Zeer pot refrigerator/Design/es

La olla Zeer es un dispositivo de refrigeración inventado en África que funciona mediante el principio de enfriamiento por evaporación. Según Science in Africa , cada dispositivo puede almacenar 12 kg de verduras, manteniéndolas frescas hasta por 20 días, con un costo de producción inferior a 2 USD. ^{[ 1 ]} Este artículo mostrará cómo construir un refrigerador de olla dentro de otra olla, analizará diversos aspectos de la tecnología y presentará los resultados de un análisis paramétrico.

En climas secos y rigurosos, la conservación de alimentos desempeña un papel fundamental para maximizar el rendimiento económico y nutricional de la escasa oportunidad de una buena cosecha. El calor seco reduce significativamente la vida útil de los productos y, como consecuencia, se produce un alto nivel de desperdicio de cosecha. ^{[ 2 ]}

La siguiente comparación de vida útil se ha adaptado de un estudio de caso realizado por la organización Practical Action y se puede consultar directamente aquí .

El impacto del refrigerador de doble compartimento se percibe de inmediato, ya que la vida útil de la mayoría de los productos se extiende de 5 a 10 veces. Esto significa que los agricultores no solo pueden vender sus productos más allá de los primeros días posteriores a la cosecha, sino que también podrán consumir de forma segura los productos no vendidos gracias a su mayor vida útil.

Cuando se produce la evaporación en una superficie, existe una energía asociada al cambio de fase conocida como calor latente de vaporización. En un sistema dado, a medida que un gas fluye sobre la superficie húmeda, la evaporación y la condensación ocurren continuamente para mantener las condiciones de estado estacionario.

Para que se produzca la evaporación, debe existir una extracción de energía interna en el líquido, lo que resultaría en una disminución de la temperatura . Este efecto de enfriamiento se conoce como enfriamiento evaporativo y es más efectivo en climas secos debido a la falta de humedad (humedad relativa) en el aire. ^{[ 4 ]}

En el caso del refrigerador Zeer, el agua se evapora de la arena a través de la superficie de la olla de arcilla exterior y de toda la superficie superior de la arena húmeda expuesta a la radiación solar , extrayendo energía del sistema. La figura 1 muestra una representación gráfica del flujo de agua y energía dentro de un refrigerador Zeer.

Puede encontrar información adicional sobre tecnologías de refrigeración por evaporación aquí.

El documento Tecnologías basadas en arcilla ha sido publicado por la organización Practical Action. En él, las páginas 15 a 19 describen en detalle cómo construir un refrigerador de doble pared. El resto del documento trata sobre otras tecnologías basadas en arcilla que pueden ser de interés. Los pasos para construir un refrigerador de doble pared se describen a continuación en caso de que el lector no pueda abrir archivos PDF. ^{[ 5 ]} Existen manuales alternativos basados ​​en la experiencia de Movement eV en Burkina Faso, ^{[ 6 ]} y en la Guía de Mejores Prácticas basada en estudios realizados en Mali por MIT D-Lab, The World Vegetable Center y Movement eV. ^{[ 7 ]}

1

Fabricación de los moldes

• Haz un pequeño agujero en el suelo y cúbrelo con una estera. Usa una pequeña cantidad de virutas de madera sobre la estera para evitar que se pegue.
• Mezcla y amasa una mezcla homogénea de barro, estiércol y agua hasta formar una bola.
• Presione repetidamente una piedra sobre la mezcla hasta formar una especie de cuenco. Continúe haciendo esto, agregando más material si es necesario, hasta que el molde alcance las dimensiones indicadas en la Figura 2.
• Una vez hecho el molde, debe dejarse secar al sol durante aproximadamente 30 minutos.

