Conceptual study of a portable cooling system based on renewable energy for use on fruits and vegetables
Abstract
Verdens befolkning er i stadig økning hvor flere og flere mennesker tar seg ut av fattigdomhver eneste dag, som et resultat følger det at behovet for nok næringsrik mat øker. India er et landder både innbyggertallet og levestandarden opplever rask vekst, allikevel er store deler av landersbefolkning svært fattige og underernærte. Ettersom India er en av de største produsentene av fruktog grønnsaker i verden, er dette en sektor med muligheter for en sterk industri gjeldende bådenasjonalt og internasjonalt. På tross av dette er det massive tap av disse produktene før de i det heletatt når frem til forbrukeren, noe som i stor grad skyldes dårlig utnyttelse av kuldekjeder i landet. Enav de mest påvikningskraftige implementasjonene tilgjengelig for å øke verdi og effektivitet i slikekuldekjeder er designerte nedkjølingssystemer som fjerner overskuddsvarme fra høstede produkter,og et slikt system er fokusområdet for arbeidet i denne oppgaven.
Et litteraturstudie er gjort innen fagfeltet rundt kuldekjeder og nedkjølingssystemer. Dokumentasjonav standarden for kjøling i India er utført, hortikulturelle produkter av spesifikk relevanse erundersøkt, innsikt i typiske kuldekjeder for innlands og eksportformål er presentert, og kvantifiserbarinformasjon fra oppholdet i India er presentert via svar gitt i en forbrukerunderskelse. Dennåværende standarden rundt kuldekjeder, kjøling og spesifikk nedkjøling i India blir dokumenterttil å ha store mangler både i kapasitet og effektivitet, men de samme områdene er også dokumenterttil å være i tydelig vekst med store potensialer for videre utvikling. Denne bakgrunnen brukes til åetablere et potensielt fordelaktig nedkjølingssystem i dette scenariet, et system som baserer seg påfornybar energy og som er transportabelt, til bruk for nedkjøling av epler, druer og mango i India.
Et fysisk design av dette nedkjølingssystemet presenteres, og en videre logistisk implementasjonav systemet blir konstruert. Relevant teori brukes til å lage en omfattende simuleringsmodelmed programvaren EES for det komplette nedkjølingssystemet. Modellen simulerer luftstrømningog korresponderende viktige faktorer i forhold til geometrien, kjølelaster og det påfølgende kjølesystemet,transiente hensyn i forhold til produktene som nedkjøles, samt det fornybare energiforsyningssystemet.Resultatene fra denne modellen brukes til å bestemme et optimalisert system, etsystem som implementeres for nedkjøling av epler, druer og mango i de respektive klimatiskeforholdene nær Dehradun, Mumbai og Kolkata.
Det optimaliserte designet, antagelsene gjort og betingelsene som er gjeldende gir et nedkjølingssystemmed en 4 kW kompressor som bruker R600a som kjølemedium, og en 1 kW vifte somsørger for luftgjennomstrømning i geometrien. Energiforsyningssystemet består av et sammenleggbartsolbasert PV-panel på 47.3 m2, og et batteri med en størrelse på 7.5 kWh. Systemet will underdesignforholdene ha en 10 timers daglig operasjonstid under de respektive klimatiske forholdene.For disse betingelsene vil systemet nedkjøle 2880 kg epler fra 36.4 °C til 3 °C, 2560 kg druer fra 38°C til 3 °C, og 3648 kg mango fra 39.7 °C til 12 °C i løpet av en dag. Nedkjølingen vil bli gjort i trepartier for epler og mango, og i fire partier for druer. For epler, druer og mango vil den respektivenedkjølingstiden være 173, 110 og 175 minutter, og den respektive COPen til kjølesystemet veddisse dimensjonerende forholdene er 3.81, 3.857 og 4.042. Det komplette nedkjølingssystemet undersøkesi forhold til det Indiske scenariet, og det konkluderes med at systemet har flerer potensiellefordeler her. The worlds population is steadily rising and more people are making their way out of povertyeach day, as a result the demand for enough nutrient rich food is ever increasing. India is a countrywhere the both the population and the state of development is in rapid growth, vast parts of itspopulation is however still poor and undernourished. As India is one of the largest producer offruits and vegetables in the world, this sector has the possibility of being a thriving industry bothdomestically and internationally. There are however immense postharvest losses before the productcan even reach the consumer, which is largely attributed to the improper use of cold chains in thecountry. One of the most beneficial implementations available for value addition and efficiencyincrease of such cold chains is the use of designated cooling systems for removal of field heat, andsuch a system is the focus of the work done in this thesis.
A literature review is done on the topic of cold chains and cooling systems. Documentation ofthe state of refrigeration in India is done, horticultural products of special relevance is investigated,insight is presented into the typical cold chains for domestic and export applications of these products,and quantified information from the stay in India is presented through survey responses givenby Indian natives. The state of cold chains, refrigeration and cooling in India is found to be vastlylacking in both capacity and efficiency, however it is also found to be in a state of growth whereit shows great potential for further development. This foundation is used to establish a potentialbeneficial cooling system for the scenario, which is a renewable and portable cooling system foruse on apples, grapes and mangoes in India.
A physical design of the cooling system is presented, and a further logistical implementationof this system in India is constructed. Related theory is used to make a comprehensive simulationmodel in the software program EES for the complete cooling system. The model simulates airflowand corresponding factors of importance through the geometry, refrigeration loads and the correspondingrefrigeration system, transient considerations related to the cooled products, and the renewableenergy supply to the system. Results from the model is used to reach an optimized systemconfiguration, which is implemented for cooling of apples, grapes and mangoes in the respectiveclimatic regions of Dehradun, Mumbai and Kolkata.
The optimized design, assumptions and conditions gives a cooling system with a 4 kW compressorthat uses R600a as a refrigerant, and a 1 kW fan that provides airflow through the geometry.The energy supply consist of a a foldable solar PV-panel of 47.3 m2, and a battery with a size of 7.5kWh. The system will at design conditions have a 10 hour daily operational time in the respectiveclimatic regions. For these conditions, the system will cool a total of 2880 kg of apples from 36.4°C to 3 °C, 2560 kg of grapes from 38 °C to 3 °C, and 3648 kg of mangoes from 39.7 °C to 12°C during one day. The cooling will be done in three batches for apples and mangoes, and in fourbatches for grapes. For apples, grapes and mangoes the respective cooling time is 173, 110 and175 minutes, and the respective COP of the refrigeration system at these dimensioning conditionsis 3.81, 3.857 and 4.042. The complete cooling system is investigated in relation to the Indianscenario, and it is concluded that the system has several potential benefits here.