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WISSENSCHAFTLICHES LABOR FÜR KINDER
Wie kommt man ohne Freon aus? Wissenschaftliches Kinderlabor
Verzeichnis / Wissenschaftliches Kinderlabor Wissen Sie, was Freon ist? Wir sind sicher, dass Sie sich nach dem Lesen dieser Frage als Erstes an Kühlschränke erinnern werden. Und wenn Sie in Ihre Erinnerung eintauchen, dann erinnern Sie sich an die Ozonlöcher. Der Zusammenhang zwischen ihnen ist direkt: Je mehr Freon aus defekten Einheiten austritt, desto größer ist die Bedrohung für die Ozonschicht des Planeten. Doch leider ist es noch nicht möglich, Freon vollständig aus der Anwendung zu verbannen. Immerhin gibt es mehr als eine Milliarde Kühlschränke auf der Erde ... Dennoch suchen sie eilig nach einem Ersatz für den unglückseligen Stoff – ein Gas, das als Kältemittel fungieren könnte. Mittlerweile sind Kühlmaschinen schon lange bekannt, die den harmlosesten und kostengünstigsten Stoff nutzen – Luft. Warum werden sie vergessen?
Es stellt sich heraus, dass nicht alles so einfach ist. Denken Sie daran: Wenn ein Gas komprimiert wird, erwärmt es sich, und wenn es sich ausdehnt, kühlt es ab. Diese beiden Tatsachen reichen aus, um zu verstehen, wie eine Kältemaschine nach der von Joule vorgeschlagenen Methode funktioniert. Die Abbildung zeigt eines von vielen solchen Designs. Schauen Sie – zwei Zylinder sind auf einer Kurbel „gepflanzt“. Der linke Kompressor komprimiert Luft, der rechte Expansionsmotor arbeitet mit Druckluft (Details wie Ventile und Spulen haben wir nicht gezeigt). Im linken Zylinder wird also ein Teil der Luft komprimiert. Gleichzeitig nahm seine innere Energie zu – Temperatur und Druck stiegen. Aber um zu frieren, das heißt die Temperatur ist niedriger als die der Umgebung, muss der Luft innere Energie entzogen werden. Tun Sie dies in zwei Schritten. Zunächst wird Luft zum Wärmetauscher geleitet. (Bei dieser Konstruktion handelt es sich um ein Rohr, das von einem Ventilator angeblasen wird.) Hier kühlt sich die Luft auf eine Temperatur nahe der Umgebungstemperatur ab. Beachten Sie, dass sich der Druck nicht ändert. Anschließend gelangt ein Teil der Luft in den Expansionszylinder, verrichtet dort physikalische Arbeit und wird auf eine Temperatur abgekühlt, die unter der Umgebungstemperatur liegt. Beim nächsten Kolbenhub wird die kalte Luft in den Kühlraum gedrückt. Es ist klar, dass durch die Arbeit, die bei der Expansion der Luft geleistet wird, ein Teil der für ihre Kompression aufgewendeten Energie zurückgeführt wird und die Maschine insgesamt wirtschaftlicher wird. Es scheint, dass alles in Ordnung ist. Nach diesem Prinzip arbeitende Luftkühlmaschinen werden jedoch am vorteilhaftesten eingesetzt, um Temperaturen unter -90 °C zu erreichen. In Haushaltskühlschränken werden diese Temperaturen nicht benötigt. Wie die Praxis zeigt, gibt der Expansionszylinder bei mäßiger Kälte nur einen unbedeutenden Teil der für die Luftverdichtung aufgewendeten Energie zurück. Also vielleicht ganz damit aufhören? Wenn man sich dafür entscheidet, wird die Kühlmaschine extrem vereinfacht und zu einem Gerät, das keine beweglichen Teile enthält. Hier ist eine der Optionen – das sogenannte Wirbelrohr, das 1931 von J. Rank entworfen wurde. Es ist ganz einfach aufgebaut. Von links wird Luft eingepumpt (siehe Diagramm) und im entstehenden Wirbel beginnen „Wunder“. Sein äußerer Teil bewegt sich beim Erhitzen nach rechts und kommt, nachdem er auf einen konischen Einsatz trifft, heraus. Aber nicht alle kommen heraus. Ungefähr ein Drittel der Luft kehrt zurück (die Strömung verläuft in zwei Schichten) und gelangt, immer stärker gekühlt, in das linke Abzweigrohr für kalte Luft. Der Temperaturabfall kann bis zu 85 Grad betragen!
Ein Ausweg scheint gefunden zu sein, doch leider ist der Energieverbrauch von Wirbelrohren unzumutbar hoch. Daher kommen sie nur dort zum Einsatz, wo es auf geringes Gewicht und Zuverlässigkeit ankommt und Druckluft reichlich vorhanden ist, wie zum Beispiel in der Luftfahrt. Perfektere pulsierende Rohre. So funktioniert das 1962 vom Tieftemperaturspezialisten Gifford vorgeschlagene Gerät. Stellen Sie sich ein Rohr mit zwei Hähnen vor. An seinem blinden Ende befindet sich ein Wärmetauscher. In unserem Fall (siehe Abb.) handelt es sich um eine Spule, durch die Wasser fließt. Wenn Sie das obere Ventil für einen Moment öffnen, dringt ein Teil der Luft in das Rohr ein und beginnt sich mit Überschallgeschwindigkeit auszudehnen. Dieses als „Stoßwelle“ bekannte Phänomen war normalerweise nur für die Entwickler der Raketen- und Raumfahrttechnik von Interesse, fand aber, wie Sie sehen, plötzlich eine prosaischere Anwendung. Die sich im Rohr ausbreitende Stoßwelle komprimiert also die Luft davor. Durch die Kompression erwärmt es sich und gibt überschüssige Wärme an das Wasser ab. Wenn Sie den zweiten Hahn öffnen, beginnt sich die gekühlte Luft auszudehnen und ihre Temperatur sinkt deutlich. Dies ist das Flussdiagramm des Prozesses.
