Zeer pot refrigerator/Design/ja

Zeerポットは、アフリカで発明された蒸発冷却の原理を利用した冷蔵装置です。Science in Africaによると、この装置1台で12kgの野菜を最大20日間鮮度を保て、製造コストは2米ドル未満です。^{[ 1 ]}この記事では、ポットインポット冷蔵庫の作り方を紹介し、この技術の様々な側面について考察し、パラメトリック分析の結果を紹介します。

テクノロジーの概要

厳しい乾燥気候において、食品保存は、稀な豊作の機会から得られる経済的および栄養価の高い収穫を最大化する上で重要な役割を果たします。乾燥した暑さは農産物の寿命を著しく縮め、結果として大量の作物が廃棄されます。^{[ 2 ]}

以下の保存期間の比較は、Practical Action Organization が実施したケーススタディを基に作成されており、ここから直接アクセスできます。

ポットインポット冷蔵庫の導入効果はすぐに実感できます。ほとんどの農産物の保存期間が5～10倍に延びるからです。つまり、農家は収穫後数日を超えて農産物を販売できるだけでなく、保存期間が延びることで売れ残った農産物も安全に消費できるようになります。

動作原理

表面から蒸発が起こると、相変化に伴うエネルギー、すなわち蒸発潜熱が発生します。あるシステムでは、気体種が湿った表面上を流れる際に、蒸発と凝縮が継続的に起こり、定常状態が維持されます。

蒸発を維持するためには、液体の内部エネルギーを引き出す必要があり、その結果、温度が低下します。この冷却効果は蒸発冷却と呼ばれ、空気中の水分含有量（相対湿度）が低い乾燥した気候で最も効果的です。^{[ 4 ]}

Zeer冷蔵庫の場合、砂の中の水分は外側の土鍋の表面と、太陽放射にさらされた湿った砂の上側全体から蒸発し、システムからエネルギーを奪います。図1は、Zeer冷蔵庫内の水とエネルギーの流れを示すグラフです。

蒸発冷却技術に関する追加情報については、こちらからアクセスできます。

ポットインポット冷蔵庫の作り方

粘土ベースの技術に関する文書は、Practical Action Organizationによって公開されています。この文書の15ページから19ページにかけて、ポットインポット冷蔵庫の作り方が詳細に説明されています。残りの部分では、興味深いと思われる他の粘土ベースの技術について説明しています。読者がPDFファイルを開けない場合に備えて、ポットインポット冷蔵庫の作り方の手順は以下に概説されています。^{[ 5 ]}ブルキナファソにおけるMovement eVの経験に基づいた代替マニュアル^{[ 6 ]}や、MIT D-Lab、The World Vegetable Center、Movement eVがマリで行った研究に基づいたベストプラクティスガイド^{[ 7 ]も入手可能です。}

1

型を作る

• 地面に小さな穴を掘り、マットを敷きます。マットの上に少量の木片を敷くと、くっつきにくくなります。
• 泥、糞、水を均一に混ぜてボール状にこねる
• 石を混合物に繰り返し押し付け、最終的にボウル型を形成します。必要に応じて材料を追加しながら、型が図2に示す寸法になるまでこれを続けます。
• 型ができたら、約30分間太陽の下で乾燥させる必要があります。

2

土鍋を作る

• 地面に小さな穴を掘り、マットで覆います。マットがくっつかないように、少量の木片を敷きます。
• 粘土を生地のような混合物にこねる
• 粘土を平らに伸ばし、逆さまにした型の上に置きます
• 混合物を型の上に広げ、厚さ約10mmを保つ。
• 平らな石と水を使って表面を滑らかにします
• 丸い形になったら型を取り外すことができる
• ポットの壁は希望の高さまで拡張できます
• リムにさらに厚い層を追加します（約20mm）
• これで最初のポットが完成しました
• 適切な型を使用して、同じ方法で2つ目の大きなポットを形成します。
• 必要に応じてこのポットの高さを拡張します
• 約30mmの厚さで、大きい方の鍋の縁を作ります。
• この工程の最後のステップは、鍋の外側に装飾を施すことです。生地をソーセージ状に丸め、鍋の外側から3分の2ほどの高さまで貼り付けます。指で押し付けて模様をつけます。これで大きな鍋が完成です。
• 両方の鉢は今、天日干しされています。周囲の温度と日光の状況にもよりますが、通常は2～4日かかります。

