Deconstructing David

Je viens de terminer l’assemblage et le test de la seconde piste de la machine à billes. Bien que plus complexe, elle m’a demandé moins de mal que la première voie, l’expérience précédente aidant. Elle comporte un double looping suivi par un inverseur qui permet aux billes de faire des demi-tours dans un tout petit espace.
J’ai évidemment pris quelques photos:

Et ci-dessous une vidéo illustrant les deux premières pistes. Encore une fois, la pompe à billes n’est pas branchée puisque seules les voies sont soumises au test.

Comme je suis arrivé approximativement à la moitié du travail sur les voies, il est temps de faire un petit bilan chiffré:
-voie 1: 8 mètres de fil de laiton diam. 1,5mm, 31 traverses, 86 soudures,
-voie 2: 7,5 mètres de fil de laiton diam. 1,5mm, 34 traverses, 93 soudures.
Soit un total de 179 soudures (qui ont eu raison de la panne de mon fer à souder )!

Après avoir construit ma pompe à billes, j’ai enchaîné sur un châssis complet de machine à bille. Celui-ci a une structure assez triviale et ne sera pas décrit en détails ici, il est toutefois visible dans la galerie dédiée à ce projet. Une fois le châssis assemblé, le plus gros reste à faire: les pistes à billes! Après de longues hésitations, j’ai finalement choisi de les faire en fil de laiton plutôt qu’en bois car il me semble que cette technique permet plus “d’acrobaties”.

J’ai donc acheté une dizaine de mètres de tiges de laiton de 1,5mm de diamètre et ai assemblé une voie tant bien que mal. La mise en forme se fait entièrement à la main et l’assemblage est réalisé par brasage avec un alliage Sn/Pb à 60/40%. La source de chaleur est un vieux fer à souder électrique de 30W qui n’a plus trop la cote auprès des filles mais me rend de bons et loyaux services.

Les traverses des rails sont pliées et coupées depuis la même tige que celle qui constitue les rails, les piliers sont également en laiton 1,5mm. Cette première piste en a nécessité environ 7m. Pour assembler plus facilement les rails, j’ai fabriqué des mords en bois pratiques pour pincer deux rails parallèlement et venir souder la traverse, photo ci-contre. Ils permettent de maintenir l’écart adéquat et d’immobiliser la pièce afin de pouvoir braser “in situ”.

Ce premier essai est satisfaisant car fonctionnel mais présente tout de même un grand nombre de maladresses. Tout d’abord j’ai assemblé le premier mètre de piste sans le fixer sur le châssis. Grave erreur puisque la fixation sur le châssis a nécessité des modifications légères mais qui ont perturbé le déplacement des billes. Ensuite, la forme même de cette première piste est complexe à cause de la vitesse atteinte dans les premiers tournants et à cause de l’allure de la première chute qui doit être courbée pour empêcher les déraillements. De plus, la longueur limitée de mes baguettes (1m) m’oblige à faire des raccords réguliers qui nuisent à la continuité de la voie. Enfin, j’ai pu constater que toutes mes billes ne se comportent pas de la même manière sur la piste! Elles présentent en effet des tailles suffisamment différentes pour entraîner des arrêts ou déraillements imprévisibles. Il serait probablement judicieux d’utiliser des billes de roulements à billes, toutes rigoureusement identiques.

Je prévois encore l’ajout d’au moins 3 autres pistes!

Fasciné depuis des mois par les machines à billes et par les travaux de Matthias Wandel je me suis enfin décidé à construire ma propre “RBS” (rolling ball sculpture). N’ayant pas de quoi travailler le métal correctement j’ai décidé de la réaliser en bois.

Décidé à privilégier l’aspect ludique de la chose, j’avance un peu à l’aveuglette sans plans détaillés mais avec juste quelques dessins concis.

