Zeer pot refrigerator/Design/zh

專案數據

類型
作者	阿永·沙希德
地點	布吉納法索
地位	已部署
年
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Zeer 罐是一種在非洲發明的冷凍裝置，其工作原理是蒸發冷卻。根據《非洲科學》通報，每個裝置可儲存 12 公斤蔬菜，保鮮期長達 20 天，生產成本不到 2 美元。^{[ 1 ]}本文將展示如何建造一個「罐中罐」冰箱，探討該技術的各個方面，並展示參數分析的結果。

技術概述

在嚴酷乾旱的氣候條件下，食物保鮮對於最大限度地提高難得的豐收季節的經濟效益和營養價值至關重要。乾熱天氣會顯著縮短農產品的保存期限，造成大量的農作物浪費。^{[ 2 ]}

以下保質期比較改編自實際行動組織進行的案例研究，可直接在此處存取。

「罐中罐冰箱」的效益立竿見影，大多數農產品的保質期延長了5到10倍。這意味著農民不僅可以在收穫後的最初幾天內出售農產品，還能因為保質期延長而安全地消費未售出的農產品。

工作原理

當蒸發從表面發生時，會產生與相變相關的能量，稱為汽化潛熱。在給定係統中，當氣體流過濕潤表面時，蒸發和冷凝會持續發生，以維持穩態條件。

為了維持蒸發，液體必須消耗其內部能量，導致溫度降低。這種冷卻效應稱為蒸發冷卻，在乾燥氣候下最為有效，因為乾燥氣候下空氣中水分含量（相對濕度）較低。^{[ 4 ]}

在澤爾製冷機中，水分會透過外層陶罐表面以及暴露在太陽輻射下的濕沙的整個頂部表面從沙子中蒸發出來，從而帶走系統中的能量。圖1是澤爾製冷機內部水流和能量流動的示意圖。

您可以在此處獲取有關蒸發冷卻技術的更多資訊。

如何製作鍋中鍋冰箱

實用行動組織 (Practical Action Organization) 發布了題為《基於粘土的技術》的文件。文件的第 15 至 19 頁詳細介紹如何製作「罐中罐冰箱」。其餘部分討論了其他可能感興趣的基於粘土的技術。如果讀者無法開啟 PDF 文件，以下列出了製作「罐中罐冰箱」的步驟。 ^{[ 5 ]}另有其他手冊可供參考，這些手冊基於 Movement eV 在布吉納法索的經驗^{[ 6 ]}，以及基於麻省理工學院 D-Lab、世界蔬菜中心和 Movement eV 在馬裡開展的研究而編寫的《最佳實踐指南》。^{[ 7 ]}

1

製作模具

• 在地上挖一個小洞，用墊子蓋住。墊子上放少量木屑，防止沾黏。
• 將泥土、糞便和水混合均勻並揉成球
• 反覆用石頭壓入混合物，最終形成碗狀。繼續按壓，必要時添加更多材料，直到模具達到圖2所示的尺寸。
• 模具製作完成後，必須放在陽光下晾乾約 30 分鐘

2

製作陶罐

• 在地上挖一個小洞，用墊子蓋住。墊子上放少量木屑，防止沾黏。
• 將黏土揉成麵團狀混合物
• 將黏土滾平並放在倒置的模具上
• 將混合物鋪在模具上，保持約 10 毫米的厚度
• 使用平石和一些水來撫平表面
• 一旦形成圓形，就可以取出模具
• 鍋壁可延伸至所需高度
• 在邊緣處添加一層額外厚的塗層（約 20 毫米）
• 這樣就完成了第一個鍋
• 用同樣的方法，用合適的模具製作更大的第二個鍋
• 根據需要增加這個鍋子的高度
• 為較大的鍋子製作邊緣，厚度約 30 毫米
• 這個過程的最後一步是在鍋的外部添加裝飾。將混合物捲成香腸狀，然後將其粘在鍋的外部，大約三分之二的高度。圖案是用手指按壓出來的。大鍋就完成了。
• 現在把兩個花盆放在陽光下曬乾。這通常需要兩到四天，具體取決於環境溫度和光照。

