Zeer pot refrigerator/Design/ru

Холодильник Zeer pot — это устройство для охлаждения, изобретенное в Африке, работающее по принципу испарительного охлаждения. По данным Science in Africa , каждый такой холодильник может вместить 12 кг овощей, сохраняя их свежесть до 20 дней, при этом его производство обходится менее чем в 2 доллара США. ^{[ 1 ]} В этой статье будет показано, как собрать холодильник типа «горшок в горшке», обсуждены различные аспекты технологии и представлены результаты параметрического анализа.

В суровых засушливых климатических условиях консервация продуктов питания играет жизненно важную роль в максимизации как экономической, так и питательной ценности урожая, особенно при редких случаях хорошего урожая. Сухая жара значительно сокращает срок хранения продуктов, и в результате происходит большой объем потерь урожая. ^{[ 2 ]}

Приведенное ниже сравнение сроков годности адаптировано из тематического исследования, проведенного организацией Practical Action, и доступно по этой ссылке .

Преимущества холодильников типа «горшок в горшке» проявляются немедленно, поскольку срок хранения большинства продуктов увеличивается в 5-10 раз. Это означает, что фермеры не только могут продавать свою продукцию и после первых дней после сбора урожая, но и могут безопасно потреблять непроданные товары благодаря увеличенному сроку хранения.

При испарении с поверхности возникает энергия, связанная с фазовым переходом, известная как скрытая теплота испарения. В данной системе, когда газообразный продукт течет по влажной поверхности, испарение и конденсация непрерывно происходят для поддержания стационарного состояния.

Для поддержания испарения необходимо поглощение внутренней энергии жидкости, что приведет к снижению температуры . Этот охлаждающий эффект известен как испарительное охлаждение и наиболее эффективен в сухом климате из-за недостатка влаги (относительной влажности) в воздухе. ^{[ 4 ]}

В случае холодильника Zeer вода испаряется из песка через поверхность внешнего глиняного горшка и со всей верхней поверхности влажного песка, подверженной солнечному излучению , отнимая энергию у системы. На рисунке 1 представлено графическое изображение потока воды и энергии внутри холодильника Zeer.

Дополнительную информацию о технологиях испарительного охлаждения можно найти здесь.

Документ «Технологии на основе глины» был предоставлен организацией «Практическое действие». На страницах 15–19 документа подробно описано, как сделать холодильник «горшок в горшке». В остальной части документа обсуждаются другие технологии на основе глины, которые могут представлять интерес. Пошаговое описание изготовления холодильника «горшок в горшке» приведено ниже на случай, если читатель не может открыть файлы PDF. ^{[ 5 ]} Альтернативные руководства доступны на основе опыта организации «Движение eV» в Буркина-Фасо ^{[ 6 ]} , а также в Руководстве по передовым практикам, основанном на исследованиях в Мали, проведенных MIT D-Lab, Всемирным центром овощеводства и организацией «Движение eV». ^{[ 7 ]}

1

Изготовление форм

• Выкопайте небольшую яму в земле и накройте её ковриком. Посыпьте коврик небольшим количеством древесной щепы, чтобы он не прилипал.
• Смешайте и замесите однородную смесь грязи, навоза и воды, сформировав из нее шар.
• Многократно вдавливайте камень в смесь, чтобы в конечном итоге сформировать чашу. Продолжайте это делать, добавляя материал при необходимости, пока форма не достигнет размеров, указанных на рисунке 2.
• После изготовления формы ее необходимо оставить сохнуть на солнце примерно на 30 минут.

