Experimental and modeling studies of forced convection storage and drying systems for sweet potatoes
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Ökologische Agrarwissenschaften | |
| dc.contributor.referee | Hensel, Oliver (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Hofacker, Werner (Prof. Dr.-Ing.) | |
| dc.date.accessioned | 2016-12-13T10:44:26Z | |
| dc.date.available | 2016-12-13T10:44:26Z | |
| dc.date.examination | 2016-12-09 | |
| dc.date.issued | 2016-12-13 | |
| dc.description.sponsorship | Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD);Global Food Supply (GlobE) project RELOAD, funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF); University for Development Studies (Ghana) | ger |
| dc.identifier.issn | 0931-6264 | |
| dc.identifier.uri | urn:nbn:de:hebis:34-2016121351675 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/2016121351675 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights | Urheberrechtlich geschützt | |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ | |
| dc.subject | storage | eng |
| dc.subject | drying | eng |
| dc.subject | sweet potatoes | eng |
| dc.subject | mud storehouse | eng |
| dc.subject | pressure drop | eng |
| dc.subject | CFD | eng |
| dc.subject | Aerial vines | eng |
| dc.subject | evaporative cooling | eng |
| dc.subject.ddc | 630 | |
| dc.subject.swd | Batate | ger |
| dc.subject.swd | Lagerfähigkeit | ger |
| dc.subject.swd | Nachernteverfahren | ger |
| dc.title | Experimental and modeling studies of forced convection storage and drying systems for sweet potatoes | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dcterms.abstract | Sweet potato is an important strategic agricultural crop grown in many countries around the world. The roots and aerial vine components of the crop are used for both human consumption and, to some extent as a cheap source of animal feed. In spite of its economic value and growing contribution to health and nutrition, harvested sweet potato roots and aerial vine components has limited shelf-life and is easily susceptible to post-harvest losses. Although post-harvest losses of both sweet potato roots and aerial vine components is significant, there is no information available that will support the design and development of appropriate storage and preservation systems. In this context, the present study was initiated to improve scientific knowledge about sweet potato post-harvest handling. Additionally, the study also seeks to develop a PV ventilated mud storehouse for storage of sweet potato roots under tropical conditions. In study one, airflow resistance of sweet potato aerial vine components was investigated. The influence of different operating parameters such as airflow rate, moisture content and bulk depth at different levels on airflow resistance was analyzed. All the operating parameters were observed to have significant (P < 0.01) effect on airflow resistance. Prediction models were developed and were found to adequately describe the experimental pressure drop data. In study two, the resistance of airflow through unwashed and clean sweet potato roots was investigated. The effect of sweet potato roots shape factor, surface roughness, orientation to airflow, and presence of soil fraction on airflow resistance was also assessed. The pressure drop through unwashed and clean sweet potato roots was observed to increase with higher airflow, bed depth, root grade composition, and presence of soil fraction. The physical properties of the roots were incorporated into a modified Ergun model and compared with a modified Shedd’s model. The modified Ergun model provided the best fit to the experimental data when compared with the modified Shedd’s model. In study three, the effect of sweet potato root size (medium and large), different air velocity and temperature on the cooling/or heating rate and time of individual sweet potato roots were investigated. Also, a simulation model which is based on the fundamental solution of the transient equations was proposed for estimating the cooling and heating time at the centre of sweet potato roots. The results showed that increasing air velocity during cooling and heating significantly (P < 0.05) affects the cooling and heating times. Furthermore, the cooling and heating times were significantly different (P < 0.05) among medium and large size sweet potato roots. Comparison of the simulation results with experimental data confirmed that the transient simulation model can be used to accurately estimate the cooling and heating times of whole sweet potato roots under forced convection conditions. In study four, the performance of charcoal evaporative cooling pad configurations for integration into sweet potato roots storage systems was investigated. The experiments were carried out at different levels of air velocity, water flow rates, and three pad configurations: single layer pad (SLP), double layers pad (DLP) and triple layers pad (TLP) made out of small and large size charcoal particles. The results showed that higher air velocity has tremendous effect on pressure drop. Increasing the water flow rate above the range tested had no practical benefits in terms of cooling. It was observed that DLP and TLD configurations with larger wet surface area for both types of pads provided high cooling efficiencies. In study five, CFD technique in the ANSYS Fluent software was used to simulate airflow distribution in a low-cost mud storehouse. By theoretically investigating different geometries of air inlet, plenum chamber, and outlet as well as its placement using ANSYS Fluent software, an