Chłodnica na węgiel drzewny wykorzystuje zasadę chłodzenia wyparnego w celu utrzymania niskiej temperatury wewnętrznej w celu chłodzenia i konserwacji żywności. Urządzenie zbudowane jest z otwartej drewnianej ramy z bokami wypełnionymi węglem drzewnym, która jest stale wilgotna. Gdy ciepłe, suche powietrze przepływa przez wilgotny węgiel drzewny, woda odparowuje do powietrza i jest schładzana. Podstawowe zasady wymiany ciepła i masy leżą u podstaw funkcji chłodnicy węgla drzewnego. W programie Engineering Equation Solver (EES) opracowano uproszczony model analityczny w celu określenia funkcjonalności chłodnicy węgla drzewnego dla różnych warunków zewnętrznych i zmiennych projektowych. Stwierdzono, że wymiary chłodnicy mają minimalny wpływ na utrzymywaną temperaturę wewnątrz, natomiast warunki otoczenia znacząco wpływają na funkcjonalność urządzenia. W celu opracowania szczegółowych instrukcji konstrukcyjnych zbudowano prototypową chłodnicę. Przyszłe prace nad tym projektem obejmą testowanie prototypu w celu walidacji modelu. Model EES, plik CAD i dokumenty PDF do wydrukowania są dostępne w Dokumentach dodatkowych .
Zawartość
Potrzeba rozwojowa
Chłodzenie wyparne można wykorzystać do zaspokojenia dwóch głównych potrzeb rozwojowych: chłodzenia pomieszczeń ( klimatyzacji ) i chłodnictwa . Chłodnica na węgiel drzewny zaspokaja potrzebę chłodzenia w obszarach, w których prąd nie jest dostępny.
Chłodzenie żywności to metoda spowalniania rozwoju bakterii i wydłużania okresu przydatności do spożycia. W typowych lodówkach utrzymuje się temperaturę około 2-3 stopni Celsjusza, co może wydłużyć okres przydatności produktów do spożycia o tygodnie. [1]
W gorącym klimacie, gdzie nie ma dostępu do prądu, chłodzenie żywności jest potrzebą rozwojową. Na przykład w Sudanie pomidory wytrzymują w gorącym słońcu tylko 2 dni. [2] Konserwowanie upraw poprzez chłodzenie może pomóc w walce z głodem i głodem w krajach rozwijających się, utrzymując dłużej świeżość żywności. Na obszarach pozbawionych elektryczności chłodzenie stanowi szczególne wyzwanie i doprowadziło do projektowania różnorodnych urządzeń chłodniczych napędzanych ciepłem, w tym chłodnic wyparnych . Chociaż urządzenia te zazwyczaj nie są w stanie utrzymać temperatury na poziomie 2-3 stopni Celsjusza, mogą być znacznie chłodniejsze niż temperatura otoczenia, a nawet umiarkowane spadki mogą znacznie wydłużyć okres przydatności do spożycia produktów. Na przykład, jeśli pomidory są trzymane przy użyciu podobnego urządzenia do chłodzenia wyparnego, żywotność pomidorów można wydłużyć z 2 do 20 dni. [2] Chłodzenie wyparne ma dodatkową zaletę polegającą na zwiększaniu zawartości wilgoci w powietrzu, zapobieganiu wysychaniu żywności i dalszemu wydłużaniu okresu przydatności do spożycia. [3]
Chłodzenie jest również ważne przy przechowywaniu szczepionek i leków , jednak wymagany spadek temperatury i kontrola temperatury sprawiają, że chłodzenie wyparne nie nadaje się do tego zastosowania.
Ograniczenia klimatyczne
Jak omówiono poniżej w zasadach inżynierii, potencjał chłodzenia wyparnego zależy od różnicy temperatur powietrza w termometrze mokrym i termometrze suchym. Wilgotne powietrze ma wysoką wilgotność względną i słabą zdolność odparowywania wilgoci. Wraz ze wzrostem wilgotności względnej powietrza wydajność systemu spada, ograniczając jego zastosowanie w wilgotnym klimacie. Chłodzenie wyparne jest najskuteczniejsze w klimatach, w których wilgotność względna jest mniejsza niż 30%. [4] Wraz ze wzrostem wilgotności spada zdolność chłodzenia i zmniejsza się różnica temperatur pomiędzy wnętrzem i na zewnątrz komory. Aby sprawdzić, czy chłodzenie wyparne będzie skuteczne, można zmierzyć temperaturę mokrego termometru, umieszczając wilgotną szmatkę na końcu termometru i machając nią w powietrzu. [3] Temperatura odczytywana przez termometr to teoretyczna minimalna temperatura, którą można osiągnąć poprzez chłodzenie wyparne.
