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

Jedes Zuhause, das Lebensmittel kühl hält, verlässt sich auf eine Maschine, die dadurch arbeitet, dass sie Wärme von einem Ort an einen anderen bewegt. In einem Standardkühlschrank fließt ein spezielles Fluid namens Kältemittel in einem kontinuierlichen Kreislauf durch vier Hauptteile: einen Kompressor, der das Fluid zusammendrückt, einen Satz von Spulen, die Wärme an den Raum abgeben, ein Ventil, das den Druck senkt, und einen weiteren Satz von Spulen, die Wärme von den Lebensmitteln absorbieren. Dieser Zyklus ist der Motor der modernen Lebensmittelkonservierung, aber für die meisten Menschen bleibt er eine „Black Box“. Wir sehen die kalte Luft im Inneren, aber wir sehen nicht, wie sich die Temperatur ändert, während das Fluid durch die Maschine fließt, noch wissen wir genau, wie sich das System verhält, wenn es zum ersten Mal eingeschaltet wird oder wie es sich in einen stetigen Rhythmus einpendelt. Das Verständnis dieser verborgenen Bewegungen ist entscheidend, da die Art und Weise, wie sich Wärme durch diese Komponenten bewegt, bestimmt, wie effizient die Maschine läuft und ob sie versagen könnte.

Forscher der Olusegun Agagu University of Science and Technology und der Federal University Oye Ekiti in Nigeria beschlossen, diese Black Box zu öffnen. Sie entwickelten eine neue Art, einen Kühlschrank in Echtzeit zu beobachten – nicht nur durch die Überprüfung der Temperatur im Lebensmittelfach, sondern indem sie die Wärme an sieben verschiedenen Stellen entlang des gesamten Pfades des Kältemittels messen. Sie montierten einen kleinen, kostengünstigen Computer an einen handelsüblichen Haushaltskühlschrank und verbanden ihn mit einem Netzwerk von Sensoren, die Daten in das Internet senden konnten. Dies ermöglichte es ihnen, genau zu sehen, wie heiß oder kalt die Maschine an jedem kritischen Punkt war, vom Moment an, als der Kompressor startete, bis das System einen stabilen Zustand erreichte. Ihr Ziel war es, ein klares Bild des thermischen Verhaltens eines Haushaltskühlschranks unter Verwendung einer Technologie zu erstellen, die als Internet der Dinge bekannt ist – was einfach bedeutet, alltägliche Gegenstände mit dem Internet zu verbinden, damit sie Informationen austauschen können.

Das Team verwendete einen Haushaltskühlschrank, der mit einem gängigen Kältemittel namens R134a betrieben wird. Sie statteten diese Maschine mit einer zentralen Steuerung und einer Sammlung digitaler Sensoren aus. Sieben dieser Sensoren wurden an spezifischen Positionen platet, um die Temperatur des Kältemittels zu verfolgen, während es sich durch das System bewegt. Ein Sensor beobachtete die Luft im Verdampferfach, während andere die Rohre überwachten, die in die wärmeabgebenden Spulen führen und aus ihnen herauskommen, die Oberfläche dieser Spulen, den Bereich, in dem der Druck abfällt, sowie das heiße Gas, das den Kompressor verlässt. Ein separater Sensor maß die Temperatur und Luftfeuchtigkeit des Raumes, in dem der Kühlschrank stand. All diese Daten wurden alle zwei Sekunden gesammelt – eine Geschwindigkeit, die schnell genug ist, um die rasanten Veränderungen einzufangen, die auftreten, wenn die Maschine zuerst eingeschaltet wird. Das System zeigte die Zahlen auf einem kleinen Bildschirm an, der an das Gerät angeschlossen war, und übermittelte sie gleichzeitig an eine Cloud-basierte Plattform, sodass die Forscher die Daten von überall aus einsehen konnten.

Als die Forscher den Kühlschrank einschalteten, begannen die Sensoren sofort, die dramatischen Temperaturschwankungen zu offenbaren, die während des Betriebs auftreten. Als der Kompressor startete, drückte er das Kältemittel mit einer sehr hohen Temperatur in die wärmeabgebenden Spulen. Der Sensor am Auslass des Kompressors zeichnete die höchste Durchschnittstemperatur des gesamten Systems auf und erreichte 53,58 Grad Celsius. Diese Hitze wird durch den Kompressionsprozess erzeugt und muss an die Umgebungsluft abgegeben werden, damit der Kühlschrank funktionieren kann. Während das heiße Fluid durch die Spulen wanderte, begann es abzukühlen. Die Temperatur sank, während es sich entlang des wärmeabgebenden Abschnitts bewegte, und fiel am Anfang der Spulen auf durchschnittlich 49,11 Grad und weiter unten am Auslass auf 38,36 Grad. Dieser Abfall bestätigte, dass das System erfolgreich Wärme an den Raum abgab. Die Oberfläche der Spulen, die diese Wärme an die Luft überträgt, pendelte sich bei durchschnittlich 42,83 Grad ein und lag damit bequem zwischen dem heißen Einlass und dem kühleren Auslass.

