Zeer pot refrigerator/Design/zh

专案数据

类型
作者	阿永·沙希德
地点	布基纳法索
地位	已部署
年
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Zeer 罐是一种在非洲发明的冷冻装置，其工作原理是蒸发冷却。根据《非洲科学》通报，每个装置可储存 12 公斤蔬菜，保鲜期长达 20 天，生产成本不到 2 美元。^{[ 1 ]}本文将展示如何建造一个“罐中罐”冰箱，探讨该技术的各个方面，并展示参数分析的结果。

技术概述

在严酷干旱的气候条件下，食物保鲜对于最大限度地提高难得的丰收季节的经济效益和营养价值至关重要。干热天气会显著缩短农产品的保存期限，造成大量的农作物浪费。^{[ 2 ]}

以下保质期比较改编自实际行动组织进行的案例研究，可直接在此处存取。

“罐中罐冰箱”的效益立竿见影，大多数农产品的保质期延长了5到10倍。这意味着农民不仅可以在收获后的最初几天内出售农产品，还能因为保质期延长而安全地消费未售出的农产品。

工作原理

当蒸发从表面发生时，会产生与相变相关的能量，称为汽化潜热。在给定系统中，当气体流过湿润表面时，蒸发和冷凝会持续发生，以维持稳态条件。

为了维持蒸发，液体必须消耗其内部能量，导致温度降低。这种冷却效应称为蒸发冷却，在干燥气候下最为有效，因为干燥气候下空气中水分含量（相对湿度）较低。^{[ 4 ]}

在泽尔制冷机中，水分会透过外层陶罐表面以及暴露在太阳辐射下的湿沙的整个顶部表面从沙子中蒸发出来，从而带走系统中的能量。图1是泽尔制冷机内部水流和能量流动的示意图。

您可以在此处获取有关蒸发冷却技术的更多资讯。

如何制作锅中锅冰箱

实用行动组织 (Practical Action Organization) 发布了题为《基于粘土的技术》的文件。文件的第 15 至 19 页详细介绍如何制作“罐中罐冰箱”。其余部分讨论了其他可能感兴趣的基于粘土的技术。如果读者无法开启 PDF 文件，以下列出了制作“罐中罐冰箱”的步骤。 ^{[ 5 ]}另有其他手册可供参考，这些手册基于 Movement eV 在布基纳法索的经验^{[ 6 ]}，以及基于麻省理工学院 D-Lab、世界蔬菜中心和 Movement eV 在马里开展的研究而编写的《最佳实践指南》。^{[ 7 ]}

1

制作模具

• 在地上挖一个小洞，用垫子盖住。垫子上放少量木屑，防止沾黏。
• 将泥土、粪便和水混合均匀并揉成球
• 反复用石头压入混合物，最终形成碗状。继续按压，必要时添加更多材料，直到模具达到图2所示的尺寸。
• 模具制作完成后，必须放在阳光下晾干约 30 分钟

2

制作陶罐

• 在地上挖一个小洞，用垫子盖住。垫子上放少量木屑，防止沾黏。
• 将黏土揉成面团状混合物
• 将黏土滚平并放在倒置的模具上
• 将混合物铺在模具上，保持约 10 毫米的厚度
• 使用平石和一些水来抚平表面
• 一旦形成圆形，就可以取出模具
• 锅壁可延伸至所需高度
• 在边缘处添加一层额外厚的涂层（约 20 毫米）
• 这样就完成了第一个锅
• 用同样的方法，用合适的模具制作更大的第二个锅
• 根据需要增加这个锅子的高度
• 为较大的锅子制作边缘，厚度约 30 毫米
• 这个过程的最后一步是在锅的外部添加装饰。将混合物卷成香肠状，然后将其粘在锅的外部，大约三分之二的高度。图案是用手指按压出来的。大锅就完成了。
• 现在把两个花盆放在阳光下晒干。这通常需要两到四天，具体取决于环境温度和光照。

3

准备陶罐

• 确定一个空旷的区域，并用石头围成一个圈
• 用牛粪覆盖圆圈内的地面
• 在圆圈内放置尽可能多的陶罐
• 用木棍和更多的牛粪将花盆完全覆盖
• 点燃火并让它燃烧24小时
• 为了使这个过程更有效率，最好一次烧尽可能多的锅

