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LABORATOIRE SCIENTIFIQUE POUR ENFANTS
Comment faire sans fréon. Laboratoire scientifique pour enfants
Annuaire / Laboratoire scientifique pour enfants Savez-vous ce qu'est le fréon ? Nous sommes sûrs qu’après avoir lu cette question, la première chose à laquelle vous penserez est celle des réfrigérateurs. Et si vous fouillez dans votre mémoire, vous vous souviendrez également des trous dans la couche d'ozone. Le lien entre eux est direct : plus le fréon s’évapore des unités défectueuses, plus la menace pour la couche d’ozone de la planète est grande. Malheureusement, il n’est pas encore possible d’éliminer complètement le fréon de son utilisation. Après tout, il existe plus d'un milliard de réfrigérateurs sur terre... Néanmoins, ils recherchent rapidement un substitut à la substance malheureuse - un gaz qui pourrait agir comme réfrigérant. Pendant ce temps, on sait depuis longtemps que les machines frigorifiques utilisent la substance la plus inoffensive et la moins chère : l’air. Pourquoi sont-ils oubliés ?
Il s'avère que tout n'est pas si simple. Rappelons-le : lorsqu’il est comprimé, un gaz s’échauffe, et lorsqu’il se dilate, il se refroidit. Ces deux faits suffisent pour comprendre comment fonctionne une machine frigorifique selon la méthode proposée par Joule. La figure montre l’une des nombreuses conceptions de ce type. Regardez : deux cylindres sont « plantés » sur une manivelle. Celui de gauche, compresseur, comprime l'air, celui de droite, expansion, fonctionne à partir d'air comprimé (nous n'avons pas montré de pièces telles que les vannes et les tiroirs). Ainsi, une partie de l'air est comprimée dans le cylindre gauche. Dans le même temps, son énergie interne a augmenté - la température et la pression ont augmenté. Mais pour obtenir du froid, c’est-à-dire une température inférieure à celle de l’environnement, il faut puiser de l’énergie interne dans l’air. C'est fait en deux étapes. Tout d’abord, l’air est envoyé vers l’échangeur de chaleur. (Dans cette conception, il s'agit d'un tube soufflé par un ventilateur.) Ici, l'air se refroidit à une température proche de la température ambiante. Sa pression, notons-le, ne change pas. Ensuite, une partie de l'air pénètre dans le cylindre d'expansion, où il effectue un travail physique et est refroidi à une température inférieure à celle de l'environnement. L'air froid est poussé dans la chambre frigorifique lors du prochain coup du piston. Il est clair qu'en raison du travail effectué lors de la détente de l'air, une partie de l'énergie dépensée pour sa compression est restituée et la machine dans son ensemble devient plus économique. Il semblerait que tout va bien. Cependant, les machines de refroidissement par air fonctionnant selon ce principe sont mieux utilisées pour obtenir des températures inférieures à -90 °C. Les réfrigérateurs domestiques ne nécessitent pas de telles températures. Pendant ce temps, comme le montre la pratique, lorsqu'il reçoit un froid modéré, le cylindre d'expansion ne restitue qu'une petite partie de l'énergie dépensée pour la compression de l'air. Alors peut-être devrions-nous arrêter complètement de l’utiliser ? Si vous faites cela, la machine frigorifique est extrêmement simplifiée, se transformant en un appareil ne contenant pas de pièces mobiles. Voici l'une des options - le tube dit vortex, conçu en 1931 par J. Ranque. Sa conception est assez simple. L'air est pompé depuis la gauche (voir schéma) et des « miracles » commencent dans le vortex résultant. Sa partie extérieure, en s'échauffant, se déplace vers la droite et, rencontrant l'insert conique, sort. Mais tout ne sort pas. Environ un tiers de l'air revient (le flux se fait en deux couches) et, se refroidissant de plus en plus, pénètre dans le tuyau gauche pour l'air froid. La baisse de température peut atteindre environ 85 degrés !
Une solution semble avoir été trouvée, mais malheureusement, la consommation énergétique des tubes vortex est inacceptablement élevée. Par conséquent, ils ne sont utilisés que là où la légèreté et la fiabilité sont les plus importantes et où l’air comprimé est abondant, comme dans l’aviation. Les tuyaux de pulsation sont plus avancés. C’est ainsi que fonctionne le dispositif proposé en 1962 par le spécialiste des basses températures Gifford. Imaginez un tuyau avec deux robinets. À son extrémité aveugle se trouve un échangeur de chaleur. Dans notre cas (voir figure), il s'agit d'un serpentin dans lequel circule de l'eau. Si vous ouvrez la valve supérieure pendant un moment, une partie de l'air entrera dans le tuyau et commencera à se dilater à une vitesse supersonique. Ce phénomène, connu sous le nom d'« onde de choc », n'intéressait généralement que les créateurs de fusées et de technologies spatiales, mais, comme vous pouvez le constater, il a trouvé de manière inattendue une application plus prosaïque. Ainsi, l’onde de choc, se propageant dans le tuyau, comprime l’air devant lui. À partir de la compression, il se réchauffe et dégage un excès de chaleur à l'eau. Si vous ouvrez le deuxième robinet, l'air refroidi commencera à se dilater et sa température baissera considérablement. Ceci est le diagramme de processus.