Après deux soirées de travail, j’ai obtenu une pompe à billes qui me satisfait pleinement.
ce premier prototype est visible ici:

Les baguettes de bois avec “rigole” sont coupées avec une mini scie stationnaire Proxxon. J’ignore encore quel moteur je vais utiliser pour propulser l’ensemble. Vu le couple nécessaire et le prix parfois indécent des ensembles moteurs/ réducteurs/ roulements/ poulies je songe à acheter une mini perceuse-visseuse bon marché et de l’utiliser entière, mandrin compris.

J’ai réalisé plusieurs petites modifications avant de lancer un test ce soir.

J’ai d’abord redécoupé la plaque qui sert de socle à la colonne et la fixe ou bouilleur. cette découpe est avant tout esthétique mais elle va me permettre de mieux combattre les fuites.

Ensuite j’ai placé dans la colonne deux rouleaux à récurer en copeaux d’inox afin de constituer un garnissage que j’ai tenté d’homogénéiser tant bien que mal.

Finalement, point le plus important, j’ai alimenté le bouilleur en 130V grâce à mon gros transformateur comme évoqué à la fin de ce message. La puissance dissipée par les résistances chauffantes est donc approximativement de 1300W. À cette puissance, les contraintes sur l’installation diminuent fortement: j’ai moins de problèmes de fuites et la colonne ne vibre presque plus. Mais l’avantage réside particulièrement dans le refroidissement: en effet, même sans refroidisseur, l’eau sort du condenseur à peine tiède. Le distillat est quant-à lui assez frais. Il se réchauffe un peu dans le tuyau d’évacuation à cause des deux supports horizontaux qui font l’effet de ponts thermiques. La pompe était un peu survoltée: je l’alimentais à 29V. Le débit de distillat à reflux nul est de 280ml/h (il était de 2,4l/h à 2400W).

J’ai toutefois un étrange problème d’odeurs: l’eau distillée a un parfum étrange, qui ressemble à un métal oxydé… J’ignore d’où vient ce parfum: j’exclus le cuivre puisque tous les alambics professionnels sont en Cu. L’inox de ma cuve serait-il de mauvaise qualité? Je n’observe pourtant aucune piqures. Pour le moment, les seules pièces qui semblent souffrir sont les vis qui fixent le socle de la colonne à la tour. Ces vis sont en acier galvanisé: elles sont donc recouvertes de zinc. Or en présence d’un électrolyte (ici l’eau de ma cuve) je crains que l’assemblage Cu/Zn ne se comporte comme une pile. Le goût serait donc donné par la corrosion galvanique à l’assemblage Cu/Zn? Je jetterai un œil dans les tables de potentiel redox demain. Il faut donc que je trouve des vis M3 en inox ou en titane.

Lors de mon dernier test de distillation, le refroidisseur à air a posé problème. Les tubes transparents reliant les tubes (en série) se sont ramollis avec la chaleur et se sont croqués aux coudes, augmentant considérablement la perte de charge.

Pour résoudre ce problème, j’ai monté un système en parallèle: l’eau en provenance du condenseur arrive dans un distributeur qui la répartit en 10 flux qui traversent ensuite le refroidisseur simultanément. Le distributeur en question est assez rudimentaire mais ils est robuste et étanche. Pour l’instant je n’ai pas de collecteur: pour limiter la perte de charge je laisse l’eau s’écouler à la sortie des tubes et je la récupère dans une bouteille d’eau taillée en gouttière.

Montage du système de reflux
Ce travail m’a demandé beaucoup d’efforts: en effet, vu la taille des pièces à braser, il a fallu assembler pratiquement tout d’un coup. Après une heure de bataille avec le chalumeau en suant des gouttes comme des cerises, je suis finalement parvenu à fixer tout ensemble. Le montage n’est pas parfaitement d’équerre, mais peu importe: l’ensemble est robuste et fonctionnel.

Le montage est globalement simple et les photos suivantes se passent d’explications. Seul le petit morceau de tube transparent sur le circuit de reflux est peut-être un peu mystérieux. Il s’agit en fait d’un moyen de contrôler le débit de reflux.