Nachdem das Kältemittel das druckmindernde Ventil passiert hatte, trat es in den Kühlabschnitt des Zyklus ein. Hier fiel die Temperatur signifikant ab, da das Fluid Wärme aus dem Inneren des Kühlschranks absorbierte. Der Sensor im Verdampferfach registrierte die niedrigste Durchschnittstemperatur des gesamten Experiments und hielt konstant 10,26 Grad Celsius. Dies erzeugte einen massiven Temperaturunterschied von mehr als 43 Grad zwischen dem heißesten Punkt des Systems und dem kältesten, was den starken thermischen Gradienten verdeutlicht, der den Kühlprozess antreibt. Die Raumtemperatur blieb mit 27,44 Grad relativ konstant und bot einen stabilen Hintergrund, gegen den die internen Veränderungen der Maschine gemessen werden konnten. Das System erfasste auch die Luftfeuchtigkeit und zeigte, dass mit der Abkühlung der Luft im Verdampferfach deren Fähigkeit, Feuchtigkeit zu halten, abnahm, was dazu führte, dass die relative Luftfeuchtigkeit in der Nähe der Kühlspulen von etwa 75 Prozent auf stabile 45 Prozent sank. Dieser Trocknungseffekt ist ein natürlicher Teil der Art und Weise, wie Kühlschränke Feuchtigkeit aus der Luft entfernen, was hilft, Frostbildung zu verhindern.

Der aufschlussreichste Teil der Studie war die Beobachtung, wie sich das System während der ersten Betriebsstunden verhielt. Als der Kühlschrank zuerst eingeschaltet wurde, änderten sich die Temperaturen an allen Punkten rasant. Das heiße Gas am Kompressorauslass stieg von einem Startpunkt um 15 Grad schnell auf fast 50 Grad innerhalb der ersten zwei Stunden an, bevor es seinen stetigen Rhythmus fand. Ähnlich erwärmte sich die kalte Luft im Verdampferfach leicht von einem Startpunkt bei 8 Grad auf ihr stabiles Betriebsniveau von 12 Grad. Es dauerte etwa vier Stunden, bis das gesamte System aufhörte, wild zu fluktuieren, und einen Zustand des nahezu stationären Betriebs erreichte, in dem die Temperaturen nur noch geringfügig variierten. Diese Übergangsphase ist für Standard-Überwachungswerkzeuge, die nur die Endtemperatur prüfen, oft unsichtbar, aber das neue System erfasste die gesamte Reise und zeigte genau auf, wie lange es dauerte, bis die Maschine stabil wurde und wie die verschiedenen Teile auf die Startbelastung reagierten.

Die Forscher verglichen ihren detaillierten, multipunktbasierten Ansatz mit anderen existierenden Überwachungssystemen, die typischerweise nur die Temperatur im Lagerfach oder die allgemeine Umgebung messen. Diese älteren Methoden liefern nur eine Momentaufnahme des Endergebnisses, lassen aber die komplexen Wechselwirkungen im Inneren der Maschine außer Acht. Durch die Platzierung von Sensoren am Einlass, Auslass und an der Oberfläche der wärmeübertragenden Teile sowie am Expansionsventil und am Kompressor lieferte dieses neue System eine vollständige Karte des thermischen Lebens des Kühlschranks. Es zeigte, dass der Prozess der Wärmeabgabe nicht gleichmäßig ist und dass die Oberflächentemperatur der Spulen eine andere Geschichte erzählt als die Temperatur des Fluids in ihnen. Dieser Detailgrad ist mit herkömmlichen Methoden ohne teure und komplexe Ausrüstung nicht erreichbar.

Die Studie kam zu dem Schluss, dass dieses kostengünstige, internetverbundene System eine praktische und effektive Methode zur Überwachung der Gesundheit und Leistung eines Kühlschranks darstellt. Es demonstrierte erfolgreich, dass ein einfaches Setup aus digitalen Sensoren und einem kleinen Computer die gesamte thermische Geschichte eines Haushaltsgeräts erfassen konnte, vom Moment des Einschaltens bis zum täglichen Dauerbetrieb. Die gesammelten Daten bewiesen, dass das System in der Lage war, die Temperaturunterschiede zwischen jeder wichtigen Komponente aufzulösen, und bot eine klare Sicht darauf, wie Wärme durch den Zyklus fließt. Obwohl sich die Studie auf eine einzige Einheit konzentrierte, legt die Methode nahe, dass solche Systeme skaliert werden könnten, um viele Kühlschränke gleichzeitig zu überwachen, was eine Grundlage für intelligentere Wartung und besseren Energieverbrauch schafft. Die Fähigkeit, diese transienten Verhaltensweisen und Details auf Komponentenebene zu sehen, öffnet die Tür für zukünftige Technologien, die Probleme automatisch erkennen oder die Leistung optimieren könnten, bevor ein Ausfall eintritt, und somit ein einfaches Haushaltsgerät in eine Quelle reicher, handlungsrelevanter Daten verwandelt.