Dodatkowo w obszarach, w których dostępna jest woda, należy zastosować chłodzenie wyparne. W zależności od warunków i gabarytów chłodnicy, urządzenie przy efektywnej pracy może zużywać dziennie 20-70L wody.
Zasady naukowe
Chłodzenie wyparne opiera się na zasadzie, że woda potrzebuje energii cieplnej do odparowania. W gorącym, stosunkowo suchym klimacie odparowanie wody do gorącego, suchego powietrza może wywołać efekt gruchania, odpowiedni do klimatyzacji pomieszczeń lub chłodzenia. Ciepło usunięte z przestrzeni w wyniku parowania wody jest określone równaniem 1.
Q˙=Mmi˙Hmi{\ Displaystyle {\ kropka {Q}} = {\ kropka {m_ {e}}} h_ {e}}
Q to ciepło usunięte w kW,Mmi˙{\ displaystyle {\ kropka {m_ {e}}}}
- Temperatura otoczenia
- Wilgotność otoczenia
- Powierzchnia
- Media wyparne
- Ruch powietrza (naturalny lub sztuczny)
Aby zmaksymalizować efekty chłodzenia, zmienne te muszą zostać zoptymalizowane dla danego zastosowania.
Psychometria
Parowanie, proces przemiany wody z cieczy w gaz, wymaga ciepła z otaczającego środowiska. Właściwości psychrometryczne wilgotnego powietrza, a także zasady wymiany ciepła i masy odnoszą się do odparowywania wody w celu chłodzenia. Zrozumienie właściwości wilgotnego powietrza jest kluczem do zrozumienia działania chłodzenia wyparnego.
Powietrze wilgotne to powietrze składające się z pary wodnej i powietrza suchego. Całkowite ciśnienie powietrza jest sumą ciśnień cząstkowych pary wodnej i suchego powietrza, jak pokazano równaniem 2.
P=PA+Pw{\ displaystyle P = P_ {a} + P_ {v}}
Powietrze nasycone jest mieszaniną suchego powietrza i nasyconej pary wodnej. Gdy powietrze jest nasycone, prężność pary P v jest równa ciśnieniu nasycenia P v,max wody w temperaturze powietrza. Ponieważ ciśnienie nasycenia rośnie wraz z temperaturą, powietrze o wyższej temperaturze może zatrzymać więcej wilgoci.
Wilgotność odnosi się do ilości wilgoci w powietrzu i można ją wyrazić na dwa sposoby. Wilgotność względna, równanie 3, to stosunek wilgoci w powietrzu do wilgoci w powietrzu nasyconym w tej samej temperaturze.
RH=PwPw,MAX{\ Displaystyle RH = {\ Frac {P_ {v}} P_ {v, max}}}}
Wilgotność względna jest zatem funkcją zarówno temperatury, jak i zawartości wilgoci.
Wilgotność bezwzględna to stosunek masy wody do masy suchego powietrza i jest określony równaniem 4.
ω=MwMA=0,622PwP−Pw{\ Displaystyle \ omega = {\ Frac {m_ {v}} {m_ {a}}} = 0,622 {\ Frac {P_ {v}} P-P_ {v}}}}
Wilgotność bezwzględna jest zatem jedynie funkcją zawartości wilgoci.
Siłą napędową parowania powietrza jest różnica ciśnień pary wodnej pomiędzy powietrzem i wodą. Powietrze o wyższej temperaturze i niższej wilgotności względnej jest w stanie odparować więcej wilgoci niż powietrze chłodne lub wilgotne. Potencjał parowania jest proporcjonalny do różnicy temperatur termometru suchego i mokrego. Temperatura termometru suchego mierzy temperaturę strumienia powietrza, podczas gdy temperatura termometru mokrego jest reprezentatywna zarówno dla temperatury, jak i wilgotności. Temperaturę mokrego termometru można zmierzyć, umieszczając wilgotną szmatkę na końcu termometru i przepuszczając przez nią powietrze podczas odczytywania temperatury. Następnie na podstawie wykresu psychometrycznego można określić wilgotność względną i bezwzględną .
Odparowanie
Parowanie to zmiana stanu skupienia między cieczą a gazem. W przypadku wody i powietrza parowanie polega na odparowaniu ciekłej wody do wilgotnego strumienia powietrza. Na potrzeby modelu Charcol Cooler rozważono dwa uproszczone przypadki przenoszenia masy: parowanie z powierzchni i parowanie przez medium przenoszące.
