Le réfrigérateur solaire ou comment faire du froid avec du chaud ! - Concours C'génial collège 2014
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Concours C’génial collège 2014
Le réfrigérateur solaire ou
comment faire du froid avec du
chaud !
-1-
Sommaire
Introduction 3
I. Comment un réfrigérateur peut-il faire du froid ? 4
II. Comment utiliser l’évaporation pour mettre au point un réfrigérateur
solaire ? 5
(a) L’évaporation d’un liquide fait-elle réellement baisser la
température ?
(b) Comment fonctionne notre réfrigérateur solaire ?
(c) Sur quelles hypothèses avons nous travaillé ?
(d) Quels sont les résultats obtenus lors des 1ères
expériences ?
(e) Quelle analyse faire de ces résultats ?
III. Comment garder la fraicheur le plus longtemps possible ? 12
Bilan 14
-2-
INTRODUCTION
Voici, présenté dans ce dossier illustré, le Projet Sciences 2013-14 des 4° de Trois Bassins.
Nous sommes 23 élèves de 4° du collège de Trois Bassins.
Pour le concours "C génial", nous avons mis au point nos propres réfrigérateurs solaires
dans le cadre du projet Sciences des 4° avec l'aide de Monsieur LAVALLETTE, notre
professeur de Physique Chimie.
Nous avons travaillé par groupes (de trois ou de quatre élèves), tous les mardis après-midis
pendant deux heures (de 14 heures 30 à 16 heures 30). Après un long travail de recherche,
d’erreurs mais aussi de réussites nous avons avancé dans l’élaboration de notre réfrigérateur
lentement mais sûrement !!
Nous avons aussi travaillé sur le fonctionnement d’un réfrigérateur (normal, cette fois !)
dont nous vous expliquerons le fonctionnement par la suite.
En suivant une démarche scientifique, nous avons soulevé les problèmes du chaud et du
froid, vous trouverez donc nos hypothèses, ainsi que nos recherches qui ont menés aux
expériences, et les résultats obtenus.
Ce projet a été réalisé en collaboration avec les CM2 de l’école primaire de La Grande Ravine
(à Trois Bassins) qui ont étudié avec M. Jean-Nicolas SURJUS des « Petits débrouillards »
l’isolation tandis que nous avons travaillé sur la « production » du froid et nous avons
également été en relation avec Mme Catherine HILDBRAND (ingénieure projet au
Laboratoire d'Energétique Solaire et de Physique du Bâtiment à la Haute Ecole d’Ingénierie
et de Gestion du Canton de Vaud, en Suisse) qui a déjà mis au point un réfrigérateur solaire.
Tout vous sera expliqué tout au long de ce dossier illustré.
-3-
I. Comment un réfrigérateur peut-il faire du froid ?
Pour obtenir un refroidissement, les réfrigérateurs reposent sur le principe de l'évaporation.
Cette évaporation provoque le refroidissement du fluide frigorigène. Ce liquide frigorigène
est un fluide volatil dont la température de fusion est bien au-dessous de 0℃, ce qui
implique qu'il bout à température ambiante.
Le fluide frigorigène est ensuite à nouveau compressé pour redevenir liquide. Le fluide
frigorigène décrit ainsi un cycle perpétuel fermé, ce fluide est donc recyclé indéfiniment.
Pour effectuer ce cycle, le liquide frigorigène passe par quatre composants clés qui sont :
L’évaporateur
L’évaporateur est la zone dans laquelle le fluide frigorigène s’évapore en passant à une
pression quatre fois moins élevée. C’est lors de ce changement que se crée le froid.
L’évaporateur n’est en lui-même qu’un long tuyau qui est relié au compresseur et au
détendeur. Ce tuyau tapisse la paroi interne du réfrigérateur. Dans le compartiment «
congélation » cette zone est facilement reconnaissable car c’est là que se forme le givre.