2

Изготовление глиняных горшков

• Выкопайте небольшую ямку в земле и застелите её ковриком. Насыпьте на коврик небольшое количество древесной стружки, чтобы он не прилипал.
• Замесите глину до состояния теста.
• Раскатайте глину и положите на перевернутую форму.
• Распределите смесь по форме, поддерживая толщину примерно 10 мм.
• Для выравнивания поверхности используйте плоский камень и немного воды.
• После того как круглая форма сформирована, форму можно снять.
• Стенки горшка можно удлинить до желаемой высоты.
• Добавьте дополнительный толстый слой по краю (примерно 20 мм).
• На этом завершается приготовление первого горшка.
• Формируйте второй, больший горшок таким же образом, используя соответствующую форму.
• При необходимости увеличьте высоту этого горшка.
• Сформируйте бортик для большего горшка, используя материал толщиной примерно 30 мм.
• Завершающий этап процесса — украшение внешней стороны горшка. Для этого смесь скатывают в длинную колбаску и приклеивают её по периметру горшка примерно на две трети его высоты. Узор создаётся путём надавливания пальцами. Большой горшок готов.
• Теперь оба горшка оставлены на солнце для просушки. Обычно это занимает от двух до четырех дней в зависимости от температуры окружающей среды и количества солнечного света.

3

Подготовка глиняных горшков

• Выберите расчищенный участок и начертите круг из камней.
• Покройте землю внутри круга коровьим навозом.
• Поместите как можно больше глиняных горшков внутрь круга.
• Полностью засыпьте горшки деревянными палочками и добавьте еще коровьего навоза.
• Разожгите огонь и дайте ему гореть 24 часа.
• Для повышения эффективности этого процесса лучше обжигать как можно больше горшков одновременно.

4

Сборка и эксплуатация

• На дно большого горшка следует насыпать песок слоем толщиной примерно 5 см.
• Поставьте меньший горшок на песок и расположите его по центру большого горшка (теперь горшки должны стоять ровно).
• Заполните оставшееся пространство между горшками песком.
• По возможности установите собранное устройство на подставку, чтобы обеспечить максимальный приток воздуха.
• Небольшой горшок следует накрыть крышкой (глиняной или тканевой), чтобы предотвратить попадание горячего воздуха в камеру хранения.
• Холодильник, работающий по принципу «горшок в горшке», функционирует в пассивном режиме до тех пор, пока песок остается влажным.
• Проверяйте песок дважды в день и добавляйте воду по мере необходимости.

Успех холодильника типа «горшок в горшке» во многом зависит от окружающих условий. Поскольку устройство использует естественное испарительное охлаждение, его можно рассматривать как подходящую технологию только для регионов с достаточно низкой относительной влажностью и достаточным уровнем циркуляции воздуха. Для максимальной эффективности холодильника типа «горшок в горшке» необходимо увеличить скорость испарения. Для надлежащего исследования технологии важно количественно оценить влияние следующих факторов:

• Относительная влажность
• Проницаемость
• Характеристики потока
  • Скорость потока
  • Ламинарный и турбулентный потоки
  • Вопросы, касающиеся пограничного слоя.
• Площадь, доступная для испарения

Следует отметить, что значения, представленные в следующих разделах, указывают на максимальный охлаждающий эффект для заданного набора параметров. Фактическое охлаждение, вероятно, будет ниже из-за неравномерности параметров, таких как скорость ветра и относительная влажность.

Относительная влажность — это показатель содержания воды, которую можно удержать в воздухе при определенной температуре. В среде с низкой относительной влажностью испарение влаги происходит быстрее и в большем объеме по сравнению со средой с высокой относительной влажностью. По этой причине устройство для охлаждения «горшок в горшке» эффективно только в условиях низкой относительной влажности (рис. 8). Наиболее подходящими местами для использования этой технологии являются северные центральные регионы Мексики (например, Чиуауа) и Африки (например, Судан).

В некоторых случаях эта технология может оказаться подходящей для определенных периодов года, когда уровень влажности низкий. При заданных условиях информацию о влажности можно измерить непосредственно по психрометрической диаграмме. Кроме того, местные метеорологические центры обычно ведут учет уровня влажности.

