木炭冷卻器利用蒸發冷卻原理來保持涼爽的內部溫度,以進行冷藏和食品保存。該裝置由開放式木框架構成,側面填充木炭,並保持持續濕潤。當溫暖、乾燥的空氣流過潮濕的木炭時,水被蒸發到空氣中並冷卻。傳熱和傳質的基本原理是木炭冷卻器功能的基礎。在工程方程式求解器(EES)中開發了一個簡化的分析模型,以確定木炭冷卻器在各種室外條件和設計變數下的功能。研究發現,冷卻器的尺寸對維持的內部溫度影響極小,但環境條件對設備功能有顯著影響。建造了一個冷卻器原型來制定詳細的施工說明。該專案的未來工作將包括測試原型以進行模型驗證。EES 模型、CAD 檔案和可列印的 PDF 文件可在其他文件中找到。
內容
發展需要
蒸發冷卻可用於滿足兩個主要的發展需求:空間冷卻(空調)和冷卻。木炭冷卻器滿足了無電地區的冷卻需求。
食品冷藏是減緩細菌生長和延長保質期的方法。典型的冰箱溫度保持在攝氏 2-3 度左右,可以將農產品的保質期延長數週。[1]
在沒有電力的炎熱氣候下,食品冷藏是發展的需要。例如,在蘇丹,西紅柿在烈日下只能維持兩天。[2]透過冷藏保存農作物可以使食物保持更長時間的新鮮,有助於緩解發展中國家的飢餓和飢荒。在沒有電力的地區,冷氣尤其具有挑戰性,因此設計了各種熱驅動冷凍裝置,包括蒸發冷卻器。雖然這些設備通常無法維持 2-3 攝氏度的溫度,但它們的溫度可能比環境溫度低得多,甚至適度的下降也能顯著延長產品的保質期。例如,當使用類似的蒸發冷卻裝置進行飼養時,番茄的壽命可以從2天延長到20天。[2]蒸發冷卻還有一個額外的好處,即增加空氣濕度,防止食品乾燥並進一步延長保質期。[3]
製冷對於疫苗和藥物的儲存也很重要,但是所需的溫降和溫度控制使得蒸發冷卻不適合這種應用。
氣候限制
正如下面在工程原理中進一步討論的那樣,蒸發冷卻的潛力取決於空氣的濕球溫度和乾球溫度的差異。潮濕的空氣具有較高的相對濕度,且蒸發水分的能力較差。隨著空氣相對濕度的增加,系統的性能會下降,限制了其在潮濕氣候中的應用。蒸發冷卻在相對濕度低於 30% 的氣候下最為有效。[4]隨著濕度增加,冷卻能力下降,箱體內外溫差減少。為了測試蒸發冷卻是否有效,可以透過將濕布放在溫度計末端並在空氣中揮動來測量濕球溫度。[3]溫度計讀取的溫度是透過蒸發冷卻能夠達到的理論最低溫度。
此外,在有水的區域必須使用蒸發冷卻。根據條件和冷卻器尺寸,設備有效工作時每天可能使用 20-70L 水。
科學原理
蒸發冷卻是基於水需要熱能才能蒸發的原理。在炎熱、相對乾燥的氣候下,水蒸發成炎熱、乾燥的空氣可以產生冷卻效果,適合空間調節或冷卻。由於水蒸發而從空間帶走的熱量由方程式 1 給出。
問˙=米e˙He{\displaystyle {\dot {Q}}={\dot {m_{e}}}h_{e}}(1)
Q 是散發的熱量,單位為 kW,米e˙{\displaystyle {\dot {m_{e}}}}是水的蒸發速率,單位為 kg/s,he為水的蒸發潛熱 (~2270kJ/kg)。[5]因此,冷卻能力大約與水的蒸發速率成正比,這取決於:
- 環境溫度
- 環境濕度
- 表面積
- 蒸發介質
- 空氣流動(自然或人工)
為了最大限度地提高冷卻效果,必須針對給定應用程式最佳化這些變數。
濕度學
蒸發是將水從液態變成氣態的過程,需要周圍環境的熱。潮濕空氣的濕度特性以及傳熱傳質原理適用於冷卻水的蒸發。了解潮濕空氣的特性是了解蒸發冷卻工作原理的關鍵。
濕空氣是由水蒸氣和乾燥空氣組成的空氣。空氣的總壓力是水蒸氣和乾燥空氣的分壓總和,如方程式2所示。
磷=磷A+磷v{\displaystyle P=P_{a}+P_{v}}(2)
