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

Chaque foyer qui conserve des aliments au frais repose sur une machine qui fonctionne en déplaçant la chaleur d'un endroit à un autre. À l'intérieur d'un réfrigérateur standard, un fluide spécial appelé réfrigérant circule dans une boucle continue à travers quatre parties principales : un compresseur qui comprime le fluide, un ensemble de serpentins qui libère la chaleur dans la pièce, une valve qui abaisse la pression, et un autre ensemble de serpentins qui absorbe la chaleur des aliments. Ce cycle est le moteur de la conservation moderne des aliments, mais pour la plupart des gens, il reste une boîte noire. Nous voyons l'air froid à l'intérieur, mais nous ne voyons pas comment la température change lorsque le fluide circule dans la machine, et nous ne savons pas exactement comment le système se comporte lorsqu'il s'allume pour la première fois ou comment il s'installe dans un rythme régulier. Comprendre ces mouvements cachés est crucial car la manière dont la chaleur circule à travers ces composants détermine l'efficacité avec laquelle la machine fonctionne et si elle risque de tomber en panne.

Des chercheurs de l'Université de science et de technologie Olusegun Agagu et de l'Université fédérale d'Oye Ekiti au Nigeria ont décidé d'ouvrir cette boîte noire. Ils ont conçu une nouvelle façon d'observer un réfrigérateur fonctionner en temps réel, non pas seulement en vérifiant la température à l'intérieur du compartiment alimentaire, mais en mesurant la chaleur à sept endroits différents tout au long du chemin du réfrigérant. Ils ont fixé un petit ordinateur à bas coût à un réfrigérateur domestique standard et l'ont connecté à un réseau de capteurs capables d'envoyer des données sur Internet. Cela leur a permis de voir exactement comment la machine était chaude ou froide à chaque point critique, du moment où le compresseur a démarré jusqu'à ce que le système atteigne un état stable. Leur objectif était de créer une image claire du comportement thermique d'un réfrigérateur domestique en utilisant une technologie connue sous le nom d'Internet des Objets, ce qui signifie simplement connecter des objets du quotidien à Internet pour qu'ils puissent partager des informations.

L'équipe a utilisé un réfrigérateur domestique fonctionnant avec un type courant de réfrigérant appelé R134a. Ils ont équipé cette machine d'un contrôleur central et d'une collection de capteurs numériques. Sept de ces capteurs ont été placés à des endroits spécifiques pour suivre la température du réfrigérant lorsqu'il circule dans le système. Un capteur surveillait l'air à l'intérieur du compartiment évaporateur, tandis que d'autres surveillaient les tuyaux entrant et sortant des serpentins de libération de chaleur, la surface de ces serpentins, la zone où la pression chute, et le gaz chaud sortant du compresseur. Un capteur séparé mesurait la température et l'humidité de l'air de la pièce où se trouvait le réfrigérateur. Toutes ces données étaient collectées toutes les deux secondes, une vitesse assez rapide pour capturer les changements rapides qui se produisent lorsque la machine s'allume. Le système affichait les chiffres sur un petit écran attaché à l'unité et les envoyait simultanément vers une plateforme basée sur le cloud, permettant aux chercheurs de consulter les données de n'importe où.

Lorsque les chercheurs ont allumé le réfrigérateur, les capteurs ont immédiatement commencé à révéler les changements de température spectaculaires qui se produisent pendant le fonctionnement. Dès que le compresseur a démarré, il a poussé le réfrigérant dans les serpentins de libération de chaleur à une température très élevée. Le capteur à la sortie du compresseur a enregistré la température moyenne la plus élevée de l'ensemble du système, atteignant 53,58 degrés Celsius. Cette chaleur est générée par le processus de compression et doit être libérée dans l'air environnant pour que le réfrigérateur puisse fonctionner. À mesure que le fluide chaud traversait les serpentins, il commençait à se refroidir. La température chutait à mesure qu'il progressait le long de la section de libération de chaleur, tombant à une moyenne de 49,11 degrés au début des serpentins et plus loin encore à 38,36 degrés à la sortie. Cette baisse a confirmé que le système évacuait avec succès la chaleur dans la pièce. La surface des serpentins, qui transfère cette chaleur à l'air, s'est stabilisée à une moyenne de 42,83 degrés, se situant confortablement entre l'entrée chaude et la sortie plus fraîche.

