Réfrigérateur

Un réfrigérateur est un appareil principalement utilisé en cuisine et en laboratoire, muni d'un compartiment principal qui maintient une température comprise entre 2 et . Un deuxième compartiment peut avoir une température plus basse, soit un freezer à glaçons, soit un compartiment pour la congélation à −18 °C appelé congélateur. Le nom frigidaire, couramment employé comme synonyme de réfrigérateur, est un onomastisme formé sur la marque Frigidaire du groupe Electrolux. En revanche, le terme frigo du langage familier n'est pas protégé par la marque.

La réfrigération (du latin frigus, froid) est généralement le refroidissement d'un corps par le transfert d'une partie de sa chaleur. Les applications sont la conservation des aliments, l'abaissement de la température de boissons pour les rendre plus agréables à la consommation.

La fonction d'une machine de réfrigération est de prendre de la chaleur du côté basse température en produisant une évaporation qui se condense sur la paroi du fond de l'appareil et de la rejeter à l'extérieur grâce à la grille située derrière l'appareil, en utilisant une énergie externe pour entretenir le processus. Un réfrigérateur est une pompe à chaleur généralement animée par un moteur électrique. Il est également possible d'employer les sels eutectiques ou l'adsorption.

Intérieur d'un réfrigérateur.

Thermodynamique

Schéma de principe d'un circuit frigorifique

Les réfrigérateurs sont des pompes à chaleur dont la plupart (comme ceux qui équipent maisons et voitures) utilisent un cycle de changement de phase. Ce procédé fait tourner un cycle de Carnot pour transférer de la chaleur de la partie à refroidir vers la partie qui sera réchauffée. Le compresseur est la pompe du circuit, qui permet de faire circuler le fluide réfrigérant. Ce cycle se déroule en 4 temps :

1. compression : le réfrigérant à l'état vapeur est compressé et sort du compresseur à haute pression et haute température ;
2. condensation : la vapeur très chaude (et compressée) passe dans un condenseur (ou échangeur de chaleur) où elle va céder de la chaleur au milieu ambiant (l'air de la pièce), ce qui va lui permettre de se condenser, c'est-à-dire passer de l'état vapeur à l'état liquide ;
3. détente : à la sortie du condenseur la vapeur est refroidie mais encore sous haute pression. À présent on rabaisse celle-ci dans un détendeur (en faisant circuler le fluide au travers d'un orifice très petit). Cette subite baisse de pression vaporise une partie du liquide. Toute vaporisation étant endothermique (absorbeur de chaleur), cette chaleur est absorbée à la partie du réfrigérant encore liquide. Ce phénomène est appelé auto-réfrigération. Le réfrigérant est à présent à son état le plus froid du cycle;
4. évaporation : le fluide réfrigérant à présent très froid et partiellement vaporisé circule dans un échangeur de chaleur (évaporateur) qui se trouve dans l'ambiance à refroidir. Il soustrait de la chaleur au médium (air) pour refroidir celui-ci. En absorbant de la chaleur, le réfrigérant s'évapore complètement (passage de l'état liquide à l'état gazeux).

Il existe aussi un procédé plus complexe, à deux fluides, ne requérant pas de compresseur, il est remplacé par une source de chaleur : le réfrigérateur à absorption de gaz. Ce procédé est exploité lorsque l'électricité ou la force mécanique manque, alors qu'une source de chaleur est disponible (caravanes, frigo solaires...).

Histoire

Avant l'invention des réfrigérateurs, on conservait les denrées périssables dans une pièce spéciale, le cellier, généralement orientée vers le Nord. L'usage se développa aussi, particulièrement à la Renaissance, de stocker la glace découpée l'hiver sur les étangs, dans une glacière. Il s'agissait d'un trou fermé par un couvercle isolant dans lequel on alternait des couches de paille, ou de sciure de bois, et de glace. Comme l'air froid descend et que la chaleur monte, l'orifice de remplissage se situant en haut, la température basse se maintenait et une partie de la glace, ainsi stockée, se conservait jusqu'à l'été.