Parowanie z powierzchni
Do oszacowania szybkości parowania wody z powierzchni można zastosować prostą korelację empiryczną. Rysunek 1 przedstawia schemat.
Rysunek 1: Schemat równania 5Równanie 5 podaje empiryczną korelację dla szybkości parowania m e w kg/h. [6]
Mmi˙=A(25+19VwIND)(ωSAT−ω){\ Displaystyle {\ kropka {m_ {e}}} = A (25 + 19 V_ {wiatr}) (\ omega _ {sat} - \ omega)}
ωSAT{\ displaystyle \ omega _ {sat}}
Odparowanie przez medium transferowe
Wiele urządzeń do chłodzenia wyparnego przepuszcza powietrze przez porowatą nasączoną podkładkę, która jest uzupełniana wodą. Rysunek 2 przedstawia schemat.
Rysunek 2: Schemat równań 6, 7 i 8Wydajność parowania ośrodka wyraża równanie 6. [7]
miFF=T1−T2T1−TwmiTBtylB,1{\ Displaystyle eff = {\ Frac {T_ {1} -T_ {2}} {T_ {1} -T_ {wetbulb, 1}}}}
Powinno być możliwe osiągnięcie sprawności na poziomie 60-90%; jednakże wartości wydajności dla konkretnych mediów można wyznaczyć eksperymentalnie. [3] Bilans energetyczny strumienia powietrza określa szybkość parowania wyrażoną równaniem 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})}
h a to entalpia suchego powietrza, h w to entalpia pary wodnej i h f to entalpia nasyconej cieczy w temperaturze wody w poduszce. Szybkość parowania można następnie wyznaczyć z równania 8.
Mmi˙=MAIR˙(ω2−ω1){\ Displaystyle {\ kropka {m_ {e}}} = {\ kropka {m_ {powietrze}}} (\ omega _ {2} - \ omega _ {1})}
MAIR˙{\ Displaystyle {\ kropka {m_ {powietrze}}}}
Podstawowe przekazywanie ciepła
Ciepło przekazywane jest poprzez przewodzenie, konwekcję i promieniowanie. Często skutki promieniowania można zignorować, ponieważ są niewielkie w porównaniu z innymi formami wymiany ciepła. Przewodnictwo zachodzi przez powierzchnię stałą i jest określone równaniem 9.
Q˙=kAT(ΔT){\ Displaystyle {\ kropka {Q}} = {\ Frac {kA} {t}} (\ Delta T)}
Q˙{\ displaystyle {\ kropka {Q}}}
Konwekcja zachodzi podczas przepływu płynu przez ciało stałe i jest określona równaniem 10.
Q˙=HA(T−T∞){\ Displaystyle {\ kropka {Q}} = hA (T-T _ {\ infty})}
h to współczynnik konwekcji, A to powierzchnia, T to temperatura ciała stałego orazT∞{\ displaystyle T _ {\ infty}}
Budowa urządzenia
Zbudowano prototypową chłodnicę węgla drzewnego. Poniżej znajdują się użyte materiały i szczegółowe instrukcje budowy. Prototypowa chłodnica na węgiel drzewny miała wymiary 1 stopa x 1 stopa x 1 stopa, ale instrukcje powinny obowiązywać niezależnie od rozmiaru urządzenia. Jedną z zalet tego urządzenia jest jego uniwersalność i możliwość wykonania z wielu dostępnych materiałów, dlatego sugeruje się jego zamienniki.
Plik PDF do wydrukowania, zawierający materiały, szczegóły konstrukcyjne i instrukcje obsługi chłodnicy, znajduje się w zasobach dodatkowych .
