Een houtskoolkoeler maakt gebruik van het principe van verdampingskoeling om een koele binnentemperatuur te behouden voor koeling en voedselconservering. Het apparaat is opgebouwd uit een open houten frame met met houtskool gevulde zijkanten, dat voortdurend vochtig wordt gehouden. Terwijl warme, droge lucht door de vochtige houtskool stroomt, wordt water in de lucht verdampt en gekoeld. De basisprincipes van warmte- en massaoverdracht liggen ten grondslag aan de functie van de houtskoolkoeler. In Engineering Equation Solver (EES) is een vereenvoudigd analytisch model ontwikkeld om de functionaliteit van de houtskoolkoeler voor een verscheidenheid aan buitenomstandigheden en ontwerpvariabelen te bepalen. Het bleek dat de afmetingen van de koeler een minimale invloed hebben op de gehandhaafde binnentemperatuur, maar dat de omgevingsomstandigheden de functionaliteit van het apparaat aanzienlijk beïnvloeden. Er werd een prototypekoeler gebouwd om gedetailleerde constructie-instructies te ontwikkelen. Toekomstig werk aan dit project zou het testen van het prototype voor modelvalidatie omvatten. Het EES-model, het CAD-bestand en de afdrukbare PDF-documenten zijn beschikbaar in Aanvullende documenten .
Inhoud
Ontwikkelingsbehoefte
Verdampingskoeling kan worden gebruikt om tegemoet te komen aan twee belangrijke ontwikkelingsbehoeften: ruimtekoeling ( airconditioning ) en koeling . De houtskoolkoeler komt tegemoet aan de behoefte aan koeling in gebieden waar geen elektriciteit beschikbaar is.
Het koelen van voedsel is een methode om de groei van bacteriën te vertragen en de houdbaarheid te verlengen. Typische koelkasten worden rond de 2-3 graden Celsius gehouden en kunnen de houdbaarheid van producten met weken verlengen. [1]
In warme klimaten waar elektriciteit niet beschikbaar is, is koeling van voedsel een ontwikkelingsbehoefte. In Soedan blijven tomaten bijvoorbeeld maar twee dagen goed in de hete zon. [2] Het conserveren van gewassen door middel van koeling kan honger en hongersnood in de ontwikkelingslanden helpen bestrijden door voedsel langer vers te houden. In gebieden zonder elektriciteit is koeling bijzonder uitdagend, en dit heeft geleid tot het ontwerp van een verscheidenheid aan warmtegedreven koelapparaten, waaronder verdampingskoelers . Hoewel deze apparaten doorgaans niet in staat zijn temperaturen van 2-3 graden Celsius te handhaven, kunnen ze aanzienlijk koeler zijn dan de omgevingstemperatuur, en zelfs gematigde druppels kunnen de houdbaarheid van producten aanzienlijk verlengen. Als tomaten bijvoorbeeld worden gehuisvest met een soortgelijk verdampingskoelapparaat, kan de levensduur van tomaten worden verlengd van 2 naar 20 dagen. [2] Verdampingskoeling heeft als bijkomend voordeel dat het het vochtgehalte in de lucht verhoogt, waardoor voedsel niet uitdroogt en de houdbaarheid verder wordt verlengd. [3]
Koeling is ook belangrijk voor de opslag van vaccins en medicijnen , maar de vereiste temperatuurdaling en temperatuurbeheersing maken verdampingskoeling ongeschikt voor deze toepassing.
Klimaatbeperkingen
Zoals hieronder verder wordt besproken in technische principes, hangt het potentieel voor verdampingskoeling af van het verschil in nattebol- en drogeboltemperaturen van de lucht. Vochtige lucht heeft een hoge relatieve luchtvochtigheid en heeft niet zoveel vermogen om vocht te verdampen. Naarmate de relatieve luchtvochtigheid toeneemt, zullen de prestaties van het systeem afnemen, waardoor de toepassing ervan in vochtige klimaten wordt beperkt. Verdampingskoeling is het meest effectief in klimaten waar de relatieve vochtigheid minder dan 30% bedraagt. [4] Naarmate de luchtvochtigheid toeneemt, neemt het koelvermogen af en neemt het temperatuurverschil tussen de buiten- en binnenkant van de kamer af. Om te testen of verdampingskoeling effectief zal zijn, kan de natteboltemperatuur worden gemeten door een vochtige doek op het uiteinde van een thermometer te plaatsen en deze door de lucht te zwaaien. [3] De door de thermometer afgelezen temperatuur is de theoretische minimumtemperatuur die kan worden bereikt door verdampingskoeling.