Des inventeurs tentèrent de fabriquer de la glace artificielle à la fin du XVIII^e et au début du XIX^e siècle. En 1755, l’écossais William Cullen obtient un peu de glace par vapeur d’eau sous "cloche à vide" et en fit la première démonstration publique en 1756.

En 1834, Jacob Perkins un américain, invente la première machine frigorifique fonctionnelle. Puis un peu plus tard, Perkins est crédité du premier brevet de réfrigération utilisant le cycle de compression de vapeur, attribué le 14 août 1835. Le système de la machine était l'utilisation de l' éther dans un cycle de compression de vapeur . Cette idée serait venu en premier d'un autre inventeur américain, Oliver Evans, qui avait conçu ce système en 1805, mais qui n'a jamais fait construire son projet.

En 1850, Ferdinand Carré invente une machine frigorifique à l'eau et à l'ammoniac.

Mais la première utilisation industrielle d'une machine frigorifique est celle de James Harrison en 1851, lorsqu'il a fabriqué un système de réfrigération à compression de vapeur (vapor compression refrigeration system). James Harrison était un imprimeur écossais, émigré en Australie, qui avait acheté une entreprise de presse. Alors qu'il nettoyait des caractères à l'éther, il remarqua que le liquide refroidissait fortement le métal en s'évaporant. Harrison eut l'idée de comprimer l'éther gazeux avec une pompe pour le transformer en liquide, puis de laisser l'éther liquide revenir à l'état gazeux en provoquant un refroidissement. Harrison mit ce système en œuvre dans une brasserie australienne, où le gaz froid d'éther était pompé dans des tuyaux qui circulaient dans le bâtiment. Il utilisa le même principe pour fabriquer de la glace en faisant passer dans de l'eau les tuyaux refroidis par l'éther gazeux. Mais il fit faillite en 1860 car la glace naturelle qu'on importait par bateau d'Amérique restait moins chère.

Réfrigérateur moderne

En 1858 le Français Charles Tellier crée la première machine frigorifique à circulation de gaz ammoniac liquéfié, permettant la production de froid à usage aussi bien domestique qu'industriel. En 1865, il construit une machine à compression mécanique à gaz liquéfié. Ces inventions permettent la réfrigération industrielle (dès 1865) et le transport réfrigéré, notamment par bateau (navire frigorifique) : le premier navire équipé de systèmes de réfrigération à l'éther méthylique selon les principes de Tellier a été le Frigorifique, entré en fonction en 1876.

Cette même année en 1876, c'est Carl von Linde qui invente le réfrigérateur domestique tel que nous le connaissons aujourd'hui et utilisons. Une des premières utilisations de la réfrigération domestique a eu lieu au domaine de Biltmore à Asheville, Caroline du Nord, États-Unis, autour de 1895 . Le principe de l'invention de Linde permet de fabriquer industriellement en 1913, le tout premier réfrigérateur domestique le "Domelre" par Fred W. Wolf de Chicago. En France, les premiers réfrigérateurs firent leur apparition en 1952, les "Domelre" en provenance de Chicago.

Le réfrigérateur à absorption de gaz, qui se refroidit par l'utilisation d'une source de chaleur, a été inventé en Suède par Baltzar von Platen et Carl G.Munters en 1922, alors qu'ils étaient tous deux étudiants à l'institut royal de technologie de Stockholm. Leur invention permet de produire du froid à partir d'une source d'énergie telle que le propane, l'électricité ou le kérosène. En 1923, la production de leur réfrigérateur à usage domestique commence par l'intermédiaire de la société AB Arctic. En 1925, AB Arctic est achetée par Servel (unité d'Electrolux), qui commercialise ses produits dans le monde entier, notamment aux États-Unis où elle dépose le brevet d'invention le 7 décembre 1926. Servel est pendant de nombreuses années le seul producteur de ce réfrigérateur aux États-Unis. Aujourd'hui, il est utilisé dans les maisons non reliées au réseau électrique et dans des camping-cars.

Réfrigérateurs domestiques

Montage de réfrigérateurs à Erfurt en 1953.

