Réfrigération

Réfrigération, processus d’élimination de la chaleur d’un espace clos ou d’une substance dans le but d’en abaisser la température.

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Dans les nations industrialisées et les régions riches du monde en développement, la réfrigération est principalement utilisée pour stocker les denrées alimentaires à basse température, inhibant ainsi l’action destructrice des bactéries, des levures et des moisissures. De nombreux produits périssables peuvent être congelés, ce qui permet de les conserver pendant des mois, voire des années, sans perte de valeur nutritive ou de saveur, ni changement d’aspect. La climatisation, l’utilisation de la réfrigération pour le refroidissement de confort, s’est également répandue dans les nations plus développées.

Avant l’introduction des systèmes de réfrigération mécanique, les peuples anciens, y compris les Grecs et les Romains, refroidissaient leurs aliments avec de la glace transportée depuis les montagnes. Les familles aisées utilisaient des caves à neige, des fosses creusées dans le sol et isolées avec du bois et de la paille, pour stocker la glace. De cette manière, la neige tassée et la glace pouvaient être conservées pendant des mois. La glace stockée était le principal moyen de réfrigération jusqu’au début du 20e siècle, et elle est encore utilisée dans certaines régions.

En Inde et en Égypte, le refroidissement par évaporation était employé. Si un liquide est rapidement vaporisé, il se dilate rapidement. Les molécules de vapeur qui s’élèvent augmentent brusquement leur énergie cinétique. Une grande partie de cette augmentation provient des environs immédiats de la vapeur, qui sont donc refroidis. Ainsi, si l’on place de l’eau dans des plateaux peu profonds pendant les nuits tropicales fraîches, son évaporation rapide peut entraîner la formation de glace dans les plateaux, même si l’air ne descend pas en dessous de la température de congélation. En contrôlant les conditions d’évaporation, il est possible de former de cette manière même de grands blocs de glace.

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Le refroidissement causé par l’expansion rapide des gaz est le principal moyen de réfrigération actuel. La technique du refroidissement par évaporation, telle que décrite précédemment, est connue depuis des siècles, mais les méthodes fondamentales de la réfrigération mécanique n’ont été découvertes qu’au milieu du XIXe siècle. La première réfrigération artificielle connue a été démontrée par William Cullen à l’université de Glasgow en 1748. Cullen a fait bouillir de l’éther éthylique dans un vide partiel ; il n’a toutefois pas utilisé le résultat à des fins pratiques. En 1805, un inventeur américain, Oliver Evans, conçoit la première machine frigorifique qui utilise de la vapeur au lieu du liquide. Evans n’a jamais construit sa machine, mais une machine similaire a été construite par un médecin américain, John Gorrie, en 1844.

La réfrigération commerciale aurait été initiée par un homme d’affaires américain, Alexander C. Twinning, en 1856. Peu après, un Australien, James Harrison, a examiné les réfrigérateurs utilisés par Gorrie et Twinning et a introduit la réfrigération par compression de vapeur dans les industries de la brasserie et du conditionnement de la viande. Un système un peu plus complexe a été mis au point par le Français Ferdinand Carré en 1859. Contrairement aux machines à compression de vapeur précédentes, qui utilisaient l’air comme réfrigérant, l’équipement de Carré contenait de l’ammoniac en expansion rapide. (L’ammoniac se liquéfie à une température beaucoup plus basse que l’eau et est donc capable d’absorber plus de chaleur). Les réfrigérateurs de Carré ont été largement utilisés, et la réfrigération par compression de vapeur est devenue, et est toujours, la méthode de refroidissement la plus répandue.

Malgré le succès de l’utilisation de l’ammoniac, cette substance présentait un grave inconvénient : en cas de fuite, elle était désagréable autant que toxique. Les ingénieurs en réfrigération ont cherché des substituts acceptables jusqu’aux années 1920, où un certain nombre de réfrigérants synthétiques ont été développés. La plus connue de ces substances a été brevetée sous le nom de fréon. Chimiquement, le fréon a été créé par la substitution de deux atomes de chlore et de deux atomes de fluor aux quatre atomes d’hydrogène du méthane (CH4) ; le résultat, le dichlorofluorométhane (CCl2F2), est inodore et n’est toxique qu’à des doses extrêmement importantes.

Les composants de base d’un système moderne de réfrigération par compression de vapeur sont un compresseur ; un condenseur ; un dispositif d’expansion, qui peut être une vanne, un tube capillaire, un moteur ou une turbine ; et un évaporateur. Le gaz réfrigérant est d’abord comprimé, généralement par un piston, puis poussé par un tube dans le condenseur. Dans le condenseur, le tube enroulé contenant la vapeur passe soit par une circulation d’air, soit par un bain d’eau, ce qui élimine une partie de l’énergie thermique du gaz comprimé. La vapeur refroidie passe par une soupape d’expansion pour atteindre une zone de pression beaucoup plus faible ; lorsque la vapeur se dilate, elle tire l’énergie de son expansion de son environnement ou du milieu en contact avec elle. Les évaporateurs peuvent refroidir directement un espace en laissant la vapeur entrer en contact avec la zone à refroidir, ou ils peuvent agir indirectement, c’est-à-dire en refroidissant un milieu secondaire comme l’eau. Dans la plupart des réfrigérateurs domestiques, le serpentin contenant l’évaporateur entre directement en contact avec l’air du compartiment alimentaire. À la fin du processus, le gaz chaud est attiré vers le compresseur.

Dans les années 1960, certaines caractéristiques des semi-conducteurs ont commencé à être utilisées pour la réfrigération commerciale. La principale d’entre elles était l’effet Peltier, du nom du chimiste français Jean Peltier, qui a observé en 1834 que les courants électriques passant par la jonction de deux métaux différents provoquaient parfois le refroidissement de la jonction. Lorsque la jonction est faite de semi-conducteurs tels que le tellurure de bismuth, l’effet Peltier est d’une ampleur suffisante pour permettre son utilisation commerciale.

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