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

प्रत्येक घर जो भोजन को ठंडा रखता है, वह एक ऐसी मशीन पर निर्भर करता है जो एक स्थान से दूसरे स्थान तक ऊष्मा (heat) स्थानांतरित करके काम करती है। एक मानक रेफ्रिजरेटर के भीतर, एक विशेष तरल जिसे रेफ्रिजरेंट कहा जाता है, चार मुख्य भागों के माध्यम से एक निरंतर चक्र में घूमता है: एक कंप्रेसर जो तरल को दबाता है, कुंडलियों (coils) का एक सेट जो कमरे में ऊष्मा छोड़ता है, एक वाल्व जो दबाव को कम करता है, और कुंडलियों का एक अन्य सेट जो भोजन से ऊष्मा को अवशोषित करता है। यह चक्र आधुनिक खाद्य संरक्षण का इंजन है, लेकिन अधिकांश लोगों के लिए, यह एक 'ब्लैक बॉक्स' बना हुआ है। हम अंदर की ठंडी हवा तो देखते हैं, लेकिन हम यह नहीं देख पाते कि जैसे-जैसे तरल मशीन के माध्यम से आगे बढ़ता है, तापमान कैसे बदलता है, और न ही हमें यह पता होता है कि जब सिस्टम पहली बार चालू होता है तो वह वास्तव में कैसा व्यवहार करता है या वह एक स्थिर लय में कैसे सेट होता है। इन छिपे हुए आंदोलनों को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि इन घटकों के माध्यम से ऊष्मा कैसे चलती है, यह निर्धारित करता है कि मशीन कितनी कुशलता से चलती है और क्या वह विफल हो सकती है।

ओलेगुन अगागु यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी और फेडरल यूनिवर्सिटी ओये एकिती, नाइजीरिया के शोधकर्ताओं ने उस 'ब्लैक बॉक्स' को खोलने का निर्णय लिया। उन्होंने एक नया तरीका बनाया जिससे रेफ्रिजरेटर को वास्तविक समय (real time) में देखा जा सके, केवल खाद्य कम्पार्टमेंट के भीतर के तापमान की जाँच करके ही नहीं, बल्कि पूरे रेफ्रिजरेंट पथ पर सात अलग-अलग स्थानों पर ऊष्मा को मापकर। उन्होंने एक मानक घरेलू रेफ्रिजरेटर से एक छोटा, कम लागत वाला कंप्यूटर जोड़ा और इसे सेंसर के एक नेटवर्क से जोड़ा जो इंटरनेट पर डेटा भेज सके। इसने उन्हें यह देखने की अनुमति दी कि मशीन हर महत्वपूर्ण बिंदु पर कितनी गर्म या ठंडी थी, कंप्रेसर के शुरू होने के क्षण से लेकर तब तक जब तक सिस्टम एक स्थिर अवस्था में नहीं पहुँच गया। उनका लक्ष्य 'इंटरनेट ऑफ थिंग्स' नामक तकनीक का उपयोग करके एक घरेलू रेफ्रिजरेटर के तापीय व्यवहार (thermal behavior) की एक स्पष्ट तस्वीर बनाना था, जिसका सरल अर्थ है रोजमर्रा की वस्तुओं को इंटरनेट से जोड़ना ताकि वे जानकारी साझा कर सकें।

टीम ने एक घरेलू रेफ्रिजरेटर का उपयोग किया जो R134a नामक एक सामान्य प्रकार के रेफ्रिजरेंट पर चलता है। उन्होंने इस मशीन को एक केंद्रीय नियंत्रक और डिजिटल सेंसर के संग्रह से सुसज्जित किया। पूरे सिस्टम में रेफ्रिजरेंट के तापमान को ट्रैक करने के लिए सात सेंसर विशिष्ट स्थानों पर लगाए गए थे। एक सेंसर इवेपोरेटर कम्पार्टमेंट के अंदर की हवा की निगरानी करता था, जबकि अन्य हीट-रिलीज़िंग कुंडलियों में प्रवेश करने और बाहर निकलने वाले पाइपों, उन कुंडलियों की सतह, दबाव कम होने वाले क्षेत्र और कंप्रेसर से बाहर निकलने वाली गर्म गैस की निगरानी करते थे। एक अलग सेंसर ने उस कमरे के तापमान और आर्द्रता (humidity) को मापा जहाँ रेफ्रिजरेटर रखा गया था। यह सारा डेटा हर दो सेकंड में एकत्र किया गया था, जो कि इतनी तेज़ गति थी कि मशीन के शुरू होते ही होने वाले तीव्र परिवर्तनों को पकड़ा जा सके। सिस्टम ने यूनिट से जुड़े एक छोटे स्क्रीन पर नंबर प्रदर्शित किए और साथ ही उन्हें एक क्लाउड-आधारित प्लेटफॉर्म पर भेजा, जिससे शोधकर्ताओं को कहीं से भी डेटा देखने की सुविधा मिली।