Le condensateur
Le condensateur est une grille en métal présente à l’arrière du réfrigérateur dans laquelle
circule le fluide frigorigène. Ce fluide, chauffé après sa sortie du compresseur, est refroidi et
permet les échanges thermiques. Il est donc indispensable au bon fonctionnement du
réfrigérateur.
Le compresseur
Le compresseur a pour fonction de faire redevenir le fluide frigorigène à l’état liquide en
augmentant la pression. Le compresseur est contrôlé par un thermostat afin de maintenir la
température adéquate.
Le détendeur
Le détendeur abaisse la pression du liquide frigorigène.
Fig 1 : schéma de fonctionnement d’un réfrigérateur
Donc comme vous l’aurez compris, un réfrigérateur ne fabrique pas du froid mais il agit
comme une pompe à chaleur : il prend la chaleur à l’intérieur et l’envoie à
l’extérieur.
-4-
II. Comment utiliser l’évaporation pour mettre au point un réfrigérateur
solaire ?
(a) L’évaporation d’un liquide fait-elle réellement baisser la
température ?
L'idée de base d'un réfrigérateur est donc d'utiliser l'évaporation d'un liquide pour absorber
la chaleur.
En effet lorsque vous vous baignez au lagon et que vous sortez de l’eau, vous n’avez jamais
eu une sensation de froid que vous n’aviez pas dans l’eau ?
Ceci n’est pas uniquement dû au vent mais bien à l’évaporation de l’eau se trouvant sur
votre peau qui absorbe la chaleur de votre peau et créer la sensation de froid.
Nous avons donc voulu vérifier que lors de l’évaporation d’un liquide, il a bien chute de la
température.
Matériel utilisé : un tube à essai, deux thermomètres, du coton, une balance
Produit utilisé : acétone (car sa température de vaporisation est seulement de 56°C)
Protocole expérimental :
on verse de l’acétone dans un tube à essai et on mesure la température
on verse de l’acétone sur du coton, puis on mesure la température du coton
on compare alors la température affichée par les deux thermomètres.
Problème rencontré: Comment mettre en évidence l’évaporation de l’acétone ?
Solution trouvée : on mesure la masse du coton au début de l’expérience puis 5 min après, si
la masse affichée par la balance diminue c’est bien qu’il y a eu évaporation de l’acétone.
Voici les résultats obtenus :
Fig 2 : Température de l’acétone au début Fig 3 : Température de l’acétone sur le coton après 5
de l’expérience min
-5-
Fig 4 : Masse du coton imbibé d’acétone au début de Fig 5 : Masse du coton imbibé d’acétone après 5 min
l’expérience
Observations :
La température de l’acétone diminue de 5°C
La masse d’acétone diminue de 0,4 g
Conclusion : Lors de l’évaporation d’un liquide, il y a bien abaissement de
la température.
Ainsi nous devons donc réussir à concevoir un système qui contient un liquide, ce liquide
doit s’évaporer et cette évaporation doit refroidir notre canette.
(b) Comment fonctionne notre réfrigérateur solaire ?
Notre réfrigérateur solaire doit donc contenir une canette de soda et doit la refroidir par
évaporation d’un liquide, ainsi ce liquide doit être contenu dans une matière absorbante.
Puisque le liquide doit s’évaporer, il faut donc que ses vapeurs s’échappent, notre
réfrigérateur solaire doit donc avoir des trous.
Mais s’il y a des trous la matière absorbante ne doit pas sortir donc il a fallu trouver un
moyen de la contenir à la l’intérieure : nous avons utilisé de la moustiquaire.
Voici donc une photo légendée de notre réfrigérateur solaire :
Moustiquaire : pour
retenir l’absorbant Absorbant qui va
contenir le liquide
frigorigène
Canette contenant de
Moustiquaire : pour retenir
l’eau que l’on veut
refroidir
Partie extérieure du
Trou : pour laisser
réfrigérateur peinte.
sortir les vapeurs du
liquide frigorigène
-6-
Fig 6 : réfrigérateur solaire
(c) Sur quelles hypothèses avons nous travaillé ?