Bovendien moet verdampingskoeling worden gebruikt in gebieden waar water beschikbaar is. Afhankelijk van de omstandigheden en de koelere afmetingen kan het apparaat 20-70 liter water per dag gebruiken als het effectief werkt.
Wetenschappelijke principes
Verdampingskoeling is gebaseerd op het principe dat water warmte-energie nodig heeft om te verdampen. In warme, relatief droge klimaten kan de verdamping van water in hete, droge lucht een koerend effect creëren, geschikt voor ruimteconditionering of koeling. De warmte die uit een ruimte wordt verwijderd als gevolg van de verdamping van water, wordt gegeven door vergelijking 1.
Q˙=Me˙He{\displaystyle {\punt {Q}}={\punt {m_{e}}}h_{e}}
Q is de afgevoerde warmte in kW,Me˙{\displaystyle {\punt {m_{e}}}}
- Omgevingstemperatuur
- Luchtvochtigheid
- Oppervlakte
- Verdampingsmedia
- Luchtbeweging (natuurlijk of kunstmatig)
Om de koeleffecten te maximaliseren, moeten deze variabelen voor een bepaalde toepassing worden geoptimaliseerd.
Psychrometrie
Verdamping, het proces waarbij water van een vloeistof in een gas verandert, vereist warmte uit de omgeving. Psychrometrische eigenschappen van vochtige lucht, evenals de principes van warmte- en massaoverdracht, zijn van toepassing op de verdamping van water voor koeling. Het begrijpen van de eigenschappen van vochtige lucht is essentieel om te begrijpen hoe verdampingskoeling werkt.
Vochtige lucht is lucht bestaande uit waterdamp en droge lucht. De totale druk van de lucht is de som van de partiële drukken van de waterdamp en de droge lucht, zoals weergegeven in vergelijking 2.
P=PA+Pv{\displaystyle P=P_{a}+P_{v}}
Verzadigde lucht is een mengsel van droge lucht en verzadigde waterdamp. Wanneer lucht verzadigd is, is de dampdruk Pv gelijk aan de verzadigingsdruk Pv ,max van water bij de temperatuur van de lucht. Omdat de verzadigingsdruk toeneemt met de temperatuur, heeft lucht met een hogere temperatuur het vermogen om meer vocht vast te houden.
Vochtigheid verwijst naar de hoeveelheid vocht in de lucht en kan op twee manieren worden uitgedrukt. De relatieve vochtigheid, vergelijking 3, is de verhouding tussen vocht in de lucht en vocht in verzadigde lucht bij dezelfde temperatuur.
RH=PvPv,MAX{\displaystyle RH={\frac {P_{v}}{P_{v,max}}}}
De relatieve vochtigheid is daarom een functie van zowel de temperatuur als het vochtgehalte.
Absolute vochtigheid is de verhouding tussen de massa water en de massa droge lucht, en wordt gegeven door vergelijking 4.
ω=MvMA=0,622PvP−Pv{\displaystyle \omega ={\frac {m_{v}}{m_{a}}}=0.622{\frac {P_{v}}{P-P_{v}}}}
De absolute vochtigheid is daarom alleen een functie van het vochtgehalte.
De drijvende kracht achter de verdamping van lucht is het verschil in dampspanning tussen lucht en water. Lucht met een hogere temperatuur en een lagere relatieve luchtvochtigheid kan meer vocht verdampen dan koele of vochtige lucht. De kans op verdamping is evenredig met het verschil in drogebol- en natteboltemperatuur. De drogeboltemperatuur meet de temperatuur van de luchtstroom, terwijl de natteboltemperatuur representatief is voor zowel de temperatuur als de vochtigheid. De natteboltemperatuur kan worden gemeten door een vochtige doek op het uiteinde van een thermometer te plaatsen en er lucht overheen te laten stromen terwijl de temperatuur wordt afgelezen. De relatieve vochtigheid en de absolute vochtigheid kunnen vervolgens worden bepaald aan de hand van een psychometrische kaart .
Verdamping
Verdamping is de toestandsverandering tussen een vloeistof en een gas. Voor water en lucht houdt verdamping in dat vloeibaar water verdampt in een vochtige luchtstroom. Voor het Charcol Cooler-model zijn twee vereenvoudigde gevallen van massaoverdracht overwogen: verdamping vanaf een oppervlak en verdamping via een overdrachtsmedium.
Verdamping van een oppervlak
Een eenvoudige empirische correlatie kan worden gebruikt om de verdampingssnelheid van water van een oppervlak te schatten. Figuur 1 toont een schema.
