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RÉSUMÉ
Le séchage est l’opération permettant de faire passer un produit de son état initial dit « humide » (selon le cas solide ou liquide), à un état final dit « solide sec ». Pour cela, il s’agit de retirer une partie du solvant d’un corps afin d’obtenir un produit fini sous la forme d’un solide, d’un « solide divisé » ou de poudre. Cet article s’attarde à expliquer les différents principes de séchage, les conséquences sur la transformation du produit et sur sa qualité finale. Pour cela, deux modes de séchage différents sont abordés. Le séchage convectif par air chaud et le séchage convectif par entraînement sont expliqués en détail à travers les propriétés de l’air humide, les bilans matière et enthalpie sur le produit et sur l’air, les transferts et phénomènes limitants, etc.
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Jean VASSEUR : Ingénieur GREF – Docteur Ingénieur - Professeur à AgroParisTech-Massy (ex ENSIA) – UMR 1145
INTRODUCTION
Cet article est le premier d'un ensemble consacré aux principes et calculs des séchoirs industriels, ensemble constitué de :
et « Séchage convectif par air chaud » (parties 1 et 2).
« Autres modes de séchage que l'air chaud ».
Il est complété par trois diagrammes de l'air humide , , .
Pour les aspects pratiques et le choix des sécheurs, le lecteur se reportera au dossier rédigé par Patricia ARLABOSSE (ENSTIMAC).
Ce premier article s'attache à décrire les lois physiques associées aux différents principes de séchage, pouvant conduire à des « histoires hydrothermiques » suivies par le produit assez différentes, avec des conséquences sur la transformation du produit au cours du procédé, et donc sur sa qualité finale. On fournira les bases de calcul des séchoirs, concernant les bilans de chaleur et de matière, et les transferts qui fixent la durée de traitement et la dimension des installations. L'apparition de porosité, la texture du produit final et/ou sa déformation au cours du procédé sont aussi des paramètres du séchage à considérer.
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Considérations générales sur le séchageArticle inclus dans l'offre
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3. Séchage convectif par air chaud, par entraînement
3.1 Principes du séchage par air chaud
Le produit est caractérisé par sa géométrie (dimension caractéristique L, surface d'échange S pour sa masse m), par sa teneur en eau moyenne
(kg d'eau/kg de MS) et par sa température θ P (dont θ Ps en surface). Il est placé dans un air chaud A caractérisé par sa température (θ a > θ Ps), son humidité relative ϕ a supposée faible, et sa vitesse relative v a (m/s) par rapport au produit. On utilisera aussi la pression partielle de vapeur d'eau dans l'air pp a (Pa).
Le séchage résulte d'échanges couplés de chaleur (enthalpie) et de matière (eau) entre l'air et le produit, qui se poursuivent tant que l'évaporation de l'eau maintient le produit (un peu) plus froid que l'air environnant (θ Ps < θ a), c'est-à-dire hors d'équilibre, selon la figure 7.
Le flux des transferts de chaleur et de matière à l'interface air/produit sont régis par le couplage entre deux résistances.
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Les résistances aux transferts externes, par diffusion à travers la couche limite laminaire équivalente dans l'air autour du produit (elle même fonction de v a (en m/s) ou du nombre de Reynolds caractéristique de l'écoulement) et pouvant se représenter par un coefficient de transfert de chaleur h (W · m−2 · °C −1) relatif à l'écart (θ a − θ Ps), et un coefficient de transfert de matière k P (kg · s−1 · m−2 · Pa−1) relatif à l'écart (p v − pp a) de pression de vapeur d'eau.
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Les résistances aux transferts internes au produit, pour la chaleur (allant vers l'intérieur) et la matière (allant vers l'extérieur), qui contribuent à fixer θ Ps et p vs de la surface. Les résistances internes varient beaucoup selon la nature du produit, sa taille caractéristique...
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Séchage convectif par air chaud, par entraînement
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BASSAL (A.), sous la direction de VASSEUR (J.) - Le séchage par la valeur d'eau surchauffée – État de l'art. (synthèse bibliographique). - Cahier de l'AFSIA no 13, Éd. LAGEP, Lyon, 83 p. (1996).
-
(2) - PONSART (G.), VASSEUR (J.), FRIAS (J.M.), DUQUENOY (A.), MEOT (J.M.) - Modeling of stress due to shrinkage, during drying of spaghetti. - Journ. of Food Engineering, 57(3), p. 277-285 (2003).
-
(3) - GPA Génie des procédés alimentaires. - Éd. Dunod, 573 p. (2002).
-
(4) - PÉRRÉ (P.), MOSER (M.), MARTIN (M.) - Advances in transport phenomena during convective drying with superheated steam and moisture air. - Intern. Journ. of Heat and Mass Transfer, 36(11), p. 2725-2746 (1993).
-
(5) - NADEAU (J.P.), PUIGALLI (J.R.) - Séchage, des processus physiques aux procédés industriels. - Éd. Lavoisier Tec. & Doc., Paris, 307 p. (1995).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Diagramme de l'air humide basses températures
-
Diagramme de l'air humide moyennes températures...
Revues traitant de l'opération unitaire séchage, indépendamment du produit :
-
Chemical Engineering Science ;
-
Chemical Engineering Processing ;
-
Drying Technology Journal ;
-
International Journal of Thermal Science ;
-
Journal of Heat and Mass Transfer ;
-
Journal of Food Engineering ;
-
Lebensmittel Wissenschaft und Technologie.
Voir aussi les revues spécialisées produit par produit : papier, bois, céramique, plâtre, textile, colorants, lait, lessives, céréales, pharmacie, etc.
HAUT DE PAGE
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Calcul psychrométrique en ligne http://www.psychro.com
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