Meubles et vitrines frigorifiques

Introduction

Le meuble frigorifique représente le dernier maillon de la chaîne du froid alimentaire avant que la denrée ne se retrouve en possession du consommateur. À ce stade, la mise en valeur des denrées alimentaires est primordiale tout en assurant leur conservation. En d’autres termes, le meuble frigorifique a donc pour mission de présenter ou d’exposer les denrées dans un volume utile à une température de conservation déterminée. Faisant partie d’une chaîne de froid normalement ininterrompue, cet équipement est uniquement prévu, et par conséquent dimensionné, pour maintenir la température des denrées et non les refroidir. Dans une chaîne de froid alimentaire classique, le refroidissement ou la congélation s’effectue à la production ou à la fabrication. Les étapes suivantes de la chaîne de froid n’ont plus qu’une action de maintien de la température par exemple :

• le camion ou le bateau frigorifique lors du transport;
• la chambre froide du magasin lors du stockage;
• …

Deux fonctions sont donc attribuées aux meubles frigorifiques :

• la fonction d’exposition;
• la fonction de conservation.

Exposition des denrées

Le but avoué est l’achat de la denrée par le consommateur. Des études très poussées sur l”exposition des denrées (“merchandising”) permettent de déterminer quelle est la meilleure stratégie commerciale pour favoriser la vente.

La fonction d’exposition conduit souvent :

• À “l’ouverture” large des ambiances frigorifiques d’exposition par rapport à l’ambiance de vente afin que les consommateurs puissent toucher, palper et soupeser les produits alimentaires.
• À éclairer fortement les denrées.

Rôle de conservation des denrées

Durant l’exposition, le meuble frigorifique doit maintenir la température et assurer la conservation des denrées alimentaires refroidies ou surgelées en “amont”. De par les lois de la thermodynamique et à l’inverse de la fonction d’exposition, les meubles devraient au maximum protéger les denrées des agressions thermiques de toutes sortes par :

• la fermeture ou l’utilisation d’ouverture des ambiances réfrigérées les plus réduites possible ;
• la réduction maximale de leur éclairage;
• leur protection des rayonnements externes.

Équilibre des rôles

Sur le plan technique, les rôles d’exposition et de conservation des denrées alimentaires dans les meubles frigorifiques sont en totale contradiction :

• D’un côté, le consommateur doit pouvoir disposer des marchandises sans obstacle en bénéficiant de meuble à large ouverture et fortement éclairé ;
• de l’autre, le commerçant doit assurer une qualité de conservation des denrées avec comme impératif la fermeture ou la réduction des ouvertures des meubles au maximum, le moins d’éclairage possible, bref le moins d’échange thermique possible avec l’ambiance du magasin.

Comment concilier ces deux fonctions sans privilégier une des deux ?

Dans la pratique, on se rend vite compte que le commerçant va naturellement favoriser le meuble frigorifique qui “fait bien vendre”. Néanmoins, les réglementations et les normes sont heureusement présentes pour rétablir l’équilibre entre les deux rôles que doivent jouer les meubles et les vitrines frigorifiques.

Malheureusement, c’est au détriment de l’efficacité énergétique des équipements. En effet, quelle que soit la qualité de la production frigorifique, le meuble frigorifique ouvert est bien plus consommateur d’énergie que le même meuble fermé par un rideau de nuit par exemple.

Le véritable défi des constructeurs de meubles frigorifiques se résume à optimiser l’efficacité énergétique tout en conservant le rôle d’exposition qui, naturellement, fait vendre les produits.

Généralités

La technologie des meubles frigorifiques a été directement importée des États-Unis au début des années 60. Pour cette raison, des termes américains sont restés dans le langage courant utilisés pour caractériser les meubles et les vitrines frigorifiques. On retrouve encore couramment des termes par exemple :

• facing;
• remodeling;
• shelving;
• marketing
• …

Composition principale des meubles

Qu’ils soient de type vertical, horizontal, positif, négatif, …, les meubles frigorifiques se décomposent en trois parties principales :

• la structure portante du meuble;
• les éléments frigorifiques;
• l’espace utile de vente, en d’autres termes le contenant;
• et si présentes les portes.

Meuble vertical fermé et vitrine horizontale.