Potrzebne materiały
| Materiał | Zdjęcie | Alternatywny | Przybliżony koszt ($ CA) |
|---|---|---|---|
| Drewno 12 stóp z drewna o wymiarach 1 cm x 2 cm |  | Można zastosować drewno o innym rozmiarze. Sprawdzi się również bambus lub inny materiał konstrukcyjny. | 2/3 stopy (łącznie 8 USD) |
| Wymagany jest drut siatkowy z kurczaka o powierzchni około 10 stóp kwadratowych |  | 8 dolarów/rolka | |
| Tkanina Tkanina lub płótno jutowe: wymagane jest około 12 stóp kwadratowych |  | Można zastosować inny chłonny materiał. | 1/12 stopy kwadratowej |
| Gwoździe Gwoździe wykończeniowe i stolarskie |  | Zamiast gwoździ stolarskich można zastosować wkręty. Jeśli to możliwe, zszywacz i zszywki zastępujące gwoździe wykończeniowe znacznie ułatwiłyby budowę. W razie potrzeby do połączenia ramy można użyć sznurka lub liny. | 2 USD/opakowanie |
| Węgiel drzewny Około 4kg | | Inny materiał chłonny będzie wystarczający, o ile umożliwia cyrkulację powietrza, może zatrzymać znaczną ilość wilgoci i może zmieścić się w ramie chłodziarki. [3] | 10 dolarów/opakowanie |
| 2 zawiasy |  | 3 USD/opakowanie | |
| Płyta lita 1 sztuka, około 1 stopa x 1 stopa (wymiary podstawy chłodnicy) |  | Zamiast deski można użyć tkanego bambusa lub trzciny. | 1 $ |
| Wąż plastikowy o średnicy około 10 stóp i 1/2-1 cala |  | Alternatywnie, puszki można umieścić na górze chłodziarki, jeśli wąż jest niedostępny. Modyfikacja ta zostanie omówiona szerzej w instrukcji budowy. | 7,60 USD / 10 stóp (5/8 cala D) |
| Opaski Około 8 plastikowych opasek |  | Sznurek lub sznurek to dobra alternatywa dla krawatów. | 2 USD/opakowanie |
| Jedno wiadro Dowolny rozmiar |  | Można użyć dowolnego urządzenia, które może pomieścić wodę. Jeżeli zamiast węża używane są puszki, wiadro nie jest potrzebne. | 5 dolarów |
| Narzędzia Potrzebny jest młotek, piła i nożyczki lub przecinaki do drutu |  | Jeśli zamiast gwoździ zastępuje się śruby, można użyć śrubokręta. W budowie pomógłby pistolet na zszywki. Jeśli do łączenia ramy używany jest sznurek, młotek nie jest potrzebny. |
Całkowity koszt materiałów wynosi zatem 48,00 USD . Koszt można obniżyć, stosując materiały alternatywne lub pochodzące z recyklingu.
Wybierz wymiary (długość, szerokość i wysokość) i przytnij drewno. Do urządzenia potrzebne są po 2 sztuki o długości i szerokości oraz 8 o wysokości.
Rama U-1
Utwórz 2 ramy w kształcie litery U (U-1), przy czym grubsza część drewna tworzy grubość ramy. Przybij podstawę do pozostałych dwóch elementów, jak pokazano na rysunku strzałkami.
Rama U-2
Utwórz jeszcze 2 ramki w kształcie litery U (U-2). Gruba część drewna powinna nadal mieć odpowiednią grubość, ale tym razem połącz ją razem, jak pokazano strzałkami na obrazku.
Wytnij tkaninę jutową i drut z kurczaka, aby dopasować je do czterech utworzonych ramek. Powinno to odpowiadać elementom o wymiarach około 1 stopa x 1 stopa. Potrzebnych jest 8 kawałków płótna jutowego i 9 kawałków drutu z kurczaka.
Zastosuj do WSZYSTKICH ramek
Przymocuj tkaninę jutową po jednej stronie każdej ramy za pomocą gwoździ wykończeniowych. Umieść po jednym gwoździu w każdym rogu i w razie potrzeby dodatkowe gwoździe. Do mocowania można również użyć zszywacza i zszywek.
Zastosuj do WSZYSTKICH ramek
Przymocuj drut z kurczaka na wierzchu tkaniny jutowej każdej ramy. Można użyć gwoździ mocujących, ale należy je zagiąć nad siatką drucianą, aby utrzymać ją na miejscu. Należy zachować ostrożność podczas obchodzenia się z siatką drucianą, ponieważ krawędzie są ostre.
Stosować TYLKO do ram U-1
Na każdej z ram U-1 przymocuj jutę i drut wykończeniowy na drugą stronę.Teraz powinno być:
Przybij ramę U-2 do ramy U-1, tworząc trójwymiarowy kształt litery L. Strzałki wskazują położenie gwoździ.
Przybij drugą ramę U-2 do ramy U-1, tworząc trójwymiarowy kształt litery U.
Zmierz płytkę tak, aby pasowała do dolnej części chłodnicy. Przytnij deskę na odpowiednią długość. Przybij deskę do spodu.
Przymocuj tkaninę jutową i drut do kurczaka do pozostałych dwóch stron na zewnątrz lodówki.
Przymocuj po trzy gwoździe na każdej krawędzi ramy, skierowane ukośnie w stronę środka chłodnicy.
