Refroidisseur de charbon de bois

Données du projet

Auteurs	Lisa Crofoot
Emplacement	Kingston , Canada
Statut	Conçu Modélisé Prototypé
Manifeste OKH	Télécharger

Un refroidisseur à charbon utilise le principe du refroidissement par évaporation pour maintenir une température intérieure fraîche pour la réfrigération et la conservation des aliments. L'appareil est construit à partir d'une charpente en bois ouverte avec des côtés remplis de charbon de bois, qui reste continuellement humide. Lorsque l'air chaud et sec circule à travers le charbon de bois humide, l'eau s'évapore dans l'air et se refroidit. Les principes de base du transfert de chaleur et de masse sous-tendent le fonctionnement du refroidisseur à charbon. Un modèle analytique simplifié a été développé dans Engineering Equation Solver (EES) pour déterminer la fonctionnalité du refroidisseur à charbon de bois pour une variété de conditions extérieures et de variables de conception. Il a été constaté que les dimensions du refroidisseur ont un impact minime sur la température intérieure maintenue, mais que les conditions ambiantes ont un impact significatif sur la fonctionnalité de l'appareil. Un prototype de refroidisseur a été construit pour élaborer des instructions de construction détaillées. Les travaux futurs sur ce projet comprendront le test du prototype pour la validation du modèle. Le modèle EES, le fichier CAO et les documents PDF imprimables sont disponibles dans Documents supplémentaires .

Besoin de développement

Le refroidissement par évaporation peut être utilisé pour répondre à deux principaux besoins de développement : le refroidissement des locaux ( climatisation ) et la réfrigération . Le refroidisseur à charbon répond au besoin de réfrigération dans les zones où l'électricité n'est pas disponible.

La réfrigération des aliments est une méthode permettant de ralentir la croissance des bactéries et de prolonger la durée de conservation. Les réfrigérateurs typiques sont conservés à environ 2-3 degrés Celsius et peuvent prolonger la durée de conservation des produits de plusieurs semaines. ^[1]

Dans les climats chauds où l’électricité n’est pas disponible, la réfrigération des aliments est un besoin de développement. Au Soudan, par exemple, les tomates ne durent que 2 jours sous le soleil brûlant. ^[2] La conservation des récoltes par la réfrigération peut contribuer à lutter contre la faim et la famine dans les pays en développement en conservant les aliments frais plus longtemps. Dans les zones sans électricité, la réfrigération est particulièrement difficile et a conduit à la conception d'une variété de dispositifs de réfrigération alimentés par la chaleur, notamment des refroidisseurs par évaporation . Bien que ces appareils ne soient généralement pas capables de maintenir des températures de 2 à 3 degrés Celsius, ils peuvent être nettement plus froids que la température ambiante, et même des baisses modérées peuvent prolonger considérablement la durée de conservation des produits. Par exemple, lorsqu’elles sont hébergées dans un dispositif de refroidissement par évaporation similaire, la durée de vie des tomates peut être prolongée de 2 à 20 jours. ^[2] Le refroidissement par évaporation présente l'avantage supplémentaire d'augmenter la teneur en humidité de l'air, d'empêcher les aliments de se dessécher et de prolonger davantage leur durée de conservation. ^[3]

La réfrigération est également importante pour le stockage des vaccins et des médicaments , mais la baisse de température et le contrôle de la température requis rendent le refroidissement par évaporation impropre à cette application.

Limites climatiques

Comme indiqué plus en détail ci-dessous dans les principes d'ingénierie, le potentiel de refroidissement par évaporation dépend de la différence entre les températures humides et sèches de l'air. L'air humide a une humidité relative élevée et une capacité moindre à évaporer l'humidité. À mesure que l’humidité relative de l’air augmente, les performances du système diminuent, limitant ainsi son application dans les climats humides. Le refroidissement par évaporation est plus efficace dans les climats où l'humidité relative est inférieure à 30 %. ^[4] À mesure que l'humidité augmente, la capacité de refroidissement diminue et la différence de température entre l'extérieur et l'intérieur de la chambre diminue. Pour tester si le refroidissement par évaporation sera efficace, la température du bulbe humide peut être mesurée en plaçant un chiffon humide sur l’extrémité d’un thermomètre et en l’agitant dans l’air. ^[3] La température lue par le thermomètre est la température minimale théorique pouvant être atteinte grâce au refroidissement par évaporation.