Bei einfachsten Geräten wie der beschriebenen Pfeife traten viele Nebenwirkungen auf, die die Arbeit unwirtschaftlich machten. Aber es sieht so aus, als ob eine Lösung gefunden wurde. Das Moskauer Unternehmen „Novid-Ecoholod“ ist das Ergebnis von mehr als zehn Jahren Forschung unter der Leitung von Ph.D. B. G. Kuznetsova brachte die pulsierende Pfeife zu einer sehr hohen Perfektion. In der modernen Version handelt es sich um ein Rohr mit variablem Querschnitt, dessen Abmessungen und Proportionen vollständig dem besten Verlauf des Kühlprozesses entsprechen. Die Fähigkeit, sie richtig zu finden, ist das Hauptgeheimnis des Unternehmens. Ebenso wichtig ist die rotierende Spule, eine der Systemkomponenten, die Prozesse am besten verwaltet. Von Novid-Ecoholod hergestellte Luftkühler sind in der Lage, einen Strahl gekühlter Luft mit einer Temperatur von -60 °C und darunter zu liefern. Mit seiner Hilfe ist es besonders praktisch, Produkte auf einem laufenden Förderband schnell einzufrieren. Geschwindigkeit ist in diesem Fall nicht nur Bequemlichkeit. Auch hier gibt es eine neue Qualität. Biologen haben schon lange festgestellt, dass eine sehr schnelle Abkühlung kein lebendes Gewebe zerstört. Kleine Eidechsen zum Beispiel können danach sogar noch einige Jahre später zum Leben erwachen, und sehr kleine Krebstiere, die unter natürlichen Bedingungen einem solchen Eingriff unterzogen wurden, schaffen es, nach ... einem tausendjährigen Schlaf aufzuwachen! Kein Wunder also, dass tiefgefrorene Lebensmittel auf dem Tisch frisch aussehen! Die Firma „Novid-Ecoholod“ bekommt ohne große Schwierigkeiten sogar minus 120 °C aus ihren Kühlschränken. Das Ergebnis ist merkwürdig. Fleischkadaver können beispielsweise problemlos bis zu sieben Tage in einem unbestückten Waggon gelagert werden, bei einfachster Wärmedämmung sogar ganze zehn Tage. Es gibt noch weitere Vorteile. Jeder muss gesehen haben, wie sich Dutzende Meter vereister Metallrohre entlang der Wände der Kühlkammer eines gewöhnlichen Lagerhauses oder Ladens erstrecken, durch die Freon zirkuliert. Dies ist bei einem Luftkühler nicht der Fall. Und ja, es ist klein. Sie können es fast überall liefern und installieren. Der Kaltluftstrahl der Maschine kann an jeden beliebigen Ort gerichtet werden. Die Abbildung zeigt beispielsweise ein aufblasbares Lagerhaus für verderbliches Gemüse, das direkt auf dem Feld ausgebreitet ist. Die Vorteile einer solchen Anlage werden besonders deutlich, wenn man bedenkt, dass bei einer reichlichen Ernte oft bis zu 80 % der Produkte auf dem Feld sterben. Aufgrund der großen Nachfrage nach solchen Geräten hat das Unternehmen bereits mehrere Anlagen zum schnellen Einfrieren von Fisch auf Fischereifahrzeugen gebaut. Übrigens gehen aufgrund des Fehlens solcher Anlagen in unserem Land inzwischen bis zu 50 % der gefangenen Fische verloren!
Nun ein paar Worte zur Effizienz von Luftkühlern in Bezug auf die Lebensmittelindustrie. Für einen zukünftigen Ladenbesitzer oder Landwirt ist es nützlich, den Unterschied zwischen Paradezahlen, die normalerweise in den Eigenschaften von Freon-Kühlschränken angegeben werden, und dem, was in der Praxis erreicht wird, zu verstehen. Die Sache ist, dass sie normalerweise mit sauberen Rohren getestet werden, die noch keine Zeit hatten, mit einer Eiskruste bedeckt zu werden. Unter diesen Bedingungen „beweisen“ Freon-Kühlschränke in den ersten Betriebsstunden ihre außergewöhnliche Effizienz. Allerdings sind die Rohre dann mit Reif und Eis bedeckt. Bei einem einmonatigen Betrieb der mit Waren gefüllten Kühlkammer nimmt die Dicke des „Pelzmantels“ so stark zu, dass der Energieverbrauch um das 1,5- bis 2-fache steigt. In Luftkühlern gibt es solche Rohre nicht und es gibt auch keine ähnlichen Probleme. Daher sind Luftkühler für die Langzeitlagerung konkurrenzlos wirtschaftlich. Autor: A.Vargin
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