Charcoal Cooler/zh

专案数据
作者	丽莎·克罗福特
地点	加拿大金斯顿_
地位	设计建模原型化
OKH 清单	下载

木炭冷却器利用蒸发冷却原理来保持凉爽的内部温度，以进行冷藏和食品保存。该装置由开放式木框架构成，侧面填充木炭，并保持持续湿润。当温暖、干燥的空气流过潮湿的木炭时，水被蒸发到空气中并冷却。传热和传质的基本原理是木炭冷却器功能的基础。在工程方程式求解器(EES)中开发了一个简化的分析模型，以确定木炭冷却器在各种室外条件和设计变数下的功能。研究发现，冷却器的尺寸对维持的内部温度影响极小，但环境条件对设备功能有显著影响。建造了一个冷却器原型来制定详细的施工说明。该专案的未来工作将包括测试原型以进行模型验证。EES 模型、CAD 档案和可打印的 PDF 文件可在其他文件中找到。

发展需要

蒸发冷却可用于满足两个主要的发展需求：空间冷却（空调）和冷却。木炭冷却器满足了无电地区的冷却需求。

食品冷藏是减缓细菌生长和延长保质期的方法。典型的冰箱温度保持在摄氏 2-3 度左右，可以将农产品的保质期延长数周。^[1]

在没有电力的炎热气候下，食品冷藏是发展的需要。例如，在苏丹，西红柿在烈日下只能维持两天。^[2]透过冷藏保存农作物可以使食物保持更长时间的新鲜，有助于缓解发展中国家的饥饿和饥荒。在没有电力的地区，冷气尤其具有挑战性，因此设计了各种热驱动冷冻装置，包括蒸发冷却器。虽然这些设备通常无法维持 2-3 摄氏度的温度，但它们的温度可能比环境温度低得多，甚至适度的下降也能显著延长产品的保质期。例如，当使用类似的蒸发冷却装置进行饲养时，番茄的寿命可以从2天延长到20天。^[2]蒸发冷却还有一个额外的好处，即增加空气湿度，防止食品干燥并进一步延长保质期。^[3]

制冷对于疫苗和药物的储存也很重要，但是所需的温降和温度控制使得蒸发冷却不适合这种应用。

气候限制

正如下面在工程原理中进一步讨论的那样，蒸发冷却的潜力取决于空气的湿球温度和干球温度的差异。潮湿的空气具有较高的相对湿度，且蒸发水分的能力较差。随着空气相对湿度的增加，系统的性能会下降，限制了其在潮湿气候中的应用。蒸发冷却在相对湿度低于 30% 的气候下最为有效。^[4]随着湿度增加，冷却能力下降，箱体内外温差减少。为了测试蒸发冷却是否有效，可以透过将湿布放在温度计末端并在空气中挥动来测量湿球温度。^[3]温度计读取的温度是透过蒸发冷却能够达到的理论最低温度。

此外，在有水的区域必须使用蒸发冷却。根据条件和冷却器尺寸，设备有效工作时每天可能使用 20-70L 水。

科学原理

蒸发冷却是基于水需要热能才能蒸发的原理。在炎热、相对干燥的气候下，水蒸发成炎热、干燥的空气可以产生冷却效果，适合空间调节或冷却。由于水蒸发而从空间带走的热量由方程式 1 给出。

${\dot {Q}}={\dot {m_{e}}}h_{e}$ (1)

Q 是散发的热量，单位为 kW， ${\dot {m_{e}}}$ 是水的蒸发速率，单位为 kg/s，he_为水的蒸发潜热 (~2270kJ/kg)。^[5]因此，冷却能力大约与水的蒸发速率成正比，这取决于：

环境温度
环境湿度
表面积
蒸发介质
空气流动（自然或人工）

为了最大限度地提高冷却效果，必须针对给定应用程序最佳化这些变数。

湿度学

蒸发是将水从液态变成气态的过程，需要周围环境的热。潮湿空气的湿度特性以及传热传质原理适用于冷却水的蒸发。了解潮湿空气的特性是了解蒸发冷却工作原理的关键。

湿空气是由水蒸气和干燥空气组成的空气。空气的总压力是水蒸气和干燥空气的分压总和，如方程式2所示。

$P=P_{a}+P_{v}$ (2)