3

土鍋の準備

• 開けた場所を特定し、岩で円を描きます
• 円内の地面を牛糞で覆う
• できるだけ多くの土鍋を円の中に置きます
• 木の棒と牛糞で鉢を完全に覆います
• 火をつけて24時間燃やす
• このプロセスをより効率的にするには、一度にできるだけ多くの鍋を燃やす方が良い。

4

組み立てと操作

• 大きな鉢の底に砂を敷き詰め、約5cmの深さにします。
• 小さい方の鉢を砂の上に置き、大きい方の鉢の中央に置きます（鉢は水平になるはずです）。
• 鉢の間の残りのスペースを砂で埋める
• 可能であれば、組み立てたデバイスをスタンドに置いて空気の流れを最大化します。
• 小さなポットは、熱気が貯蔵室に入らないように蓋（粘土または布）で覆う必要があります。
• ポットインポット冷蔵庫は砂が湿っている限り受動的に作動する。
• 1日に2回砂を確認し、必要に応じて水を追加します

技術分析

ポットインポット冷蔵庫の成功は、周囲の環境に大きく依存します。この装置は自然蒸発冷却に依存しているため、相対湿度が適度に低く、十分な空気の流れがある地域でのみ適切な技術とみなされます。ポットインポット冷却装置の有効性を最大限に高めるには、蒸発速度を高める必要があります。この技術を適切に評価するには、以下の要因の影響を定量化することが重要です。

• 相対湿度
• 透過性
• 流動特性
  • 流速
  • 層流と乱流
  • 境界層の考慮
• 蒸発可能な面積

以下のセクションに示す値は、特定のパラメータにおける最大の冷却効果を示していることにご注意ください。風速や相対湿度などのパラメータの変動により、実際の冷却効果はこれより低くなる可能性があります。

相対湿度

相対湿度とは、特定の温度において空気中に保持できる水分量を表す指標です。相対湿度が低い環境では、相対湿度が高い環境と比較して、水分がより容易に、より多く蒸発します。そのため、ポットインポット冷蔵装置は相対湿度が低い環境でのみ効果を発揮します（図8）。この技術の使用に最適な地域は、メキシコ北部中央地域（チワワ州など）とアフリカ（スーダンなど）です。

場合によっては、この技術は湿度が低い特定の時期に適していることが証明されるかもしれません。特定の条件下では、湿度に関する情報は乾湿計から直接測定できます。また、地域の気象センターでは通常、湿度の記録が保管されています。

すべての計算において、相対湿度を一定とした場合の相対湿度は0.3です。この相対湿度と典型的な風速2.5 m/sにおいて、乱流条件下では4.46kWの冷却効果が観測されます。上記で確立された関係、すなわち低湿度環境においてデバイスの性能が向上することが期待される関係は、このグラフによって明確に示されています。

透過性

蒸発は間違いなく外側の土鍋を通して起こりますが、この層の透水性が、実際の水の蒸発速度を決定する上で重要な役割を果たします。この装置の製造に使用されている粘土の種類は土器です。この種類の粘土は、磁器や石器などの他の粘土に比べて、比較的多孔質で透水性に優れています。^{[ 8 ]}水は外側の土鍋を透過するだけでなく、粘土を通過して蒸発した水分を絶えず補給するために砂層も透過しなければなりません。冷却効果は、この拡散速度と粘土の透水性の両方によって制限されます。

これらの点を考慮し、透水性補正係数0.3を性能計算に組み込みました（詳細は付録Aを参照）。さらに、この補正係数のみを変化させたグラフ（図12）を作成し、この数値が提示された結果にどのような影響を与えるかを概観的に示しています。

この補正係数を0.3に設定する妥当性は、装置内の水分拡散と粘土の透水性に関わるメカニズムによって生じる実際の限界を反映していない可能性があることを認識しています。これは、粘土の透水性を高める方法の特定を含む、この問題をより詳細に調査するための将来のプロジェクトへの基盤となります。

