Ένας ψύκτης άνθρακα χρησιμοποιεί την αρχή της ψύξης με εξάτμιση για να διατηρεί μια δροσερή εσωτερική θερμοκρασία για την ψύξη και τη συντήρηση των τροφίμων. Η συσκευή είναι κατασκευασμένη από ανοιχτό ξύλινο πλαίσιο με πλευρές γεμάτες με κάρβουνο, το οποίο διατηρείται συνεχώς υγρό. Καθώς ο ζεστός, ξηρός αέρας ρέει μέσα από τον υγρό ξυλάνθρακα, το νερό εξατμίζεται στον αέρα και ψύχεται. Οι βασικές αρχές της μεταφοράς θερμότητας και μάζας αποτελούν τη βάση της λειτουργίας του ψυγείου άνθρακα. Ένα απλοποιημένο αναλυτικό μοντέλο αναπτύχθηκε στο Engineering Equation Solver (EES) για τον προσδιορισμό της λειτουργικότητας του ψυγείου άνθρακα για μια ποικιλία εξωτερικών συνθηκών και μεταβλητών σχεδιασμού. Διαπιστώθηκε ότι οι διαστάσεις του ψυγείου έχουν ελάχιστη επίδραση στη διατηρούμενη εσωτερική θερμοκρασία, ωστόσο οι συνθήκες περιβάλλοντος επηρεάζουν σημαντικά τη λειτουργικότητα της συσκευής. Κατασκευάστηκε ένα πρωτότυπο ψυγείο για την ανάπτυξη λεπτομερών οδηγιών κατασκευής. Οι μελλοντικές εργασίες σε αυτό το έργο θα περιλαμβάνουν τη δοκιμή του πρωτοτύπου για την επικύρωση του μοντέλου. Το μοντέλο EES, το αρχείο CAD και τα εκτυπώσιμα έγγραφα PDF είναι διαθέσιμα στα Πρόσθετα έγγραφα .
Περιεχόμενα
Αναπτυξιακή Ανάγκη
Η ψύξη με εξάτμιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αντιμετώπιση δύο βασικών αναπτυξιακών αναγκών: ψύξη χώρου ( κλιματισμός ) και ψύξη . Ο ψύκτης άνθρακα αντιμετωπίζει την ανάγκη για ψύξη σε περιοχές όπου η ηλεκτρική ενέργεια δεν είναι διαθέσιμη.
Η κατάψυξη των τροφίμων είναι μια μέθοδος επιβράδυνσης της ανάπτυξης βακτηρίων και παράτασης της διάρκειας ζωής. Τα τυπικά ψυγεία διατηρούνται γύρω στους 2-3 βαθμούς Κελσίου και μπορούν να παρατείνουν τη διάρκεια ζωής των προϊόντων κατά εβδομάδες. [1]
Σε θερμά κλίματα όπου η ηλεκτρική ενέργεια δεν είναι διαθέσιμη, η ψύξη των τροφίμων είναι μια αναπτυξιακή ανάγκη. Στο Σουδάν, για παράδειγμα, οι ντομάτες θα διαρκέσουν μόνο 2 ημέρες στον καυτό ήλιο. [2] Η διατήρηση των καλλιεργειών μέσω ψύξης μπορεί να βοηθήσει στην πείνα και την πείνα στον αναπτυσσόμενο κόσμο, διατηρώντας τα τρόφιμα φρέσκα για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Σε περιοχές χωρίς ηλεκτρικό ρεύμα, η ψύξη είναι ιδιαίτερα απαιτητική και έχει οδηγήσει στη σχεδίαση μιας ποικιλίας συσκευών ψύξης που λειτουργούν με θερμότητα, συμπεριλαμβανομένων των ψύκτη εξάτμισης . Αν και αυτές οι συσκευές δεν είναι τυπικά ικανές να διατηρούν θερμοκρασίες 2-3 βαθμών Κελσίου, μπορεί να είναι πολύ πιο ψυχρές από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και ακόμη και μέτριες σταγόνες μπορούν να παρατείνουν σημαντικά τη διάρκεια ζωής του προϊόντος. Για παράδειγμα, όταν στεγάζονται με χρήση παρόμοιας συσκευής ψύξης με εξάτμιση, η διάρκεια ζωής της ντομάτας μπορεί να παραταθεί από 2 έως 20 ημέρες. [2] Η ψύξη με εξάτμιση έχει ένα πρόσθετο πλεονέκτημα ότι αυξάνει την περιεκτικότητα σε υγρασία του αέρα, εμποδίζει το στέγνωμα των τροφίμων και παρατείνει περαιτέρω τη διάρκεια ζωής. [3]
Η ψύξη είναι επίσης σημαντική για την αποθήκευση εμβολίων και φαρμάκων , ωστόσο η απαιτούμενη πτώση θερμοκρασίας και ο έλεγχος θερμοκρασίας καθιστούν την ψύξη με εξάτμιση ακατάλληλη για αυτήν την εφαρμογή.
Κλιματικοί περιορισμοί
Όπως συζητείται παρακάτω στις αρχές της μηχανικής, η δυνατότητα για ψύξη με εξάτμιση εξαρτάται από τη διαφορά στις θερμοκρασίες του αέρα υγρού και ξηρού λαμπτήρα. Ο υγρός αέρας έχει υψηλή σχετική υγρασία και όχι τόση ικανότητα εξάτμισης της υγρασίας. Καθώς αυξάνεται η σχετική υγρασία του αέρα, η απόδοση του συστήματος θα μειωθεί, περιορίζοντας την εφαρμογή του σε υγρά κλίματα. Η ψύξη με εξάτμιση είναι πιο αποτελεσματική σε κλίματα όπου η σχετική υγρασία είναι μικρότερη από 30%. [4] Καθώς αυξάνεται η υγρασία, η ικανότητα ψύξης μειώνεται και η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του εξωτερικού και του εσωτερικού του θαλάμου μειώνεται. Για να ελέγξετε εάν η ψύξη με εξάτμιση θα είναι αποτελεσματική, η θερμοκρασία του υγρού λαμπτήρα μπορεί να μετρηθεί τοποθετώντας ένα υγρό πανί στην άκρη ενός θερμομέτρου και κουνώντας το στον αέρα. [3] Η θερμοκρασία που διαβάζεται από το θερμόμετρο είναι η θεωρητική ελάχιστη θερμοκρασία που μπορεί να επιτευχθεί μέσω της ψύξης με εξάτμιση.