2

Elaboración de vasijas de barro

• Haz un pequeño agujero en el suelo y cúbrelo con una estera. Usa una pequeña cantidad de virutas de madera sobre la estera para evitar que se pegue.
• Amasar la arcilla hasta obtener una mezcla similar a una masa.
• Extiende la arcilla y colócala sobre un molde invertido.
• Extienda la mezcla sobre el molde, manteniendo un espesor de aproximadamente 10 mm.
• Utilice una piedra plana y un poco de agua para alisar la superficie.
• Una vez que se ha formado la forma redonda, se puede retirar el molde.
• Las paredes de la maceta se pueden extender hasta la altura deseada.
• Añade una capa extra gruesa al borde (aproximadamente 20 mm).
• Esto completa la primera olla.
• Forme la segunda olla, de mayor tamaño, de la misma manera, utilizando el molde adecuado.
• Extienda la altura de esta maceta según sea necesario.
• Forme el borde de la olla más grande, utilizando un grosor de aproximadamente 30 mm.
• La última parte de este proceso consiste en decorar el exterior de la olla. Para ello, se enrolla la mezcla formando un cilindro alargado y se coloca alrededor del borde de la olla, aproximadamente a dos tercios de su altura. El dibujo se crea presionando con los dedos. La olla grande ya está terminada.
• Ahora se dejan ambas macetas al sol para que se sequen. Esto suele tardar entre dos y cuatro días, dependiendo de la temperatura ambiente y la luz solar.

3

Preparación de las macetas de barro

• Identifica una zona despejada y forma un círculo con piedras.
• Cubra el suelo dentro del círculo con estiércol de vaca.
• Coloca tantas macetas de barro como sea posible dentro del círculo.
• Cubre completamente las ollas con palos de madera y más estiércol de vaca.
• Enciende el fuego y déjalo arder durante 24 horas.
• Para que este proceso sea más eficiente, es mejor quemar tantas ollas como sea posible a la vez.

4

Montaje y funcionamiento

• Se debe colocar arena en el fondo de la maceta grande formando una capa de aproximadamente 5 cm de profundidad.
• Coloca la maceta más pequeña encima de la arena y céntrala dentro de la maceta grande (ahora las macetas deberían estar al mismo nivel).
• Rellena el espacio restante entre las macetas con arena.
• Si es posible, coloque el dispositivo ensamblado sobre un soporte para maximizar el flujo de aire.
• La olla pequeña debe cubrirse con una tapa (de barro o tela) para evitar que entre aire caliente en la cámara de almacenamiento.
• El refrigerador de olla dentro de olla funciona de forma pasiva siempre que la arena permanezca húmeda.
• Revise la arena dos veces al día y agregue agua según sea necesario.

El éxito del refrigerador de doble pared depende en gran medida de las condiciones ambientales. Debido a que el dispositivo se basa en la refrigeración evaporativa natural, solo puede considerarse una tecnología adecuada para regiones con una humedad relativa suficientemente baja y un flujo de aire suficiente. Para maximizar la eficacia del refrigerador de doble pared, es necesario aumentar la tasa de evaporación. Para investigar adecuadamente esta tecnología, es importante cuantificar los efectos de:

• Humedad relativa
• Permeabilidad
• Características del flujo
  • Velocidad de flujo
  • Flujo laminar frente a flujo turbulento
  • Consideraciones sobre la capa límite
• Área disponible para la evaporación

Cabe señalar que los valores presentados en las siguientes secciones indican el efecto de enfriamiento máximo para un conjunto determinado de parámetros. Es probable que el enfriamiento real sea menor debido a irregularidades en parámetros como la velocidad del viento y la humedad relativa.

La humedad relativa es una medida de la cantidad de agua que puede retener el aire a una temperatura determinada. Un ambiente con baja humedad relativa, en comparación con uno con alta humedad relativa, evaporará la humedad con mayor facilidad y en mayor medida. Por esta razón, el sistema de refrigeración de doble pared solo es eficaz en ambientes con baja humedad relativa (Figura 8). Las regiones del centro-norte de México (como Chihuahua) y África (como Sudán) son los lugares más adecuados para el uso de esta tecnología.

En algunos casos, esta tecnología puede resultar adecuada para épocas específicas del año con bajos niveles de humedad. Para unas condiciones determinadas, la humedad puede medirse directamente en una gráfica psicrométrica. Además, los centros meteorológicos locales suelen registrar los niveles de humedad.

