Investigating cooling performance and energy utilization of refrigerated shipping container packed with fresh Fruit using computational fluid dynamics modelling
Date
2017-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: This dissertation addresses a number of topics that arise from the use of a
refrigerated shipping containers (reefers) during transportation of fresh produce. The
work contributes to (i) development of a computational fluid dynamics (CFD) model
of a reefer packed with fresh produce, (ii) simultaneous estimation of produce quality
and energy consumption to maintain product value and minimize wastage in the cold
chain system. The work presented herein is concerned primarily with three topics: the
airflow distribution in reefers (empty and packed), cooling operation of apple fruit, and
energy use with respect to packaging designs and fan operation. Additionally, a chapter
is presented that focuses on the impact of environmental conditions on the performance
of fruit packed reefer during transportation.
First, a numerical and experimental investigation of airflow and temperature
distribution inside two types of empty reefers (T-bar floor and flat floor) used for fresh
fruit handling was conducted to establish the fundamental characteristics of transport
phenomena. Then, a CFD model of a fully loaded reefer was developed using porous
medium approach. Fruit stacked pallets were modelled as porous media, in which
volume average transport equations were employed, to avoid complex geometries
inside packed pallet and minimize computational cost. Wind tunnel tests were used to
obtain the pressure drop characteristics of palletized stack of apple fruit and the viscous
and inertia coefficients in Darcy-Forchheimer equation. The detailed structure of the
T-bar floor of the reefer and resistance-to-airflow of wooden pallets that were
previously overlooked, were incorporated in the model. Airflow, pulp temperature and,
energy consumption data obtained from a fully loaded, full-scale reefer were used to
validate the model. The validated model was used to further investigate airflow distribution and fruit cooling performance of packaging designs used for handling
apples and vertical airflow resistance or addition of bottom vent-holes.
Energy consumption of reefers packed with apple fruit during shipping was
examined experimentally and numerically using the validated model. The energy
consumption of reefers packed with different apple packaging designs was evaluated
with respect to seven-eighth cooling time, which confirmed the influence of ventilation
area on energy use and the trade-off between the energy savings that can be achieved
by employing packaging designs with low and high fruit packing density. In addition,
the effect of evaporator fan on energy consumption was studied by simulating fruit
packed reefers operating at low, medium, high and variable evaporator fan speeds. The
study demonstrated significance of optimal fan speed operation on energy use of
reefers packed with stacked load of fresh produce.
Finally, the impact of climate on cooling performance and energy consumption
of reefer during shipping was studied. The study showed an increase in fruit
temperature and energy consumption due to heat conduction through the walls when
the reefer operate in high temperature region. Overall, the CFD model developed
predicted airflow, heat transfer and energy use with satisfactory accuracy. The model
and research approach can be applied to a wide range of horticultural products and cold
chains with slight modification.
AFRIKAANSE OPSOMMING: In hierdie tesis word verskeie onderwerpe i.v.m. die gebruik van verkoelde skeepshouers gedurende die vervoer van vars produkte, behandel. Die navorsing dra by tot (i) ontwikkeling van ’n berekeningsvloeidinamika (BVD) model van ’n skeepshouer gepak met vars produkte, (ii) gelyktydige skatting van produk gehalte en energieverbruik om sodoende die waarde van die produk te behou en vermorsing van energie in die koue-ketting sisteem te verminder. Daar word veral op drie onderwerpe gefokus: die lugvloeiverspreiding in die skeepshouers (leeg en volgepak), die verkoeling van die appels, en die gebruik van energie deur die verkoelings- en waaierontwerpe. Daar is ook ’n hoofstuk wat fokus oor die impak van omgewingstoestande op die prestasie van vrugte verpak in die skeepshouer tydens vervoer. Daar is eerstens ’n numeriese en eksperimentele ondersoek gedoen na lugvloei en temperatuurverspreiding binne die twee tipes leë skeepshouers (T-vorm vloer en plat vloer) om die fundamentele kenmerke van die vervoerverskynsels te verstaan. Toe is ’n BVD model van ’n volle gelaaide skeepshouer met die gebruik van die poreuse medium benadering ontwikkel. Vrugte-verpakte houtpalette is gemodelleer as poreuse media, waarin gemiddelde volume vervoer vegelykings gebruik is om komplekse geometrie binne-in die gepakte houtpalet te vermy en om berekende koste tot die minimum te beperk. Windtonnel toetse is gebruik om die val-in-druk kenmerke van die gepakte appels en die taaiheids- en traagheidskoëffisiente van die Darcy-Forchheimer vergelyking te verkry. Die gedetailleerde struktuur van die T-vorm vloer van die skeepshouer en die weerstand tot lugvloei van houtpalette wat voorheen misgekyk is, word ook in die model geïnkorporeer. Die lugvloei, temperatuur van die vleisgedeelte van die vrugte, en die data oor energie-verbruik wat verkry is vanaf ’n volgelaaide, volskaal skeepshouer is gebruik om die model te valideer. Die gevalideerde model is gebruik om lugvloeiverspreiding en vrugte-verkoeling van verpakkingsontwerpe wat gebruik word vir die hantering van appels en die vertikale lugvloei weerstand of die byvoeging van ventilasie gaatjies verder te ondersoek. Die energieverbruik van skeepshouers gepak met appels is gedurende verskeping eksperimenteel en numeries met die gebruik van die gevalideerde model ondersoek. Die energieverbruik van skeepshouers met verskillende tipes appelverpakking is vir sewe-agstes verkoeling evalueer, wat die invloed van ventilasie area op energieverbruik en die kompromie met energiebesparing bevestig het, en verkry word deur die gebruik van verpakkingsontwerpe met lae-en hoë vrugte verpakkingsdigtheid. Verder is die effek van ’n verdampingswaaier op die energieverbruik bestudeer deur vrugteverpakte skeepshouers met waaiers wat teen lae- , middel- en hoë spoede loop, te simuleer. Die studie het die belangrikheid van optimale waaierspoed operasie op die energieverbruik van skeepshouers volgepak met vars produkte getoon. Laastens is die impak van klimaat op die verkoelingsdoeltreffendheid en die energieverbruik van skeepshouers tydens verskeping bestudeer. Daar is bevind dat die temperatuur van die vrugte asook die energieverbruik van die skeepshouer in streke met hoë temperature weens die geleiding van hitte deur die mure, verhoog. Oor die algemeen het die BVD model die lugvloei, hitte-oordrag en energieverbruik akkuraat voorspel. Hierdie model en navorsingsbenadering kan op ’n wye reeks tuinbou produkte en koue kettings, met klein aanpassings, toegepas word.
