Charcoal Cooler/ar

بيانات المشروع

المؤلفون	ليزا كروفوت
موقع	كينغستون ، كندا
حالة	مصمم نموذجية نموذج أولي
بيان OKH	تحميل

يستخدم مبرد الفحم مبدأ التبريد التبخيري للحفاظ على درجة حرارة داخلية باردة للتبريد وحفظ الطعام. يتكون الجهاز من إطار خشبي مفتوح بجوانب مملوءة بالفحم، ويبقى رطبًا باستمرار. عندما يتدفق الهواء الدافئ والجاف عبر الفحم الرطب، يتبخر الماء في الهواء ويتم تبريده. تكمن المبادئ الأساسية لانتقال الحرارة والكتلة في وظيفة مبرد الفحم. تم تطوير نموذج تحليلي مبسط في برنامج حل المعادلات الهندسية (EES) لتحديد وظيفة مبرد الفحم لمجموعة متنوعة من الظروف الخارجية ومتغيرات التصميم. وقد وُجد أن أبعاد المبرد لها تأثير ضئيل على درجة الحرارة الداخلية المحفوظة، إلا أن الظروف المحيطة تؤثر بشكل كبير على وظيفة الجهاز. تم بناء نموذج أولي للمبرد لتطوير تعليمات بناء مفصلة. سيشمل العمل المستقبلي في هذا المشروع اختبار النموذج الأولي للتحقق من صحة النموذج. يتوفر نموذج EES وملف CAD ومستندات PDF القابلة للطباعة في المستندات الإضافية .

الحاجة التنموية

يمكن استخدام التبريد التبخيري لتلبية حاجتين تنمويتين رئيسيتين: تبريد المساحات ( تكييف الهواء ) والتبريد . يُلبي مبرد الفحم الحاجة للتبريد في المناطق التي لا تتوفر فيها الكهرباء.

تبريد الطعام وسيلة لإبطاء نمو البكتيريا وإطالة مدة صلاحيته. عادةً ما تُحفظ الثلاجات عند درجة حرارة تتراوح بين درجتين وثلاث درجات مئوية، مما يُطيل مدة صلاحية المنتجات لأسابيع. ^{[ 1 ]}

في المناخات الحارة حيث لا تتوفر الكهرباء، يُعد تبريد الطعام حاجة تنموية. ففي السودان، على سبيل المثال، لا تدوم الطماطم سوى يومين في الشمس الحارقة. ^{[ 2 ]} ويمكن أن يساعد حفظ المحاصيل من خلال التبريد في التغلب على الجوع والمجاعة في العالم النامي من خلال الحفاظ على نضارة الأطعمة لفترة أطول. وفي المناطق التي لا تتوفر فيها الكهرباء، يُعد التبريد تحديًا خاصًا، وقد أدى إلى تصميم مجموعة متنوعة من أجهزة التبريد التي تعمل بالحرارة، بما في ذلك المبردات التبخيرية . وفي حين أن هذه الأجهزة غير قادرة عادةً على الحفاظ على درجات حرارة تتراوح بين 2 و3 درجات مئوية، إلا أنها يمكن أن تكون أكثر برودة بكثير من درجة الحرارة المحيطة، وحتى الانخفاضات المعتدلة يمكن أن تطيل بشكل كبير من العمر الافتراضي للمنتجات. على سبيل المثال، عند وضعها باستخدام جهاز تبريد تبخيري مماثل، يمكن إطالة عمر الطماطم من 2 إلى 20 يومًا. ^{[ 2 ]} وللتبريد التبخيري فائدة إضافية تتمثل في زيادة محتوى الرطوبة في الهواء، ومنع جفاف الطعام وإطالة العمر الافتراضي بشكل أكبر. ^{[ 3 ]}

يعتبر التبريد مهمًا أيضًا لتخزين اللقاحات والأدوية ، إلا أن انخفاض درجة الحرارة المطلوب والتحكم في درجة الحرارة يجعل التبريد التبخيري غير مناسب لهذا التطبيق.

القيود المناخية

كما تمت مناقشته بمزيد من التفصيل أدناه في مبادئ الهندسة، تعتمد إمكانية التبريد التبخيري على الفرق في درجات حرارة الهواء الرطب والجاف. يتمتع الهواء الرطب برطوبة نسبية عالية، ولا يتمتع بنفس القدرة على تبخير الرطوبة. ومع زيادة الرطوبة النسبية للهواء، سينخفض ​​أداء النظام، مما يحد من تطبيقه في المناخات الرطبة. يكون التبريد التبخيري أكثر فعالية في المناخات التي تقل فيها الرطوبة النسبية عن 30%. ^{[ 4 ]} ومع زيادة الرطوبة، تنخفض قدرة التبريد، وينخفض ​​الفرق في درجة الحرارة بين خارج وداخل الغرفة. لاختبار ما إذا كان التبريد التبخيري سيكون فعالاً، يمكن قياس درجة حرارة الهواء الرطب عن طريق وضع قطعة قماش مبللة على نهاية مقياس حرارة وتحريكها في الهواء. ^{[ 3 ]} درجة الحرارة التي يقرأها مقياس الحرارة هي الحد الأدنى النظري لدرجة الحرارة التي يمكن تحقيقها من خلال التبريد التبخيري.