De plus, le refroidissement par évaporation doit être utilisé dans les zones où l'eau est disponible. En fonction des conditions et des dimensions plus froides, l'appareil peut utiliser 20 à 70 L d'eau par jour lorsqu'il fonctionne efficacement.

Principes scientifiques

Le refroidissement par évaporation repose sur le principe selon lequel l’eau a besoin d’énergie thermique pour s’évaporer. Dans les climats chauds et relativement secs, l’évaporation de l’eau dans l’air chaud et sec peut créer un effet de roucoulement, adapté à la climatisation ou à la réfrigération des locaux. La chaleur évacuée d'un espace en raison de l'évaporation de l'eau est donnée par l'équation 1.

Q˙=me˙he{ displaystyle { dot {Q}} = { dot {m_ {e}}} h_ {e}}(1)

Q est la chaleur évacuée en kW,me˙{ displaystyle { dot {m_ {e}}}}est le taux d'évaporation de l'eau en kg/s, et h _e est la chaleur latente d'évaporation de l'eau (~2 270 kJ/kg). ^[5] La puissance frigorifique est donc approximativement proportionnelle au taux d'évaporation de l'eau, qui dépend :

• Température ambiante
• Humidité ambiante
• Superficie
• Médias évaporatifs
• Mouvement de l'air (naturel ou artificiel)

Pour maximiser les effets de refroidissement, ces variables doivent être optimisées pour une application donnée.

Psychrométrie

L'évaporation, le processus de transformation de l'eau d'un liquide en gaz, nécessite la chaleur de l'environnement. Les propriétés psychrométriques de l'air humide, ainsi que les principes du transfert de chaleur et de masse, s'appliquent à l'évaporation de l'eau pour le refroidissement. Comprendre les propriétés de l’air humide est essentiel pour comprendre le fonctionnement du refroidissement par évaporation.

L'air humide est un air composé de vapeur d'eau et d'air sec. La pression totale de l'air est la somme des pressions partielles de la vapeur d'eau et de l'air sec, comme le montre l'équation 2.

P.=P.un+P.v{ displaystyle P = P_ {a} + P_ {v}}(2)

L'air saturé est un mélange d'air sec et de vapeur d'eau saturée. Lorsque l'air est saturé, la pression de vapeur P _v est égale à la pression de saturation P _v,max de l'eau à la température de l'air. Puisque la pression de saturation augmente avec la température, l’air à une température plus élevée a la capacité de retenir plus d’humidité.

L'humidité fait référence à la quantité d'humidité présente dans l'air et peut être exprimée de deux manières. L'humidité relative, équation 3, est le rapport entre l'humidité de l'air et l'humidité de l'air saturé à la même température.

R.H=P.vP.v,munX{\displaystyle RH={\frac {P_{v}}{P_{v,max}}}}(3)

L'humidité relative est donc fonction à la fois de la température et de la teneur en humidité.

L'humidité absolue est le rapport entre la masse d'eau et la masse d'air sec et est donnée par l'équation 4.

ω=mvmun=0,622P.vP.−P.v{\displaystyle \omega ={\frac {m_{v}}{m_{a}}}=0,622{\frac {P_{v}}{P-P_{v}}}}(4)

L'humidité absolue n'est donc fonction que de la teneur en humidité.

La force motrice derrière l’évaporation de l’air est la différence de pression de vapeur entre l’air et l’eau. L’air à une température plus élevée et à une humidité relative plus faible est capable d’évaporer plus d’humidité que l’air frais ou humide. Le potentiel d’évaporation est proportionnel à la différence entre les températures du bulbe sec et du bulbe humide. La température du bulbe sec mesure la température du flux d’air tandis que la température du bulbe humide est représentative à la fois de la température et de l’humidité. La température du bulbe humide peut être mesurée en plaçant un chiffon humide sur l’extrémité d’un thermomètre et en laissant passer l’air dessus tout en lisant la température. L'humidité relative et l'humidité absolue peuvent alors être déterminées à partir d'un tableau psychométrique .