AFRIKAANSE OPSOMMING: In hierdie tesis word verskeie onderwerpe i.v.m. die gebruik van verkoelde skeepshouers gedurende die vervoer van vars produkte, behandel. Die navorsing dra by tot (i) ontwikkeling van ’n berekeningsvloeidinamika (BVD) model van ’n skeepshouer gepak met vars produkte, (ii) gelyktydige skatting van produk gehalte en energieverbruik om sodoende die waarde van die produk te behou en vermorsing van energie in die koue-ketting sisteem te verminder. Daar word veral op drie onderwerpe gefokus: die lugvloeiverspreiding in die skeepshouers (leeg en volgepak), die verkoeling van die appels, en die gebruik van energie deur die verkoelings- en waaierontwerpe. Daar is ook ’n hoofstuk wat fokus oor die impak van omgewingstoestande op die prestasie van vrugte verpak in die skeepshouer tydens vervoer. Daar is eerstens ’n numeriese en eksperimentele ondersoek gedoen na lugvloei en temperatuurverspreiding binne die twee tipes leë skeepshouers (T-vorm vloer en plat vloer) om die fundamentele kenmerke van die vervoerverskynsels te verstaan. Toe is ’n BVD model van ’n volle gelaaide skeepshouer met die gebruik van die poreuse medium benadering ontwikkel. Vrugte-verpakte houtpalette is gemodelleer as poreuse media, waarin gemiddelde volume vervoer vegelykings gebruik is om komplekse geometrie binne-in die gepakte houtpalet te vermy en om berekende koste tot die minimum te beperk. Windtonnel toetse is gebruik om die val-in-druk kenmerke van die gepakte appels en die taaiheids- en traagheidskoëffisiente van die Darcy-Forchheimer vergelyking te verkry. Die gedetailleerde struktuur van die T-vorm vloer van die skeepshouer en die weerstand tot lugvloei van houtpalette wat voorheen misgekyk is, word ook in die model geïnkorporeer. Die lugvloei, temperatuur van die vleisgedeelte van die vrugte, en die data oor energie-verbruik wat verkry is vanaf ’n volgelaaide, volskaal skeepshouer is gebruik om die model te valideer. Die gevalideerde model is gebruik om lugvloeiverspreiding en vrugte-verkoeling van verpakkingsontwerpe wat gebruik word vir die hantering van appels en die vertikale lugvloei weerstand of die byvoeging van ventilasie gaatjies verder te ondersoek. Die energieverbruik van skeepshouers gepak met appels is gedurende verskeping eksperimenteel en numeries met die gebruik van die gevalideerde model ondersoek. Die energieverbruik van skeepshouers met verskillende tipes appelverpakking is vir sewe-agstes verkoeling evalueer, wat die invloed van ventilasie area op energieverbruik en die kompromie met energiebesparing bevestig het, en verkry word deur die gebruik van verpakkingsontwerpe met lae-en hoë vrugte verpakkingsdigtheid. Verder is die effek van ’n verdampingswaaier op die energieverbruik bestudeer deur vrugteverpakte skeepshouers met waaiers wat teen lae- , middel- en hoë spoede loop, te simuleer. Die studie het die belangrikheid van optimale waaierspoed operasie op die energieverbruik van skeepshouers volgepak met vars produkte getoon. Laastens is die impak van klimaat op die verkoelingsdoeltreffendheid en die energieverbruik van skeepshouers tydens verskeping bestudeer. Daar is bevind dat die temperatuur van die vrugte asook die energieverbruik van die skeepshouer in streke met hoë temperature weens die geleiding van hitte deur die mure, verhoog. Oor die algemeen het die BVD model die lugvloei, hitte-oordrag en energieverbruik akkuraat voorspel. Hierdie model en navorsingsbenadering kan op ’n wye reeks tuinbou produkte en koue kettings, met klein aanpassings, toegepas word.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2017.
Keywords
Refrigerated containers, Refrigeration and refrigerating machinery, Shipping -- Fruit, Computational fluid dynamics, UCTD