Analyse von Luftströmung und Kühleffizienz zur Vermeidung von Hotspots

Beim Transport von klimakterischen Früchten, insbesondere bei Bananen, besteht die Gefahr der Bildung von Hotspots. In einzelnen Kartons oder Paletten kann die durch biologische Alterungs- und Reifungsprozesse erzeugte Wärme so stark ansteigen, dass sie nicht mehr durch die Kühlung abgeführt werden kann. Dies führt zu einem Temperaturanstieg, der wiederum die biologischen Prozesse beschleunigt.

(Räumliche Temperaturverteilung und Zonen schlechter Kühlwirkung)

Temperaturverlauf Hotspot und ausreichende Kühlung

Thermisches Modell

Zur Analyse der Bedingungen, die zu einem Hotspot führen, wurde ein thermisches Modell erstellt. Durch Anpassung der Modellparameter an den gemessenen Temperaturverlauf, ist es möglich, die erzeugte und die abgeführte Wärmemenge separat zu berechnen [1].
Unter Standardbedingungen geben grüne Bananen eine Wärmeleistung von etwa 50 Watt je Tonne ab. Dieser Wert kann durch Transport unter kontrollierter Atmosphäre reduziert werden, steigt aber bei fortgeschrittenem Alter der Ware.

Bedingung

Wärmeabgabe

Kontrollierte Atmosphäre (4.5% CO2 / 3% O2)

16,1 W/t

Banavac Folienverpackung (4% CO2 / 17% O2)

24,0 W/t

Normale Atmosphäre

50,3 W/t

Reifung bei 15°C

70 ... 115 W/t

Reifung bei 17°C

185 ... 210 W/t

Verbesserung der Verpackung und Stauung

Bei normaler Stauung wurden 60 Watt je Tonne durch die Kühlluft abgeführt. Umgerechnet auf eine volle Containerladung entspricht dies nur etwa 10% der angegebenen Kühlkapazität des Aggregates. Es wurden daher verschiedene Versuche unternommen, die Verpackung und Stauung zu verbessern.

Verpackung / Stauung

Wärmeabfuhr

Standardpackung

58,7 W/t

Blockierte Spalten

41,6 W/t

Spalt 3 cm

68,0 W/t

Verbesserte Kartons, Spalten und Kaminschema

92,1 W/t

Möglichkeit zur Reifung im Container

Durch Kombination mehrerer Maßnahmen konnte die Kühleffizienz um ca. 50% verbessert werden. Diese umfassen verbessertes Kartondesign, Spacer um gleichmäßige Spalten zwischen Wand und Paletten zu erzwingen und geänderte Anordnung der Paletten im Container.
Wenn die Temperatur bei der Reifung auf 15°C begrenzt und der Setpoint des Kühlaggregates um 0.5°C abgesenkt wird, ist es möglich, die während der Reifung erzeugte Wärme abzuführen. In drei Feldtests konnte technische Machbarkeit einer Reifung im Container demonstriert werden.

Simulation der Strömungsverhältnisse

Zur weiteren Verifikation der Änderungen an der Stauung der Paletten im Container wurden die Strömungsverhältnisse in COMSOL simuliert [2]. Durch die Simulation konnte eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in den kritischen Bereichen der Paletten nachgewiesen werden.
Durch die Simulation konnte weiterhin eine Erklärung für Probleme, die typischerweise in den beiden Paletten direkt am Aggregat auftreten, gefunden werden. Durch einen Wirbel kann hier die Strömungsgeschwindigkeit in diesem Bereich stark abfallen.

Wirbel auf der Seite des Kühlaggregates und Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im oberen Drittel der Palette (orange-rot = hohe Geschwindigkeit)

Drahtloser Strömungssensor

Die Parameter der Simulation wurden anhand der Messungen mit Hilfe eines Satzes von drahtlosen Strömungssensoren abgeglichen. Die Sensoren basieren auf einem am IMSAS entwickeltes Sensorelement und können in das Netzwerk zur Temperaturüberwachung integriert werden [3].

Relevante Veröffentlichungen

  1. Jedermann, R., Geyer, M., Praeger, U., Lang, W.:  Sea transport of bananas in containers – Parameter identification for a temperature model,  Journal of Food Engineering, April 2013, Vol. 115(3) 3,pp.   330–338, DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2012.10.039. [pdf]
  2. Issa, S.; Lang, W.: Airflow Simulation Inside Reefer Containers. In: Kotzab, H.; Pannek, J.; Thoben, K.-D.,(eds.): Dynamics in Logistics, Springer International Publishing, 2016, pp. 303-311. DOI: 10.1007/978-3-319-23512-7_29 [pdf]
  3. Lloyd, C.; Jedermann, R.; Lang, W.: Airflow Behavior Under Different Loading Schemes and Its Correspondence to Temperature in Perishables Transported in Refrigerated Containers. In: Freitag, M.; Kotzab, H.; Pannek, J.,(eds.): Dynamics in Logistics: Proceedings of the 5th International Conference LDIC, 2016 Bremen, Germany, Springer International Publishing, Cham, 2017, pp. 481-490.  DOI: 10.1007/978-3-319-45117-6_42  Presented at: 4th International Conference on Dynamics in Logistics (LDIC 2014), Bremen, Germany [pdf].

[Weitere Publikationen]

Kontakt

Reiner Jedermann, Institut für Mikrosensoren-, aktoren und -systeme (IMSAS), Universität Bremen, Email

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