Évaporation

L'évaporation est le changement d'état entre un liquide et un gaz. Pour l’eau et l’air, l’évaporation implique la vaporisation de l’eau liquide dans un flux d’air humide. Pour les besoins du modèle Charcol Cooler, deux cas de transfert de masse simplifiés ont été considérés : l'évaporation à partir d'une surface et l'évaporation à travers un milieu de transfert.

Évaporation d'une surface

Une simple corrélation empirique peut être utilisée pour estimer le taux d’évaporation de l’eau d’une surface. La figure 1 montre un schéma.

Figure 1 : Schéma de l’équation 5

L'équation 5 donne la corrélation empirique pour le taux d'évaporation m _e en kg/h. ^[6]

me˙=UN(25+19Vwjend)(ωsunt−ω){\displaystyle {\dot {m_{e}}}=A(25+19V_{wind})(\omega _{sat}-\omega )}(5)

ωsunt{ displaystyle omega _ {sat}}est l'humidité absolue de saturation à la température ambiante etω{ displaystyle oméga}est l'humidité absolue réelle. A est la superficie de l’eau.

Évaporation via un milieu de transfert

De nombreuses unités de refroidissement par évaporation font passer l'air à travers un tampon poreux imbibé qui est maintenu rempli d'eau. La figure 2 montre un schéma.

Figure 2 : Schéma des équations 6, 7 et 8

L'efficacité évaporative du milieu est donnée par l'équation 6. ^[7]

eFF=T1−T2T1−Twetbtoijeb,1{\displaystyle eff={\frac {T_{1}-T_{2}}{T_{1}-T_{wetbulb,1}}}}(6)

Il devrait être possible d'atteindre une efficacité de 60 à 90 % ; cependant, les valeurs d'efficacité pour des supports spécifiques peuvent être déterminées expérimentalement. ^[3] Un bilan énergétique sur le flux d'air donne le taux d'évaporation, exprimé dans l'équation 7.

(hun2+ω2hw2)=(ω2−ω1)hF+(hun1+ω1hw1){\displaystyle (h_{a2}+\omega _{2}h_{w2})=(\omega _{2}-\omega _{1})h_{f}+(h_{a1}+\omega _ {1}h_{w1})}(7)

h _a est l'enthalpie de l'air sec, h _w est l'enthalpie de la vapeur d'eau et h _f est l'enthalpie du liquide saturé à la température de l'eau dans le coussin. Le taux d'évaporation peut alors être déterminé à partir de l'équation 8.

me˙=munjer˙(ω2−ω1){\displaystyle {\dot {m_{e}}}={\dot {m_{air}}}(\omega _{2}-\omega _{1})}(8)

munjer˙{ displaystyle { dot {m_ {air}}}}est le débit massique de l’air traversant le tampon imbibé.

Transfert de chaleur fondamental

La chaleur est transférée par conduction, convection et rayonnement. Souvent, les effets du rayonnement peuvent être ignorés, car ils sont faibles par rapport à d’autres formes de transfert de chaleur. La conduction se produit à travers une surface solide et est donnée par l'équation 9.

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

Q˙{ displaystyle { dot {Q}}}est la chaleur transférée en Watts (W), k est le coefficient de conduction en W/mK, t est l'épaisseur du solide en mètres et delta T est la différence de température à travers le solide. Le coefficient de conduction est une propriété du matériau et peut être trouvé dans la littérature ou expérimentalement.

La convection se produit à partir d'un fluide passant sur un objet solide et est donnée par l'équation 10.

Q˙=hUN(T−T∞){\displaystyle {\dot {Q}}=hA(T-T_{\infty })}(dix)

h est le coefficient de convection, A est la surface, T est la température de l'objet solide etT∞{\ displaystyle T_ {\ infty }}est la température du fluide. Le coefficient de convection est fonction de la vitesse du fluide, des propriétés du fluide et des dimensions de l'objet. Elle peut être déterminée expérimentalement ou à partir de corrélations dérivées.

