CC charcol.JPG

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'un cadre en bois ouvert avec des côtés remplis de charbon de bois, qui est maintenu continuellement humide. Lorsque l'air chaud et sec s'écoule à travers le charbon de bois humide, l'eau s'évapore dans l'air et se refroidit. Les principes de base de la chaleur et du transfert de masse sous-tendent la fonction de la glacière au charbon de bois. Un modèle analytique simplifié a été développé dans Solveur d'équations d'ingénierie ( EES ) pour déterminer la fonctionnalité du refroidisseur à charbon pour une variété de conditions extérieures et de variables de conception. Il a été constaté que les dimensions du refroidisseur ont un impact minimal sur la température intérieure maintenue, mais les conditions ambiantes ont un impact significatif sur la fonctionnalité de l'appareil. Un prototype de refroidisseur a été construit pour développer des instructions de construction détaillées. Les travaux futurs sur ce projet comprendraient des tests du prototype pour la validation du modèle. Le modèle EES, le fichier CAO et les documents PDF imprimables sont disponibles en Documents supplémentaires.

Besoin de développement

Le refroidissement par évaporation peut être utilisé pour répondre à deux besoins principaux de développement: le refroidissement de l'espace (climatisation) et 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 pour ralentir la croissance des bactéries et prolonger la durée de conservation. Les réfrigérateurs typiques sont conservés autour de 2-3 degrés Celcius et peuvent prolonger la durée de conservation des produits de quelques 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 dureront que 2 jours sous le soleil brûlant.[ 2 ] La préservation des cultures par réfrigération peut aider à la faim et à la famine dans le monde en développement en gardant les aliments frais plus longtemps. Dans les zones sans électricité, la réfrigération est particulièrement difficile et a conduit à la conception d'une variété d'appareils de réfrigération à chaleur, y compris refroidisseurs évaporatifs. Bien que ces appareils ne soient généralement pas capables de maintenir des températures de 2 à 3 degrés Celsius, ils peuvent être nettement plus frais que la température ambiante, et même des gouttes modérées peuvent prolonger considérablement la durée de conservation des produits. Par exemple, lorsqu'il est logé à l'aide d'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 a un avantage supplémentaire à augmenter la teneur en humidité de l'air, à empêcher les aliments de sécher et à prolonger la durée de conservation.[ 3 ]

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

Limitations climatiques

Comme indiqué ci-dessous dans les principes d'ingénierie, le potentiel de refroidissement par évaporation dépend de la différence de température du bulbe humide et du bulbe sec de l'air. L'air humide a une humidité relative élevée et pas autant de capacité à évaporer l'humidité. À mesure que l'humidité relative de l'air augmente, les performances du système diminueront, limitant 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 est efficace, la température du bulbe humide peut être mesurée en plaçant un chiffon humide à l'extrémité d'un thermomètre et en l'agitant dans l'air.[ 3 ] La température lue par le thermomètre est la température minimale théorique qui peut être atteinte par refroidissement par évaporation.

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

Principes scientifiques

Le refroidissement par évaporation est basé sur le principe que l'eau nécessite de l'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. La chaleur retirée d'un espace due à l'évaporation de l'eau est donnée par l'équation 1.

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

Q est la chaleur éliminée en kW, me˙{\displaystyle {\dot {m_{e}}}}{ \ displaystyle { \ dot { m_ { e } } } } est le taux d'évaporation de l'eau en kg / s et he est la chaleur latente d'évaporation pour l'eau ( ~ 2270kJ / kg ).[ 5 ] La capacité de refroidissement est donc approximativement proportionnelle au taux d'évaporation de l'eau, qui dépend:

  • Température ambiante
  • Humidité ambiante
  • Surface
  • 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 changement d'eau d'un liquide à un gaz, nécessite de la chaleur du milieu environnant. Les propriétés psychrométriques de l'air humide, ainsi que les principes de la chaleur et du transfert de masse s'appliquent à l'évaporation de l'eau pour le refroidissement. Comprendre les propriétés de l'air humide est essentiel pour comprendre comment fonctionne le refroidissement par évaporation.

L'air humide est de l'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=Pun+Pv{\displaystyle P=P_{a}+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 Pv est égal à la pression de saturation Pv, max d'eau à la température de l'air. Étant donné que 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 se réfère à la quantité d'humidité dans l'air et peut être exprimée de deux manières. L'humidité relative, équation 3, est le rapport de l'humidité de l'air à l'humidité dans l'air saturé à la même température.

