사 효과는 무시할 수 있습니다.
  • 쿨러 상단과 하단이 단열되어 있습니다(열전달 없음).
  • 물의 기화열은 일정하며 2270kJ/kg
  • 쿨러 내부에서는 열이 발생하지 않습니다.
  • 전체 시스템은 대기압(101.325kPa)에서 작동합니다.
  • 숯은 지속적으로 촉촉하게 유지됩니다. (물 흐름 = 증발 속도)
EES 모델 다이어그램 보기

냉각기의 각 측면을 통한 열 전달은 개별적으로 고려되었으며 아래에 설명되어 있습니다.

해당 모델은 추가 문서 에서 다운로드할 수 있습니다 . 모델의 다이어그램 보기를 통해 사용자는 주변 조건(T, RH, 풍속), 증발 효율 및 냉각기 크기를 입력할 수 있으며 내부 조건 및 열 전달 속도를 출력할 수 있습니다.

측면 1

냉각기의 전면은 습한 패드를 통과하는 공기 흐름으로 모델링할 수 있습니다. 따라서 위의 그림 2는 쿨러 전면을 통과하는 공기 흐름에 대한 개략도입니다. 전달 매체를 통한 증발 에 나열된 방정식이 적용됩니다. 열 전달1˙{\displaystyle {\dot {Q_{1}}}}{\displaystyle {\dot {Q_{1}}}}증발 속도와 증발 엔탈피를 곱한 것과 같습니다. 냉각기 내부 온도 T int 는 방정식 6에 주어진 것처럼 증발 효율과 주변 조건을 기반으로 계산됩니다. 이 온도는 냉각기의 폭(b)에 걸쳐 일정하다고 가정됩니다. 따라서 내부 온도는 주변 조건과 증발 효율에 따라 달라집니다.

2면과 3면

냉각기의 측면 2와 3은 동일한 열 전달률을 갖지만 측면 1과 달리 열 전달률은 증발률보다 더 많은 영향을 받습니다. 그림 4는 위에서 본 측벽의 개략도를 보여줍니다.

CC사이드월.JPG
그림 4: 벽 2 및 3 회로도(위에서 본 모습)

그림에서 볼 수 있듯이 표면 위로 대류가 발생하고 벽 내부에서 증발 열 손실이 발생합니다. 증발은 벽의 내부 표면과 외부 표면에서만 발생한다고 가정하고 자유 표면 증발에 대한 상관 관계인 방정식 5를 사용하여 모델링할 수 있다고 가정했습니다.

대류계수는 방정식 11과 같이 일정한 열유속을 갖는 평판에 대한 강제 대류에 대한 경험적 상관관계를 사용하여 계산되었습니다. [8]

시간케이=N=0.0308아르 자형이자형4/5아르 자형1/{\displaystyle {\frac {hb}{k}}=Nu=0.0308Re^{4/5}Pr^{1/3}}{\displaystyle {\frac {hb}{k}}=Nu=0.0308Re^{4/5}Pr^{1/3}}(11)

Nu는 누셀트 수 W , Re는 레이놀즈 수 W , Pr은 프란틀 수 W 입니다 .

명시된 가정을 적용하여 벽은 아래 그림 5와 같이 열 저항 네트워크를 사용하여 모델링되었습니다.

CC 저항.JPG
그림 5: 측면 2와 3의 모델에 대한 열 저항 네트워크

그림에서 알 수 있듯이 장치 내부에서 열을 제거하려면 제거된 증발열의 합이 대류로 인해 추가된 열보다 커야 합니다. 숯의 전도계수는 목재와 동일한 약 0.16W/mK로 가정되었습니다. [9]

측면 4

냉각기 뒷면은 장치를 통해 일정한 공기 흐름을 허용하며 공기가 포화되지 않은 경우 공기 흐름을 더욱 냉각시킬 수 있습니다. 증발로 인해 차가운 ​​공기가 장치 밖으로 나가지만 냉각기 내부 온도에는 거의 영향을 미치지 않습니다. 숯 냉각기 뒷면을 통한 열 전달은 무시할 수 있는 것으로 가정되어 모델에서는 고려되지 않았습니다. 이 뒷면의 디자인은 디자인 권장사항에서 더 자세히 논의됩니다.

모델 분석

모델 개발 에 설명된 분석 모델을 사용하여 설계 매개변수를 분석하여 다양한 조건에서 장치의 성능을 결정했습니다.

열전달 속도 (˙{\displaystyle {\dot {Q}}}{\displaystyle {\dot {Q}}}) 측면 1, 2, 3에 대해 계산되었으며 주변 온도(T1)의 함수로 그림 6에 표시됩니다.

CC 그림6.JPG
그림 6: 주변 습도 20% 및 75% 증발 효율 및 풍속 2m/s에서 냉각기의 각 측면에서 제거된 열.

