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LABORATORIO SCIENTIFICO PER BAMBINI
Come fare senza freon. Laboratorio di scienze per bambini
Elenco / Laboratorio di scienze per bambini Sai cos'è il freon? Siamo sicuri che dopo aver letto questa domanda, la prima cosa che ricorderai saranno i frigoriferi. E se approfondisci la tua memoria, ricorda i buchi dell'ozono. Il collegamento tra loro è diretto: quanto più freon fuoriesce dalle unità difettose, tanto maggiore è la minaccia per lo strato di ozono del pianeta. Ma, sfortunatamente, non è ancora possibile eliminare completamente il freon dall'uso. Dopotutto, ci sono più di un miliardo di frigoriferi sulla terra ... Tuttavia, stanno cercando frettolosamente un sostituto per la sostanza sfortunata: un gas che potrebbe fungere da refrigerante. Nel frattempo, sono note da tempo le macchine frigorifere che utilizzano la sostanza più innocua ed economica: l'aria. Perché vengono dimenticati?
Si scopre che non tutto è così semplice. Ricordiamo che quando un gas viene compresso si riscalda e quando si espande si raffredda. Bastano questi due fatti per capire come funziona una macchina frigorifera secondo il metodo proposto da Joule. La figura mostra uno dei tanti progetti simili. Guarda: due cilindri sono "piantati" su una manovella. Quello di sinistra, il compressore, comprime l'aria, quello di destra, l'espansione, funziona con l'aria compressa (non abbiamo mostrato dettagli come valvole e bobine). Quindi, una parte dell'aria viene compressa nel cilindro sinistro. Allo stesso tempo, si è verificato un aumento della sua energia interna: la temperatura e la pressione sono aumentate. Ma per fare freddo, cioè avere una temperatura inferiore a quella dell'ambiente, è necessario prelevare energia interna dall'aria. Fallo in due passaggi. Innanzitutto, l'aria viene inviata allo scambiatore di calore. (In questo modello, questo è un tubo soffiato da un ventilatore.) Qui l'aria si raffredda fino a una temperatura vicina alla temperatura ambiente. Si noti che la sua pressione non cambia. Successivamente, una parte dell'aria entra nel cilindro di espansione, dove svolge un lavoro fisico e viene raffreddata ad una temperatura inferiore a quella dell'ambiente. L'aria fredda viene spinta nel vano frigorifero durante la successiva corsa del pistone. È chiaro che a causa del lavoro svolto durante l'espansione dell'aria, parte dell'energia spesa per la sua compressione viene restituita e la macchina nel suo insieme diventa più economica. Sembrerebbe che vada tutto bene. Tuttavia, le macchine per il raffreddamento dell'aria che funzionano secondo questo principio vengono utilizzate più vantaggiosamente per ottenere temperature inferiori a -90 °C. Nei frigoriferi domestici queste temperature non sono necessarie. Nel frattempo, come dimostra la pratica, quando si riceve un freddo moderato, il cilindro di espansione restituisce solo una parte insignificante dell'energia spesa per comprimere l'aria. Quindi forse smettere del tutto di usarlo? Se lo si sceglie, la macchina di refrigerazione è estremamente semplificata, trasformandosi in un dispositivo che non contiene parti mobili. Ecco una delle opzioni: il cosiddetto tubo a vortice, progettato nel 1931 da J. Rank. È impostato in modo abbastanza semplice. L'aria viene pompata da sinistra (vedi diagramma) e nel vortice risultante iniziano i "miracoli". La sua parte esterna, riscaldandosi, si sposta verso destra e, incontrando un inserto conico, esce. Ma non tutti escono. Circa un terzo dell'aria torna indietro (il flusso va in due strati) e, raffreddandosi sempre di più, entra nel tubo di derivazione sinistro per l'aria fredda. Il calo di temperatura può raggiungere circa 85 gradi!
Sembra che sia stata trovata una via d'uscita, ma sfortunatamente il consumo energetico dei tubi a vortice è inaccettabilmente elevato. Pertanto vengono utilizzati solo dove sono importanti peso ridotto e affidabilità e dove l'aria compressa è abbondante, come ad esempio nel settore dell'aviazione. Tubi pulsanti più perfetti. Ecco come funziona il dispositivo proposto nel 1962 dallo specialista delle basse temperature Gifford. Immagina una pipa con due rubinetti. Alla sua estremità sorda c'è uno scambiatore di calore. Nel nostro caso (vedi fig.) si tratta di una serpentina attraverso la quale scorre l'acqua. Se apri per un momento la valvola superiore, una porzione d'aria entrerà nel tubo e inizierà ad espandersi a velocità supersonica. Questo fenomeno, noto come "onda d'urto", di solito interessava solo i creatori della tecnologia missilistica e spaziale, ma, come vedi, ha improvvisamente trovato un'applicazione più prosaica. Quindi, l'onda d'urto, propagandosi nel tubo, comprime l'aria davanti ad esso. Dalla compressione si riscalda e cede il calore in eccesso all'acqua. Se apri il secondo rubinetto, l'aria raffreddata inizierà ad espandersi e la sua temperatura diminuirà in modo significativo. Questo è il diagramma di flusso del processo.