4

组装和操作

• 沙子应放在大花盆底部，形成一层约 5 公分深的沙子
• 将小花盆放在沙上，并将其放在大花盆的中央（现在花盆应该是水平的）
• 用沙子填满花盆之间的剩余空间
• 如果可能的话，将组装好的设备放在支架上，以最大限度地增加空气流通
• 小罐应盖上盖子（黏土或布），以防止热空气进入储藏室
• 只要沙子保持湿润，罐中罐冰箱就会被动运行
• 每天检查沙子两次，并根据需要加水

技术分析

罐中罐制冷机的成功很大程度上取决于周围环境条件。由于该装置依赖自然蒸发冷却，因此它仅适用于相对湿度较低且空气流通充足的地区。为了最大限度地提高罐中罐冷却装置的效率，必须提高蒸发速率。为了正确研究该技术，量化以下因素的影响至关重要：

• 相对湿度
• 渗透性
• 流动特性
  • 流速
  • 层流与湍流
  • 边界层考虑因素
• 可蒸发面积

需要注意的是，以下章节中给出的数值表示给定参数的最大冷却效果。由于风速和相对湿度等参数的不规则性，实际冷却效果可能会更低。

相对湿度

相对湿度是衡量特定温度下空气中水含量的指标。与相对湿度较高的环境相比，相对湿度较低的环境更容易蒸发水分，蒸发量也较大。因此，罐中罐冷却装置仅在相对湿度较低的环境中有效（图8）。墨西哥中北部地区（例如奇瓦瓦州）和非洲（例如苏丹）是最适合使用这项技术的地区。

在某些情况下，该技术可能适用于一年中湿度较低的特定时期。对于一组给定条件，可以直接从湿度图上测量湿度资讯。此外，当地气像中心通常会记录湿度水平。

所有计算均采用相对湿度 0.3 的数值，并保持该值恒定。在此相对湿度和典型风速 2.5 米/秒的情况下，湍流条件下的冷却效果为 4.46kW。此图清楚显示了上述关系，即预期设备在低湿度环境下性能较佳。

渗透性

虽然蒸发无疑会透过外层陶罐进行，但外层的渗透性在决定水分蒸发的实际速率方面起着重要作用。用于制作这种陶器的黏土类型为陶土。与其他类型的黏土（例如瓷器和炻器）相比，这种黏土的孔隙度和渗透性相对较高。^{[ 8 ]}除了渗透外层陶罐外，水还必须穿过沙子，不断补充已经渗透到黏土中并蒸发掉的水分。冷却效果会受到扩散速率和黏土渗透性的双重限制。

考虑到这些因素，我们将渗透率校正系数 0.3 纳入效能计算中（详见附录 A）。此外，我们也绘制了一张仅改变该校正系数的图表（图 12），以便大致了解该数值如何影响所呈现的研究结果。

需要承认的是，将校正系数设为 0.3 的有效性可能无法代表设备内部水分扩散和黏土渗透机制所造成的实际限制。这为未来更深入研究这个问题的项目提供了一个平台，包括寻找提高黏土渗透性的方法。

流动特性

流速

随着水分蒸发到周围空气中，局部相对湿度增加，从而降低了进一步蒸发的可能性。需要空气流动来将潮湿的空气替换为干燥的空气。该区域的自然风可以实现这一目标。较高的流速会导致设备周围的空气持续保持干燥状态，进而提高蒸发率。

根据对北非和中非地区气象资料的审查，选定的平均风速为 2.5 米/秒或 5.6 英里/小时。

层流与湍流

在给定系统中，流体流动中的湍流会增强混合、传热和传质的水平。在这种特殊情况下，对于典型的设定，可以假设流动为湍流。如果我们考虑平板上的气流（其中气流为风，平板为地面），可以计算出流动从层流转变为湍流的距离。这种转变发生在雷诺数约为 5 x105。

雷诺数是无量纲参数，定义为惯性力与黏滞力之比的度量，可如下计算：

        Re=ρ五xμ   ^{[ 9 ]}

当环境空气温度为摄氏 35 度、风速为 2.5 米/秒时，发现流动在约 2.6 米的距离转变为湍流。

这就是我们湍流假设的依据。如果我们依赖自然风，那么“罐中罐”冰箱极不可能位于气流最初与地面接触点2.6米以内。为了完整起见，我们制作了一张图表来突显层流和湍流之间的表现差异（图9）。

边界层考虑因素

继续进行平板分析，必须承认边界层的存在。边界层内存在速度梯度，即随着远离地面，速度逐渐增加。实际风速（自由流速度）仅存在于边界层之外。^{[ 10 ]}由于存在速度梯度，边界层高度成为影响“罐中罐”冰箱性能的重要因素。此高度可按下式计算：