acceptable geometry with uniform air distribution was selected and constructed. Experimental measurements validated the selected design. In study six, the performance of the developed PV ventilated system was investigated. Field measurements showed satisfactory results of the directly coupled PV ventilated system. Furthermore, the option of integrating a low-cost evaporative cooling system into the mud storage structure was also investigated. The results showed a reduction of ambient temperature inside the mud storehouse while relative humidity was enhanced. The ability of the developed storage system to provide and maintain airflow, temperature and relative humidity which are the key parameters for shelf-life extension of sweet potato roots highlight its ability to reduce post-harvest losses at the farmer level, particularly under tropical climate conditions. | eng |
| dcterms.abstract | Die Süßkartoffel ist in vielen Ländern der Welt ein strategisch wichtiges landwirtschaftliches Erzeugnis. Die Knollen und oberirdischen Ranken werden als Lebensmittel für die menschliche Ernährung sowie zu einem gewissen Teil auch als preiswerte Futtermittelquelle verwendet. Trotz ihrer wirtschaftlichen Bedeutung und ihres wachsenden Beitrags zur Gesundheit und Ernährung weisen sich die geernteten Süßkartoffeln und deren Ranken durch eine sehr eingeschränkte Lagerfähigkeit aus und unterliegen signifikanten Nachernteverlusten. Obwohl diese Verluste sehr hoch sind sind kaum Informationen verfügbar, die sich auf die Konstruktion von geeigneten Lagerungs- und Verarbeitungseinrichtungen beziehen. Mittels der vorliegenden Arbeit sollte daher der wissenschaftliche Kenntnisstand zur Nacherntebehandlung von Süßkartoffeln erhöht werden. Weiterhin sollte ein auf Lehmbauweise basierendes Lagerhaus mit photovoltaisch versorgter Lüftung für Süßkartoffeln in den Tropen entwickelt werden. Im ersten Teil der Arbeit wurde dazu zunächst der Strömungswiderstand der Süßkartoffelranken untersucht. Der Einfluss verschiedener Prozessparameter wie Luftvolumenstrom, Feuchtegehalt und Schütthöhe auf den Widerstand wurde bestimmt. Die Prozessparameter zeigten einen signifikanten Effekt (P < 0,01) auf den Strömungswiderstand. Ein Berechnungsmodell lieferte eine gute Übereinstimmung mit den experimentell bestimmten Druckverlustdaten. In einer zweiten Studie wurde der Strömungswiderstand bei ungewaschenen und sauberen Knollen untersucht. Der Einfluss von Form, der Oberflächenrauhigkeit, der Orientierung zum Luftstrom und des Erdanhanges wurde ermittelt. Die physikalischen Eigenschaften der Knollen wurden in ein modifiziertes Ergun Modell eingebunden und mit einem modifizierten Shedds Modell verglichen, wobei sich das Ergun Modell als besonders geeignet erwies. Im dritten Teil wurde der Effekt der Knollengröße, unterschiedlicher Luftgeschwindigkeiten und der Temperatur auf die Kühl- bzw. Erwärmungsrate und –zeit der einzelnen Knollen experimentell untersucht. Weiterhin wurde ein Simulationsmodell vorgeschlagen, mit dessen Hilfe die Kühl- bzw. Aufheizdauer im Kern einer individuellen Süßkartoffel vorausgesagt werden kann. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass eine Erhöhung der Luftgeschwindigkeit die Abkühlungs- und Erwärmungszeiten signifikant beeinflusst (P < 0,05). Diese waren auch bei den untersuchten Knollengrößen signifikant unterschiedlich (P < 0,05). Der Vergleich zwischen den experimentell bestimmten und berechneten Werten bestätigte die Gültigkeit des Simulationsmodells. Im vierten Teil der Arbeit wurde das Verhalten einer Verdunstungskühlung zum Einsatz in der Süßkartoffellagerung untersucht, da in ländlichen Gegenden der tropischen Ländern ein sehr hoher Bedarf an preiswerter Kühltechnologie besteht. Die Experimente wurde mit unterschiedlichen Luftgeschwindigkeiten, Wasserfließraten und variierender Zahl an durchströmten Schüttungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass vor allem eine höhere Luftgeschwindigkeit einen Einfluss auf den Druckabfall hat, eine übermäßige Erhöhung der Wasserflussrate aber keine relevante Verbesserung der Kühlleistung erbringt. Im fünften Kapitel wurde die Strömungsverteilung der Luft für das geplante Lagerhaus mit Hilfe der computergestützten Strömungssimulation (CFD – Softwarepaket ANSYS Fluent) simuliert und verschiedene Geometrien für den Lufteinlass, die Leiteinrichtungen und den Auslass sowie deren Positionierung untersucht. Durch begleitende experimentelle Versuche konnte die optimale Gestaltung validiert werden. Im sechsten Teil der Arbeit wurde eine photovoltaische versorgte Belüftungseinrichtung entwickelt. Praxisversuche bestätigten die Möglichkeit einer direkten Kopplung von Ventilator und Solarmodul. Abschließend wurde das Zusammenspiel aller Komponenten in einem in Lehmbauweise erstellten Lagerhaus untersucht. Es konnte nachgewiesen werden, dass wie vorausberechnet sowohl eine ausreichende Belüftung als auch die gewünschte Temperaturreduzierung bei gleichzeitiger Erhöhung der relativen Luftfeuchte erreicht werden kann, so dass ein erfolgreicher Einsatz dieses Lagerhauses bei der kleinbäuerlichen Süßkartoffellagerung in tropischen Ländern möglich ist. | ger |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Korese, Joseph Kudadam | |
| dcterms.isPartOf | Forschungsbericht Agrartechnik des Fachausschusses Forschung und Lehre der Max-Eyth-Gesellschaft Agrartechnik im VDI (VDI-MEG) ;; 567 | ger |
| dcterms.source.series | Forschungsbericht Agrartechnik des Fachausschusses Forschung und Lehre der Max-Eyth-Gesellschaft Agrartechnik im VDI (VDI-MEG) | ger |
| dcterms.source.volume | 567 | ger |