RH=PvPv,munx{\displaystyle RH={\frac {P_{v}}{P_{v,max}}}}{ \ 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 de la masse d'eau à la masse d'air sec et est donnée par l'équation 4.

ω=mvmun=0,622PvPPv{\displaystyle \omega ={\frac {m_{v}}{m_{a}}}=0.622{\frac {P_{v}}{P-P_{v}}}}{ \ displaystyle \ omega = { \ frac { m_ { } } m_ { a { } } } 0,622 = <( 4 )

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

La force motrice derrière l'évaporation de l'air est la différence de pressions de vapeur entre l'air et l'eau. L'air à une température plus élevée et une humidité relative plus faible peuvent évaporer plus d'humidité que l'air frais ou humide. Le potentiel d'évaporation est proportionnel à la différence de température 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 à l'extrémité d'un thermomètre et en permettant à l'air de passer dessus tout en lisant la température. L'humidité relative et l'humidité absolue peuvent alors être déterminées à partir d'un graphique psychométrique.

Évaporation

L'évaporation est le changement d'état entre un liquide et un gaz. Pour l'eau et l'air, l'évaporation implique de vaporiser de l'eau liquide dans un courant d'air humide. Aux fins du modèle Charcol Cooler, deux cas de transfert de masse simplifiés ont été conscrits: l'évaporation 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 me en kg / h.[ 6 ]

me˙=A(25+19Vwjend)(ωsuntω){\displaystyle {\dot {m_{e}}}=A(25+19V_{wind})(\omega _{sat}-\omega )}{ \ displaystyle { \ dot { m_ { e } } } A = 25 ( 19V_ + wind { } <TAG1( 5 )

ωsunt{\displaystyle \omega _{sat}}{ \ displaystyle \ omega _ { sat } }est l'humidité absolue de saturation à la température ambiante et ω{\displaystyle \omega }{ \ displaystyle \ omega }est l'humidité absolue réelle. A est la surface de l'eau.

Évaporation par un moyen de transfert

De nombreuses unités de refroidissement par évaporation passent l'air à travers un tampon poreux trempé qui est maintenu reconstitué avec de l'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=T1T2T1Twetbulb,1{\displaystyle eff={\frac {T_{1}-T_{2}}{T_{1}-T_{wetbulb,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 milieux 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)=(ω2ω1)hf+(hun1+ω1hw1){\displaystyle (h_{a2}+\omega _{2}h_{w2})=(\omega _{2}-\omega _{1})h_{f}+(h_{a1}+\omega _{1}h_{w1})}{ \ displaystyle ( h_ { a2 } + { 2 } h_ { w2 } ) = ( \ omega _ { <( 7 )

hun est l'enthalpie d'air sec, hw est l'enthalpie de vapeur d'eau et hf est l'enthalpie de liquide saturé à la température de l'eau dans le tampon. Le taux d'évaporation peut alors être déterminé à partir de l'équation 8.

me˙=munjer˙(ω2ω1){\displaystyle {\dot {m_{e}}}={\dot {m_{air}}}(\omega _{2}-\omega _{1})}{ \ displaystyle { \ dot { m_ { e } } } = \ dot { m_ { air { } } <TAG1( 8 )

munjer˙{\displaystyle {\dot {m_{air}}}}{ \ displaystyle { \ dot { m_ { air } } } }est le débit massique de l'air voyageant à travers le coussin 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˙=kAt(ΔT){\displaystyle {\dot {Q}}={\frac {kA}{t}}(\Delta T)}{ \ displaystyle { \ dot { Q } } = { \ frac { kA } { t } } \ Delta T (( 9 )

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

h est le coefficient de convection, A est la zone, T est la température de l'objet solide et T{\displaystyle T_{\infty }}{ \ 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. Il peut être déterminé expérimentalement ou à partir de corrélations dérivées.

Construction de l'appareil

Un prototype de refroidisseur à charbon a été construit. Les matériaux utilisés et les instructions de construction détaillées sont ci-dessous. Le prototype de refroidisseur à charbon était de 1 pi x 1 pi x 1 pi mais les instructions doivent s'appliquer quelle que soit la taille de l'appareil. L'un des avantages de cet appareil est qu'il est versitile et peut être fabriqué à partir de nombreux matériaux disponibles, par conséquent, des substitutions sont suggérées.

Un PDF imprimable comprenant des matériaux, des détails de construction et des instructions de fonctionnement pour la glacière est inclus dans Ressources supplémentaires.

