Design and testing of a natural-circulating heat storage for cooking

Abstract

De siste årene har verden gjennomgått betydelige forbedringer når det gjelder tilgang til elektrisitet. Likevel manglet fortsatt omtrent 770 millioner mennesker tilgang til elektrisitet i 2021, ifølge en rapport fra World Energy Outlook. Flertallet av disse bor i Afrika sør for Sahara. Mangelen på elektrisitet gjør at mat tilberedes tradisjonelt, med biomasse eller annet fast brensel som energikilde. Slik tilbereding kan være svært forurensende og gir et miljøproblem som følge av avskoging i tett befolkede områder. Det anslås i nevnte rapport at helserisikoen forbundet med luftforurensning fra forbrenning av disse materialene, samt parafin, årlig forårsaker 2,5 millioner premature dødsfall.

For å bekjempe uren matlaging, har det tidligere blitt utviklet flere rene matlagningsløsninger. En utfordring med disse er imidlertid at mange av menneskene løsningene er tiltenkt mangler muligheten til å lagre energi. Det resulterer i begrenset bruk hvis løsningene drives av intermitterende energikilder som sol og vindkraft. Bruken av disse systemene kan dermed utvides hvis de implementeres med en lagringsløsning for å lagre energi over tid. Derfor undersøker denne oppgaven design og testing av et naturlig sirkulerende varmelager for matlaging som kan implementeres i Afrikanske omgivelser.

Systemet består av to tanker fylt med olje, koblet til hverandre gjennom rør. Den ene tanken fungerer som et lager for energi i form av varme, og den andre som en koker. Kokeren er en mindre tank som inneholder et varmeelement og en gryte som kan brukes til matlaging. Denne utformingen gjør det mulig å kun måtte varme opp et lite volum olje, som gjennom naturlig sirkulasjon, kan varme opp lageret eller tillate matlaging. Naturlig sirkulasjon kan også muliggjøre å senere tappe lageret for energi for å tillate matlaging, selv når elektrisitet fra energikilden ikke er tilgjengelig. Temperaturer og strømmen av olje i systemet reguleres av en ventil.

Et system er designet, bygget og testet for å demonstrere og videreutvikle konseptet beskrevet ovenfor. Under testingen ble det lagt vekt på effektiviteten til naturlig sirkulasjon for å gi tilstrekkelig kraft til matlaging og på metoder for å kontrollere kokerens temperatur. Gjennom et innledende sett med eksperimenter ble systemet testet med varierende suksess. Når energi ble tilført systemet gjennom varmeelementet, oppsto naturlig sirkulasjon, som ladet og termisk stratifiserte lageret samtidig som det opprettholdt tilstrekkelige temperaturer i kokeren. Når systemet ble tappet for energi oppstod tilstrekkelig naturlig sirkulasjon for å opprettholde matlaging bare når systemet var fulladet, og etterlot en betydelig mengde energi i lageret når dette ikke var tilfellet. Utbedringsmetoder ble derfor foreslått og testet. Disse besto av en ny ventil, som tillot brukeren å kontrollere strømmen av olje fra utsiden av systemet, og en manuell pumpe for å hjelpe til med å fullstendig tømme lageret for brukbar energi. Gjennom ett sett med senere eksperimenter ble effekten av modifikasjonene testet. Eksperimentene viste at fortrengningsventilen ga tilsvarende kontroll, med kun mindre forskjeller fra forrige løsning. Løsningen var imidlertid trygg og lettere å regulere. Pumpen tillot utvinning av brukbar energi selv når lageret ikke var fulladet, men ytterligere optimalisering er nødvendig før implementering. En matlagingstest av 2 kg kidneybønner fra lagret energi viste også at systemet er tilstrekkelig til å tilberede mat til et betydelig antall mennesker. Fulladet kan prototypen lagre 6,8 kWh med brukbar energi, og gjennom testing har den vist seg å lagre brukbar energi i over 16 timer.

Basert på resultater fra testing og andre hensyn, anses systemet som klart for testing under virkelige forhold i det sørlige Afrika.

The world has seen significant improvements regarding access to electricity in recent years. Still, approximately 770 million people do not have access in 2021, according to a report by the World Energy Outlook, with the majority living in Sub-Saharan Africa. The lack of electricity causes food to be cooked traditionally, using biomass or other solid fuels as an energy source. Traditional cooking can be highly polluting and unclean and contributes to deforestation and the subsequent degradation of the environment. It is estimated in the same report that health risks associated with air pollution from burning these materials, as well as kerosene, cause 2.5 million premature deaths annually.

Several clean cooking solutions have been designed and developed to combat unclean cooking, but many lack the possibility to store energy, resulting in limited use if powered by intermittent energy sources such as solar or wind power. Their use can be extended if implemented with a storage solution to store energy over time. Therefore, the thesis investigates the design and testing of a natural-circulating heat storage solution for cooking to be implemented in rural areas of southern Africa.

The system consists of two tanks filled with oil, connected to each other through piping, where one tank serves as a sensible heat thermal energy storage, SHTES, and the other as a cooker. The cooker is a smaller tank containing a heating element and a pot that can be used for cooking. This design allows for only heating a small volume of oil which, through natural circulation, can charge the SHTES or allow cooking directly. The SHTES can later be discharged through reversed natural circulation to allow cooking, even when power to the heating element is not available. Temperatures and the flow of oil are regulated through a valve concept.

A system has been designed, built, and tested to demonstrate and further develop the concept described above. The emphasis during testing was on the efficiency of the natural circulation to provide adequate cooking power and on methods for controlling the cooker temperature. Through a preliminary set of experiments, the system was tested with varying success. When powering the heating element, natural circulation occurred, which charged and thermally stratified the SHTES while maintaining adequate temperatures in the cooker. When discharging, adequate natural circulation to sustain cooking only occurred when the system was fully charged, leaving a significant amount of energy in the SHTES when this was not the case. Remediation methods were therefore proposed and tested. These consisted of a new type of valve, allowing the user control of the flow from outside the system, and a manual pump to assist in fully discharging the SHTES of usable energy. Through a set of final experiments, the effect of the modifications was tested. Experiments showed that the displacement valve provided similar control, with only minor differences to the previous solution, but was safe and easier to regulate. The pump allowed the extraction of usable energy even when the SHTES was not fully charged, however, further optimization is required before implementation. A cooking test of 2kg of kidney beans from stored energy also showed that the system is proficient in cooking wet foods for a substantial amount of people. When fully charged, the prototype can store 6.8 kWh of usable energy, and through testing, it has been proved to store usable energy for over 16 hours.

Based on results from testing and other considerations, the system is deemed ready for testing under real-life conditions in rural areas of southern Africa.