フロー特性

流速

水が周囲の空気中に蒸発すると、局所的な相対湿度が上昇し、さらなる蒸発の可能性が低下します。この湿った空気を乾燥した空気と入れ替えるには、空気の流れが必要です。これは、周囲の自然の風によって供給されます。空気の流れが速いと、装置の周囲の空気は常に乾燥した状態を維持し、蒸発速度が速くなります。

北アフリカおよび中央アフリカ地域の気象データを検討した結果、平均風速は 2.5m/s または 5.6mph と設定されました。

層流と乱流

与えられたシステムにおいて、流体の流れの中に乱流が存在すると、混合、熱伝達、および質量移動のレベルが増加します。この特定のケースでは、典型的な設定において流れは乱流であると仮定できます。平板上の気流（気流は風、平板は地面）を考えると、流れが層流から乱流へ遷移する距離を計算できます。この遷移は、レイノルズ数が約5×105。

レイノルズ数は、慣性力と粘性力の比率の尺度として定義される無次元パラメータであり、次のように計算できます。

        Re＝ρV×μ   ^{[ 9 ]}

周囲気温が 35 ℃、風速が 2.5 m/s の場合、流れは約 2.6 m の距離で乱流に遷移することがわかります。

ここに、乱流の仮定の根拠があります。自然風に頼る場合、ポットインポット冷蔵庫が、気流が最初に地表と接触する地点から2.6m以内に設置される可能性は非常に低いでしょう。完全性を保証するために、層流と乱流の性能がどのように異なるかを示すグラフを作成しました（図9）。

境界層の考慮

平板解析を続けると、境界層の存在を認識する必要があります。この境界層内には速度勾配が存在し、地面から離れるにつれて速度が増加します。実際の風速（自由流速度）は、この境界層の外側にのみ存在します。^{[ 10 ]}この速度勾配のため、境界層の高さはポットインポット冷蔵庫の性能に影響を与える重要な要素となります。この高さは以下のように計算できます。

        ∂l1つのメートル＝5μ×ρV   ^{[ 11 ]}

        ∂tあなたrb＝0。37×Re×−15   ^{[ 12 ]}

図8は、この値が流れの方向にどのように増加するかをグラフで示しています。ポットインポット冷蔵庫の高さを高くすることで、装置がより大きな風速にさらされることが明らかです。風速は装置の性能に大きな影響を与えます。本稿で示した様々なグラフを見ると、風速が増加するにつれて冷却効果も増加することがわかります。

境界層内に速度勾配が存在すること、そして速度上昇によって性能が向上することが期待されることから、装置は空気の流れを妨げないできるだけ高い位置に設置する必要があります。これは、装置をフレーム構造の上に設置することで実現できます。可能であれば、フレーム自体は高台または既存の堅固な構造物の上に設置する必要があります。

蒸発可能な領域

ポットインポットシステムの場合、蒸発が起こる表面積は次のように概算できます。

  総面積 = 外側のポットの球形部分の表面積

                 + 外側のポットの円筒部分の表面積

                 + ポット間の露出砂の表面積

たとえば、実践行動組織が推奨する寸法（図 11）を使用すると、面積は次のようになります。

        あre1つのtot1つのl＝124πおR¯2+2πおR¯（H¯−おR¯）+π（（おR¯−TH¯）2−私R¯2）＝0。773メートル2

この値は、面積が一定に保たれるすべての計算に使用されます。

図12は、装置の性能が面積によってどのように変化するかを示しています。ポットインポット冷蔵庫の作り方を説明したセクションの概要を見ると、プロセスにおいて半径が最も簡単に変更できる寸法であることがわかります。そのため、外側のポットの半径は、蒸発に利用できる面積を変化させるために選択されました。

予想通り、表面積が増加するにつれて冷却効果が顕著に向上します。選択した風速2.5m/sの場合、半径0.25m、0.35m、0.45mでそれぞれ4.46kW、6.58kW、8.85kWの冷却効果が得られます。

