استخدام KNO3 وKCl وNaCl كمواد تغيير طور داخل الثلاجة لتوفير الطاقة

لماذا يهم البرد الخفي داخل ثلاجتك

تعمل الثلاجات المنزلية بهدوء طوال اليوم والليل، وغالبًا في مطابخ حارة، وتستهلك معًا حصة مدهشة من كهرباء المنزل. يستكشف هذا البحث فكرة بسيطة ذات إمكانات كبيرة: وضع حزمة رقيقة من مادة تبريد خاصة أسفل المجمد حتى تتمكن الثلاجة من تخزين البرودة وتجاوز تقلبات الحرارة. من خلال الاستفادة الأفضل من البرودة المخزنة، يمكن للثلاجة أن تحافظ على ثبات أكبر داخلها، وتتحمل انقطاعات قصيرة في التيار الكهربائي، وتخفض فاتورة الكهرباء دون تغيير طريقة استخدامنا لها.

تخزين البرودة مثل البطارية

ركز الباحثون على المواد ذات "تغيير الطور"، وهي مواد تمتص أو تطلق كميات كبيرة من الحرارة عند انصهارها وتجمّدها، كما يفعل الجليد عند تحوله إلى ماء. بدلًا من إعادة تصميم الثلاجة، صنعوا حاوية مسطحة من الفولاذ المقاوم للصدأ تناسب أسفل لفائف المبخر دون أن تسرق مساحة من الرفوف. ملأوا هذه الحزمة بالماء وحده أو بماء يحتوي على كميات صغيرة (10% بالوزن) من أملاح مألوفة: نترات البوتاسيوم (KNO3)، وكلوريد الصوديوم (NaCl)، وكلوريد البوتاسيوم (KCl). اُختيرت هذه الخلطات لأنها تتجمّد وتذوب عند درجات بضعة درجات تحت الصفر، قريبة من درجة حرارة المجمد الاعتيادية، فتستطيع تخزين وإطلاق البرودة بهدوء مع تكرار تشغيل الثلاجة وإيقافها.

اختبار في عالم واقعي داخل غرفة حارة

لمعرفة الفرق الذي يمكن أن يحدثه هذا المخزن البارد الخفي، اختبر الفريق ثلاجة قياسية بسعة 289 لتراً وبباب واحد تعمل بمبرد شائع (R-134a). وضعوها في غرفة مضبوطة جيدًا تمت المحافظة على درجة حرارتها عند 32 °م ورطوبة معتدلة، لمحاكاة مطبخ صيفي حار. تتبعت حساسات دقيقة درجات الحرارة في نقاط عديدة: داخل المجمد، وحجرة الطعام، ودرج الخضروات، والباب، وعلى أسطح المكثف والضاغط. كما قاسوا استهلاك الطاقة والضغوط في دائرة التبريد. قورنت ثمانية سيناريوهات: بدون مادة تغيير طور، والماء وحده، والخلطات الثلاثة من الملح والماء، وكل منها عند حجمين (1 لتر و1.5 لتر) داخل الحاوية.

طعام أبرد وثبات أكبر وعمل أخف للمكونات

هدأت حزم مواد تغيير الطور بوضوح تقلبات الحرارة. في المجمد، حافظت جميع خلطات الملح على الهواء أبرد وأكثر استقرارًا مقارنةً بالتشغيل بدون حزمة، بينما انخفضت بقية أجزاء الثلاجة بحوالي 1–3 °م في المتوسط. برّد درج الخضروات بما يصل إلى نحو 22% مقارنةً بالخط الأساسي، وهو أمر مفيد للحفاظ على نضارة المنتجات. وعلى الرغم من أن الحزمة وُضعت تحت المجمد، فقد برّدت وساهمت في تسوية درجات الحرارة في الحجرة الرئيسية وعلى الباب عن طريق امتصاص دفعات الحرارة ثم إطلاق البرودة ببطء. في الوقت نفسه، عمل منتصف المكثف وسطح الضاغط عند درجات أدفأ ببضعة درجات أقل، وهي مؤشرات على أن الجهاز كان يعمل بجهد أقل وتحت إجهاد حراري أخف.

توفير الطاقة وتحمل انقطاع التيار

بما أن مواد تغيير الطور امتصت جزءًا من حمولة التبريد، أمكن للضاغط التوقف أكثر. في أفضل حالة، أدى استخدام 1 لتر من خليط KNO3 إلى تقليل زمن تشغيل الضاغط خلال اليوم بنسبة 7.1%. تُرجمت هذه النسبة إلى انخفاض في استهلاك الطاقة الكهربائية بنسبة 8.6% مقارنةً بالتشغيل بدون أي حزمة. كما وفرت خلطات KCl وNaCl طاقة أيضًا، وإن كانت أقل قليلًا، بينما قدم الماء وحده مكاسب محدودة فقط. أثناء محاكاة انقطاع طاقة لمدة ساعة، حافظت الثلاجات المزودة بحزم على حرارة المجمد دون الصفر لحوالي نصف ساعة وقبضت على حجرة الثلاجة أبرد بما يصل إلى 2 °م مقارنةً بالوحدة غير المعدلة، مما منح وقتًا إضافيًا قبل أن يسخن الطعام.

أي خليط يعمل بشكل أفضل ولماذا هذا مهم

من بين جميع الخيارات المختبرة، قدم محلول KNO3 سعة 1 لتر أفضل توازن عام: زاد من كفاءة الثلاجة (معامل الأداء) بما يقرب من 12% وحقق أكبر وفورات في الطاقة. ساعدت الحزم الأكبر سعة 1.5 لتر في جعل درجات الحرارة داخل الحجرات أكثر تجانسًا، لكنها لم تحسّن استهلاك الطاقة بنفس القدر، لأن المادة الإضافية قد تصبح عبئًا حراريًا بمجرد أن تذوب أو تتجمد تمامًا. بالنسبة للقارئ العام، الخلاصة بسيطة: حزمة رقيقة ومختارة جيدًا لتخزين البرودة مدمجة بالقرب من المجمد يمكن أن تجعل الثلاجة العادية أبرد من الداخل، ألطف على الطعام أثناء الانقطاعات، وأرخص في الاستعمال. يوحي العمل بأن المُصنّعين يمكنهم دمج مثل هذه الحزم باستخدام أملاح رخيصة لتقليل استهلاك الطاقة المنزلي ودعم أهداف أوسع لتوفير الطاقة والمناخ.

الاستشهاد: Samir, S., Salem, M., Mohamed, A.S.A. et al. Utilizing of KNO₃, KCl, and NaCl as phase change materials within the refrigerator for energy saving. Sci Rep 16, 9815 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41662-5

الكلمات المفتاحية: ثلاجات موفرة للطاقة, مواد تغيير الطور, تخزين حراري, تبريد منزلي, توفير الكهرباء