Matériaux requis

MatérielImageAlternatifCoût approximatif ( $ CA )
Bois
12 pi de bois 1 cm x 2 cm
Bois CC.JPG
Le bois d'une autre taille est utilisable. Le bambou ou tout autre matériau structurel fonctionnera également.$ 2/3 pieds ( $ 8 au total )
Fil de poulet en maille
Environ 10 pi2 est requis
Câble de poulet CC.JPG
$ 8 / roll
Tissu
Tissu ou toile de jute: environ 12 pi2 est requis
Tissus CC.JPG
Un autre matériau de tissu absorbant peut être utilisé.$ 1 / 12sq.ft
Clous
Clous de finition et de menuiserie
Clous CC.JPG
Les vis peuvent être utilisées à la place des clous de menuiserie. Si disponible, un pistolet de base et des agrafes pour remplacer les clous de finition faciliteraient considérablement la construction. La ficelle ou la corde peut être utilisée pour attacher le cadre ensemble si nécessaire.$ 2 / paquet
Charbon de bois
Environ 4 kg
CC charcol.JPG
Un autre matériau absorbant suffira tant qu'il permet la circulation de l'air, peut contenir une quantité importante d'humidité et peut être contenu dans le cadre du refroidisseur.[ 3 ]$ 10 / paquet
2 charnières
Charnières CC.JPG
$ 3 / paquet
Panneau solide
1 morceau, environ 1 pi x 1 pi ( dimensions de la base du refroidisseur )
CC board.JPG
Le bambou ou les roseaux tissés peuvent être utilisés pour remplacer la planche.$ 1
Tuyau en plastique
Environ 10 pieds 1 / 2-1 pouces de diamètre
Tubes CC.JPG
Alternativement, les boîtes peuvent être placées sur le dessus du refroidisseur 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 "D )
Liens
Environ 8 dispositifs de fixation en plastique
CC ziptie.JPG
La ficelle ou la ficelle est une bonne alternative pour les liens.$ 2 / paquet
Un seau
N'importe quelle taille
CC seau.JPG
Tout appareil pouvant contenir de l'eau peut être utilisé. Si des boîtes sont utilisées à la place du tuyau, le godet n'est pas nécessaire.$ 5
Outils
Un marteau, une scie et des ciseaux ou des coupe-fil sont nécessaires
Outils CC2.JPG
Un tournevis peut être utilisé si les vis remplacent les clous. Un pistolet de base aiderait à la construction. Si la ficelle est utilisée pour attacher le cadre ensemble, un marteau n'est pas requis.


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

1
CC step1 schem.JPG

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

2
Cadre U-1
CC step2 pic.JPG
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
Cadre U-2
CC step3 pic.JPG
Créez 2 autres cadres en forme de U ( U-2 ). La partie épaisse du bois doit toujours avoir l'épaisseur, mais cette fois, fixez-la comme le montrent les flèches de l'image.
4
CC step4 schem.JPG

Coupez le tissu de jute et le fil de poulet pour s'adapter aux quatre cadres créés. Cela devrait correspondre à des morceaux d'environ 1 pi x 1 pi. 8 morceaux de tissu de jute et 9 morceaux de fil de poulet sont nécessaires.

5
Appliquer sur TOUS les cadres
CC step5 pic.JPG
Attachez le chiffon 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 au besoin. Un pistolet de base et des agrafes pourraient également être utilisés pour la fixation.
6
Appliquer sur TOUS les cadres
CC step6 pic.JPG
Attachez le fil de poulet sur le dessus du tissu 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 fil de maille car les bords sont tranchants.
7
Appliquer UNIQUEMENT sur les images U-1
CC step7 pic.JPG
Sur chacune des images U-1, fixez à la fois le jute et le fil de finition de l'autre côté.

Maintenant, il devrait y avoir:

8
CC step8 schem.JPG
CC step8 pic.JPG
Clouez le cadre U-2 sur le cadre U-1 pour former une forme L tridimensionnelle. Les emplacements des ongles sont indiqués par les flèches.
9
CC step9 schem.JPG
CC step9 pic.JPG
Clouez l'autre cadre U-2 sur le cadre U-1 pour former une forme en U tridimensionnelle.
dix
CC step10 schem.JPG
CC step10 pic.JPG
Mesurez la planche pour qu'elle s'adapte au fond de la glacière. Coupez la planche à la longueur appropriée. Clouez la planche sur le fond.
11
CC step11 schem.JPG

Attachez le tissu de jute et le fil de poulet sur les deux côtés restants à l'extérieur de la glacière.