Dans les dispositifs les plus simples tels que le tuyau décrit, de nombreux effets secondaires sont apparus qui ont rendu le travail peu rentable. Mais il semble qu'une solution ait été trouvée. La société moscovite "Novid-Ekoholod" est le résultat de plus de dix ans de recherches menées sous la direction d'un doctorat. B. G. Kuznetsova a amené le tube de pulsation à une très haute perfection. Dans sa conception moderne, il s'agit d'un tuyau à section variable dont toutes les dimensions et proportions correspondent parfaitement au meilleur déroulement du processus de refroidissement. La capacité de les trouver correctement est le principal secret de l'entreprise. Non moins importante est la bobine rotative, l'un des composants du système qui contrôle le mieux les processus. Les refroidisseurs d'air de Novid-Ekoholod sont capables de produire un flux d'air refroidi à une température de -60 °C et moins. Avec son aide, il est particulièrement pratique de congeler rapidement des aliments sur un convoyeur en mouvement. Dans ce cas, la vitesse n'est pas seulement une question de commodité. Une certaine nouvelle qualité apparaît également ici. Les biologistes ont remarqué depuis longtemps qu’un refroidissement très rapide ne détruit pas les tissus vivants. Les petits lézards, par exemple, peuvent ensuite reprendre vie plusieurs années plus tard, et de très petits crustacés, soumis à une telle procédure dans des conditions naturelles, parviennent à se réveiller après... un sommeil millénaire ! Il n'est donc pas surprenant que les aliments surgelés aient l'air les plus frais sur la table ! L'entreprise Novid-Ekoholod obtient facilement des températures de moins 120 °C dans ses réfrigérateurs. Le résultat est intéressant. Les carcasses de viande, par exemple, peuvent facilement être stockées dans un chariot non équipé jusqu'à sept jours, et si le chariot est équipé de l'isolation thermique la plus simple, même dix. Il existe également d'autres avantages. Tout le monde a probablement vu comment le long des murs de la chambre frigorifique d'un entrepôt ou d'un magasin ordinaire se trouvent des dizaines de mètres de tuyaux métalliques glacés à travers lesquels circule du fréon. Ce n’est pas le cas d’un refroidisseur d’air. Et il est de petite taille. Il peut être livré et installé presque partout. Un flux d'air froid provenant de la machine peut être dirigé vers n'importe quel endroit. Par exemple, la photo montre un entrepôt gonflable pour légumes périssables, situé en plein champ. L’avantage d’une telle installation devient particulièrement évident si l’on considère qu’avec une récolte abondante, jusqu’à 80 % des produits périssent souvent dans le champ. Face à l'énorme demande pour de tels équipements, l'entreprise a déjà construit plusieurs installations pour la congélation rapide du poisson sur les bateaux de pêche. D'ailleurs, faute de telles installations dans notre pays, jusqu'à 50 % des poissons capturés sont désormais perdus !
Quelques mots maintenant sur l’efficacité des machines frigorifiques à air par rapport à l’industrie agroalimentaire. Il est utile pour un futur propriétaire de magasin ou agriculteur de comprendre la différence entre les numéros de cérémonie qui sont habituellement donnés dans les caractéristiques des réfrigérateurs au fréon et ce qui se passe dans la pratique. Le fait est qu'ils sont généralement testés avec des tuyaux propres qui n'ont pas encore eu le temps de se recouvrir d'une croûte de glace. Dans ces conditions, dès les premières heures de fonctionnement, les réfrigérateurs au fréon « prouvent » leur efficacité exceptionnelle. Cependant, les tuyaux se couvrent alors de givre et de glace. Au cours d'un mois de fonctionnement d'une chambre frigorifique remplie de marchandises, l'épaisseur du « manteau de fourrure » augmente tellement que la consommation d'énergie augmente de 1,5 à 2 fois. Il n’existe pas de tels tuyaux dans les refroidisseurs d’air et il n’y a pas de problèmes similaires. Par conséquent, lors d’un stockage à long terme, les refroidisseurs d’air n’ont pas d’égal en termes d’efficacité. Auteur : A.Vargin
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