Cours_GIA_2011

Loubna FIRDAOUS

IUT A – département Génie Biologique

Laboratoire ProBioGEM

Polytech’Lille, Aile C

Tél: 03 20 41 75 65

[email protected]

GENIE INDUSTRIEL ALIMENTAIRE2010 - 2011

Réception des matières premières

Liquide

Écoulement Transport Séparation

Solide

Broyage Mélange

Chauffage Refroidissement

Évaporation Déshydratation

Liquide – produit concentré – mélange liquide solides

Solide sec Liquide Solide

Congélation

Solide congelé

EmballageSortie de l’usine

Entrée de l’usine

Pasteurisation ou stérilisation

Pasteurisation ou stérilisation

OBJECTIFS DU COURS

1. Décrire un échangeur de chaleur et ses principes d’application

2. Appliquer les transferts thermiques au traitement des aliments

3. Évaluer un traitement thermique

4. Établir le bilan de matière et d’énergie dans le procédés deconcentration par évaporation

5. Définir et évaluer les propriétés de l’air humide

6. Déterminer les conditions de séchage des aliments

TRANSFERTS THERMIQUES ET ECHANGEURS DE CHALEUR

Généralités sur les transferts de chaleur, théorie des échangeurs, différents types d’échangeurs de chaleur

Transferts thermiques

Les échangeurs de chaleur dans l’industrie alimentaire:

♠ Pasteurisation pour les produits liquides (lait, jus…),

♠ Stérilisation pour les produits liquides (procédé UHT pour le lait),

♠ Refroidissement des liquides après stérilisation ou pasteurisation, suivid’un conditionnement aseptique,

♠ Chauffage d’un liquide alimentaire dans un évaporateur,

♠ Chauffage d’un liquide alimentaire pour provoquer une réaction commela réaction de Maillard entre les protéines de lait et le sucre lors de lafabrication des caramels,

♠ Etc…


Flux de chaleur

SourceCHAUDE

Température ɵc

SourceFROIDE

Température ɵf

(Avec ɵc > ɵf)Chaleur

ɸModes de transmission de la chaleur

♠ Conduction : transfert dans la masse (solides)Le transfert se fait sans déplacement des particules de matière les unes par rapport aux autres.

♠ Convection : transfert par transport (fluides)Le transfert implique le mouvement des particules de matière.

♠ Rayonnement : transfert à distanceLes corps émettent de l’énergie par leur surface sous forme de radiations électromagnétiques.


Combinaison des différents modes de transfert de chaleur

Fluide froid

Fluide chaud

ɸConvection

forcée

Convection forcée

Conduction

Convection forcée

Entre le fluide chaud et la paroi intérieure du tube

Conduction

Dans le tube

Convection forcée

Entre le fluide froid et la paroi extérieure du tube

+ +

Transfert de chaleur entre deux fluides dans un échangeur de chaleur

Transferts thermiquesNotion de la résistance thermique

U

R

I

Rth

ɸ

∆T

Tc TF

Électricité Transfert de chaleur

Différence de potentiel UDifférence de température entre

les sources chaude et froide ∆T=TC-TF

Flux de chaleurɸ

Intensité du courant(flux d’électrons)

IRésistance électrique

RRésistance thermique

Rth

Loi d’OhmU=RI

Par analogie avec l’électricité ∆T=Rthɸ

Résistance thermiqueΦΔ

=TRth

Transferts thermiquesDéfinitions ♠ Chaleur spécifique, Cp : Quantité de chaleur nécessaire pour produire une augmentation de température de 1 degré.

Unité SI : KJ.Kg-1.K-1

)( 12 TTmCQ p −=

Bilan énergétique

)()( 1221 FFpFCCpC TTCmTTCmQ −=−=•••

ṁCTC1

ṁCTC2

ṁFTF1

ṁFTF2

TC

TF

Q

En absence d’un changement d’état, la quantité dechaleur Q nécessaire à la masse m pour augmenterde la température T1 à la température T2 :

eTAQ Δ

=• κ

pCρκα =


Définitions

♠ Conductivité thermique, κ : Mesure la facilité avec la quelle la chaleur circule à travers un matériau.

Unité SI : W.m-1.K-1

Loi de Fourrier

♠ Diffusivité thermique, α : Définit la vitesse avec laquelle la chaleur diffuse parconduction à travers un matériau composite.