Za pomocą kawałka drutu z kurczaka uformuj półkę na środku pudełka. Odbywa się to poprzez naplatanie siatki na wystające gwoździe. Przetestuj półkę, wywierając na nią pewien nacisk, aby sprawdzić, czy będzie w stanie utrzymać żywność. Zamiast tego do wykonania półki można użyć deski lub tkanej trzciny/bambusa, jednak bardziej skuteczny będzie materiał niestały.
Przymocuj zawiasy do otwartej powierzchni chłodnicy.
Przymocuj pozostałą ramę U-1 do zawiasów, tworząc drzwiczki lodówki. Jeśli drzwi się nie zamykają, można zamontować zatrzask, który w razie potrzeby przytrzyma je w pozycji zamkniętej.
Wypełnij węglem drzewnym puste przestrzenie utworzone przez tkaninę jutową i drut kurczaka. Węgiel drzewny powinien być równomiernie rozprowadzony w całej ubytku. Węgiel drzewny powinien być w kawałkach o średnicy około 0,5 cm. [3] Siatka powinna być wystarczająco mocna, aby utrzymać węgiel drzewny na miejscu i zapobiec wybrzuszeniu się wnęk.
Zawiąż koniec węża. Wlej trochę wody do węża, aby upewnić się, że opaska wystarczy, aby zablokować koniec węża. Jeśli krawat nie wystarczy, należy zastosować zatyczkę, aby zapobiec przepływowi wody przez wąż. Jeśli wąż jest niedostępny i używane są puszki, puszki można przymocować do górnej części ramy, wbijając gwoździe w otwory w zagłębieniach węgla drzewnego. W przypadku stosowania tej metody zaleca się, aby puszki miały pokrywki, aby zapobiec parowaniu wody z powierzchni puszek.
Zaczynając od otworu drzwi, połóż wąż na otwartych bokach skrzynki. Zamocuj wąż na miejscu za pomocą opasek, aby przymocować wąż do siatki drucianej. Upewnij się, że otwory są skierowane w dół, do wnęk wypełnionych węglem drzewnym.
Urządzenie powinno teraz wyglądać tak.Wykonaj otwory wzdłuż około 4 stóp węża. Otwory powinny być oddalone od siebie o około 0,5-1 cm i można je wykonać za pomocą gwoździa. Rozmiar i rozstaw otworów wymaga trochę eksperymentów i zależy od szybkości parowania dla danego klimatu. Węgiel drzewny powinien być stale wilgotny, ale nie powinien być tak mokry, aby kapał na dno chłodnicy. Dlatego natężenie przepływu wody przez otwory powinno być równe szybkości parowania. Jeśli wykonane otwory są zbyt duże, można je wypełnić woskiem ze świec, a poprzez wosk za pomocą szpilki można utworzyć nowe dziury. [3]
Umieść materiał lub tkane reidy na górze pudełka i przymocuj je na miejscu.
Przymocuj wolny koniec węża do podstawy podwyższonego wiadra. Gdy wiadro napełni się wodą, woda będzie spływać do wgłębień, osadzając się na węglu drzewnym i materiale.
Obsługa urządzenia
Produkty można umieścić na półce lub na dnie lodówki. Urządzenie należy ustawić w cieniu, jedną stroną skierowaną w stronę wiatru. Można także zastosować sztuczny obieg powietrza za pomocą wentylatora. Wymagana jest bardzo niewielka konserwacja, jednakże przy pierwszym montażu chłodnica powinna być monitorowana, aby zapewnić skuteczne nawilżenie węgla drzewnego.
Rozwój modelu
Opracowano model EES chłodnicy węgla drzewnego w celu określenia wpływu różnych zmiennych projektowych, a także warunków otoczenia. Chłodnicę węgla drzewnego zamodelowano jako objętość kontrolną z jedną ścianą prostopadłą do otaczającego wiatru. Plik EES jest dostępny do pobrania w Dokumentach dodatkowych . Rysunek 3 przedstawia schemat modelowanego układu.
Rysunek 3: Schemat modelu chłodnicy węgla drzewnego
Do analizy przyjęto następujące założenia:
- Warunki są w stanie ustalonym
- Chłodnica zostanie umieszczona w zacienionym miejscu, a skutki promieniowania będą znikome
- Górna i dolna część chłodnicy są izolowane (brak przenoszenia ciepła)
- Ciepło parowania wody jest stałe i wynosi 2270kJ/kg
- Wewnątrz chłodnicy nie wytwarza się ciepło
- Cały system pracuje pod ciśnieniem atmosferycznym (101,325 kPa)
- Węgiel drzewny jest stale wilgotny (przepływ wody = szybkość parowania)
Widok schematu modelu EESPrzenikanie ciepła przez każdą stronę chłodnicy rozpatrywano indywidualnie i wyjaśniono poniżej.