Para todos los cálculos en los que este valor se mantuvo constante, se utilizó una humedad relativa de 0,3 will. Con esta humedad relativa y una velocidad típica del viento de 2,5 m/s, se observa un efecto de enfriamiento de 4,46 kW en condiciones de flujo turbulento. La relación establecida anteriormente, según la cual se espera que el dispositivo funcione mejor en ambientes de baja humedad, se muestra claramente en este gráfico.

Si bien la evaporación ocurre indudablemente a través de la vasija de barro exterior, la permeabilidad de esta capa juega un papel importante en la determinación de la velocidad real a la que se evapora el agua. La loza es el tipo de arcilla que se utiliza para construir este dispositivo. Este tipo de arcilla es relativamente porosa y permeable en relación con otras formas de arcilla, como la porcelana y el gres. ^{[ 8 ]} Además de permear a través de la vasija de barro exterior, el agua debe viajar a través de la arena para reemplazar continuamente la humedad que ha pasado a través de la arcilla y se ha evaporado. El efecto de enfriamiento estará limitado tanto por esta velocidad de difusión como por la permeabilidad de la arcilla.

Teniendo en cuenta estos factores, se incorpora un factor de corrección de permeabilidad de 0,3 en los cálculos de rendimiento (como se detalla en el Apéndice A ). Además, se ha elaborado un gráfico (Figura 12) que varía únicamente este factor de corrección para ofrecer una visión general de cómo influye este valor en los resultados presentados.

Se reconoce que la validez de establecer este factor de corrección en 0,3 podría no ser representativa de las limitaciones reales derivadas de los mecanismos de difusión de humedad y permeabilidad de la arcilla dentro del dispositivo. Esto sienta las bases para un futuro proyecto que investigue este aspecto con mayor detalle, incluyendo la identificación de métodos para aumentar la permeabilidad de la arcilla.

A medida que el agua se evapora en el aire circundante, la humedad relativa local aumenta, reduciendo así la probabilidad de una mayor evaporación. Es necesario un flujo de aire para reemplazar este aire húmedo por aire seco, lo cual es proporcionado por los vientos naturales de la zona. Una alta velocidad del flujo de aire hará que la masa de aire que rodea inmediatamente al dispositivo permanezca seca de forma continua, lo que inducirá una mayor tasa de evaporación.

Se ha seleccionado una velocidad media del viento de 2,5 m/s o 5,6 mph basándose en un análisis de los datos meteorológicos de las regiones del norte y centro de África.

En un sistema dado, la existencia de turbulencia dentro de un flujo de fluido aumenta el nivel de mezcla, transferencia de calor y transferencia de masa. En este caso particular, para una configuración típica, se puede suponer que el flujo es turbulento. Si consideramos el flujo de aire sobre una placa plana (donde el flujo de aire es viento y la placa plana es el suelo), se puede calcular la distancia a la que el flujo transita de laminar a turbulento. Esta transición ocurre para un número de Reynolds de aproximadamente 5 x105.

El número de Reynolds es un parámetro adimensional que se define como una medida de la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas, y se puede calcular de la siguiente manera:

        Rmi=ρVincógnitaμ   ^{[ 9 ]}

Para una temperatura ambiente de 35 grados Celsius y una velocidad del viento de 2,5 m/s, se observa que el flujo pasa a ser turbulento a una distancia de aproximadamente 2,6 m.

Aquí reside la justificación de nuestra suposición de flujo turbulento. Si dependemos del viento natural, es muy improbable que el refrigerador de doble capa se encuentre a menos de 2,6 m del punto donde el flujo de aire interactúa inicialmente con la superficie del suelo. Para mayor claridad, se ha elaborado un gráfico que muestra cómo varía el rendimiento entre el flujo laminar y el turbulento (Figura 9).