Unité SI : m2.s-1

La conductivité thermique intervient dans les transferts de chaleur par conduction.


♠ Coefficient de transfert de chaleur, h : propriété thermique associée au transfert dechaleur par convection.

Unité SI : W.m-2.K-1

)( 21 TThAQ −=

Le coefficient de transfert de chaleur h dépend de la vitesse de circulation du fluide,des propriétés du fluide, des caractéristiques de surface du solide et de lagéométrie de la situation.


Transfert de chaleur entre deux fluides séparés par une paroi :coefficient de transfert de chaleur global

Fluide chauffant TC, hC

Fluide chaufféTF, hF

2 modes de transfert de chaleur : convection et conduction

T1

T2

e

κ

Le transfert de chaleur entre les fluides chaud et froidse réalise en 3 étapes en série:

•Convection entre le fluide chaud et la paroi intérieure•Conduction dans la paroi•Convection entre le fluide froid et la paroi extérieure

Échangeurs de chaleur

Un échangeur de chaleur est un appareil où s’effectuent deséchanges thermiques d’un fluide à un autre fluide. Ceséchanges se font par l’intermédiaire d’une paroi.

Échangeurs compacts Échangeurs tubulaires

Surface d’échange importante

Échangeur double tube

Échangeur à faisceau tubulaire


TC1 TC2

TF1

TF2

Fluide chaud

Fluide froid

Co-courant

Contre-courant

TC1 TC2

TF2

Fluide chaud

TF1

Fluide froid

Types de fonctionnement


TC1

TC2

TC1

TC2

TF1

TF2 TF1

TF2Fluide froid

Fluide chaud Fluide chaud

Fluide froid

Co-courant Contre-courant

Profils de température dans un échangeur tubulaire

∆T1

∆T2

∆T1

∆T2

Relation générale de transfert de chaleur

mee TAU Δ=Φ

TRAITEMENTS INDUSTRIELS DE DESTRUCTION THERMIQUE DES MICRO-ORGANISMES

Lois de destruction thermique, stérilisation, pasteurisation

Traitements thermiques

Emballages

Matières premières

Sol Eau

Air

Mains

Insectes

Animaux Surfaces

http://www.juno.dti.ne.jp/~tkitaba/image/13_terres_agricoles.jpg

Objectifs des traitements thermiques

1) Stabilisation biologique des aliments, c’est-à-dire à la destructiondes micro-organismes sous forme végétative ou sporulée(bactéries, levures et moisissures)

Engendrant la détériorationPathogène (rend malade)Toxinogène (empoisonne)

2) Aucune modification sensorielle (couleur, odeur, goût, texture),

3) Conservation des valeurs nutritives (vitamines, acides aminés,acides gras non saturés, produits minéraux, oligo-éléments)

Stérilisation et pasteurisation

La stérilisation et pasteurisation se distinguent par leur intensité etleurs objectifs :

La stérilisation : traitement thermique relativement long à hautetempérature, supérieure à 100°C (105°C à 130°C), capable dedétruire toutes les formes microbiennes présentes, y comprises lesformes sporulées.

légumes, potagesConserves de viande, conserves de poissonPlats cuisinés, pâtes cuisinées

La pasteurisation : traitement thermique court à basse température(entre 70°C et 100°C) visant la destruction des formes végétativesthermosensibles (levures, moisissures et bactéries végétatives) qui, sile pH le leur permet, peuvent germer et altérer le produit.

Condiments, jus de fruits, confituresProduits laitiers pasteurisés, pâtés de viande, foie gras, légumes précuits

Notions de thermobactériologie

Thermobactériologie = Etude de l’impact des traitements thermiques sur lasurvie ou la destruction des différentes formes de micro-organismes.

Loi cinétique de destruction

N0

0Temps

kNdtdN

−=

N : concentration en cellules vivantes àun instant t,dN : variation de la population aucours du traitement de durée dt, à latempérature fixée et maintenueconstante,K : constante de la vitesse de laréaction.

Loi cinétique du premier ordre

N (cellules vivantes/mL)


10n

0Temps

10n-1

10n-2

10n-3

N0


DT

Courbe de survie des micro-organismes à une température de traitement donnée

Destruction thermique en fonction de la durée du traitement

DT est le temps nécessairepour détruire 90% des micro-organismes

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

NNDt T

0log


Destruction thermique en fonction de la température

10n

0

Temps

10n-1

10n-2

10n-3

N0


T1T T2

T1>T>T2

t1 t t2

La vitesse de destruction desmicro-organismes augmenteavec la température.