Model dostępny jest do pobrania w Dokumentach Dodatkowych . Widok diagramu modelu umożliwia użytkownikowi wprowadzenie warunków otoczenia (T, RH, prędkość wiatru), wydajności parowania i wymiarów chłodnicy, a także wyświetla warunki wewnętrzne i szybkości wymiany ciepła.
Strona 1
Przód chłodnicy można zamodelować jako przepływ powietrza przez wilgotną podkładkę. Zatem rysunek 2 powyżej przedstawia schemat przepływu powietrza przez przód chłodnicy. Obowiązują równania wymienione w Parowanie przez medium transferowe . Przenikanie ciepłaQ1˙{\ displaystyle {\ kropka {Q_ {1}}}}
Strony 2 i 3
Strony 2 i 3 chłodnicy mają tę samą szybkość wymiany ciepła, jednak w przeciwieństwie do strony 1 szybkość wymiany ciepła zależy od czegoś więcej niż tylko szybkości parowania. Figura 4 przedstawia schemat ściany bocznej widzianej z góry.
Jak pokazano na rysunku, nad powierzchnią występuje konwekcja, a także utrata ciepła przez parowanie z wnętrza ściany. Założono, że parowanie zachodzi tylko na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni ściany i że można je modelować za pomocą równania 5, korelacji dla swobodnego parowania powierzchniowego.
Współczynniki konwekcji obliczono wykorzystując korelację empiryczną dla konwekcji wymuszonej nad płaską płytą o stałym strumieniu ciepła, zgodnie z równaniem 11. [8]
HBk=Nty=0,0308Rmi4/5PR1/3{\ Displaystyle {\ Frac {hb} {k}} = Nu = 0,0308Re ^ {4/5} Pr ^ {1/3}}
Nu to liczba Nusselta W , Re to liczba Reynoldsa W , a Pr to liczba Prandtla W .
Stosując podane założenia, ścianę zamodelowano wykorzystując siatkę oporów cieplnych, jak pokazano poniżej na rysunku 5.
Jak wynika z rysunku, aby ciepło mogło zostać usunięte z wnętrza urządzenia, suma usuniętego ciepła parowania musi być większa niż ciepło dodane z konwekcji. Przyjęto, że współczynnik przewodzenia węgla drzewnego jest taki sam jak drewna i wynosi około 0,16 W/mK. [9]
Strona 4
Tylna część chłodnicy umożliwia stały przepływ powietrza przez urządzenie i może dodatkowo schłodzić strumień powietrza, jeśli powietrze nie jest nasycone. Parowanie spowodowałoby wypuszczenie chłodniejszego powietrza z urządzenia, ale miałoby niewielki lub żaden wpływ na temperaturę wewnątrz chłodnicy. Założono, że przenikanie ciepła przez tylną powierzchnię chłodnicy węgla drzewnego jest pomijalne i nie zostało uwzględnione w modelu. Konstrukcja tej tylnej powierzchni jest szczegółowo omówiona w zaleceniach projektowych.
Analiza modelu
Korzystając z modelu analitycznego opisanego w części Model Development , przeanalizowano parametry projektowe w celu określenia wydajności urządzenia w różnych warunkach.
Szybkość wymiany ciepła (Q˙{\ displaystyle {\ kropka {Q}}}
Na tym rysunku przedstawiono dwie interesujące obserwacje. Po pierwsze, ciepło odprowadzane przez stronę 1 (skierowaną w stronę wiatru) jest znacznie większe niż ciepło usuwane z boków urządzenia. Do analizy założono zatem, że temperatura wewnątrz chłodnicy jest stała i jest funkcją parowania przez przód chłodnicy. Parowanie po bokach chłodnicy zasadniczo „eliminuje” ciepło, które w przeciwnym razie zostałoby dodane do wnętrza w wyniku konwekcji. Dzięki temu ścianki boczne zasadniczo służą do izolacji urządzenia. Urządzenie działałoby porównywalnie z izolowanymi ścianami bocznymi (przy użyciu pianki lub równoważnego materiału izolacyjnego). Izolacja ścian znacznie zmniejszy ilość wymaganej ilości wody, jednak głównym czynnikiem będzie orientacja urządzenia. Pomysł ten jest szczegółowo omówiony w zaleceniach projektowych.
Rysunek 6 pokazuje również, że ciepło usuwane z przedniej powierzchni wzrasta wraz z temperaturą, co można wytłumaczyć zwiększoną szybkością parowania wraz ze wzrostem temperatury.