Construction de l'appareil

Un prototype de refroidisseur à charbon de bois a été construit. Les matériaux utilisés et les instructions de construction détaillées sont ci-dessous. Le prototype de refroidisseur à charbon mesurait 1 pied x 1 pied x 1 pied, mais les instructions doivent s'appliquer quelle que soit la taille de l'appareil. L'un des avantages de ce dispositif est qu'il est polyvalent et peut être fabriqué à partir de nombreux matériaux disponibles. Des substitutions sont donc suggérées.

Un PDF imprimable comprenant les matériaux, les détails de construction et les instructions de fonctionnement du refroidisseur est inclus dans Ressources supplémentaires .

Matériaux nécessaires

Matériel	Image	Alterner	Coût approximatif ($ CA)
Bois 12 pieds de bois de 1 cm x 2 cm		Du bois d'une autre taille est utilisable. Le bambou ou tout autre matériau structurel fera également l’affaire.	2 $/3 pieds (8 $ au total)
Grillage à poulet environ 10 pieds carrés est requis			8 $/rouleau
Tissu Toile de jute ou toile : environ 12 pieds carrés sont requis		Un autre tissu absorbant peut être utilisé.	1$/12pi²
Clous Clous de finition et de menuiserie		Des vis peuvent être utilisées à la place des clous de menuiserie. Si disponible, une agrafeuse et des agrafes pour remplacer les clous de finition faciliteraient considérablement la construction. De la ficelle ou de la corde peuvent être utilisées pour attacher le cadre ensemble si nécessaire.	2$/paquet
Charbon de bois Environ 4 kg		Un autre matériau absorbant suffira à condition qu’il permette la circulation de l’air, qu’il puisse retenir une quantité substantielle d’humidité et qu’il puisse être contenu dans le cadre de la glacière. [3]	10 $/colis
2 charnières			3 $/paquet
Planche solide 1 pièce, environ 1 pi x 1 pi (dimensions de la base de la glacière)		Du bambou tressé ou des roseaux peuvent être utilisés pour remplacer la planche.	1 $
Tuyau en plastique d'environ 10 pieds 1/2-1 pouce de diamètre		Alternativement, des boîtes peuvent être placées sur le dessus de la glacière si le tuyau n'est pas disponible. Cette modification sera discutée plus en détail dans les instructions de construction.	7,60 $/10 pieds (5/8" de profondeur)
Attaches Environ 8 attaches en plastique		La ficelle ou la ficelle est une bonne alternative pour les cravates.	2$/paquet
Un seau de toute taille		Tout appareil pouvant retenir l’eau peut être utilisé. Si des boîtes de conserve sont utilisées à la place du tuyau, le seau n'est pas nécessaire.	5 $
Outils Un marteau, une scie et des ciseaux ou une pince coupante sont nécessaires		Un tournevis peut être utilisé si des vis remplacent des clous. Une agrafeuse aiderait à la construction. Si de la ficelle est utilisée pour attacher le cadre ensemble, aucun marteau n’est requis.

Le coût total des matériaux est donc de 48,00$ . Le coût peut être réduit en utilisant des matériaux alternatifs ou recyclés.

1

Choisissez les dimensions (longueur, largeur et hauteur) et coupez le bois. L'appareil nécessite 2 pièces de chacune en longueur et en largeur, et 8 en hauteur.

2

Cadre U-1

Créez 2 cadres en forme de U (U-1), la partie épaisse du bois formant l'épaisseur du cadre. Clouez la base aux deux autres pièces comme indiqué sur la figure par les flèches.

3

Châssis U-2

Créez 2 autres cadres en forme de U (U-2). La partie épaisse du bois doit toujours avoir l'épaisseur, mais cette fois-ci, attachez-la comme indiqué par les flèches sur l'image.

4

Coupez la toile de jute et le grillage pour les adapter aux quatre cadres créés. Cela devrait correspondre à des pièces d'environ 1 pied x 1 pied. 8 morceaux de toile de jute et 9 morceaux de grillage sont nécessaires.

5

Appliquer à TOUS les cadres

Fixez la toile de jute sur un côté de chaque cadre à l'aide des clous de finition. Placez un clou dans chaque coin et des clous supplémentaires si nécessaire. Une agrafeuse et des agrafes peuvent également être utilisées pour la fixation.