飽和空氣是乾燥空氣和飽和水蒸氣的混合物。當空氣飽和時,蒸氣壓 P v等於空氣溫度下水的飽和壓力 P v,max 。由於飽和壓力隨著溫度的升高而增加,因此溫度較高的空氣能夠容納更多的水分。
濕度是指空氣中的水分含量,可以用兩種方式表示。相對濕度(方程式 3)是相同溫度下空氣中的水分與飽和空氣中的水分比值。
右H=磷v磷v,米AX{\displaystyle RH={\frac {P_{v}}{P_{v,max}}}}(3)
因此,相對濕度是溫度和水分含量的函數。
絕對濕度是水的質量與乾燥空氣的質量之比,由方程式 4 給出。
ω=米v米A=0.622磷v磷-磷v{\displaystyle \omega ={\frac {m_{v}}{m_{a}}}=0.622{\frac {P_{v}}{P-P_{v}}}}(4)
因此,絕對濕度只是水分含量的函數。
空氣蒸發的驅動力是空氣和水之間的蒸氣壓力差。較高溫度和較低相對濕度的空氣比冷或潮濕的空氣能夠蒸發更多的水分。蒸發的可能性與乾球溫度和濕球溫度的差異成正比。乾球溫度測量氣流的溫度,而濕球溫度代表溫度和濕度。濕球溫度可以透過將一塊濕布放在溫度計的末端並讓空氣通過它來測量,同時讀取溫度。然後可以從心理測量圖表中確定相對濕度和絕對濕度。
蒸發
蒸發是液體和氣體之間的狀態變化。對於水和空氣,蒸發涉及液態水汽化成潮濕的空氣流。為了 Charcol 冷卻器模型的目的,考慮了兩種簡化的質傳情況:從表面蒸發和透過傳輸介質蒸發。
從表面蒸發
可以使用簡單的經驗相關性來估計水從表面蒸發的速率。圖 1 顯示了示意圖。
方程式 5 給出了蒸發速率 me(kg/h)的經驗相關性。[6]
米e˙=A(25+19Vw我nd)(ωsAt-ω){\displaystyle {\dot {m_{e}}}=A(25+19V_{風})(\omega _{sat}-\omega )}(5)
ωsAt{\displaystyle \omega _{sat}}是環境溫度下的飽和絕對濕度,ω{\displaystyle \omega }是實際的絕對濕度。A為水面面積。
透過傳輸介質蒸發
許多蒸發冷卻裝置使空氣穿過多孔的浸濕墊,該浸濕墊不斷補充水。圖 2 顯示了示意圖。
介質的蒸發效率由方程式 6 給出。[7]
eFF=時間1-時間2時間1-時間wet乙你我乙,1{\displaystyle eff={\frac {T_{1}-T_{2}}{T_{1}-T_{濕球,1}}}}(6)
應該可以達到60-90%的效率;然而,特定介質的效率值可以透過實驗來確定。[3]氣流的能量平衡給出了蒸發速率,如方程式 7 所示。
(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})}(7)
h a是乾燥空氣的熱函,h w是水蒸氣的熱函,h f是墊中水溫下飽和液體的熱函。然後可以根據方程式 8 確定蒸發速率。
米e˙=米A我r˙(ω2-ω1){\displaystyle {\dot {m_{e}}}={\dot {m_{空氣}}}(\omega _{2}-\omega _{1})}(8)
米A我r˙{\displaystyle {\dot {m_{空氣}}}}是穿過浸濕墊的空氣的質量流量。
基本傳熱
熱量透過傳導、對流和輻射傳遞。通常,輻射的影響可以忽略不計,因為與其他形式的熱傳遞相比,輻射的影響很小。傳導透過固體表面發生,由方程式 9 給出。
問˙=kAt(Δ時間){\displaystyle {\dot {Q}}={\frac {kA}{t}}(\Delta T)}(9)
問˙{\displaystyle {\dot {Q}}}是以瓦 (W) 為單位傳遞的熱量,k 是以 W/mK 為單位的傳導係數,t 是以米為單位的固體厚度,δ T 是固體上的溫差。傳導係數是材料的一種屬性,可以在文獻或實驗中找到。