Επιπλέον, η ψύξη με εξάτμιση πρέπει να χρησιμοποιείται σε χώρους όπου υπάρχει διαθέσιμο νερό. Ανάλογα με τις συνθήκες και τις ψυχρότερες διαστάσεις, η συσκευή μπορεί να χρησιμοποιεί 20-70 λίτρα νερού την ημέρα όταν λειτουργεί αποτελεσματικά.
Επιστημονικές Αρχές
Η ψύξη με εξάτμιση βασίζεται στην αρχή ότι το νερό απαιτεί θερμική ενέργεια για να εξατμιστεί. Σε ζεστά, σχετικά ξηρά κλίματα, η εξάτμιση του νερού σε ζεστό, ξηρό αέρα μπορεί να δημιουργήσει ένα εφέ ψύξης, κατάλληλο για ρύθμιση χώρου ή ψύξη. Η θερμότητα που αφαιρείται από ένα χώρο λόγω της εξάτμισης του νερού δίνεται από την εξίσωση 1.
Q˙=Μμι˙ημι{\displaystyle {\dot {Q}}={\dot {m_{e}}}h_{e}}
Q είναι η θερμότητα που αφαιρείται σε kW,Μμι˙{\displaystyle {\dot {m_{e}}}}
- Θερμοκρασία περιβάλλοντος
- Υγρασία περιβάλλοντος
- Επιφάνεια
- Μέσα εξάτμισης
- Κίνηση αέρα (φυσική ή τεχνητή)
Για να μεγιστοποιηθούν τα αποτελέσματα ψύξης, αυτές οι μεταβλητές πρέπει να βελτιστοποιηθούν για μια δεδομένη εφαρμογή.
Ψυχρομετρία
Η εξάτμιση, η διαδικασία αλλαγής του νερού από υγρό σε αέριο, απαιτεί θερμότητα από το περιβάλλον. Οι ψυχρομετρικές ιδιότητες του υγρού αέρα, καθώς και οι αρχές της μεταφοράς θερμότητας και μάζας ισχύουν για την εξάτμιση του νερού για ψύξη. Η κατανόηση των ιδιοτήτων του υγρού αέρα είναι το κλειδί για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της ψύξης με εξάτμιση.
Ο υγρός αέρας είναι ο αέρας που αποτελείται από υδρατμούς και ξηρό αέρα. Η συνολική πίεση του αέρα είναι το άθροισμα των μερικών πιέσεων των υδρατμών και του ξηρού αέρα, όπως φαίνεται από την εξίσωση 2.
Π=Πένα+Πv{\displaystyle P=P_{a}+P_{v}}
Ο κορεσμένος αέρας είναι ένα μείγμα ξηρού αέρα και κορεσμένου υδρατμού. Όταν ο αέρας είναι κορεσμένος, η τάση ατμών P v είναι ίση με την πίεση κορεσμού P v,max του νερού στη θερμοκρασία του αέρα. Δεδομένου ότι η πίεση κορεσμού αυξάνεται με τη θερμοκρασία, ο αέρας σε υψηλότερη θερμοκρασία έχει την ικανότητα να συγκρατεί περισσότερη υγρασία.
Η υγρασία αναφέρεται στην ποσότητα της υγρασίας στον αέρα και μπορεί να εκφραστεί με δύο τρόπους. Η σχετική υγρασία, εξίσωση 3, είναι ο λόγος της υγρασίας του αέρα προς την υγρασία του κορεσμένου αέρα στην ίδια θερμοκρασία.
RH=ΠvΠv,ΜέναΧ{\displaystyle RH={\frac {P_{v}}{P_{v,max}}}}
Η σχετική υγρασία είναι επομένως συνάρτηση τόσο της θερμοκρασίας όσο και της περιεκτικότητας σε υγρασία.
Η απόλυτη υγρασία είναι ο λόγος της μάζας του νερού προς τη μάζα του ξηρού αέρα και δίνεται από την εξίσωση 4.
ω=ΜvΜένα=0,622ΠvΠ−Πv{\displaystyle \omega ={\frac {m_{v}}{m_{a}}}=0,622{\frac {P_{v}}{P-P_{v}}}}
Επομένως, η απόλυτη υγρασία είναι συνάρτηση μόνο της περιεκτικότητας σε υγρασία.
Η κινητήρια δύναμη πίσω από την εξάτμιση του αέρα είναι η διαφορά στις πιέσεις ατμών μεταξύ του αέρα και του νερού. Ο αέρας σε υψηλότερη θερμοκρασία και χαμηλότερη σχετική υγρασία μπορεί να εξατμίσει περισσότερη υγρασία από τον ψυχρό ή υγρό αέρα. Η δυνατότητα εξάτμισης είναι ανάλογη με τη διαφορά στις θερμοκρασίες ξηρού και υγρού λαμπτήρα. Η θερμοκρασία ξηρού λαμπτήρα μετρά τη θερμοκρασία του ρεύματος αέρα, ενώ η θερμοκρασία υγρού λαμπτήρα είναι αντιπροσωπευτική τόσο της θερμοκρασίας όσο και της υγρασίας. Η θερμοκρασία του υγρού λαμπτήρα μπορεί να μετρηθεί τοποθετώντας ένα υγρό πανί στην άκρη ενός θερμομέτρου και αφήνοντας τον αέρα να περάσει από πάνω του ενώ διαβάζετε τη θερμοκρασία. Η σχετική υγρασία και η απόλυτη υγρασία μπορούν στη συνέχεια να προσδιοριστούν από ένα ψυχομετρικό διάγραμμα .
Εξάτμιση
Η εξάτμιση είναι η αλλαγή της κατάστασης μεταξύ υγρού και αερίου. Για το νερό και τον αέρα, η εξάτμιση περιλαμβάνει την εξάτμιση υγρού νερού σε ένα ρεύμα υγρού αέρα. Για τους σκοπούς του μοντέλου Charcol Cooler, εξετάστηκαν δύο απλοποιημένες περιπτώσεις μεταφοράς μάζας: η εξάτμιση από μια επιφάνεια και η εξάτμιση μέσω ενός μέσου μεταφοράς.