3

準備陶罐

• 確定一個空曠的區域，並用石頭圍成一個圈
• 用牛糞覆蓋圓圈內的地面
• 在圓圈內放置盡可能多的陶罐
• 用木棍和更多的牛糞將花盆完全覆蓋
• 點燃火併讓它燃燒24小時
• 為了使這個過程更有效率，最好一次燒盡可能多的鍋

4

組裝和操作

• 沙子應放在大花盆底部，形成一層約 5 公分深的沙子
• 將小花盆放在沙上，並將其放在大花盆的中央（現在花盆應該是水平的）
• 用沙子填滿花盆之間的剩餘空間
• 如果可能的話，將組裝好的設備放在支架上，以最大限度地增加空氣流通
• 小罐應蓋上蓋子（黏土或布），以防止熱空氣進入儲藏室
• 只要沙子保持濕潤，罐中罐冰箱就會被動運行
• 每天檢查沙子兩次，並根據需要加水

技術分析

罐中罐製冷機的成功很大程度上取決於周圍環境條件。由於該裝置依賴自然蒸發冷卻，因此它僅適用於相對濕度較低且空氣流通充足的地區。為了最大限度地提高罐中罐冷卻裝置的效率，必須提高蒸發速率。為了正確研究該技術，量化以下因素的影響至關重要：

• 相對濕度
• 滲透性
• 流動特性
  • 流速
  • 層流與湍流
  • 邊界層考慮因素
• 可蒸發面積

需要注意的是，以下章節中給出的數值表示給定參數的最大冷卻效果。由於風速和相對濕度等參數的不規則性，實際冷卻效果可能會更低。

相對濕度

相對濕度是衡量特定溫度下空氣中水含量的指標。與相對濕度較高的環境相比，相對濕度較低的環境更容易蒸發水分，蒸發量也較大。因此，罐中罐冷卻裝置僅在相對濕度較低的環境中有效（圖8）。墨西哥中北部地區（例如奇瓦瓦州）和非洲（例如蘇丹）是最適合使用這項技術的地區。

在某些情況下，該技術可能適用於一年中濕度較低的特定時期。對於一組給定條件，可以直接從濕度圖上測量濕度資訊。此外，當地氣像中心通常會記錄濕度水平。

所有計算均採用相對濕度 0.3 的數值，並保持該值恆定。在此相對濕度和典型風速 2.5 公尺/秒的情況下，湍流條件下的冷卻效果為 4.46kW。此圖清楚顯示了上述關係，即預期設備在低濕度環境下性能較佳。

滲透性

雖然蒸發無疑會透過外層陶罐進行，但外層的滲透性在決定水分蒸發的實際速率方面起著重要作用。用於製作這種陶器的黏土類型為陶土。與其他類型的黏土（例如瓷器和炻器）相比，這種黏土的孔隙度和滲透性相對較高。^{[ 8 ]}除了滲透外層陶罐外，水還必須穿過沙子，不斷補充已經滲透到黏土中並蒸發掉的水分。冷卻效果會受到擴散速率和黏土滲透性的雙重限制。

考慮到這些因素，我們將滲透率校正係數 0.3 納入效能計算中（詳見附錄 A）。此外，我們也繪製了一張僅改變該校正係數的圖表（圖 12），以便大致了解該數值如何影響所呈現的研究結果。

需要承認的是，將校正係數設為 0.3 的有效性可能無法代表設備內部水分擴散和黏土滲透機制所造成的實際限制。這為未來更深入研究這個問題的項目提供了一個平台，包括尋找提高黏土滲透性的方法。