بالإضافة إلى ذلك، يجب استخدام التبريد التبخيري في المناطق التي يتوفر فيها الماء. وحسب الظروف وأبعاد المبرد، قد يستهلك الجهاز ما بين 20 و70 لترًا من الماء يوميًا عند العمل بكفاءة.

المبادئ العلمية

يعتمد التبريد التبخيري على مبدأ أن الماء يتطلب طاقة حرارية للتبخر. في المناخات الحارة والجافة نسبيًا، يُحدث تبخر الماء في الهواء الساخن والجاف تأثيرًا باردًا، مناسبًا لتكييف الهواء أو التبريد. تُحسب الحرارة المنبعثة من المكان نتيجة تبخر الماء بالمعادلة 1.

س˙=مو˙حو(1)

Q هي الحرارة المُزالة بالكيلوواط،مو˙هو معدل تبخر الماء بالكيلوجرام/ثانية، وh _e هي الحرارة الكامنة لتبخر الماء (~2270 كيلوجول/كجم). ^{[ 5 ]} وبالتالي فإن سعة التبريد تتناسب تقريبًا مع معدل تبخر الماء، والذي يعتمد على:

• درجة الحرارة المحيطة
• الرطوبة المحيطة
• مساحة السطح
• الوسائط التبخيرية
• حركة الهواء (طبيعية أو اصطناعية)

ولتحقيق أقصى قدر من تأثيرات التبريد، يجب تحسين هذه المتغيرات لتطبيق معين.

القياس النفسي

التبخر، وهو عملية تحويل الماء من سائل إلى غاز، يتطلب حرارة من البيئة المحيطة. تنطبق الخصائص السيكرومترية للهواء الرطب، بالإضافة إلى مبادئ انتقال الحرارة والكتلة، على تبخر الماء لأغراض التبريد. يُعد فهم خصائص الهواء الرطب أمرًا أساسيًا لفهم آلية عمل التبريد التبخيري.

الهواء الرطب هو هواء يتكون من بخار الماء وهواء جاف. الضغط الكلي للهواء هو مجموع الضغوط الجزئية لبخار الماء والهواء الجاف، كما هو موضح في المعادلة 2.

ص=صأ+صفي(2)

الهواء المشبع هو مزيج من الهواء الجاف وبخار الماء المشبع. عند تشبع الهواء، يكون ضغط البخار Pv _{مساويًا} لضغط التشبع Pv _{، وهو الحد الأقصى} للماء عند درجة حرارة الهواء. وبما أن ضغط التشبع يزداد مع ارتفاع درجة الحرارة، فإن الهواء عند درجة حرارة أعلى لديه القدرة على الاحتفاظ برطوبة أكبر.

الرطوبة هي كمية الرطوبة في الهواء، ويمكن التعبير عنها بطريقتين. الرطوبة النسبية، المعادلة 3، هي نسبة الرطوبة في الهواء إلى الرطوبة في الهواء المشبع عند نفس درجة الحرارة.

رح=صفيصفي،مأس(3)

وبالتالي فإن الرطوبة النسبية هي دالة لكل من درجة الحرارة ومحتوى الرطوبة.

الرطوبة المطلقة هي نسبة كتلة الماء إلى كتلة الهواء الجاف، ويتم تحديدها بالمعادلة 4.

أوه=مفيمأ=0.622صفيص-صفي(4)

لذلك فإن الرطوبة المطلقة هي مجرد دالة لمحتوى الرطوبة.

القوة الدافعة وراء تبخر الهواء هي فرق ضغط البخار بين الهواء والماء. الهواء عند درجة حرارة أعلى ورطوبة نسبية أقل قادر على تبخير رطوبة أكثر من الهواء البارد أو الرطب. تتناسب احتمالية التبخر طرديًا مع الفرق بين درجتي حرارة البصيلة الجافة والبصيلة الرطبة. تقيس درجة حرارة البصيلة الجافة درجة حرارة تيار الهواء، بينما تمثل درجة حرارة البصيلة الرطبة كلاً من درجة الحرارة والرطوبة. يمكن قياس درجة حرارة البصيلة الرطبة بوضع قطعة قماش مبللة على طرف مقياس حرارة والسماح للهواء بالمرور فوقها أثناء قراءة درجة الحرارة. يمكن بعد ذلك تحديد الرطوبة النسبية والرطوبة المطلقة من خلال مخطط قياس نفسي .