Εξάτμιση από μια επιφάνεια
Ένας απλός εμπειρικός συσχετισμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση του ρυθμού εξάτμισης του νερού από μια επιφάνεια. Το Σχήμα 1 δείχνει ένα σχηματικό.
Σχήμα 1: Σχηματικό για την Εξίσωση 5Η εξίσωση 5 δίνει την εμπειρική συσχέτιση για τον ρυθμό εξάτμισης m e σε kg/h. [6]
Μμι˙=ΕΝΑ(25+19VwΕγώnρε)(ωμικρόέναt−ω){\displaystyle {\dot {m_{e}}}=A(25+19V_{wind})(\omega _{sat}-\omega )}
ωμικρόέναt{\displaystyle \omega _{sat}}
Εξάτμιση μέσω ενός μέσου μεταφοράς
Πολλές μονάδες ψύξης με εξάτμιση περνούν αέρα μέσω ενός πορώδους εμποτισμένου μαξιλαριού που διατηρείται ανανεωμένο με νερό. Το Σχήμα 2 δείχνει ένα σχηματικό.
Εικόνα 2: Σχηματικό για τις Εξισώσεις 6, 7 και 8Η απόδοση εξάτμισης του μέσου δίνεται από την εξίσωση 6. [7]
μιφάφά=Τ1−Τ2Τ1−Τwμιtσιuμεγάλοσι,1{\displaystyle eff={\frac {T_{1}-T_{2}}{T_{1}-T_{wetbulb,1}}}}
Θα πρέπει να είναι δυνατό να επιτευχθεί απόδοση 60-90%. Ωστόσο, οι τιμές απόδοσης για συγκεκριμένα μέσα μπορούν να προσδιοριστούν πειραματικά. [3] Ένα ενεργειακό ισοζύγιο στο ρεύμα αέρα δίνει το ρυθμό εξάτμισης, εκφρασμένο στην εξίσωση 7.
(ηένα2+ω2ηw2)=(ω2−ω1)ηφά+(ηένα1+ω1ηw1){\ displaystyle (h_{a2}+\omega _{2}h_{w2})=(\omega _{2}-\omega _{1})h_{f}+(h_{a1}+\omega _ {1}h_{w1})}
h a είναι η ενθαλπία του ξηρού αέρα, h w είναι η ενθαλπία των υδρατμών και h f είναι η ενθαλπία του κορεσμένου υγρού στη θερμοκρασία του νερού στο υπόθεμα. Ο ρυθμός εξάτμισης μπορεί στη συνέχεια να προσδιοριστεί από την εξίσωση 8.
Μμι˙=ΜέναΕγώr˙(ω2−ω1){\displaystyle {\dot {m_{e}}}={\dot {m_{air}}}(\omega _{2}-\omega _{1})}
ΜέναΕγώr˙{\displaystyle {\dot {m_{air}}}}
Θεμελιώδης Μεταφορά Θερμότητας
Η θερμότητα μεταφέρεται μέσω αγωγιμότητας, μεταφοράς και ακτινοβολίας. Συχνά οι επιπτώσεις της ακτινοβολίας μπορούν να αγνοηθούν, καθώς είναι μικρές σε σύγκριση με άλλες μορφές μεταφοράς θερμότητας. Η αγωγιμότητα συμβαίνει μέσω μιας στερεής επιφάνειας και δίνεται από την εξίσωση 9.
Q˙=κΕΝΑt(ΔΤ){\displaystyle {\dot {Q}}={\frac {kA}{t}}(\Delta T)}
Q˙{\displaystyle {\dot {Q}}}
Η συναγωγή προκύπτει από ένα ρευστό που περνά πάνω από ένα στερεό αντικείμενο και δίνεται από την εξίσωση 10.
Q˙=ηΕΝΑ(Τ−Τ∞){\displaystyle {\dot {Q}}=hA(T-T_{\infty })}
h είναι ο συντελεστής μεταφοράς, A είναι το εμβαδόν, T είναι η θερμοκρασία του στερεού αντικειμένου καιΤ∞{\displaystyle T_{\infty }}
Κατασκευή συσκευής
Κατασκευάστηκε ένα πρωτότυπο ψυγείο άνθρακα. Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν και οι αναλυτικές οδηγίες κατασκευής είναι παρακάτω. Το πρωτότυπο ψυγείο άνθρακα ήταν 1ft x 1ft x 1ft, αλλά οι οδηγίες θα πρέπει να ισχύουν ανεξάρτητα από το μέγεθος της συσκευής. Ένα από τα πλεονεκτήματα αυτής της συσκευής είναι ότι είναι ευέλικτη και μπορεί να κατασκευαστεί από πολλά διαθέσιμα υλικά, επομένως προτείνονται αντικαταστάσεις.
Ένα εκτυπώσιμο PDF που περιλαμβάνει υλικά, λεπτομέρειες κατασκευής και οδηγίες λειτουργίας για το ψυγείο περιλαμβάνεται στους Πρόσθετους πόρους .