Généralités

Ceux-ci se composent généralement de compartiments de refroidissement et de congélation et peuvent avoir quatre zones de température : −18 °C ou 0 °F (congélateur), 0 °C ou 32 °F (viandes), 4 °C ou 40 °F (réfrigérateur) et 10 °C ou 50 °F (légumes), pour le stockage des différents types de nourriture. Le volume d'un réfrigérateur se mesure en litres ou en pieds cubes. Seul le « volume utile » (dit aussi « volume net ») indique la capacité de stockage, par opposition au « volume brut ».

La température adéquate pour un réfrigérateur est de 5°C à l'étage du milieu.

Le point le plus froid est l'étage inférieur (2°C) situé au-dessus du bac à légumes. C'est l'endroit où mettre la viande et le poisson frais.

Les œufs, les produits laitiers, la charcuterie, les restes, les gâteaux et les produits portant la mention "à conserver au froid après ouverture" sont à positionner sur les étages du milieu (4-5°C) et sur l'étagère du haut (8°C).

Les bacs en bas (jusqu'à 10°C) sont destinés aux fruits et légumes susceptibles d'être endommagés par de trop basses températures.

Les compartiments ou les étagères à l'intérieur de la porte sont les parties les plus chaudes du réfrigérateur (10-15°C), elles sont destinées à recevoir les produits qui se satisfont d'une réfrigération légère : les boissons, la moutarde et le beurre.

Depuis la fin des années 1950, plusieurs modèles de réfrigérateurs sont de type "sans givre" et possèdent un système réfrigération/congélation par circulation d'air avec un évaporateur situé dans un compartiment isolé des autres compartiments pour la nourriture et un système de dégivrage automatique utilisant des éléments chauffants. Dans les modèles récents, un affichage à cristaux liquides suggère la température à utiliser pour les divers types de nourriture à conserver et montre la date limite de consommation (DLC) des produits.

Quelques modèles incluent un système pour avertir d'une panne de courant, avec une fonction de mémoire qui alerte l'utilisateur de la coupure en faisant clignoter l'affichage de la température. En appuyant sur une touche d'information, l'utilisateur est informé de la température maximale atteinte pendant la panne de courant, et sait si les aliments surgelés ont été décongelés ou s'ils risquent d'avoir développé des bactéries dangereuses.

Les anciens réfrigérateurs utilisaient le Fréon comme réfrigérant. Le Fréon fait partie de la famille des CFC qui furent accusés de détruire la couche d'ozone par les producteurs eux-mêmes lorsque leur brevet de fabrication tombait dans le domaine public, afin d'en faire interdire la production, alors qu'ils lançaient concomitamment un gaz de remplacement dont ils conservaient à nouveau les droits. Après la ratification du protocole de Montréal, ces fluides ont été remplacés par le R134a ou autres (HCFC). Aujourd'hui, la majorité des fabricants européens d'électroménager ont opté pour l'isobutane (R600a).

Fonctionnement

Le réfrigérateur à compression (domestique) fonctionne selon un principe qui consiste à évaporer un fluide frigorigène (tel que les CFC : R12, R22 ou actuellement R134a et R600a) qui se trouve généralement à basse pression dans un circuit fermé. Cette évaporation provoque le refroidissement du fluide frigorigène car il s'agit d'une réaction endothermique. Le fluide frigorigène est ensuite à nouveau compressé pour redevenir liquide dans le condenseur ; il s'agit d'une réaction exothermique, la chaleur générée est évacuée à l'arrière du réfrigérateur. Le fluide frigorigène décrit un cycle perpétuel fermé, le fluide est recyclé indéfiniment.

Types

Les réfrigérateurs domestiques se déclinent en plusieurs catégories :

• table top : réfrigérateur bas (hauteur de l'ordre de 80 cm), dont la face supérieure est utilisable comme plan de travail, composé d'un seul compartiment, éventuellement avec compartiment freezer interne ;
• à une porte : similaire au table top, mais plus haut ;
• à double porte : réfrigérateur possédant un compartiment congélation séparé, mais un seul système de réfrigération ;
• Tout utile : réfrigérateur simple porte ne possédant pas de freezer,ce format est tout particulièrement adapté aux gens qui ont déjà un congélateur.
• combiné : réfrigérateur possédant un compartiment congélation complètement indépendant ;
• américain : réfrigérateur de grande taille, avec compartiment congélation vertical et équipements supplémentaires (distributeur d'eau, de glace pilée...). Ce dernier type de réfrigérateur est réputé gourmand en énergie.