Seconde distillation
Comme lors du test précédent, j’ai chargé le bouilleur avec 10 litres d’eau. J’ai réalisé la distillation à pleine puissance, soit 2400W, en utilisant le refroidisseur décrit précédemment sans son ventilateur.
D’un point de vue strictement opérationnel, j’ai observé les mêmes fuites que lors du premier test, rien d’alarmant. Le système de reflux semble bien fonctionner mais mon système de tube transparent n’est finalement pas un avantage: en pratique il est soit bouché par une bulle d’air, soit rempli de fluide si bien qu’on ne voit rien du débit… Autre ennui avec les tubes en plastique: les coudes du refroidisseur s’assouplissent avec la chaleur et finissent par se “croquer” ce qui augmente considérablement les pertes de charge.

Une fois qu’il m’a semblé que l’appareil avait atteint un état à peu près stationnaire, j’ai réalisé quelques mesures de température:
-l’eau du baril de refroidissement est à 40°C (c’est trop)
-l’eau à la sortie du condenseur est à 60°C
-le refroidisseur est à 55°C (sans son ventilateur)
-le distillat est à 45°C (c’est trop)

Dimensionnement: quelques réflexions
Ces mesures indiquent clairement que mon système de refroidissement est loin d’être assez performant. La solution la plus simple serait d’alimenter mon condenseur directement en eau du robinet, mais ça implique un important gaspillage d’eau. Je vais donc plutôt travailler à l’amélioration de la pompe et du refroidisseur.

Lors du test précédent, j’ai mesuré la condensation de 2,4l de distillat/h à reflux nul. Cela correspond à 133,33 moles/h, soit plus de 11000 litres de vapeur/h. Vu le faible diamètre (28mm) de ma colonne, ça donne un temps de séjour dans la colonne de… deux dixièmes de seconde! Autant dire que l’échange liquide/vapeur y sera minable!

À tout point de vue, j’ai donc intérêt à réduire considérablement la puissance de chauffe: cela soulagera la structure, économisera du courant, facilitera le refroidissement et améliorera la finesse de la séparation.

Pour limiter la puissance de chauffe, il me faudrait un gros variac, malheureusement je n’en ai pas sous la main. Pour l’instant, j’ai donc l’intention d’utiliser ce gros transformateur (récup poubelles septembre 2007) et de le brancher en 220->110V.

Ces considérations de puissance sont confirmées sur cette page l’excellent site Homedistiller.org.

Lors de mon essai précédent, j’ai pu observer une élévation importante de de la température de l’eau du condenseur. Élévation tout à fait légitime puisque c’est cette eau qui absorbe l’énergie de la vapeur lors de sa condensation.

Pour réduire cette élévation de température, j’ai monté un petit refroidisseur à air, très simple: à la sortie du condenseur, l’eau chaude circule dans une série de 10 tubes en cuivre (diam 6/8mm) placés dans le gros radiateur de l’alimentation HT pour RX. Le tout est refroidi par un des deux ventilateurs de de l’alim en question.

Sur cette photo, l’entrée et la sortie du refroidisseur se trouvent à gauche, et le ventilateur est démonté: il se place normalement sur les ailettes du radiateur.

J’ai fait quelques tests en circuit fermé (uniquement avec le refroidisseur) et il semble que la perte de charge est tout à fait raisonnable pour ma petite pompe. Reste à déterminer si, en vrai, l’appareil sera utile.

L’essai d’aujourd’hui est le résultat de 3 mois de recherches: pour la première fois, j’ai pu réunir et faire fonctionner simultanément tous les éléments bricolés séparément.

