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

Cada hogar que mantiene la comida fría depende de una máquina que funciona moviendo el calor de un lugar a otro. Dentro de un refrigerador estándar, un fluido especial llamado refrigerante viaja en un ciclo continuo a través de cuatro partes principales: un compresor que comprime el fluido, un conjunto de bobinas que libera el calor al ambiente, una válvula que reduce la presión y otro conjunto de bobinas que absorbe el calor de los alimentos. Este ciclo es el motor de la preservación moderna de los alimentos, pero para la mayoría de las personas, sigue siendo una caja negra. Vemos el aire frío en el interior, pero no vemos cómo cambia la temperatura a medida que el fluido se mueve a través de la máquina, ni sabemos exactamente cómo se comporta el sistema cuando se enciende por primera vez o cómo se establece en un ritmo constante. Comprender estos movimientos ocultos es crucial porque la forma en que el calor se mueve a través de estos componentes determina qué tan eficientemente funciona la máquina y si podría fallar.

Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología Olusegun Agagu y la Universidad Federal de Oye Ekiti en Nigeria decidieron abrir esa caja negra. Construyeron una nueva forma de observar un refrigerador trabajar en tiempo real, no solo verificando la temperatura dentro del compartimento de alimentos, sino midiendo el calor en siete puntos diferentes a lo largo de toda la trayectoria del refrigerante. Conectaron una pequeña computadora de bajo costo a un refrigerador doméstico estándar y la vincularon a una red de sensores que podían enviar datos a internet. Esto les permitió ver exactamente qué tan caliente o frío estaba la máquina en cada punto crítico, desde el momento en que el compresor arrancó hasta que el sistema alcanzó un estado estable. Su objetivo era crear una imagen clara del comportamiento térmico de un refrigerador doméstico utilizando una tecnología conocida como el Internet de las Cosas, que simplemente significa conectar objetos cotidianos a internet para que puedan compartir información.

El equipo utilizó un refrigerador doméstico que funciona con un tipo común de refrigerante llamado R134a. Equiparon esta máquina con un controlador central y una colección de sensores digitales. Siete de estos sensores se colocaron en ubicaciones específicas para rastrear la temperatura del refrigerante a medida que se movía a través del sistema. Un sensor vigilaba el aire dentro del compartimento del evaporador, mientras que otros monitoreaban las tuberías que entran y salen de las bobinas de liberación de calor, la superficie de esas bobinas, el área donde cae la presión y el gas caliente que sale del compresor. Un sensor separado midió la temperatura y la humedad del aire en la habitación donde se encontraba el refrigerador. Todos estos datos se recolectaron cada dos segundos, una velocidad lo suficientemente rápida como para captar los cambios rápidos que ocurren cuando la máquina se enciende por primera vez. El sistema mostraba los números en una pequeña pantalla conectada a la unidad y simultáneamente los enviaba a una plataforma basada en la nube, lo que permitía a los investigadores ver los datos desde cualquier lugar.

Cuando los investigadores encendieron el refrigerador, los sensores comenzaron a revelar los drásticos cambios de temperatura que ocurren durante la operación. Al arrancar el compresor, este empujó el refrigerante hacia las bobinas de liberación de calor a una temperatura muy alta. El sensor a la salida del compresor registró la temperatura promedio más alta de todo el sistema, alcanzando los 53.58 grados Celsius. Este calor es generado por el proceso de compresión y debe ser liberado al aire circundante para que el refrigerador funcione. A medida que el fluido caliente viajaba a través de las bobinas, comenzaba a enfriarse. La temperatura descendía a medida que avanzaba por la sección de liberación de calor, cayendo a un promedio de 49.11 grados al inicio de las bobinas y bajando aún más hasta los 38.36 grados a la salida. Esta caída confirmó que el sistema estaba expulsando el calor con éxito hacia la habitación. La superficie de las bobinas, que transfiere ese calor al aire, se estableció en un promedio de 42.83 grados, situándose cómodamente entre la entrada caliente y la salida más fría.