110 115 120 121,1

15

1

10

z

F

Température (°C)

Temps (min) ZTTDD TT

1221 loglog −=−

DT1, DT2 : durées de réductiondécimale observées respectivement auxtempératures T1 et T2,Z : paramètre d’activation thermique;augmentation de la températurepermettant de réduire la durée dutraitement thermique au dixième de savaleur,F : temps en minutes permettantd’obtenir la stérilité recherchée lorsquele chauffage est conduit à 121,1 °C. Courbe de destruction thermique

Destruction thermique en fonction de la température

ZTT

T

T

DD 12

102

1−

=

Ou


Choix de températures de référence :

ZTT

TrefT

ref

DD−

= 10Tref : température de référence choisie comme « point central » decomparaison des traitements,DTref : (min) durée de réduction décimale de la cible à latempérature Tref.

Valeurs stérilisatrices :

ZT

tF1,121

10.−

=Traitement isotherme

Notions de thermobactériologieRésistance des micro-organismes

Groupe des micro-organismes Résistance à la chaleur (minutes)D121,1°C D100°C D65°C

1. Aliments faiblement acides (pH>4,6)Thermophiles• Bacillus stearothermophilus• Clostridium thermosaccharolyticum• Clostridium nigrificansMésophiles• Clostridium botulinum• Clostridium sporogenes

4,00 à 5,003,00 à 4,002,00 à 3,00

0,10 à 0,200,10 à 1,50

2.Aliments acidesThermophiles •Bacillus coagulansMésophiles •Bacillus polymyxa et Bacillus macerans•Clostridium pasteurianum

0,01 à 0,07

0,10 à 0,500,10 à 0,50

3. Aliments hautement acides (pH<4)• Lactobacilles, moisissures et levures 0,50 à 1,00

Plus D est grand, plus le micro-organisme est résistant à la chaleur


⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

NNDt T

0log

Log N

4

Temps (min)

DT

3

2

Courbe de survie des micro-organismes à une température de traitement donnée

DT (min) est le temps nécessaire pourdétruire 90% des micro-organismes (tempsde réduction décimale), elle est exprimée enminutes.

T (°C)

1

Z

0

-1

Log DT Courbe de destruction thermique

ZTTDD TT

1221 loglog −=−

Z (°C) paramètre d’activation thermique;augmentation de la température quidiminue la valeur D de 90%.

Outils d’évaluation des traitements thermiques

Afin de permettre une comparaison facile de différents traitements (isothermes ou nonisothermes), la valeur stérilisatrice « F » est définie comme une « échelle d’intensité detraitement thermique ».

Hypothèses:

1. La destruction thermique des spores microbiennes présente unevaleur de Z proche de 10°C;

2. La température de 121,1°C (250 °F) est retenue comme référenceinternationale pour la stérilisation;

3. La valeur stérilisatrice totale d’un traitement non isotherme peutêtre exprimée comme la somme des valeurs stérilisatrices de chaqueinstant passé aux différentes températures.

Outils d’évaluation des traitements thermiques

Valeurs stérilisatrices :

Traitement non isotherme de durée t

dtFZ

Tt

1,121

0

10

−

∫=

Avec T=f(t)

Mesure instrumentale ou exploitation

graphiquetF

ZT

n

i

i

Δ=

−

=∑

1,121

110

Formule de Bigelow, Tref=121,1°C, z=10

Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes

Les appareils industriels: autoclaves discontinus

♠ Enceintes fermées hermétiquement♠ Alimentation en fluide chauffant (chaudière)♠ Alimentation en air comprimé (compresseur)♠ Alimentation en eau froide♠ Échangeurs ♠ Régulateurs


Évolution des températures en stérilisationMilieu chauffant : vapeur, vapeur +air, eau surchauffée en immersion ou enruissellement, etc. Température>110°C

Diffusion de chaleur par convection : mode de chauffage rapide,températures homogènes, produits liquides (sauces à faibleviscosité, graisses…) ou particules solides de petite dimension dansun liquide (petits pois, petits fruits au sirop…)

Diffusion de chaleur par conduction : mode de chauffage lent,températures rarement homogènes, aliments solides (pâtés, foiegras…), en purée épaisse (épinards hachés…), liquides de viscositétrès élevées (soupe de poissons…)

