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Bref Aperéu sur l'Histoire du Froid

1 Le Froid avant les machines frigorifiques

Glace Naturelle

LéHomme des pays tempérés séest rapidement rendu compte que les denrées périssables pouvaient étre conservées dans de bien meilleures conditions léhiver que léété. Léutilisation du é froid naturel é séest faite trés tét  et aussi trés longtemps puisquéau début du 20éme siécle le marché de la glace naturelle était encore plus important que celui de la glace artificielle. La glace produite naturellement, sans machines, était :

soit issue, de faéon permanente, de régions froides et transportée sur de longues distances ;
soit issue, de maniére discontinue, des piéces déeau des régions tempérées gelées par le froid hivernal. Il était nécessaire de conserver cette glace dans des édifices particuliers les é glaciéres é dont les parois devaient étre thermiquement isolantes.
soit produite, toujours de maniére naturelle, mais é léinstigation de léhomme, quand cela était possible. Ainsi, dans les pays au ciel trés clair, on a pu produire de la glace dans des bassins largement ouverts vers le ciel. Le rayonnement thermique de léeau permettait, dans certaines conditions atmosphériques, un refroidissement suffisant pour former de la glace[1].
 

Mélanges réfrigérants

On séest avisé, sans doute fortuitement, que le mélange de certains sels dans léeau abaissait notablement la température de la solution ainsi obtenue. Le premier é avoir  évoqué léusage, en Inde, au 4éme siécle, de tels mélanges semble étre léécrivain arabe Ibn Abi Usaibia.
Léusage du refroidissement de léeau par léemploi du salpétre est cité par le médecin italien Zimara, é Padoue (1530) et le médecin espagnol, Blas Villafranca, é Rome (1550). On a ensuite découvert que le mélange de neige et de sels permettait déatteindre des températures encore plus basses. Ces phénoménes ont été relatés par Battista Porta (1589) et Tancredo (1607).

2 Les précurseurs et les savants

Dés le 17éme siécle, la chaleur et le froid alimentérent les réflexions des savants et philosophes comme Robert Boyle (1627-1691) en Angleterre et Mikhail Lomonossov (1711-1765) en Russie. Dans la méme période, aprés les premiers travaux de Galilée, de trés nombreuses études furent entreprises sur la thermométrie oé séillustrérent Guillaume Amontons (1663-1705) en France, Isaac Newton (1642-1727) en Angleterre, Daniel Fahrenheit (1686-1736), allemand qui travailla en Angleterre et aux Pays-Bas,  René de Réaumur (1683-1757) en France et enfin Anders Celsius (1701-1744) qui créa, en 1742, en Suéde, lééchelle thermométrique centésimale.

William Cullen (1710-1790) observa que léévaporation de lééther éthylique en abaisse la température. Il obtint, en 1755, un peu de glace en faisant évaporer de léeau sous une cloche é vide. Son disciple et successeur, léécossais Joseph Black (1728-1799), établit bien la différence entre chaleur et température, et peut étre considéré comme le fondateur de la calorimétrie. Dans cette spécialité séillustrérent les franéais Pierre Simon de Laplace (1749-1827), Pierre Dulong (1785-1838) et Alexis Petit (1791-1820), Nicolas Clément-Desormes (1778-1841) et Victor Regnault (1810-1878).

Aprés les travaux de léécossais James Watt (1736-1819) sur la machine é vapeur, les études des physiciens sur les gaz : Boyle, en Angleterre, Edme Mariotte (1620-1684) puis Jacques Charles (1746-1823) et Louis Joseph Gay-Lussac (1778-1850) en France, aprés les expériences de léaméricain Benjamin Thomson (1753-1814), la Thermodynamique pouvait entrer en scéne. Céest le franéais Sadi Carnot (1796-1832) qui ouvrit le rideau, en 1824, avec son célébre mémoire qui jetait les bases du second principe de la Thermodynamique. Au cours du 19éme siécle, tandis que séamoréaient les études sur les divers systémes frigorifiques, la Thermodynamique se construisit rapidement avec les travaux de James Prescott Joule (1818-1889) en Angleterre, Julius von Mayer (1814-1878), Herman von Helmholtz (1821-1894), Rudolph Clausius (1822-1888) en Allemagne, Ludwig Boltzmann (1844-1906) en Autriche et William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907) en Angleterre. Déautres physiciens prestigieux contribuérent é léextension de la Thermodynamique au cours du 20éme siécle.