L’image précédente représente un prototype de réfrigérateur solaire, mais comme nous
voulons que la canette soit la plus froide possible nous avons émis plusieurs hypothèses sur
les paramètres à faire varier pour gagner en efficacité.
Hypothèse 1 : le matériau utilisé a une influence
Ainsi dans le groupe n°1, Matthew, Cédric et Luijdjani ont utilisés différents matériaux pour
la paroi extérieure du réfrigérateur : métal ou carton.
Fig 7 : Paroi extérieure en carton
Hypothèse 2 : le nombre et le diamètre des trous ont une influence
Dans le groupe n°2, Théo, Dorian et Mathieu ont percé le cylindre extérieur avec des mèches
de différents diamètres : 16 mm ou 8 mm ; et réalisés 12 ou 4 trous.
Fig 8 : Avec 4 trous de 8 mm Fig 9 : avec 12 trous de 16 mm
Hypothèse 3 : la nature de la substance absorbante utilisée a une influence
Dans le groupe n°3, Arnaud, William et Pacôme ont introduit différentes substances
absorbantes : du sable, de la laine, de la mousse verte (utilisée par les fleuristes) et de la
zéolite.
Fig 10 : Avec de la laine ou de la mousse verte Fig 11 : Avec du sable
-7-
Hypothèse 4 : la quantité de liquide versé a une influence
Dans le groupe n°4, Anthony, Terra et Thomas ont varié la quantité de liquide versé dans
l’absorbant : 1L ou 3,5L.
Hypothèse 5 : l’espace entre la paroi extérieure et la canette a une influence
Dans le groupe n°5 ; Chloé, Laura, Camille et Océane ont utilisé un cylindre en métal plus
grand faisant varié ainsi l’espace entre paroi extérieure et la canette mais également la
quantité d’absorbant utilisé.
Fig 12 : Cylindre plus grand (40 cm)
Hypothèse 6 : la température initiale de liquide a une influence
Dans le groupe n°6, Pierre, Brandon et Véronique ont versé de l’eau à des températures
différentes : 25°C (température ambiante), 4°C (eau froide) et 60°C (eau chaude).
Hypothèse 7 : La couleur de la paroi extérieure a une influence
Dans le groupe n°7, Erine, Laetitia, Séverine et Romain ont peint le réfrigérateur de
différentes couleurs : noir, gris ou blanc.
Fig 13 : Paroi extérieure en noir ou en blanc
Hypothèse 8 : La nature du liquide a une influence
Anthony, Terra et Thomas (du groupe n°4) ont également travaillé sur le choix du liquide
utilisé : de l’eau ou de l’acétone.
-8-
(d) Quels sont les résultats obtenus lors des 1ères
expériences ?
Voici quelques photos des expériences réalisés par chacun des groupes.
Groupe N°3 :
laine
Groupe N°3 :
mousse
Groupe N°6 :
eau chaude
Groupe N°4 :
3,5L d’eau Groupe N°7
Groupe N°5
Fig 14 : Le début des expériences
Fig 15 : Groupe n°2 (12 trous de 16 mm) Fig 16 : Groupe n°7 (blanc) et groupe n°1
et groupe n°4 (acétone) (carton)
Fig 15 : Groupe n°3 (sable)
Fig 17 : Groupe n°2 (4 trous de 8mm)
-9-
Voici donc les premiers résultats obtenus par les différents groupes après avoir exposé nos
réfrigérateurs au Soleil de 10h à 12h et relevé la température à l’intérieur de la canette à
16h, la température extérieure étant de 30,0°C :
Groupe n°1 : avec la paroi en carton : température à l’intérieure de la canette 28,2 C ;
avec de l’acétone : 23,5°C.