التبخر

التبخر هو تغير الحالة بين السائل والغاز. بالنسبة للماء والهواء، يتضمن التبخر تبخر الماء السائل في تيار هواء رطب. لغرض نموذج مبرد فحمول، تم دراسة حالتين مبسطتين لانتقال الكتلة: التبخر من السطح، والتبخر عبر وسط نقل.

التبخر من السطح

يمكن استخدام ارتباط تجريبي بسيط لتقدير معدل تبخر الماء من سطح ما. يوضح الشكل 1 مخططًا.

تعطي المعادلة 5 الارتباط التجريبي لمعدل التبخر م _e بالكيلوجرام/ساعة. ^{[ 6 ]}

مو˙=أ(25+19فيفيأناند)(أوهسأت-أوه)(5)

أوهسأتهي الرطوبة المطلقة المشبعة عند درجة الحرارة المحيطة وأوههي الرطوبة المطلقة الفعلية. A هي مساحة سطح الماء.

التبخر من خلال وسط نقل

تُمرّر العديد من وحدات التبريد التبخيري الهواء عبر وسادة مسامية مُشبعة بالماء. يُظهر الشكل 2 مخططًا.

يتم تحديد كفاءة التبخر للوسط بواسطة المعادلة 6. ^{[ 7 ]}

وفف=ت1-ت2ت1-تفيوتبفيلب،1(6)

يجب أن يكون من الممكن تحقيق كفاءة تتراوح بين 60-90%؛ ومع ذلك، يمكن تحديد قيم الكفاءة لوسائط محددة تجريبياً. ^{[ 3 ]} يعطي توازن الطاقة في تيار الهواء معدل التبخر، المعبر عنه في المعادلة 7.

(حأ2+أوه2حفي2)=(أوه2-أوه1)حف+(حأ1+أوه1حفي1)(7)

h _a هي إنثالبي الهواء الجاف، وh _w هي إنثالبي بخار الماء، وh _f هي إنثالبي السائل المشبع عند درجة حرارة الماء في الوسادة. يمكن بعد ذلك تحديد معدل التبخر من المعادلة 8.

مو˙=مأأنار˙(أوه2-أوه1)(8)

مأأنار˙هو معدل تدفق كتلة الهواء المارة عبر الوسادة المبللة.

انتقال الحرارة الأساسي

تنتقل الحرارة بالتوصيل والحمل الحراري والإشعاع. غالبًا ما يُغفل تأثير الإشعاع، نظرًا لضآلة تأثيره مقارنةً بأشكال انتقال الحرارة الأخرى. يحدث التوصيل عبر سطح صلب، ويُعطى بالمعادلة 9.

س˙=كأت(دت)(9)

س˙هي الحرارة المنقولة بالواط (W)، وk هو معامل التوصيل بوحدة W/mK، وt هو سمك المادة الصلبة بالأمتار، وdelta T هو فرق درجة الحرارة عبر المادة. معامل التوصيل هو خاصية للمادة، ويمكن الاطلاع عليه في المراجع أو التجارب.

تحدث الحمل الحراري من مرور السائل فوق جسم صلب ويتم تحديدها بالمعادلة 10.

س˙=حأ(ت-ت∞)(10)

h هو معامل الحمل الحراري، A هي المساحة، T هي درجة حرارة الجسم الصلب وت∞هي درجة حرارة السائل. معامل الحمل الحراري دالة لسرعة السائل، وخصائصه، وأبعاد الجسم. يمكن تحديده تجريبيًا أو من خلال الارتباطات المشتقة.

بناء الجهاز

تم بناء نموذج أولي لمبرد فحم. تجدون أدناه المواد المستخدمة وتعليمات التصنيع المفصلة. كان حجم النموذج الأولي لمبرد الفحم 1 قدم × 1 قدم × 1 قدم، ولكن يجب تطبيق التعليمات بغض النظر عن حجم الجهاز. من مزايا هذا الجهاز أنه متعدد الاستخدامات ويمكن تصنيعه من العديد من المواد المتاحة، لذا يُقترح استبداله.

تم تضمين ملف PDF قابل للطباعة يتضمن المواد وتفاصيل البناء وتعليمات التشغيل للمبرد في الموارد الإضافية .