6

Appliquer à TOUS les cadres

Fixez le grillage sur la toile de jute de chaque cadre. Des clous de fixation peuvent être utilisés, mais doivent être pliés sur le treillis métallique pour le maintenir en place. Des précautions doivent être prises lors de la manipulation du treillis métallique car les bords sont coupants.

7

Appliquer UNIQUEMENT aux cadres U-1

Sur chacun des cadres U-1, fixez le jute et le fil de finition de l'autre côté.

Il devrait maintenant y avoir :

• 
• 

8

Clouez le cadre U-2 au cadre U-1 pour former une forme en L tridimensionnelle. Les emplacements des clous sont indiqués par les flèches.

9

Clouez l’autre cadre U-2 au cadre U-1 pour former une forme en U tridimensionnelle.

dix

Mesurez la planche pour qu'elle s'adapte au bas de la glacière. Coupez la planche à la longueur appropriée. Clouez la planche sur le fond.

11

Fixez la toile de jute et le grillage aux deux côtés restants à l'extérieur de la glacière.

12

Fixez trois clous sur chacun des bords du cadre, pointant en diagonale vers le milieu de la glacière.

13

À l’aide d’un morceau de grillage, formez une étagère au milieu de la boîte. Cela se fait en tissant le treillis sur les clous saillants. Testez l'étagère en exerçant une certaine pression dessus pour voir si elle pourra contenir des aliments. En remplacement, une planche peut être utilisée pour former l'étagère, ou des roseaux/bambou tissés, cependant un matériau non solide sera plus efficace.

14

Fixez les charnières à la face ouverte du refroidisseur.

15

Fixez le cadre U-1 restant aux charnières pour former une porte pour la glacière. Si la porte ne se ferme pas, un loquet peut être installé pour la maintenir fermée si nécessaire.

16

Remplissez les cavités formées par la toile de jute et le grillage avec du charbon de bois. Le charbon de bois doit être réparti uniformément dans toute la cavité. Le charbon de bois doit être constitué de morceaux d'environ 0,5 cm de diamètre. ^[3] Le treillis métallique doit être suffisamment solide pour maintenir le charbon de bois en place et empêcher les cavités de se gonfler.

17

Attachez l'extrémité du tuyau. Versez un peu d'eau dans le tuyau pour vous assurer que l'attache est suffisante pour bloquer l'extrémité du tuyau. Si le lien n'est pas suffisant, un bouchon doit être utilisé pour empêcher l'eau de s'écouler dans le tuyau. Si le tuyau n'est pas disponible et que des boîtes sont utilisées, celles-ci peuvent être fixées au sommet du cadre, avec des trous percés par des clous dans les cavités du charbon de bois. Si cette méthode est utilisée, il est recommandé que les boîtes aient des couvercles pour empêcher l'évaporation de l'eau de la surface des boîtes.

18

En commençant par l'ouverture de la porte, posez le tuyau sur les côtés ouverts de la boîte. Fixez le tuyau en place à l'aide des attaches pour attacher le tuyau au fil métallique. Assurez-vous que les trous pointent vers les cavités remplies de charbon de bois.

19

L'appareil devrait maintenant ressembler à ceci.

Percez des trous le long d’environ 4 pieds du tuyau. Les trous doivent être espacés d’environ 0,5 à 1 cm et peuvent être pratiqués à l’aide d’un clou. La taille et l'espacement des trous nécessitent un peu d'expérimentation et dépendent du taux d'évaporation du climat donné. Le charbon de bois doit être maintenu continuellement humide, mais ne doit pas être mouillé au point de couler au fond de la glacière. Le débit d’eau à travers les trous doit donc être égal au taux d’évaporation. Si les trous pratiqués sont trop grands, de la cire de bougie peut être utilisée pour les remplir et de nouveaux trous peuvent être créés à travers la cire avec une épingle. ^[3]

20

Placez du tissu ou des reids tissés sur le dessus de la boîte et fixez-le en place.

21

Fixez l'extrémité libre du tuyau à la base d'un seau surélevé. Au fur et à mesure que le seau est rempli d'eau, l'eau coulera dans les cavités, humidifiant le charbon de bois et le tissu.