Continuando con el análisis de la placa plana, es necesario reconocer la existencia de una capa límite. Dentro de esta capa límite existe un gradiente de velocidad en el que la velocidad aumenta a medida que nos alejamos del suelo. La velocidad real del viento (velocidad de la corriente libre) solo existe más allá de esta capa límite. ^{[ 10 ]} Debido a este gradiente de velocidad, la altura de la capa límite se convierte en un factor importante que afecta el rendimiento del refrigerador de doble capa. Esta altura se puede calcular de la siguiente manera:

        ∂lametro=5μincógnitaρV   ^{[ 11 ]}

        ∂ttúrb=0,37incógnitaRmiincógnita−15   ^{[ 12 ]}

La figura 8 muestra gráficamente cómo este valor aumenta en la dirección del flujo. Se observa claramente que, al aumentar la altura del refrigerador de doble pared, el dispositivo queda expuesto a una mayor velocidad del viento. La velocidad del viento influye significativamente en el rendimiento del dispositivo. La observación de los distintos gráficos presentados en este artículo indica que el efecto de enfriamiento aumenta con la velocidad del viento.

La existencia de un gradiente de velocidad dentro de la capa límite y las mejoras de rendimiento esperadas gracias a velocidades más altas sugieren que el dispositivo debe colocarse lo más alto posible y sin obstrucciones al flujo de aire. Esto se puede lograr utilizando una estructura de soporte sobre la cual se asiente el dispositivo. De ser posible, la estructura debe ubicarse en un terreno elevado o sobre estructuras sólidas ya existentes.

La superficie disponible para que se produzca la evaporación en/a través de ella se puede aproximar para el sistema de olla dentro de olla de la siguiente manera:

  Área total = Área de la superficie de la porción esférica de la maceta exterior

                 + Superficie de la porción cilíndrica de la olla exterior

                 + Superficie de arena expuesta entre macetas

Por ejemplo, si utilizamos las dimensiones recomendadas por la Organización de Acción Práctica (Figura 11), el área resultante es:

        Armiatotal=124πOR¯2+2πOR¯(H¯−OR¯)+π((OR¯−TH¯)2−IR¯2)=0,773metro2

Este valor se ha utilizado para todos los cálculos en los que el área se mantiene constante.

La figura 12 muestra cómo varía el rendimiento del dispositivo con el área. Un resumen de la sección que detalla cómo construir un refrigerador de doble pared (olla dentro de otra olla ) muestra que el radio es la dimensión más sencilla de variar durante el proceso. Por lo tanto, se ha seleccionado el radio de la olla exterior para variar el área disponible para la evaporación.

Como era de esperar, se observa un aumento notable en el efecto de enfriamiento al incrementarse la superficie. Para la velocidad del viento elegida de 2,5 m/s, el efecto de enfriamiento es de 4,46 kW, 6,58 kW y 8,85 kW para radios de 0,25 m, 0,35 m y 0,45 m, respectivamente.

Sin embargo, un aumento en el área implica la necesidad de usar más arcilla y material de moldeo para cada dispositivo, lo que incrementará el precio promedio en 2 USD. Además, el dispositivo requerirá más arena y más agua para funcionar. La opción de aumentar el área disponible para la evaporación solo debe implementarse después de considerar estos factores. Podría ser una solución viable para familias que deseen aunar recursos para crear un dispositivo de doble olla más grande y eficaz. En este caso, la olla interior también debería ser más grande para aumentar la capacidad de almacenamiento de alimentos.

Los valores del efecto de enfriamiento se han expresado en kilovatios (kW) y no en forma de energía. La energía real extraída del sistema depende de la existencia de estas condiciones y de su duración.

Además, la energía derivada de este valor indica la energía total que se puede extraer de todo el sistema de doble cámara. Esto incluye ambas ollas de arcilla, el volumen de arena, el contenido de agua en la arena, el aire dentro de la cámara de almacenamiento y su contenido. Por lo tanto, este valor no debe interpretarse como la energía extraída exclusivamente de la cámara de almacenamiento. Se requeriría un modelo complejo de conducción y difusión de masa para un análisis completo de los mecanismos de transferencia de calor dentro de la estructura de doble cámara, lo cual queda fuera del alcance de este artículo.

El refrigerador de doble puerta experimentará ambos tipos de convección. Cuando el aire esté en reposo, el dispositivo experimentará convección natural y, posteriormente, cuando el aire se mueva a una velocidad determinada, experimentará los efectos de la convección forzada.