المواد المطلوبة

مادة	صورة	البديل	التكلفة التقريبية (دولار كندي)
خشب 12 قدمًا من الخشب مقاس 1 سم × 2 سم		يمكن استخدام خشب بأحجام مختلفة. كما يمكن استخدام الخيزران أو أي مادة هيكلية أخرى.	2 دولار/3 أقدام (8 دولارات إجماليًا)
شبكة دجاج سلكية مطلوبة بمساحة 10 أقدام مربعة تقريبًا			8 دولارات/لفة
قماش الجوت أو القماش: مطلوب مساحة 12 قدمًا مربعًا تقريبًا		يمكن استخدام مادة قماش ماصة أخرى.	1 دولار/12 قدم مربع
مسامير مسامير التشطيب والنجارة		يمكن استخدام البراغي بدلاً من مسامير النجارة. إن توفرت، فإن استخدام مسدس دباسة ودبابيس لاستبدال مسامير التشطيب يُسهّل عملية البناء بشكل كبير. يمكن استخدام خيوط أو حبل لربط الإطارين معاً عند الحاجة.	2 دولار/الحزمة
الفحم حوالي 4 كجم		ستكون مادة ماصة أخرى كافية طالما أنها تسمح بدوران الهواء، ويمكنها الاحتفاظ بكمية كبيرة من الرطوبة، ويمكن احتواؤها داخل إطار المبرد. [ 3 ]	10 دولارات/الحزمة
مفصلتان			3 دولارات/الحزمة
لوح صلب قطعة واحدة، تقريبًا 1 قدم × 1 قدم (أبعاد قاعدة المبرد)		يمكن استخدام الخيزران المنسوج أو القصب بدلاً من اللوحة.	1 دولار
خرطوم بلاستيكي يبلغ قطره حوالي 10 أقدام و1/2-1 بوصة		كبديل، يُمكن وضع علب معدنية فوق المُبرّد في حال عدم توفر خرطوم. سيتم مناقشة هذا التعديل لاحقًا في تعليمات التركيب.	7.60 دولار/10 أقدام (5/8 بوصة عمق)
ربطات ما يقرب من 8 أجهزة ربط بلاستيكية		يعتبر الخيط أو الخيط بديلاً جيدًا للربطات.	2 دولار/الحزمة
دلو واحد أي حجم		يمكن استخدام أي أداة لتخزين الماء. إذا استُخدمت علب معدنية بدلاً من الخرطوم، فلن يكون الدلو ضروريًا.	5 دولارات
الأدوات المطلوبة هي المطرقة والمنشار والمقص أو قواطع الأسلاك		يمكن استخدام مفك براغي إذا استُبدلت المسامير بالبراغي. كما يُساعد استخدام دباسة في التركيب. أما إذا استُخدم خيط لربط الإطار، فلا حاجة لمطرقة.

بالتالي، تبلغ التكلفة الإجمالية للمواد 48.00 دولارًا أمريكيًا . يمكن تخفيض التكلفة باستخدام مواد بديلة أو مُعاد تدويرها.

1

اختر الأبعاد (الطول، العرض، والارتفاع) واقطع الخشب. يتطلب الجهاز قطعتين من كل طول وعرض، وثماني قطع من كل ارتفاع.

2

اصنع إطارين على شكل حرف U (U-1)، بحيث يُشكّل الجزء السميك من الخشب سُمك الإطار. ثبّت القاعدة على القطعتين الأخريين كما هو موضح في الشكل بجوار الأسهم.

3

أنشئ إطارين آخرين على شكل حرف U (U-2). يجب أن يبقى سمك الجزء الخشبي كما هو، ولكن هذه المرة ثبّتهما معًا كما هو موضح بالأسهم في الصورة.

4

قصّ قماش الجوت وسلك الدجاج ليناسب الإطارات الأربعة التي صنعتها. يجب أن يكون حجم القطع حوالي قدم واحد × قدم واحد. ستحتاج إلى 8 قطع من قماش الجوت و9 قطع من سلك الدجاج.

5

ثبّت قماش الجوت على أحد جانبي كل إطار باستخدام مسامير التشطيب. ضع مسمارًا واحدًا في كل زاوية، ومسامير إضافية حسب الحاجة. يمكن أيضًا استخدام مسدس دباسة ودبابيس للتثبيت.

6

ثبّت سلك الدجاج فوق قماش الجوت لكل إطار. يمكن استخدام مسامير التثبيت، ولكن يجب ثنيها فوق الشبكة السلكية لتثبيتها في مكانها. يجب توخي الحذر عند التعامل مع سلك الشبكة لأن حوافه حادة.

7

في كل من إطارات U-1، قم بربط كل من الجوت والأسلاك النهائية على الجانب الآخر.