Comportement thermique mixte : échauffement par convection etpar conduction, produits constitués par de grosses particules dansun liquide (poireaux, cœurs de céleri…) ou dans une sauce (coq auvin, bœuf en daube…)

Convectif

Conductif

Mixte

Comportement thermique des aliments en stérilisation


Représentation graphique des différentes phases d’un traitement discontinu classique

Liquide Autoclave

Solide

Temps

Tem

pér

atu

re

(°C

)

Barème-chauffage

CUT Refroidissement

T1

T0

T1 (°C) : température constante de régime de l’autoclave,CUT (min) : Come Up Time ou délai de mise en régime,T0 (°C) : température initiale au point critique du produit.

Cycle comportant 4 phases :

♠ Purge de l’autoclave♠ Montée en température♠ Maintien de la température♠ Refroidissement


Évolution des températures en stérilisation

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80

Tem

pér

atu

re

(°C

)

Temps


0,1

1

10

0 20 40 60

Caractérisation de l’évolution de la température : j et fh

fh

1 unité Log

Temps (min)

Log(T1-T)

Log(T1-T*)

Courbe de pénétration de chaleur au chauffage

La partie linéaire de la courbe estcaractérisée par sa pente et sonordonnée à l’origine qui représenteun écart (T1-T*).


Caractérisation de l’évolution de la température : j et fh

tf

TTTTh

1)log()log( 1*

1 =−−−

Équation de la courbe de pénétration de chaleur au chauffage :

TTTTft h −

−=

1

*1log

Définition du paramètre j :01

*1

TTTTj

−−

=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−

=TTTTjft h

1

01log

La phase de chauffage est entièrement définie par les valeurs T1 et T0 connues de l’opérateur et les paramètres fh et j mesurés expérimentalement.

•fh s’exprime en min et représente la vitesse de pénétration de la chaleur dans un coupleemballage/produit donné. Elle est reliée à la fois aux caractéristiques de diffusion de chaleur(convection et/ou conduction) et à la géométrie de l’emballage.

•j (sans dimension) exprime le caractère plutôt convectif (j est alors proche de 1) ou plutôtconductif (j se rapproche de 2) du chauffage.

Facteur de retard


Calcul des barèmes de stérilisation

Un barème de stérilisation est défini par la durée tc et la température de palierTR de la phase de chauffage. Il doit combiner à la fois:

•La définition de l’objectif d’intensité thermique/efficacité décontaminante àatteindre : valeur stérilisatrice objective F0;

•La prise en compte de la vitesse de pénétration de la chaleur dans le produit;

•Le choix de la température de traitement en palier;

•La température initiale du produit;

•Les caractéristiques du matériel (autoclave) mis en œuvre.


Calcul des barèmes de stérilisation

Caractéristiques thermiques du couple produit/emballageChoix de la température de travail

Définition de la durée du barème

Méthode de Bigelow (méthode graphique) : courbed’évaluation du facteur de Bigelow en fonction du temps,ne nécessite pas la connaissance de fh et j; (méthodegraphique)

Méthode de Ball (méthode prédictive) : nécessite laconnaissance de fh et j, requiert l’usage des tables de Ball.


Calcul des barèmes de stérilisation: méthode de Bigelow

F0 F0

Température constante Température variable

10T‐121,1/Z

10T‐121,1/Z

Temps (min) Temps (min)

ZT

bF1,121

10−

= Facteur de Bigelow


Calcul des barèmes de stérilisation: méthode de Ball

1. Données : T1, T0, F

2. Détermination des paramètres de pénétration de chaleur : fh, j(obtenus à partir d’un relevé de température obtenu dans des conditions expérimentales strictes)

3. Détermination de fh/U :

4. Détermination de log g à partir de la table de Ball

5. Calcul de B :

6. Détermination de Bt :

101,1211

10−

=T

hh

Ff

Uf

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

−−

=g

h TTTTjfB

1

01log

CUTBBt 42,0−=


Microorganismes Température de référence (°C)

D Z (°C)