3 Léapparition des divers systémes frigorifiques

Nous distinguerons deux grandes classes de systémes frigorifiques : ceux qui consomment, pour fonctionner, de léénergie mécanique ou son équivalent, les systémes mécano-frigorifiques, et ceux qui consomment essentiellement de léénergie thermique, les systémes thermo-frigorifiques.

3.1 Systémes mécano-frigorifiques

Parmi eux, deux familles se détachent :

les systémes é compression de vapeurs liquéfiables,
les systémes utilisant des cycles é gaz

Systémes é compression de vapeur

Le fluide actif du cycle frigorifique, le frigorigéne, se vaporise dans un évaporateur en produisant le froid utile. La vapeur produite est aspirée et comprimée par un compresseur mécanique. Elle est refoulée dans un condenseur oé elle se liquéfie. Le liquide formé retourne vers léévaporateur en traversant un régleur (ou détendeur). Ce systéme est, de trés loin, le plus répandu.
Une premiére description du cycle a été donnée en 1805 par léaméricain Oliver Evans (1755-1819). Mais céest é léaméricain Jacob Perkins (1766-1849), qui travaillait en Angleterre que nous devons le premier brevet. et un premier modéle fonctionnant é lééther éthylique. (1835). Les premiéres machines é compression qui eurent un succés industriel sont le fait déun écossais émigré en Australie, James Harrison (1816-1893) (brevets en 1855-56-57). Les machines étaient fabriquées en Angleterre, elles pouvaient produire de la glace ou refroidir des saumures, liquides frigoporteurs. Le frigorigéne était toujours lééther éthylique.
De nouveaux frigorigénes firent ensuite, successivement, leur apparition :

éther diméthylique utilisé par le franéais Charles Tellier (1828-1913).
le dioxyde de carbone CO2 utilisé par léaméricain Thaddeus Lowe (1832-1913). Aprés une éclipse, il réapparaét actuellement.
ammoniac NH3, déabord expérimenté par Tellier (en 1862), il entra vraiment dans la production du froid avec léaméricain David Boyle (1837-1891) et surtout léallemand Carl von Linde (1842-1934). Il est toujours utilisé.
le dioxyde de soufre SO2 par le suisse Raoul Pierre Pictet (1846-1929). Il disparut au seuil de la seconde guerre mondiale.
le chlorure de méthyle (chlorométhane) CH3Cl, utilisé pour la premiére fois par le franéais C. Vincent en 1878. Il eut, lui aussi une assez longue carriére commerciale puisquéil ne disparut que dans les années 1960.
les hydrocarbures fluorés ; Recherchant des frigorigénes de sécurité (non toxiques et non inflammables) et séinspirant des travaux de Swarts, (en1893-1907) é Gand, une équipe américaine de Frigidaire Corporation, dirigée par Thomas Midgley mis au point en 1930 la production des premiers frigorigénes fluorés. Apparurent successivement le premier CFC, le R12 (CF2Cl2) en 1931, puis le premier HCFC, le R22 (CHF2Cl), en 1934 et, en 1961, le premier mélange azéotropique R502 (R22/R115).

Depuis la publication, en 1974, déun article des Prix Nobel américains F.S. Rowland et M.J. Molina, montrant léaction pernicieuse du chlore sur léozone stratosphérique, les frigorigénes chlorés, CFC et HCFC sont soumis, par le Protocole de Montréal (1987) et ses amendements é des processus dééviction. Actuellement sont proposés des frigorigénes fluorés mais non chlorés, des HFC purs comme le R134a ou des mélanges de HFC (R410A, R407C, R404A, etc.) fluides qui ont une action plus ou moins forte sur léeffet de serre. On propose aussi léutilisation (ou le retour) des frigorigénes é naturels é, plus contraignants mais avec une action trés faible ou nulle sur léeffet de serre comme léammoniac, les hydrocarbures, léeau, le  CO2.

Au fil du temps les composants des systémes é compression ont, eux aussi, fortement évolués. Ainsi les compresseurs é pistons lourds, lents et encombrants de la fin du 19éme siécle ont fait place 100 ans aprés é des machines rapides et légéres. De nouveaux types de compresseurs sont successivement apparus : compresseur é vis bi-rotor (A.Lysholm en Suéde - 1934) compresseur é vis mono-rotor (B. Zimmern en France é1967), compresseur é spiro-orbital é (scroll) dans les années 70 (brevet du franéais Léon Creux é1905), compresseurs centrifuges (travaux fondamentaux du franéais Auguste Rateau - 1890 puis de léaméricain Willis Carrier - 1911).

