Alimentation/WTF?

L’histoire de la réfrigération


Le réfrigérateur, c’est quelque chose que toute maison possède. Si on disait cela à William Cullen, qui a découvert les premières réactions endothermiques par compression de la vapeur, il n’y comprendrait rien. La réfrigération, au-delà de son usage domestique, a aussi connu de nombreux usages, qui ont évolué au fil du temps.

La compression de vapeur

Michael Faraday, le père de l’électrochimie et le créateur de la loi de Faraday (loi de l’induction, en électricité), étudia au départ certaines substances gazeuses. Il travailla sur les états de la matière, en prouvant que les gaz, comme l’ammoniaque, pouvaient devenir liquides si on les mettait sous pression. On prouva aussi qu’une telle réaction pouvait absorber de la chaleur.

Le cycle de compression de la vapeur dépend de 4 éléments: un compresseur, un évaporateur, une valve d’expansion et un condensateur. Le compresseur met le gaz sous pression, le transformant en liquide. L’évaporateur augmente la température du liquide et le retransforme en mélange gaz-liquide, ce qui permet de relâcher de l’air froid. Afin de compléter le cycle, la valve d’expansion ajuste à nouveau la pression dans le liquide et le condensateur complète la forme gazeuse du fluide, afin de le ramener dans le compresseur. Cela crée le cycle de réfrigération, qui arrive à produire du froid et de la chaleur à la fois. Dans un réfrigérateur moderne, la chaleur est relâchée derrière le réfrigérateur et l’air froid est envoyé dans votre réfrigérateur et votre congélateur. Cela vous permet de garder vos aliments au froid plus longtemps.

Les principales caractéristiques pour prendre un bon fluide réfrigérant qui circulerait dans le système sont les enthalpies et les pressions du fluide. Plus un fluide varie en enthalpie lorsqu’il change de phase (de liquide à gaz et de gaz à liquide), plus il sera avantageux de l’utiliser en réfrigération.

Voilà, c’est comme cela que la majorité des systèmes de refroidissement fonctionnent! Perdus?! C’est normal; la thermodynamique, c’est un cour de 3 crédits à l’université. Les principales choses qu’il faut se rappeler est que c’est une réaction qui dégage de l’air chaud et de l’air froid et que plus le réfrigérant (le fluide qu’on compresse, condense, décompresse et évapore) est capable de dégager de l’énergie entre ses cycles, mieux c’est.

Histoire

On attribue le premier brevet de compression de la vapeur à Jacob Perkins, un Américain qui lança son invention en 1834 aux États-Unis, en Écosse et en Angleterre (Apparatus and means for producing ice, and in cooling fluids). À cette époque, les gens utilisaient la glace pour conserver leurs produits alimentaires. Malheureusement, la pollution rendait la recherche de glace fraîche de plus en plus difficile dans certaines régions (pas au Canada). Les réfrigérateurs ne servaient donc pas à garder les produits froids, mais bien à produire de la glace, qui garderait les produits au frais. On s’en doute bien, mais le brevet de Perkins ne lui fut pas très rentable.

Ferdinand Carré, en 1859, lança lui aussi un système de production de glace. C’est M. Carré qui est considéré comme le père de la réfrigération parce que son système utilisait un nouveau fluide: l’ammoniaque. L’ammoniaque est un fluide très intéressant pour la réfrigération et est encore utilisé dans l’industrie alimentaire à assez grande échelle.

Par la suite, on s’interrogea sur les applications commerciales et industrielles de la réfrigération. La principale question était de savoir si on pouvait créer des salles réfrigérées pour transporter des produits valant très chers et devant être gardés au frais. On vit donc apparaître plusieurs essais de wagons de trains frigorifiques et des bateaux de transport avec chambre froide, pour transporter de la viande entre les pays.

Le plus lucratif des premiers essais fut lancé par William Soltan Davidson, en 1882. Celui-ci lança le Dunedin, qui transporta de la viande fraîche de la Nouvelle-Zélande à l’Angleterre. Il était assez reconnu que l’Australie et la Nouvelle-Zélande étaient capables de faire de grandes quantités de viande à un prix ridiculement bas, mais on ne savait pas encore comment faire que cette viande demeure fraîche (et donc plus chère que si elle était séchée) pour être vendue aux riches de Grande Bretagne. Le Dunedin fut un succès commercial majeur, rapportant plus de 4000 livres de profits en un seul voyage. Malheureusement, le bateau frigorifique disparut 8 ans plus tard en mer et ne fut jamais retrouvé.