Fig 16 : résultat obtenu par le
groupe n°1 avec 1L d’acétone
sur de la zéolite
Groupe n°2 :
Nombre et diamètre des trous Température dans la canette
12 trous de 16 mm 25,5°C
12 trous de 8 mm 26,3°C
4 trous de 8 mm 28,6°C
Groupe n°3 :
Nature de l’absorbant Température dans la canette
laine 27,2°C
mousse verte 27,0°C
sable 26,5°C
Groupe n°4 :
Quantité d’eau Température dans la canette
3,5L 26,4°C
1L 26,5°C
Groupe n°5 : avec le grand cylindre : température à l’intérieure de la canette : 27,3°C
Groupe n°6 :
Température de l’eau Température dans la canette
4°C 25,4°C
25°C 26,6°C
60°C 28,3°C
Groupe N°7 :
Couleur de la paroi extérieure Température dans la canette
noire 28,4°C
blanc 26,6°C
- 10 -(e) Quelle analyse faire de ces résultats ?
Pour pouvoir comparer tous ses résultats avec autant de paramètres variables, il a fallu
choisir un réfrigérateur solaire témoin (voir Fig 6) avec :
Paroi extérieure : en métal
12 trous de diamètre 8 mm
Substance absorbante : zéolite
1 L d’eau versée
Cylindre de la taille d’une boite de lait en poudre pour bébé
Eau à 25°C (environ)
Paroi extérieure de couleur grise.
Cela correspond à un essai des groupes n°2, 4 et 6 (résultats grisés dans les tableaux), la
température obtenue dans la canette avec le réfrigérateur solaire témoin est donc de 26,5°C
(moyenne des trois résultats).
Ainsi, on peut conclure sur les paramètres permettant de plus baisser la température :
Paramètres étudiés Comparaison avec le témoin Conclusion
matériaux Température plus élevée Le métal est préférable au
pour le carton carton
Diamètre et nombre des Température plus élevée si Faire des trous gros et en
trous moins de trous ou trous plus grand nombre
petit
Nature de l’absorbant Résultats équivalents avec le Choisir la zéolite ou le sable
sable moins bon avec la laine
ou la mousse
Quantité d’eau Résultats équivalents Choisir plus 1L pour
économiser le liquide
frigorigène
Taille du cylindre Température plus élevée Choisir la boite de lait pour
avec le grand cylindre bébé
Température de l’eau Température plus basse Choisir une température du
obtenue avec le liquide le liquide frigorigène basse
plus froid
couleur Température plus haute Choisir une couleur claire
avec le noir et résultats
équivalent avec le blanc
Liquide frigorigène Température plus basse avec Choisir un liquide frigorigène
l’acétone ayant une température
d’ébullition la plus faible
A partir de l’analyse des résultats précédents, nous avons décidés de faire un essai avec :
Paroi extérieure : en métal
12 trous de diamètre 16 mm
Substance absorbante : zéolite
1 L d’eau versée
Cylindre de la taille d’une boite de lait en poudre pour bébé
acétone à 4°C (environ)
Paroi extérieure de couleur grise.
- 11 -Voici le résultat obtenu :
Fig 17 : notre dernier résultat
Et oui, comme vous pouvez le remarquer la température extérieure est de 26,6°C et celle à
l’intérieure de la canette de 15,2°C soit une différence : 11,4°C
Ainsi grâce à l’analyse de nos résultats et en associant tous les
paramètres favorables nos avons amélioré notre réfrigérateur solaire.
III. Comment garder la fraicheur le plus longtemps possible ?
Obtenir un abaissement de température de 26,6°C à 15,2°C c’est bien mais ensuite il faut
pouvoir conserver cette température le plus longtemps possible.
C’est cette mission qui a été confié à nos camarades de CM2 de l’école de la Grande Ravine
qui ont reçu l’aide de Jean-Nicolas SURJUS des « Petits Débrouillards ».
Les CM2 ont travaillé sur comment conserver le froid ou le chaud.
On a donc fait des expériences en suivant aussi une démarche scientifique pour voir si les
matériaux conduisaient la chaleur avec une bougie et en tenant le matériau on s’aperçoit
que certain matériau brule, d’autre nous brule les doigts (ou plutôt on a chaud au doigt car
on sent la chaleur augmenter et donc on enlève l’objet de la bougie). Les métaux (le clou, la
règle en aluminium, le fil de cuivre) conduisent la chaleur, en revanche quand on les
enveloppe avec du papier, du polystyrène ou du film bulle on se brule plus en les tenants.
