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

Ogni casa che conserva il cibo al fresco si affida a una macchina che funziona spostando il calore da un luogo all'altro. All'interno di un frigorifero standard, un fluido speciale chiamato refrigerante viaggia in un ciclo continuo attraverso quattro parti principali: un compressore che comprime il fluido, un set di serpentine che rilascia il calore nella stanza, una valvola che abbassa la pressione e un altro set di serpentine che assorbe il calore dal cibo. Questo ciclo è il motore della moderna conservazione degli alimenti, ma per la maggior parte delle persone rimane una scatola nera. Vediamo l'aria fredda all'interno, ma non vediamo come cambia la temperatura mentre il fluido si muove attraverso la macchina, né sappiamo esattamente come si comporta il sistema quando viene acceso per la prima volta o come si stabilizza in un ritmo costante. Comprendere questi movimenti nascosti è fondamentale perché il modo in cui il calore si muove attraverso questi componenti determina l'efficienza con cui la macchina funziona e se potrebbe guastarsi.

I ricercatori dell'Università di Scienza e Tecnologia Olusegun Agagu e della Università Federale di Oye Ekiti, in Nigeria, hanno deciso di aprire quella scatola nera. Hanno costruito un nuovo modo per osservare un frigorifero in funzione in tempo reale, non solo controllando la temperatura nel compartimento del cibo, ma misurando il calore in sette diversi punti lungo l'intero percorso del refrigerante. Hanno collegato un piccolo computer a basso costo a un frigorifero domestico standard e lo hanno connesso a una rete di sensori che potevano inviare dati a internet. Ciò ha permesso loro di vedere esattamente quanto fosse caldo o freddo il macchinario in ogni punto critico, dal momento in cui il compressore è partito finché il sistema non ha raggiunto uno stato stabile. Il loro obiettivo era creare un quadro chiaro del comportamento termico di un frigorifero domestico utilizzando una tecnologia nota come Internet delle Cose, che consiste semplicemente nel connettere oggetti quotidiani a internet affinché possano condividere informazioni.

Il team ha utilizzato un frigorifero domestico che funziona con un tipo comune di refrigerante chiamato R134a. Hanno dotato questa macchina di un controller centrale e di una collezione di sensori digitali. Sette di questi sensori sono stati posizionati in punti specifici per tracciare la temperatura del refrigerante mentre si muoveva attraverso il sistema. Un sensore monitorava l'aria all'interno del compartimento dell'evaporatore, mentre altri monitoravano i tubi in entrata e in uscita dalle serpentine di rilascio del calore, la superficie di tali serpentine, l'area in cui avviene la caduta di pressione e il gas caldo in uscita dal compressore. Un sensore separato misurava la temperatura e l'umidità dell'aria nella stanza in cui si trovava il frigorifero. Tutti questi dati venivano raccolti ogni due secondi, una velocità sufficientemente alta da catturare i rapidi cambiamenti che avvengono quando la macchina viene accesa. Il sistema visualizzava i numeri su un piccolo schermo attaccato all'unità e li inviava simultaneamente a una piattaforma basata sul cloud, permettendo ai ricercatori di visualizzare i dati da ovunque.

Quando i ricercatori hanno acceso il frigorifero, i sensori hanno immediatamente iniziato a rivelare i drammatici sbalzi di temperatura che avvengono durante il funzionamento. Al via del compressore, questo ha spinto il refrigerante nelle serpentine di rilascio del calore a una temperatura molto elevata. Il sensore all'uscita del compressore ha registrato la temperatura media più alta di tutto il sistema, raggiungendo i 53,58 gradi Celsius. Questo calore è generato dal processo di compressione e deve essere rilasciato nell'aria circostante affinché il frigorifero possa funzionare. Mentre il fluido caldo viaggiava attraverso le serpentine, ha iniziato a raffreddarsi. La temperatura è scesa man mano che si muoveva lungo la sezione di rilascio del calore, scendendo a una media di 49,11 gradi all'inizio delle serpentine e ulteriormente a 38,36 gradi all'uscita. Questa diminuzione ha confermato che il sistema stava scaricando con successo il calore nella stanza. La superficie delle serpentine, che trasferisce quel calore all'aria, si è stabilizzata a una media di 42,83 gradi, posizionandosi comodamente tra l'ingresso caldo e l'uscita più fresca.