Structure portante du meuble

C’est la carcasse du meuble. Outre les pièces de renfort, le soubassement, les évacuations des condensats de dégivrage, …, elle se compose principalement d’une enveloppe isolée sous forme de panneaux “Sandwich” (acier-mousse isolante-acier). L’isolant est généralement du polyuréthane injecté (densité moyenne de 30 à 40 kg/m³) ou des panneaux de polystyrène raccordés entre eux. La qualité de la mise en œuvre et l’épaisseur de l’isolant détermineront la performance énergétique du meuble sur le plan des pénétrations (ou déperdition négative).

Les éléments frigorifiques

À l’intérieur du meuble, on trouve les éléments qui constituent le système de réfrigération ou de congélation selon le cas. Ce système se compose essentiellement :

Les aménagements internes et les accessoires

Les aménagements internes sont constitués essentiellement des étagères, des plateaux, bacs, … qui doivent être de qualité alimentaire lorsqu’ils sont en contact avec les denrées et facilement lavables de manière générale.

Les accessoires aux meubles à caractère de vente sont multiples (support balances, planches à découper, …).

On compte aussi, pour améliorer la vente, sur l’éclairage des denrées.

Les types d’aménagement interne et les accessoires ont une influence non négligeable sur le “comportement frigorifique” et aéraulique du meuble et par conséquent sur leur efficacité énergétique.

Dimensions des meubles

Pour caractériser un meuble ou une vitrine frigorifique, des terminologies sont définies afin que tout le monde parle le même langage. Les constructeurs parlent souvent de :

• module ;
• meuble ou longueur ;
• linéaire.

Les modules

D’origine américaine, les meubles frigorifiques sont cotés en “pieds” au niveau de la longueur. De base, un module mesure 4 pieds ou 1,22 m et permet de loger sous les étagères ou les frontons des tubes fluorescents d’éclairage de 1,20 m (58 W par exemple). Des sous-modules de 2 pieds (ou 0,61 m) existent.

Basé sur la méthode américaine, les Européens ont développé une modulation différente d’une longueur de 1,25 m comme valeur de référence pour les grandes surfaces et des sous-modules de 0.5 m pour les commerces de détail.

Les meubles ou longueurs

Un meuble ou une longueur se compose de plusieurs modules qui doivent être définis d’emblée lors du dimensionnement de l’installation. Cependant, persiste l’option de concevoir une installation sur mesure.

Les linéaires

Un linéaire est un ensemble de meubles ou de longueurs ayant la même désignation (linéaire de boucherie, de produit laitier, de légume et fruit, …). Ces meubles sont juxtaposés, mais pas nécessairement alignés.

Différentes configurations sont possibles. On citera principalement les linéaires :

• droits ou alignés ;
• en Z ;
• en L ;
• dos à dos ;
• en Y;
• fermés.

Les surfaces et le volume

Des paramètres comme les surfaces et les volumes permettent aussi de différencier les meubles ou vitrines frigorifiques.

En ce qui concerne les types de surface, on trouve pour une largeur de meuble unitaire :

• La surface de limite de chargement (1).
• La surface horizontale de chargement (2).
• La surface d’exposition (3).
• L’ouverture d’exposition (4).

Le volume utile d’exposition (5) est l’élément qui détermine la capacité de stockage du meuble frigorifique.

Critères : généralités

La classification des meubles frigorifiques est très ardue dans le sens où le nombre de modèles est important. Pour cette raison, il est nécessaire de déterminer des critères de classification :

• par le type même ;
• en fonction de l’ouverture ;
• en fonction du niveau d’accès ;
• par la manière de l’approvisionner ;
• en fonction du type de service ;
• par service ;
• en fonction de la classe de température ;
• en fonction de la nature des denrées
• en fonction du type d’emballage ;
• en fonction du support prévu pour les denrées ;
• en fonction du mode de distribution ;
• en fonction du mode de protection des ouvertures ;
• par la position de la production frigorifique ;
• par la configuration du linéaire ;
• par la longueur unitaire ;
• par le type de façade.

Critères : application

Deux grandes classes de meubles frigorifiques se dégagent, à savoir les meubles verticaux et horizontaux. Pour chacune de ces classes, les principaux critères peuvent être appliqués.

Les meubles frigorifiques horizontaux

Les meubles frigorifiques verticaux

Configurations courantes

Les schémas repris ci-dessous sont des configurations courantes rencontrées dans les commerces.