Ensuite nous avons essayé de garder l’eau chaude le plus longtemps dans nos gobelets,
chaque groupe les a enveloppés dans au choix : du papier, du film bulle, du papier
aluminium, du polystyrène. Puis on a comparé les résultats. Les meilleurs résultats sont pour
le groupe qui avait bien enveloppé avec plusieurs couches de polystyrène.
Fig 18 : découpe des matériaux
- 12 -Nous avons ensuite fait la même chose mais avec de l’eau froide. Pour voir si nos gobelets
permettaient de conserver l’eau froide. Nos résultats montrent que pour bien conserver le
froid il faut plusieurs couches de film bulle ou du polystyrène et sur toutes les faces.
Avec ces résultats nous nous somme intéressé à la fabrication réfrigérateur. Tout d’abord il a
fallut choisir les dimensions la consigne était de pouvoir mettre une bouteille de 0.5L.
On a donc tracé les patrons, pour faire 2 frigos un isolé avec du polystyrène et l’autre avec
de la fibre de polyester recyclé (c’est un isolant pour toiture).
On fait les tests en mettant 10 glaçons dans chaque boite. Résultat, après une journée on
pèse la quantité d’eau fondu dans nos réfrigérateurs, on peut conserver des glaçons toute
une journée, mais les meilleurs résultats sont obtenu avec la boite isolé avec la fibre de
polyester.
Fig 19 : test des glaçons
Fig 20 : les élèves de CM2 de la Grande Ravine et leurs réfrigérateurs
- 13 -BILAN
Notre objectif dans ce projet était de mettre au point un dispositif permettant de refroidir
une canette de soda uniquement avec l’énergie solaire et sans électricité.
Pour y arriver, nous avons travaillé comme des chercheurs scientifiques : tout d’abord nos
avons fait des recherches sur le fonctionnement d’un réfrigérateur classique (celui de nos
cuisines), puis vérifier ce principe de fonctionnement et enfin appliquer ce principe en
utilisant une démarche scientifique : formulation d’hypothèses, imagination et réalisation
d’expériences, remise en cause des hypothèses et des expériences suivant les résultats
obtenus.
Ce projet nous a demandé énormément de travail, beaucoup de réflexion, cela a été long et
difficile (surtout quand il pleut juste le jour où on doit faire les expériences !). Mais nous
avons appris pleins de choses, comme l’intérêt de travailler en équipe (échanger avec les
autres, justifier ces choix …), de manière rigoureuse (tout noter sur le cahier, refaire les
expériences…) …
Nous avons été volontaire pour participer à ce projet en suivant cette option et nous ne le
regrettons pas, on voulait faire des Sciences : on a fait de la Physique-Chimie, de la
Technologie et même des Maths ; mais on aussi fait du français (rédaction des protocoles et
de ce compte-rendu) et de l’anglais (traduction de document).
Enfin nous sommes satisfaits car nous avons rempli notre objectif : nous avons
refroidi notre canette de 11,4°C.
Nous continuons à réfléchir l’évolution de notre système en remplaçant par exemple
l’acétone par du bioéthanol provenant de cannes à sucre de la Réunion mais aussi à
l’améliorer car pour l’instant il est en 2 parties : une qui refroidie et une qui conserve et il
faut le recharger en liquide frigorigène car celui-ci s’évapore !
Nous avons par exemple pris contact et déjà échangé avec Mme HILDBRAND qui a mis au
point un réfrigérateur solaire beaucoup plus sophistiqué que le notre, vous trouverez son
travail sur le lien suivant.
En conclusion, le réfrigérateur solaire ça marche et nous pensons que c’est une solution
écologique et économique qui devrait être plus utilisée surtout dans des régions comme l’île
de la Réunion riche en Soleil mais qui produit son électricité avec des moteurs diesels !
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