對流發生在流體流過固體物體時,由方程式 10 給出。
問˙=HA(時間-時間無窮大){\displaystyle {\dot {Q}}=hA(T-T_{\infty })}(10)
h 是對流係數,A 是面積,T 是固體物體的溫度,時間無窮大{\displaystyle T_{\infty }}是流體的溫度。對流係數是流體速度、流體特性和物體尺寸的函數。它可以透過實驗或從導出的相關性來確定。
裝置構造
建造了一個原型木炭冷卻器。使用的材料和詳細的施工說明如下。原型木炭冷卻器尺寸為 1 英尺 x 1 英尺 x 1 英尺,但無論設備尺寸如何,說明都應適用。該裝置的優點之一是它用途廣泛,可以由許多可用材料製成,因此建議進行替代。
其他資源中包含可列印的 PDF 文件,其中包括冷卻器的材料、結構細節和操作說明。
所需材料
材料 | 圖片 | 備用 | 大約成本(加幣) |
---|---|---|---|
木材 12 英尺 1 公分 x 2 公分木材 | 可以使用其他尺寸的木材。竹子或任何其他結構材料也可以。 | 2 美元/3 英尺(總計 8 美元) | |
需要大約 10 平方英尺的網狀雞絲 | $8/卷 | ||
布料 黃麻布或帆布:需要大約 12 平方英尺 | 可以使用另一種吸收性布材料。 | $1/12平方英尺 | |
釘子 整理和木工釘子 | 螺絲可以用來代替木釘。如果有的話,用釘槍和釘書釘來代替最後的釘子將使施工變得更加容易。如有必要,可以使用麻線或繩索將框架綁在一起。 | $2/包 | |
木炭 約4kg | 另一種吸收材料就足夠了,只要它允許空氣流通,可以保持大量的水分,並且可以包含在冷卻器的框架內。[3] | $10/包 | |
2 個鉸鏈 | $3/包 | ||
實心板 1 塊,約 1 英尺 x 1 英尺(冷卻器底座尺寸) | 可以用編織的竹子或蘆葦來代替木板。 | 1 美元 | |
塑膠軟管 直徑約 10 英尺 1/2-1 英寸 | 或者,如果沒有軟管,也可以將罐子放在冷卻器的頂部。這種修改將在構造說明中進一步討論。 | $7.60/10 英尺 (5/8" D) | |
紮帶 約 8 個塑膠紮帶裝置 | 麻繩或繩子是領帶的好選擇。 | $2/包 | |
一桶任意 尺寸 | 任何可以容納水的裝置都可以使用。如果使用罐子代替軟管,則不需要桶子。 | 5 美元 | |
工具 需要錘子、鋸子和剪刀或鋼絲鉗 | 如果用螺絲代替釘子,則可以使用螺絲起子。釘槍可以幫助建造。如果使用麻線將框架綁在一起,則不需要錘子。 |
因此,總材料成本為48.00 美元。透過使用替代或回收材料可以降低成本。
設備操作
產品可以放置在架子上或冷卻器的底部。設備應放置在陰涼處,一側迎風。也可以使用風扇進行人工空氣循環。幾乎不需要維護,但是在首次建造時,應監控冷卻器以確保木炭的有效潤濕。
模型開發
開發了木炭冷卻器的 EES 模型,以確定各種設計變數以及環境條件的影響。木炭冷卻器被建模為一個控制體積,其一面垂直於環境風。EES 檔案可在其他文件中下載。圖 3 顯示了建模系統的示意圖。
圖 3:Charcol 冷卻器模型示意圖
分析時做以下假設:
- 條件處於穩定狀態
- 冷卻器將放置在陰影區域,輻射效應可以忽略不計
- 冷卻器頂部和底部隔熱(無熱傳遞)
- 水的汽化熱恆定為2270kJ/kg
- 冷卻器內部不產生熱量
- 整個系統在大氣壓力(101.325kPa)下運行
- 木炭持續保持濕潤(水流量 = 蒸發率)
單獨考慮通過冷卻器每一側的熱傳遞,並在下面進行解釋。