饱和空气是干燥空气和饱和水蒸气的混合物。当空气饱和时，蒸气压 P _v等于空气温度下水的饱和压力 P _{v,max 。}由于饱和压力随着温度的升高而增加，因此温度较高的空气能够容纳更多的水分。

湿度是指空气中的水分含量，可以用两种方式表示。相对湿度（方程式 3）是相同温度下空气中的水分与饱和空气中的水分比值。

$RH={\frac {P_{v}}{P_{v,max}}}$ (3)

因此，相对湿度是温度和水分含量的函数。

绝对湿度是水的质量与干燥空气的质量之比，由方程式 4 给出。

$\omega ={\frac {m_{v}}{m_{a}}}=0.622{\frac {P_{v}}{P-P_{v}}}$ (4)

因此，绝对湿度只是水分含量的函数。

空气蒸发的驱动力是空气和水之间的蒸气压力差。较高温度和较低相对湿度的空气比冷或潮湿的空气能够蒸发更多的水分。蒸发的可能性与干球温度和湿球温度的差异成正比。干球温度测量气流的温度，而湿球温度代表温度和湿度。湿球温度可以透过将一块湿布放在温度计的末端并让空气通过它来测量，同时读取温度。然后可以从心理测量图表中确定相对湿度和绝对湿度。

蒸发

蒸发是液体和气体之间的状态变化。对于水和空气，蒸发涉及液态水汽化成潮湿的空气流。为了 Charcol 冷却器模型的目的，考虑了两种简化的质传情况：从表面蒸发和透过传输介质蒸发。

从表面蒸发

可以使用简单的经验相关性来估计水从表面蒸发的速率。图 1 显示了示意图。

图 1：公式 5 的原理图

方程式 5 给出了蒸发速率 me（kg/h）的经验相关_性。^[6]

${\dot {m_{e}}}=A(25+19V_{风})(\omega _{sat}-\omega )$ (5)

$\omega _{sat}$ 是环境温度下的饱和绝对湿度， $\omega$ 是实际的绝对湿度。A为水面面积。

透过传输介质蒸发

许多蒸发冷却装置使空气穿过多孔的浸湿垫，该浸湿垫不断补充水。图 2 显示了示意图。

图 2：方程式 6、7 和 8 的原理图

介质的蒸发效率由方程式 6 给出。^[7]

$eff={\frac {T_{1}-T_{2}}{T_{1}-T_{湿球,1}}}$ (6)

应该可以达到60-90%的效率；然而，特定介质的效率值可以透过实验来确定。^[3]气流的能量平衡给出了蒸发速率，如方程式 7 所示。

$(h_{a2}+\omega _{2}h_{w2})=(\omega _{2}-\omega _{1})h_{f}+(h_{a1}+\omega _ {1}h_{w1})$ (7)

h _a是干燥空气的热函，h _w是水蒸气的热函，h _f是垫中水温下饱和液体的热函。然后可以根据方程式 8 确定蒸发速率。

${\dot {m_{e}}}={\dot {m_{空气}}}(\omega _{2}-\omega _{1})$ (8)

${\dot {m_{空气}}}$ 是穿过浸湿垫的空气的质量流量。

基本传热

热量透过传导、对流和辐射传递。通常，辐射的影响可以忽略不计，因为与其他形式的热传递相比，辐射的影响很小。传导透过固体表面发生，由方程式 9 给出。

${\dot {Q}}={\frac {kA}{t}}(\Delta T)$ (9)

${\dot {Q}}$ 是以瓦 (W) 为单位传递的热量，k 是以 W/mK 为单位的传导系数，t 是以米为单位的固体厚度，δ T 是固体上的温差。传导系数是材料的一种属性，可以在文献或实验中找到。

对流发生在流体流过固体物体时，由方程式 10 给出。

${\dot {Q}}=hA(T-T_{\infty })$ (10)

h 是对流系数，A 是面积，T 是固体物体的温度， $T_{\infty }$ 是流体的温度。对流系数是流体速度、流体特性和物体尺寸的函数。它可以透过实验或从导出的相关性来确定。

