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Article : 074 Usage et production de froid MARVILLET Christophe déc.-15 Niveau

Article : 074 Usage et production de froid MARVILLET Christophe déc.-15 Niveau de lecture : Assez difficile Rubrique : Usages de l'énergie Mots clés : Histoire de l’énergie, Réfrigération, Refroidissement à sec, Thermodynamique Chapeau de l’article *Tapez ici une très courte présentation de l’article. Ce texte ne devra pas excéder les 300 caractères, soit environs 3 lignes.] Résumé de l’article en Anglais : [Tapez ici le résumé de l’article en anglais. Court texte de 1000 à 2000 caractères, soit entre 10 ou 20 lignes.] La production et l’usage du froid ne sont pas souvent mentionnés parmi les usages de l’énergie, ce qui est une erreur car leur consommation est loin d’être négligeable. 1. Histoire des techniques du froid La production de froid à partir d'équipements conçus et fabriqués par les hommes débute au 19e siècle. 1.1. Les premières machines En 1834, l’américain Jacob Perkins invente une machine à compression de vapeur (en cycle fermé) en utilisant comme fluide frigorigène l'éthyle ether. Un seul prototype fut construit. Une vingtaine d'années plus tard, l’écossais James Harrison, dépose un brevet sur une idée très proche (en utilisant le même fluide frigorigène : l’éthyle éther). Ce fluide est inflammable et toxique mais c'est le seul fluide qui sera utilisé dans les quelques machines à compression fabriquées jusqu’à la fin du siècle. Durant cette période deux autres principes vont être utilisés pour la production artificielle de froid : les cycles à air et les cycles à absorption Le cycle à air a été utilisé la première fois par l’américain John Gorrie, médecin en Floride, qui souhaitait produire de la glace pour améliorer le confort de ses patients. La première machine construite sur ce principe le fut en 1844. Par crainte de réactions hostiles de ses citoyens compte tenu des préjugés religieux de l'époque ("Seul Dieu était capable de produire de la glace et de la neige"), l'invention resta cachée. Gorrie obtint cependant un brevet américain en 1851. La machine utilisant le cycle à air connut, malgré des performances énergétiques médiocres, un grand succès à la fin du siècle. Ceci tout particulièrement sur les bateaux pour des raisons évidentes de sécurité. L’utilisation de ce cycle s'est ensuite progressivement réduite et est aujourd'hui limitée à la climatisation des avions. La machine à absorption a été inventée en 1859 par le français Ferdinand Carré qui choisit comme fluide frigorigène l'ammoniac. Le succès de cette machine fut rapide, tout particulièrement aux Etats-Unis. Cette machine domina largement les autres types de machines jusqu'en 1875. On notera que la théorie sur les systèmes à absorption fut développée bien plus tard, en 1913, par l’allemand Edmund Altenkirch. Les machines à compression ne connurent une réelle industrialisation qu’à partir de 1870 quand des fluides frigorigènes moins dangereux que l’éthyle éther furent proposés: dioxyde de soufre (SO2), chlorure de méthylène, dioxyde de carbone (CO2). Ce dernier fut largement utilisé dans les transports maritimes à partir de 1890 en remplacement des machines à air. Ainsi la deuxième moitié du 19e siècle fut la période des pionniers de la réfrigération qui surent fabriquer et utiliser les premiers équipements... sans pour autant avoir une appréhension scientifique des phénomènes dont ces machines étaient le siège. 1.2. La naissance de la technologie du froid au 20e siècle A proprement parlé, la naissance de la technologie de la production du froid (par technologie nous entendons l’utilisation d'outils intellectuels et de théories pour la conception et la réalisation de machines) peut être datée du début du 20e siècle : la prédominance des machines à compression de fluides liquéfiables était devenue effective et la production artificielle de plus en plus importante. Il fallut toutefois attendre l'année 1915 pour que dans le pays le plus moderne de l'époque, les Etats- Unis, la production artificielle de glace dépasse la production "naturelle" de glace, soit environ 25 Mt/an pour chacune. La prédominance de l’ammoniac dans les machines à compression dura jusqu’en 1930. A cette date, trois chercheurs mettent au point des fluides frigorigènes de types hydrocarbures halogénés dont le nom commercial sera "Fréon". Thomas Migley, Albert Leon Henne et Robert R. McNary travaillaient alors dans les laboratoires de la société Frigidaire à Dayton (Ohio). La production industrielle de R12 (CCl2F2) en 1931 puis celle du R11, R114, R113, R22 en 1936 fut réalisée par la société Kinetic Chemical Inc à Wilmington (Delaware). Ces fluides frigorigènes dérivés du méthane et de l'éthane dominèrent tous les secteurs de la réfrigération pendant quarante années alors que l'ammoniac restait le fluide adapté aux machines industrielles de grosse puissance. En 1973, la crise pétrolière força les industriels