Nei dispositivi più semplici come il tubo descritto si sono verificati molti effetti collaterali che hanno reso il lavoro antieconomico. Ma sembra che una soluzione sia stata trovata. La società moscovita "Novid-Ecoholod" come risultato di oltre dieci anni di ricerca condotta sotto la guida del Ph.D. B. G. Kuznetsova, ha portato il tubo pulsante ad un'altissima perfezione. Nella versione moderna, si tratta di un tubo a sezione variabile, le cui dimensioni e proporzioni corrispondono pienamente al miglior andamento del processo di raffreddamento. La capacità di trovarli correttamente è il segreto principale dell'azienda. Altrettanto importante è la bobina rotante, uno dei componenti del sistema che meglio gestisce i processi. I rinfrescatori d'aria prodotti da Novid-Ecoholod sono in grado di fornire un getto di aria refrigerata con una temperatura di -60 °C e inferiore. Con il suo aiuto è particolarmente conveniente congelare rapidamente i prodotti su un trasportatore in movimento. La velocità in questo caso non è solo comodità. C'è anche una nuova qualità qui. I biologi hanno da tempo notato che un raffreddamento molto rapido non distrugge i tessuti viventi. Piccole lucertole, ad esempio, possono poi prendere vita anche pochi anni dopo, e minuscoli crostacei che hanno subito una tale procedura in condizioni naturali riescono a svegliarsi dopo ... un sonno millenario! Non sorprende quindi che gli alimenti surgelati sembrino freschi sulla tavola! L'azienda "Novid-Ecoholod" riceve senza troppe difficoltà anche meno 120 ° C dai suoi frigoriferi. Il risultato è curioso. Le carcasse di carne, ad esempio, possono essere facilmente immagazzinate in un carro non attrezzato per un massimo di sette giorni, e se il carro è dotato dell'isolamento termico più semplice, allora tutti e dieci. Ci sono anche altri vantaggi. Tutti devono aver visto come lungo le pareti della camera di refrigerazione di un normale magazzino o negozio si estendono decine di metri di tubi metallici ghiacciati, attraverso i quali circola il freon. Questo non è il caso di un refrigeratore d'aria. E sì, è di piccole dimensioni. Puoi consegnarlo e installarlo quasi ovunque. Il getto d'aria fredda proveniente dalla macchina può essere diretto ovunque. Ad esempio, la figura mostra un magazzino gonfiabile per verdure deperibili, steso direttamente sul campo. I vantaggi di un simile impianto diventano particolarmente evidenti, dato che con un raccolto abbondante, spesso fino all'80% dei prodotti muore sul campo. Data l'enorme richiesta di tali attrezzature, l'azienda ha già costruito numerosi impianti per il congelamento rapido del pesce sui pescherecci. A proposito, a causa della mancanza di tali impianti nel nostro paese, fino al 50% del pesce catturato va perduto!
Ora qualche parola sull'efficienza dei refrigeratori d'aria in relazione all'industria alimentare. È utile per il futuro proprietario di un negozio o agricoltore comprendere la differenza tra le figure di parata, che di solito sono indicate nelle caratteristiche dei frigoriferi a freon, e ciò che si ottiene nella pratica. Il fatto è che di solito vengono testati con tubi puliti che non hanno ancora avuto il tempo di essere ricoperti da una crosta di ghiaccio. In queste condizioni, per le prime ore di funzionamento, i frigoriferi a freon “dimostrano” la loro eccezionale efficienza. Tuttavia, i tubi sono coperti di brina e ghiaccio. Per un mese di funzionamento della camera di refrigerazione piena di merce, lo spessore della "pelliccia" aumenta così tanto che il consumo di energia aumenta di 1,5-2 volte. Non esistono tubi di questo tipo nei raffreddatori ad aria e non ci sono problemi simili. Pertanto, per lo stoccaggio a lungo termine, i raffreddatori ad aria non hanno rivali in termini di economia. Autore: A.Vargin
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