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

Cada casa que mantém os alimentos frios depende de uma máquina que funciona movendo o calor de um lugar para outro. Dentro de uma geladeira padrão, um fluido especial chamado refrigerante viaja em um ciclo contínuo através de quatro partes principais: um compressor que comprime o fluido, um conjunto de serpentinas que libera o calor para o ambiente, uma válvula que reduz a pressão e outro conjunto de serpentinas que absorve o calor dos alimentos. Este ciclo é o motor da preservação moderna de alimentos, mas para a maioria das pessoas, permanece uma caixa preta. Vemos o ar frio dentro, mas não vemos como a temperatura muda conforme o fluido se move pela máquina, nem sabemos exatamente como o sistema se comporta quando é ligado pela primeira vez ou como ele se estabelece em um ritmo constante. Compreender esses movimentos ocultos é crucial porque a maneira como o calor se move através desses componentes determina a eficiência com que a máquina opera e se ela poderá falhar.

Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Olusegun Agagu e da Universidade Federal de Oye Ekiti, na Nigéria, decidiram abrir essa caixa preta. Eles construíram uma nova maneira de observar uma geladeira funcionando em tempo real, não apenas verificando a temperatura dentro do compartimento de alimentos, mas medindo o calor em sete pontos diferentes ao longo de todo o caminho do refrigerante. Eles conectaram um computador pequeno e de baixo custo a uma geladeira doméstica padrão e o ligaram a uma rede de sensores que podiam enviar dados para a internet. Isso permitiu que vissem exatamente quão quente ou frio o sistema estava em cada ponto crítico, desde o momento em que o compressor partiu até o sistema atingir um estado estável. O objetivo deles era criar uma imagem clara do comportamento térmico de uma geladeira doméstica usando uma tecnologia conhecida como Internet das Coisas, que simplesmente significa conectar objetos cotidianos à internet para que possam compartilhar informações.

A equipe utilizou uma geladeira doméstica que funciona com um tipo comum de refrigerante chamado R134a. Eles equiparam esta máquina com um controlador central e uma coleção de sensores digitais. Sete desses sensores foram colocados em locais específicos para rastrear a temperatura do refrigerante conforme ele se movia pelo sistema. Um sensor monitorava o ar dentro do compartimento do evaporador, enquanto outros monitoravam os tubos que entram e saem das serpentinas de liberação de calor, a superfície dessas serpentinas, a área onde ocorre a queda de pressão e o gás quente que sai do compressor. Um sensor separado media a temperatura e a umidade do ar no ambiente onde a geladeira estava posicionada. Todos esses dados eram coletados a cada dois segundos, uma velocidade rápida o suficiente para captar as mudanças rápidas que ocorrem quando a máquina é ligada. O sistema exibia os números em uma pequena tela acoplada à unidade e simultaneamente os enviava para uma plataforma baseada na nuvem, permitindo que os pesquisadores visualizassem os dados de qualquer lugar.

Quando os pesquisadores ligaram a geladeira, os sensores imediatamente começaram a revelar as mudanças dramáticas de temperatura que ocorrem durante a operação. Assim que o compressor partiu, ele empurrou o refrigerante para as serpentinas de liberação de calor a uma temperatura muito alta. O sensor na saída do compressor registrou a maior temperatura média de todo o sistema, atingindo 53,58 graus Celsius. Esse calor é gerado pelo processo de compressão e deve ser liberado no ar circundante para que a geladeira funcione. À medida que o fluido quente viajava pelas serpentinas, ele começava a esfriar. A temperatura caía conforme se movia ao longo da seção de liberação de calor, caindo para uma média de 49,11 graus no início das serpentinas e descendo ainda mais para 38,36 graus na saída. Essa queda confirmou que o sistema estava descartando o calor com sucesso para o ambiente. A superfície das serpentinas, que transfere esse calor para o ar, estabilizou-se em uma média de 42,83 graus, situando-se confortavelmente entre a entrada quente e a saída mais fria.