Для всех расчетов использовалась относительная влажность 0,3, при этом значение оставалось постоянным. При такой относительной влажности и типичной скорости ветра 2,5 м/с в условиях турбулентного потока наблюдается охлаждающий эффект в 4,46 кВт. Установленная выше зависимость, согласно которой устройство, как ожидается, будет работать лучше в условиях низкой влажности, четко показана на этом графике.

Хотя испарение, несомненно, происходит через внешний глиняный горшок, проницаемость этого слоя играет значительную роль в определении фактической скорости испарения воды. Для изготовления этого устройства используется глиняная керамика. Этот тип глины относительно пористый и проницаемый по сравнению с другими видами глины, такими как фарфор и каменная керамика. ^{[ 8 ]} Помимо проникновения через внешний глиняный горшок, вода должна проходить через песок, чтобы постоянно восполнять влагу, прошедшую через глину и испарившуюся. Охлаждающий эффект будет ограничен как скоростью диффузии, так и проницаемостью глины.

С учетом этих соображений в расчеты производительности включен поправочный коэффициент проницаемости 0,3 (подробно описано в Приложении А ). Кроме того, был построен график (Рисунок 12), на котором варьируется только этот поправочный коэффициент, чтобы дать общее представление о том, как это число влияет на представленные результаты.

Признается, что обоснованность установки этого поправочного коэффициента на уровне 0,3 может не отражать фактические ограничения, создаваемые механизмами диффузии влаги и проницаемости глины внутри устройства. Это создает основу для будущего проекта, который позволит более детально изучить этот вопрос, включая определение методов повышения проницаемости глины.

По мере испарения воды в окружающий воздух локальная относительная влажность повышается, что снижает вероятность дальнейшего испарения. Для замены влажного воздуха сухим необходим воздушный поток. Он обеспечивается естественными ветрами в этом районе. Высокая скорость воздушного потока приведет к тому, что окружающий устройство воздух будет постоянно оставаться сухим, что, следовательно, вызовет более высокую скорость испарения.

На основе анализа метеорологических данных по регионам Северной и Центральной Африки была выбрана средняя скорость ветра 2,5 м/с или 5,6 миль/ч.

В данной системе наличие турбулентности в потоке жидкости увеличивает уровень перемешивания, теплопередачи и массопередачи. В этом конкретном случае, для типичной ситуации, поток можно считать турбулентным. Если мы рассмотрим поток воздуха над плоской пластиной (где поток воздуха — это ветер, а плоская пластина — это земля), можно рассчитать расстояние, на котором поток переходит из ламинарного в турбулентный. Этот переход происходит при числе Рейнольдса приблизительно 5 × 10⁻⁶.105.

Число Рейнольдса — это безразмерный параметр, определяемый как мера отношения инерционных сил к силам вязкости и рассчитываемый следующим образом:

        Ре=ρВхμ   ^{[ 9 ]}

При температуре окружающего воздуха 35 градусов Цельсия и скорости ветра 2,5 м/с установлено, что поток переходит в турбулентность на расстоянии приблизительно 2,6 м.

В этом и заключается обоснование нашего предположения о турбулентности. Если мы полагаемся на естественный ветер, то крайне маловероятно, что холодильник типа «горшок в горшке» будет расположен на расстоянии менее 2,6 м от места первоначального взаимодействия воздушного потока с поверхностью земли. Для полноты картины был составлен график, иллюстрирующий разницу в производительности при ламинарном и турбулентном потоке (рисунок 9).

Продолжая анализ плоской пластины, необходимо признать существование пограничного слоя. Внутри этого пограничного слоя существует градиент скорости, при котором скорость увеличивается по мере удаления от земли. Фактическая скорость ветра (скорость свободного потока) существует только за пределами этого пограничного слоя. ^{[ 10 ]} Из-за этого градиента скорости высота пограничного слоя становится важным фактором, влияющим на производительность холодильника типа «горшок в горшке». Эту высоту можно рассчитать следующим образом:

        ∂лам=5μхρВ   ^{[ 11 ]}

        ∂турб=0,37хРех−15   ^{[ 12 ]}

На рисунке 8 графически показано, как это значение увеличивается в направлении потока. Становится ясно, что, увеличивая высоту холодильника типа «горшок в горшке», устройство может подвергаться воздействию большей скорости ветра. Скорость ветра оказывает существенное влияние на производительность устройства. Анализ различных графиков, представленных в этой статье, показывает, что охлаждающий эффект усиливается с увеличением скорости ветра.