        ∂升一个米=5μxρ五   ^{[ 11 ]}

        ∂吨你rb=0。37xRex−15   ^{[ 12 ]}

图8以图形方式显示了该值沿流动方向如何增加。可以清楚地看出，透过增加罐中罐冰箱的高度，该设备可以承受更大的风速。风速对设备的性能有显著的影响。观察本文提供的各种图表表明，随着风速的增加，冷却效果会增强。

边界层内存在速度梯度，且由于速度较高而预期性能提升，因此应将设备放置在尽可能高的位置，且不阻碍气流。这可以透过使用框架结构将设备置于其上来实现。如果可能，框架本身应放置在高处或现有实体结构的顶部。

可供蒸发的区域

对于罐中罐系统，可供蒸发的表面积可近似为：

  总面积=外锅球形部分的表面积

                 + 外锅圆柱部分的表面积

                 + 花盆之间裸露沙子的表面积

例如，如果我们使用实际行动组织给予的建议尺寸（图 11），则该面积为：

        一个re一个吨哦吨一个升=124π哦R¯2+2π哦R¯(哈¯−哦R¯)+π((哦R¯−T哈¯)2−我R¯2)=0。773米2

该值已用于所有面积保持不变的计算。

图 12 突显了设备性能如何随面积变化。概述“如何制作锅中锅冰箱”部分，您会发现半径是整个过程中最容易改变的尺寸。因此，选择外锅的半径来改变可用于蒸发的面积。

如预期，随着表面积的增加，冷却效果显著提升。当风速为2.5m/s时，半径分别为0.25m、0.35m和0.45m时，冷却效果分别为4.46kW、6.58kW和8.85kW。

然而，增加面积意味着每个装置需要使用更多的黏土和模具材料，这将使平均价格上涨2美元。此外，该装置运作需要更多的沙子和水。只有在考虑了这些因素之后，才应该考虑增加蒸发面积。对于那些希望集中资源建造更大、更有效率的“罐中罐”装置的家庭来说，这或许是个可行的方法。在这种情况下，内罐也应该更大，以增加装置内物品的储存容量。

讨论

报告值的解释

冷却效果的数值以千瓦(kW)为单位，而非能量形式。系统中实际消耗的能量取决于这些条件的存在及其持续时间。

此外，从该数值得出的能量指示了可从整个“壶中壶”装置中移除的总能量。这包括陶罐、沙子的体积、沙子中的水分、储存室内的空气以及储存室内的内容物。因此，该值不应被解读为仅从储存室中移除的能量。要全面分析“壶中壶”结构中的热传导机制，需要一个复杂的传导和质量扩散模型，但这超出了本文的讨论范围。

对流

罐中罐冰箱会经历两种形式的对流。当空气静止时，设备会经历自然对流；随后，当空气以给定速度流动时，设备会经历强制对流。

在这两种情况下，由于环境温度较高且设备表面温度较低，对流过程很可能会向系统传递能量。传递到系统中的能量会降低整体冷却效果。然而，与相变反应（蒸发）相关的能量相比，对流损失/增益相对较小。

辐射

Zeer pot 冰箱预计将在白天阳光直射的开放环境下运作。这将向系统传输大量能量，具体取决于太阳辐射水平、外罐表面温度以及黏土的材质特性。

净能量平衡的粗略近似值

本节将尝试透过应用包括蒸发冷却和辐射在内的能量平衡来量化从储存室中提取的能量。

以下条件描述了整篇文章中使用的基本情况：

        一个米b我en吨 Te米页er一个吨你re：T一个米b=308钾

        Re升一个吨我五e 哈你米我d我吨y：R哈=0。3

        西我nd 秒页eed：西=2。5米/秒

        磷er米e一个b我升我吨y 碳哦rrec吨我哦n F一个c吨哦r：磷碳F=0。3

        秒你rf一个ce 一个re一个 f哦r 埃五一个页哦r一个吨我哦n：一个=0。733米/秒

为了考虑辐射的影响，我们只考虑白天的时间，假设是上午 8 点到下午 6 点之间（10 小时）。

据报道，上述参数的最大冷却效果为4.46kW。在10小时内，考虑到流动停滞期、环境不规则性以及砂中水分含量降低期，在规定条件下，总冷却时间约为3小时。由此得出系统有效能量损失为13.4kWh。