Temperaturę wewnątrz komory badano w zależności od warunków otoczenia (temperatury i wilgotności). Rysunek 7 przedstawia wykres.
Dlatego temperatura wewnętrzna po schłodzeniu jest znacznie niższa w warunkach o niskiej wilgotności względnej. Podczas gdy współczynnik przenikania ciepła wzrasta wraz z temperaturą (jak pokazano na rysunku 6), temperatura wewnętrzna jest niższa przy niższych temperaturach otoczenia, ponieważ wymagany spadek temperatury nie jest tak duży. Przy wysokiej wilgotności urządzenie nie zapewnia wystarczającego chłodzenia, aby skutecznie schłodzić produkty. Aby temperatura we wnętrzu była niższa niż 20 stopni Celsjusza, wilgotność musi wynosić poniżej 0,5.
W przypadku poprzednich danych przyjęto, że wydajność parowania wynosi 0,75. Przy węglu drzewnym powinno być możliwe osiągnięcie wartości 0,6-0,9. [3] Rysunek 8 przedstawia wpływ wydajności parowania na temperaturę wewnętrzną.
Wyższa wydajność parowania może znacznie zwiększyć wydajność chłodniczą chłodnicy. Należy przeprowadzić przyszłe prace w celu określenia czynników wpływających na ten parametr i najlepszego sposobu optymalizacji wydajności ośrodka z węglem drzewnym.
Na koniec zbadano szybkość parowania z każdej strony pojemnika w zależności od warunków otoczenia. Rysunek 9 pokazuje szybkość parowania z przodu (strona 1), a rysunek 10 pokazuje szybkość parowania przez boki (2 i 3).
Z rysunków wynika, że parowanie przez przednią powierzchnię pudełka jest znacznie wyższe niż przez pozostałe ściany. Obserwacja ta dotyczy konstrukcji urządzenia, ponieważ woda powinna spływać do boków węgla drzewnego tak szybko, jak paruje. Dlatego natężenie przepływu wody do czoła urządzenia powinno być znacznie większe niż do pozostałych boków. Koncepcja ta została omówiona szerzej w zaleceniach projektowych.
Zalecenia projektowe
Na podstawie konstrukcji prototypu i analizy modelu sformułowano następujące zalecenia dotyczące konstrukcji chłodnicy:
- Natężenie przepływu wody do chłodnicy jest ważnym parametrem zależnym od warunków otoczenia i zastosowanych rur lub puszek. Natężenie przepływu powinno być równe szybkości parowania, aby woda nie wyciekała z chłodnicy, a węgiel drzewny nie wysychał. Zaleca się, aby otwory w rurce z przodu urządzenia były większe i bliżej siebie niż w pozostałych dwóch stronach.
- W zależności od dostępności węgla drzewnego tylna powierzchnia chłodnicy nie wymaga wkładu węglowego, ponieważ parowanie z tej powierzchni nie przyczynia się do efektu chłodzenia. Jednakże przydatne może być umieszczenie węgla drzewnego ze wszystkich stron, aby orientacja i kierunek wiatru nie miały znaczenia.
- Ściany boczne urządzenia można zaizolować, co pozwala na zmniejszenie wymaganego zużycia wody. Użycie dostępnego materiału izolacyjnego wewnątrz drewnianej ramy zapobiegłoby przenoszeniu ciepła przez konwekcję, ale nie wymagałoby parowania. Jeżeli ściany boczne są izolowane, orientacja urządzenia jest bardzo ważna, ponieważ urządzenie NIE będzie działać, jeśli wiatr nie będzie padał na przednią powierzchnię. Jeżeli dostępny jest wentylator elektryczny generujący wymuszony przepływ powietrza w kontrolowanym kierunku, zaleca się zaizolowanie ścian bocznych. Jeśli urządzenie ma wykorzystywać naturalny przepływ powietrza z wiatru, użytkownik może zaizolować ściany boczne, ale musi utrzymywać urządzenie w celu zapewnienia właściwej orientacji pomimo zmieniających się wzorców wiatru.
- Puszki lub wiadra z wodą powinny być przykryte, aby zapobiec parowaniu do otoczenia.
- Na podstawie modelu stwierdzono, że wymiary chłodnicy nie wpływają znacząco na wydajność. Niektóre założenia modelu nie sprawdzają się jednak w przypadku dużych wymiarów. Opierając się wyłącznie na konstrukcji, najłatwiej jest zbudować chłodnicę w kształcie sześcianu, ponieważ wszystkie kawałki drewna można przyciąć do tego samego rozmiaru.