Наличие градиента скорости в пограничном слое и ожидаемое повышение производительности за счет более высоких скоростей предполагают, что устройство следует размещать как можно выше и без препятствий для воздушного потока. Этого можно добиться, используя каркасную конструкцию, на которой будет располагаться устройство. По возможности, сам каркас следует размещать на возвышенности или на существующих прочных конструкциях.

Площадь поверхности, доступная для испарения в системе «горшок в горшке», для системы «горшок в горшке» можно приблизительно оценить следующим образом:

  Общая площадь = Площадь поверхности сферической части внешнего горшка

                 + Площадь поверхности цилиндрической части внешней емкости

                 + Площадь открытой песчаной поверхности между горшками

Например, если мы используем рекомендуемые размеры, предоставленные организацией Practical Action (рисунок 11), то получим следующую площадь:

        Ареатотал=124πОР¯2+2πОР¯(ЧАС¯−ОР¯)+π((ОР¯−ТЧАС¯)2−яР¯2)=0,773м2

Это значение использовалось во всех расчетах, в которых площадь оставалась постоянной.

На рисунке 12 показано, как производительность устройства изменяется в зависимости от площади. В разделе, посвященном изготовлению холодильника «горшок в горшке» , показано, что радиус является самым простым параметром, который можно изменять в процессе. Таким образом, радиус внешнего горшка был выбран для изменения площади, доступной для испарения.

Как и ожидалось, наблюдается заметное усиление охлаждающего эффекта с увеличением площади поверхности. При выбранной скорости ветра 2,5 м/с охлаждающий эффект составляет 4,46 кВт, 6,58 кВт и 8,85 кВт для радиусов 0,25 м, 0,35 м и 0,45 м соответственно.

Однако увеличение площади подразумевает необходимость использования большего количества глины и формовочного материала для каждого устройства, что повысит среднюю цену на 2 доллара США. Кроме того, для работы устройства потребуется больше песка и воды. Вариант увеличения площади, доступной для испарения, следует реализовывать только после учета этих факторов. Это может оказаться жизнеспособным подходом для семей, желающих объединить ресурсы для создания более крупного и эффективного устройства для сушки белья в горшках. В этом случае внутренний горшок также следует сделать больше, чтобы увеличить вместимость для хранения продуктов внутри устройства.

Значения охлаждающего эффекта указаны в киловаттах (кВт), а не в виде энергии. Фактическое количество энергии, отводимой от системы, зависит от наличия этих условий и продолжительности их действия.

Кроме того, энергия, полученная из этого числа, указывает на общую энергию, которую можно отвести от всего устройства «горшок в горшке». Это включает в себя энергию обоих глиняных горшков, объем песка, содержание воды в песке, воздух в камере хранения и содержимое камеры хранения. Поэтому это значение не следует интерпретировать как энергию, отведенную исключительно из камеры хранения. Для полного анализа механизмов теплопередачи внутри конструкции «горшок в горшке» потребовалась бы сложная модель теплопроводности и диффузии массы, что выходит за рамки данной статьи.

В холодильнике типа «кастрюля в кастрюле» будут наблюдаться оба вида конвекции. Когда воздух находится в неподвижном состоянии, устройство будет испытывать естественную конвекцию, а затем, когда воздух будет двигаться с заданной скоростью, устройство будет испытывать воздействие принудительной конвекции.

В обоих случаях конвективный процесс, вероятно, будет передавать энергию системе из-за высокой температуры окружающей среды и более низкой температуры поверхности устройства. Эта энергия, передаваемая в систему, уменьшит общий охлаждающий эффект. Однако по сравнению с энергией, связанной с реакцией фазового перехода (испарением), конвективные потери/прирост энергии относительно невелики.

