Development and Experimental Evaluation of an IoT-Based Multi-Point Thermal Monitoring System for an R134a Domestic Refrigeration System

تعتمد كل دار تمتلك وسيلة لتبريد الطعام على آلة تعمل عن طريق نقل الحرارة من مكان إلى آخر. فداخل الثلاجة القياسية، يتحرك سائل خاص يسمى مبرد (refrigerant) في حلقة مستمرة عبر أربعة أجزاء رئيسية: ضاغط يضغط السائل، ومجموعة من الملفات التي تطلق الحرارة إلى الغرفة، وصمام يخفض الضغط، ومجموعة أخرى من الملفات التي تمتص الحرارة من الطعام. هذه الدورة هي محرك حفظ الأطعمة الحديثة، ولكن بالنسبة لمعظم الناس، تظل بمثابة "صندوق أسود". فنحن نرى الهواء البارد بالداخل، لكننا لا نرى كيف تتغير درجة الحرارة أثناء تحرك السائل عبر الآلة، كما لا نعرف بالضبط كيف يتصرف النظام عند تشغيله لأول مرة أو كيف يستقر في إيقاع ثابت. إن فهم هذه التحركات الخفية أمر بالغ الأهمية لأن الطريقة التي تنتقل بها الحرارة عبر هذه المكونات تحدد مدى كفاءة عمل الآلة وما إذا كانت ستتعرض للفشل.

قرر باحثون من جامعة أولوسيجون أغاجو للعلوم والتكنولوجيا والجامعة الاتحادية أوي إيكيتي في نيجيريا فتح ذلك الصندوق الأسود. فقد بنوا طريقة جديدة لمراقبة عمل الثلاجة في الوقت الفعلي، ليس فقط من خلال فحص درجة الحرارة داخل حجرة الطعام، بل عن طريق قياس الحرارة في سبعة مواضع مختلفة على طول مسار المبرد بأكمله. قاموا بتوصيل كمبيوتر صغير منخفض التكلفة بثلاجة منزلية قياسية وربطه بشبكة من المستشعرات التي يمكنها إرسال البيانات إلى الإنترنت. سمح لهم ذلك برؤية مدى سخونة أو برودة الآلة عند كل نقطة حرجة، بدءاً من لحظة تشغيل الضاغط وحتى وصول النظام إلى حالة مستقرة. كان هدفهم هو إنشاء صورة واضحة للسلوك الحراري لثلاجة منزلية باستخدام تقنية تُعرف باسم "إنترنت الأشياء" (Internet of Things)، والتي تعني ببساطة ربط الأشياء اليومية بالإنترنت لتمكينها من مشاركة المعلومات.

استخدم الفريق ثلاجة منزلية تعمل بنوع شائع من المبردات يسمى R134a. وقد زودوا هذه الآلة بوحدة تحكم مركزية ومجموعة من المستشعرات الرقمية. وُضعت سبعة من هذه المستشعرات في مواقع محددة لتتبع درجة حرارة المبرد أثناء تحركه عبر النظام. راقب أحد المستشعرات الهواء داخل حجرة المبخر، بينما راقبت مستشعرات أخرى الأنابيب الداخلة والخارجة من ملفات طرد الحرارة، وسطح تلك الملفات، والمنطقة التي ينخفض فيها الضغط، والغاز الساخن الخارج من الضاغط. وقام مستشعر منفصل بقياس درجة حرارة ورطوبة الهواء في الغرفة التي تقف فيها الثلاجة. جُمعت كل هذه البيانات كل ثانيتين، وهي سرعة كافية لالتقاط التغيرات السريعة التي تحدث عندما تبدأ الآلة بالعمل. عرض النظام الأرقام على شاشة صغيرة متصلة بالوحدة وأرسلها في الوقت نفسه إلى منصة قائمة على السحابة، مما سمح للباحثين بمشاهدة البيانات من أي مكان.

عندما قام الباحثون بتشغيل الثلاجة، بدأت المستشعرات على الفور في الكشف عن التحولات الدراماتيكية في درجات الحرارة التي تحدث أثناء التشغيل. فمع بدء عمل الضاغط، دفع المبرد إلى ملفات طرد الحرارة بدرجة حرارة عالية جداً. سجل المستشعر عند مخرج الضاغط أعلى متوسط درجة حرارة للنظام بأكمله، حيث وصل إلى 53.58 درجة مئوية. وتنتج هذه الحرارة عن عملية الضغط ويجب إطلاقها في الهواء المحيط لكي تعمل الثلاجة. وبينما كان السائل الساخن ينتقل عبر الملفات، بدأ يبرد؛ حيث انخفضت درجة الحرارة أثناء تحركه عبر قسم طرد الحرارة، لتصل إلى متوسط 49.11 درجة عند بداية الملفات و38.36 درجة عند المخرج. أكد هذا الانخفاض أن النظام يقوم بنجاح بتصريف الحرارة إلى الغرفة. واستقر سطح الملفات، الذي ينقل تلك الحرارة إلى الهواء، عند متوسط 45.83 درجة، ليكون في وضع مريح بين المدخل الساخن والمخرج الأكثر برودة.

