Questions diverses
Comment mesurer la conductance du réfrigérateur ?
Diposer le réfrigérateur dans une pièce à température constante, sans courant d'air. Placer une sonde au fond du réfrigérateur, ainsi qu'une sonde à l'extérieur. Placer sur le fond du réfrigérateur un objet froid (placé préalablement au réfrigérateur ou congélateur), sans qu'il ne touche la sonde. La température va s'équilibrer dans le réfrigérateur jusqu'à atteindre une température constante inférieure à celle mesurée à l'extérieure (il est nécessaire d'avoir au moins 5°C pour une mesure exacte). Disposer d'un chronomètre que l'on lance au moment où l'on retire l'objet froid. Relever la température toutes les 30 secondes ou toutes les minutes (la durée totale de l'expérience peut aller de 20 minutes à 2 heures). Tracer la courbe sous Exel par exemple et tracer la courbe théorique. Déterminer la valeur de la conductance telle que les courbes soient proches l'une de l'autre.
La courbe théorique est la suivante T(ext) + (T(0) - T(ext))exp[-A t]
où T(ext) est la température extérieure, T(0) la température au début des mesures (lorsque l'on enlève l'objet froid), A la conductance (h) à mesurer divisée par l'épaisseur, la masse volumique et la capacité calorifique de la plaque. On peut mettre h sous la forme h = kC (où C est la conductance théorique de la paroi et k un facteur de forme qui dépend donc de la forme du réfrigérateur).
Remarque. On pourrait aussi faire une même mesure avec un objet chaud, mais la valeur de la conductance serait changée : en effet l'air chauf s'élevant il s'échapperait plus facilement par le haut, et comme il s'agira à terme d'un réfrigérateur, seule la conductance en cas de corps froid nous intéresse.
Comment calculer l'écart par rapport à la théorie ?
Calculer l'écart de température obtenu théoriquement (T) et obtenu expérimentalement (E) et former le rapport 100*E/T. Un rapport de 50% indiquera donc que la pratique donne un résultat deux fois moins important que la théorie le prevoyait. Inversement, un rapport de 150% indiquera que la pratique révèlera un fonctionnement supérieur à celui prédit par la théorie (ce cas est plutôt rare et lié à des erreurs de relevés ou autres imprécisions).
Dans quelles conditions fonctionne la réfrigération passive par rayonnement ?
Le corps noir placé au fond du réceptacle va rayonner de l'énergie sous forme d'infrarouges vers l'espace. Il ne se réchauffera qu'à cause d'autres rayonnements d'énergie qui pourraient l'atteindre (et aussi les transferts d'énergie dûs à l'isolation non parfaite du réceptacle). Ainsi, le système fonctionnera à condition qu'aucun rayonnement n'entre dans la boîte : l'absence de soleil est indispensable, mais surtout, il ne faut pas que des corps soient placés entre le corps noir et l'espace ; objets qui renverraient le rayonnement. Parmi ces objets qui constitueraient un masque on trouve : les bâtiments et arbres alentours, les nuages ou si le réfrigérateur est placé dans une pièce.
Ainsi, les conditions d'utilisation du réfrigérateur sont : à l'extérieur, la nuit, par temps calme et sans nuages. Ce sont des conditions relativement restrictives, mais le faible coût de la réalisation peut nous les faire accepter plus facilement.
Quels risques à utiliser cette technique ?
Le risque majeur : la faible autonomie du système. Ainsi, si le ciel reste couvert pendant quelques jours, le réfrigérateur aura atteint la température extérieure, mettant en péril la conservation des objets placés dedans. Il serait beaucoup plus sûr de disposer d'un dispositif de sécurité (du genre réfrigérateur sur batterie ou à gaz) qui permettrait de prendre le relai en cas de couverture nuageuse persistente. A noter : avant d'utiliser cette technique, il convient de connaître parfaitement les conditions climatiques du lieu d'implantation.