Απαιτούμενα Υλικά
| Υλικό | Εικόνα | Εναλλακτικό | Κατά προσέγγιση κόστος ($ CA) |
|---|---|---|---|
| Ξύλο 12 πόδια ξυλείας 1cm x 2cm |  | Ξύλο άλλου μεγέθους μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Το μπαμπού ή οποιοδήποτε άλλο δομικό υλικό θα λειτουργήσει επίσης. | $2/3ft ($8 συνολικά) |
| Διχτυωτό σύρμα κοτόπουλου Απαιτείται περίπου 10 τετραγωνικά πόδια |  | $8/ρολό | |
| Πανί Ύφασμα ή καμβάς από γιούτα: Απαιτείται περίπου 12 τετραγωνικά πόδια |  | Μπορεί να χρησιμοποιηθεί άλλο απορροφητικό ύφασμα. | $1/12 τ.μ |
| Νύχια Φινίρισμα και ξυλουργική καρφιά |  | Στη θέση των καρφιών ξυλουργικής μπορούν να χρησιμοποιηθούν βίδες. Εάν είναι διαθέσιμο, ένα πιστόλι συρραπτικών και συνδετήρες για την αντικατάσταση των καρφιών φινιρίσματος θα διευκόλυνε σημαντικά την κατασκευή. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σπάγκος ή σχοινί για να κολλήσει το πλαίσιο, εάν είναι απαραίτητο. | $2/πακέτο |
| κάρβουνο περίπου 4 κιλά | | Ένα άλλο απορροφητικό υλικό θα είναι αρκετό εφόσον επιτρέπει την κυκλοφορία του αέρα, μπορεί να συγκρατεί σημαντική ποσότητα υγρασίας και μπορεί να περιέχεται μέσα στο πλαίσιο του ψυγείου. [3] | $10/πακέτο |
| 2 Μεντεσέδες |  | $3/πακέτο | |
| Στερεά σανίδα 1 κομμάτι, περίπου 1 πόδι x 1 πόδια (διαστάσεις της βάσης του ψυγείου) |  | Για την αντικατάσταση της σανίδας μπορούν να χρησιμοποιηθούν υφαντά μπαμπού ή καλάμια. | $1 |
| Πλαστικός σωλήνας Διαμέτρου περίπου 10 πόδια 1/2-1 ίντσας |  | Εναλλακτικά, τα τενεκεδάκια μπορούν να τοποθετηθούν στο επάνω μέρος του ψυγείου εάν δεν υπάρχει διαθέσιμος σωλήνας. Αυτή η τροποποίηση θα συζητηθεί περαιτέρω στις οδηγίες κατασκευής. | 7,60 $/10 πόδια (5/8" D) |
| Δένει Περίπου 8 συσκευές πλαστικής γραβάτας |  | Ο σπάγκος ή το κορδόνι είναι μια καλή εναλλακτική για τις γραβάτες. | $2/πακέτο |
| Ένας κάδος Οποιοδήποτε μέγεθος |  | Μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιαδήποτε συσκευή που μπορεί να κρατήσει νερό. Εάν χρησιμοποιούνται τενεκέδες αντί για σωλήνα, ο κάδος δεν είναι απαραίτητος. | $5 |
| Εργαλεία Απαιτούνται σφυρί, πριόνι και ψαλίδι ή κόφτες καλωδίων |  | Ένα κατσαβίδι μπορεί να χρησιμοποιηθεί εάν οι βίδες αντικαταστήσουν τα καρφιά. Ένα βασικό πιστόλι θα βοηθούσε στην κατασκευή. Εάν χρησιμοποιείται σπάγγος για να κολλήσει το πλαίσιο μαζί, δεν απαιτείται σφυρί. |
Το συνολικό κόστος υλικών είναι επομένως 48,00 $ . Το κόστος μπορεί να μειωθεί χρησιμοποιώντας εναλλακτικά ή ανακυκλωμένα υλικά.
Επιλέξτε διαστάσεις (μήκος, πλάτος και ύψος) και κόψτε ξύλο. Η συσκευή απαιτεί 2 κομμάτια από το καθένα σε μήκος και πλάτος και 8 σε ύψος.
Πλαίσιο U-1
Δημιουργήστε 2 πλαίσια σχήματος U (U-1), με το παχύ μέρος της ξυλείας να σχηματίζει το πάχος του πλαισίου. Καρφώνουμε τη βάση στα άλλα δύο κομμάτια όπως φαίνεται στο σχήμα με τα βέλη.
Πλαίσιο U-2
Δημιουργήστε άλλα 2 πλαίσια σε σχήμα U (U-2). Το παχύ μέρος της ξυλείας θα πρέπει να είναι το πάχος, αλλά αυτή τη φορά να το συνδέσετε όπως φαίνεται από τα βέλη στην εικόνα.
Κόψτε το ύφασμα από γιούτα και το σύρμα κοτόπουλου για να χωρέσουν τα τέσσερα πλαίσια που δημιουργήθηκαν. Αυτό θα πρέπει να αντιστοιχεί σε κομμάτια περίπου 1ft x 1ft. Απαιτούνται 8 κομμάτια ύφασμα από γιούτα και 9 κομμάτια σύρμα κοτόπουλου.
Εφαρμόστε σε ΟΛΑ τα πλαίσια
Στερεώστε το ύφασμα από γιούτα στη μία πλευρά κάθε πλαισίου χρησιμοποιώντας τα καρφιά φινιρίσματος. Τοποθετήστε ένα καρφί σε κάθε γωνία και επιπλέον καρφιά όπως απαιτείται. Για τη στερέωση θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν πιστόλι και συνδετήρες.
Εφαρμόστε σε ΟΛΑ τα πλαίσια
Στερεώστε το σύρμα κοτόπουλου πάνω από το πανί από γιούτα κάθε πλαισίου. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν καρφιά στερέωσης, αλλά πρέπει να είναι λυγισμένα πάνω από το συρμάτινο πλέγμα για να το κρατήσουν στη θέση του. Πρέπει να δίνεται προσοχή όταν χειρίζεστε το σύρμα πλέγματος καθώς οι άκρες είναι αιχμηρές.
Εφαρμόστε ΜΟΝΟ σε πλαίσια U-1
Σε καθένα από τα πλαίσια U-1, στερεώστε και τη γιούτα και το σύρμα φινιρίσματος στην άλλη πλευρά.Τώρα θα πρέπει να υπάρχουν:
Καρφώστε το πλαίσιο U-2 στο πλαίσιο U-1 για να σχηματίσετε ένα τρισδιάστατο σχήμα L. Οι θέσεις των νυχιών υποδεικνύονται με τα βέλη.
Καρφώστε το άλλο πλαίσιο U-2 στο πλαίσιο U-1 για να σχηματίσετε ένα τρισδιάστατο σχήμα U.
Μετρήστε την σανίδα ώστε να ταιριάζει στο κάτω μέρος του ψυγείου. Κόψτε τη σανίδα στο κατάλληλο μήκος. Καρφώνουμε τη σανίδα στο κάτω μέρος.
Στερεώστε το πανί από γιούτα και το σύρμα κοτόπουλου στις υπόλοιπες δύο πλευρές στο εξωτερικό του ψυγείου.
Στερεώστε τρία καρφιά σε κάθε μία από τις άκρες του πλαισίου, στραμμένη διαγώνια προς τη μέση του ψυγείου.