しかし、面積を増やすということは、装置1台あたりに必要な粘土や型材の量が増えることを意味し、平均価格が2ドル上昇することになります。さらに、装置の稼働にはより多くの砂と水が必要になります。蒸発に利用できる面積を増やすという選択肢は、これらの要素を考慮した上でのみ導入すべきです。より大きく効果的なポットインポット装置を作るために資金を出し合いたい家族にとって、これは現実的なアプローチとなるかもしれません。この場合、装置内に保管できる物資の容量を増やすために、内鍋も大きくする必要があります。

ディスカッション

報告された値の解釈

冷却効果の値はエネルギーではなくキロワット（kW）で報告されています。システムから実際に除去されるエネルギーは、これらの条件の存在とその持続時間によって異なります。

さらに、この数値から得られるエネルギーは、ポットインポット装置全体から除去できる総エネルギーを示すものです。これには、両方の粘土製ポット、砂の体積、砂内の水分量、貯蔵室内の空気、そして貯蔵室内の内容物が含まれます。したがって、この値は貯蔵室からのみ除去されるエネルギーとして解釈すべきではありません。ポットインポット構造内の熱伝達メカニズムを完全に解析するには、複雑な熱伝導および物質拡散モデルが必要となりますが、これは本稿の範囲外です。

対流

ポットインポット冷蔵庫では、両方の対流が発生します。空気が静止しているときは自然対流が発生し、その後、空気が一定速度で動いているときは強制対流が発生します。

どちらの場合も、周囲温度が高く、デバイス表面温度が低いため、対流プロセスによってシステムにエネルギーが伝達される可能性があります。このシステム伝達エネルギーは、全体的な冷却効果を低下させます。しかし、相変化反応（蒸発）に伴うエネルギーと比較すると、対流による損失／利得は比較的小さいです。

放射線

Zeerポット冷蔵庫は、日中は直射日光が当たる屋外で稼働することが想定されています。これにより、太陽光照射量、外鍋の表面温度、そして土の材質に応じて、システムに相当量のエネルギーが供給されます。

正味エネルギー収支の大まかな近似値

このセクションでは、蒸発冷却と放射を含むエネルギーバランスを適用して、貯蔵室から取り出されるエネルギーの量を定量化します。

以下の条件は、この記事全体で使用される基本ケースのシナリオを説明しています。

        あメートルb私ent Teメートルper1つのtあなたre:T1つのメートルb＝308K

        Rel1つのt私ve Hあなたメートル私d私ty:RH＝0。3

        W私nd Speed:W＝2。5メートル/s

        Perメートルe1つのb私l私ty Correct私on F1つのctor:PCF＝0。3

        Sあなたrf1つのce あre1つの for Ev1つのpor1つのt私on:あ＝0。733メートル/s

放射線の影響を考慮するために、午前 8 時から午後 6 時まで (10 時間) と想定される日照時間のみを考慮してみましょう。

上記のパラメータにおける最大冷却効果は4.46kWと報告されています。10時間にわたる全体的な冷却効果（流れの停滞期間、環境の不規則性、砂の水分含有量の低下期間を考慮）は、規定条件においてこの最大値で3時間相当と概算されます。これにより、システムからの有効エネルギー損失は13.4kWhとなります。

以下の計算により、上記のシナリオにおいて放射によってシステムに伝達される正味エネルギーが算出されます。さらに、以下の式が成り立ちます。

        Effect私ve Sけy Teメートルper1つのtあなたre:Tsけy＝263K

        Dev私ce Sあなたrf1つのce Teメートルper1つのtあなたre:Ts＝293K

        Sol1つのr 私rr1つのd私1つのt私on:Gs＝1000W/メートル2

        Dev私ce Sあなたrf1つのce あbsorpt私v私ty:αs＝0。5

        Dev私ce Sあなたrf1つのce Eメートル私ss私v私ty:ϵ＝0。8

デバイスのエネルギーバランスを実行する (放射線のみ):

        q′'r1つのd＝αGS−ϵσ（Ts4−Tsけy4）

        q′'r1つのd＝（500−117）W/メートル2

        q′'r1つのd ＝383 W/メートル2

放射伝熱にさらされる面積は次のように近似できます。

         （12×Sあなたrf1つのce あre1つの あv1つの私l1つのble for Ev1つのpor1つのt私on）+Top Sあなたrf1つのce あre1つの of Sメートル1つのll Pot