Le dispositif
La principale nouveauté vient de la cuve, j’ai en effet acheté un bouilleur de 20 litres et 2400W. Je règle ainsi tous les ennuis de sécurité, d’étanchéité et d’hygiène décris précédemment: espérons que cet engin fera bon usage.
Comme on le voit sur l’image ci-contre, l’appareil est équipé d’un thermostat: celui-ci coupe le chauffage dès que la température cible est atteinte et le rallume dès que l’eau refroidit de quelques degrés. La température maximale étant 100°C, ce système m’empêchait d’atteindre une ébullition franche et j’ai donc dû le contourner. La modification a été très propre: il a simplement fallu que je déplace la sonde de température de quelques centimètres pour qu’elle ne mesure plus la température du fond de la cuve mais celle du châssis bien frais.
Cette cuve a plusieurs avantages: d’abord elle procure un chauffage puissant, sans risque et facilement nettoyable sans se battre avec le calcaire. Ensuite elle est équipée d’un robinet qui permet de vidanger 20 litres sans devoir soulever l’appareil. Enfin elle dispose d’une jauge qui indique le niveau de liquide.

Pour fixer la colonne à cette cuve, j’ai percé le couvercle au centre, sur la seule zone horizontale et ai placé 3 petites vis. Le socle que j’ai fabriqué en septembre, décrit à la fin de cet article convient bien pour ce montage. L’ensemble est stable et rigide.

La colonne en elle même a été modifiée: je l’ai en fait réduite à sa plus simple expression: un tuyau! L’espèce de H formé précédemment par les deux T a été totalement supprimé. Le tuyau se termine simplement sur un rétrécissement (fabriqué maison) qui sert d’adaptateur au condenseur en verre. Le contact cuivre/verre est réalisé par des rondelles de liège, découpées dans un bouchon.

Le condenseur est alimenté en eau fraîche via mon fût de 25 litres et une petite pompe à diaphragme. Il s’agit donc d’un circuit fermé. J’évite ainsi de devoir rester raccordé au robinet et j’économise un grand volume d’eau. En cas de longue distillation il faudra bien entendu refroidir/remplacer l’eau du fût.

Le test
Une fois le système assemblé comme sur les photos ci-dessus et chargé de 10 litres d’eau, j’ai lancé le chauffage. Il faut environ 20 minutes pour que l’eau se mette à dégager timidement de la vapeur et 40 minutes pour obtenir une ébullition sérieuse.

Première constatation: l’ébullition entraîne des vibrations dans la cuve et des oscillations de la colonne. C’est un peu affolant mais en une heure de tests, rien n’a cédé…

Second point: le couvercle fuit! Rien de bien grave heureusement: une fuite de vapeur autour du couvercle que j’ai neutralisée en fixant le couvercle par une bande adhésive sur tout le périmètre du couvercle. J’ai utilisé un papier collant ordinaire qui par bonheur résiste à la haute température et ne laisse pas de traces de colle sur le métal. Une seconde fuite, au niveau de la jonction à la colonne s’est déclarée après quelques minutes de chauffage. Rien d’important non plus, mais ce sera peut-être plus difficile à contrer. Je songe à découper un joint dans une feuille de silicone (inerte et résistant aux hautes températures).

Troisièmement: le condenseur fonctionne impeccablement! Mis à part quelques glouglous étranges observés dans la région de la jonction avec la colonne (je crois pouvoir résoudre ce problème en utilisant un meilleur bouchon) il n’y a rien à modifier sur cette pièce! Le passage dans les nombreuses circonvolutions de cette belle pièce condense toute la vapeur produite. Le distillat sort par le robinet latéral tout frais, tandis que l’eau de refroidissement coule vers le fût bien chaude! En chauffant à 2400W et en refroidissant via de l’eau à une vingtaine de °C, je condense environ 40ml de distillat par minute, ce qui correspond à 2,4 litres par heure!

Conclusions: ce test est très encourageant et me rassure quant au côté pratique du procédé: il est possible de surveiller seul le bouilleur, le condenseur, la pompe et le distillat simultanément et en toute sécurité. Ce chauffage “à blanc” a également permis un bon nettoyage du système: j’ai vu les résidus de pâte à souder couler et être emportés par les flux de vapeur brûlante.

Les prochaines évolutions
Malgré les bons résultats de cette après-midi, le travail n’est pas encore fini! Il me faut encore monter le système de reflux, régler les petits problèmes d’étanchéité et finalement songer à l’aspect esthétique de l’ensemble: papier de verre et vernis seront sans doute mes meilleurs amis.