بعد مرور المبرد عبر صمام خفض الضغط، دخل إلى قسم التبريد في الدورة. هنا، انخفضت درجة الحرارة بشكل كبير حيث امتص السائل الحرارة من داخل الثلاجة. سجل المستشعر داخل حجرة المبخر أدنى متوسط درجة حرارة للتجربة بأكملها، حيث استقر عند 10.26 درجة مئوية. خلق هذا فرقاً هائلاً في درجات الحرارة يزيد عن 43 درجة بين النقطة الأكثر سخونة في النظام والنقطة الأكثر برودة، مما يوضح التدرج الحراري القوي الذي يحرك عملية التبريد. ظلت درجة حرارة الغرفة ثابتة نسبياً عند 27.44 درجة، مما وفر خلفية مستقرة لقياس التغيرات الداخلية للآلة. كما تتبع النظام الرطوبة، حيث أظهر أنه مع برودة الهواء داخل حجرة المبخر، قلت قدرته على الاحتفاظ بالرطوبة، مما أدى إلى انخفاض الرطوبة النسبية بالقرب من ملفات التبريد من حوالي 75 بالمائة إلى 45 بالمائة مستقرة. وهذا التأثير التجفيفي هو جزء طبيعي من كيفية إزالة الثلاجات للرطوبة من الهواء، مما يساعد في منع تراكم الصقيع.

كان الجزء الأكثر كشفاً في الدراسة هو مراقبة سلوك النظام خلال الساعات الأولى من التشغيل. فعند تشغيل الثلاجة لأول مرة، تغيرت درجات الحرارة في جميع النقاط بسرعة. ارتفع الغاز الساخن عند مخرج الضاغط بسرعة من نقطة بداية حوالي 15 درجة إلى ما يقرب من 50 درجة خلال أول ساعتين قبل أن يستقر في إيقاعه الثابت. وبالمثل، ارتفع الهواء البارد في حجرة المبخر قليلاً من نقطة بداية 8 درجات إلى مستوى تشغيله المستقر عند 12 درجة. استغرق الأمر حوالي أربع ساعات حتى يتوقف النظام بأكم مع التذبذبات العنيفة ويصل إلى حالة من التشغيل شبه المستقر، حيث لا تتغير درجات الحرارة إلا قليلاً. هذه الفترة الانتقالية غالباً ما تكون غير مرئية لأدوات المراقبة القياسية التي تفحص فقط درجة الحرارة النهائية، لكن النظام الجديد التقط الرحلة بأكملها، موضحاً بالضبط كم استغرق الأمر من وقت لتستقر الآلة وكيف استجبت الأجزاء المختلفة لضغط بدء التشغيل.

قارن الباحثون نهجهم التفصيلي متعدد النقاط بأنظمة المراقبة الحالية الأخرى، والتي تقيس عادةً درجة الحرارة داخل حجرة التخزين أو البيئة العامة فقط. توفر تلك الطرق القديمة لقطة واحدة للنتيجة النهائية لكنها تغفل التفاعلات المعقدة التي تحدث داخل الآلة. ومن خلال وضع مستشعرات عند المدخل والمخرج وسطح أجزاء التبادل الحراري، وكذلك عند صمام التمدد والضاغط، قدم هذا النظام الجديد خريطة كاملة للحياة الحرارية للثلاجة. لقد أظهر أن عملية طرد الحرارة ليست موحدة وأن درجة حرارة سطح الملفات تروي قصة مختلفة عن درجة حرارة السائل بداخلها. هذا المستوى من التفصيل هو أمر لا تستطيع الطرق التقليدية تحقيقه دون معدات مكلفة ومعقدة.

خلصت الدراسة إلى أن هذا النظام منخفض التكلفة والمتصل بالإنترنت هو وسيلة عملية وفعالة لمراقبة صحة وأداء الثلاجة. لقد أثبت بنجاح أن إعداداً بسيطاً من المستشعرات الرقمية وكمبيوتر صغير يمكنه التقاط القصة الحرارية الكاملة لجهاز منزلي، من لحظة تشغيله وحتى تشغيله اليومي المستقر. أثبتت البيانات التي جُمعت أن النظام يمكنه تحديد الفروقات في درجات الحرارة بين كل مكون رئيسي، مما يوفر رؤية واضحة لكيفية انتقال الحرارة عبر الدورة. وبينما ركزت الدراسة على وحدة واحدة، فإن الطريقة تشير إلى إمكانية توسيع هذه الأنظمة لمراقبة العديد من الثلاجات في وقت واحد، مما يوفر أساساً لصيانة أذكى واستخدام أفضل للطاقة. إن القدرة على رؤية هذه السلوكات العابرة والتفاصيل على مستوى المكونات تفتح الباب أمام تقنيات مستقبلية يمكنها اكتشاف المشكلات تلقائياً أو تحسين الأداء قبل وقوع الفشل، مما يحول مجرد جهاز منزلي بسيط إلى مصدر لبيانات غنية وقابلة للتنفيذ.