Fonctionnement de l'appareil

Les produits peuvent être placés sur l’étagère ou au fond de la glacière. L'appareil doit être placé à l'ombre avec un côté face au vent. Une circulation d’air artificielle avec un ventilateur peut également être utilisée. Très peu d'entretien est requis, mais lors de sa première construction, le refroidisseur doit être surveillé pour garantir une humidification efficace du charbon de bois.

Développement d'un modèle

Un modèle EES du refroidisseur à charbon de bois a été développé pour déterminer l'effet de diverses variables de conception ainsi que des conditions ambiantes. Le refroidisseur à charbon de bois a été modélisé comme un volume de contrôle dont une face est normale au vent ambiant. Le fichier EES est disponible en téléchargement dans Documents supplémentaires . La figure 3 montre un schéma du système modélisé.

Figure 3 : Schéma du modèle de refroidisseur Charcol

Les hypothèses suivantes ont été formulées pour l’analyse :

• Les conditions sont à l'état stable
• La glacière sera placée dans une région ombragée et les effets du rayonnement sont négligeables
• Le haut et le bas du refroidisseur sont isolés (pas de transfert de chaleur)
• La chaleur de vaporisation de l'eau est constante et de 2270kJ/kg
• Aucune chaleur n'est générée à l'intérieur du refroidisseur
• L'ensemble du système fonctionne à la pression atmosphérique (101,325 kPa)
• Le charbon est maintenu continuellement humide (débit d'eau = taux d'évaporation)

Vue du diagramme du modèle EES

Le transfert de chaleur à travers chaque côté du refroidisseur a été considéré individuellement et est expliqué ci-dessous.

Le modèle est disponible en téléchargement dans Documents supplémentaires . La vue schématique du modèle permet à l'utilisateur de saisir les conditions ambiantes (T, RH, vitesse du vent), l'efficacité d'évaporation et les dimensions du refroidisseur et d'afficher les conditions intérieures et les taux de transfert de chaleur.

Face 1

La face avant du refroidisseur peut être modélisée comme un flux d’air traversant un tampon humide. La figure 2 ci-dessus est donc un schéma du flux d'air à travers l'avant du refroidisseur. Les équations répertoriées dans Évaporation via un milieu de transfert s'appliquent. Le transfert de chaleurQ1˙{ displaystyle { dot {Q_ {1}}}}est égal au taux d’évaporation multiplié par l’enthalpie de vaporisation. La température interne du refroidisseur T _int est calculée sur la base de l'efficacité évaporative et des conditions ambiantes, comme indiqué par l'équation 6. Cette température est supposée constante sur la largeur (b) du refroidisseur. La température interne dépend donc des conditions ambiantes et de l’efficacité évaporative.

Faces 2 et 3

Les côtés 2 et 3 du refroidisseur ont le même taux de transfert de chaleur, mais contrairement au côté 1, le taux de transfert de chaleur ne dépend pas uniquement du taux d'évaporation. La figure 4 montre un schéma de la paroi latérale vue du dessus.

Comme le montre la figure, il y a une convection sur la surface, ainsi qu'une perte de chaleur par évaporation depuis l'intérieur du mur. Il a été supposé que l’évaporation se produit uniquement sur les surfaces intérieures et extérieures du mur et qu’elle pouvait être modélisée à l’aide de l’équation 5, la corrélation pour l’évaporation à surface libre.

Les coefficients de convection ont été calculés à l'aide de la corrélation empirique pour la convection forcée sur une plaque plane avec un flux thermique constant, telle que donnée par l'équation 11. ^[8]

hbk=Ntoi=0,0308R.e4/5P.r1/3{\displaystyle {\frac {hb}{k}}=Nu=0.0308Re^{4/5}Pr^{1/3}}(11)

Nu est le nombre de Nusselt ^W , Re est le nombre de Reynold ^W et Pr est le nombre de Prandtl ^W .

En appliquant les hypothèses énoncées, le mur a été modélisé à l'aide d'un réseau de résistances thermiques, comme le montre la figure 5 ci-dessous.