ClostridiumBotulinum

121,1 0,2 min 10

ClostridiumSporogenes

121,1 0,1 à 1,5 min 10

Mésophiles dans lelait entier

121,1 11 s 10,5

Thermophiles dansle lait entier

121,1 25 s 10,5

Mésophiles dans lacrème à 30%

121,1 31 s 10,5

Thermophiles dansla crème à 30%

121,1 46 s 10,5

Valeurs de D et Z pour certains microorganismes


La pasteurisation

Action par voie thermique sur la flore d’un produit

Objectif bactériologique

♠ Détruire la flore pathogène♠ Réduire la flore banale♠ Éviter de nouvelles proliférations♠ Éviter les recontaminations

Objectif organoleptique

♠ Respecter l’intégrité du produit♠ Préserver ses qualités


Exemples de barèmes de pasteurisation

Aliments Durée Température (°C)

Lait 30 min15 à 40 s

1 à 4 s

62 à 65 °C71°C

85 à 90°CMélange pour crèmeglacée

16 à 20 s 85°C

Vin et bière 1 à 2 min 80 à 90°CJus pasteurisé dans unéchangeur de chaleur

30 à 60 s 90°C

Œufs liquides entiers 3,1 min 60°C


Pasteurisation : modalités de mise en oeuvre

Pasteurisation en batch Pasteurisation en continu


Pasteurisation en batch

°C♠ Barème de stérilisation : 63°C, 30 min

♠ Chauffage du produit dans une large cuve

♠ Contrôle et affichage de la température

♠ Agitation pour un chauffage régulier

♠ Cycles de chauffage et de refroidissement automatisés

♠ Nettoyage manuel


Pasteurisation en continu

♠ Barème de stérilisation : >70°C, 10-40 s

♠ Grands débits, économies d’énergie par récupération

♠ Faible volume des circuits courte durée de séjour


Pasteurisateurs à plaques

♠ Fonctionnement : les échangeurs sont constitués de plaques ondulées neménageant qu’un passage mince entre plaques pour les fluides. La surfaced’échange est composée de ces plaques métalliques, équipées de joints, serréesles unes contre les autres. Les ondulations accroissent la turbulence des fluides,les joints préviennent les fuites.

♠ Avantages : Grande compacité, démontage facile, possibilité de modification dela surface d’échange.

♠ Inconvénients : Faible nettoyabilité, ne convenant pas pour le traitement defluides visqueux ou contenant des morceaux solides.


Pasteurisateurs à plaques

Plateau fixe, plateau mobile


Pasteurisateurs à plaques : récupération de chaleur

T0

T1 T2

T2T3

Le taux de récupération est la quantité de chaleur récupérée rapportée à laquantité de chaleur totale nécessaire pour chauffer le produit.

Chauffage

Refroidissement Récupération de l’énergie

T0

02

01

TTTTR−−

=

Concentration par évaporation

Notions de base

Relation entre la température de l’eau et la pression de vapeur d’eau

Quelle que soit la température, l’eau liquide exerce une certaine pression de vapeur d’eau.

Point critique

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +−−= − 26.10.1653,4)ln(3037,72,7258649,73exp TT

Tp

T : température (K)p : pression absolue (Pa)

Pression de vapeur d’eau

Relation valable entre 273,15 K et 674 K ( de 0 à 374°C)


Notions de base

Température d’ébullition de l’eau (absence de solutés)

L’eau pure est dite « à sa températured’ébullition d’équilibre » quand la pressionde vapeur exercée par celle-ci est égale à lapression ambiante.

)ln(727,11)ln(42,2284,1168

pp

−+

=θ

θ : température (K)p : pression absolue (bar)

Lien pour l’eau entre température et pression dans le domaine des basses

pressions


Notions de base

Enthalpie de l’eau liquideL’enthalpie est la quantité d’énergie contenue dans un corps. Par convention,l’origine de l’échelle des enthalpies est l’eau liquide à 0°C.

L’enthalpie de l’eau liquide est déterminée à partir de la capacité thermiquemassique et de la température:

( ) ∫°

°

=C

CeaupeauL dCH

θ

θθ θ0

.. )(

Chaleur latente de vaporisationLa chaleur latente de vaporisation représente la quantité d’énergie qu’il fautfournir pour passer une quantité de solvant de l’état liquide à sa température devapeur saturante à l’état vapeur saturée.

La connaissance des enthalpies de l’eau bouillante et de la chaleur latente devaporisation à la température de vapeur saturante permet de déterminerl’enthalpie de la vapeur saturante :

eauvapbouillanteeauLsaturéev HHH .... Δ+=


L’évaporation est l’opération consistant à concentrer une solution ouune suspension de composés essentiellement non volatils « matièresèche » par ébullition du solvant qui est lui volatil (en général l’eau).