Premières applications

Au tout début, les premiers usages de la réfrigération étaient, bien entendu, dans le transport, mais aussi dans la brasserie. Les brasseurs de bière ont besoin de refroidir leur moût très rapidement avant d’y ajouter des levures afin d’avoir une bière de qualité, parce que le moût perd sa qualité bien rapidement et que les meilleures levures ne résistent pas au chaud. Qui plus est, s’il fait trop chaud, la fermentation sera plus difficile à contrôler. On avait donc besoin de glace ou de réfrigération pour produire de grandes quantités de bière.

Le réfrigérateur domestique

On le vit apparaître au début du XXe siècle dans les maisons. Le premier moment important fut la fondation du Frigidaire en 1916 (qui fut achetée par General Motors en 1919, et ce jusqu’à 1979 – Frigidaire appartient maintenant à Electrolux). En 1927, General Electric lança aussi sa première gamme de réfrigérateurs abordables. Le Monitor top Refrigerator de GE valait de 300 à 500$, à l’époque où le Model T de Ford valait environ 380-400$.

Les recherches dans les fluides

Dès la fin des années ’20 et au début des années ’30, on chercha à trouver de meilleurs fluides réfrigérants, qui circuleraient dans les réfrigérateurs pour atteindre des températures plus froides. C’est ce qui donna naissance aux fameux chlorofluorocarbures (CFC) et à de nombreuses alternatives. Le CFC le plus connu est le fréon, développé par DuPont. Il fut employé dans plusieurs réfrigérateurs domestiques par la suite.

Le protocole de Montréal

En 1987, le protocole de Montréal bannit virtuellement l’utilisation des CFC dans presque tous les produits, incluant le réfrigérateur. La raison est que les CFC étaient volatiles et causaient un problème majeur pour la couche d’ozone. Afin de prévenir les problèmes à venir, on en régula si sévèrement l’utilisation que l’on arrêta virtuellement d’en produire.

Maintenant, on utilise principalement les hydrofluorocarbures, comme le réfrigérant R-134a, pour les usages domestiques. Dans l’industrie, les fluides utilisés dépendent de l’utilisation désirée et de la température nécessaire pour atteindre ces buts. Dans certains cas, on utilisera de l’azote liquide, mais pour la majorité des cas en alimentation, on utilise l’ammoniaque.

L’ammoniaque est un gaz à la température ambiante et à pression normale. Il est mortel pour l’humain en faibles quantités. L’usage est donc régulé et les systèmes de sécurité pour prévenir les fuites sont nombreuses.

Les systèmes modernes

Dans le domaine industriel, on regarde maintenant le développement et l’amélioration de fluides pour remplacer l’ammoniaque, mais c’est encore très difficile. Au niveau de l’amélioration de l’efficacité des systèmes de réfrigération, la principale innovation vient des systèmes en cascade, qui utilisent un système de compression du dioxide de carbone (CO2) et de compression de l’ammoniaque. L’ajout du système de compression au CO2 donne une amélioration significative de l’efficacité énergétique du réfrigérateur. Par contre, la technologie est encore relativement nouvelle.

Les utilisations modernes

Nous sommes passés de l’utilisation de la réfrigération par compression pour le transport de produits frais de valeur (fruits, légumes et viandes) pour nous concentrer sur son utilisation à la maison. Maintenant, de nombreuses utilisations du froid sont disponibles.

À la maison, les systèmes d’air climatisé fonctionnent habituellement par compression de vapeur. Les premiers designs d’air climatisé électrique datent de 1902, avec Willis Haviland Carter. L’air climatisé n’est pas un système nouveau (c’était présent en Antiquité), mais le système efficace actuel date d’un siècle.

En biopharmaceutique, il est possible de ralentir la vitesse de certaines réactions grâce au froid. Cela permet de garder du sang humain pour les transfusions ou de développer des antibiotiques. Finalement, l’azote liquide a aussi permis d’atteindre des températures extrêmement basses, lançant la cryogénie. Cela permet de suspendre le métabolisme, de faire de la recherche sur les supraconducteurs (des conducteurs électriques extrêmement efficaces, tant qu’ils sont gardés à basse température) et de développer d’autres innovations en alimentaire. La cuisine moléculaire a, entre autres, utilisé la cryogénie. J’ai déjà essayé une meringue au cidre de glace solidifié dans l’azote liquide… Miam!

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