Figuur 1: Schema voor vergelijking 5Vergelijking 5 geeft de empirische correlatie voor de verdampingssnelheid me in kg/uur. [6]
Me˙=A(25+19VwiND)(ωSAT−ω){\displaystyle {\dot {m_{e}}}=A(25+19V_{wind})(\omega _{sat}-\omega )}
ωSAT{\displaystyle \omega _{sat}}
Verdamping via een overdrachtsmedium
Veel verdampingskoelunits laten lucht door een poreus, doordrenkt kussen stromen dat voortdurend wordt bijgevuld met water. Figuur 2 toont een schema.
Figuur 2: Schema voor vergelijkingen 6, 7 en 8De verdampingsefficiëntie van het medium wordt gegeven door vergelijking 6. [7]
eFF=T1−T2T1−TweTBulB,1{\displaystyle eff={\frac {T_{1}-T_{2}}{T_{1}-T_{wetbulb,1}}}}
Het moet mogelijk zijn om een efficiëntie van 60-90% te bereiken; efficiëntiewaarden voor specifieke media kunnen echter experimenteel worden bepaald. [3] Een energiebalans van de luchtstroom geeft de verdampingssnelheid weer, uitgedrukt in vergelijking 7.
(HA2+ω2Hw2)=(ω2−ω1)HF+(HA1+ω1Hw1){\displaystyle (h_{a2}+\omega _{2}h_{w2})=(\omega _{2}-\omega _{1})h_{f}+(h_{a1}+\omega _{1}h_{w1})}
ha is de enthalpie van droge lucht, h w is de enthalpie van waterdamp en h f is de enthalpie van verzadigde vloeistof bij de temperatuur van het water in het kussen. De verdampingssnelheid kan vervolgens worden bepaald uit vergelijking 8.
Me˙=MAiR˙(ω2−ω1){\displaystyle {\dot {m_{e}}}={\dot {m_{air}}}(\omega _{2}-\omega _{1})}
MAiR˙{\displaystyle {\dot {m_{air}}}}
Fundamentele warmteoverdracht
Warmte wordt overgedragen via geleiding, convectie en straling. Vaak kunnen de effecten van straling worden genegeerd, omdat ze klein zijn in vergelijking met andere vormen van warmteoverdracht. Geleiding vindt plaats door een vast oppervlak en wordt gegeven door vergelijking 9.
Q˙=kAT(ΔT){\displaystyle {\dot {Q}}={\frac {kA}{t}}(\Delta T)}
Q˙{\displaystyle {\dot {Q}}}
Convectie vindt plaats wanneer een vloeistof over een vast voorwerp stroomt en wordt gegeven door vergelijking 10.
Q˙=HA(T−T∞){\displaystyle {\dot {Q}}=hA(T-T_{\infty })}
h is de convectiecoëfficiënt, A is de oppervlakte, T is de temperatuur van het vaste object enT∞{\displaystyle T_{\infty }}
Apparaatconstructie
Er werd een prototype houtskoolkoeler gebouwd. De gebruikte materialen en gedetailleerde bouwinstructies vindt u hieronder. Het prototype van de houtskoolkoeler was 1ft x 1ft x 1ft, maar de instructies moeten van toepassing zijn, ongeacht de grootte van het apparaat. Een van de voordelen van dit apparaat is dat het veelzijdig is en uit veel beschikbare materialen kan worden gemaakt. Daarom worden vervangingen voorgesteld.
Een afdrukbare PDF met materialen, constructiedetails en bedieningsinstructies voor de koeler is opgenomen in Aanvullende bronnen .
