La Production de Froid
Principe général
Système à compression
Principe de base
Système à absorption
La réglementation «F‑Gas sur les fluides frigorigènes»
L’application du « froid » en Boulangerie, Viennoiserie et Pâtisserie
Elle donne lieu à de nombreux développements afin de :
- Retarder le plus possible le moment de cuisson du pain, afin de livrer à la clientèle le pain le plus frais possible.
- Assurer une meilleure organisation du travail,
- Diversifier la production,
- Diminuer les heures de travail de nuit.
Pour cela de plusieurs techniques se sont déployées :
- Réfrigération (Chambres de pousse contrôlée).
- Congélation (pour une meilleure conservation des produits).
- Surgélation (pour préserver les qualités des fabrications).
La production de Froid
La production de froid à partir d’équipements conçus et fabriqués par les hommes débute au 19e siècle.
Vers 1840 deux 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.
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.
Principe général
Le principe de base de la production de froid de confort consiste à prélever de la chaleur sur un milieu à refroidir (air ou eau), appelé source chaude et à la transférer vers un milieu extérieur (eau ou air extérieur) qui, lui, est réchauffé (source froide).
Ce transfert d’énergie est réalisé par l’intermédiaire d’un fluide frigorigène soumis en continu à un cycle thermodynamique de succession de changements d’états vapeur/liquide.
On distingue 2 systèmes :
- Système à compression
- Système à absorption
Système à Compression (le plus répandu).
Le cycle comporte les quatre phases suivantes :
- Compression : la température et la pression du fluide sous forme gazeuse s’élèvent ;
- Condensation : en passant dans un échangeur situé au contact du milieu extérieur (plus froid), le fluide passe à l’état liquide et rejette des calories vers l’extérieur ;
- Détente : le fluide sous forme liquide voit sa pression abaissée de même que sa température ;
- Évaporation : en passant dans un échangeur situé au contact du milieu à refroidir (plus chaud), le fluide capte des calories et se vaporise.
Principe du fonctionnement :
L’évaporateur est placé dans l’enceinte que l’on veut réfrigérer.
Le liquide réfrigérant que reçoit l’évaporateur se vaporise et ce changement d’état provoque un prélèvement de chaleur dans l’environnement, donc un refroidissement de l’enceinte.
Le gaz ainsi obtenu est aspiré par le compresseur qui le renvoie sous pression, vers le condenseur (divisé sur le schéma en deux parties désurchauffeur et condenseur proprement dit).
Sous l’effet de la pression le gaz se condense et ce changement d’état provoque une perte de chaleur au bénéfice de l’environnement (les condenseurs situés au dos des réfrigérateurs sont toujours un peu tièdes).
Le liquide réfrigérant revient (en passant par un déshydrateur) à l’évaporateur et le cycle recommence.
L’opération se résume donc en deux changements d’état du fluide
- à la vaporisation il prélève la chaleur de l’environnement
- à la condensation il restitue de la chaleur à l’environnement
Le prélèvement de chaleur se fait dans l’enceinte à refroidir, et la restitution de chaleur de fait à l’extérieur de cette enceinte.
Système à Absorption
Avec les systèmes à absorption, le passage de l’évaporateur vers le condenseur est réalisé par l’association du fluide frigorigène à un autre fluide qualifié d’absorbant. Ce mélange va permettre le passage du fluide frigorigène d’un niveau de basse pression/basse température à un niveau de haute pression/haute température sous l’effet d’un apport de chaleur.
Les propriétés de l’absorbant sont (étant donné son affinité très grande avec le frigorigène) d’absorber des vapeurs de frigorigène à basse pression et de s’en séparer par chauffage à haute pression.
Principe du fonctionnement :
Dans ce type d’appareil il n’y a pas de pièces mécaniques en mouvement, l’énergie est apportée par une résistance électrique qui chauffe une solution.
De l’ammoniac liquéfié pénètre dans un évaporateur (situé dans l’enceinte à réfrigérer), il s’y vaporise, prélevant de la chaleur dans l’enceinte et refroidissant celle-ci.
Les vapeurs ainsi produites vont dans un absorbeur où elles se trouvent dissoutes dans de l’eau, constituant ainsi une solution riche d’ammoniac
Celle-ci, après avoir traversé un échangeur de température, se déverse dans le bouilleur chauffé électriquement.
La chaleur provoque la séparation de l’eau et du gaz ammoniac.
Cet ammoniac gazeux traverse un condenseur qui le liquéfie (avec perte de chaleur vers l’environnement) et l’ammoniac liquéfié retourne à l’évaporateur où le cycle recommence.
Noter qu’une partie de la solution contenue dans le bouilleur, solution pauvre, revient vers l’absorbeur après avoir traversé l’échangeur de température où elle cède une partie de sa chaleur à la solution riche.
Dans ce cas également il se produit donc deux changements d’état du fluide (ammoniac) : vaporisation, avec prélèvement de chaleur dans l’enceinte à refroidir, et condensation, avec rejet de chaleur en dehors de l’enceinte à refroidir
NB L’ammoniac est un gaz (composé d’azote et d’hydrogène), tandis que l’on appelle ammoniaque une solution aqueuse d’ammoniac.
En conclusion :
On peut donc définir la production de froid comme la mise en œuvre d’une suite de transformations thermodynamiques permettant d’extraire de la chaleur d’un milieu (source chaude) pour abaisser et/ou maintenir sa température en dessous de la température ambiante. Ces transformations sont subies par une substance active (le fluide frigorigène), qui prélève de la chaleur à la source chaude (chambre de refroidissement) , la rejette dans la source froide (extérieur) et pour cela on doit apporter de l’énergie (mécanique ou calorifique).
La réglementation «F‑Gas sur les fluides frigorigènes»
- Le nouveau règlement EU 517/2014 du 16 avril 2014 sur les gaz fluorés (F‑gaz) est entré en application le 1er janvier 2015 (le règlement EU 842/2006 a été abrogé). Il vise à mieux encadrer l’utilisation des fluides fluorés HFC pour limiter l’effet de serre.
- L’unité de mesure pour les contrôles d’étanchéité est désormais la tonne équivalent CO2 (Teq CO2) qui prend en compte le Potentiel de Réchauffement Global (PRG) du gaz (plus souvent appelé GWP pour Global Warming Protect). Ces valeurs permettent de comparer les fluides selon leur pouvoir polluant en prenant le CO2 comme référence (Teq CO2 =1 ; GWP = 1). Ne pas confondre le GWP avec l’ODP (qui mesure l’effet sur la couche d’ozone).
- Depuis, les seuils à prendre en compte pour les contrôles d’étanchéité sont 5 Teq CO2 et 50 Teq CO2. Entre ces seuils (ce qui est le cas pour la plupart des installations en boulangerie-pâtisserie), le contrôle est à faire obligatoirement tous les 12 mois (ou tous les 24 mois si l’opérateur met en œuvre un système de détection des fuites). Au-delà de 50 Teq CO2, le contrôle est à faire tous les 6 mois (tous les 12 mois si détection des fuites). Pour connaître la correspondance avec les anciens seuils en kg de chaque gaz, il existe des tables de correspondance. La tenue d’un registre des contrôles est obligatoire.
- Depuis le 1er janvier 2015, il est interdit de réparer ou d’entretenir les installations fonctionnant au R22. Le fluide doit être remplacé par un autre gaz moins polluant. Au 1er janvier 2020, il sera interdit de recharger les installations comportant une charge supérieure à 40 Teq CO2 avec un fluide au GWP supérieur à 2 500 (par ex., installation au gaz R404a supérieure à 10,6 kg).
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