जब शोधकर्ताओं ने रेफ्रिजरेटर चालू किया, तो सेंसरों ने तुरंत संचालन के दौरान होने वाले तापमान के नाटकीय बदलावों को प्रकट करना शुरू कर दिया। जैसे ही कंप्रेसर शुरू हुआ, उसने रेफ्रिजरेंट को बहुत उच्च तापमान पर हीट-रिलीज़िंग कुंडलियों में धकेला। कंप्रेसर के निकास (exit) पर स्थित सेंसर ने पूरे सिस्टम के उच्चतम औसत तापमान को रिकॉर्ड किया, जो 53.58 डिग्री सेल्सियस तक पहुँच गया। यह ऊष्मा संपीड़न प्रक्रिया (compression process) द्वारा उत्पन्न होती है और रेफ्रिजरेटर के कार्य करने के लिए आसपास की हवा में छोड़ी जानी चाहिए। जैसे ही गर्म तरल कुंडलियों के माध्यम से आगे बढ़ा, वह ठंडा होने लगा। जैसे-जैसे वह हीट-रिलीज़िंग सेक्शन में आगे बढ़ा, तापमान गिरता गया, जो कुंडलियों की शुरुआत में औसत 49.11 डिग्री और निकास पर 38.36 डिग्री तक गिर गया। इस गिरावट ने पुष्टि की कि सिस्टम सफलतापूर्वक कमरे में ऊष्मा को छोड़ रहा है। कुंडलियों की सतह, जो हवा में वह ऊष्मा स्थानांतरित करती है, औसतन 42.83 डिग्री पर स्थिर हुई, जो गर्म इनलेट और ठंडे आउटलेट के बीच में स्थित थी।

प्रेशर-रिड्यूसिंग वाल्व से गुजरने के बाद, रेफ्रिजरेंट चक्र के कूलिंग सेक्शन में प्रवेश करता है। यहाँ, तरल जैसे ही रेफ्रिजरेटर के अंदर से ऊष्मा अवशोषित करता है, तापमान काफी कम हो जाता है। इवेपोरेटर कम्पार्टमेंट के भीतर के सेंसर ने पूरे प्रयोग के सबसे कम औसत तापमान को रिकॉर्ड किया, जो 10.26 डिग्री सेल्सियस पर स्थिर रहा। इसने सिस्टम के सबसे गर्म बिंदु और सबसे ठंडे बिंदु के बीच 43 डिग्री से अधिक का विशाल तापमान अंतर पैदा किया, जो उस शक्तिशाली थर्मल ग्रेडिएंट (thermal gradient) को दर्शाता है जो कूलिंग प्रक्रिया को संचालित करता है। कमरे का तापमान 27.44 डिग्री पर अपेक्षाकृत स्थिर रहा, जिसने एक स्थिर पृष्ठभूमि प्रदान की जिसके विरुद्ध मशीन के आंतरिक परिवर्तनों को मापा जा सका। सिस्टम ने आर्द्रता को भी ट्रैक किया, जिससे पता चला कि जैसे-जैसे इवेपोरेटर कम्पार्टमेंट के अंदर की हवा ठंडी हुई, नमी धारण करने की इसकी क्षमता कम हो गई, जिससे कूलिंग कुंडलियों के पास सापेक्ष आर्द्रता लगभग 75 प्रतिशत से गिरकर स्थिर 45 प्रतिशत हो गई। यह सुखाने वाला प्रभाव हवा से नमी निकालने की प्रक्रिया का एक स्वाभाविक हिस्सा है, जो बर्फ जमने (frost buildup) को रोकने में मदद करता है।