Χρησιμοποιώντας ένα κομμάτι σύρμα κοτόπουλου, σχηματίστε ένα ράφι στη μέση του κουτιού. Αυτό γίνεται με την ύφανση του πλέγματος πάνω στα καρφιά που προεξέχουν. Δοκιμάστε το ράφι πιέζοντάς το για να δείτε αν θα μπορεί να κρατήσει φαγητό. Ως αντικατάσταση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σανίδα για να σχηματιστεί το ράφι ή υφαντά καλάμια/μπαμπού, ωστόσο ένα μη στερεό υλικό θα είναι πιο αποτελεσματικό.
Συνδέστε τους μεντεσέδες στην ανοιχτή επιφάνεια του ψυγείου.
Συνδέστε το υπόλοιπο πλαίσιο U-1 στους μεντεσέδες για να σχηματίσετε μια πόρτα για το ψυγείο. Εάν η πόρτα δεν κλείνει, μπορεί να εγκατασταθεί ένα μάνδαλο για να την κρατά κλειστή όπως χρειάζεται.
Γεμίστε τις κοιλότητες που σχηματίζονται από το ύφασμα από γιούτα και το σύρμα κοτόπουλου με κάρβουνο. Ο ξυλάνθρακας πρέπει να είναι ομοιόμορφα διασκορπισμένος σε όλη την κοιλότητα. Το κάρβουνο πρέπει να είναι σε κομμάτια περίπου 0,5 cm σε διάμετρο. [3] Το διχτυωτό σύρμα πρέπει να είναι αρκετά ισχυρό ώστε να συγκρατεί το κάρβουνο στη θέση του και να αποτρέπει τη διόγκωση των κοιλοτήτων.
Δέστε το άκρο του εύκαμπτου σωλήνα. Ρίξτε λίγο νερό στον εύκαμπτο σωλήνα για να βεβαιωθείτε ότι το δέσιμο είναι αρκετό για να φράξει το άκρο του εύκαμπτου σωλήνα. Εάν το δέσιμο δεν επαρκεί, πρέπει να χρησιμοποιηθεί πώμα για να αποτρέψει τη ροή νερού μέσα από τον εύκαμπτο σωλήνα. Εάν ο σωλήνας δεν είναι διαθέσιμος και χρησιμοποιούνται τενεκέδες, τα κουτιά μπορούν να στερεωθούν στο επάνω μέρος του πλαισίου, με τρύπες που ανοίγονται από καρφιά στις κοιλότητες του κάρβουνου. Εάν χρησιμοποιείται αυτή η μέθοδος, συνιστάται οι κονσέρβες να έχουν καπάκια για να αποτρέπεται η εξάτμιση του νερού από την επιφάνεια των δοχείων.
Ξεκινώντας από το άνοιγμα της πόρτας, τοποθετήστε τον εύκαμπτο σωλήνα πάνω από τις ανοιχτές πλευρές του κουτιού. Στερεώστε τον εύκαμπτο σωλήνα στη θέση του χρησιμοποιώντας τα δεσίματα για να στερεώσετε τον εύκαμπτο σωλήνα στο πλέγμα. Βεβαιωθείτε ότι οι τρύπες δείχνουν προς τα κάτω στις κοιλότητες γεμάτες με κάρβουνο.
Η συσκευή θα πρέπει τώρα να μοιάζει με αυτό.Ανοίξτε τρύπες κατά μήκος περίπου 4' του εύκαμπτου σωλήνα. Οι τρύπες πρέπει να απέχουν περίπου 0,5-1 cm μεταξύ τους και μπορούν να γίνουν με καρφί. Το μέγεθος και η απόσταση των οπών απαιτεί λίγο πειραματισμό και εξαρτάται από τον ρυθμό εξάτμισης για το δεδομένο κλίμα. Το κάρβουνο πρέπει να διατηρείται συνεχώς υγρό, αλλά δεν πρέπει να είναι τόσο υγρό ώστε να στάζει από το κάτω μέρος του ψυγείου. Ο ρυθμός ροής του νερού μέσα από τις οπές πρέπει επομένως να ισούται με τον ρυθμό εξάτμισης. Εάν οι τρύπες που γίνονται είναι πολύ μεγάλες, μπορεί να χρησιμοποιηθεί κερί κεριού για να τις γεμίσει και νέες τρύπες μπορούν να δημιουργηθούν μέσω του κεριού με μια καρφίτσα. [3]
Τοποθετήστε πανί ή υφαντά καλαμάκια στην κορυφή του κουτιού και στερεώστε το στη θέση του.
Συνδέστε το ελεύθερο άκρο του εύκαμπτου σωλήνα στη βάση ενός υπερυψωμένου κάδου. Καθώς ο κάδος γεμίζει με νερό, το νερό θα κυλήσει μέσα στις κοιλότητες, μολύνοντας το κάρβουνο και το υλικό του υφάσματος.
Λειτουργία συσκευής
Το προϊόν μπορεί να τοποθετηθεί στο ράφι ή στο κάτω μέρος του ψυγείου. Η συσκευή πρέπει να τοποθετείται στη σκιά με τη μία πλευρά στραμμένη προς τον άνεμο. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί τεχνητή κυκλοφορία αέρα με ανεμιστήρα. Απαιτείται πολύ λίγη συντήρηση, ωστόσο όταν κατασκευάζεται για πρώτη φορά το ψυγείο θα πρέπει να παρακολουθείται για να διασφαλιστεί η αποτελεσματική υγρασία του άνθρακα.
Ανάπτυξη Μοντέλου
Ένα μοντέλο EES του ψύκτη άνθρακα αναπτύχθηκε για τον προσδιορισμό της επίδρασης διαφόρων μεταβλητών σχεδιασμού καθώς και των συνθηκών περιβάλλοντος. Ο ψύκτης άνθρακα διαμορφώθηκε ως όγκος ελέγχου με μια όψη κάθετη στον άνεμο του περιβάλλοντος. Το αρχείο EES είναι διαθέσιμο για λήψη στα Πρόσθετα Έγγραφα . Το Σχήμα 3 δείχνει μια σχηματική εικόνα του μοντελοποιημένου συστήματος.