Después de pasar por la válvula reductora de presión, el refrigerante entró en la sección de enfriamiento del ciclo. Aquí, la temperatura cayó significativamente a medida que el fluido absorbía el calor del interior del refrigerador. El sensor dentro del compartimento del evaporador registró la temperatura promedio más baja de todo el experimento, manteniéndose estable en 10.26 grados Celsius. Esto creó una diferencia de temperatura masiva de más de 43 grados entre el punto más caliente del sistema y el más frío, ilustrando el poderoso gradiente térmico que impulza el proceso de enfriamiento. La temperatura de la habitación se mantuvo relativamente constante en 27.44 grados, proporcionando un trasfondo estable contra el cual se pudieron medir los cambios internos de la máquina. El sistema también rastreó la humedad, mostrando que a medida que el aire dentro del compartimento del evaporador se enfriaba, su capacidad para retener la humedad disminuía, causando que la humedad relativa cerca de las bobinas de enfriamiento cayera de aproximadamente un 75 por ciento a un 45 por ciento estable. Este efecto de secado es una parte natural de cómo los refrigeradores eliminan la humedad del aire, lo que ayuda a prevenir la acumcción de escarcha.

La parte más reveladora del estudio fue observar cómo se comportaba el sistema durante las primeras horas de operación. Cuando se encendió el refrigerador por primera vez, las temperaturas en todos los puntos cambiaron rápidamente. El gas caliente en la salida del compresor subió rápidamente desde un punto de partida de alrededor de 15 grados hasta casi 50 grados dentro de las primeras dos horas antes de establecer su ritmo constante. Del mismo modo, el aire frío en el compartimento del evaporador se calentó ligeramente de un punto de partida de 8 grados a su nivel operativo estable de 12 grados. Tomó unas cuatro horas para que todo el sistema dejara de fluctuar salvajemente y alcanzara un estado de operación casi constante, donde las temperaturas solo variaban ligeramente. Este período de transición es a menudo invisible para las herramientas de monitoreo estándar que solo verifican la temperatura final, pero el nuevo sistema capturó todo el trayecto, mostrando exactamente cuánto tiempo tomó que la máquina se estabilizara y cómo respondieron las diferentes partes al estrés del arranque.

Los investigadores compararon su enfoque detallado de múltiples puntos con otros sistemas de monitoreo existentes, que típicamente solo miden la temperatura dentro del compartimento de almacenamiento o el entorno general. Esos métodos antiguos proporcionan una instantánea única del resultado final, pero pierden las complejas interacciones que ocurren dentro de la máquina. Al colocar sensores en la entrada, la salida y la superficie de las partes de intercambio de calor, así como en la válvula de expansión y el compresor, este nuevo sistema proporcionó un mapa completo de la vida térmica del refrigerador. Mostró que el proceso de rechazo de calor no es uniforme y que la temperatura de la superficie de las bobinas cuenta una historia diferente a la de la temperatura del fluido dentro de ellas. Este nivel de detalle es algo que los métodos convencionales no pueden lograr sin equipos costosos y complejos.

El estudio concluyó que este sistema de bajo costo conectado a internet es una forma práctica y efectiva de monitorear la salud y el rendimiento de un refrigerador. Demostró con éxito que una configuración simple de sensores digitales y una pequeña computadora podía capturar la historia térmica completa de un electrodoméstico doméstico, desde el momento en que se enciende hasta su operación diaria estable. Los datos recolectados probaron que el sistema podía resolver las diferencias de temperatura entre cada componente principal, ofreciendo una visión clara de cómo el calor se mueve a través del ciclo. Aunque el estudio se centró en una sola unidad, el método sugiere que tales sistemas podrían escalarse para monitorear muchos refrigeradores a la vez, proporcionando una base para un mantenimiento más inteligente y un mejor uso de la energía. La capacidad de ver estos comportamientos transitorios y detalles a nivel de componente abre la puerta a tecnologías futuras que podrían detectar automáticamente problemas u optimizar el rendimiento antes de que ocurra una falla, convirtiendo a un simple electrodoméstico del hogar en una fuente de datos ricos y accionables.