Design and simulation of a small cold storage with NH3 refrigeration system and CO2 as indirect cooling loop for storing of fresh fruits and vegetables

Abstract

Målet med denne Masteroppgaven er å studere indiske kuldekjeder for frukt og grønnsaker, for å foreslå hvordan disse kan forbedres med et lite kuldelager som benytter seg av et NH3 kjølesystem med CO2 i ei naturlig sirkulasjonsløkke (NCL). Driftsytelse for NH3 systemet med, og uten, NCLen sammenlignes. De undersøkte fruktene er mango, drue, eple, appelsin og banan. De undersøkte grønnsakene er potet, løk, tomat, blomkål, hodekål og okra. Ved å studere hvordan den månedlige markedsprisen for hvert produkt endrer seg, samtidig som mulig lagringstid og profitt tas i betraktning, blir eple, mango og druer vurdert som mest gunstige for kjølelagring. Kuldekjeden for innenlands salg og eksport, i tillegg til produktstrømmen gjennom den indiske mandien, er undersøkt. Hovedfunnene er at mangel på termobiler og forkjøling av mat er de største utfordringene i begge kuldekjedene. I tillegg er det behov for omtrent dobbel kapasitet av dagens kjølelagre i innenlands kuldekjeder. Antallet mellommenn og ledd i produktstrømmen gjennom mandien fremheves som et stort problem, i tillegg til den enorme mangelen på kjøling og kuldelagre. Den indiske mandien vurderes til å være det svakeste leddet og et kuldelager for bruk på mandiene eller andre små marked blir designet. Resultater fra en undersøkelse utført på IIT Kharagpur i India bekrefter mange av de diskuterte forholdene.

Når fordamperen designes, blir et I,x-diagram for fuktig luft brukt til å bestemme den maksimale temperaturforskjellen. Det resulterende varmeoverføringsarealet er 64.8 m2. Ved å undersøke virkningene av endret temperaturforskjell i den mellomliggende varmeveksleren (IHX), blir det resulterende arealet satt til 0.97 m2. For å modellere NCLen blir trykktapene gjennom hele løkka beregnet. Alle undersøkte høyder og sirkulasjonsrater resulterer i en positiv drivkraft. Av praktiske grunner blir en høyde på 1 m og en sirkulasjonsrate på 2 valgt. For å beregne driftsytelsen til systemene, blir kjølelasten gjennom hele året beregnet og brukt. Standardsystemet forventes å operere med en gjennomsnittlig SCOP på omtrent 6.5 gjennom et helt år, mens NCL-systemet forventes å operere med en gjennomsnittlig SCOP på omtrent 5.6. Årlig driftsprofitt for kjølelageret er beregnet til å være mellom 474 tusen og 479 tusen INR, avhengig av systemkonfigurasjon og strømpris. Det konkluderes med at begge systemløsninger er konkurransedyktige og gjennomførbare.

The objective of this Master Thesis is to investigate Indian food cold chains for fruits and vegetables and try to improve the cold chains with a small cold storage using a NH3 refrigeration system with CO2 in a Natural Circulation Loop (NCL). Performance of the NH3 system with and without the NCL are compared. The fruits investigated are mangoes, grapes, apples, oranges and bananas. The vegetables investigated are potatoes, onions, tomatoes, cauliflowers, cabbages and okras. By studying how the monthly average wholesale prices for each product change, apples, mangoes and grapes are considered most suited for storage in terms of storage life and expected profit. The domestic and export cold chain, and the commodity flow through the Indian mandis, are investigated. The main findings are that lack of refrigerated transport and pre-cooling are major challenges in both cold chains. The domestic cold chain additionally need about twice the current cold storage capacity. The high number of intermediates in the mandis flow chain are highlighted as an issue, in addition to the total absence of refrigeration and cold storages. The Indian mandis is considered the weakest link and a cold storage is designed for use at mandis' or small markets. The results from a field investigation at IIT Kharagpur in India confirms the discussed conditions.

To design the evaporator, an I,x-diagram for moist air is used to decide maximum temperature difference and the resulting heat transfer area is 64.8 m2. After investigating the effects of changing temperature difference in the intermediate heat exchanger (IHX), the resulting area is set to 0.97 m2. To model the NCL, pressure losses through the entire loop are calculated. All investigated heights and circulation rates result in a positive driving force. For practical reasons, a height of 1 m and circulation rate of 2 are chosen. Refrigeration loads through an entire year are used to estimate the performance of the systems. The standard system operates with an average SCOP of about 6.5 during one year, while the NCL system operates with an average SCOP of about 5.6. Annual operating profits are estimated to be between 474 thousand and 479 thousand INR, depending on system configuration and electricity rate. In conclusion, both system solutions are considered competitive and feasible.