En ambos casos, es probable que el proceso convectivo transfiera energía al sistema debido a la alta temperatura ambiente y a la menor temperatura de la superficie del dispositivo. Esta energía transferida al sistema reducirá el efecto de enfriamiento general. Sin embargo, en comparación con la energía asociada a una reacción de cambio de fase (evaporación), las pérdidas/ganancias convectivas son relativamente pequeñas.

Se prevé que el refrigerador de olla Zeer funcione al aire libre, expuesto a la luz solar directa durante el día. Esto transferirá una cantidad significativa de energía al sistema, dependiendo del nivel de irradiación solar, la temperatura superficial de la olla exterior y las propiedades del material de la arcilla.

En esta sección se intentará cuantificar la cantidad de energía extraída de la cámara de almacenamiento mediante la aplicación de un balance energético que incluya la refrigeración por evaporación y la radiación.

Las siguientes condiciones describen el escenario base utilizado a lo largo del artículo:

        Ametrobiminortet Tmimetropagmirattúrmi:Tametrob=308K

        Rmilativmi Htúmetroidity:RH=0,3

        Winorted Spagmimid:W=2.5metro/s

        PAGmirmetromiability doorrmidotionorte Fadotor:PAGdoF=0,3

        StúrFadomi Armia For mivapagorationorte:A=0,733metro/s

Para incluir los efectos de la radiación, consideremos únicamente las horas de luz diurna, que se supone que comprenden desde las 8 de la mañana hasta las 6 de la tarde (10 horas).

El efecto de enfriamiento máximo para los parámetros mencionados anteriormente fue de 4,46 kW. Durante 10 horas, el enfriamiento total (considerando periodos de estancamiento del flujo, irregularidades ambientales y periodos de baja humedad en la arena) se estimó en tres horas para este valor máximo en las condiciones prescritas. Esto resulta en una pérdida de energía efectiva del sistema de 13,4 kWh.

El siguiente cálculo determina la energía neta transferida al sistema por radiación para el escenario descrito. Además, supongamos:

        miFFmidotivmi Sky Tmimetropagmirattúrmi:Tsky=263K

        Dmividomi StúrFadomi Tmimetropagmirattúrmi:Ts=293K

        Solar Irradiationorte:GRAMOs=1000W/metro2

        Dmividomi StúrFadomi Absorpagtivity:αs=0,5

        Dmividomi StúrFadomi mimetroissivity:ϵ=0,8

Realizar un balance energético en el dispositivo (solo para la radiación):

        q′'rad=αGRAMOS−ϵσ(Ts4−Tsky4)

        q′'rad=(500−117)W/metro2

        q′'rad =383 W/metro2

Podemos aproximar el área expuesta a la radiación en la transferencia de calor igual a:

         (12×StúrFadomi Armia Availablmi For mivapagorationorte)+Topag StúrFadomi Armia oF Smetroall PAGot

         =(12×0,773)+0,11metro2

         =0,50 metro2

Durante un período de exposición de 10 horas, la energía radiativa neta total transferida al sistema es de 1,92 kWh.

Por lo tanto, la energía que sale del dispositivo durante un período de 10 horas es (13,4 - 1,92) = 11,48 kWh.

Como se mencionó anteriormente, este valor representa la pérdida de energía de todo el dispositivo de doble pared. Debido a la naturaleza de la conducción, debe existir un gradiente de temperatura dentro del dispositivo para generar una salida de energía. Por lo tanto, cada capa del dispositivo debe enfriarse: la pared exterior, el volumen de arena, el contenido de agua en la arena, la pared interior, el aire dentro de la cámara de almacenamiento y el contenido de la cámara de almacenamiento. Teniendo esto en cuenta, es razonable estimar que solo el 5 % de la salida total de energía impacta directamente en la cámara de almacenamiento.

Por lo tanto, se ha determinado que la refrigeración real dentro de la cámara de almacenamiento para las condiciones prescritas es de aproximadamente 0,57 kWh.