Après avoir passé la valve de réduction de pression, le réfrigérant est entré dans la section de refroidissement du cycle. Ici, la température a chuté de manière significative car le fluide absorbait la chaleur de l'intérieur du réfrigérateur. Le capteur à l'intérieur du compartiment de l'évaporateur a enregistré la température moyenne la plus basse de toute l'expérience, se maintenant stable à 10,26 degrés Celsius. Cela a créé un énorme écart de température de plus de 43 degrés entre le point le plus chaud du système et le plus froid, illustrant le puissant gradient thermique qui pilote le processus de refroidissement. La température de la pièce est restée relativement constante à 27,44 degrés, fournissant un cadre stable contre lequel les changements internes de la machine pouvaient être mesurés. Le système suivait également l'humidité, montrant qu'à mesure que l'air à l'intérieur du compartiment de l'évaporateur refroidissait, sa capacité à retenir l'humidité diminuait, faisant chuter l'humidité relative près des serpentins de refroidissement d'environ 75 pour cent à un niveau stable de 45 pour cent. Cet effet de séchage est une partie naturelle de la façon dont les réfrigérateurs éliminent l'humidité de l'air, ce qui aide à prévenir l'accumulation de givre.

La partie la plus révélatrice de l'étude fut d'observer comment le système se comportait durant les premières heures de fonctionnement. Lorsque le réfrigérateur a été mis sous tension pour la première fois, les températures à tous les points ont changé rapidement. Le gaz chaud à la sortie du compresseur est monté rapidement d'un point de départ d'environ 15 degrés à près de 50 degrés au cours des deux premières heures avant de s'installer dans son rythme régulier. De même, l'air froid dans le compartiment de l'évaporateur s'est légèrement réchauffé, passant d'un point de départ de 8 degrés à son niveau de fonctionnement stable de 12 degrés. Il a fallu environ quatre heures pour que l'ensemble du système cesse de fluctuer violemment et atteigne un état de fonctionnement quasi stationnaire, où les températures ne variaient que légèrement. Cette période de transition est souvent invisible pour les outils de surveillance standard qui ne vérifient que la température finale, mais le nouveau système a capturé l'intégralité du parcours, montrant exactement combien de temps il a fallu pour que la machine se stabilise et comment les différentes parties ont répondu au stress du démarrage.

Les chercheurs ont comparé leur approche détaillée à points multiples aux autres systèmes de surveillance existants, qui ne mesurent généralement que la température à l'intérieur du compartiment de stockage ou l'environnement général. Ces méthodes plus anciennes fournissent un instantané unique du résultat final mais manquent les interactions complexes se produisant à l'intérieur de la machine. En plaçant des capteurs à l'entrée, à la sortie et à la surface des pièces d'échange de chaleur, ainsi qu'à la valve d'expansion et au compresseur, ce nouveau système a fourni une carte complète de la vie thermique du réfrigérateur. Il a montré que le processus de rejet de chaleur n'est pas uniforme et que la température de surface des serpentins raconte une histoire différente de celle du fluide à l'intérieur de ceux-ci. Ce niveau de détail est une chose que les méthodes conventionnelles ne peuvent atteindre sans équipements coûteux et complexes.

L'étude a conclu que ce système à bas coût et connecté à Internet est un moyen pratique et efficace de surveiller l'état de santé et les performances d'un réfrigérateur. Il a démontré avec succès qu'une configuration simple de capteurs numériques et d'un petit ordinateur pouvait capturer toute l'histoire thermique d'un appareil domestique, du moment de son démarrage jusqu'à son fonctionnement quotidien régulier. Les données collectées ont prouvé que le système pouvait résoudre les différences de température entre chaque composant majeur, offrant une vue claire de la manière dont la chaleur circule à travers le cycle. Bien que l'étude se soit concentrée sur une seule unité, la méthode suggère que de tels systèmes pourraient être déployés à plus grande échelle pour surveiller de nombreux réfrigérateurs à la fois, fournissant ainsi une base pour une maintenance plus intelligente et une meilleure utilisation de l'énergie. La capacité de voir ces comportements transitoires et ces détails au niveau des composants ouvre la porte à de futures technologies qui pourraient détecter automatiquement les problèmes ou optimiser les performances avant qu'une défaillance ne survienne, transformant un simple appareil ménager en une source de données riches et exploitables.