以下计算确定了所述场景下透过辐射传输到系统的净能量。另外设：

        埃ffec吨我五e 秒千y Te米页er一个吨你re：T秒千y=263钾

        De五我ce 秒你rf一个ce Te米页er一个吨你re：T秒=293钾

        秒哦升一个r 我rr一个d我一个吨我哦n：格秒=1000西/米2

        De五我ce 秒你rf一个ce 一个b秒哦r页吨我五我吨y：α秒=0。5

        De五我ce 秒你rf一个ce 埃米我秒秒我五我吨y：ϵ=0。8

对设备进行能量平衡（仅针对辐射）：

        问′'r一个d=α格秒−ϵσ(T秒4−T秒千y4)

        问′'r一个d=(500−117)西/米2

        问′'r一个d =383 西/米2

我们可以将辐射传热暴露面积近似为：

         (12×秒你rf一个ce 一个re一个 一个五一个我升一个b升e f哦r 埃五一个页哦r一个吨我哦n)+T哦页 秒你rf一个ce 一个re一个 哦f 秒米一个升升 磷哦吨

         =(12×0。773)+0。11米2

         =0。50 米2

在 10 小时的暴露期内，传输到系统的总净辐射能量为 1.92kWh。

因此，该设备在 10 小时内流出的能量为 (13.4 - 1.92) = 11.48kWh

如上所述，该值代表整个“罐中罐”装置的能量损失。由于传导的特性，装置内部必须存在温度梯度才能产生能量流出。因此，装置的每一层都必须冷却：外罐；沙子体积；沙子中的水分；内罐；储存室内的空气；以及储存室内的物品。考虑到这些因素，可以合理地估计，总能量流出量中仅有5%直接影响储存室。

因此，在规定条件下，储藏室内的实际冷却量约为 0.57kWh。

设备限制

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

附录 A：计算方法

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

鉴于，

外粘土罐半径(哦R¯)= 0.25 米

内粘土罐半径(我R¯)= 0.185 米

厚度(T哈¯)= 0.015 米

高度(哈)= 0.45 米

环境温度(T)= 308 K

环境压力(磷)= 101.3 千帕

风速(西)= 2.5 米/秒

相对湿度(x)= 0.3

渗透性校正系数(磷碳F)= 0.3

流体特性，

空气密度(ρ一个我r)作为 T 和 P 的函数获得

空气黏度(μ一个我r)作为 T 的函数获得

水的密度(ρ西一个吨er)作为 T 和 P 的函数获得

水蒸气密度(ρ五一个页)根据 T、P 和 RH 获得

水的汽化潜热(hf克)= 2270 千焦/公斤

水在空气中的扩散系数（D）=

−2。775×10−6+4。479×10−8T+1。656×10−10T2   米2/秒                 （曲线拟合由 Boltz 和 Tuve 于 1976 年完成）

操纵，

区域：一个=124π哦R¯2+2π哦R¯(哈¯−哦R¯)+π((哦R¯−T哈¯)2−我R¯2)   米2

雷诺数：Re¯=ρ一个我r西左ch一个r¯μ一个我r

在哪里，左ch一个r¯=2((哦R¯−T哈¯)−R我¯)+2π哦R¯   米

（裸露沙子的 Lchar + 外部陶罐的 Lchar）

（沿着装置直径露出的沙子的长度+装置的最大周长）

Schimdt_Number：秒c=μ一个我rρ一个我rD

平均舍伍德数（层流）：秒h升一个米¯=0。664Re¯0。5秒c0。3

平均舍伍德数（湍流）：秒h吨你rb¯=0。037Re¯0。8秒c0。3

质量传递系数：h米=秒h¯D左ch一个r¯   米/秒                          （采用热和质量传递类比）

蒸发率：埃五一个页r一个吨e=磷碳F(一个h米ρ五一个页(1−x))   千克/秒

蒸发冷却：埃五一个页c哦哦升=(埃五一个页r一个吨ehf克)   千西

页面数据

部分	机械425
关键字	工程,加热 和 冷却,国际 发展,适用 技术,制冷
永续发展目标
作者	阿永·沙希德
执照	CC-BY-SA-3.0
组织	皇后大学
语言	英语(en)
翻译	希伯来文、葡萄牙语、印尼语、法语、日语、西班牙语、中文、俄语
有关的	8 个子页面，其中 1 个页面连结至此处
重定向	Zeer pot 冷冻（设计），Zeer pot 冷冻/设计
视图	1,376 页页面浏览量（分析）
创建	2010 年4 月 3 日，作者：Ayon Shahed
最后编辑	2024 年5 月 28 日，作者：Kathy Nativi
引用	Ayon Shahed (2010–2024)。“Zeer pot 冰箱/设计”。 Appropedia 。检索日期：2025年7月15日。
API 查询	基本、语意、html、文件、更多