Предполагается, что холодильник Zeer будет работать в открытых условиях под прямыми солнечными лучами в течение дня. Это приведет к передаче значительного количества энергии системе, зависящей от уровня солнечной радиации, температуры поверхности внешнего горшка и свойств материала глины.

В этом разделе будет предпринята попытка количественно оценить количество энергии, отводимой из камеры хранения, с помощью энергетического баланса, включающего испарительное охлаждение и излучение.

Следующие условия описывают базовый сценарий, используемый на протяжении всей статьи:

        Амбяент Температуре:Тамб=308К

        Релатяве ЧАСумядятй:РЧАС=0.3

        Вянд Спеед:В=2.5м/с

        Пермеабялятй Соррестяон Фастор:ПСФ=0.3

        Сурфасе Ареа фор Евапоратяон:А=0,733м/с

Чтобы учесть воздействие радиации, рассмотрим только дневные часы, предположим, что они приходятся на период с 8:00 до 18:00 (10 часов).

Максимальный охлаждающий эффект при указанных выше параметрах составил 4,46 кВт. За 10 часов общее охлаждение (с учетом периодов застоя потока, неровностей окружающей среды и периодов снижения влажности песка) приблизительно соответствует трем часам при этом максимальном значении для заданных условий. Это дает нам эффективные потери энергии от системы в размере 13,4 кВт·ч.

Следующий расчет определяет суммарную энергию, передаваемую системе излучением в описанном сценарии. Дополнительно пусть:

        Еффестяве Скй Температуре:Тскй=263К

        Девясе Сурфасе Температуре:Тс=293К

        Солар яррадяатяон:Гс=1000В/м2

        Девясе Сурфасе Абсорптявятй:αс=0,5

        Девясе Сурфасе Емяссявятй:ϵ=0,8

Выполнение энергетического баланса устройства (только для излучения):

        q′'рад=αГС−ϵσ(Тс4−Тскй4)

        q′'рад=(500−117)В/м2

        q′'рад =383 В/м2

Площадь, подверженная радиационному теплообмену, можно приблизительно приравнять к следующей величине:

         (12×Сурфасе Ареа Аваялабле фор Евапоратяон)+Топ Сурфасе Ареа оф Смалл Пот

         =(12×0,773)+0.11м2

         =0,50 м2

За 10 часов облучения общая чистая энергия излучения , переданная системе, составляет 1,92 кВт·ч.

Таким образом, энергия, вытекающая из устройства за 10 часов, составляет (13,4 - 1,92) = 11,48 кВт·ч.

Как упоминалось выше, это значение представляет собой потери энергии для всего устройства типа «горшок в горшке». Из-за особенностей теплопроводности для создания оттока энергии внутри устройства необходим температурный градиент. Следовательно, каждый слой устройства должен охлаждаться: внешний горшок; объем песка; содержание воды в песке; внутренний горшок; воздух в камере хранения; и содержимое камеры хранения. С учетом этого можно предположить, что только 5% от общего оттока энергии напрямую воздействуют на камеру хранения.

Таким образом, фактическое охлаждение внутри накопительной камеры при заданных условиях составляет приблизительно 0,57 кВт·ч.

Помимо ограничений, связанных с необходимыми климатическими условиями для успешной работы холодильника типа «кастрюля в кастрюле», существует также необходимость в постоянном снабжении водой. Во многих регионах вода может использоваться в первую очередь для других целей, что затрудняет внедрение этой технологии в населенных пунктах. Кроме того, устройство не имеет надлежащей герметизации камеры хранения, что снижает его общую эффективность, поскольку теплый окружающий воздух может проникать в эту камеру и повышать температуру в охлаждаемой зоне. (Однако теплый воздух будет подниматься, а охлажденный воздух тяжелее и опускается, поэтому температура всегда будет самой низкой внизу).