Un peu découragé par les nombreuses difficultés relatives à la cuve, je me suis concentré ces dernières semaines sur le condenseur. Cette pièce a pour but de condenser les vapeurs au sommet de la colonne et de les diriger vers un réservoir. Ce réservoir est purgé par deux robinets: le premier sert à renvoyer une partie du distillat à la colonne (pour créer un reflux), le second permet de vidanger le système vers le récipient final.

Le condenseur doit donc être parcouru par un fluide froid (ici de l’eau) et permettre le meilleur transfert de chaleur entre ce dernier et le flux à condenser.

Les contraintes à respecter sont donc les suivantes:
-surface d’échange de chaleur maximale
-étanchéité parfaite du canal d’eau
-condensation totale (ou presque) du distillat qui ne doit pas s’échapper
-mise à pression atmosphérique du circuit pour ne pas avoir une élévation de pression

Vu le design de ma colonne, la logique serait de placer dans la colonne elle même une hélice en tube de cuivre, parcourue par un courant froid. Malheureusement, vu le faible diamètre du tube mes essais de “tournage” de tube ont tous conduit à des échecs. J’ai testé en vain des tubes de cuivre et de laiton de diamètres allant de 4 à 6mm (internes): je ne suis jamais parvenu à les plier correctement sans les croquer. J’ai alors tenté de faire une espèce d’échangeur à tubes et calandres, mais ai vite compris que la surface d’échange ne serait pas suffisante.

J’ai alors songé à enrober mon tube par une chemise refroidissante: il suffirait de fixer un tube de cuivre de diamètre supérieur autour de la colonne et de faire circuler entre les deux tubes de l’eau froide. Malheureusement cette solution a elle aussi échoué: problèmes d’étanchéité des brasures, difficulté d’assemblage, fragilité.

Par dépit, j’ai fini par choisir une solution exagérément simple: réduire le tuyau principal de la colonne de 28mm à 15mm et l’enrober d’une chemise refroidissante. La fabrication a été assez simple et s’est bien déroulée, le résultat correspondant à mes attentes. J’ai toutefois pleine conscience du fait que cet engin minuscule ne sera sans doutes pas assez efficace pour condenser le flux de vapeur en provenance de la colonne. Il s’agit donc plutôt d’un dispositif expérimental, destiné à faire quelques essais (par exemple des essais de remplissage du tube de 15mm pour observer l’influence de la turbulence de l’écoulement sur l’efficacité de la condensation).

Aujourd’hui a surgi la solution à mes problèmes! Je dis surgi mais le terme est mal choisi puisque je passe devant ladite solution tous les jours depuis 3 mois sans la voir… Parmi les poubelles que je fouille régulièrement gise depuis des mois un vieil appareil de distillation d’eau. Noir de crasse, cassé de partout, complètement entartré et habité par une colonie de petits champignons noirs, je n’y avais jamais réellement prêté attention. Mais j’ai découvert aujourd’hui que le refroidisseur de l’engin était d’une forme et d’une taille idéales pour mon application! J’ai donc ramené le condenseur en question à la maison afin de le reconvertir.

1-brossage énergique à l’eau chaude et au savon
2-immersion acide acétique, 80%, lavage grand débit pour éliminer les bouchons de calcaire
3-immersion hypochlorite, diluée, lavage grand débit pour éliminer toute trace de vie et effacer les taches
4-immersion hydroxyde de sodium, concentré, lavage grand débit, pour tout ce qui aurait survécu
5-lavage à l’alcool dénaturé, pur
6-chauffage au four à 100°C pendant 1h

Après ce traitement drastique, j’ai obtenu ceci (la photo ci contre est prise alors qu’il reste encore un peu d’éthanol dans la pièce ce qui explique la présence le bouchons en plastique sur le circuit de refroidissement).