शोध का सबसे खुलासा करने वाला हिस्सा यह देखना था कि संचालन के पहले कुछ घंटों के दौरान सिस्टम कैसे व्यवहार करता है। जब रेफ्रिजरेटर को पहली बार चालू किया गया, तो सभी बिंदुओं पर तापमान तेजी से बदला। जैसे ही कंप्रेसर शुरू हुआ, कंप्रेसर निकास पर गर्म गैस लगभग 15 डिग्री के शुरुआती बिंदु से दो घंटों के भीतर लगभग 50 डिग्री तक तेजी से बढ़ी और फिर अपनी स्थिर लय में आ गई। इसी तरह, इवेपोरेटर कम्पार्टमेंट में ठंडी हवा अपने 8 डिग्री के शुरुआती स्तर से थोड़ा गर्म होकर अपने स्थिर परिचालन स्तर 12 डिग्री तक पहुँच गई। पूरे सिस्टम को उतार-चढ़ाव से बाहर निकलने और एक स्थिर संचालन की स्थिति तक पहुँचने में लगभग चार घंटे लगे, जहाँ तापमान केवल थोड़ा ही बदल रहा था। यह संक्रमण काल (transition period) अक्सर मानक निगरानी उपकरणों के लिए अदृश्य होता है जो केवल अंतिम तापमान की जाँच करते हैं, लेकिन नए सिस्टम ने पूरी यात्रा को कैद किया, जिससे यह स्पष्ट हुआ कि मशीन को स्थिर होने में कितना समय लगा और विभिन्न भागों ने स्टार्ट-अप के तनाव के प्रति कैसी प्रतिक्रिया दी।

शोधकर्ताओं ने अपने विस्तृत, बहु-बिंदु दृष्टिकोण की तुलना अन्य मौजूदा निगरानी प्रणालियों से की, जो आमतौर पर केवल स्टोरेज कम्पार्टमेंट के भीतर के तापमान या सामान्य वातावरण को मापती हैं। वे पुराने तरीके अंतिम परिणाम का केवल एक एकल स्नैपशॉट प्रदान करते हैं लेकिन मशीन के भीतर होने वाली जटिल अंतःक्रियाओं को छोड़ देते हैं। हीट-एक्सचेंजिंग भागों के इनलेट, आउटलेट और सतह के साथ-साथ विस्तार वाल्व (expansion valve) और कंप्रेसर पर सेंसर लगाकर, इस नई प्रणाली ने रेफ्रिजरेटर के तापीय जीवन का एक पूर्ण मानचित्र प्रदान किया। इसने दिखाया कि ऊष्मा त्याग (heat rejection) की प्रक्रिया एकसमान नहीं है और कुंडलियों का सतही तापमान उनके भीतर मौजूद तरल के तापमान से एक अलग कहानी बताता है। विवरण का यह स्तर पारंपरिक तरीकों द्वारा महंगे और जटिल उपकरणों के बिना प्राप्त नहीं किया जा सकता है।

अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि यह कम लागत वाला, इंटरनेट-कनेक्टेड सिस्टम एक रेफ्रिजरेटर के स्वास्थ्य और प्रदर्शन की निगरानी करने का एक व्यावहारिक और प्रभावी तरीका है। इसने सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया कि डिजिटल सेंसर और एक छोटे कंप्यूटर का एक साधारण सेटअप एक घरेलू उपकरण के पूर्ण तापीय इतिहास को, उसके शुरू होने के क्षण से लेकर उसके दैनिक स्थिर संचालन तक, कैप्चर कर सकता है। एकत्र किए गए डेटा ने सिद्ध किया कि सिस्टम प्रत्येक प्रमुख घटक के बीच तापमान के अंतर को हल करने में सक्षम है, जो ऊष्मा चक्र के माध्यम से ऊष्मा कैसे चलती है, इसका एक स्पष्ट दृश्य प्रदान करता है। हालांकि अध्ययन एक एकल इकाई पर केंद्रित था, यह पद्धति बताती है कि ऐसे सिस्टम को कई रेफ्रिजरेटरों की निगरानी के लिए बढ़ाया जा सकता है, जो स्मार्ट रखरखाव और बेहतर ऊर्जा उपयोग के लिए एक आधार प्रदान करता है। इन क्षणिक व्यवहारों (transient behaviors) और घटक-स्तरीय विवरणों को देखने की क्षमता भविष्य की तकनीकों के द्वार खोलती है जो विफलता होने से पहले ही समस्याओं का पता लगाने या प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए स्वचालित रूप से काम कर सकती हैं, जिससे एक साधारण घरेलू उपकरण समृद्ध, कार्रवाई योग्य डेटा का स्रोत बन जाता है।