שימוש ב-KNO3, KCl ו-NaCl כחומרי שינוי פאזה בתוך המקרר לחיסכון באנרגיה

למה הקור הנסתר במקרר שלכם חשוב

מקררים ביתיים פועלים בשקט יום ולילה, לעתים במטבחים חמים, וביחד הם צורכים חלק משמעותי ומפתיע מצריכת החשמל של הבית. המחקר הזה בוחן רעיון פשוט עם פוטנציאל גדול: להחליק חבילה דקה של חומר קירור מיוחד מתחת למקפיא כדי שהמקרר יוכל לאגור קור ולחצות תנודות טמפרטורה. באמצעות ניצול טוב יותר של הקור המאוחסן, המקרר יכול לשמור על יציבות פנימית, לעמוד בהפרעות קצרות באספקת החשמל ולצמצם את חשבון החשמל בלי לשנות את אופן השימוש בו.

לאחסן קור כמו בסוללה

החוקרים התמקדו ב"חומרי שינוי פאזה", חומרים שמספגים או משחררים כמויות גדולות של חום כשהם נמסים וקופאים, בדומה לקרח כשהוא הופך למים. במקום לעצב מחדש את המקרר, הם בנו מיכל שטוח מנירוסטה שמתאים מתחת לסלילי המייסר (evaporator) של המקפיא מבלי לגזול מקום במדפים. הם מילאו חבילה זו במים בלבד או במים המכילים כמויות קטנות (10 אחוז לפי משקל) של מלחים מוכרים: ניטראט האשלגן (KNO3), כלוריד הנתרן (NaCl) וכלוריד האשלגן (KCl). תערובות אלה נבחרו מכיוון שהן קופאות ומתמוססות מספר מעלות מתחת לאפס, קרוב לטמפרטורת המקפיא הרגילה, ולכן יכולות לאגור ולשחרר קור בצורה שקטה כשהמקרר מפעיל ומכבה את עצמו.

בדיקות מציאות בחדר חם

כדי לבדוק איזה שיפור יכול להביא מאגר הקור הזה, הצוות בדק מקרר סטנדרטי חד־דלת בנפח 289 ליטר שפועל על קררנט נפוץ (R-134a). הם הציבו אותו בתא מבוקר היטב שמורכב ב-32 °C ובלחות מתונה, המדמה מטבח קיצי חם. חיישנים מדויקים עקבו אחר טמפרטורות בנקודות רבות: בתוך המקפיא, תא המזון, מגירת הירקות, הדלת ועל פני השטח של הצד המועך (condenser) והמדחס. הם גם מדדו צריכת אנרגיה ולחצים במעגל הקירור. הושוו שמונה תרחישים: בלי חומר שינוי פאזה, מים בלבד, ושלוש תערובות המלח־מים, כל אחת בנפחים של 1 ליטר ו-1.5 ליטר במיכל.

אוכל קר ונעים יותר וציוד עובד בעדינות

חבילות שינוי הפאזה הורידו בצורה ברורה את תנודות הטמפרטורה. במקפיא, כל תערובות המלח שמרו על האוויר קר ויותר יציב לעומת הפעלת המקרר ללא חבילה, בעוד שביתר חלקי המקרר נרשמה ירידה ממוצעת של כ-1–3 °C. מגירת הירקות התייצבה והצטננה עד בערך 22 אחוזים ביחס לקו היסוד, מה שמועיל לשמירת טריות התוצרת. אף על פי שהחבילה עמדה מתחת למקפיא, היא קיררה והחליקה את הטמפרטורות בתא הראשי ובדלת בעקיפין על ידי ספיגת זעזועי חום ושחרור קור לאט. במקביל, אמצע המועך ומשטח המדחס פעלו בכמה מעלות קרות יותר, סימנים לכך שהמכונה עבדה פחות קשה ובמתח חום מתון יותר.

חיסכון באנרגיה ועמידות בהפסקות חשמל

מכיוון שחומרי שינוי הפאזה ספגו חלק מעומס הקירור, המדחס יכל להפסיק לפעול בתדירות גבוהה יותר. במצב הטוב ביותר, שימוש ב-1 ליטר מתמיסת KNO3 קיצר את זמן ההפעלה היומי של המדחס ב-7.1 אחוזים. זה התרגם לירידה של 8.6 אחוז בצריכת האנרגיה החשמלית לעומת המקרר הפועל ללא חבילה. תערובות KCl ו-NaCl חסכו גם הן אנרגיה, אם כי במעט פחות, בעוד שמים בלבד העניקו רק שיפורים מתונים. במהלך סימולציה של הפסקת חשמל של שעה, מקררים עם החבילות שמרו את המקפיא מתחת לאפס בערך חצי שעה וסיפקו עד 2 °C קירור נוסף בתא המקרר לעומת היחידה הלא־משודרגת, וקנו זמן נוסף לפני שהמזון התחמם.

איזו תערובת עובדת הכי טוב ולמה זה חשוב

מבין כל האפשרויות שנבדקו, תמיסת KNO3 בנפח 1 ליטר סיפקה את האיזון הטוב ביותר: היא העלתה את דירוג היעילות של המקרר (מקדם הביצועים שלו) בכ־12 אחוזים וסיפקה את החיסכון האנרגטי הגדול ביותר. חבילות גדולות יותר של 1.5 ליטר סייעו לשמור על טמפרטורות אחידות עוד יותר אך לא שיפרו את הצריכה באופן משמעותי, מכיוון שחומר נוסף יכול להפוך לנטל תרמי ברגע שהוא נמס או קפא כולו. למשתמש מן השורה, המסקנה ברורה: חבילת אחסון קור דקה ובחירה נכונה המשולבת בקרבת המקפיא יכולה להפוך מקרר רגיל לקר יותר מבפנים, להגן טוב יותר על מזון בזמן הפסקות חשמל ולהוזיל את ההפעלה. העבודה מצביעה על כך שיצרנים יכולים לשלב חבילות כאלה באמצעות מלחים זולים כדי לצמצם את דרישת האנרגיה הביתית ולתמוך במטרות חיסכון באנרגיה ואקלים רחבות יותר.

ציטוט: 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

מילות מפתח: מקררים חסכוניים באנרגיה, חומרי שינוי פאזה, אחסון תרמי, קירור ביתי, חיסכון בחשמל