Benodigde materialen
| Materiaal | Afbeelding | Afwisselend | Geschatte kosten ($ CA) |
|---|---|---|---|
| Hout 12 ft van 1 cm x 2 cm hout |  | Hout van een ander formaat is bruikbaar. Bamboe of een ander structureel materiaal zal ook werken. | $2/3ft ($8 totaal) |
| Gaaskippengaas Ongeveer 10 vierkante meter is vereist |  | $ 8/rol | |
| Doek Jutedoek of canvas: ongeveer 12 vierkante meter is vereist |  | Er kan een ander absorberend doekmateriaal worden gebruikt. | $ 1/12 vierkante meter |
| Nagels Afwerkings- en timmernagels |  | Schroeven kunnen worden gebruikt in plaats van timmerspijkers. Indien beschikbaar zouden een nietpistool en nietjes ter vervanging van de afwerkspijkers de constructie aanzienlijk eenvoudiger maken. Indien nodig kan touw of touw worden gebruikt om het frame aan elkaar vast te sjorren. | $ 2/pakket |
| Houtskool Ongeveer 4kg | | Een ander absorberend materiaal is voldoende, zolang het maar luchtcirculatie mogelijk maakt, een aanzienlijke hoeveelheid vocht kan vasthouden en binnen het frame van de koeler kan worden geplaatst. [3] | $ 10/pakket |
| 2 Scharnieren |  | $ 3/pakket | |
| Massief karton 1 stuk, ongeveer 1ft x 1ft (afmetingen van de basis van de koeler) |  | Geweven bamboe of riet kan worden gebruikt om het bord te vervangen. | $ 1 |
| Plastic slang Ongeveer 10ft 1/2-1 inch in diameter |  | Als alternatief kunnen blikken bovenop de koeler worden geplaatst als er geen slang beschikbaar is. Deze wijziging wordt verder besproken in de bouwinstructies. | $ 7,60/10ft (5/8" D) |
| Stropdassen Ongeveer 8 plastic stropdassen |  | Touw of touw is een goed alternatief voor de stropdassen. | $ 2/pakket |
| Eén emmer Elke maat |  | Elk apparaat dat water kan vasthouden, kan worden gebruikt. Als er blikken worden gebruikt in plaats van slang, is de emmer niet nodig. | $ 5 |
| Gereedschap Een hamer, zaag en schaar of draadknipper zijn vereist |  | Als spijkers worden vervangen door schroeven, kan een schroevendraaier worden gebruikt. Een nietpistool zou helpen bij de constructie. Als er touw wordt gebruikt om het frame aan elkaar vast te sjorren, is een hamer niet nodig. |
De totale materiaalkosten bedragen daarom € 48,00 . De kosten kunnen worden verlaagd door alternatieve of gerecyclede materialen te gebruiken.
Kies afmetingen (lengte, breedte en hoogte) en zaag hout. Het apparaat heeft 2 stuks nodig van elk de lengte en breedte, en 8 van de hoogte.
U-1-frame
Maak 2 U-vormige frames (U-1), waarbij het dikke deel van het hout de dikte van het frame vormt. Spijker de basis op de andere twee stukken, zoals weergegeven in de afbeelding met de pijlen.
U-2-frame
Maak nog 2 U-vormige frames (U-2). Het dikke deel van het hout moet nog steeds de dikte hebben, maar deze keer aan elkaar hechten zoals aangegeven door de pijlen in de afbeelding.
Knip het jutedoek en het kippengaas op maat voor de vier gemaakte frames. Dit moet overeenkomen met stukken van ongeveer 1ft x 1ft. Er zijn 8 stuks jutedoek en 9 stuks kippengaas nodig.
Toepassen op ALLE kozijnen
Bevestig het jutedoek aan één kant van elk frame met behulp van de afwerkspijkers. Plaats één spijker in elke hoek en indien nodig extra spijkers. Voor de bevestiging kunnen ook een nietpistool en nietjes worden gebruikt.
Toepassen op ALLE kozijnen
Bevestig het kippengaas bovenop het jutedoek van elk frame. Er kunnen bevestigingsspijkers worden gebruikt, maar deze moeten over het gaas worden gebogen om het op zijn plaats te houden. Wees voorzichtig bij het hanteren van de gaasdraad, aangezien de randen scherp zijn.
ALLEEN van toepassing op U-1-frames
Bevestig op elk van de U-1-frames zowel de jute als de afwerkingsdraad aan de andere kant.Nu zou er moeten zijn:
Spijker het U-2-frame op het U-1-frame om een driedimensionale L-vorm te vormen. Nagellocaties worden aangegeven door de pijlen.
Spijker het andere U-2-frame op het U-1-frame om een driedimensionale U-vorm te vormen.
Meet het bord zodat het op de onderkant van de koeler past. Zaag de plank op de juiste lengte. Spijker het bord op de bodem.
Bevestig het jutedoek en kippengaas aan de overige twee zijden aan de buitenkant van de koeler.
Bevestig drie spijkers aan elk van de randen van het frame, diagonaal naar het midden van de koeler wijzend.
Vorm met behulp van een stuk kippengaas een plank in het midden van de doos. Dit wordt gedaan door het gaas op de uitstekende spijkers te weven. Test de plank door er enige druk op uit te oefenen om te zien of er voedsel in kan. Als vervanging kan een plank worden gebruikt om de plank te vormen, of geweven riet/bamboe, maar een niet-massief materiaal zal effectiever zijn.