Évaporation : définition

Évaporation : objectifs

♠ Pré-concentration d’un aliment liquide avant séchage, congélation ou stérilisationpour la diminution du poids et du volume;

♠ Augmentation de la teneur en matières sèches (confiture, mélasse, siropd’érable…) pour la diminution de l’activité de l’eau et par conséquent laconservation du produit;

♠ Réduction du volume et du poids pour diminuer les coûts de transport,d’emballage et de stockage (concentrés de jus de fruits, lait, extraits de viande,etc.);

♠ Concentration pour changer la saveur et la couleur de l’aliment (bonbon aucaramel, sirop caramélisé).


Circuits d’un évaporateur simple effet

Circuit de la vapeur de chauffage : Introduction de la vapeur de chauffagedans la partie « chauffe », transfert de chaleur vers le produit et condensation dela vapeur de chauffage via des purgeurs ou une pompe connectés dans la partiebasse de la zone de chauffe;

Circuits du liquide à concentrer et de la vapeur émise;

Circuit de condensation de la vapeur émise et obtention du vide : aspiration dela vapeur émise vers un système de condensation, fonctionnement sous videpour obtenir l’ébullition du produit (IAA) à une température suffisamment bassepour limiter sa dégradation;

Circuit de refroidissement de l’eau de condensation : élimination d’unemanière satisfaisante la chaleur afin d’assurer le vide.


Principe d’un évaporateur simple effet

L0 : entrée solutiond’alimentation (produit àconcentrer) xL0

V0 : vapeur de chauffage

C1 : condensats issus de V0

L1 : sortie produit concentré xL1

Séparateur

VE1 : vapeur émise par leproduit

Échangeur de chaleur

Dispositif de répartition


Calcul des évaporateurs : écriture des bilans

Liquide à concentrer

Vapeur V0 VE1

C1

L0 L1

mV0=kg/hTV0=°C

HV0=KJ/Kg

mC1=kg/hTC1=°C

HC1=KJ/Kg

mL0=kg/hxL0=%TL0=°C

HL0=KJ/Kg

mVE1=kg/hTVE1=°C

HVE1=KJ/Kg

mL1=kg/hxL1=%TL1=°C

HL1=KJ/Kg

Schématisation de l’évaporateur pour l’écriture des bilans


Bilan matière sur l’évaporateur

Le bilan matière d’un évaporateur est relativement simple à établir puisqu’il répondà l’équation suivante:

Solution d’alimentation = solution concentrée + eau évaporée

Bilan matière côté liquide

110 VELL mmm•••

+=

Bilan matière côté vapeur

10 CV mm••

=

Bilan matières sèches

1100 LLLL xmxm••

=


Bilan énergétique sur l’évaporateur

Pour établir le bilan énergétique, on écrit l’égalité de l’énergie thermique totale deséléments entrants et de celle des éléments sortants.

Débit d’enthalpie entrante = Débit d’enthalpie sortante

À l’entrée :

L’enthalpie massique de la solution d’alimentation : HL0L’enthalpie massique de la vapeur de chauffage : HV0

À la sortie :

L’enthalpie massique de la solution concentrée : HL1L’enthalpie massique des vapeurs émises : HVE1L’enthalpie massique du condensat des vapeurs de chauffe : HC1

( ) 1101000 VEVELLLVV HmHHmHmQ Δ+−=Δ=••••


Bilan sur le condenseur

Eau de refroidissement

Vapeur émise

VE1 Sortie eau

C2

mVE1=kg/hTVE1=°C

HVE1=KJ/Kg

mC2=kg/hTC2=°C

HC2=KJ/Kg

mE2=kg/hTE2=°C

HE2=KJ/Kg

Entrée eau

mE1=kg/hTE1=°C

HE1=KJ/Kg

( )1211 EEpEVEVEc TTCmHmQ −=Δ=•••


Surface du condenseur

Surface du condenseur = f(hc, ∆Tutile)

hc : coefficient de transfert moyen du condenseur;∆Tutile : écart logarithmique moyen de température entre la vapeur en

condensation et l’eau.

utilec

cc Th

QAΔ

=

•

( ) ( )

