Réfrigération

La réfrigération est le procédé permettant d'obtenir et de maintenir un système (local, produit, etc.) à une température inférieure à celle de l'environnement.

Technologies de réfrigération

Il existe différentes façons d'obtenir du froid. Le principe réside toujours en un transfert de chaleur (calories), à partir du système à refroidir et vers l'environnement.

Les deux technologies les plus répandues à grande échelle sont :

• les systèmes à compression ;
• les systèmes à absorption.

Cycles continus à vapeur

Ces technologies font intervenir un fluide frigorigène dont la vaporisation absorbe la chaleur. Depuis le 1^er octobre 2000, il est interdit de s'approvisionner en CFC (R12 - Dichlorodifluorométhane - CCl₂F₂). Depuis le 1^er janvier 2001, il est interdit d'utiliser des CFC même pour effectuer des interventions sur une unité hermétique. Ce fluide a été remplacé par le R-134a (1,1,1,2-tétrafluoroéthane CH₂F-CF₃) (gaz de substitution).

• Réfrigérateur à compression de vapeur (Cycle de Rankine inversé)

Cette technologie est employée dans la grande majorité des réfrigérateurs électroménagers et dans de nombreuses applications industrielles.

Les systèmes à compression utilisent quatre éléments pour le cycle de réfrigération : le compresseur, le condenseur, le détendeur (capillaire dans le cas de frigo domestique) et l'évaporateur. On utilise la relation pression-température pour permettre le changement d'état du fluide frigorigène. La vapeur de fluide frigorigène est comprimée pour permettre la condensation à température ambiante. Elle est refroidie dans le condenseur et se liquéfie. Le détendeur permet ensuite d'amener le liquide frigorifique à une pression suffisamment basse pour que celui-ci puisse s'évaporer dans l'évaporateur en captant la chaleur présente, ce qui entraîne la baisse de température dans l'enceinte ou se trouve l'évaporateur. Le fluide ainsi vaporisé retourne vers le compresseur et le cycle recommence.

• Réfrigérateur à absorption de gaz (Cycle de Carré)

En raison de l'investissement important qu'elle requiert, cette technologie est utilisée principalement à grande échelle pour la réfrigération des bâtiments ou les réseaux de froid urbain. Son avantage est d'être essentiellement actionné par une source de chaleur. Une consommation mineure d'électricité est requise pour la pompe.

Dans de tels dispositifs, le fluide en circulation est le mélange d'un fluide frigorigène et d'un adsorbant (pour le couple H₂O/NH₃, le frigorigène est l'ammoniac, pour le couple LiBr/H₂O, le frigorigène est l'eau). Le cycle commence par la distillation de ce mélange dans le "générateur", pour produire du frigorigène pur et une solution apte à l'absorber. Le frigorigène liquide est détendu à basse pression. Il se vaporise alors et cause la réfrigération. Les vapeurs de fluide frigorigène progressent vers l'absorbeur pour être absorbées par une douche de la solution issue du générateur. Cette nouvelle solution riche en frigorigène est compressée par pompe et réinjectée dans le générateur pour être distillée à nouveau.

Cycles continus à gaz

• Turbo Réfrigération (Cycle de Joule)

Cycles continus Stirling

• Moteur Stirling
• Refroidissement thermoacoustique

Cycles intermittents

• Réfrigération magnétique
• Réfrigérateur à absorption de gaz

Non-cycliques

• Tube de Ranque-Hilsch
• module Peltier

L'effet Peltier est un effet indépendant de l'effet Joule, qui fait qu'au point de contact entre deux métaux différents, selon le sens du courant, il y a libération ou absorption de chaleur. Les réfrigérateurs à effet Peltier ont de nombreux avantages (absence de pièce mobile hormis le ventilateur, fonctionnement dans n'importe quel sens, absence de produit chimique potentiellement dangereux, insensibilité aux chocs, etc.), ce qui conduit à les utiliser dans les situations nomades (voitures, etc.). Le principal inconvénient de ces réfrigérateurs est leur manque d'efficacité dû à un rendement de conversion électricité/chaleur faible.