الآن يجب أن يكون هناك:

• 
• 

8

ثبّت إطار U-2 على إطار U-1 لتشكيل شكل حرف L ثلاثي الأبعاد. مواقع المسامير موضحة بالأسهم.

9

قم بتثبيت إطار U-2 الآخر على إطار U-1 لتشكيل شكل U ثلاثي الأبعاد.

10

قس اللوح ليناسب قاع المبرد. قص اللوح بالطول المناسب. ثبّت اللوح في القاع بمسامير.

11

قم بربط قماش الجوت وسلك الدجاج بالجانبين المتبقيين على الجانب الخارجي من الثلاجة.

12

قم بتثبيت ثلاثة مسامير على كل حافة من حواف الإطار، بحيث تشير بشكل قطري نحو منتصف المبرد.

13

باستخدام قطعة من سلك الدجاج، شكّل رفًا في منتصف الصندوق. يتم ذلك بنسج الشبكة على المسامير البارزة. اختبر الرف بالضغط عليه قليلًا لمعرفة ما إذا كان سيتسع للطعام. كبديل، يمكن استخدام لوح خشبي أو قصب منسوج/خيزران، إلا أن مادة غير صلبة ستكون أكثر فعالية.

14

قم بربط المفصلات بالوجه المفتوح للثلاجة.

15

ثبّت إطار U-1 المتبقي بالمفصلات لتشكيل باب للمبرد. إذا لم يُغلق الباب، يُمكن تركيب مزلاج لإبقائه مغلقًا عند الحاجة.

16

املأ التجاويف التي شكلها قماش الجوت وسلك الدجاج بالفحم. يجب توزيع الفحم بالتساوي في جميع أنحاء التجويف. يجب أن يكون الفحم على شكل قطع قطرها حوالي 0.5 سم. ^{[ 3 ]} يجب أن يكون سلك الشبكة قويًا بما يكفي لتثبيت الفحم في مكانه ومنع التجاويف من الانتفاخ.

17

اربط طرف الخرطوم. صبّ بعض الماء فيه لضمان سدّه بإحكام. إذا لم يكن الربط كافيًا، استخدم سدادة لمنع تدفق الماء عبر الخرطوم. في حال عدم توفر الخرطوم واستخدام علب معدنية، يُمكن تثبيتها أعلى الإطار، مع ثقب تجاويف الفحم بمسامير. في هذه الحالة، يُنصح بتغطية العلب المعدنية بأغطية لمنع تبخر الماء من سطحها.

18

ابدأ بفتح الباب، ثم ضع الخرطوم على الجوانب المفتوحة للصندوق. ثبّت الخرطوم في مكانه باستخدام الأربطة لربطه بالسلك الشبكي. تأكد من أن الثقوب متجهة لأسفل نحو التجاويف المملوءة بالفحم.

19

اصنع ثقوبًا بطول 4 أقدام تقريبًا في الخرطوم. يجب أن تكون المسافة بين الثقوب حوالي 0.5-1 سم، ويمكن صنعها باستخدام مسمار. يتطلب حجم الثقوب وتباعدها بعض التجارب، ويعتمد على معدل التبخر في المناخ المختار. يجب الحفاظ على رطوبة الفحم باستمرار، ولكن لا يجب أن يكون مبللاً لدرجة تقطر الماء من قاع المبرد. لذلك، يجب أن يكون معدل تدفق الماء عبر الثقوب مساويًا لمعدل التبخر. إذا كانت الثقوب كبيرة جدًا، يمكن استخدام شمع الشمع لملئها، ويمكن إنشاء ثقوب جديدة عبر الشمع باستخدام دبوس. ^{[ 3 ]}

20

ضع قطعة قماش أو قصبًا منسوجًا في الجزء العلوي من الصندوق وثبته في مكانه.

21

ثبت الطرف الحر للخرطوم بقاعدة دلو مرتفع. عند امتلاء الدلو بالماء، سيتسرب الماء إلى التجاويف، مما يُبلل الفحم ومادة القماش.

تشغيل الجهاز

يمكن وضع المنتجات على الرف أو أسفل المبرد. يجب وضع الجهاز في الظل مع توجيه أحد جانبيه نحو الريح. يمكن أيضًا استخدام مروحة لتدوير الهواء الاصطناعي. لا يتطلب المبرد صيانة كثيرة، ولكن عند تركيبه لأول مرة، يجب مراقبته لضمان ترطيب الفحم بفعالية.

