Strömförbrukningen för ett hemkylskåp kan minskas med 29 % samtidigt som kylkapaciteten förbättras. Forskare ersatte det allmänt använda men miljöovänliga köldmediet R134a med det mer energieffektiva R600a doserat med nanopartiklar av kolnanorör med flera väggar (MWCNT). Detta drop-in köldmediumersättning kan användas på fältet av utbildade tekniker, säger en ingenjör från University of Johannesburg.

Detta test av nanopartikeldoserade köldmedier är det första i sitt slag, och resultaten publiceras i Energirapporter , en dagbok med öppen tillgång. Studien kan bidra till att göra kylning i hemmet mer tillgänglig för låginkomstfamiljer.

R134a är ett av de mest använda köldmedierna i hushålls- och industrikylskåp. Det är säkert för många applikationer eftersom det inte är brandfarligt. Dock, den har hög global uppvärmningspotential, bidra till klimatförändringarna. Det orsakar också kylskåp, frysar och luftkonditioneringsutrustning för att förbruka mycket elektrisk energi. Energiförbrukningen bidrar ännu mer till klimatförändringarna.

Under tiden, ett mer energieffektivt köldmedium kan resultera i mycket lägre elräkningar. För utsatta hushåll, energisäkerheten kan förbättras som ett resultat. Förbättrad energiekonomi och styrning på efterfrågesidan kan också gynna planerare på elbolag, eftersom kyla står för cirka 40 % av energibehovet.

Nanopartiklar förbättrar effektminskningen

Nano-miljövänliga köldmedier har tillverkats med vatten och etylenglykol. Tidigare studier visade minskad energianvändning vid nano-kylning genom att dosera befintliga köldmedier med MWCNT-nanopartiklar. Processen resulterade också i minskad friktion och slitage på apparatens ångkompressorer. Men tidigare forskning testade inte effekterna av MWCNT på kolväteköldmedier som R600a.

I deras nya studie, forskare vid University of Johannesburg testade drop-in-ersättningen av miljöovänligt köldmedium R134a i ett hemkylskåp tillverkat för att fungera med 100g R134a.

Forskarna tog bort köldmediet R134a och dess kompressorolja från ett hushållskyl. De använde R600a doserad med MWCNT med mineralolja som smörjmedel. Den nya blandningen matades in i kylen och prestandatester genomfördes. De fann att kylmediet R600a-MWCNT resulterade i mycket bättre prestanda och kylkapacitet för kylskåpet.

"Kylskåpet svalnade snabbare och hade en mycket lägre förångningstemperatur på -11 grader Celsius efter 150 minuter. Detta var lägre än -8 grader Celsius för R134a. Det översteg också ISO 8187-standarden, som kräver -3 grader Celsius vid 180 minuter, " säger Dr Daniel Madyira.

Dr. Madyira är från institutionen för maskinteknik vid University of Johannesburg.

"Elanvändningen minskade med 29 % jämfört med att använda R134a. Detta är en betydande energieffektiviseringsvinst för kylskåpsanvändare, speciellt för låginkomsttagare, " han lägger till.

För att få dessa fördelar, valet av MWCNT nanopartiklar är avgörande, han säger. "MWCNT måste ha en partikelstorlek i nanometerskala, som är extremt liten. Partiklarna behöver också minska friktion och slitage, förhindra korrosion och igensättning, och uppvisar mycket god värmeledningsförmåga, " säger Dr Madyira.

Hantera brandfarlighet

Den nya köldmedieblandningen introducerar en potentiell risk, dock. Till skillnad från R134a, R600a är brandfarligt. Å andra sidan, det är mer energieffektivt, och den har en låg global uppvärmningspotential. Vissa kylskåpstillverkare har redan antagit produktion med R600a och dessa apparater finns tillgängliga på marknaden.

"För att göra en säker drop-in-ersättning, inte mer än 150 g R600a bör användas i ett hushållskyl, " säger Dr Madyira. "Före ersättningen, kylen använde 100 g R134a gas. Vi ersatte det med 50g till 70g R600a, att hålla sig inom säkerhetsparametrarna."

Outbildad personal bör inte försöka denna drop-in-ersättning, säger Dr Madyira. Snarare, en utbildad kyltekniker eller tekniker bör göra det.

"Mineralolja används som kompressorolja. Denna bör blandas med den rekommenderade koncentrationen. En magnetomrörare och ultraljudsapparat behövs för att agitera och homogenisera ingredienserna i blandningen. Blandningen kan sedan införas i kompressorn. Efter det, R600a kan laddas i kylskåpets kompressor, samtidigt som du ser till att inte använda mer än 150 g av gasen, " säger Dr Madyira.

Ett mycket mer energieffektivt köldmedium som R600a-MWCNT-blandningen kan spara mycket pengar för konsumenterna. Utsatta hushåll i heta klimat i utvecklingsländer kan gynnas ännu mer. Låginkomsttagare i många länder är beroende av kylar och frysar i hemmet för att på ett säkert sätt lagra bulkmat. Detta minskar avsevärt matsvinnet på grund av förstörelse eller matförgiftning på grund av felaktigt lagrad mat. Dessa apparater är inte längre en lyx utan en nödvändighet, säger Dr Madyira. Utan kylskåp, människor kan tvingas köpa mat dagligen i små mängder och till mycket högre priser. Eftersom dagliga köp kanske inte längre krävs, restid och kostnader för att köpa mat kan vara mycket lägre, också.

Kylning gör det också möjligt att på ett säkert sätt lagra mer varierande livsmedelsförråd, som färsk frukt och grönsaker. Läkemedel som kräver kylning kan förvaras hemma. Detta kan göra mer balanserad kost och näring, och bättre fysisk hälsa, mer tillgänglig för ett låginkomsthushåll.

Nätkraften styr fortfarande för låginkomstkylning

Ur hållbarhetssynpunkt, det kan vara att föredra att driva de flesta kylar och frysar hemma från solenergi. Men solpaneler, reservbatterier och likströmskyl (DC) är fortfarande för dyra för de flesta låginkomstfamiljer i områden som betjänas av elnät. Energieffektiva kylar med växelström (AC) som drivs med elnät är billigare för de flesta. Ytterligare sänkning av energiförbrukningen med R600a-MWCNT-köldmediet kan sänka kostnaderna ännu mer.

Allt eftersom fler låginkomsthushåll och småföretag slår på nätdrivna kylskåp, frysar och luftkonditionering, effektbehovet behöver bättre hantering. I Sydafrika, där studien genomfördes, det statligt drivna kraftverket står inför stora utmaningar när det gäller att möta efterfrågan konsekvent. Långvariga rullande strömavbrott, känd som belastningsavlastning, har implementerats som en effektstyrningsåtgärd på efterfrågesidan. Rakar bort mer än en fjärdedel av strömförbrukningen i kylskåp, frysar och luftkonditioneringsenheter kan frigöra nationell strömförsörjning för förbättrad energisäkerhet.