流動特性

流速

隨著水分蒸發到周圍空氣中，局部相對濕度增加，從而降低了進一步蒸發的可能性。需要空氣流動來將潮濕的空氣替換為乾燥的空氣。該區域的自然風可以實現這一目標。較高的流速會導致設備周圍的空氣持續保持乾燥狀態，進而提高蒸發率。

根據對北非和中非地區氣象資料的審查，選定的平均風速為 2.5 公尺/秒或 5.6 英里/小時。

層流與湍流

在給定係統中，流體流動中的湍流會增強混合、傳熱和傳質的水平。在這種特殊情況下，對於典型的設定，可以假設流動為湍流。如果我們考慮平板上的氣流（其中氣流為風，平板為地面），可以計算出流動從層流轉變為湍流的距離。這種轉變發生在雷諾數約為 5 x105。

雷諾數是無量綱參數，定義為慣性力與黏滯力之比的度量，可如下計算：

        Re=ρ五xμ   ^{[ 9 ]}

當環境空氣溫度為攝氏 35 度、風速為 2.5 公尺/秒時，發現流動在約 2.6 公尺的距離轉變為湍流。

這就是我們湍流假設的依據。如果我們依賴自然風，那麼「罐中罐」冰箱極不可能位於氣流最初與地面接觸點2.6公尺以內。為了完整起見，我們製作了一張圖表來突顯層流和湍流之間的表現差異（圖9）。

邊界層考慮因素

繼續進行平板分析，必須承認邊界層的存在。邊界層內存在速度梯度，即隨著遠離地面，速度逐漸增加。實際風速（自由流速度）僅存在於邊界層之外。^{[ 10 ]}由於存在速度梯度，邊界層高度成為影響「罐中罐」冰箱性能的重要因素。此高度可按下式計算：

        ∂公升一個米=5μxρ五   ^{[ 11 ]}

        ∂噸你rb=0。37xRex−15   ^{[ 12 ]}

圖8以圖形方式顯示了該值沿流動方向如何增加。可以清楚地看出，透過增加罐中罐冰箱的高度，該設備可以承受更大的風速。風速對設備的性能有顯著的影響。觀察本文提供的各種圖表表明，隨著風速的增加，冷卻效果會增強。

邊界層內存在速度梯度，且由於速度較高而預期性能提升，因此應將設備放置在盡可能高的位置，且不阻礙氣流。這可以透過使用框架結構將設備置於其上來實現。如果可能，框架本身應放置在高處或現有實體結構的頂部。

可供蒸發的區域

對於罐中罐系統，可供蒸發的表面積可近似為：

  總面積=外鍋球形部分的表面積

                 + 外鍋圓柱部分的表面積

                 + 花盆之間裸露沙子的表面積

例如，如果我們使用實際行動組織給予的建議尺寸（圖 11），則該面積為：

        一個re一個噸哦噸一個公升=124π哦R¯2+2π哦R¯(哈¯−哦R¯)+π((哦R¯−T哈¯)2−我R¯2)=0。773米2

該值已用於所有面積保持不變的計算。

圖 12 突顯了設備性能如何隨面積變化。概述「如何製作鍋中鍋冰箱」部分，您會發現半徑是整個過程中最容易改變的尺寸。因此，選擇外鍋的半徑來改變可用於蒸發的面積。

如預期，隨著表面積的增加，冷卻效果顯著提升。當風速為2.5m/s時，半徑分別為0.25m、0.35m和0.45m時，冷卻效果分別為4.46kW、6.58kW和8.85kW。

然而，增加面積意味著每個裝置需要使用更多的黏土和模具材料，這將使平均價格上漲2美元。此外，該裝置運作需要更多的沙子和水。只有在考慮了這些因素之後，才應該考慮增加蒸發面積。對於那些希望集中資源建造更大、更有效率的「罐中罐」裝置的家庭來說，這或許是個可行的方法。在這種情況下，內罐也應該更大，以增加裝置內物品的儲存容量。