이 그림에는 두 가지 흥미로운 관찰 결과가 표시되어 있습니다. 첫째, 측면 1(바람을 향함)에서 제거되는 열은 장치 측면에서 제거되는 열보다 훨씬 더 큽니다. 따라서 해석에서는 냉각기 내부의 온도가 일정하며, 냉각기 전면을 통한 증발의 함수로 가정하였다. 냉각기 측면의 증발은 본질적으로 대류에 의해 내부에 추가되는 열을 "상쇄"합니다. 이 효과로 인해 측벽은 본질적으로 장치를 단열하는 역할을 합니다. 이 장치는 단열된 측벽(폼 또는 동등한 단열재 사용)과 비슷한 성능을 발휘합니다. 벽을 단열하면 필요한 물 사용량이 크게 줄어들지만 장치의 방향이 가장 중요한 고려 사항이 됩니다. 이 아이디어는 디자인 권장 사항에서 더 자세히 논의됩니다.

그림 6은 또한 전면에서 제거되는 열이 온도에 따라 증가한다는 것을 보여 주며, 이는 온도에 따른 증발 속도 증가로 설명됩니다.

챔버 내부 온도는 주변 조건(온도 및 습도)의 함수로 조사되었습니다. 그림 7은 플롯을 보여줍니다.

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그림 7: 적당한(2m/s) 공기 흐름을 위한 더 차가운 조건 및 주변 조건.

따라서 상대 습도가 낮은 조건에서는 내부 냉각 온도가 훨씬 낮습니다. 열 전달률은 온도에 따라 증가하지만(그림 6 참조), 필요한 온도 강하가 크지 않기 때문에 주변 온도가 낮을수록 내부 온도도 낮아집니다. 습도가 높으면 장치가 농산물을 성공적으로 냉장 보관할 만큼 충분한 냉각 기능을 제공하지 못합니다. 실내온도가 20도 이하가 되려면 습도가 0.5도 이하가 되어야 합니다.

이전 수치에서는 ​​증발 효율이 0.75로 가정되었습니다. 목탄으로 0.6-0.9의 값을 달성하는 것이 가능해야 합니다. [3] 그림 8은 증발 효율이 실내 온도에 미치는 영향을 보여줍니다.

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그림 8: 주변 온도에 따른 증발 효율 및 내부 온도.

증발 효율이 높을수록 냉각기의 냉각 용량이 크게 증가할 수 있습니다. 이 매개변수에 영향을 미치는 요인과 숯 매체의 효율성을 가장 잘 최적화하는 방법을 결정하기 위한 향후 작업이 수행되어야 합니다.

마지막으로, 용기의 각 측면을 통한 증발 속도를 주변 조건의 함수로 조사했습니다. 그림 9는 전면(측면 1)을 통한 증발 속도를 보여주고, 그림 10은 측면(2 및 3)을 통한 증발 속도를 보여줍니다.

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그림 9: 냉각기 전면을 통한 증발 속도.
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그림 10: 냉각기 측면을 통한 증발 속도.

그림을 보면 상자 전면을 통한 증발량이 나머지 면보다 훨씬 높다는 것이 분명합니다. 이 관찰은 물이 증발하는 동시에 숯 측면으로 빠르게 흘러야 하기 때문에 장치의 설계와 관련이 있습니다. 따라서 장치 전면으로 흐르는 물의 유속은 나머지 측면보다 상당히 높아야 합니다. 이 개념은 설계 권장 사항에서 자세히 논의됩니다.

디자인 권장사항

프로토타입 구성 및 모델 분석을 기반으로 냉각기 설계에 대해 다음 권장 사항이 제시됩니다.

  1. 냉각기로 들어가는 물의 유속은 주변 조건과 사용된 튜브 또는 통에 따라 달라지는 중요한 매개변수입니다. 냉각기에서 물이 새지 않고 숯이 건조되지 않도록 유량은 증발 속도와 같아야 합니다. 장치 전면에 있는 튜브의 구멍을 다른 두 측면보다 더 크고 더 가깝게 만드는 것이 좋습니다.
  2. 목탄의 가용성에 따라 냉각기 뒷면에는 목탄 매체가 필요하지 않습니다. 이 면의 증발은 냉각 효과에 기여하지 않기 때문입니다. 그러나 방향과 바람의 방향이 중요하지 않도록 모든 면에 숯을 포함시키는 것이 유용할 수 있습니다.
  3. 필요한 물 사용량을 줄이기 위해 장치의 측벽을 단열할 수 있습니다. 목재 프레임 내부에 사용 가능한 단열재를 사용하면 대류를 통한 열 전달을 방지할 수 있지만 증발이 필요하지 않습니다. 측벽을 절연하는 경우 장치 방향이 매우 중요합니다. 바람이 전면에 닿지 않으면 장치가 작동하지 않기 때문입니다. 전기 팬을 사용하여 제어된 방향으로 강제 공기 흐름을 생성할 수 있는 경우 측벽을 단열하는 것이 좋습니다. 장치가 바람의 자연적인 공기 흐름을 사용하는 경우 사용자는 측벽을 단열할 수 있지만 바람 패턴의 변화에도 불구하고 적절한 방향을 보장하기 위해 장치를 유지해야 합니다.
  4. 물이 담긴 통이나 양동이를 덮어 주변 환경으로 증발하는 것을 방지해야 합니다.
  5. 쿨러의 크기는 성능에 큰 영향을 미치지 않는다는 사실을 모델을 통해 알 수 있었습니다. 그러나 모델 가정 중 일부는 큰 차원에서는 적용되지 않습니다. 순전히 건축에 기초하면, 모든 나무 조각을 같은 크기로자를 수 있기 때문에 큐브 모양의 쿨러를 만드는 것이 가장 쉽습니다.