Εικόνα 3: Σχηματικό μοντέλο ψύκτη Charcol
Για την ανάλυση έγιναν οι ακόλουθες παραδοχές:
- Οι συνθήκες είναι σε σταθερή κατάσταση
- Το ψυγείο θα τοποθετηθεί σε σκιασμένη περιοχή και οι επιπτώσεις της ακτινοβολίας είναι αμελητέα
- Το πάνω και το κάτω μέρος του ψυγείου είναι μονωμένα (χωρίς μεταφορά θερμότητας)
- Η θερμότητα της εξάτμισης του νερού είναι σταθερή και 2270kJ/kg
- Δεν παράγεται θερμότητα μέσα στο ψυγείο
- Ολόκληρο το σύστημα λειτουργεί σε ατμοσφαιρική πίεση (101.325 kPa)
- Ο άνθρακας διατηρείται συνεχώς υγρός (ροή νερού = ρυθμός εξάτμισης)
Προβολή διαγράμματος μοντέλου EESΗ μεταφορά θερμότητας μέσω κάθε πλευράς του ψυγείου εξετάστηκε ξεχωριστά και εξηγείται παρακάτω.
Το μοντέλο είναι διαθέσιμο για λήψη στα Πρόσθετα Έγγραφα . Η προβολή διαγράμματος του μοντέλου επιτρέπει στο χρήστη να εισάγει τις συνθήκες περιβάλλοντος (T, RH, ταχύτητα ανέμου), την απόδοση εξάτμισης και τις ψυχρότερες διαστάσεις και εξάγει τις εσωτερικές συνθήκες και τους ρυθμούς μεταφοράς θερμότητας.
Πλευρά 1
Η μπροστινή πλευρά του ψυγείου μπορεί να διαμορφωθεί ως ροή αέρα μέσω ενός υγρού μαξιλαριού. Το Σχήμα 2, παραπάνω, είναι επομένως ένα σχηματικό για τη ροή του αέρα μέσω του μπροστινού μέρους του ψυγείου. Ισχύουν οι εξισώσεις που αναφέρονται στην Εξάτμιση μέσω ενός μέσου μεταφοράς . Η μεταφορά θερμότηταςQ1˙{\displaystyle {\dot {Q_{1}}}}
Πλευρές 2 και 3
Οι πλευρές 2 και 3 του ψυγείου έχουν τον ίδιο ρυθμό μεταφοράς θερμότητας, ωστόσο, σε αντίθεση με την πλευρά 1, ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας εξαρτάται από περισσότερο από τον ρυθμό εξάτμισης. Το Σχήμα 4 δείχνει μια σχηματική απεικόνιση του πλευρικού τοιχώματος όπως φαίνεται από την κορυφή.
Όπως φαίνεται στο σχήμα, υπάρχει μεταφορά στην επιφάνεια, καθώς και απώλεια θερμότητας από την εξάτμιση μέσα από τον τοίχο. Θεωρήθηκε ότι η εξάτμιση συμβαίνει μόνο στην εσωτερική και εξωτερική επιφάνεια του τοίχου και ότι θα μπορούσε να μοντελοποιηθεί χρησιμοποιώντας την εξίσωση 5, τη συσχέτιση για την εξάτμιση ελεύθερης επιφάνειας.
Οι συντελεστές μεταφοράς υπολογίστηκαν χρησιμοποιώντας την εμπειρική συσχέτιση για εξαναγκασμένη μεταφορά σε μια επίπεδη πλάκα με σταθερή ροή θερμότητας, όπως δίνεται από την εξίσωση 11. [8]
ησικ=Νu=0,0308Rμι4/5Πr1/3{\displaystyle {\frac {hb}{k}}=Nu=0.0308Re^{4/5}Pr^{1/3}}
Το Nu είναι ο αριθμός Nusselt W , ο Re είναι ο αριθμός W του Reynold και ο Pr είναι ο αριθμός Prandtl W .
Εφαρμόζοντας τις αναφερόμενες παραδοχές, ο τοίχος μοντελοποιήθηκε χρησιμοποιώντας ένα δίκτυο θερμικής αντίστασης, όπως φαίνεται παρακάτω στο σχήμα 5.
Όπως φαίνεται από το σχήμα, για να αφαιρεθεί θερμότητα από το εσωτερικό της συσκευής, το άθροισμα της θερμότητας εξάτμισης που αφαιρείται πρέπει να είναι μεγαλύτερο από τη θερμότητα που προστίθεται από τη μεταφορά. Ο συντελεστής αγωγιμότητας για τον ξυλάνθρακα θεωρήθηκε ότι είναι ίδιος με το ξύλο, περίπου 0,16 W/mK. [9]
Πλευρά 4
Το πίσω μέρος του ψυγείου επιτρέπει τη συνεχή ροή αέρα μέσω της συσκευής και μπορεί να ψύχει περαιτέρω το ρεύμα αέρα εάν ο αέρας δεν είναι κορεσμένος. Η εξάτμιση θα προκαλούσε την έξοδο ψυχρότερου αέρα από τη συσκευή, αλλά θα είχε μικρή έως καθόλου επίδραση στη θερμοκρασία στο εσωτερικό του ψυγείου. Η μεταφορά θερμότητας μέσω της πίσω όψης του ψυγείου άνθρακα θεωρήθηκε αμελητέα και δεν ελήφθη υπόψη στο μοντέλο. Ο σχεδιασμός αυτού του πίσω προσώπου συζητείται περαιτέρω στις προτάσεις σχεδιασμού.
Ανάλυση Μοντέλου
Χρησιμοποιώντας το αναλυτικό μοντέλο που περιγράφεται στην Ανάπτυξη Μοντέλου , αναλύθηκαν οι παράμετροι σχεδιασμού για να προσδιοριστεί η απόδοση της συσκευής κάτω από ποικίλες συνθήκες.
Ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας (Q˙{\displaystyle {\dot {Q}}}
Δύο ενδιαφέρουσες παρατηρήσεις εμφανίζονται σε αυτό το σχήμα. Πρώτον, η θερμότητα που αφαιρείται από την πλευρά 1 (κοιτά προς τον άνεμο) είναι σημαντικά μεγαλύτερη από τη θερμότητα που αφαιρείται από τα πλαϊνά της συσκευής. Ως εκ τούτου, υποτέθηκε για την ανάλυση ότι η θερμοκρασία στο εσωτερικό του ψυγείου είναι σταθερή και συνάρτηση της εξάτμισης μέσω του μπροστινού μέρους του ψυγείου. Η εξάτμιση στα πλαϊνά του ψυγείου ουσιαστικά «ακυρώνει» τη θερμότητα που διαφορετικά θα προστεθεί στο εσωτερικό μέσω μεταφοράς. Με αυτό το αποτέλεσμα, τα πλευρικά τοιχώματα ενεργούν ουσιαστικά για να μονώσουν τη συσκευή. Η συσκευή θα είχε παρόμοια απόδοση με τα μονωμένα πλευρικά τοιχώματα (χρησιμοποιώντας αφρό ή ισοδύναμο μονωτικό υλικό). Η μόνωση των τοίχων θα μειώσει σημαντικά την απαιτούμενη ποσότητα νερού, ωστόσο ο προσανατολισμός της συσκευής θα αποτελέσει πρωταρχικό μέλημα. Αυτή η ιδέα συζητείται περαιτέρω στις συστάσεις σχεδιασμού.
Το σχήμα 6 δείχνει επίσης ότι η θερμότητα που αφαιρείται από την μπροστινή όψη αυξάνεται με τη θερμοκρασία, η οποία εξηγείται από τον αυξημένο ρυθμό εξάτμισης με τη θερμοκρασία.
Η θερμοκρασία στο εσωτερικό του θαλάμου εξετάστηκε ως συνάρτηση των συνθηκών περιβάλλοντος (θερμοκρασία και υγρασία). Το σχήμα 7 δείχνει την γραφική παράσταση.
Η εσωτερική, κρύα θερμοκρασία είναι επομένως πολύ χαμηλότερη για συνθήκες με χαμηλή σχετική υγρασία. Ενώ ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας αυξάνεται με τη θερμοκρασία (όπως φαίνεται στο σχήμα 6), η εσωτερική θερμοκρασία είναι χαμηλότερη με χαμηλότερες θερμοκρασίες περιβάλλοντος, επειδή η απαιτούμενη πτώση θερμοκρασίας δεν είναι τόσο μεγάλη. Σε υψηλή υγρασία, η συσκευή δεν παρέχει αρκετή ψύξη για την επιτυχή ψύξη των προϊόντων. Για να είναι η εσωτερική θερμοκρασία κάτω από 20 βαθμούς Κελσίου, η υγρασία πρέπει να είναι κάτω από 0,5.
Για τα προηγούμενα στοιχεία, η απόδοση εξάτμισης θεωρήθηκε ότι είναι 0,75. Θα πρέπει να είναι δυνατό να επιτευχθεί μια τιμή 0,6-0,9 με κάρβουνο. [3] Το σχήμα 8 δείχνει την επίδραση της απόδοσης εξάτμισης στην εσωτερική θερμοκρασία.
Η υψηλότερη απόδοση εξάτμισης μπορεί να αυξήσει σημαντικά την ικανότητα ψύξης του ψυγείου. Θα πρέπει να γίνει μελλοντική εργασία για τον προσδιορισμό των παραγόντων που επηρεάζουν αυτήν την παράμετρο και πώς να βελτιστοποιηθεί καλύτερα η απόδοση του μέσου άνθρακα.
Τέλος, ο ρυθμός εξάτμισης μέσω κάθε πλευράς του δοχείου εξετάστηκε ως συνάρτηση των συνθηκών περιβάλλοντος. Το σχήμα 9 δείχνει τον ρυθμό εξάτμισης στο μπροστινό μέρος (πλευρά 1) και το σχήμα 10 δείχνει τον ρυθμό εξάτμισης μέσω των πλευρών (2 και 3).
Από τα σχήματα, είναι προφανές ότι η εξάτμιση μέσω της μπροστινής όψης του κουτιού είναι σημαντικά υψηλότερη από τις υπόλοιπες επιφάνειες. Αυτή η παρατήρηση σχετίζεται με το σχεδιασμό της συσκευής καθώς το νερό πρέπει να ρέει στις πλευρές του άνθρακα τόσο γρήγορα όσο εξατμίζεται. Επομένως, ο ρυθμός ροής του νερού στην μπροστινή όψη της συσκευής θα πρέπει να είναι σημαντικά υψηλότερος από τις υπόλοιπες πλευρές. Αυτή η ιδέα συζητείται περαιτέρω στις συστάσεις σχεδιασμού.
Προτάσεις σχεδιασμού
Με βάση την κατασκευή του πρωτοτύπου και την ανάλυση του μοντέλου, γίνονται οι ακόλουθες συστάσεις για το σχεδιασμό του ψυγείου:
- Ο ρυθμός ροής του νερού στον ψύκτη είναι μια σημαντική παράμετρος που εξαρτάται από τις συνθήκες περιβάλλοντος και τη σωλήνωση ή τα τενεκεδάκια που χρησιμοποιούνται. Ο ρυθμός ροής πρέπει να είναι ίσος με τον ρυθμό εξάτμισης για να διασφαλιστεί ότι δεν διαρρέει νερό από το ψυγείο και ότι ο άνθρακας δεν στεγνώνει. Συνιστάται οι οπές στη σωλήνωση στην μπροστινή πλευρά της συσκευής να γίνονται μεγαλύτερες και πιο κοντά μεταξύ τους από τις άλλες δύο πλευρές.
- Ανάλογα με τη διαθεσιμότητα κάρβουνου, η πίσω επιφάνεια του ψυγείου δεν απαιτεί το μέσο άνθρακα, καθώς η εξάτμιση από αυτήν την επιφάνεια δεν συμβάλλει στο αποτέλεσμα ψύξης. Μπορεί, ωστόσο, να είναι χρήσιμο να συμπεριλάβετε κάρβουνο σε όλες τις πλευρές, έτσι ώστε ο προσανατολισμός και η κατεύθυνση του ανέμου να μην έχουν σημασία.