Vu la complexité de cet accessoire je prédis qu’il devrait avoir une efficacité redoutable! Je dois avouer que j’ai rarement vu des condenseurs aussi alambiqués: il s’agit en fait de deux condenseur Graham en série: le premier à hélice refroidissante, le second à hélice refroidie. Et le tout est enrobé dans grande chemise froide. L’astucieux verrier a même prévu une trompe de mise à Patmos sur le canal d’évacuation. Un seul détail m’échappe: l’alimentation en vapeur se fait selon l’axe de la pièce, au centre de celle-ci! Le rodé est donc totalement inaccessible et bien entendu, le mâle est cassé dans la femelle! Il faudra donc que je bricole un adaptateur cuivre-verre qui ne risque pas de tout faire péter au chauffage (gare aux dilatations). Du liège devrait convenir…

À la fin du message précédent, le principal obstacle à la suite des opérations était le système de chauffage: en effet ma cuve possède deux trous au fond, si bien qu’elle ne peut pas être posée simplement sur une plaque chauffante.

Comme expliqué précédemment, j’ai longtemps cherché un chauffage électrique par thermoplongeur ou cartouche chauffante. Malheureusement, les solutions rencontrées étaient toujours trop chères (de l’ordre de 250€) ou de mauvaises dimensions.

Après de longues hésitations, je me suis donc replié vers une technique plus crasseuse mais moins chère: boucher les trous! Pour cela, j’ai utilisé une résine polyester mélangée à une poudre. Cela crée, selon les proportions utilisées, un mastic ou une colle qui une fois durcie est parait-il “résistante et usinable comme un vrai métal”. De plus elle résisterait à des températures allant de -20 à 150°C. J’ai décidé de ne pas combler les trous avec cette substance ma plutôt de coller sur le fond de la cuve, un plaque pour masquer les orifices. Malheureusement cette solution implique des contraintes thermiques: une plaque collée au fond est à peu près à la même température que celui-ci. Or si l’eau reste sous les 100°C, le métal de la cuve, directement en contact avec la plaque chauffante, est probablement bien plus chaud.

Je n’ai donc pas collé une plaque au fond mais un petit radiateur à ailettes, ramassé je ne sais plus où, sans doutes dans un vieil ordi… J’espère ainsi que le fluide frais refroidira un peu cette pièce et par la même occasion la colle.

Aussitôt dit, aussitôt fait: après ponçage et nettoyage à l’acétone, j’ai badigeonné le fond du refroidisseur avec le mastic polyester. Cette étape a pris 1 minute et s’est très bien déroulée. Si bien que 4 heures plus tard j’ai placé la cuve sur une plaque chauffante afin de tester le comportement de l’assemblage.

Première bonne nouvelle: ça chauffe. Seconde bonne nouvelle: une fois l’ensemble assemblé, la vapeur jaillit au sommet de la colonne qui chauffe très vite. J’ajouterais même que la plaque collée se comporte bien puisque j’ai chauffé à 1kW (ébullition) pendant une heure sans observer de décollement ou de fuite. Cependant, la vapeur a une étrange odeur dont j’ignore la cause. Je présume que la cuve n’est pas nettoyée correctement et que la résine n’est pas encore totalement sèche. Je vais donc tenter de régler ces problèmes lors des prochains tests.

Edit: la mauvaise odeur est en fait couplée à une coloration grise étonnante de l’eau bouillie. Après autopsie, j’ai pu constater que le refroidisseur à ailettes a subi une étrange corrosion: il s’est recouvert d’une pellicule noirâtre qui a manifestement teinté et parfumé mon eau. Il y a probablement un élément d’alliage louche dans cette pièce… J’ai donc éliminé cette solution en quelques coups de marteau. J’ai tenté un chauffage avec juste les deux bouchons de résine mais ceux ci perdent leur étanchéité lors du chauffage (la cuve et les trous se dilatent mais pas la résine). Je cherche toujours un moyen de colmater cette cuve. Je suis également la piste des gros bouilleurs de 20 litres couramment utilisés pour servir café, soupe ou vin chaud dans les lieux publics.