Bevestig de scharnieren aan de open zijde van de koeler.
Bevestig het resterende U-1-frame aan de scharnieren om een deur voor de koeler te vormen. Als de deur niet sluit, kan er indien nodig een grendel worden geïnstalleerd om deze gesloten te houden.
Vul de holtes gevormd door het jutedoek en kippengaas met houtskool. De houtskool moet gelijkmatig door de ovenruimte worden verspreid. De houtskool moet in stukjes zijn met een diameter van ongeveer 0,5 cm. [3] Het gaas moet sterk genoeg zijn om de houtskool op zijn plaats te houden en te voorkomen dat de holtes gaan uitpuilen.
Bind het uiteinde van de slang vast. Giet wat water in de slang om er zeker van te zijn dat de kabelbinder voldoende is om het uiteinde van de slang te blokkeren. Als het binden niet voldoende is, moet een stop worden gebruikt om te voorkomen dat er water door de slang stroomt. Als er geen slang beschikbaar is en er blikken worden gebruikt, kunnen de blikken aan de bovenkant van het frame worden bevestigd, met gaten die met spijkers in de houtskoolholtes worden geprikt. Als deze methode wordt gebruikt, wordt aanbevolen dat de blikken deksels hebben om verdamping van het water van het oppervlak van de blikken te voorkomen.
Begin bij de opening van de deur en leg de slang over de open zijkanten van de doos. Maak de slang op zijn plaats vast door de banden te gebruiken om de slang aan het gaas te bevestigen. Zorg ervoor dat de gaten naar beneden wijzen in de met houtskool gevulde holtes.
Het apparaat zou er nu zo uit moeten zien.Prik gaten langs ongeveer 1,20 meter van de slang. De gaten moeten ongeveer 0,5-1 cm uit elkaar liggen en kunnen met een spijker worden gemaakt. De grootte en afstand van de gaten vergt wat experimenteren en is afhankelijk van de verdampingssnelheid voor het gegeven klimaat. De houtskool moet voortdurend vochtig worden gehouden, maar mag niet zo nat zijn dat deze uit de bodem van de koeler druppelt. De stroomsnelheid van het water door de gaten moet daarom gelijk zijn aan de verdampingssnelheid. Als de gemaakte gaten te groot zijn, kan kaarsvet worden gebruikt om ze te vullen en kunnen met een speld nieuwe gaten door de was worden gemaakt. [3]
Plaats stoffen of geweven reiden over de bovenkant van de doos en zet deze op zijn plaats vast.
Bevestig het vrije uiteinde van de slang aan de onderkant van een verhoogde emmer. Terwijl de emmer met water wordt gevuld, zal het water in de holtes druppelen, waardoor de houtskool en het doekmateriaal worden bevochtigd.
Apparaatbediening
De producten kunnen op de plank of op de bodem van de koeler worden geplaatst. Het apparaat moet in de schaduw worden geplaatst met één kant naar de wind gericht. Er kan ook gebruik worden gemaakt van kunstmatige luchtcirculatie met een ventilator. Er is zeer weinig onderhoud nodig, maar bij de eerste constructie moet de koeler worden gecontroleerd om een effectieve bevochtiging van de houtskool te garanderen.
Model ontwikkeling
Er is een EES-model van de houtskoolkoeler ontwikkeld om het effect van verschillende ontwerpvariabelen en omgevingsomstandigheden te bepalen. De houtskoolkoeler werd gemodelleerd als een controlevolume met één zijde loodrecht op de omgevingswind. Het EES-bestand kan worden gedownload in Aanvullende documenten . Figuur 3 toont een schema van het gemodelleerde systeem.
Figuur 3: Charcol Cooler-modelschema
Voor de analyse zijn de volgende aannames gedaan:
- De omstandigheden zijn stabiel
- De koeler wordt in een schaduwrijk gebied geplaatst en de stralingseffecten zijn verwaarloosbaar
- De boven- en onderkant van de koeler zijn geïsoleerd (geen warmteoverdracht)
- De verdampingswarmte van water is constant en bedraagt 2270 kJ/kg
- Er wordt geen warmte gegenereerd in de koeler
- Het gehele systeem werkt op atmosferische druk (101,325 kPa)
- De houtskool wordt voortdurend vochtig gehouden (waterstroom = verdampingssnelheid)
EES-modeldiagramweergaveDe warmteoverdracht via elke zijde van de koeler werd afzonderlijk beschouwd en wordt hieronder toegelicht.