On chercha vite, pour les petites machines, é limiter les fuites de frigorigéne par léusage de groupes frigorifiques hermétiques. Le premier du genre fut la curieuse machine de léabbé Audiffren (1905). Les groupes hermétiques sont maintenant largement utilisés.

Parallélement, les échangeurs thermiques (condenseurs et évaporateurs) séaméliorérent et séallégérent.

Systémes utilisant des cycles é gaz

Ici le fluide actif ne change pas déétat au cours du cycle frigorifique mais reste gazeux. Comprimé, le gaz sééchauffe, on le refroidit alors, sous pression, jusquéé la température ambiante puis on le détend ce qui entraéne un abaissement de sa température.
La premiére é machine é air é, é cycle ouvert, est due é léaméricain John Gorrie (1803-1855) pour refroidir de la saumure é é7éC (brevets 1850-51). Séinspirant du moteur é air chaud du pasteur Robert Stirling (1837) léécossais Alexander Kirk (1830-1892) réalisa une machine é cycle fermé qui produisit réguliérement, pendant une dizaine déannée, é partir de 1864, une température de -13 éC. Dans cette technique, on peut citer les contributions de léallemand Franz Windhausen (1829-1904), de léaméricain Leicester Allen (1832-1912) et du franéais Paul Giffard (1837-1897).

Le développement de ces systémes fut moindre que celui des machines é compression de vapeur car leur efficacité est plus réduite dans le domaine courant de la réfrigération, de la congélation et de la climatisation. Elles sont, par contre, é léorigine de la plupart des cycles cryogéniques pour la liquéfaction des gaz et la production des basses températures.

Systémes thermoélectriques

Le franéais Jean Charles Peltier (1785-1845) découvrit, en 1834, que le passage déun courant continu dans une jonction de deux métaux différents provoque, selon le sens du courant un dégagement ou une absorption de chaleur é cette jonction. Longtemps simple curiosité scientifique, la thermoélectricité se développa au fil des années 1940 é 60 avec les connaissances sur les semi-conducteurs. Les espoirs quéelle a fait naétre furent cependant assez vite dééus et les utilisations actuelles sont marginales.

3.2 Systémes thermo-frigorifiques

On distingue, parmi ces systémes frigorifiques consommant de léénergie thermique :

  les systémes é absorption,
  les systémes é adsorption et thermo-chimiques
  les systémes é éjection

Systémes frigorifiques continus é absorption

Bien que leur importance soit beaucoup plus réduite que celle des systémes é compression, ce sont, actuellement, les seuls systémes thermo-frigorifiques qui connaissent un certain développement. Ici la circulation du frigorigéne néest pas due é un compresseur mécanique mais é la circulation, par pompe, déun liquide absorbant dont la teneur, en frigorigéne absorbé, dépend de la température et de la pression. Le travail mécanique nécessaire est trés réduit, le systéme, en contrepartie, consomme de la chaleur.

Le pére de ces systémes est le franéais Ferdinand Carré (1824-1900) qui breveta en 1859 la premiére machine é absorption continue utilisant le couple frigorigéne : ammoniac é absorbant : eau. Ces machines furent presque immédiatement opérationnelles. Leur étude thermodynamique ne débuta quéen 1913 avec léallemand Edmund Altenkirch et se poursuivit durant la premiére moitié du 20éme siécle. Il faut aussi citer les travaux de léitalien Guido Maéuri sur ces machines et ceux des suédois von Platen et Munters sur le cycle é absorption-diffusion pour les réfrigérateurs é absorption sans pompe (1920). Les années 40 ont vu apparaétre, aux Etats-Unis, la machine é absorption eau-bromure de lithium, oé léeau est le frigorigéne ; cette adaptation du cycle de Carré est depuis largement utilisée en climatisation.

Les systémes é absorption discontinus, bien quéapparus trés tét, (appareils é refroidir les carafes déeau déEdmond Carré[2] - 1866) ne se développérent guére.

Systémes frigorifiques é adsorption et thermochimiques

Ils apparurent plus tardivement, essentiellement dans la premiére moitié du 20éme siécle. Leur fonctionnement, basé sur les effets thermiques qui accompagnent la sorption ou la désorption physique déun gaz sur un solide (systémes é adsorption) ou bien la formation, ou la décomposition, de composés chimiques avec un gaz frigorigéne (systémes thermo-chimiques) est naturellement discontinu. Encore peu utilisés, ils font léobjet, actuellement, de nombreuses recherches.