装置构造

建造了一个原型木炭冷却器。使用的材料和详细的施工说明如下。原型木炭冷却器尺寸为 1 英尺 x 1 英尺 x 1 英尺，但无论设备尺寸如何，说明都应适用。该装置的优点之一是它用途广泛，可以由许多可用材料制成，因此建议进行替代。

其他资源中包含可打印的 PDF 文件，其中包括冷却器的材料、结构细节和操作说明。

所需材料

材料	备用	大约成本（加币）
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。竹子或任何其他结构材料也可以。	2 美元/3 英尺（总计 8 美元）
需要大约 10 平方英尺的网状鸡丝		$8/卷
布料黄麻布或帆布：需要大约 12 平方英尺	可以使用另一种吸收性布材料。	$1/12平方英尺
钉子整理和木工钉子	螺丝可以用来代替木钉。如果有的话，用钉枪和钉书钉来代替最后的钉子将使施工变得更加容易。如有必要，可以使用麻线或绳索将框架绑在一起。	$2/包
木炭约4kg	另一种吸收材料就足够了，只要它允许空气流通，可以保持大量的水分，并且可以包含在冷却器的框架内。^[3]	$10/包
2 个铰链		$3/包
实心板 1 块，约 1 英尺 x 1 英尺（冷却器底座尺寸）	可以用编织的竹子或芦苇来代替木板。	1 美元
塑胶软管直径约 10 英尺 1/2-1 英寸	或者，如果没有软管，也可以将罐子放在冷却器的顶部。这种修改将在构造说明中进一步讨论。	$7.60/10 英尺 (5/8" D)
扎带约 8 个塑胶扎带装置	麻绳或绳子是领带的好选择。	$2/包
一桶任意尺寸	任何可以容纳水的装置都可以使用。如果使用罐子代替软管，则不需要桶子。	5 美元
工具需要锤子、锯子和剪刀或钢丝钳	如果用螺丝代替钉子，则可以使用螺丝起子。钉枪可以帮助建造。如果使用麻线将框架绑在一起，则不需要锤子。

因此，总材料成本为48.00 美元。透过使用替代或回收材料可以降低成本。

1

选择尺寸（长度、宽度和高度）并切割木材。装置需要长度、宽度各2块，高度各8块。

2

U-1 框架

创建 2 个 U 形框架 (U-1)，木材的厚部形成框架的厚度。如图箭头所示，将底座钉在另外两块上。

3

U-2 框架

再建立 2 个 U 型框架 (U-2)。木材较厚的部分仍应是厚度，但这次如图中箭头所示连接在一起。

4

切割黄麻布和铁丝网以适合所创建的四个框架。这应该对应于大约 1 英尺 x 1 英尺的碎片。需要8块黄麻布和9块鸡丝。

5

适用于所有框架

使用饰钉将黄麻布固定在每个框架的一侧。在每个角落放置一根钉子，并根据需要添加更多钉子。也可以使用钉枪和钉书钉来紧固。

6

适用于所有框架

将铁丝网固定在每个框架的黄麻布顶部。可以使用紧固钉，但必须在金属丝网上弯曲以将其固定到位。处理网线时应小心，因为边缘很锋利。

7

仅适用于 U-1 框架

在每个 U-1 框架上，将黄麻线和饰面线固定到另一侧。

现在应该有：

8

将 U-2 框架钉到 U-1 框架上，形成三维 L 形。钉子位置由箭头指示。

9

将另一个 U-2 框架钉到 U-1 框架上，形成三维 U 形。

10

测量电路板以适合冷却器的底部。将板切割成适当的长度。将木板钉在底部。

11

将黄麻布和铁丝网固定在冷却器外侧的剩余两侧。

12

在框架的每个边缘上安装三个钉子，对角线地指向冷却器的中间。

13

使用一根铁丝网，在盒子中间形成一个架子。这是透过将网编织到突出的指甲上来完成的。透过对架子施加一些压力来测试架子，看看它是否能够容纳食物。作为替代，可以使用木板或编织的芦苇/竹子来形成架子，但非固体材料会更有效。