Após passar pela válvula de redução de pressão, o refrigerante entrou na seção de resfriamento do ciclo. Aqui, a temperatura caiu significamente conforme o fluido absorvia o calor do interior da geladeira. O sensor dentro do compartimento do evaporador registrou a menor temperatura média de todo o experimento, mantendo-se estável em 10,26 graus Celsius. Isso criou uma diferença de temperatura massiva de mais de 43 graus entre o ponto mais quente do sistema e o mais frio, ilustrando o poderoso gradiente térmico que impulsiona o processo de resfriamento. A temperatura da sala permaneceu relativamente constante em 27,44 graus, fornecendo um pano de fundo estável contra o qual as mudanças internas da máquina puderam ser medidas. O sistema também rastreou a umidade, mostrando que, conforme o ar dentro do compartimento do evaporador esfriava, sua capacidade de reter umidade diminuía, fazendo com que a umidade relativa próximo às serpentinas de resfriamento caísse de cerca de 75 por cento para um valor estável de 45 por cento. Esse efeito de secagem é uma parte natural de como as geladeiras removem a umidade do ar, o que ajuda a prevenir o acúmulo de geada.

A parte mais reveladora do estudo foi observar como o sistema se comportava durante as primeiras horas de operação. Quando a geladeira foi ligada pela primeira vez, as temperaturas em todos os pontos mudaram rapidamente. O gás quente na saída do compressor subiu rapidamente de um ponto inicial de cerca de 15 graus para quase 50 graus nas primeiras duas horas antes de se estabelecer em seu ritmo constante. Da mesma forma, o ar frio no compartimento do evaporador aqueceu ligeiramente de um ponto inicial de 8 graus para seu nível operacional estável de 12 graus. Foram necessárias cerca de quatro horas para que todo o sistema parasse de flutuar drasticamente e atingisse um estado de operação quase estável, onde as temperaturas variavam apenas ligeiramente. Este período de transição é frequentemente invisível para ferramentas de monitoramento padrão que apenas verificam a temperatura final, mas o novo sistema capturou toda a jornada, mostrando exatamente quanto tempo levou para a máquina estabilizar e como as diferentes partes responderam ao estresse da partida.

Os pesquisadores compararam sua abordagem detalhada de múltiplos pontos com outros sistemas de monitoramento existentes, que tipicamente medem apenas a temperatura dentro do compartimento de armazenamento ou o ambiente geral. Esses métodos antigos fornecem um único instantâneo do resultado final, mas perdem as interações complexas que ocorrem dentro da máquina. Ao colocar sensores na entrada, na saída e na superfície das partes de troca de calor, bem como na válvula de expansão e no compressor, este novo sistema forneceu um mapa completo da vida térmica da geladeira. Ele mostrou que o processo de rejeição de calor não é uniforme e que a temperatura da superfície das serpentinas conta uma história diferente da temperatura do fluido dentro delas. Este nível de detalhe é algo que os métodos convencionais não conseguem alcançar sem equipamentos caros e complexos.

O estudo concluiu que este sistema de baixo custo e conectado à internet é uma maneira prática e eficaz de monitorar a saúde e o desempenho de uma geladeira. Ele demonstrou com sucesso que uma configuração simples de sensores digitais e um computador pequeno poderia capturar toda a história térmica de um eletrodoméstico, desde o momento da partida até sua operação diária estável. Os dados coletados provaram que o sistema poderia resolver as diferenças de temperatura entre cada componente principal, oferecendo uma visão clara de como o calor se move através do ciclo. Embora o estudo tenha focado em uma única unidade, o método sugere que tais sistemas podem ser escalonados para monitorar muitas geladeiras simultaneamente, fornecendo uma base para uma manutenção mais inteligente e um melhor uso de energia. A capacidade de visualizar esses comportamentos transientes e detalhes ao nível dos componentes abre as portas para tecnologias futuras que poderiam detectar problemas automaticamente ou otimizar o desempenho antes que uma falha ocorra, transformando um simples eletrodoméstico doméstico em uma fonte de dados ricos e acionáveis.