• Refroidissement d'atomes par laser

Historique de l'extraction de la chaleur

• Les Mésopotamiens se servaient de fosses remplies de glace pour conserver la viande.
• Les Grecs et les Romains entassaient de la glace et de la neige en hiver dans des fosses profondes, recouvertes par de la paille. La viande gardée dans ces glacières primitives restait fraîche jusque durant l'été, sans qu'il soit nécessaire de la saler ou de la fumer.
• Les Indiens du Pérou creusaient des glacières dans le sol, avant l'arrivée des Européens, au XVI^e siècle.
• Ce système de fosses a été utilisé dans toute l'Europe à partir du XVII^e siècle. Des commerçants vendaient de la glace venant des montagnes.
• À la cour du Roi Soleil, l'évaporation de l'éther était utilisée pour refroidir des crèmes de fruits.
• Des glacières, meubles isothermes contenant des blocs de glace périodiquement renouvelés, étaient utilisées au XIX^e siècle.
• Avant l'ère industrielle, c'est surtout la commercialisation de la glace qui permettait aux plus fortunés de disposer de produits conservés ou consommés à basse température.
• 1755 : machine frigorifique à eau - l’écossais William Cullen obtient un peu de glace par vapeur d’eau sous cloche à vide.
• 1805 : machine frigorifique à compression d’éther - un prototype est présenté à Philadelphie par Oliver Evans. La nouveauté essentielle résidait dans l’introduction d’un processus en cycle fermé.
• 1824 : paraît le seul livre de Sadi Carnot. Les deux principes de la Thermodynamique sont exposés de façon très simple. C'est de lui que nous vient le cycle de Carnot.
• 1844 : machine frigorifique à air - Le principe de la détente d’air était déjà connu au 18^e siècle. L’Américain John Gorrie l’appliqua sur sa machine.
• 1850 : machine frigorifique à air - John Gorrie obtient un brevet anglais mais, curieusement, son invention fit scandale aux États-Unis où certains l’accusaient de vouloir concurrencer Dieu en faisant de la glace à n’importe quel moment de l’année. En 1851, il obtint son brevet.
• 1854-6 : utilisant le principal de la compression de vapeur, l'inventeur australien James Harrison a produit en Australie le premier réfrigérateur pratique au monde^[1]
• 1859 : machine frigorifique à absorption - Le français Ferdinand Carré, frère d’Edmond, fait breveter une machine dont le fluide, après avoir produit du froid, est absorbé par une autre substance et non aspiré par un compresseur. C’est la première machine frigorifique à absorption.
• 1872 : machine réfrigérante à compresseur à ammoniac - C’est David Boyle, un américain d’origine écossaise, qui obtient le premier brevet pour un compresseur utilisant l’ammoniac.
• 1913 : le Domelre, fabriqué à Chicago, est le premier réfrigérateur domestique fonctionnel.
• 1919 : la marque Frigidaire fait son apparition.
• 1931 : la fabrication industrielle commence avec Electrolux.
• 1938 : premier groupe frigorifique mécanique pour remorque : le Modèle A par la société Thermo king.
• 1939 : premier réfrigérateur à deux températures, qui permettait de conserver des aliments congelés dans l’un des compartiments.
• 1944 : machine frigorifique à absorption - Le réfrigérateur à absorption a été mis au point par la société suisse Sibir.
• 1998 : le réfrigérateur-congélateur de la société Daewoo est équipé d’une porte à cristaux liquides. Ce modèle baptisé « miroir magique » a l’avantage de laisser apparaître le contenu par simple pression d’un bouton ; cette transparence temporaire de la porte permet de réaliser des économies en énergie en évitant toute déperdition de froid.
• 1999 Création d’un prototype de réfrigération solaire à adsorption^[2] ; plusieurs frigos solaires de ce type sont utilisés en Afrique.
• 2002 : 99 % des foyers français sont équipés de réfrigérateurs. Il est l’appareil domestique le plus répandu.

Voir aussi

• Cryonie
• Froid industriel
• Froid
• Fluide frigorigène
• Pompe à chaleur
• Réfrigérateur à compression de vapeur
• Réfrigérateur à absorption de gaz
• Conservation de la viande
• Institut international du froid

Lien externe

• (fr) La machine à fabriquer le froid en 1875
• (fr) Étude du CEA : PRODUCTION DE FROID PAR UN SYSTÈME TRITHERME A FLUIDE UNIQUE, Grenoble 1993

Notes et références

1. ↑ (en)http://museumvictoria.museum/about/mv-news/2009/harrison-refrigerator-model/
2. ↑ Catherine Hildbrand, Olivier Cherbuin et Julien Mayor, La Réfrigération solaire à adsorption, Hes.so, 17 octobre 2005, consulté le 27 juillet 2010 en ligne