12
CC step12 schem.JPG
CC step12 pic.JPG
Fixez trois clous sur chacun des bords du cadre, pointant en diagonale vers le milieu de la glacière.
13
CC step13 schem.JPG
CC step13pic2.JPG
CC step13 pic.JPG
À l'aide d'un morceau de fil de poulet, formez une étagère au milieu de la boîte. Cela se fait en tissant le maillage sur les ongles saillants. Testez l'étagère en y mettant une pression pour voir si elle pourra contenir de la nourriture. En remplacement, une planche peut être utilisée pour former l'étagère ou des anches tissées / bambous, mais un matériau non solide sera plus efficace.
14
CC step14 schem.JPG

Fixez les charnières à la face ouverte de la glacière.

15
CC step15 schem.JPG
CC step15 pic.JPG
Fixez le cadre U-1 restant aux charnières pour former une porte pour la glacière. Si la porte ne se ferme pas, un verrou peut être installé pour la maintenir fermée si nécessaire.
16
CC step16 schem.JPG
CC step16 pic.JPG
Remplissez les cavités formées par le tissu de jute et le fil de poulet de charbon de bois. Le charbon de bois doit être dispersé uniformément dans toute la cavité. Le charbon de bois doit être en morceaux d'environ 0,5 cm de diamètre.[ 3 ] Le fil de maille doit être suffisamment solide pour maintenir le charbon de bois en place et empêcher les cavités de se gonfler.
17
CC step17 pic.JPG

Attachez le bout du tuyau. Versez de l'eau dans le tuyau pour vous assurer que la cravate est suffisante pour bloquer l'extrémité du tuyau. Si l'attache n'est pas suffisante, un bouchon doit être utilisé pour empêcher l'eau de s'écouler à travers le tuyau. Si le tuyau n'est pas disponible et que des boîtes sont utilisées, les boîtes peuvent être fixées au sommet du cadre, avec des trous fourrés par des clous sur 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
CC step18 schem.JPG
CC step18 pic.JPG
À partir de l'ouverture de la porte, posez le tuyau sur les côtés ouverts de la boîte. Attachez le tuyau en place en utilisant les attaches pour fixer le tuyau au fil de maille. Assurez-vous que les trous pointent vers le bas dans les cavités remplies de charbon de bois.
19
CC step19 pic.JPG
L'appareil devrait maintenant ressembler à ceci.
Poke trous le long d'environ 4 'du tuyau. Les trous doivent être espacés d'environ 0,5 à 1 cm et peuvent être réalisés à l'aide d'un clou. La taille et l'espacement des trous prennent un peu d'expérimentation et dépendent du taux d'évaporation pour le climat donné. Le charbon de bois doit être maintenu continuellement humide, mais ne doit pas être si humide qu'il dégouline au fond de la glacière. Le débit d'eau par les trous doit donc être égal au taux d'évaporation. Si les trous faits 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
CC step20 schem.JPG

Placer le tissu ou les réides tissées sur le dessus de la boîte et le fixer en place.

21
CC step20 pic.JPG

Fixez l'extrémité libre du tuyau à la base d'un seau surélevé. Lorsque le seau est rempli d'eau, l'eau s'écoule dans les cavités, en mositant le charbon de bois et le tissu en 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. La circulation d'air artificiel avec un ventilateur peut également être utilisée. Cependant, très peu d'entretien est nécessaire lors de la première construction, le refroidisseur doit être surveillé pour assurer un humidification efficace du charbon de bois.

Développement de modèles

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

CharcolCooler schem.JPG


Figure 3: Schéma du modèle de refroidisseur de charbon de bois

Les hypothèses suivantes ont été faites pour l'analyse:

  • Les conditions sont à l'état d'équilibre
  • La glacière sera placée dans une région ombragée et les effets de 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 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 en permanence humide ( débit d'eau = taux d'évaporation )
Vue du diagramme de modèle EES

Le transfert de chaleur de chaque côté de la glacière a été considéré individuellement et est expliqué ci-dessous.

Le modèle est disponible en téléchargement dans Documents supplémentaires. La vue du diagramme du modèle permet à l'utilisateur d'entrer des conditions ambiantes ( T, RH, Wind Speed ), une efficacité évaporative et des dimensions plus froides et produit les conditions intérieures et les taux de transfert de chaleur.