Comptoir à convection naturelle.	Comptoir en convection forcée et service avant.
Gondole à convection forcée et service par les deux côtés.	Vitrine à étagère et étagère inférieure refroidie.
Meuble horizontal d’exposition mobile.	Etal frigorifique de poissonnerie.
Meuble vertical ouvert en convection naturelle.	Meuble vertical ouvert en convection forcée.
Meuble vertical à palette réfrigérée.	Meuble vertical réapprovisionné par l’arrière.
Meuble vertical négatif à double circuit d’air.	Meuble mixte (gondole et armoire) négatif à porte.
Gondole de type ouverte à convection naturelle.	Gondole de type ouverte à convection forcée.
Gondole dissymétrique simple négative à couvercle.	Double gondole dissymétrique dos à dos à convection forcée et rideaux d’air.
Gondole négative fermée.

Généralités

La distribution du froid dans les meubles frigorifiques est très difficile à mettre en œuvre. Les géométries des meubles pouvant être très complexes, pour assurer l’apport de “frigories” au niveau de chaque denrée et en quantité suffisante, cela nécessite une recherche et des développements complexes de la part des constructeurs.

Les constructeurs se basent sur un régime stationnaire de transmission de chaleur pour dimensionner et tester les équipements composant le meuble frigorifique.

Cependant, les denrées alimentaires exposées dans les meubles frigorifiques, qu’ils soient ouverts ou fermés, subissent en permanence des perturbations ou des agressions dues aux variations des conditions de température et d’humidité de l’ambiance du chargement et du déchargement des denrées, … Concrètement le régime stationnaire est purement théorique, mais néanmoins nécessaire à la classification, la normalisation et le dimensionnement des meubles.

En régime stationnaire (ou permanent), le transfert des “frigories” au sein du meuble frigorifique, suivant les modèles s’effectue de trois manières différentes :

• par conduction ;
• par convection ;
• par rayonnement.

Ces trois modes de transfert sont exploités de différentes manières, seuls ou mixés afin de refroidir efficacement les denrées dans le volume utile de chargement. On distingue principalement :

• le froid convectif ;
• le froid conductif ;
• le froid mixte.

Le froid convectif

Les constructeurs utilisent l’air comme vecteur de transport des “frigories” afin de retirer la chaleur des denrées qui subissent des perturbations thermiques internes et externes au volume utile de chargement des meubles.

Pour réaliser le refroidissement des denrées par convection, on utilise principalement deux techniques :

• refroidissement par convection naturelle ;
• refroidissement par convection forcée.

Refroidissement par convection naturelle

Refroidissement par convection forcée

Le froid conductif

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.

Deux systèmes de maintien de la température des denrées par conduction sont exploités par les constructeurs de meubles :

• refroidissement par contact direct;
• refroidissement par contact indirect.

Refroidissement par contact direct

Refroidissement par contact indirect

C’est le système typique des étals de poissonnerie où la température à cœur des poissons doit être maintenue aux alentours des 0 à +2 °C.

Un lit de glace étalé sur une table refroidie constitue un refroidissement par contact indirect. Le lit de glace permet :

• L’hydratation des poissons en permanence par la fusion à température constante de la glace (0°C).
• De maintenir un excellent contact thermique entre la table, la glace et les denrées.
• De garder la température à cœur proche de 0°C en recouvrant les denrées de glace.
• D’éviter le gel des produits de la mer en les isolant de la plaque froide qui elle se trouve sous les 0°C.
• De réduire la puissance frigorifique de l’étal.

Le froid mixte

Ce type de meuble ou de vitrine frigorifique regroupe le froid convectif et conductif. On utilise ce système dans le cadre de l’exposition de denrées non emballées et relativement volumineuses. On évite de la sorte les problèmes lié :

• Au froid convectif seul :
  • La nécessité de descendre les températures d’évaporation de manière franchement négative (- 10 °C pour des températures à cœur des denrées de l’ordre de 0/+ 2 °C).
  • Le besoin d’augmenter les vitesses de l’air entraînant des risques d’oxydation et de dessiccation des produits non emballés.
  • La surface d’échange limitée.

• Au froid conductif seul :
  • Des apports frigorifiques limités par simple contact.
  • Le risque de gel des denrées (du moins en surface) dans les applications positives.
  • Une température des denrées hétérogènes.