Classes climatiques

La plage de température ambiante idéale de fonctionnement d'un réfrigérateur dépend des classes climatiques :

• SN (tempérée élargie) 10 à 32 °C
• N (tempérée) 16 à 32 °C
• ST (semi-tropical) 18 à 38 °C
• T (tropicale) 18 à 43 °C
• SN-T (tropicale élargie) 10 à 43 °C
• N-T (tempéré à tropicale) 16 à 43 °C
• SN-ST (subtropicale élargie) 10 à 38 °C
• N-ST (tempéré à subtropicale) 15 à 38 °C.

Si la température est très en dessous de la plage de fonctionnement, le moteur peut stopper et si la température est au-dessus, on observe une inefficacité.

Espace d'expression

Les portes et parois latérales des réfrigérateurs offrent une surface vierge d'au moins un demi-mètre carré, propice à la personnalisation : aimants, souvenirs, carte postales, dessins d'enfant, rappels, ...

Fabricants

Les fabricants de réfrigérateurs domestiques incluent principalement et notamment des compagnies telles que Brandt-Fagor, Electrolux, Gorenje, Indesit, LG, Liebherr, Bosch, Samsung, Siemens et Whirlpool.

Autres types

• Le réfrigérateur à absorption de gaz, utilisé dans les chambres froides et les camping-cars,
• Le réfrigérateur à effet Peltier, qui équipe les appareils les plus petits.
• Le réfrigérateur thermoacoustique.
• Le réfrigérateur magnétique.
• Les réfrigérateurs à moteur Stirling.

Développement moderne

Réfrigérateur écologique

Il existe des réfrigérateurs plus respectueux de l'environnement destinés aux pays en voie de développement. Un tel réfrigérateur repose sur le fonctionnement du réfrigérateur à absorption mais utilise le Soleil comme générateur. Il est intéressant car il n'utilise que le Soleil comme source d'énergie, ce qui fait de lui un réfrigérateur idéal pour le tiers monde, même si des modèles pour les pays développés sont en cours de développement par l'entreprise Solaref.

Technologies

• Chlorofluorocarbures (CFC) (Fréon en général)
• Gaz liquéfiés
• Pompe à chaleur
• Tube de chaleur
• Réfrigération sonique
• Réfrigération magnétique

Camions frigorifiques

Des camions frigorifiques sont utilisés pour transporter les denrées périssables, comme, par exemple, les aliments surgelés, les fruits et les légumes, et les produits chimiques sensibles à la température. La plupart des camions frigorifiques modernes ont des températures comprises entre -40 et +20 °C et ont une charge utile maximum d'environ 24 tonnes (en Europe). Étonnamment, les camions frigorifiques sont plus utilisés en hiver, quand il y a une demande significative pour transporter des produits chimiques à des températures relativement élevées (+10 à +20 °C)^{[réf. nécessaire]}.

Annexes

Bibliographie

• Henriette Dupuis et Jeanne Lalut, Terminologie des appareils électro-ménagers : le réfrigérateur, le lave-vaisselle, la machine à laver, la sécheuse, Office de la langue française, Québec, 1974, 98 p.

Articles connexes

• La chaîne du froid
• Composants : clayette, pompe à chaleur...
• Principes : réfrigération, climatisation, cryogénie, hibernation, etc.
• Supraconductivité, superfluidité, l'approche du zéro absolu (−273 °C), etc.
• Histoire des techniques
• Types de réfrigérateurs : cave à vin réfrigérée (sigle CVR), réfrigérateurs industriels, réfrigérateurs à chaleur latente (de l'eau, de sels...)
• Consommation d'énergie des réfrigérateurs sur la page Étiquette-énergie
• Récupération de chaleur sur groupes frigorifiques

Liens externes

• Page éducative, sur le site Frigo Temp