Côté 1

La face avant du refroidisseur peut être modélisée lorsque l'air s'écoule à travers un tampon humide. La figure 2 ci-dessus est donc un schéma du flux d'air à l'avant du refroidisseur. Les équations répertoriées dans Évaporation par un moyen de transfert appliquer. Le transfert de chaleur Q1˙{\displaystyle {\dot {Q_{1}}}}{ \ displaystyle { \ dot { Q_ { 1 } } } } est égal au taux d'évaporation multiplié par l'enthalpie de vaporisation. La température interne au refroidisseur Tint est calculé 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.

Côtés 2 et 3

Les côtés 2 et 3 du refroidisseur ont le même taux de transfert de chaleur, mais contrairement à la face 1, le taux de transfert de chaleur dépend de plus que le taux d'évaporation. La figure 4 montre un schéma de la paroi latérale vue du haut.

CC SideWall.JPG
Figure 4: Mur 2 et 3 Schéma ( vu de dessus )

Comme le montre la figure, il y a convection sur la surface, ainsi que perte de chaleur évaporative de l'intérieur du mur. On a supposé que l'évaporation ne se produit que sur les surfaces intérieure et extérieure du mur, et qu'elle pourrait être modélisée à l'aide de l'équation 5, la corrélation pour l'évaporation de la surface libre.

Les coefficients de convection ont été calculés en utilisant la corrélation empirique pour la convection forcée sur une plaque plate avec un flux de chaleur constant, comme indiqué par l'équation 11.[ 8 ]

hbk=Nu=0,0308Re4/5Pr1/3{\displaystyle {\frac {hb}{k}}=Nu=0.0308Re^{4/5}Pr^{1/3}}{ \ displaystyle { \ frac { hb } { k } } = Nu = 0,0308Re ^ { 4/5 } 1/3 {( 11 )

Nu est le numéro NusseltW, Re est le numéro de ReynoldW, et Pr est le numéro PrandtlW.

En appliquant les hypothèses énoncées, le mur a été modélisé à l'aide d'un réseau de résistance thermique, comme indiqué ci-dessous dans la figure 5.

Résistance CC.JPG
Figure 5: Réseau de résistance thermique pour les modèles des côtés 2 et 3

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

Côté 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 entraînerait la sortie 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 était supposé négligeable et n'était pas pris en compte dans le modèle. La conception de ce visage arrière est discutée plus en détail dans les recommandations de conception.

Analyse de modèle

Utilisation du modèle analytique décrit dans Développement de modèles, 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}}}{ \ displaystyle { \ dot { Q } } }) pour les côtés 1, 2 et 3 a été calculé et est illustré à la figure 6 en fonction de la température ambiante ( T1 ).

CC fig6.JPG
Figure 6: Chaleur retirée pour chaque côté du refroidisseur avec une humidité ambiante de 20% et 75% d'efficacité évaporative et une vitesse du vent de 2 m / s.

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

La figure 6 montre également que la chaleur retirée 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 la chambre a été examinée en fonction des conditions ambiantes ( température et humidité ). La figure 7 montre l'intrigue.

CC fig7.JPG
Figure 7: Conditions plus froides et conditions ambiantes pour un débit d'air modéré ( 2 m / s ).

La température intérieure et refroidie est donc beaucoup plus basse pour les 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. À une 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 évaporative 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.

CC fig8.JPG
Figure 8: Efficacité évaporative et température intérieure en fonction de la température ambiante.

Une efficacité évaporative 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 milieu anthracite.

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

CC fig9.JPG
Figure 9: Taux d'évaporation à travers la face avant du refroidisseur.
CC fig10 2.JPG
Figure 10: Taux d'évaporation sur les côtés du refroidisseur.