비용 분석

장치 수명 동안의 비용을 결정하기 위해 간단한 경제 분석(캐나다 수치 사용)이 수행되었습니다. 재료 비용은 위의 필수 재료 항목 에 나와 있습니다 .

첫 번째 비용, 인건비 및 요금은 위치에 따라 크게 달라집니다.

첫 번째 비용:

안건단위당 비용번호 단위총 비용
재료
$48.00
노동$9.50/시간 [10]$28.50
$76.50

운영 비용:

안건단위당 비용번호 단위총 비용
0.86/1000L [11]100L/일*$0.086/일
  • *물 사용량은 기후에 따라 크게 달라지므로 이는 보수적인 추정치입니다. 향후 연구에서는 이러한 물 사용을 기후와 지리의 함수로 모델링하는 작업을 다룰 수 있습니다.

비용은 해당 지역의 물 및 인건비에 따라 크게 달라집니다. 대체 재료와 낮은 인건비로 장치의 첫 번째 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 또한 물 비용은 지역에 따라 다르므로 장치를 사용할 특정 지역에 대해 계산해야 합니다. 위의 "운영 비용"은 단지 예일 뿐입니다. 표시된 운영 비용에는 물을 모으기 위해 이동하는 데 드는 인건비가 포함되어 있지 않으며, 이는 일부 지역에서는 사소하지 않을 수 있습니다.

추가 서류

참고자료

  1. "과일과 야채: 최적의 보관 조건." Engineering Toolbox 2005. 온라인 액세스: 2010년 4월 8일. 이용 가능 < http://www.engineeringtoolbox.com/fruits-vegetables-storage-conditions-d_710.html >
  2. 다음으로 이동:2.0 2.1 "지어팟 냉장고가 음식을 더 오래 보관하는 방법." Practical Action 2009. 2010년 4월 8일 온라인 접속. 이용 가능: < http://practicalaction.org/?id=zeerpots >
  3. 다음으로 이동:3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 러스틴, 에릭. "증발 냉각 이해." VITA 1985. 온라인 액세스: 2010년 4월 8일. 이용 가능: < http://www.fastonline.org/CD3WD_40/VITA/EVAPCOOL/EN/EVAPCOOL.HTM >
  4. Moran, MJ, Shapiro, HN 열역학 공학 기초. 에드. 6. John Wiley & Sons Inc. 미국: 2008. P. 686.
  5. Moran, MJ, Shapiro, HN 열역학 공학 기초. 에드. 6. John Wiley & Sons Inc. 미국: 2008. P. 817.
  6. "수면에서의 증발." Engineering Toolbox 2005. 온라인 액세스: 2010년 4월 8일. 이용 가능 < http://www.engineeringtoolbox.com/evaporation-water-surface-d_690.html >
  7. "증발 냉각의 기초." Western Environmental Services Corporation: 2009. 온라인 액세스: 2010년 4월 8일. 이용 가능: < http://web.archive.org/web/20171019165521/http://www.wescorhvac.com:80/Evaporative%20cooling%20white%20paper .htm >
  8. Incropera, FP, DeWitt, DP 열 및 물질 전달의 기초. 에드. 6. John Wiley & Sons Inc. 미국: 2007. P. 413.
  9. Incropera, FP, DeWitt, DP 열 및 물질 전달의 기초. 에드. 6. John Wiley & Sons Inc. 미국: 2007. P. 940.
  10. "온타리오의 최저 임금 인상." 온타리오 정부 2010. 온라인 액세스: 2010년 4월 10일. 이용 가능: < http://web.archive.org/web/20140108012445/http://www.labour.gov.on.ca:80/info/minimumwage/ >
  11. "도시 물 가격 보고서." Water.org 2008. 2010년 4월 10일 온라인 접속. 이용 가능:< http://www.priceofwater.com/municipal-summary.html >
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