تطوير النموذج

طُوِّر نموذج EES لمبرد الفحم لتحديد تأثير متغيرات التصميم المختلفة، بالإضافة إلى الظروف المحيطة. صُمِّم مبرد الفحم كحجم تحكم، بحيث يكون أحد جوانبه عموديًا على الرياح المحيطة. ملف EES متاح للتنزيل في "المستندات الإضافية" . يُظهر الشكل 3 مخططًا تخطيطيًا للنظام المُنمذج.

الشكل 3: مخطط نموذج مبرد فحم الكوك

وقد تم إجراء الافتراضات التالية للتحليل:

• الظروف في حالة مستقرة
• سيتم وضع المبرد في منطقة مظللة وتأثيرات الإشعاع تكون ضئيلة
• الجزء العلوي والسفلي من المبرد معزولان (لا يوجد انتقال للحرارة)
• حرارة تبخر الماء ثابتة و 2270 كيلوجول/كجم
• لا يتم توليد حرارة داخل المبرد
• يعمل النظام بأكمله عند الضغط الجوي (101.325 كيلو باسكال)
• يتم الحفاظ على الفحم رطبًا باستمرار (تدفق المياه = معدل التبخر)

لقد تم النظر في انتقال الحرارة عبر كل جانب من جوانب المبرد بشكل فردي، ويتم شرح ذلك أدناه.

النموذج متاح للتنزيل في "المستندات الإضافية" . يتيح عرض الرسم التخطيطي للنموذج للمستخدم إدخال الظروف المحيطة (درجة الحرارة، الرطوبة النسبية، سرعة الرياح)، وكفاءة التبخر، وأبعاد المبرد، ويعرض الظروف الداخلية ومعدلات انتقال الحرارة.

الوجه الأول

يمكن تمثيل الجزء الأمامي من المبرد بتدفق هواء عبر وسادة رطبة. الشكل 2 أعلاه هو مخطط لتدفق الهواء عبر الجزء الأمامي من المبرد. تنطبق المعادلات المذكورة في " التبخر عبر وسط نقل" . انتقال الحرارةس1˙يساوي معدل التبخر مضروبًا في المحتوى الحراري للتبخر. تُحسب درجة الحرارة الداخلية للمبرد T _int بناءً على كفاءة التبخر والظروف المحيطة، كما هو موضح في المعادلة 6. يُفترض أن تكون هذه الدرجة ثابتة على طول عرض المبرد (b). وبالتالي، تعتمد درجة الحرارة الداخلية على الظروف المحيطة وكفاءة التبخر.

الوجهان 2 و 3

الجانبان ٢ و٣ من المبرد لهما نفس معدل نقل الحرارة، ولكن بخلاف الجانب ١، يعتمد معدل نقل الحرارة على أكثر من معدل التبخر. يوضح الشكل ٤ مخططًا للجدار الجانبي كما يُرى من الأعلى.

كما هو موضح في الشكل، هناك انتقال حراري على السطح، بالإضافة إلى فقدان حراري بالتبخر من داخل الجدار. وقد افترض أن التبخر يحدث فقط على السطحين الداخلي والخارجي للجدار، وأنه يمكن نمذجته باستخدام المعادلة 5، وهي معادلة ارتباط التبخر الحر للسطح.

تم حساب معاملات الحمل الحراري باستخدام الارتباط التجريبي للحمل الحراري القسري فوق صفيحة مسطحة ذات تدفق حراري ثابت، كما هو موضح في المعادلة 11. ^{[ 8 ]}

حبك=نفي=0.0308رو4/5صر1/3(11)

Nu هو عدد نوسلت ^W ، وRe هو عدد رينولدز ^W ، وPr هو عدد براندتل ^W.

وبتطبيق الافتراضات المذكورة، تم تصميم الجدار باستخدام شبكة مقاومة حرارية، كما هو موضح أدناه في الشكل 5.

كما يتضح من الشكل، لإزالة الحرارة من داخل الجهاز، يجب أن يكون مجموع الحرارة التبخيرية المستخرجة أكبر من الحرارة المضافة بالحمل الحراري. وقد افترض أن معامل التوصيل للفحم مساوي لمعامل التوصيل للخشب، أي حوالي 0.16 واط/متر كلفن. ^{[ 9 ]}

الجانب الرابع

يسمح الجزء الخلفي من المبرد بتدفق هواء مستمر عبر الجهاز، وقد يزيد من تبريد تيار الهواء إذا لم يكن مشبعًا. سيؤدي التبخر إلى خروج هواء أبرد من الجهاز، ولكنه لن يؤثر على درجة الحرارة داخل المبرد إلا قليلاً. افتُرض أن انتقال الحرارة عبر السطح الخلفي لمبرد الفحم ضئيل، ولم يُؤخذ في الاعتبار في النموذج. يُناقش تصميم هذا السطح الخلفي بمزيد من التفصيل في توصيات التصميم.