該模型可在其他文件中下載。模型的圖表視圖允許使用者輸入環境條件(T、RH、風速)、蒸發效率和冷卻器尺寸,並輸出內部條件和傳熱速率。
第 1 面
冷卻器的前側可以建模為穿過濕墊的氣流。因此,上面的圖 2 是通過冷卻器前方的氣流示意圖。透過傳輸介質蒸發中列出的方程式適用。傳熱問1˙{\displaystyle {\dot {Q_{1}}}}等於蒸發速率乘以蒸發焓。冷卻器內部溫度 T int是根據蒸發效率和環境條件計算的,如方程式 6 所示。假設該溫度在冷卻器寬度 (b) 上恆定。因此,內部溫度取決於環境條件和蒸發效率。
第 2 面與第 3 面
冷卻器的第 2 側和第 3 側具有相同的傳熱速率,但與第 1 側不同的是,傳熱速率不僅取決於蒸發速率。圖4顯示了從頂部觀察的側壁的示意圖。
如圖所示,表面存在對流,壁內也存在蒸發熱損失。假設蒸發僅發生在壁的內表面和外表面,並且可以使用方程式 5(自由表面蒸發的相關性)對其進行建模。
對流係數是使用恆定熱通量平板上強制對流的經驗相關性計算的,如方程式 11 所示。[8]
H乙k=氮你=0.0308右e4/5磷r1/3{\displaystyle {\frac {hb}{k}}=Nu=0.0308Re^{4/5}Pr^{1/3}}(11)
應用上述假設,使用熱阻網路對牆進行建模,如下圖 5 所示。
從圖中可以明顯看出,為了從設備內部去除熱量,去除的蒸發熱量的總和必須大於對流增加的熱量。假定木炭的傳導係數與木材相同,約 0.16W/mK。[9]
第 4 面
冷卻器的背面允許恆定的氣流通過設備,如果空氣不飽和,可以進一步冷卻氣流。蒸發會導致較冷的空氣排出設備,但對冷卻器內部的溫度幾乎沒有影響。假設透過木炭冷卻器背面的熱傳遞可以忽略不計,且模型中未考慮此情況。設計建議中進一步討論了該背面的設計。
模型分析
使用模型開發中所述的分析模型,對設計參數進行分析,以確定裝置在各種條件下的性能。
傳熱速率(問˙{\displaystyle {\dot {Q}}})計算了第 1、2 和 3 面的溫度,並作為環境溫度 (T1) 的函數顯示在圖 6 中。
此圖中顯示了兩個有趣的觀察結果。首先,第 1 面(迎風)散發的熱量明顯大於設備側面散發的熱量。因此,分析時假設冷卻器內的溫度是恆定的,並且是通過冷卻器前部的蒸發的函數。冷卻器側面的蒸發基本上「抵消」了透過對流添加到內部的熱量。透過這種效果,側壁基本上起到使設備絕緣的作用。該設備的性能與絕緣側壁(使用泡沫或等效絕緣材料)相當。對牆壁進行隔熱將顯著減少所需的水量,但設備的方向將成為首要考慮因素。這個想法在設計建議中進一步討論。
圖 6 也顯示,從正面散發的熱量隨著溫度的升高而增加,這可以透過蒸發速率隨溫度的升高而增加來解釋。
檢查室內溫度作為環境條件(溫度和濕度)的函數。圖 7 顯示了該圖。
因此,在相對濕度較低的條件下,內部冷卻溫度要低得多。雖然傳熱速率隨著溫度的升高而增加(如圖 6 所示),但由於所需的溫降並不大,因此隨著環境溫度的降低,內部溫度也會降低。在高濕度下,該設備無法提供足夠的冷卻來成功冷藏產品。為了使室內溫度低於攝氏20度,濕度必須低於0.5。
對於先前的數據,蒸發效率假設為 0.75。使用木炭應該可以達到 0.6-0.9 的值。[3]圖 8 顯示了蒸發效率對內部溫度的影響。
較高的蒸發效率可以顯著提高冷卻器的冷卻能力。未來的工作應該確定影響該參數的因素,以及如何最好地優化木炭介質的效率。
最後,檢查容器每一側的蒸發速率與環境條件的關係。圖 9 顯示了正面(側面 1)的蒸發速率,圖 10 顯示了側面(2 和 3)的蒸發速率。