D'après les chiffres, il est évident que l'évaporation à travers la face avant de la boîte est nettement plus élevée que les faces restantes. Cette observation concerne la conception de l'appareil car l'eau doit s'écouler dans les côtés du charbon de bois aussi rapidement qu'elle s'évapore. Par conséquent, le débit d'eau dans la face avant de l'appareil doit être nettement supérieur aux côtés restants. 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 tubes ou boîtes utilisés. Le débit doit être égal au taux d'évaporation pour garantir que l'eau ne fuit pas du refroidisseur et que le charbon ne sèche pas. Il est recommandé de faire les trous dans la tubulure à l'avant de l'appareil plus grands et plus rapprochés que les deux autres côtés.
  2. Selon la disponibilité du charbon de bois, la face arrière du refroidisseur ne nécessite pas le milieu anthracite car l'évaporation de ce visage ne contribue pas à l'effet de refroidissement. Il peut cependant être utile d'inclure le charbon de bois de 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 l'utilisation d'eau requise. L'utilisation d'un matériau isolant disponible à l'intérieur du cadre 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 n'est pas incident 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 du vent, l'utilisateur peut isoler les parois latérales mais doit maintenir l'appareil pour assurer une orientation appropriée malgré l'évolution des vents.
  4. Les boîtes ou le seau d'eau doivent être recouverts pour éviter l'évaporation dans l'environnement ambiant.
  5. Il a été constaté à travers le modèle que les dimensions de la glacière n'affectent pas grandement les performances. Cependant, certaines des hypothèses du modèle ne sont pas valables avec de grandes dimensions. Basé uniquement sur la construction, il est plus facile de construire une glacière en forme de cube car tous les morceaux de bois peuvent être coupés à la même taille.

Analyse des coûts

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

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

Premiers coûts:

ArticleCoût par unitéNon. UnitésCoût total
Matériaux
$ 48,00
Travail$ 9,50 / heure[ 10 ]3$ 28,50
Total$ 76,50

Coûts opérationnels:

ArticleCoût par unitéNon. UnitésCoût total
Eau0,86 / 1000L[ 11 ]100L / jour*$ 0,086 / jour
  • *Il s'agit d'une estimation prudente car l'utilisation de l'eau dépend fortement du climat. Les travaux futurs peuvent 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 premier coût de l'appareil. De plus, le coût de l'eau dépend de la région et doit être calculé pour la région spécifique où 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 des voyages pour collecter l'eau, qui peuvent être non triviaux dans certaines régions.

Documents supplémentaires

Références

  1. "Fruits et légumes: conditions de stockage optimales." Boîte à outils d'ingénierie 2005. Consulté en ligne: 8 avril 2010. Disponible <http://www.engineeringtoolbox.com/fruits-vegetables-storage-conditions-d_710.html>
  2. Sautez vers: 2.0 2.1 "Comment un frigo en pot plus zéré fait durer la nourriture plus longtemps." Action pratique 2009. Consulté en ligne le 8 avril 2010. Disponible: <http://practicalaction.org/?id=zeerpots>
  3. Sautez vers: 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3,5 3.6 Rusten, Eric. "Comprendre le refroidissement évaporatif." VITA 1985. Consulté en ligne: 8 avril 2010. Disponible: <http://www.fastonline.org/CD3WD_40/VITA/EVAPCOOL/EN/EVAPCOOL.HTM>
  4. Moran, M. J., Shapiro, H. N. Fondamentaux de la thermodynamique de l'ingénierie. Ed. 6. John Wiley & Sons Inc. États-Unis: 2008. P. 686.
  5. Moran, M. J., Shapiro, H. N. Fondamentaux de la thermodynamique de l'ingénierie. Ed. 6. John Wiley & Sons Inc. États-Unis: 2008. P. 817.
  6. "Evaporation des surfaces d'eau." Boîte à outils d'ingénierie 2005. Consulté en ligne: 8 avril 2010. Disponible <http://www.engineeringtoolbox.com/evaporation-water-surface-d_690.html>
  7. "Bases de refroidissement évaporatives." Western Environmental Services Corporation: 2009. Consulté en ligne: 8 avril 2010. Disponible: <http://web.archive.org/web/20171019165521/http://www.wescorhvac.com:80/Evaporative%20cooling%20white%20paper.htm>
  8. Incropera, F. P., DeWitt, D. P. Fondamentaux du transfert de chaleur et de masse. Ed. 6. John Wiley & Sons Inc. États-Unis: 2007. P. 413.
  9. Incropera, F. P., DeWitt, D. P. Fondamentaux de la chaleur et du transfert de masse. Ed. 6. John Wiley & Sons Inc. États-Unis: 2007. P. 940.
  10. "«L'augmentation du salaire minimum en Ontario»." Gouvernement de l'Ontario 2010. Consulté en ligne: 10 avril 2010. Disponible: <http://web.archive.org/web/20140108012445/http://www.labour.gov.on.ca:80/info/minimumwage/>
  11. "Rapport municipal sur la tarification de l'eau." Water.org 2008. Consulté en ligne le 10 avril 2010. Disponible: <http://www.priceofwater.com/municipal-summary.html>

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