تحليل النموذج

وباستخدام النموذج التحليلي الموضح في تطوير النموذج ، تم تحليل معلمات التصميم لتحديد أداء الجهاز في ظل مجموعة متنوعة من الظروف.

معدل انتقال الحرارة (س˙) للأضلاع 1 و2 و3 تم حسابها وهي موضحة في الشكل 6 كدالة لدرجة الحرارة المحيطة (T1).

يُظهر هذا الشكل ملاحظتين مهمتين. أولاً، الحرارة المُزالة من الجانب 1 (المواجه للرياح) أكبر بكثير من الحرارة المُزالة من جوانب الجهاز. لذلك، افترض التحليل ثبات درجة الحرارة داخل المبرد، وهي دالة على التبخر عبر واجهته الأمامية. يُلغي التبخر في جوانب المبرد الحرارة التي كانت ستُضاف إلى الداخل عن طريق الحمل الحراري. وبهذا التأثير، تعمل الجدران الجانبية بشكل أساسي على عزل الجهاز. سيكون أداء الجهاز مماثلاً للجدران الجانبية المعزولة (باستخدام رغوة أو مادة عازلة مماثلة). سيقلل عزل الجدران من استهلاك المياه بشكل كبير، إلا أن توجيه الجهاز سيكون عاملاً أساسياً. تُناقش هذه الفكرة بمزيد من التفصيل في توصيات التصميم.

يوضح الشكل 6 أيضًا أن الحرارة التي يتم إزالتها من الوجه الأمامي تزداد مع درجة الحرارة، وهو ما يفسر زيادة معدل التبخر مع درجة الحرارة.

تم فحص درجة الحرارة داخل الحجرة كدالة للظروف المحيطة (درجة الحرارة والرطوبة). يوضح الشكل 7 الرسم البياني.

لذلك، تكون درجة الحرارة الداخلية المبردة أقل بكثير في ظروف الرطوبة النسبية المنخفضة. وبينما يزداد معدل انتقال الحرارة مع انخفاض درجة الحرارة (كما هو موضح في الشكل 6)، تنخفض درجة الحرارة الداخلية مع انخفاض درجات الحرارة المحيطة، لأن الانخفاض المطلوب في درجة الحرارة ليس كبيرًا. في الرطوبة العالية، لا يوفر الجهاز تبريدًا كافيًا لتبريد المنتجات بنجاح. لكي تكون درجة الحرارة الداخلية أقل من 20 درجة مئوية، يجب أن تكون نسبة الرطوبة أقل من 0.5.

في الأشكال السابقة، افترض أن كفاءة التبخر تساوي 0.75. ويُفترض أن يكون من الممكن تحقيق قيمة تتراوح بين 0.6 و0.9 باستخدام الفحم. ^{[ 3 ]} يوضح الشكل 8 تأثير كفاءة التبخر على درجة الحرارة الداخلية.

يمكن أن تؤدي كفاءة التبخير العالية إلى زيادة كبيرة في قدرة التبريد للمبرد. ينبغي إجراء أبحاث مستقبلية لتحديد العوامل المؤثرة على هذه المعلمة، وكيفية تحسين كفاءة وسط الفحم على النحو الأمثل.

أخيرًا، فُحص معدل التبخر عبر جانبي الحاوية كدالة للظروف المحيطة. يوضح الشكل 9 معدل التبخر عبر الواجهة الأمامية (الجانب 1)، بينما يوضح الشكل 10 معدل التبخر عبر الجانبين (2 و3).

يتضح من الأشكال أن معدل التبخر عبر الواجهة الأمامية للصندوق أعلى بكثير من باقي الأسطح. تتعلق هذه الملاحظة بتصميم الجهاز، إذ يجب أن يتدفق الماء إلى جوانب الفحم بنفس سرعة تبخره. لذلك، يجب أن يكون معدل تدفق الماء إلى الواجهة الأمامية للجهاز أعلى بكثير من باقي الأسطح. سيتم مناقشة هذا المفهوم بمزيد من التفصيل في توصيات التصميم.

