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 fattigdom hver eneste dag, som et resultat følger det at behovet for nok næringsrik mat øker. India er et land der både innbyggertallet og levestandarden opplever rask vekst, allikevel er store deler av landers befolkning svært fattige og underernærte. Ettersom India er en av de største produsentene av frukt og grønnsaker i verden, er dette en sektor med muligheter for en sterk industri gjeldende både nasjonalt og internasjonalt. På tross av dette er det massive tap av disse produktene før de i det hele tatt når frem til forbrukeren, noe som i stor grad skyldes dårlig utnyttelse av kuldekjeder i landet. En av de mest påvikningskraftige implementasjonene tilgjengelig for å øke verdi og effektivitet i slike kuldekjeder 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. Dokumentasjon av standarden for kjøling i India er utført, hortikulturelle produkter av spesifikk relevanse er undersøkt, innsikt i typiske kuldekjeder for innlands og eksportformål er presentert, og kvantifiserbar informasjon fra oppholdet i India er presentert via svar gitt i en forbrukerunderskelse. Den nåværende standarden rundt kuldekjeder, kjøling og spesifikk nedkjøling i India blir dokumentert til å ha store mangler både i kapasitet og effektivitet, men de samme områdene er også dokumentert til å være i tydelig vekst med store potensialer for videre utvikling. Denne bakgrunnen brukes til å etablere et potensielt fordelaktig nedkjølingssystem i dette scenariet, et system som baserer seg på fornybar 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 implementasjon av systemet blir konstruert. Relevant teori brukes til å lage en omfattende simuleringsmodel med programvaren EES for det komplette nedkjølingssystemet. Modellen simulerer luftstrømning og 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, et system som implementeres for nedkjøling av epler, druer og mango i de respektive klimatiske forholdene nær Dehradun, Mumbai og Kolkata.

Det optimaliserte designet, antagelsene gjort og betingelsene som er gjeldende gir et nedkjølingssystem med en 4 kW kompressor som bruker R600a som kjølemedium, og en 1 kW vifte som sørger for luftgjennomstrømning i geometrien. Energiforsyningssystemet består av et sammenleggbart solbasert PV-panel på 47.3 m2, og et batteri med en størrelse på 7.5 kWh. Systemet will under designforholdene 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 tre partier for epler og mango, og i fire partier for druer. For epler, druer og mango vil den respektive nedkjølingstiden være 173, 110 og 175 minutter, og den respektive COPen til kjølesystemet ved disse dimensjonerende forholdene er 3.81, 3.857 og 4.042. Det komplette nedkjølingssystemet undersøkes i forhold til det Indiske scenariet, og det konkluderes med at systemet har flerer potensielle fordeler her.

The worlds population is steadily rising and more people are making their way out of poverty each day, as a result the demand for enough nutrient rich food is ever increasing. India is a country where the both the population and the state of development is in rapid growth, vast parts of its population is however still poor and undernourished. As India is one of the largest producer of fruits and vegetables in the world, this sector has the possibility of being a thriving industry both domestically and internationally. There are however immense postharvest losses before the product can even reach the consumer, which is largely attributed to the improper use of cold chains in the country. One of the most beneficial implementations available for value addition and efficiency increase of such cold chains is the use of designated cooling systems for removal of field heat, and such 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 of the 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 given by Indian natives. The state of cold chains, refrigeration and cooling in India is found to be vastly lacking in both capacity and efficiency, however it is also found to be in a state of growth where it shows great potential for further development. This foundation is used to establish a potential beneficial cooling system for the scenario, which is a renewable and portable cooling system for use on apples, grapes and mangoes in India.

A physical design of the cooling system is presented, and a further logistical implementation of this system in India is constructed. Related theory is used to make a comprehensive simulation model in the software program EES for the complete cooling system. The model simulates airflow and corresponding factors of importance through the geometry, refrigeration loads and the corresponding refrigeration system, transient considerations related to the cooled products, and the renewable energy supply to the system. Results from the model is used to reach an optimized system configuration, which is implemented for cooling of apples, grapes and mangoes in the respective climatic regions of Dehradun, Mumbai and Kolkata.

The optimized design, assumptions and conditions gives a cooling system with a 4 kW compressor that 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 7.5 kWh. The system will at design conditions have a 10 hour daily operational time in the respective climatic 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 four batches for grapes. For apples, grapes and mangoes the respective cooling time is 173, 110 and 175 minutes, and the respective COP of the refrigeration system at these dimensioning conditions is 3.81, 3.857 and 4.042. The complete cooling system is investigated in relation to the Indian scenario, and it is concluded that the system has several potential benefits here.