Il consumo di energia di un frigorifero domestico può essere ridotto del 29% migliorando la capacità di raffreddamento. I ricercatori hanno sostituito il refrigerante R134a, ampiamente utilizzato ma non rispettoso dell'ambiente, con il più efficiente dal punto di vista energetico R600a dosato con nanoparticelle di nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT). Questa sostituzione del refrigerante drop-in può essere implementata sul campo da tecnici qualificati, dice un ingegnere dell'Università di Johannesburg.

Questo test sui refrigeranti a dosaggio di nanoparticelle è il primo del suo genere, e i risultati sono pubblicati in Rapporti energetici , una rivista ad accesso libero. Lo studio può aiutare a rendere la refrigerazione domestica più accessibile per le famiglie a basso reddito.

L'R134a è uno dei refrigeranti più utilizzati nei frigoriferi domestici e industriali. È sicuro per molte applicazioni perché non è infiammabile. Però, ha un alto potenziale di riscaldamento globale, contribuendo al cambiamento climatico. Causa anche frigoriferi, congelatori e impianti di condizionamento per consumare molta energia elettrica. Il consumo di energia contribuisce ancora di più al cambiamento climatico.

Nel frattempo, un refrigerante più efficiente dal punto di vista energetico può comportare bollette elettriche molto più basse. Per le famiglie vulnerabili, di conseguenza, la sicurezza energetica può essere migliorata. Una migliore economia energetica e la gestione della domanda possono anche avvantaggiare i pianificatori delle aziende elettriche, poiché il raffreddamento rappresenta circa il 40% del fabbisogno energetico.

Le nanoparticelle migliorano la riduzione della potenza

I nano refrigeranti ecologici sono stati realizzati con acqua e glicole etilenico. Studi precedenti hanno mostrato un uso ridotto di energia nella nanorefrigerazione dosando i refrigeranti esistenti con nanoparticelle MWCNT. Il processo ha anche portato a una riduzione dell'attrito e dell'usura dei compressori di vapore degli apparecchi. Ma la ricerca precedente non ha testato gli effetti dei MWCNT sui refrigeranti idrocarburi come l'R600a.

Nel loro nuovo studio, i ricercatori dell'Università di Johannesburg hanno testato la sostituzione drop-in del refrigerante R134a non rispettoso dell'ambiente in un frigorifero domestico fabbricato per funzionare con 100 g di R134a.

I ricercatori hanno rimosso il refrigerante R134a e il suo olio del compressore da un frigorifero domestico. Hanno usato R600a dosato con MWCNT con olio minerale come lubrificante. La nuova miscela è stata introdotta nel frigorifero e sono stati condotti test di prestazione. Hanno scoperto che il refrigerante R600a-MWCNT ha portato a prestazioni e capacità di raffreddamento molto migliori per il frigorifero.

"Il frigorifero si è raffreddato più velocemente e ha avuto una temperatura di evaporazione molto più bassa di -11 gradi Celsius dopo 150 minuti. Questo era inferiore a -8 gradi Celsius per R134a. Ha anche superato lo standard ISO 8187, che richiede -3 gradi Celsius a 180 minuti, " dice il dottor Daniel Madyira.

Il Dr. Madyira è del Dipartimento di Scienze dell'Ingegneria Meccanica dell'Università di Johannesburg.

"Il consumo di elettricità è diminuito del 29% rispetto all'utilizzo di R134a. Si tratta di un significativo guadagno in termini di efficienza energetica per gli utenti di frigoriferi, soprattutto per i lavoratori a basso reddito, " Aggiunge.

Per ottenere questi vantaggi, la scelta delle nanoparticelle MWCNT è critica, lui dice. "I MWCNT devono avere una dimensione delle particelle su scala nanometrica, che è estremamente piccolo. Le particelle devono anche ridurre l'attrito e l'usura, prevenire la corrosione e l'intasamento, e mostrano un'ottima conduttività termica, " dice il dottor Madyira.