Het model kan worden gedownload in Aanvullende documenten . In de diagramweergave van het model kan de gebruiker de omgevingsomstandigheden (T, RH, windsnelheid), verdampingsefficiëntie en koelerafmetingen invoeren en de binnenomstandigheden en de mate van warmteoverdracht weergeven.
Kant 1
De voorkant van de koeler kan worden gemodelleerd als een luchtstroom door een vochtig kussen. Figuur 2 hierboven is daarom een schematische weergave van de luchtstroom door de voorkant van de koeler. De vergelijkingen vermeld in Verdamping door een overdrachtsmedium zijn van toepassing. De warmteoverdrachtQ1˙{\displaystyle {\dot {Q_{1}}}}
Zijden 2 en 3
Zijden 2 en 3 van de koeler hebben dezelfde warmteoverdrachtssnelheid, maar in tegenstelling tot zijde 1 is de snelheid van warmteoverdracht afhankelijk van meer dan alleen de verdampingssnelheid. Figuur 4 toont een schematische voorstelling van de zijwand, gezien vanaf de bovenzijde.
Zoals weergegeven in de figuur is er convectie over het oppervlak, evenals warmteverlies door verdamping vanuit de muur. Er werd aangenomen dat de verdamping alleen plaatsvindt aan de binnen- en buitenoppervlakken van de muur, en dat deze kon worden gemodelleerd met behulp van vergelijking 5, de correlatie voor verdamping aan het vrije oppervlak.
De convectiecoëfficiënten werden berekend met behulp van de empirische correlatie voor geforceerde convectie over een vlakke plaat met een constante warmteflux, zoals gegeven door vergelijking 11. [8]
HBk=Nu=0,0308Re4/5PR1/3{\displaystyle {\frac {hb}{k}}=Nu=0.0308Re^{4/5}Pr^{1/3}}
Nu is het Nusseltgetal W , Re is het Reynoldsgetal W en Pr is hetPrandtlgetal W.
Door de genoemde aannames toe te passen, werd de muur gemodelleerd met behulp van een thermisch weerstandsnetwerk, zoals hieronder weergegeven in figuur 5.
Zoals duidelijk blijkt uit de figuur, moet de som van de verwijderde verdampingswarmte groter zijn dan de warmte die wordt toegevoegd door convectie om warmte uit de binnenkant van het apparaat te verwijderen. Er werd aangenomen dat de geleidingscoëfficiënt voor houtskool hetzelfde is als voor hout, ongeveer 0,16 W/mK. [9]
Kant 4
De achterkant van de koeler zorgt voor een constante luchtstroom door het apparaat en kan de luchtstroom verder afkoelen als de lucht niet verzadigd is. Door de verdamping zou koelere lucht het apparaat verlaten, maar dit zou weinig tot geen effect hebben op de temperatuur in de koeler. Er werd aangenomen dat de warmteoverdracht via de achterkant van de houtskoolkoeler verwaarloosbaar was en werd in het model niet meegenomen. Het ontwerp van deze achterkant wordt verder besproken in ontwerpaanbevelingen.
Modelanalyse
Met behulp van het analytische model dat wordt beschreven in Modelontwikkeling werden de ontwerpparameters geanalyseerd om de prestaties van het apparaat onder verschillende omstandigheden te bepalen.
De snelheid van warmteoverdracht (Q˙{\displaystyle {\dot {Q}}}
In deze figuur worden twee interessante observaties weergegeven. Ten eerste is de warmte die wordt afgevoerd door zijde 1 (tegen de wind in gericht) aanzienlijk groter dan de warmte die wordt afgevoerd via de zijkanten van het apparaat. Voor de analyse werd daarom aangenomen dat de temperatuur in de koeler constant is en een functie is van de verdamping via de voorkant van de koeler. De verdamping aan de zijkanten van de koeler "annuleert" in wezen de warmte die anders door convectie aan de binnenkant zou worden toegevoegd. Door dit effect werken de zijwanden in wezen om de inrichting te isoleren. Het apparaat zou vergelijkbaar presteren met geïsoleerde zijwanden (met behulp van schuim of gelijkwaardig isolatiemateriaal). Het isoleren van de muren zal het benodigde waterverbruik aanzienlijk verminderen, maar de oriëntatie van het apparaat zou een eerste overweging worden. Dit idee wordt verder besproken in ontwerpaanbevelingen.
Figuur 6 laat ook zien dat de warmte die van de voorkant wordt verwijderd toeneemt met de temperatuur, wat wordt verklaard door de verhoogde verdampingssnelheid met de temperatuur.