Comme le montre la figure, pour que la chaleur soit évacuée de l’intérieur de l’appareil, la somme de la chaleur évaporative évacuée doit être supérieure à la chaleur ajoutée par convection. Le coefficient de conduction du charbon de bois a été supposé être le même que celui du bois, soit environ 0,16 W/mK. ^[9]

Face 4

L'arrière du refroidisseur permet un flux d'air constant à travers l'appareil et peut refroidir davantage le flux d'air si l'air n'est pas saturé. L'évaporation ferait sortir de l'air plus frais de l'appareil mais aurait peu ou pas d'effet sur la température à l'intérieur du refroidisseur. Le transfert de chaleur à travers la face arrière du refroidisseur à charbon de bois a été supposé négligeable et n’a pas été pris en compte dans le modèle. La conception de cette face arrière est discutée plus en détail dans les recommandations de conception.

Analyse du modèle

À l'aide du modèle analytique décrit dans Model Development , les paramètres de conception ont été analysés pour déterminer les performances de l'appareil dans diverses conditions.

Le taux de transfert de chaleur (Q˙{ displaystyle { dot {Q}}}) pour les côtés 1, 2 et 3 a été calculé et est représenté sur la figure 6 en fonction de la température ambiante (T1).

Deux observations intéressantes sont présentées dans cette figure. Premièrement, la chaleur évacuée par le côté 1 (face au vent) est nettement supérieure à la chaleur évacuée par les côtés de l’appareil. Il a donc été supposé pour l'analyse que la température à l'intérieur du refroidisseur est constante et fonction de l'évaporation à travers l'avant du refroidisseur. L'évaporation sur les côtés du refroidisseur « annule » essentiellement la chaleur qui serait autrement ajoutée à l'intérieur par convection. Par cet effet, les parois latérales servent essentiellement à isoler le dispositif. Le dispositif fonctionnerait de manière comparable avec des parois latérales isolées (en utilisant une mousse ou un matériau isolant équivalent). L'isolation des murs réduira considérablement la quantité d'eau utilisée, mais l'orientation de l'appareil deviendra une considération primordiale. Cette idée est discutée plus en détail dans les recommandations de conception.

La figure 6 montre également que la chaleur évacuée de la face avant augmente avec la température, ce qui s'explique par l'augmentation du taux d'évaporation avec la température.

La température à l'intérieur de l'enceinte a été examinée en fonction des conditions ambiantes (température et humidité). La figure 7 montre le tracé.

La température intérieure refroidie est donc beaucoup plus basse dans des conditions de faible humidité relative. Alors que le taux de transfert de chaleur augmente avec la température (comme le montre la figure 6), la température intérieure est plus basse avec des températures ambiantes plus basses car la chute de température requise n'est pas aussi importante. En cas d'humidité élevée, l'appareil ne fournit pas suffisamment de refroidissement pour réussir à réfrigérer les produits. Pour que la température intérieure soit inférieure à 20 degrés Celsius, l’humidité doit être inférieure à 0,5.

Pour les chiffres précédents, l'efficacité d'évaporation était supposée être de 0,75. Il devrait être possible d'atteindre une valeur de 0,6 à 0,9 avec du charbon de bois. ^[3] La figure 8 montre l'effet de l'efficacité évaporative sur la température intérieure.

Une efficacité d'évaporation plus élevée peut augmenter considérablement la capacité de refroidissement du refroidisseur. Des travaux futurs devraient être effectués pour déterminer les facteurs qui affectent ce paramètre et comment optimiser au mieux l’efficacité du charbon de bois.

Enfin, le taux d'évaporation de chaque côté du conteneur a été examiné en fonction des conditions ambiantes. La figure 9 montre le taux d'évaporation par l'avant (côté 1) et la figure 10 montre le taux d'évaporation par les côtés (2 et 3).

D’après les figures, il est évident que l’évaporation à travers la face avant de la boîte est nettement plus élevée que sur les autres faces. Cette observation concerne la conception de l'appareil car l'eau doit s'écouler dans les côtés du charbon aussi rapidement qu'elle s'évapore. Par conséquent, le débit d’eau vers la face avant de l’appareil doit être nettement plus élevé que sur les autres côtés. Ce concept est discuté plus en détail dans les recommandations de conception.