討論

報告值的解釋

冷卻效果的數值以千瓦(kW)為單位，而非能量形式。系統中實際消耗的能量取決於這些條件的存在及其持續時間。

此外，從該數值得出的能量指示了可從整個「壺中壺」裝置中移除的總能量。這包括陶罐、沙子的體積、沙子中的水分、儲存室內的空氣以及儲存室內的內容物。因此，該值不應被解讀為僅從儲存室中移除的能量。要全面分析「壺中壺」結構中的熱傳導機制，需要一個複雜的傳導和質量擴散模型，但這超出了本文的討論範圍。

對流

罐中罐冰箱會經歷兩種形式的對流。當空氣靜止時，設備會經歷自然對流；隨後，當空氣以給定速度流動時，設備會經歷強制對流。

在這兩種情況下，由於環境溫度較高且設備表面溫度較低，對流過程很可能會向系統傳遞能量。傳遞到系統中的能量會降低整體冷卻效果。然而，與相變反應（蒸發）相關的能量相比，對流損失/增益相對較小。

輻射

Zeer pot 冰箱預計將在白天陽光直射的開放環境下運作。這將向系統傳輸大量能量，具體取決於太陽輻射水平、外罐表面溫度以及黏土的材質特性。

淨能量平衡的粗略近似值

本節將嘗試透過應用包括蒸發冷卻和輻射在內的能量平衡來量化從儲存室中提取的能量。

以下條件描述了整篇文章中使用的基本情況：

        一個米b我en噸 Te米頁er一個噸你re：T一個米b=308鉀

        Re公升一個噸我五e 哈你米我d我噸y：R哈=0。3

        西我nd 秒頁eed：西=2。5米/秒

        磷er米e一個b我公升我噸y 碳哦rrec噸我哦n F一個c噸哦r：磷碳F=0。3

        秒你rf一個ce 一個re一個 f哦r 埃五一個頁哦r一個噸我哦n：一個=0。733米/秒

為了考慮輻射的影響，我們只考慮白天的時間，假設是上午 8 點到下午 6 點之間（10 小時）。

據報道，上述參數的最大冷卻效果為4.46kW。在10小時內，考慮到流動停滯期、環境不規則性以及砂中水分含量降低期，在規定條件下，總冷卻時間約為3小時。由此得出系統有效能量損失為13.4kWh。

以下計算確定了所述場景下透過輻射傳輸到系統的淨能量。另外設：

        埃ffec噸我五e 秒千y Te米頁er一個噸你re：T秒千y=263鉀

        De五我ce 秒你rf一個ce Te米頁er一個噸你re：T秒=293鉀

        秒哦公升一個r 我rr一個d我一個噸我哦n：格秒=1000西/米2

        De五我ce 秒你rf一個ce 一個b秒哦r頁噸我五我噸y：α秒=0。5

        De五我ce 秒你rf一個ce 埃米我秒秒我五我噸y：ϵ=0。8

對設備進行能量平衡（僅針對輻射）：

        問′'r一個d=α格秒−ϵσ(T秒4−T秒千y4)

        問′'r一個d=(500−117)西/米2

        問′'r一個d =383 西/米2

我們可以將輻射傳熱暴露面積近似為：

         (12×秒你rf一個ce 一個re一個 一個五一個我公升一個b公升e f哦r 埃五一個頁哦r一個噸我哦n)+T哦頁 秒你rf一個ce 一個re一個 哦f 秒米一個公升公升 磷哦噸

         =(12×0。773)+0。11米2

         =0。50 米2

在 10 小時的暴露期內，傳輸到系統的總淨輻射能量為 1.92kWh。

因此，該設備在 10 小時內流出的能量為 (13.4 - 1.92) = 11.48kWh

如上所述，該值代表整個「罐中罐」裝置的能量損失。由於傳導的特性，裝置內部必須存在溫度梯度才能產生能量流出。因此，裝置的每一層都必須冷卻：外罐；沙子體積；沙子中的水分；內罐；儲存室內的空氣；以及儲存室內的物品。考慮到這些因素，可以合理地估計，總能量流出量中僅有5%直接影響儲存室。