Par exemple, si le réfrigérateur réalisé est destiné à être implanté dans une région où couramment, des couvertures nuageuses de 3 jours persistent, on considèrera ces conditions extrêmes pour les dimensions de l'isolation et du stockage du froid.
Peut-on adapter cette technique de refroidissement en vue de climatiser une pièce ?
La puissance de rafraîchissement est très faible, et complètement inutile en pleine journée. Il est illusoire de vouloir rafraîchir une pièce en y apposant sur le toît un module réfrigérant, à moins qu'il s'agisse d'une construction neuve. Mais cette technique n'est pas non plus adéquate : il faut obstruer l'ouverture la journée pour éviter un réchauffement trop fort dû au soleil. Par ailleurs l'isolation des pièces est d'habitude très faiblement poussée. Une solution qui pourrait être une solution temporaire : disposer un réfrigérateur sur le toît et stocker l'eau froide à l'intérieur, puis faire circuler de l'air vers cette eau fraîche afin de le rafraîchir. Mais c'est une solution "locale" dans le sens où l'air soufflé sera réellement plus frais (par pour longtemps) mais l'air dans la pièce ne changera pratiquement en température.
Quels matériaux peut-on utiliser ?
En ce qui concerne le réceptacle :
- toute boîte dont les parois sont inclinées de 15° convient. Il est préférable que l'extérieur soit peint en blanc pour éviter tout échauffement supplémentaire. Il faut aussi s'assurer que le matériau résistera aux basses températures. Le bois est un bon compromis, car il est peu cher, bon isolant (suivant les essences) et durable.
- concernant l'isolation, il faut absolument s'assurer qu'elle ne craint pas le froid, et surtout qu'elle ne risque pas de dégager de vapeur d'eau qui pourrait gêner le rayonnement. Eviter absolument tout isolant qui pourrait émettre des produits toxiques et pourrait éventuellement contaminer les produits stockés (si ce sont des aliments par exemple).
- l'aluminium à appliquer sur l'intérieur peut être posé sous forme de plaques, mais cette solution est assez onéreuse (environ 30 le mètre carré). Il faut absolument des parois rigides, quitte à rajouter une épaisseur de bois, mais toute feuille d'aluminium (même ménager) conviendra. En cas d'utilisation d'aluminium ménager, éviter de le froisser.
- le couvercle doit absolument être transparent aux infrarouges. L'utilisation du verre conduirait à une serre et ce matériau est à exclure. Le polyéthylène se trouve facilement puisqu'il constitue la majorité des emballages plastiques (vérifier le sigle PE ou PEHD ou PELD sur le plastique).
Concernant le corps noir :
- il faut absolument le disposer sous forme de plaque qui couvre tout le fond de la boîte. Le mieux étant de disposer d'une plaque d'aluminium (ou tout autre métal).
- un des meilleurs corps noirs est le noir de fumée : avec une bougie dont on approche la flamme de la plaque, on dispose une couche de noir de fumée (attention : très salissant, et risques de brulures). L'inconvénient, c'est que cette plaque se dégrade vite : dès que l'on touche le noir de fumée, il s'en va. De plus, la poussière se déposant dessus, la plaque doit être refaite au moins une fois par semaine.
- on peut trouver un compromis en déposant du carbonate de calcium sur la plaque (CaCO3). Plus simplement, il s'agit de déposer une couche de calcaire (ou de plâtre) en faisant une bouillie épaise chauffée au four directement sur la plaque. Les résultats sont un peu moins bons qu'avec le noir de fumée, mais la durée de vie est bien plus grande.
- on peut aussi disposer sur le fond du réceptacle un morceau de verre, mieux un miroir, mais il faut disposer d'un tel matériau à la bonne taille, ce qui est plus onéreux. (le résultat est identique au plâtre)
- on peut aussi disposer de l'eau sur le fond, mais la vapeur d'eau contenue dans l'air va largement amoindrir le rendement.
- tout autre matériau possédant la propriété de bien rayonner.
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