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RÉSUMÉ
Les techniques d’agitation en agroalimentaire ont grandement évolué ces dernières années. Leur sélection nécessite une bonne connaissance du procédé, mais aussi des substances rentrant dans la fabrication. Cet article est consacré aux performances des agitateurs de proximité utilisés pour les milieux pâteux. Sont ainsi passés en revue leurs paramètres de fonctionnement (puissance, temps de mélange et de circulation axiale). Pour terminer, sont abordés les problèmes rencontrés lors de l’extrapolation, c’est-à-dire la reproduction à l’échelle industrielle des résultats obtenus au laboratoire.
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Guillaume DELAPLACE : Ingénieur des Hautes Études d’Ingénieurs HEI - Docteur en mécanique et énergétique de l’université Henri-Poincaré, Nancy-I - Chargé de recherche à l’Institut national de recherche agronomique
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Romuald GUÉRIN : Ingénieur agroalimentaire – ISTAB - Docteur en mécanique et énergétique de l’université Henri-Poincaré, Nancy-I
INTRODUCTION
Les techniques d’agitation sont passées ces dernières années de l’état d’art à l’état de science. Elles s’appuient sur des considérations tant théoriques qu’expérimentales. Des progrès considérables ont été effectués grâce, notamment, aux avancées des techniques expérimentales (vélocimétrie laser, Particule Image Velocimetry PIV, tomographie, techniques ultrasonores) et des techniques numériques (Computational Fluid Dynamic CFD).
D’une façon générale, dans l’industrie agroalimentaire, un système d’agitation performant et optimal est très délicat à intégrer dans une unité de fabrication. Cela dépend, bien entendu, des objectifs de l’opération unitaire. Il peut s’agir tout simplement soit de sélectionner le système d’agitation/mélange adapté à un nouveau procédé ou soit, très souvent, d’extrapoler les résultats obtenus dans le cadre d’une fabrication déjà existante mais à plus petite échelle. Une bonne connaissance du procédé est indispensable pour permettre le choix le plus favorable à l’accomplissement de l’opération de fabrication, notamment sur le plan économique.
Les agitateurs de proximité paraissent s’imposer pour l’homogénéisation de produits pâteux. Nous proposons, dans ce dossier, de présenter les performances des principaux agitateurs de proximité utilisés pour les milieux pâteux en termes de consommation de puissance, temps de mélange, de circulation axiale, de transfert thermique. Puis les effets du changement d’échelle (extrapolation) sur les principales grandeurs caractéristiques seront reportés, avec une attention particulière sur l’extrapolation du transfert thermique, enjeu fondamental en termes de sécurité alimentaire dans les industries agroalimentaires.
Pour plus d’informations concernant les différents équipements de mélange traitant des fluides visqueux et de leurs principales grandeurs caractéristiques, le lecteur pourra se référer au dossier précédent .
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1. Performances des principaux agitateurs de proximité
1.1 Paramètres géométriques de ces agitateurs
Les différentes grandeurs classiquement utilisées pour caractériser la géométrie des systèmes d’agitation à ancre, à rubans hélicoïdaux et à vis d’Archimède sont indiquées sur la figure 1.
Pour les agitateurs de type ancre, il faut reconnaître que les géométries utilisées par les différents auteurs sont très diverses et éloignées les unes des autres comme en atteste la figure 2. Sur la figure 1 a , nous avons surtout voulu indiquer les paramètres géométriques les plus significatifs de ce type de mobile d’agitation.
Avant d’étudier les performances hydrodynamiques et thermiques des agitateurs de proximité, signalons qu’il existe peu d’information concernant le fonctionnement de ces agitateurs en régime turbulent. Cela s’explique tout naturellement par le fait que ces systèmes de mélange, d’investissement plus coûteux que les mobiles classiques (turbine, hélice marine…), sont principalement destinés à opérer en régime laminaire ou au début du régime de transition, quand les autres systèmes d’agitation ne parviennent plus à assurer la faisabilité de l’opération de mélange. Notons d’ailleurs que ce manque d’information est préjudiciable, car on rencontre très souvent dans l’industrie des applications où la viscosité du produit varie considérablement tout au long du procédé de mélange (procédé de fermentation, par exemple).
HAUT DE PAGE1.2 Consommation de puissance
1.2.1 Prédiction du facteur KP
En régime laminaire, pour des agitateurs de proximité, le nombre de puissance N P est directement proportionnel au nombre de Reynolds Re :
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