Más allá de las limitaciones de las condiciones climáticas necesarias para el buen funcionamiento del refrigerador de doble cámara, también se requiere un suministro continuo de agua. En muchas regiones, el agua puede tener prioridad para otros usos, lo que dificulta la adopción de esta tecnología por parte de las comunidades. El dispositivo tampoco cuenta con un sellado adecuado para la cámara de almacenamiento, lo que reduce su eficacia general, ya que el aire ambiente caliente puede filtrarse en ella y aumentar la temperatura de la zona refrigerada. (Sin embargo, el aire caliente asciende y el aire frío, al ser más denso, desciende, por lo que la temperatura siempre será más baja en la parte inferior).

A parametric analysis concerning the performance of a Zeer pot-in-pot refrigeration device has been performed. As expected, the device performs well only in climates possessing a low relative humidity. The velocity of the wind and the area available for evaporation to occur on/through are two primary factors that can be addressed to improve the performance of the pot-in-pot refrigerator.

It has been shown that increasing the radius of the outer pot from 0.25m to 0.45m, almost doubles the total cooling effect. The adaptation of this however, is restricted by the increase in cost associated with using more materials. It is suggested that the strategy to make larger pot-in-pot refrigerators be employed only if community members are willing and able to pool their resources to share a device with superior performance.

It is unrealistic to assume that electricity is available to ensure that their is a constant and adequate source of air flow. The device is dependent solely on naturally occurring winds. To maximize air flow, it is recommended that Zeer refrigerator be placed as high above the ground as possible. This can be accomplished by building a simple frame to support the device, and placing them on high ground or on top of buildings.

There remains the potential for future analysis of this device. The development of a detailed conduction model to analyse heat transfer and mass diffusion mechanisms within the various layers would aid in identifying factors limiting performance and how they can be addressed. Additionally, by experimentation, a study could be performed to replace the permeability correction factor used in this analysis with real diffusion rates of moisture through clay.

Todas las ecuaciones se han resuelto utilizando el paquete de software EES (Engineering Equation Solver). Las ecuaciones utilizadas se detallan a continuación.

Dado,

Radio de la maceta de arcilla exterior(OR¯)= 0,25 m

Radio de la maceta de arcilla interior(IR¯)= 0,185 m

Espesor(TH¯)= 0,015 m

Altura(H)= 0,45 m

Temperatura ambiente(T)= 308 K

Presión ambiente(PAG)= 101,3 kPa

Velocidad del viento(W)= 2,5 m/s

Humedad relativa(incógnita)= 0,3

Factor de corrección de permeabilidad(PAGdoF)= 0,3

Propiedades de los fluidos,

Densidad del aire(ρair)adquirido en función de T y P

Viscosidad del aire(μair)adquirido en función de T

Densidad del agua(ρwatmir)adquirido en función de T y P

Densidad del vapor de agua(ρvapag)adquirido en función de T, P y RH

Calor latente de vaporización del agua(hFgramo)= 2270 kJ/kg

Coeficiente de difusión del agua en el aire (D) =

−2.775×10−6+4.479×10−8T+1.656×10−10T2   metro2/s                 (Ajuste curvo de Boltz y Tuve, 1976)

Manipulaciones,

Área:A=124πOR¯2+2πOR¯(H¯−OR¯)+π((OR¯−TH¯)2−IR¯2)   metro2

Número de Reynolds:Rmi¯=ρairWLdohar¯μair

dónde,Ldohar¯=2((OR¯−TH¯)−RI¯)+2πOR¯   metro

(Lchar para arena expuesta + Lchar para maceta de arcilla exterior)

(Longitud de arena expuesta a lo largo del diámetro del dispositivo + Circunferencia máxima del dispositivo)

Número de Schimdt:Sdo=μairρairD

Número de Sherwood promedio (laminar):Shlametro¯=0,664Rmi¯0,5Sdo0,3

Número de Sherwood promedio (turbulento):Shttúrb¯=0,037Rmi¯0,8Sdo0,3

Coeficiente_de_transferencia_de_masa:hmetro=Sh¯DLdohar¯   metro/s                          (Empleando la analogía de transferencia de calor y masa)

Tasa de evaporación:mivapagratmi=PAGdoF(Ahmetroρvapag(1−incógnita))   kgramo/s

Refrigeración por evaporación:mivapagdoool=(mivapagratmihFgramo)   kW