Problématiques

La plupart des meubles ou vitrines frigorifiques sont ouverts par rapport à l’ambiance du commerce. Cette configuration est voulue afin de permettre au consommateur de voir, de toucher et de disposer des denrées très facilement. Cependant, l’écart de température entre le volume réfrigéré et l’ambiance du magasin peut, dans certains cas, atteindre les 45 à 50 K.

Cas des meubles horizontaux

Cas des meubles verticaux

Dans ce cas de figure, l’air froid à tendance à s’écouler et sortir du meuble réfrigérant. Des études poussées ont été menées afin de déterminer le comportement du flux d’air froid en fonction du chargement du meuble. En effet :

• la position des denrées sur les étagères ;
• leur masse (inertie thermique) ;
• leur quantité (meuble vide, chargement total ou partiel) ;
• l’absence d’espace vide;
• la présence d’obstacle ;
• la présence de courant d’air dans l’ambiance du magasin (v > 0,2 m/s) ;
• …

change drastiquement le comportement aéraulique et thermique du meuble.

Solution

Pour limiter d’une part les échanges thermiques importants susceptibles de réchauffer et donc de dégrader les produits de consommation et d’autre part les pertes énergétiques au niveau de la production de froid, les fabricants ont introduit le rideau d’air.

Rôle des rideaux d’air

Comme on l’a vu ci-dessus, les rideaux d’air ont un rôle essentiel dans l’optimisation des meubles frigorifiques au niveau thermique et énergétique. Ils doivent permettre principalement :

• L’accès aux denrées contenues dans le volume utile de chargement. De par sa composition intrinsèque, l’air n’offre pas de résistance et convient parfaitement.
• De préserver l’ambiance froide intérieure du meuble à la température de conservation désirée.
• De réduire et contrôler les échanges de chaleur sensible (dus aux écarts de températures entre l’ambiante du magasin et le meuble) ainsi les échanges d’humidité (dus aux écarts de pression partielle).
• D’évacuer les apports thermiques par rayonnement des parois extérieures sur les denrées par convection forcée.
• De maîtriser le bouclage de l’air en circuit fermé.

Type de rideaux d’air

On rencontre sur le marché différents types de rideaux d’air :

• selon le type de meuble, horizontaux, inclinés ou verticaux ;
• en circuit ouvert ou fermé;
• simple ou multiples (certaines configurations sont à 3 rideaux parallèles);
• à flux orienté ou non par des buses de soufflage;
• selon la direction du flux pour les meubles verticaux (de haut en bas ou l’inverse);
• selon la position (dans le volume réfrigéré, hors du volume réfrigéré, à la limite de chargement);
• laminaires ou turbulents;
• symétriques ou asymétriques;
• …

Principales caractéristiques des rideaux d’air

Les différentes caractéristiques des rideaux d’air citées ci-dessous permettent d’évaluer l’efficacité thermique et énergétique que l’on peut attendre d’eux. Pour un rideau d’air type, on définit :

• la portée H équivalant à l’ouverture du meuble ou encore la distance entre la buse de soufflage et la bouche de reprise;
• la longueur Lv du rideau d’air correspondant à celle du meuble;
• l’épaisseur B au niveau de la buse de soufflage;
• la température t1, le titre de vapeur d’eau x1 et la vitesse v1 du flux d’air à la sortie de la buse de soufflage;
• la direction A du flux d’air par rapport à l’horizontale pour les meubles horizontaux (gondoles par exemple) et la verticale pour les verticaux;
• le sens (vers le bas, vers le haut, …);
• les températures et les titres de vapeur d’eau que le rideau sépare :
  • ambiance du magasin (ta, xa);
  • ambiance interne du meuble (ti, xi)
• le débit massique M1 à la buse de soufflage et à la bouche de reprise.

Les rideaux d’air symétriques

On dit d’un rideau d’air qu’il est symétrique lorsque le profil de vitesse par rapport à l’axe du flux du rideau est symétrique. Comme le montre la figure ci-dessus, sur la hauteur de l’ouverture du meuble, le flux d’air du rideau, par frottement et turbulence entraîne ou induit tant à l’extérieur qu’à l’intérieur des masses d’air grandissantes qui le freinent et l’alourdissent. L’induction des masses d’air tant externe qu’interne a pour effet de réchauffer le rideau d’air et de le charger en humidité en évitant ainsi qu’elle ne puisse migrer vers l’intérieur du meuble.