توصيات التصميم

بناءً على بناء النموذج الأولي وتحليل النموذج، تم تقديم التوصيات التالية لتصميم المبرد:

1. يُعد معدل تدفق الماء إلى المبرد معيارًا مهمًا، ويعتمد على الظروف المحيطة ونوع الأنابيب أو العلب المستخدمة. يجب أن يكون معدل التدفق مساويًا لمعدل التبخر لضمان عدم تسرب الماء من المبرد، ومنع جفاف الفحم. يُنصح بجعل فتحات الأنابيب في الجانب الأمامي للجهاز أكبر وأقرب من فتحات الجانبين الآخرين.
2. اعتمادًا على توفر الفحم، لا يتطلب الجزء الخلفي من المبرد وجود الفحم، لأن التبخر منه لا يُسهم في تأثير التبريد. مع ذلك، قد يكون من المفيد وضع الفحم على جميع الجوانب بحيث لا يؤثر اتجاه الرياح على الاتجاه.
3. يمكن عزل الجدران الجانبية للجهاز لتقليل استهلاك المياه. استخدام مادة عازلة متوفرة داخل الإطار الخشبي يمنع انتقال الحرارة بالحمل الحراري، ولكنه لا يتطلب التبخر. في حال عزل الجدران الجانبية، يُعدّ اتجاه الجهاز بالغ الأهمية، إذ لن يعمل الجهاز إذا لم تكن الرياح على واجهته الأمامية. في حال توفر مروحة كهربائية لتوليد تدفق هواء قسري في اتجاه مُتحكم به، يُوصى بعزل الجدران الجانبية. إذا كان الجهاز سيستخدم تدفق هواء طبيعي من الرياح، فيمكن للمستخدم عزل الجدران الجانبية، ولكن يجب عليه صيانة الجهاز لضمان اتجاهه الصحيح رغم تغير أنماط الرياح.
4. ينبغي تغطية العلب أو الدلو المملوء بالماء لمنع تبخره في البيئة المحيطة.
5. تبيّن من خلال النموذج أن أبعاد المبرد لا تؤثر بشكل كبير على الأداء. مع ذلك، لا تصح بعض افتراضات النموذج مع الأبعاد الكبيرة. بالاعتماد على التصميم فقط، من الأسهل بناء مبرد مكعب الشكل، حيث يمكن قطع جميع قطع الخشب بنفس الحجم.

تحليل التكلفة

أُجري تحليل اقتصادي بسيط (باستخدام الأرقام الكندية) لتحديد تكلفة الجهاز طوال عمره الافتراضي. تكاليف المواد مُبينة أعلاه في قسم " المواد المطلوبة" .

يرجى ملاحظة أن التكاليف الأولية والعمالة والأسعار تعتمد بشكل كبير على الموقع.

التكاليف الأولى:

التكاليف التشغيلية:

• *هذا تقدير متحفظ، إذ يعتمد استخدام المياه بشكل كبير على المناخ. ويمكن أن تتناول الأبحاث المستقبلية نمذجة استخدام المياه هذا كدالة للمناخ والجغرافيا.

تعتمد التكلفة بشكل كبير على تكلفة المياه والعمالة في المنطقة المعنية. يمكن للمواد البديلة وانخفاض تكاليف العمالة أن يُخفّضا التكلفة الأولية للجهاز بشكل كبير. إضافةً إلى ذلك، تعتمد تكلفة المياه على المنطقة، ويجب حسابها لكل منطقة مُحددة سيُستخدم فيها الجهاز. تكاليف التشغيل المذكورة أعلاه هي مجرد مثال. لا تشمل تكاليف التشغيل الموضحة تكاليف العمالة اللازمة لنقل المياه، والتي قد تكون باهظة في بعض المناطق.

مستندات إضافية

• الوسائط:CC ConstructionInstructions.pdf - نسخة قابلة للطباعة من التعليمات التفصيلية لبناء الجهاز
• الوسائط: نموذج علوم CC.pdf - نسخة قابلة للطباعة من المبادئ العلمية، وتطوير النموذج، وتحليل النموذج
• http://sketchup.google.com - البرنامج متاح للتنزيل

المراجع

بيانات الصفحة

جزء من	ميك425
الكلمات الرئيسية	الفحم ، التبريد التبخيري ، حفظ الأغذية ، الشبكة ، البلاستيك ، الخشب ، الهندسة ، تكييف الهواء
أهداف التنمية المستدامة	الهدف السابع من أهداف التنمية المستدامة: طاقة نظيفة وبأسعار معقولة
المؤلفون	ليزا كروفوت
رخصة	CC-BY-SA-3.0
المنظمات	جامعة كوينز
لغة	الإنجليزية (en)
الترجمات	Chinese, French, Polish, Korean, Dutch, Greek, Italian
Related	7 subpages, 18 pages link here
Impact	34,628 page views (more)
Created	April 6, 2010 by Lisa Crofoot
Last modified	April 4, 2025 by 190.150.218.102
Cite as	Lisa Crofoot (2010–2025). "Charcoal Cooler". Appropedia. Retrieved May 21, 2025.
API queries	basic, semantic, html, files, more