Dopo essere passato attraverso la valvola di riduzione della pressione, il refrigerante è entrato nella sezione di raffreddamento del ciclo. Qui, la temperatura è scesa significamente mentre il fluido assorbiva il calore dall'interno del frigorifero. Il sensore all'interno del compartimento dell'evaporatore ha registrato la temperatura media più bassa di tutto l'esperimento, mantenendosi stabile a 10,26 gradi Celsius. Ciò ha creato una differenza di temperatura massiccia di oltre 43 gradi tra il punto più caldo del sistema e il più freddo, illustrando il potente gradiente termico che guida il processo di raffreddamento. La temperatura della stanza è rimasta relativamente costante a 27,44 gradi, fornendo uno sfondo stabile rispetto al quale misurare i cambiamenti interni della macchina. Il sistema ha tracciato anche l'umidità, mostrando che man mano che l'aria all'interno del compartimento dell'evaporatore si raffreddava, la sua capacità di trattenere l'umidità diminuiva, facendo scendere l'umidità relativa vicino alle serpentine di raffreddamento da circa il 75 percento a un valore stabile del 45 percento. Questo effetto di essiccazione è una parte naturale del modo in cui i frigoriferi rimuovono l'umidità dall'aria, il che aiuta a prevenire la formazione di brina.

La parte più rivelatrice dello studio è stata osservare come si comportava il sistema durante le prime ore di funzionamento. Quando il frigorifero è stato acceso per la prima volta, le temperature in tutti i punti sono cambiate rapidamente. Il gas caldo all'uscita del compressore è salito rapidamente da un punto di partenza di circa 15 gradi a quasi 50 gradi entro le prime due ore, prima di stabilizzarsi nel suo ritmo costante. Allo stesso modo, l'aria fredda nel compartimento dell'evaporatore si è leggermente riscaldata da un punto di partenza di 8 gradi al suo livello operativo stabile di 12 gradi. Sono state necessarie circa quattro ore affinché l'intero sistema smettesse di fluttuare selvaggiamente e raggiungesse uno stato di funzionamento quasi stazionario, in cui le temperature variavano solo leggermente. Questo periodo di transizione è spesso invisibile agli strumenti di monitoraggio standard che controllano solo la temperatura finale, ma il nuovo sistema ha catturato l'intero percorso, mostrando esattamente quanto tempo ha impiegato la macchina per stabilizzarsi e come le diverse parti abbiano risposto allo stress dell'avvio.

I ricercatori hanno confrontato il loro approccio dettagliato e multi-punto con gli altri sistemi di monitoraggio esistenti, che tipicamente misurano solo la temperatura all'interno del vano di conservazione o l'ambiente generale. Quei metodi più vecchi forniscono un singolo scatto del risultato finale, ma perdono le complesse interazioni che avvengono all'interno della macchina. Posizionando i sensori all'ingresso, all'uscita e sulla superficie delle parti di scambio termico, nonché alla valvola di espansione e al compressore, questo nuovo sistema ha fornito una mappa completa della vita termica del frigorifero. Ha dimostrato che il processo di rigetto del calore non è uniforme e che la temperatura superficiale delle serpentine racconta una storia diversa rispetto alla temperatura del fluido al loro interno. Questo livello di dettaglio è qualcosa che i metodi convenzionali non possono raggiungere senza attrezzature costose e complesse.

Lo studio ha concluso che questo sistema a basso costo e connesso a internet è un modo pratico ed efficace per monitorare la salute e le prestazioni di un frigorifero. Ha dimostrato con successo che una configurazione semplice di sensori digitali e un piccolo computer poteva catturare l'intera storia termica di un elettrodomestico domestico, dal momento dell'avvio fino al suo funzionamento quotidiano stabile. I dati raccolti hanno provato che il sistema poteva risolvere le differenze di temperatura tra ogni componente principale, offrendo una visione chiara di come il calore si muove attraverso il ciclo. Sebbene lo studio si sia concentrato su un'unica unità, il metodo suggerisce che tali sistemi potrebbero essere scalati per monitorare molti frigoriferi contemporaneamente, fornendo una base per una manutenzione più intelligente e un migliore uso dell'energia. La capacità di vedere questi comportamenti transitori e i dettagli a livello di componente apre la porta a tecnologie future che potrebbero rilevare automaticamente i problemi o ottimizzare le prestazioni prima che si verifichi un guasto, trasformando un semplice elettrodomestico domestico in una fonte di ricchi e azionabili dati.