Les fondements de la compression : « Rendre froid »

Outre les besoins en air comprimé pour les hauts fourneaux, la production de glace et la réfrigération ont constitué l'un des moteurs du développement des premiers compresseurs durant la révolution industrielle. La découverte du froid a transformé les modes de vie et d'alimentation, presque autant que la découverte de la cuisine.

Réfrigération mécanique et production de glace

Diverses méthodes de refroidissement et de réfrigération utilisant la glace naturelle et des techniques primitives de refroidissement par évaporation remontent aux civilisations égyptienne et grecque antiques. Dès 1607, des scientifiques utilisaient divers mélanges frigorifiques pour la fabrication de glace et la réfrigération, le plus courant étant le mélange de sel et de glace. Fahrenheit l'employa en 1762, lorsqu'il fixa le point de congélation de l'eau à 0 °C (32 °F). Au milieu du XVIIIe siècle, des scientifiques expérimentaient le vide pour produire une évaporation rapide et une réfrigération efficace. Le Dr William Cullen fut le premier à utiliser ce principe en 1755 pour produire de la glace par des moyens purement mécaniques. Il réduisit la pression atmosphérique à l'aide d'une pompe à air, ce qui augmenta l'évaporation de l'eau et produisit ainsi une réfrigération intense et de la glace.

Compresseur à piston manuel Perkins, vers 1834.

Quelques années après l'invention de la machine à glace sous vide, divers procédés chimiques furent découverts. Dans les années 1820, Humphrey Davy et Michael Faraday perfectionnèrent la réfrigération mécanique en découvrant que la compression et la liquéfaction de l'ammoniac permettaient de refroidir l'air par évaporation. En 1824, des brevets anglais furent obtenus pour la réfrigération par l'acide sulfurique. En 1834, Jacob Perkins est généralement considéré comme l'inventeur de la première machine pratique, précurseur des appareils de compression modernes . Sa machine, qui utilisait un compresseur à piston manuel (voir figure 1), fut considérablement améliorée dès 1856 et mise en application pour la réfrigération des brasseries et des produits alimentaires.

Les procédés et les équipements ont connu une évolution rapide, et en 1850, le professeur A.C. Twinning de New Haven, dans le Connecticut, a breveté un appareil utilisant une pompe à vide et à compression à double effet de 216 mm de diamètre et de 406 mm de course. La même année, le docteur John Gorrie d'Apalachicola, en Floride, a breveté une machine à glace qui, pour la première fois, utilisait un arbre rotatif avec excentriques et biellettes pour actionner les pistons du compresseur à l'intérieur de cylindres verticaux, assurant ainsi la compression et la génération du vide.

Machine à glaçons Harrison directement reliée à un châssis de machine à vapeur, vers 1859.

En 1859, l'Australien James Harrison présenta une machine à glace reliée directement à un moteur à vapeur, comme illustré sur la figure 2. Les développements se poursuivirent rapidement, avec une avancée majeure due à l'introduction par le professeur C.F.G. Linde de la machine frigorifique à ammoniac entre 1873 et 1875. Linde est considéré comme le principal inventeur du système de réfrigération par compression d'ammoniac. Ses machines étaient en service dans les brasseries allemandes dès 1876, et il obtint des brevets américains en 1880.

Le procédé de réfrigération mécanique, basé sur la compression puis la détente d'un fluide gazeux comme l'ammoniac, l'acide sulfurique ou l'air, a permis de découvrir des applications bien plus nombreuses que celles imaginées par ses inventeurs. De ce fait, plusieurs entreprises américaines se sont lancées dans le développement de compresseurs frigorifiques de grande capacité entre 1880 et 1890.

Charles J. Ball installa sa première machine à glace par absorption à Sherman, au Texas, en 1878. Il s'agissait d'une modification d'une machine à vide antérieure mise au point par Edmund Carré. Les pompes à ammoniac, les pompes à eau, la pompe d'alimentation de la chaudière, la pompe à saumure, etc., étaient entraînées par des courroies reliées à un arbre actionné par une machine à vapeur à tiroir. D'un coût d'installation de 12 000 $, la machine produisait environ cinq tonnes de glace par jour avec une tonne de charbon. La première machine à compression de sa propre fabrication fut installée à Dallas, au Texas, en 1887. L'entreprise, connue sous le nom d'Ice and Cold Machine Co., prospéra à Saint-Louis, dans le Missouri, pendant de nombreuses années.

L'émergence des grands compresseurs frigorifiques à piston

Comme le montre ce dessin de brevet, De La Vergne utilisait de l'huile de lubrification à la fois devant et derrière le piston du compresseur pour éviter la surchauffe, 1876.

La première machine frigorifique De La Vergne, qui allait devenir l'une des plus populaires, fut installée à la brasserie Hermann de New York en 1878. Son inventeur, John C. De La Vergne, avait longtemps travaillé dans le commerce de produits agricoles à New York avant de se tourner vers l'industrie brassicole en 1876. Cette activité l'amena à s'intéresser à la réfrigération artificielle et, en 1880, il fonda la De La Vergne Refrigeration Machine Co., utilisant une technologie brevetée de compression et de détente de l'ammoniac. Cette technologie prévoyait l'utilisation d'huile de lubrification en amont et en aval du piston du compresseur afin d'éviter la surchauffe, comme illustré sur la figure 3. Dès 1884, après de nouveaux développements, De La Vergne fabriquait des machines frigorifiques pour d'autres brasseries. La vue en coupe d'un compresseur frigorifique De La Vergne de 1884 (figure 4) montre le cylindre à vapeur horizontal et le cylindre de compression vertical à simple effet. Le gros plan du cylindre (Fig. 5) montre le liquide de refroidissement et d'étanchéité au-dessus et en dessous du piston, au fond du cylindre. L'orientation verticale du cylindre était nécessaire pour expulser efficacement le liquide à chaque course. Après avoir surmonté les craintes liées aux fuites d'ammoniac sur la viande, le système a également été adopté par les abattoirs. En 1890, De La Vergne était une entreprise florissante, ayant fabriqué près de 250 compresseurs d'ammoniac à vapeur qui fournissaient le froid à la plupart des brasseries américaines, ainsi qu'aux fabriques de glace, aux entrepôts frigorifiques et à tous les autres lieux du monde nécessitant un système de réfrigération.

Compresseur frigorifique De La Vergne, 1884.

Bien que De La Vergne et Ball aient été parmi les pionniers américains des compresseurs frigorifiques , des entreprises telles que Frick, Weiser & Vilter et York allaient bientôt dominer ce secteur en plein essor.

Cylindre du compresseur De La Vergne montrant le liquide de refroidissement et d'étanchéité au-dessus et en dessous du piston.