De temperatuur in de kamer werd onderzocht als functie van de omgevingsomstandigheden (temperatuur en vochtigheid). Figuur 7 toont de grafiek.
De gekoelde binnentemperatuur is daarom veel lager bij omstandigheden met een lage relatieve luchtvochtigheid. Terwijl de warmteoverdrachtssnelheid toeneemt met de temperatuur (zoals weergegeven in figuur 6), is de binnentemperatuur lager bij lagere omgevingstemperaturen omdat de vereiste temperatuurdaling niet zo groot is. Bij een hoge luchtvochtigheid biedt het apparaat niet voldoende koeling om producten succesvol te koelen. Om de binnentemperatuur onder de 20 graden Celsius te laten komen, moet de luchtvochtigheid lager zijn dan 0,5.
Voor eerdere cijfers werd aangenomen dat de verdampingsefficiëntie 0,75 was. Met houtskool moet een waarde van 0,6-0,9 bereikt kunnen worden. [3] Figuur 8 toont het effect van verdampingsefficiëntie op de binnentemperatuur.
Een hoger verdampingsrendement kan het koelvermogen van de koeler aanzienlijk vergroten. Er moet toekomstig werk worden gedaan om de factoren te bepalen die deze parameter beïnvloeden, en hoe de efficiëntie van het houtskoolmedium het beste kan worden geoptimaliseerd.
Tenslotte werd de verdampingssnelheid door elke zijde van de container onderzocht als functie van de omgevingsomstandigheden. Figuur 9 toont de verdampingssnelheid via de voorkant (zijde 1) en figuur 10 toont de verdampingssnelheid via de zijkanten (2 en 3).
Uit de figuren blijkt dat de verdamping via de voorkant van de doos aanzienlijk hoger is dan de overige vlakken. Deze observatie heeft betrekking op het ontwerp van het apparaat, aangezien het water net zo snel in de houtskoolzijden moet stromen als het verdampt. Daarom moet de waterstroomsnelheid naar de voorkant van het apparaat aanzienlijk hoger zijn dan naar de overige zijkanten. Dit concept wordt verder besproken in ontwerpaanbevelingen.
Ontwerpaanbevelingen
Op basis van de prototypeconstructie en modelanalyse worden de volgende aanbevelingen gedaan voor het ontwerp van de koeler:
- De stroomsnelheid van het water in de koeler is een belangrijke parameter die afhankelijk is van de omgevingsomstandigheden en de gebruikte slangen of blikken. Het debiet moet gelijk zijn aan de verdampingssnelheid om ervoor te zorgen dat er geen water uit de koeler lekt en dat de houtskool niet uitdroogt. Het wordt aanbevolen om de gaten in de slang aan de voorzijde van het apparaat groter en dichter bij elkaar te maken dan de andere twee zijden.
- Afhankelijk van de beschikbaarheid van houtskool heeft de achterkant van de koeler geen houtskoolmedium nodig, aangezien verdamping uit deze voorkant niet bijdraagt aan het koeleffect. Het kan echter handig zijn om aan alle kanten houtskool toe te voegen, zodat oriëntatie en windrichting er niet toe doen.
- De zijwanden van het apparaat kunnen worden geïsoleerd om het benodigde waterverbruik te verminderen. Het gebruik van een beschikbaar isolatiemateriaal in het houten frame zou warmteoverdracht door convectie voorkomen, maar zou geen verdamping vereisen. Als de zijwanden geïsoleerd zijn, is de oriëntatie van het apparaat erg belangrijk, omdat het apparaat NIET zal functioneren als de wind niet op de voorkant invalt. Als er een elektrische ventilator beschikbaar is die een geforceerde luchtstroom in een gecontroleerde richting genereert, wordt aanbevolen de zijwanden te isoleren. Als het apparaat natuurlijke luchtstroom uit de wind moet gebruiken, mag de gebruiker de zijwanden isoleren, maar moet hij het apparaat onderhouden om een goede oriëntatie te garanderen ondanks veranderende windpatronen.
- De blikken of emmers met water moeten worden afgedekt om verdamping in de omgeving te voorkomen.
- Via het model bleek dat de afmetingen van de koeler de prestaties niet veel beïnvloeden. Sommige modelaannames gaan echter niet op bij grote dimensies. Puur op basis van de constructie is het het gemakkelijkst om een kubusvormige koeler te construeren, omdat alle stukken hout op dezelfde maat kunnen worden gezaagd.