Systéme frigorifique é éjection

Bien quéil puisse étre utilisé avec déautres frigorigénes, céest avec léeau que le systéme frigorifique é éjection entra en scéne en 1908. La paternité en revient au franéais Maurice Leblanc (1857-1923).

Léabaissement de température de léeau, qui se vaporise sous basse pression est obtenue en aspirant la vapeur formée au moyen déun éjecteur, ou trompe, alimenté par un jet de vapeur vive provenant déune chaudiére. Lééjecteur est une tuyére déabord convergente é léaccroissement de la vitesse du jet diminue la pression ce qui permet léaspiration voulue é puis lentement divergente é léaugmentation progressive de la section offerte é la vapeur ralentit sa vitesse et la pression remonte. Ce systéme qui a des créneaux déutilisation bien spécifique est peu répandu.

4 Quelques dates concernant la liquéfaction des gaz et la production du froid aux basses et trés températures é Cryogénie

Conventionnellement le domaine cryogénique correspond aux températures inférieures é 120 K  (-153,15 éC)[3].

1877 : Louis Cailletet, é Paris, puis Raoul Pictet, é Genéve, liquéfient (de faéon transitoire) léoxygéne.
1883 : K. Olszewski et S. Wroblewski liquéfient, é Cracovie, (de faéon permanente) léoxygéne (température déébullition Teb = 90 K) et léazote (Teb = 77 K).
1895 : Carl. von Linde, en Allemagne, obtient, par détente Joule-Thomson (dans un robinet, sans fourniture de travail é léextérieur), 3 litres/h déair liquide.
1898 : Liquéfaction de léhydrogéne (Teb = 20,4 K), é Londres, par James Dewar.
1902 : Georges Claude liquéfie de léair en utilisant la détente dans une machine, avec fourniture de travail é léextérieur.
1908 : Liquéfaction de léhélium (Teb = 4,2 K), é Leyde, par Heike Kamerlingh Onnes.
1911 : Découverte fortuite de la supraconductivité du mercure par Kamerlingh Onnes é Leyde ; il néutilisa le terme de é supraconductivité é quéen mars 1913.
1926 : Description du procédé de refroidissement par désaimantation adiabatique indépendamment par W.F. Giauque (Canada) et P. Debye (Pays-Bas).
1931 : Mise en évidence, é Leyde, du point l (2,17 K) par W.H. Keesom et K. Clusius :  é Hélium I (normal) é Hélium II (superfluide).
1933 : Premiéres expériences de désaimantation adiabatique par Giauque é Berkeley (Etats-Unis) (0,53 é 0,25 K).
1931 é 1938 : Série de travaux sur la superfluidité de léHélium : Burton, A.D. Misener, H. Jones, P. Kapitza, J. G. Daunt, K. Mendelssohn, F. London, L. Tisza.
1956 : Désaimantation adiabatique nucléaire (13 éK) : Kurti, Robinson, Simon et Spohr (Oxford).
1965 : Refroidisseur é dilution de 3He dans 4He (2 mK) : B.S. Neganov (URSS) ; De Bruyn Ouboter et K.W. Taconis (Pays-Bas).
1983 : Refroidissement des électrons du cuivre (20 nK) par O. Lounasmaa (Finlande)
1986 : O. Lounasmaa : vers 1 nK léargent devient un aimant.
1986 : J.G. Bednorz et K.A. Muller découverte de la supraconductivité é haute température é (35 K).

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histoire_du_froid_breve  apercu_equipementsfrigorifiques    normes_domaine_du_froid.htm 

calcul_transstockeurfrigorifique.htm  synthese_entrepotsfrigorifiques  09/11/2003 voir aussi zones_preparation_doc2

 


[1] En prenant des précautions convenables, le Professeur Trombe a pu obtenir le refroidissement de surfaces noires, exposées au ciel clair, de 30 é 35 K au dessous de la température ambiante. Au 5éme siécle avant J-C, le grec Protagoras rapportait que les Egyptiens produisaient ainsi de la glace dans des récipients plats placés sur le toit des maisons.
[2] Le frére de Ferdinand Carré
[3] Rappelons que 0 éC = 273,15 K (K pour kelvin), température exprimée dans lééchelle absolue Kelvin.

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27/11/10

Dossier de l'IIF

 
 


 
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