         ＝（12×0。773）+0。11メートル2

         ＝0。50 メートル2

10 時間の露出期間にわたってシステムに伝達される総正味放射エネルギーは 1.92kWh です。

したがって、10時間にわたってデバイスから流出するエネルギーは（13.4 - 1.92）= 11.48kWhとなる。

前述の通り、この値はポットインポット装置全体のエネルギー損失を表しています。伝導の性質上、エネルギーの流出を生み出すには装置内に温度勾配が存在する必要があります。そのため、装置の各層、すなわち外側のポット、砂の量、砂内の水分量、内側のポット、貯蔵室内の空気、そして貯蔵室内の内容物を冷却する必要があります。これを考慮すると、総エネルギー流出量のわずか5%が貯蔵室に直接影響を与えると推定するのが妥当です。

したがって、規定の条件における貯蔵室内の実際の冷却は約 0.57kWh であることがわかります。

デバイスの制限

ポットインポット冷蔵庫の成功には、必要な気候条件の制約に加え、継続的な水供給も必要です。多くの地域では、水は他の用途に優先されるため、地域社会がこの技術を導入するのは困難です。また、この装置は貯蔵室に適切な密閉構造がないため、周囲の暖かい空気が貯蔵室に侵入し、冷却ゾーンの温度を上昇させる可能性があり、全体的な効率が低下します。（ただし、暖かい空気は上昇し、冷たい空気は重いため下降するため、温度は常に底部で最も低くなります。）

結論

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.

References

付録A: 計算方法

すべての方程式は、ソフトウェアパッケージEES（エンジニアリング方程式ソルバー）を使用して解かれています。使用した方程式の概要は以下の通りです。

与えられた、

粘土ポットの外側の半径（おR¯）= 0.25メートル

粘土鍋の内側の半径（私R¯）= 0.185メートル

厚さ（TH¯）= 0.015メートル

身長（H）= 0.45メートル

周囲温度（T）= 308 K

周囲圧力（P）= 101.3 kPa

風速（W）= 2.5 m/s

相対湿度（×）= 0.3

透水性補正係数（PCF）= 0.3

流体特性、

空気の密度（ρ1つの私r）TとPの関数として獲得される

空気の粘性（μ1つの私r）Tの機能として獲得される

水の密度（ρわ1つのter）TとPの関数として獲得される

水蒸気の密度（ρv1つのp）T、P、RHの関数として獲得される

水の蒸発潜熱（hfグラム）= 2270 kJ/kg

水の空気中への拡散係数（D）＝

−2。775×10−6+4。479×10−8T+1。656×10−10T2   メートル2/s                 （BoltzとTuveによる1976年の曲線適合）

操作、

エリア：あ＝124πおR¯2+2πおR¯（H¯−おR¯）+π（（おR¯−TH¯）2−私R¯2）   メートル2

レイノルズ数:Re¯＝ρ1つの私rWLch1つのr¯μ1つの私r

どこ、Lch1つのr¯＝2（（おR¯−TH¯）−R私¯）+2πおR¯   メートル

（露出砂のLchar + 外側の土鍋のLchar）

（装置の直径に沿った露出砂の長さ + 装置の最大円周）

Schimdt_Number:Sc＝μ1つの私rρ1つの私rD

平均シャーウッド数(層流):Shl1つのメートル¯＝0。664Re¯0。5Sc0。3

平均シャーウッド数（乱流）:Shtあなたrb¯＝0。037Re¯0。8Sc0。3

質量伝達係数:hメートル＝Sh¯DLch1つのr¯   メートル/s                          （熱と物質の移動のアナロジーを採用）

蒸発率:Ev1つのpr1つのte＝PCF（あhメートルρv1つのp（1−×））   けグラム/s

蒸発冷却:Ev1つのpcool＝（Ev1つのpr1つのtehfグラム）   けW