Kostenanalyse
Er werd een eenvoudige economische analyse uitgevoerd (op basis van Canadese cijfers) om de kosten van het apparaat gedurende zijn levensduur te bepalen. Materiaalkosten staan hierboven vermeld bij Benodigde materialen .
Let op: de eerste kosten, arbeid en tarieven zijn sterk afhankelijk van de locatie.
Eerste kosten:
| Item | Kosten per eenheid | Nr. Eenheden | Totale prijs |
| Materialen | |||
| $ 48,00 | |||
| Werk | $9,50/uur [10] | 3 | $ 28,50 |
| Totaal | $ 76,50 |
|---|
Operationele kosten:
| Item | Kosten per eenheid | Nr. Eenheden | Totale prijs |
| Water | 0,86/1000L [11] | 100L/dag* | $ 0,086/dag |
- *Dit is een conservatieve schatting, aangezien het waterverbruik sterk afhankelijk is van het klimaat. Toekomstig werk kan zich richten op het modelleren van dit watergebruik als een functie van klimaat en geografie.
De kosten zijn sterk afhankelijk van de kosten van water en arbeid voor de betreffende regio. Alternatieve materialen en lagere arbeidskosten kunnen de eerste kosten van het apparaat aanzienlijk verlagen. Bovendien zijn de waterkosten afhankelijk van de regio en moeten ze worden berekend voor de specifieke regio waarin het apparaat zal worden gebruikt. Bovenstaande ‘operationele kosten’ zijn slechts een voorbeeld. De weergegeven operationele kosten omvatten niet de arbeidskosten voor het reizen om het water op te halen, wat in sommige regio's niet triviaal kan zijn.
Aanvullende documenten
- Media:CC ConstructionInstructions.pdf - Printbare versie van de gedetailleerde instructies voor de constructie van het apparaat
- Media:CC Science Model.pdf - Printbare versie van de wetenschappelijke principes, modelontwikkeling en modelanalyse
- http://sketchup.google.com - De software kan worden gedownload
Referenties
- ↑ "Groenten en fruit: optimale bewaaromstandigheden." Engineering Toolbox 2005. Online toegankelijk: 8 april 2010. Beschikbaar < http://www.engineeringtoolbox.com/fruits-vegetables-storage-conditions-d_710.html >
- ↑Spring omhoog naar:2.0 2.1 "Hoe een koelkast met zeer grote pannen ervoor zorgt dat voedsel langer houdbaar is." Practical Action 2009. Online toegankelijk op 8 april 2010. Beschikbaar: < http://practicalaction.org/?id=zeerpots >
- ↑Spring omhoog naar:3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 Rusten, Eric. "Inzicht in verdampingskoeling." VITA 1985. Online toegankelijk: 8 april 2010. Beschikbaar: < http://www.fastonline.org/CD3WD_40/VITA/EVAPCOOL/EN/EVAPCOOL.HTM >
- ^ Moran, MJ, Shapiro, HN Grondbeginselen van de technische thermodynamica. Ed. 6. John Wiley & Sons Inc. VS: 2008. Blz. 686.
- ^ Moran, MJ, Shapiro, HN Grondbeginselen van de technische thermodynamica. Ed. 6. John Wiley & Sons Inc. VS: 2008. Blz. 817.
- ^ "Verdamping van wateroppervlakken." Engineering Toolbox 2005. Online toegankelijk: 8 april 2010. Beschikbaar < http://www.engineeringtoolbox.com/evaporation-water-surface-d_690.html >
- ^ "Basisprincipes van verdampingskoeling." Western Environmental Services Corporation: 2009. Online toegankelijk: 8 april 2010. Beschikbaar: < http://web.archive.org/web/20171019165521/http://www.wescorhvac.com:80/Evaporative%20cooling%20white%20paper .htm >
- ^ Incropera, FP, DeWitt, DP Grondbeginselen van warmte- en massaoverdracht. Ed. 6. John Wiley & Sons Inc. VS: 2007. Blz. 413.
- ^ Incropera, FP, DeWitt, DP Grondbeginselen van warmte- en massaoverdracht. Ed. 6. John Wiley & Sons Inc. VS: 2007. Blz. 940.
- ^ "Verhoging van het minimumloon in Ontario." Government of Ontario 2010. Online toegankelijk: 10 april 2010. Beschikbaar: < http://web.archive.org/web/20140108012445/http://www.labour.gov.on.ca:80/info/minimumwage/ >
- ^ "Gemeentelijk waterprijsrapport." Water.org 2008. Online toegankelijk op 10 april 2010. Beschikbaar: < http://www.priceofwater.com/municipal-summary.html >