Réfrigération

La réfrigération maintient un espace plus froid que son environnement en y faisant bouillir un liquide, qui absorbe la chaleur, puis en emportant la vapeur au-dehors pour la comprimer et la ramener à l'état liquide. Jacob Perkins fit breveter à Londres en 1834 la première machine à compression de vapeur en circuit fermé ; les machines à ammoniac équipaient brasseries et navires dans les années 1870, et le réfrigérateur électrique domestique se répandit à partir de la fin des années 1920.

Ce que c’est

Un réfrigérateur extrait la chaleur d’un espace clos et la rejette au-dehors, du froid vers le chaud, à l’inverse du sens où la chaleur circule d’elle-même. Les aliments se conservent mieux parce que les bactéries et les moisissures qui les gâtent se développent lentement au froid. Les mêmes machines fabriquent la glace, refroidissent la bière pendant le brassage, transportent la viande congelée d’un continent à l’autre et climatisent les bâtiments.

Presque toutes fonctionnent selon le cycle à compression de vapeur. La planche en montre la première forme opérationnelle : une machine à éther construite à Londres par l’ingénieur John Hague d’après le brevet de Jacob Perkins de 1834. Sa pompe se manœuvrait à la main.

Comment ça marche

La double jarre d’argile repose sur le même effet : l’eau qui s’évapore du sable humide prend la chaleur du pot intérieur.

Un liquide qui s’évapore prend de la chaleur à tout ce qu’il touche ; la sueur rafraîchit la peau de la même façon. Plus la pression est basse, plus la température d’ébullition baisse : l’éther bout vers 35 °C à l’air libre, mais dans un récipient où une pompe maintient une faible pression, il bout bien au-dessous du point de congélation de l’eau.

Sur la machine de Hague, la bassine de cuivre à double paroi contient l’eau à congeler dans sa cuvette intérieure, et l’éther occupe l’espace entre les deux parois. La pompe aspire la vapeur d’éther en haut de cette enveloppe : l’éther liquide continue donc de bouillir et retire de la chaleur à l’eau jusqu’à ce qu’elle gèle. Du charbon de bois en poudre tassé autour de la bassine freine la chaleur qui vient de la pièce.

La même pompe refoule ensuite la vapeur dans un tuyau de cuivre enroulé, le serpentin, plongé dans une cuve d’eau courante. Une soupape chargée à environ 15 livres par pouce carré, un peu plus d’un bar, retient la vapeur sous pression dans le serpentin. Comprimée et refroidie par l’eau, la vapeur redevient liquide et cède la chaleur prise à la bassine, augmentée du travail fourni à la pompe. Le liquide franchit la soupape, sa pression tombe, et il retourne dans l’enveloppe pour bouillir de nouveau. La même charge d’éther tourne ainsi en boucle sans s’user.

Un réfrigérateur moderne fait la même chose avec un compresseur électrique, une grille de tubes à l’arrière qui chauffe la cuisine, un tube fin ou un détendeur où la pression chute, et un évaporateur dans l’appareil. Les réfrigérateurs à absorption remplacent la pompe par un liquide qui absorbe la vapeur du fluide frigorigène et par un brûleur ou une résistance qui l’en chasse à nouveau.

Comment le fabriquer

Un vrai circuit frigorifique contient un fluide volatil sous pression. L’éther est très inflammable et sa vapeur peut exploser ; l’ammoniac est toxique ; les fluides actuels sont stockés liquides sous plusieurs bars et certains sont inflammables. Les machines sont construites et chargées en usine ; laissez toute ouverture, tout remplissage ou toute vidange d’un circuit à des frigoristes qualifiés, selon les règles locales. Ne fabriquez ni compresseur ni récipient sous pression, et ne coupez ni ne percez jamais les tuyaux d’un vieux réfrigérateur.

L’effet sur lequel il repose se montre sans danger avec un rafraîchisseur à double jarre.

Choisir les pots. Prenez deux pots de terre cuite non vernissée, neufs et propres, l’un plus large que l’autre d’environ 5 cm tout autour ; celui de l’intérieur, en contact avec les aliments, doit être vendu pour un usage alimentaire, jamais un vieux pot de jardin. Bouchez les trous d’écoulement avec de l’argile ou un bouchon.