- Τα πλαϊνά τοιχώματα της συσκευής θα μπορούσαν να μονωθούν για να μειωθεί η απαιτούμενη χρήση νερού. Η χρήση ενός διαθέσιμου μονωτικού υλικού μέσα στο ξύλινο πλαίσιο θα αποτρέψει τη μεταφορά θερμότητας μέσω της μεταφοράς, αλλά δεν θα απαιτούσε εξάτμιση. Εάν τα πλαϊνά τοιχώματα είναι μονωμένα, ο προσανατολισμός της συσκευής είναι πολύ σημαντικός, καθώς η συσκευή ΔΕΝ θα λειτουργήσει εάν ο άνεμος δεν προσπίπτει στο μπροστινό μέρος. Εάν υπάρχει διαθέσιμος ηλεκτρικός ανεμιστήρας για τη δημιουργία εξαναγκασμένης ροής αέρα σε ελεγχόμενη κατεύθυνση, συνιστάται η μόνωση των πλευρικών τοιχωμάτων. Εάν η συσκευή πρόκειται να χρησιμοποιήσει φυσική ροή αέρα από τον άνεμο, ο χρήστης μπορεί να μονώσει τα πλευρικά τοιχώματα, αλλά πρέπει να διατηρήσει τη συσκευή για να εξασφαλίσει τον σωστό προσανατολισμό παρά τα μεταβαλλόμενα σχέδια ανέμου.
- Τα τενεκεδάκια ή ο κάδος του νερού πρέπει να καλύπτονται για να αποτρέπεται η εξάτμιση στο περιβάλλον.
- Μέσα από το μοντέλο διαπιστώθηκε ότι οι διαστάσεις του ψυγείου δεν επηρεάζουν πολύ την απόδοση. Ορισμένες από τις υποθέσεις του μοντέλου, ωστόσο, δεν ισχύουν για τις μεγάλες διαστάσεις. Με βάση καθαρά την κατασκευή, είναι πιο εύκολο να κατασκευάσετε ένα ψυγείο σε σχήμα κύβου, καθώς όλα τα κομμάτια ξύλου μπορούν να κοπούν στο ίδιο μέγεθος.
Ανάλυση κόστους
Πραγματοποιήθηκε μια απλή οικονομική ανάλυση (με χρήση καναδικών αριθμών) για να προσδιοριστεί το κόστος της συσκευής κατά τη διάρκεια ζωής της. Το κόστος υλικών δίνεται παραπάνω στα Απαιτούμενα υλικά .
Λάβετε υπόψη ότι το πρώτο κόστος, η εργασία και οι τιμές εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την τοποθεσία.
Πρώτο κόστος:
| Είδος | Κόστος ανά μονάδα | Αρ. Μονάδες | Συνολικό κόστος |
| Υλικά | |||
| 48,00 $ | |||
| Εργασία | 9,50 $/ώρα [10] | 3 | 28,50 $ |
| Σύνολο | 76,50 $ |
|---|
Λειτουργικό κόστος:
| Είδος | Κόστος ανά μονάδα | Αρ. Μονάδες | Συνολικό κόστος |
| Νερό | 0,86/1000 λίτρα [11] | 100 λίτρα/ημέρα* | 0,086 $/ημέρα |
- *This is a conservative estimate as water use depends greatly on the climate. Future work can address modeling this water use as a function of climate and geography.
The cost is highly dependent on the cost of water and labour for the given region. Alternative materials and lower labour costs can significantly reduce the first cost of the device. Additionally, the cost of water is region dependent, and should be calculated for the specific region the device is to be used. The above "operational costs" are merely an example. The operational costs shown do not include the labour costs of traveling to collect the water, which may be non-trivial in some regions.
Additional Documents
- Media:CC ConstructionInstructions.pdf - Printable version of the detailed instructions for device construction
- Media:CC Science Model.pdf - Printable version of the scientific principles, model development, and model analysis
- http://sketchup.google.com - The software is available for download
References
- ↑ "Fruits and Vegetables: Optimal Storage Conditions." Engineering Toolbox 2005. Accessed Online: April 8th 2010. Available <http://www.engineeringtoolbox.com/fruits-vegetables-storage-conditions-d_710.html>
- ↑ Jump up to: 2.0 2.1 "How a zeer pot fridge makes food last longer." Practical Action 2009. Accessed Online April 8th 2010. Available: <http://practicalaction.org/?id=zeerpots>
- ↑ Jump up to: 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Rusten, Eric. "Understanding Evaporative Cooling." VITA 1985. Accessed Online: April 8th 2010. Available: <http://www.fastonline.org/CD3WD_40/VITA/EVAPCOOL/EN/EVAPCOOL.HTM>
- ↑ Moran, M. J., Shapiro, H. N. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. Ed. 6. John Wiley & Sons Inc. USA: 2008. P. 686.
- ↑ Moran, M. J., Shapiro, H. N. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. Ed. 6. John Wiley & Sons Inc. USA: 2008. P. 817.
- ↑ "Evaporation from Water Surfaces." Engineering Toolbox 2005. Accessed Online: April 8th 2010. Available <http://www.engineeringtoolbox.com/evaporation-water-surface-d_690.html>
- ↑ "Evaporative Cooling Basics." Western Environmental Services Corporation: 2009. Accessed Online: April 8th 2010. Available: <http://web.archive.org/web/20171019165521/http://www.wescorhvac.com:80/Evaporative%20cooling%20white%20paper.htm>
- ↑ Incropera, F. P., DeWitt, D. P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. Ed. 6. John Wiley & Sons Inc. USA: 2007. P. 413.
- ↑ Incropera, FP, DeWitt, DP Fundamentals of Heat and Mass Transfer. Εκδ. 6. John Wiley & Sons Inc. ΗΠΑ: 2007. Σ. 940.
- ↑ «Αύξηση κατώτατου μισθού του Οντάριο». Κυβέρνηση του Οντάριο 2010. Πρόσβαση στο Διαδίκτυο: 10 Απριλίου 2010. Διαθέσιμο: < http://web.archive.org/web/20140108012445/http://www.labour.gov.on.ca:80/info/minimumwage/ >
- ↑ "Αναφορά Δημοτικής Τιμολόγησης Νερού." Water.org 2008. Πρόσβαση στο Διαδίκτυο στις 10 Απριλίου 2010. Διαθέσιμο:< http://www.priceofwater.com/municipal-summary.html >