14

将铰链安装到冷却器的开口面上。

15

将剩余的 U-1 框架连接到铰链上，形成冷却器的门。如果门没有关闭，可以根据需要安装闩锁以将其保持关闭。

16

用木炭填充黄麻布和铁丝网形成的空腔。木炭应均匀分布在整个腔体中。木炭应为直径约 0.5 公分的块状。^[3]网丝应足够坚固，以将木炭固定到位并防止空腔凸出。

17 号

系住软管末端。将一些水倒入软管中，以确保扎带足以堵塞软管末端。如果绑扎不充分，则必须使用塞子来防止水流过软管。如果没有软管并且使用罐头，则可以将罐头固定在框架顶部，用钉子在木炭腔上戳孔。如果使用此方法，建议罐头盖上盖子，以防止水从罐头表面蒸发。

18

从门的开口开始，将软管放在盒子的开口侧面。使用扎线带将软管固定到网线上，将软管固定到位。确保孔朝下指向木炭填充的空腔。

19

该设备现在应该如下所示。

沿着软管戳大约 4 英尺的孔。孔的间距应约为 0.5-1 厘米，可以用钉子打孔。孔的大小和间距需要进行一些实验，并且取决于给定气候的蒸发率。木炭应持续保持湿润，但不应太湿以致从冷却器底部滴落。因此，水通过孔的流速应等于蒸发速率。如果所形成的孔太大，可以使用蜡烛蜡来填充它们，并且可以用大头针在蜡上形成新的孔。^[3]

20

将布或编织物放在盒子顶部并将其固定到位。

21

将软管的自由端连接到高架桶的底部。当桶子装满水时，水会滴入空腔，沾湿木炭和布料。

设备操作

产品可以放置在架子上或冷却器的底部。设备应放置在阴凉处，一侧迎风。也可以使用风扇进行人工空气循环。几乎不需要维护，但是在首次建造时，应监控冷却器以确保木炭的有效润湿。

模型开发

开发了木炭冷却器的 EES 模型，以确定各种设计变数以及环境条件的影响。木炭冷却器被建模为一个控制体积，其一面垂直于环境风。EES 档案可在其他文件中下载。图 3 显示了建模系统的示意图。

图 3：Charcol 冷却器模型示意图

分析时做以下假设：

条件处于稳定状态
冷却器将放置在阴影区域，辐射效应可以忽略不计
冷却器顶部和底部隔热（无热传递）
水的汽化热恒定为2270kJ/kg
冷却器内部不产生热量
整个系统在大气压力（101.325kPa）下运行
木炭持续保持湿润（水流量 = 蒸发率）

EES 模型图视图

单独考虑通过冷却器每一侧的热传递，并在下面进行解释。

该模型可在其他文件中下载。模型的图表视图允许使用者输入环境条件（T、RH、风速）、蒸发效率和冷却器尺寸，并输出内部条件和传热速率。

第 1 面

冷却器的前侧可以建模为穿过湿垫的气流。因此，上面的图 2 是通过冷却器前方的气流示意图。透过传输介质蒸发中列出的方程式适用。传热 ${\dot {Q_{1}}}$ 等于蒸发速率乘以蒸发焓。冷却器内部温度 T _int是根据蒸发效率和环境条件计算的，如方程式 6 所示。假设该温度在冷却器宽度 (b) 上恒定。因此，内部温度取决于环境条件和蒸发效率。

第 2 面与第 3 面

冷却器的第 2 侧和第 3 侧具有相同的传热速率，但与第 1 侧不同的是，传热速率不仅取决于蒸发速率。图4显示了从顶部观察的侧壁的示意图。

图 4：2 号墙和 3 号墙示意图（俯视图）

如图所示，表面存在对流，壁内也存在蒸发热损失。假设蒸发仅发生在壁的内表面和外表面，并且可以使用方程式 5（自由表面蒸发的相关性）对其进行建模。

对流系数是使用恒定热通量平板上强制对流的经验相关性计算的，如方程式 11 所示。^[8]

${\frac {hb}{k}}=Nu=0.0308Re^{4/5}Pr^{1/3}$ (11)