Remplir l’intervalle. Versez une couche de sable au fond du grand pot, posez le petit dessus et remplissez de sable l’espace entre les deux jusqu’au bord.

Mouiller. Versez de l’eau propre dans le sable jusqu’à ce qu’il soit imbibé sans être noyé. Couvrez le pot intérieur d’un linge de coton humide.

Placer. Mettez le rafraîchisseur à l’ombre, là où l’air sec circule autour. L’eau qui suinte à travers la paroi extérieure s’évapore et prend de la chaleur au sable et au pot intérieur. Par temps chaud et sec, l’intérieur peut rester plusieurs degrés au-dessous de la température ambiante ; par temps humide, l’effet est faible. Rajoutez de l’eau une ou deux fois par jour.

Sécurité. Un rafraîchisseur à évaporation ralentit seulement l’altération : il n’atteint pas les 5 °C ou moins nécessaires pour la viande, le poisson ou les produits laitiers ; réservez-le aux fruits et légumes entiers, non coupés, qui se gardent à température ambiante, jamais aux fruits coupés, aux salades ni aux plats cuisinés, et vérifiez sa température avec un thermomètre. Gardez le sable et le linge propres et faites sécher les pots régulièrement pour éviter les moisissures. N’ouvrez, ne percez et ne chauffez jamais le circuit d’un réfrigérateur ou d’un climatiseur.

Histoire et évolution

Avant l’arrivée des machines dans la cuisine, une glacière doublée de zinc était refroidie par un bloc de glace.

Bien avant toute machine, on conservait la glace de l’hiver dans des fosses et des glacières, et l’on rafraîchissait l’eau dans des jarres poreuses. En Écosse, William Cullen montra qu’un liquide qui s’évapore vite sous pression réduite, de l’éther dans sa démonstration la plus connue, refroidit l’eau qui l’entoure jusqu’à la geler ; les récits datent ces travaux entre 1748 et 1756. L’expérience resta une démonstration de laboratoire. En 1805, l’Américain Oliver Evans décrivit un cycle fermé à compression de vapeur, sans jamais le construire.

Jacob Perkins, inventeur américain installé à Londres, fit breveter une machine en circuit fermé le 14 août 1834. Hague la construisit ; elle produisit un peu de glace mais ne trouva pas d’acheteur. L’idée devint une industrie dans les années 1850, quand James Harrison en Australie et Alexander Twining aux États-Unis construisirent les premières machines à glace vendues commercialement. En 1859, le Français Ferdinand Carré fit breveter une machine à absorption à l’ammoniac dissous dans l’eau. Dans les années 1870, Carl von Linde conçut à Munich des machines à compression d’ammoniac ; l’une des premières, vendue en 1876, partit pour une brasserie de Trieste. La même année, le navire français Frigorifique, équipé par Charles Tellier, transporta pour la première fois par mer une cargaison de viande réfrigérée entre Rouen et Buenos Aires.

Le Monitor Top de 1927 : le compresseur est logé dans le tambour, et le serpentin de cuivre qui l’entoure rejette la chaleur retirée de l’armoire.

Les petits moteurs électriques rendirent possible le réfrigérateur domestique. Le Monitor Top de General Electric, en 1927, avec son compresseur logé dans un tambour posé sur l’appareil, coûtait environ 525 dollars à sa sortie et descendit vers 200 dollars en quelques années. Les chlorofluorocarbures comme le Fréon, mis au point en 1928 et produits commercialement à partir du début des années 1930, remplacèrent ensuite les fluides toxiques ou inflammables des premiers appareils ménagers, comme le dioxyde de soufre, le chlorure de méthyle et l’ammoniac. On découvrit plus tard qu’ils détruisaient la couche d’ozone, et le protocole de Montréal de 1987 organisa leur abandon ; en 2016, l’amendement de Kigali y ajouta leurs remplaçants, les HFC, de puissants gaz à effet de serre. En 2024, l’Institut international du froid estimait que le froid et la climatisation consomment environ un cinquième de l’électricité mondiale.