因此，在規定條件下，儲藏室內的實際冷卻量約為 0.57kWh。

設備限制

Beyond the limitations of the required climatic conditions for the pot-in-pot refrigerator to be successful, there is also a need for a continuous supply of water. For many regions, water may be prioritized for other purposes making the it difficult for communities to adopt the technology. The device also has no proper seal for the storage chamber, reducing it's overall effectiveness since warm ambient air can seep into this chamber and increase the temperature of chilled zone. (however warm air will rise and chilled air is heavier and drops, so the temperature will always be coldest on the bottom)

Conclusion

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

附錄 A：計算方法

所有方程式均已使用EES（工程方程式求解器）軟體包求解。所用方程式概述如下。

鑑於，

外粘土罐半徑(哦R¯)= 0.25 米

內粘土罐半徑(我R¯)= 0.185 米

厚度(T哈¯)= 0.015 米

高度(哈)= 0.45 米

環境溫度(T)= 308 K

環境壓力(磷)= 101.3 千帕

風速(西)= 2.5 公尺/秒

相對濕度(x)= 0.3

滲透性校正係數(磷碳F)= 0.3

流體特性，

空氣密度(ρ一個我r)作為 T 和 P 的函數獲得

空氣黏度(μ一個我r)作為 T 的函數獲得

水的密度(ρ西一個噸er)作為 T 和 P 的函數獲得

水蒸氣密度(ρ五一個頁)根據 T、P 和 RH 獲得

水的汽化潛熱(hf克)= 2270 千焦/公斤

水在空氣中的擴散係數（D）=

−2。775×10−6+4。479×10−8T+1。656×10−10T2   米2/秒                 （曲線擬合由 Boltz 和 Tuve 於 1976 年完成）

操縱，

區域：一個=124π哦R¯2+2π哦R¯(哈¯−哦R¯)+π((哦R¯−T哈¯)2−我R¯2)   米2

雷諾數：Re¯=ρ一個我r西左ch一個r¯μ一個我r

在哪裡，左ch一個r¯=2((哦R¯−T哈¯)−R我¯)+2π哦R¯   米

（裸露沙子的 Lchar + 外部陶罐的 Lchar）

（沿著裝置直徑露出的沙子的長度+裝置的最大周長）

Schimdt_Number：秒c=μ一個我rρ一個我rD

平均舍伍德數（層流）：秒h公升一個米¯=0。664Re¯0。5秒c0。3

平均舍伍德數（湍流）：秒h噸你rb¯=0。037Re¯0。8秒c0。3

質量傳遞係數：h米=秒h¯D左ch一個r¯   米/秒                          （採用熱和質量傳遞類比）

蒸發率：埃五一個頁r一個噸e=磷碳F(一個h米ρ五一個頁(1−x))   千克/秒

蒸發冷卻：埃五一個頁c哦哦公升=(埃五一個頁r一個噸ehf克)   千西

頁面數據

部分	機械425
關鍵字	工程,加熱 和 冷卻,國際 發展,適用 技術,製冷
永續發展目標
作者	阿永·沙希德
執照	CC-BY-SA-3.0
組織	皇后大學
語言	英語(en)
翻譯	希伯來文、葡萄牙語、印尼語、法語、日語、西班牙語、中文、俄語
有關的	8 個子頁面，其中 1 個頁面連結至此處
重定向	Zeer pot 冷凍（設計），Zeer pot 冷凍/設計
視圖	1,376 頁頁面瀏覽量（分析）
創建	2010 年4 月 3 日，作者：Ayon Shahed
最後編輯	2024 年5 月 28 日，作者：Kathy Nativi
引用	Ayon Shahed (2010–2024)。“Zeer pot 冰箱/設計”。 Appropedia 。檢索日期：2025年7月15日。
API 查詢	基本、語意、html、文件、更多