Nu 是努塞尔数^W，Re 是雷诺数^W，Pr 是普朗特数^W。

应用上述假设，使用热阻网络对墙进行建模，如下图 5 所示。

图 5：第 2 面与第 3 面模型的热阻网络

从图中可以明显看出，为了从设备内部去除热量，去除的蒸发热量的总和必须大于对流增加的热量。假定木炭的传导系数与木材相同，约 0.16W/mK。^[9]

第 4 面

冷却器的背面允许恒定的气流通过设备，如果空气不饱和，可以进一步冷却气流。蒸发会导致较冷的空气排出设备，但对冷却器内部的温度几乎没有影响。假设透过木炭冷却器背面的热传递可以忽略不计，且模型中未考虑此情况。设计建议中进一步讨论了该背面的设计。

模型分析

使用模型开发中所述的分析模型，对设计参数进行分析，以确定装置在各种条件下的性能。

传热速率（ ${\dot {Q}}$ ）计算了第 1、2 和 3 面的温度，并作为环境温度 (T1) 的函数显示在图 6 中。

图 6：环境湿度为 20%、蒸发效率 75%、风速 2m/s 时冷却器每侧的散热情形。

此图中显示了两个有趣的观察结果。首先，第 1 面（迎风）散发的热量明显大于设备侧面散发的热量。因此，分析时假设冷却器内的温度是恒定的，并且是通过冷却器前部的蒸发的函数。冷却器侧面的蒸发基本上“抵消”了透过对流添加到内部的热量。透过这种效果，侧壁基本上起到使设备绝缘的作用。该设备的性能与绝缘侧壁（使用泡沫或等效绝缘材料）相当。对墙壁进行隔热将显著减少所需的水量，但设备的方向将成为首要考虑因素。这个想法在设计建议中进一步讨论。

图 6 也显示，从正面散发的热量随着温度的升高而增加，这可以透过蒸发速率随温度的升高而增加来解释。

检查室内温度作为环境条件（温度和湿度）的函数。图 7 显示了该图。

图 7：中等 (2m/s) 气流的冷却器条件和环境条件。

因此，在相对湿度较低的条件下，内部冷却温度要低得多。虽然传热速率随着温度的升高而增加（如图 6 所示），但由于所需的温降并不大，因此随着环境温度的降低，内部温度也会降低。在高湿度下，该设备无法提供足够的冷却来成功冷藏产品。为了使室内温度低于摄氏20度，湿度必须低于0.5。

对于先前的数据，蒸发效率假设为 0.75。使用木炭应该可以达到 0.6-0.9 的值。^[3]图 8 显示了蒸发效率对内部温度的影响。

图 8：蒸发效率与内部温度与环境温度的函数关系。

较高的蒸发效率可以显著提高冷却器的冷却能力。未来的工作应该确定影响该参数的因素，以及如何最好地优化木炭介质的效率。

最后，检查容器每一侧的蒸发速率与环境条件的关系。图 9 显示了正面（侧面 1）的蒸发速率，图 10 显示了侧面（2 和 3）的蒸发速率。

图 9：通过冷却器正面的蒸发率。

图 10：通过冷却器侧面的蒸发率。

从图中可以明显看出，盒子正面的蒸发量明显高于其余面。这项观察结果与设备的设计有关，因为水应该在蒸发时尽快流入木炭侧面。因此，进入设备正面的水流量应明显高于其余侧面。这个概念将在设计建议中进一步讨论。

设计建议

根据原型结构和模型分析，对冷却器的设计提出以下建议：

进入冷却器的水流量是一个重要参数，取决于环境条件和所使用的管道或罐子。流速应等于蒸发速率，以确保水不会从冷却器中泄漏，并且木炭不会干燥。建议设备前侧管道上的孔比其他两侧更大且距离更近。
根据木炭的可用性，冷却器的背面不需要木炭介质，因为该面的蒸发不会有助于冷却效果。然而，在所有侧面都加入木炭可能会很有用，这样方向和风向就不重要了。
该装置的侧壁可以被隔热以减少所需的水的使用。在木框架内使用可用的隔热材料可以防止透过对流进行热传递，但不需要蒸发。如果侧壁是隔热的，设备的方向非常重要，因为如果风没有吹到前面，设备将无法运作。如果可以使用电风扇在受控方向上产生强制气流，建议对侧壁进行隔热。如果设备要使用来自风的自然气流，则使用者可以隔离侧壁，但必须保持设备以确保正确的方向，尽管风型发生变化。
应盖住水罐或水桶，以防止蒸发到周围环境。
透过模型发现，冷却器的尺寸对性能影响不大。然而，某些模型假设对于大尺寸并不成立。纯粹基于构造，构造立方体冷却器是最容易的，因为所有木块都可以切割成相同的尺寸。