Gestione dell'infiammabilità

La nuova miscela refrigerante introduce un potenziale rischio, però. A differenza dell'R134a, R600a è infiammabile. D'altra parte, è più efficiente dal punto di vista energetico, e ha un basso potenziale di riscaldamento globale. Alcuni produttori di frigoriferi hanno già adottato la produzione con R600a e questi apparecchi sono disponibili sul mercato.

"Per eseguire una sostituzione sicura, non devono essere utilizzati più di 150 g di R600a in un frigorifero domestico, " dice il dottor Madyira. "Prima della sostituzione, il frigorifero utilizzava 100 g di gas R134a. L'abbiamo sostituito con 50g a 70g di R600a, per rimanere entro i parametri di sicurezza."

Il personale non addestrato non dovrebbe tentare questa sostituzione rapida, dice il dottor Madyira. Piuttosto, un tecnico di refrigerazione o un tecnico qualificato dovrebbe farlo.

"L'olio minerale viene utilizzato come olio del compressore. Questo dovrebbe essere miscelato con la concentrazione raccomandata. Sono necessari un agitatore magnetico e un ultrasonicatore per agitare e omogeneizzare gli ingredienti nella miscela. La miscela può quindi essere introdotta nel compressore. Successivamente, R600a può essere caricato nel compressore del frigorifero, avendo cura di non utilizzare più di 150 g di gas, " dice il dottor Madyira.

Un refrigerante molto più efficiente dal punto di vista energetico come il mix R600a-MWCNT può far risparmiare un sacco di soldi ai consumatori. Le famiglie vulnerabili nei climi caldi dei paesi in via di sviluppo possono beneficiarne ancora di più. Le persone a basso reddito in molti paesi dipendono dai frigoriferi e dai congelatori domestici per conservare in sicurezza le scorte di cibo sfuso. Ciò riduce notevolmente gli sprechi alimentari dovuti a deterioramento o intossicazione alimentare a causa di alimenti conservati in modo improprio. Questi elettrodomestici non sono più un lusso ma una necessità, dice il dottor Madyira. Senza frigoriferi, le persone possono essere costrette a comprare cibo ogni giorno in piccole quantità ea prezzi molto più alti. Poiché l'acquisto quotidiano potrebbe non essere più necessario, il tempo di viaggio e i costi per l'acquisto del cibo possono essere molto inferiori, anche.

La refrigerazione consente inoltre di conservare in sicurezza forniture alimentari più diversificate, come frutta e verdura fresca. I medicinali che richiedono raffreddamento possono essere conservati a casa. Questo può rendere più equilibrate le diete e l'alimentazione, e una migliore salute fisica, più accessibile per una famiglia a basso reddito.

La rete elettrica domina ancora per la refrigerazione a basso reddito

Dal punto di vista della sostenibilità, potrebbe essere preferibile far funzionare la maggior parte dei frigoriferi e congelatori domestici con l'energia solare. Tuttavia i pannelli solari, le batterie di riserva e i frigoriferi a corrente continua (CC) sono ancora troppo costosi per la maggior parte delle famiglie a basso reddito nelle aree servite da utenze elettriche. I frigoriferi a corrente alternata (CA) ad alta efficienza energetica alimentati dalla rete sono più convenienti per la maggior parte delle persone. Un'ulteriore riduzione del consumo energetico con il refrigerante R600a-MWCNT può ridurre ulteriormente i costi.

Poiché sempre più famiglie a basso reddito e piccole imprese accendono i frigoriferi alimentati dalla rete, congelatori e aria condizionata, la domanda di energia necessita di una migliore gestione. In Sud Africa, dove è stato condotto lo studio, l'azienda elettrica statale deve affrontare enormi sfide per soddisfare la domanda in modo coerente. Blackout rotanti di lunga durata, noto come distacco del carico, sono stati implementati come misura di gestione dell'energia sul lato della domanda. Riducendo più di un quarto del consumo energetico dei frigoriferi, i congelatori e le unità di condizionamento dell'aria possono liberare l'approvvigionamento energetico nazionale per una maggiore sicurezza energetica.