Recommandations de conception

Sur la base de la construction du prototype et de l'analyse du modèle, les recommandations suivantes sont formulées pour la conception du refroidisseur :

1. Le débit de l’eau dans le refroidisseur est un paramètre important qui dépend des conditions ambiantes et des tubulures ou boîtes utilisées. Le débit doit être égal au taux d’évaporation pour garantir que l’eau ne s’échappe pas du refroidisseur et que le charbon de bois ne sèche pas. Il est recommandé que les trous dans le tube sur la face avant de l'appareil soient plus grands et plus rapprochés que les deux autres côtés.
2. En fonction de la disponibilité du charbon de bois, la face arrière du refroidisseur ne nécessite pas de charbon de bois puisque l'évaporation de cette face ne contribue pas à l'effet de refroidissement. Il peut cependant être utile d'inclure du charbon de bois sur tous les côtés afin que l'orientation et la direction du vent n'aient pas d'importance.
3. Les parois latérales de l'appareil pourraient être isolées pour réduire la consommation d'eau requise. L’utilisation d’un matériau isolant disponible à l’intérieur de la charpente en bois empêcherait le transfert de chaleur par convection, mais ne nécessiterait pas d’évaporation. Si les parois latérales sont isolées, l'orientation de l'appareil est très importante, car l'appareil ne fonctionnera PAS si le vent ne souffle pas sur la face avant. Si un ventilateur électrique est disponible pour générer un flux d'air forcé dans une direction contrôlée, il est recommandé d'isoler les parois latérales. Si l'appareil doit utiliser le flux d'air naturel provenant du vent, l'utilisateur peut isoler les parois latérales mais doit maintenir l'appareil pour garantir une orientation correcte malgré les changements de vent.
4. Les boîtes ou le seau d'eau doivent être couverts pour éviter l'évaporation dans l'environnement ambiant.
5. Grâce au modèle, il a été constaté que les dimensions du refroidisseur n'affectent pas beaucoup les performances. Certaines hypothèses du modèle ne sont toutefois pas vraies dans le cas de grandes dimensions. En se basant uniquement sur la construction, il est plus facile de construire une glacière en forme de cube puisque tous les morceaux de bois peuvent être coupés à la même taille.

Analyse de coût

Une analyse économique simple a été réalisée (à l'aide de chiffres canadiens) pour déterminer le coût de l'appareil tout au long de sa durée de vie. Les coûts des matériaux sont indiqués ci-dessus dans Matériel requis .

Veuillez noter que les premiers coûts, la main d'œuvre et les tarifs dépendent fortement de l'emplacement.

Premiers coûts :

Coûts opérationnels:

• *Il s’agit d’une estimation prudente car la consommation d’eau dépend fortement du climat. Les travaux futurs pourront porter sur la modélisation de cette utilisation de l’eau en fonction du climat et de la géographie.

Le coût dépend fortement du coût de l'eau et de la main d'œuvre pour la région donnée. Des matériaux alternatifs et des coûts de main-d'œuvre inférieurs peuvent réduire considérablement le coût initial de l'appareil. De plus, le coût de l'eau dépend de la région et doit être calculé pour la région spécifique dans laquelle l'appareil doit être utilisé. Les « coûts opérationnels » ci-dessus ne sont qu’un exemple. Les coûts opérationnels indiqués n'incluent pas les coûts de main-d'œuvre liés aux déplacements pour collecter l'eau, qui peuvent être non négligeables dans certaines régions.

Documents supplémentaires

• Média :CC ConstructionInstructions.pdf - Version imprimable des instructions détaillées pour la construction de l'appareil
• Média :CC Science Model.pdf - Version imprimable des principes scientifiques, du développement et de l'analyse du modèle
• http://sketchup.google.com - Le logiciel est disponible en téléchargement

Les références

Données de page

Partie de	Mécan425
Mots clés	charcoal, evaporative cooling, food preservation, mesh, plastic, wood, engineering, air conditioning
SDG	SDG07 Affordable and clean energy
Authors	Lisa Crofoot
License	CC-BY-SA-3.0
Organizations	Queen's University
Language	English (en)
Translations	Korean
Related	1 subpages, 13 pages link here
Impact	33,607 page views
Created	April 6, 2010 by Lisa Crofoot
Modified	January 29, 2024 by Felipe Schenone
Cite as	Lisa Crofoot (2010–2024). "Charcoal Cooler". Appropedia. Retrieved February 7, 2024.
API queries	basic, semantic, html, files, more