成本分析

进行了简单的经济分析（使用加拿大数据）以确定设备在其使用寿命内的成本。材料成本在上面所需材料中给出。

请注意，初始成本、人工和费率很大程度取决于地点。

第一成本：

物品	每单位成本	单位数量	总成本
材料
$48.00
劳动	9.50 美元/小时^[10]	3	28.50 美元
全部的			76.50 美元

营运成本：

物品	每单位成本	单位数量	总成本
水	0.86/1000L ^[11]	100升/天*	$0.086/天

*这是保守估计，因为用水很大程度取决于气候。未来的工作可以解决将用水作为气候和地理函数的建模问题。

成本很大程度取决于特定地区的水和劳动成本。替代材料和较低的劳动力成本可以显著降低设备的初始成本。此外，水的成本取决于地区，并且应针对要使用设备的特定地区进行计算。上述“营运成本”仅是一个例子。显示的营运成本不包括前往取水的劳动力成本，这在某些地区可能是不小的费用。

附加的文件

媒体：CC ConstructionInstructions.pdf - 设备构造详细说明的打印版本
媒体：CC Science Model.pdf - 科学原理、模型开发和模型分析的印刷版本
http://sketchup.google.com - 软件可供下载

参考

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页面数据
部分	机甲425
关键字	木炭、蒸发冷却、食品保鲜、网格、塑胶、木材、工程、空调
永续发展目标	SDG07 负担得起的清洁能源
作者	丽莎·克罗福特
执照	CC-BY-SA-3.0
组织机构	女王大学
语言	英语（en）
翻译	韩语、法语
有关的	2个子页面，14页连结在这里
影响	33,607 页面浏览量
已创建	2010 年4 月 6 日，丽莎‧克罗福特 ( Lisa Crofoot)
修改的	2024 年1 月 29 日作者：Felipe Schenone
引用为	丽莎·克罗福特（2010-2024）。“木炭冷却器”。附录。检索日期：2024 年 2 月 14 日。
API查询	基本，语义，html，文件，更多

[fruit-1] “水果和蔬菜：最佳储存条件。” Engineering Toolbox 2005。线上造访：2010 年 4 月 8 日。可用 < http://www.engineeringtoolbox.com/fruits-vegetables-storage-conditions-d_710.html >

[zeer-2] {跳转至：2.0} ^2.1 “冷冻锅冰箱如何使食物保质期更长。” 《实践行动 2009》。2010 年 4 月 8 日在线访问。可用：< http://practicalaction.org/?id=zeerpots >

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[4] Moran, MJ, Shapiro, HN工程热力学基础。埃德。6. John Wiley & Sons Inc. 美国：2008 年。第 686 页。

[5] Moran, MJ, Shapiro, HN 工程热力学基础。埃德。6. John Wiley & Sons Inc. 美国：2008 年。第 817 页。

[6] “水面蒸发”。Engineering Toolbox 2005。线上造访：2010 年 4 月 8 日。可用 < http://www.engineeringtoolbox.com/evaporation-water-surface-d_690.html >

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[8] Incropera, FP, DeWitt, DP传热传质基础。埃德。6. John Wiley & Sons Inc. 美国：2007 年。第 413 页。

[9] Incropera, FP, DeWitt, DP传热传质基础。埃德。6. John Wiley & Sons Inc. 美国：2007 年。第 940 页。

[10] “安大略省最低工资上涨”。安大略省政府 2010。线上造访：2010 年 4 月 10 日。可用：< http://web.archive.org/web/20140108012445/http://www.labour.gov.on.ca:80/info/ minimumwage/ >

[11] 《市政水价报告》。Water.org 2008。2010 年 4 月 10 日在线访问。可用：< http://www.priceofwater.com/municipal-summary.html >

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