Analiza kosztów
Przeprowadzono prostą analizę ekonomiczną (wykorzystując dane kanadyjskie), aby określić koszt urządzenia w całym okresie jego użytkowania. Koszty materiałów podano powyżej w części Wymagane materiały .
Należy pamiętać, że koszty, robocizna i stawki w dużym stopniu zależą od lokalizacji.
Pierwsze koszty:
| Przedmiot | Koszt jednostkowy | Nr Jednostki | Całkowity koszt |
| Materiały | |||
| 48,00 dolarów | |||
| Praca | 9,50 USD/godz. [10] | 3 | 28,50 dolarów |
| Całkowity | 76,50 dolarów |
|---|
Koszty operacyjne:
| Przedmiot | Koszt jednostkowy | Nr Jednostki | Całkowity koszt |
| Woda | 0,86/1000L [11] | 100L/dzień* | 0,086 USD dziennie |
- *To ostrożne szacunki, ponieważ zużycie wody zależy w dużym stopniu od klimatu. Przyszłe prace mogą dotyczyć modelowania zużycia wody w zależności od klimatu i położenia geograficznego.
Koszt jest w dużym stopniu zależny od kosztów wody i pracy dla danego regionu. Alternatywne materiały i niższe koszty pracy mogą znacznie obniżyć pierwszy koszt urządzenia. Dodatkowo koszt wody jest zależny od regionu i powinien być obliczony dla konkretnego regionu, w którym urządzenie ma być używane. Powyższe „koszty operacyjne” są jedynie przykładem. Przedstawione koszty operacyjne nie obejmują kosztów pracy związanych z dojazdem w celu odbioru wody, co w niektórych regionach może być nietrywialne.
Dodatkowe dokumenty
- Media:CC ConstructionInstructions.pdf - Wersja do druku szczegółowych instrukcji budowy urządzenia
- Media:CC Science Model.pdf — Wersja do druku zawierająca zasady naukowe, rozwój modelu i analizę modelu
- http://sketchup.google.com — oprogramowanie jest dostępne do pobrania
Bibliografia
- ↑ „Owoce i warzywa: optymalne warunki przechowywania”. Engineering Toolbox 2005. Dostęp online: 8 kwietnia 2010. Dostępne < http://www.engineeringtoolbox.com/fruits-vegetables-storage-conditions-d_710.html >
- ↑Skocz do:2.0 2.1 „Jak lodówka z garnkiem typu Zeer sprawia, że jedzenie wystarcza na dłużej.” Practical Action 2009. Dostęp online 8 kwietnia 2010. Dostępne: < http://practicalaction.org/?id=zeerpots >
- ↑Skocz do:3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 Rusten, Eric. „Zrozumienie chłodzenia wyparnego”. VITA 1985. Dostęp online: 8 kwietnia 2010. Dostępne: < http://www.fastonline.org/CD3WD_40/VITA/EVAPCOOL/EN/EVAPCOOL.HTM >
- ↑ Moran, MJ, Shapiro, HN Podstawy inżynierskiej termodynamiki. wyd. 6. John Wiley & Sons Inc. USA: 2008. s. 686.
- ↑ Moran, MJ, Shapiro, HN Podstawy inżynierskiej termodynamiki. wyd. 6. John Wiley & Sons Inc. USA: 2008. s. 817.
- ↑ „Parowanie z powierzchni wody”. Engineering Toolbox 2005. Dostęp online: 8 kwietnia 2010. Dostępne < http://www.engineeringtoolbox.com/evaporation-water-surface-d_690.html >
- ↑ „Podstawy chłodzenia wyparnego”. Western Environmental Services Corporation: 2009. Dostęp online: 8 kwietnia 2010. Dostępne: < http://web.archive.org/web/20171019165521/http://www.wescorhvac.com:80/Evaporative%20cooling%20white%20paper .htm >
- ↑ Incropera, FP, DeWitt, DP Podstawy wymiany ciepła i masy. wyd. 6. John Wiley & Sons Inc. USA: 2007. s. 413.
- ↑ Incropera, FP, DeWitt, DP Podstawy wymiany ciepła i masy. wyd. 6. John Wiley & Sons Inc. USA: 2007. s. 940.
- ↑ „Podwyżka płacy minimalnej w Ontario.” Government of Ontario 2010. Dostęp online: 10 kwietnia 2010. Dostępne: < http://web.archive.org/web/20140108012445/http://www.labour.gov.on.ca:80/info/minimumwage/ >
- ↑ „Raport dotyczący cen wody w gminach”. Water.org 2008. Dostęp online 10 kwietnia 2010. Dostępne: < http://www.priceofwater.com/municipal-summary.html >