A la bouche de reprise, les masses induites tant à l’extérieur qu’à l’intérieur par le rideau d’air sont séparées :

• à l’extérieur, une certaine quantité d’air froid est perdue;
• à l’intérieur, une circulation secondaire se crée.

L’induction de l’air à l’extérieur correspond sensiblement à la perte d’air froid à la bouche de reprise. En d’autres termes, plus le rideau est efficace moins il induit d’air ambiant et moins il rejette d’air froid à la bouche de reprise.

L’air aspiré à la reprise a vu son enthalpie (son niveau énergétique) augmenter et par conséquent devra être refroidi au travers de l’évaporateur avant de recommencer un cycle. À noter que l’humidité qui a migré dans le rideau d’air se condensera sur l’évaporateur, d’où la nécessité de dégivrer régulièrement les évaporateurs pour éviter qu’ils ne “prennent en glace”.

Pour un meilleur bilan énergétique et thermique du meuble, il est nécessaire :

• de réduire l’induction de l’air extérieur en diminuant la vitesse du rideau d’air et les turbulences;
• d’augmenter l’échange thermique au travers de l’évaporateur et donc le débit.

Pour concilier ces deux nécessités antinomiques, les constructeurs ont placé sur les meubles verticaux par exemple des panneaux munis de bouches de soufflage (système en cascade) répartissant ainsi le flux d’air refroidi à la sortie de l’évaporateur entre les bouches secondaires et le rideau d’air. Il en résulte un débit au rideau d’air optimisé et un débit maximum au travers de l’évaporateur.

Les rideaux d’air asymétriques

Spécificités

Les évaporateurs qui équipent les meubles frigorifiques sont assez différents des évaporateurs classiques. En effet, non seulement il est nécessaire d’optimiser la compacité des meubles afin de réduire leur emprise sur la surface de vente, mais aussi le volume utile de chargement. Ces deux critères font en sorte que l’espace réservé à l’évaporateur est réduit.

La conception et le dimensionnement des évaporateurs sont différents aussi selon que les meubles frigorifiques travaillent :

• en convection forcée;
• en convection naturelle;
• en conduction.

Convection forcée

La technologie des évaporateurs par convection forcée fait appel à un flux d’air qui échange sa chaleur à une batterie d’ailettes en aluminium en contact intime avec un réseau de tubes en cuivre dans lequel circule un fluide frigorigène comme montré ci-dessous.

Puissance frigorifique

En pratique, les fabricants réalisent des évaporateurs relativement plats, mais longs afin de ne pas perdre trop de puissance frigorifique. Cette puissance frigorifique s’exprime par la relation suivante :

Ordre de grandeur de puissance frigorifique

Le calcul de la puissance d’un évaporateur est très complexe. Aussi, il est plus simple dans la pratique de donner des ordres de grandeur de puissance frigorifique en fonction du type de comptoir.

Convection naturelle

Les comptoirs à convection naturelle sont plus utilisés dans le commerce de détail. Les évaporateurs quant à eux ressemblent à ceux utilisés en convection forcée. L’air traverse l’évaporateur de haut en bas en se basant sur l’effet de mise en mouvement de l’air par la présence d’une différence de température entre l’air et les surfaces de l’évaporateur.

Puissance frigorifique

Un peu comme en convection forcée, la puissance frigorifique s’exprime par la relation principale suivante :

Ordre de grandeur de puissance frigorifique

Conduction

Dans le cas des étals par exemple, on s’arrange pour que la température de la “plaque froide” soit plus basse que celle des denrées qui sont en contact avec elle. Le système utilise une plaque en inox en contact thermique intime avec un serpentin de tuyau en cuivre. Les déperditions “négatives” ou pénétrations de la chaleur au dos de l’ensemble de la plaque et du serpentin et le risque de condensation sont limitées par un isolant performant. En pratique, on s’arrange pour que l’écart de température entre la plaque froide et le fluide réfrigérant soit aux alentours des 5 K. Par cet écart, on tient compte :

• de la perte d’efficacité due au contact limité entre la plaque et le serpentin;
• de l’effet ailette de la plaque froide inter-tube ;
• de l’imperfection de l’isolation ;
• …

La puissance frigorifique s’exprime approximativement par la relation principale suivante :