Les fabricants de vitrines réfrigérées et meubles frigorifiques doivent faire preuve d’imagination pour garantir que chaque denrée reçoive une quantité suffisante d’énergie réfrigérante, ce que l’on appelle une frigorie. La tâche est d’autant plus ardue, que les meubles réfrigérés modernes ont des géométries de plus en plus complexes. Pour les aider dans la recherche et le développement, les constructeurs utilisent un modèle basé sur le régime stationnaire de transmission de chaleur. Celui-ci est primordial pour dimensionner et tester les composants frigorifiques du meuble réfrigéré.
Bien que purement théorique et imparfait le modèle de régime permanent de transmission de chaleur est indispensable ne serait-ce que pour classifier et normaliser les dimensions des meubles frigorifiques. En effet, il est quasiment impossible dans un laboratoire de reproduire les conditions réelles dans lesquelles les denrées alimentaires sont exposées dans les différents meubles réfrigérés. En effet, peu importe que le meuble frigorifique soit ouvert comme dans une vitrine, ou fermé dans un meuble de type armoire murale. Les perturbations et agressions constantes générées par les variations de température ou de l’ambiance sont difficilement modélisable.
Les modes de transfert du froid aux denrées dans le régime stationnaire reposent sur 3 principes, la conduction, le rayonnement, et la convection. Les meubles réfrigérés froid alimentaire commercial peuvent utiliser un seul mode de transfert (froid conductif ou froid convectif), ou les combiner (froid mixte) pour refroidir les denrées stockées dans le volume utile de chargement en utilisant le minimum d’énergie.
Principes de la réfrigération par convection naturelle
Le froid convectif repose sur l’utilisation de l’air afin de transporter l’énergie frigorigène des frigories en est ainsi refroidir les denrées. Il existe 2 techniques de refroidissement par convection, la convection naturelle et la convection forcée.
Le principe du refroidissement par convection naturelle utilise la gravité pour faire circuler l’air de haut en bas à travers un évaporateur. C’est une technique de refroidissement peu gourmande en énergie, puisqu’elle repose sur les variations de masse spécifique, et donc de température. La mise en mouvement de l’air par convection naturelle est régie par l’écart de température présent entre l’air et la surface des ailettes de l’évaporateur. Or, la vitesse de déplacement de l’air à travers les denrées alimentaires étant relativement faible, la convection naturelle sert essentiellement à maintenir à température froide les denrées fragiles. Pour améliorer les performances de leur vitrine frigorifique à convection naturelle, les constructeurs n’hésitent pas à supprimer l’éclairage des denrées.
Le système de réfrigération par convection forcée, comme son nom l’indique force l’air une fois réchauffé au niveau des denrées, à se déplacer à travers de l’évaporateur, grâce à des ventilateurs. L’avantage numéro un de la convection forcée, résidant sa flexibilité remarquable pour distribuer le flux d’air frigorifié, celui-ci peut être acheminé à des endroits difficilement atteignables. Système de réfrigération par convection naturelle. En revanche, celui-ci est bien plus gourmand en énergie.
La convection forcée est un système de réfrigération très précis, puisqu’il est possible de contrôler la vitesse de l’air et de l’adapter en fonction des denrées exposées dans la vitrine ou le meuble réfrigéré. Par exemple pour des denrées fragiles et exposées sans emballage, il est recommandé d’utiliser de faible vitesse de déplacement d’air, dans des valeurs proches d’un système de réfrigération convection naturelle, soit de 0,2 à 0,3 m secondes. En effet, ces vitesses d’air faible réduisent la sensibilité des denrées fragiles à l’oxydation et à la dessiccation (et donc de perte de masse). En revanche, les denrées alimentaires emballées ou présentées dans un conditionnement peuvent supporter des vitesses d’air plus élevées.
Les fabricants de meubles réfrigérés proposent essentiellement deux systèmes de maintien de température des denrées par froid conductif. Les meubles à refroidissement par contact direct, et ceux par contact indirect. Le froid conductif utilise le contact direct des denrées avec les parois et les accessoires de la vitrine frigorifique afin de tirer parti du phénomène de conduction. Le maintien dans des températures froides des produits exposés se fait grâce aux contacts avec les parois du meuble réfrigéré, servant d’évaporateur. Pour refroidir ses parois, le fluide frigorigène va parcourir les serpentins placés en leur sein.
Dans ce cas, les parois ou les accessoires refroidis des meubles frigorifiques participent par contact direct et par conduction au maintien des températures des denrées. Les parois peuvent être des évaporateurs à part entière lorsqu’elles sont parcourues, au travers de serpentins, par le fluide frigorigène.
Les meubles réfrigérant par contact direct en froid positif doit faire en sorte que les températures des parois ne descendent pas trop sous 0°C. En-deçà, le risque est grand que la denrée se retrouve collée contre la paroi à cause de la formation d’une fine pellicule de gel superficiel. Pour les meubles congélateurs et vitrines froid négatif, les parois froides isolées par l’extérieur forment un bac entourant les denrées. Dans les parois, côtés intérieurs du meuble, un serpentin sert d’évaporateur. Il est donc essentiel que les produits soient rangés de façon compacte avec un maximum de surfaces en contact avec les parois, mais aussi entre les denrées. Pour piéger le givre, les fabricants installent des évaporateurs qui vont servir à condenser l’humidité de l’air ambiant, proche de l’ouverture et du refroidisseur, surtout pour les denrées de surface qui sont les plus exposés à la chaleur par rayonnement.
Les vitrines réfrigérantes par contact indirect sont particulièrement adaptées pour les poissonniers et écailleurs. En effet, pour une bonne conservation des poissons, la température à cœur doit être très basse, juste au-dessus de zéro ou à plus 2 °C maximum. Les vitrines réfrigérantes de poissonnerie fonctionnent comme une table réfrigérante sur laquelle l’on va poser un lit de glace. Ce système à de nombreux avantages pour la conservation des poissons. En effet, ce procédé permet d’hydrater les poissons en continu, grâce à la fusion de la glace à température constante. L’autre avantage est le maintien d’un excellent contact thermique entre les denrées alimentaires, la glace, et la table réfrigérante. La facture énergétique d’un étal réfrigérant de poissonnerie est relativement faible, bien qu’elles permettent de garder la température à cœur proche de 0°.
Les meubles réfrigérés reposant sur la technique du froid mixte, qui regroupe le refroidissement conductif et conductif servent surtout à exposer des denrées volumineuses et sans emballage. Cette solution permet d’éviter les problèmes inhérents à chaque procédé de refroidissement. Ainsi, le froid convectif utilisé seul, nécessite d’abaisser les températures d’évaporation en dessous de -10°, pour obtenir une température à cœur des denrées entre zéro et plus 2 °C. Pour atteindre ce degré de réfrigération, il faut donc augmenter la vitesse du flux d’air, ce qui a pour effet d’augmenter les risques d’oxydation et de dessiccation pour les produits sans emballage. Tandis que lorsque le froid conductif est utilisé seul, l’inconvénient majeur réside dans la limitation des apports frigorifiques puisque ceux-ci sont assurés par simple contact, sans oublier le risque de gel en surface des denrées exposées, même dans les meubles froids positifs. Enfin, la température des denrées est difficile à harmoniser.