et les utilisateurs à une prise en compte des problèmes énergétiques. En vingt années, la technologie du froid a connu des améliorations majeures : - amélioration des compresseurs, notamment des compresseurs hermétiques ; - introduction de nouveaux types de compresseurs : compresseurs SCROLL ; - amélioration des performances des échangeurs grâce aux développements de tubes, ailettes et plaques à haute performance En 1983, la mise en évidence d'un trou d'ozone au dessus du continent antarctique et la mise en cause des fluides de type hydrocarbures halogénées, tout particulièrement chlorofluorocarbures (CFC), bouleverse le monde du froid. Des règles internationales de réduction et d'arrêt de production des CFC sont édictées par le protocole de Montréal (1987). La réduction des émissions des gaz à effet de serre (GES) dont font partie les HFC, HCFC, fluides utilisées dans les équipements de production de froid, est engagée suite au protocole de Kyoto en 1992 et aboutit récemment à la mise en place de directives européennes contraignantes (F Gas). 2. Les enjeux industriels et économiques Le froid a de nombreuses applications dont les principales sont les suivantes. Le froid alimentaire qui vise à la conservation des produits alimentaires, nécessite des équipements pour : - la production de produits surgelés ou congelés, la production de glaces, - le stockage des produits : entrepôts et chambres frigorifiques, tanks à lait, - le transport des produits : camions, trains, bateaux frigorifiques, - la mise à la vente de ces produits : vitrines frigorifiques de vente. Le froid alimentaire concerne également les procédés de conditionnement de produits : refroidissement des moûts de bière et retardement des processus de fermentation (vins). Le conditionnement d’air qui vise à créer les conditions satisfaisantes pour le confort des habitants en jouant sur les paramètres suivants : la température, l’hygrométrie, le renouvellement et la filtration de l’air. Les lieux potentiellement concernés sont les habitats, les bureaux, les commerces, les usines, les transports et les voitures. Les applications industrielles du froid qui sont extrêmement variées. Ainsi, le traitement thermique des pièces métalliques (glace carbonique), l’ébarbage de pièces en caoutchouc (glace carbonique), la concentration de solutions aqueuses (épaississement d’extraits végétaux, entre autres), le contrôle de température de réacteurs chimiques ou de futs de vinification. Une application particulièrement importante qui utilise des techniques frigorifiques est la production de Gaz Naturel Liquéfié (GNL). La liquéfaction du gaz, constitué de 90% de méthane, présente un avantage évident pour le transport et le stockage : à la pression atmosphérique, la phase gazeuse occupe un volume 600 fois plus grand qu’à l’état liquide. Le processus de liquéfaction nécessite la production de froid à des niveaux de température inférieurs ou égaux à -160°C. De même la liquéfaction du Gaz de Pétrole Liquéfié (GPL), mélange de butane et de propane, est un processus nécessitant des productions frigorifiques importantes pour des températures comprises entre 0 et -40°C. Les gaz industriels liquéfiés sont des gaz séparés de l’air (N2, O2, Argon) et autres (hélium, acétylène). Les techniques de production de ces gaz reposent sur une séparation par distillation et font appel à des techniques frigorifiques. L’usage de ces gaz industriels, rarement utilisés sous forme liquide mais plus souvent sous forme gazeuse, est varié : - en sidérurgie et métallurgie (50% du marché des gaz purs) : l’oxygène est utilisé pour éliminer les impuretés lors de la production d’acier, l’acétylène et l’oxygène sont utilisés pour les soudures autogènes, l’azote pour l’inertage des ambiances ; - en chimie pour l’inertage, l’extraction d’arômes, la concentration à froid ; - en électronique pour les atmosphères contrôlées, le gaz vecteur pour les dépôts de Si ; - en agro-alimentaire pour la surgélation, l’atmosphère inerte ; - dans le secteur médical pour la conservation des cellules, le traitement cryogénique. A quoi s’ajoutent les applications relatives à la protection de l’environnement telles que le piégeage par le froid des solvants (composé organique volatil) contenus dans les effluents gazeux, et les applications diverses telles que les patinoires, le désembuage des aéroports, la production de neige artificielle.... Pour apprécier le poids économique de ces différentes applications, quelques chiffres sont utiles : - 260 Millions de tonnes de denrées sont traitées par le froid dans le monde, soit 15% de la production mondiale de denrées alimentaires ; - pour 908 kg de denrées consommées annuellement par un Français, 350 sont des produits réfrigérés et 19 des surgelés ; - le froid alimentaire des transports dans le monde est représenté par 800 cargos, 300 000 conteneurs réfrigérés, 75 000 wagons, uploads/Industriel/ art074-marvillet-christophe-usage-production-froid.pdf