Был проведен параметрический анализ производительности холодильной установки типа «горшок в горшке» Zeer. Как и ожидалось, устройство хорошо работает только в условиях низкой относительной влажности. Скорость ветра и площадь, доступная для испарения, являются двумя основными факторами, которые можно учесть для улучшения производительности холодильной установки типа «горшок в горшке».

Было показано, что увеличение радиуса внешнего горшка с 0,25 м до 0,45 м почти удваивает общий охлаждающий эффект. Однако внедрение этого метода ограничено увеличением стоимости, связанным с использованием большего количества материалов. Предлагается применять стратегию создания более крупных холодильников типа «горшок в горшке» только в том случае, если члены сообщества готовы и способны объединить свои ресурсы для совместного использования устройства с превосходными характеристиками.

Нереалистично предполагать, что наличие электроэнергии обеспечит постоянный и достаточный приток воздуха. Устройство зависит исключительно от естественных ветров. Для максимального увеличения воздушного потока рекомендуется размещать холодильник Zeer как можно выше над землей. Этого можно добиться, построив простую раму для поддержки устройства и разместив его на возвышенности или на крышах зданий.

Существует потенциал для дальнейшего анализа этого устройства. Разработка подробной модели теплопроводности для анализа механизмов теплопередачи и диффузии массы в различных слоях поможет выявить факторы, ограничивающие производительность, и способы их устранения. Кроме того, экспериментальным путем можно было бы провести исследование по замене поправочного коэффициента проницаемости, используемого в этом анализе, реальными скоростями диффузии влаги через глину.

Все уравнения были решены с использованием программного пакета EES (Engineering Equation Solver). Использованные уравнения описаны ниже.

Данный,

Внешний радиус глиняного горшка(ОР¯)= 0,25 м

Радиус внутреннего глиняного горшка(яР¯)= 0,185 м

Толщина(ТЧАС¯)= 0,015 м

Высота(ЧАС)= 0,45 м

Температура окружающей среды(Т)= 308 К

Атмосферное давление(П)= 101,3 кПа

Скорость ветра(В)= 2,5 м/с

Относительная влажность(х)= 0,3

Поправочный коэффициент проницаемости(ПСФ)= 0,3

Свойства жидкости,

Плотность воздуха(ρаяр)полученные как функция T и P

Вязкость воздуха(μаяр)полученный как функция T

Плотность воды(ρватер)полученные как функция T и P

Плотность водяного пара(ρвап)приобретенные в зависимости от температуры, давления и относительной влажности

Скрытая теплота испарения воды(часфг)= 2270 кДж/кг

Коэффициент диффузии воды в воздух (D) =

−2.775×10−6+4.479×10−8Т+1.656×10−10Т2   м2/с                 (Curve Fit, Болтц и Туве, 1976)

Манипуляции,

Область:А=124πОР¯2+2πОР¯(ЧАС¯−ОР¯)+π((ОР¯−ТЧАС¯)2−яР¯2)   м2

Число Рейнольдса:Ре¯=ρаярВЛсчасар¯μаяр

где,Лсчасар¯=2((ОР¯−ТЧАС¯)−Ря¯)+2πОР¯   м

(Lchar для открытого песка + Lchar для внешнего глиняного горшка)

(Длина обнаженного песка вдоль диаметра устройства + Максимальная окружность устройства)

Schimdt_Number:Сс=μаярρаярД

Среднее значение числа Шервуда (ламинарный режим):Счаслам¯=0,664Ре¯0,5Сс0.3

Среднее число Шервуда (турбулентность):Счастурб¯=0,037Ре¯0,8Сс0.3

Коэффициент_массопереноса:часм=Счас¯ДЛсчасар¯   м/с                          (Используя аналогию с тепло- и массопереносом)

Скорость испарения:Евапрате=ПСФ(Ачасмρвап(1−х))   кг/с

Испарительное охлаждение:Евапсоол=(Евапратечасфг)   кВ