從圖中可以明顯看出,盒子正面的蒸發量明顯高於其餘面。這項觀察結果與設備的設計有關,因為水應該在蒸發時盡快流入木炭側面。因此,進入設備正面的水流量應明顯高於其餘側面。這個概念將在設計建議中進一步討論。
設計建議
根據原型結構和模型分析,對冷卻器的設計提出以下建議:
- 進入冷卻器的水流量是一個重要參數,取決於環境條件和所使用的管道或罐子。流速應等於蒸發速率,以確保水不會從冷卻器中洩漏,並且木炭不會乾燥。建議設備前側管道上的孔比其他兩側更大且距離更近。
- 根據木炭的可用性,冷卻器的背面不需要木炭介質,因為該面的蒸發不會有助於冷卻效果。然而,在所有側面都加入木炭可能會很有用,這樣方向和風向就不重要了。
- 該裝置的側壁可以被隔熱以減少所需的水的使用。在木框架內使用可用的隔熱材料可以防止透過對流進行熱傳遞,但不需要蒸發。如果側壁是隔熱的,設備的方向非常重要,因為如果風沒有吹到前面,設備將無法運作。如果可以使用電風扇在受控方向上產生強制氣流,建議對側壁進行隔熱。如果設備要使用來自風的自然氣流,則使用者可以隔離側壁,但必須保持設備以確保正確的方向,儘管風型發生變化。
- 應蓋住水罐或水桶,以防止蒸發到周圍環境。
- 透過模型發現,冷卻器的尺寸對性能影響不大。然而,某些模型假設對於大尺寸並不成立。純粹基於構造,構造立方體冷卻器是最容易的,因為所有木塊都可以切割成相同的尺寸。
成本分析
進行了簡單的經濟分析(使用加拿大數據)以確定設備在其使用壽命內的成本。材料成本在上面所需材料中給出。
請注意,初始成本、人工和費率很大程度取決於地點。
第一成本:
物品 | 每單位成本 | 單位數量 | 總成本 |
材料 | |||
$48.00 | |||
勞動 | 9.50 美元/小時[10] | 3 | 28.50 美元 |
全部的 | 76.50 美元 |
---|
營運成本:
物品 | 每單位成本 | 單位數量 | 總成本 |
水 | 0.86/1000L [11] | 100公升/天* | $0.086/天 |
- *這是保守估計,因為用水很大程度取決於氣候。未來的工作可以解決將用水作為氣候和地理函數的建模問題。
成本很大程度取決於特定地區的水和勞動成本。替代材料和較低的勞動力成本可以顯著降低設備的初始成本。此外,水的成本取決於地區,並且應針對要使用設備的特定地區進行計算。上述「營運成本」僅是一個例子。顯示的營運成本不包括前往取水的勞動力成本,這在某些地區可能是不小的費用。
附加的文件
- 媒體:CC ConstructionInstructions.pdf - 設備構造詳細說明的列印版本
- 媒體:CC Science Model.pdf - 科學原理、模型開發和模型分析的印刷版本
- http://sketchup.google.com - 軟體可供下載
參考
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- ↑跳轉至:2.0 2.1 “冷凍鍋冰箱如何使食物保質期更長。” 《實踐行動 2009》。2010 年 4 月 8 日在線訪問。可用:< http://practicalaction.org/?id=zeerpots >
- ↑跳轉至:3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 魯斯滕,艾瑞克。“了解蒸發冷卻。” VITA 1985。線上造訪:2010 年 4 月 8 日。可用:< http://www.fastonline.org/CD3WD_40/VITA/EVAPCOOL/EN/EVAPCOOL.HTM >
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