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−−

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

−−−=Δ

21

11

12

21

11

2111

lnlnEVE

EVE

EE

EVE

EVE

EVEEVEutile

TTTT

TT

TTTT

TTTTT


Estimation du coefficient de transfert de chaleur global

ParoiVapeur de chauffage

Liquide à concentrer

∆T

TAhGQ Δ=•

hV hp hL

10 LV TTT −=Δ

Q : flux de chaleur échangée pourl’évaporateur (W)hG : coefficient de transfert globalde chaleur de l’évaporateur (W.m-2.°C-1)∆T : écart de température utile autransfert de l’évaporateur (°C)

Lp

p

VLpVG he

hhhhh111111

++=++=λ


Efficacité énergétique

0V

VE

mmEfficacité =

L’efficacité énergétique est liée au rapport suivant :

Efficacité énergétique =Débit d’eau évaporée (t/h)

Débit de vapeur de chauffage (t/h)

Concentration par évaporationÉvaporation simple effet

Alimentation produit L0, xL0

Vapeur de chauffe V0

C1 C2 C3CC

C1

Vapeur de chauffe V0

L1, xL1 L2 L3=produit concentré, xL3

VE1 VE2 VE3

Évaporation à multiple effet

TE1: eau froide

TE2: eau tiède

Condenseur

Condenseur

TE2: eau tiède

TE1: eau froide

Alimentation produit L0, xL0

VE1

C2

L1=produit concentré, xL1


Évaporation multiple effet

Simple effet Double effet Triple effet

Vapeur de chauffage consommée (Kg)Vapeur émise rejetée (Kg)Condensats à 100°CCondensats retournés à la chaudière(% en masse)

123010001121

91

680456

1136

167

490281

1209

246

Comparaison des paramètres de fonctionnement d’évaporateurs à simple et à multiple effet pour l’évaporation de 1000 Kg d’eau

Consommation de vapeur de chauffage

Quantité de vapeur rejetée

Quantité d’eau pouvant être retournée à la chaudière

Coût d’investissement de l’installation

Augmentation du nombre d’effets pour une même

évaporation

Séchage des aliments

Définition Le séchage est l’opération ayant pour but d’éliminer, par évaporation, l’eau d’un corps humide (solide ou liquide), le produit final obtenu étant toujours un solide.

Objectifs ♠ Accroître la durée de conservation des produits;

♠ Amortir le caractère saisonnier de certaines activités;

♠ Diminuer la masse et le volume des aliments, pour réduire leur encombrementet faciliter leur transport;

♠ Donner une présentation, une structure ou une fonctionnalité particulière auproduit (flocons de purée de pomme de terre, café lyophilisé);

♠ Stabiliser des co-produits industriels pour l’alimentation animale (pulpes desucrerie, drêches de brasserie, farine de viande et de poisson, lactosérum…).

Problèmes techniques liés au séchage

♠ Risque d’altération du produit (forme, texture, qualités nutritionnelles);

♠ Consommation énergétique considérable.


Produits agricoles peu hydratés(séchage complémentaire destabilisation)

Céréales, graines oléagineuses, etc.

Produits agricoles très hydratés(allègement et stabilisation)

Laits et dérivés, fruits et légumes,plantes aromatiques et médicinales,viandes et poissons, œufs etdérivés, etc.

Produits issus de transformationsindustrielles (stabilisation etprésentation)

Extraits de café et de thé, pâtesalimentaires, charcuteries, sauce,sucre, etc.

Sous-produits industriels Pulpes de betteraves, drêches debrasseries, lactosérum, etc.

Principaux types de produits agricoles et alimentaires séchés


Mat.sèche

W1 initial (Kg d’eau par Kg de

produit)

Mat.sèche

Vapeur émise

Mat.sèche

W2 final

1 Kg

P1 (débit mp1) état initial(base humide)

P2 (débit mp2) état final Teneur en eau finale (basehumide)

Produit = matière sèche + eau

Non volatile, resteconstante au coursdu séchage

Se vaporise et quittele produit sousforme de vapeur


Mat.sèche(1-W)

W initial (Kg d’eau par Kg de

produit)1 Kg de matière sèche

X (Kg d’eau par Kg de matière sèche)

1 Kg

Total :(1+X) Kg

W base humide X base sèche

Teneur en eau du produit

WWX−

=1 X

XW+

=1


Conservation de la matière sèche

)1()1( 21 21 WmWm pp −=−••

21

11

21 +=

+

••

Xm

Xm PP

Avec la notation en W

Avec la notation en X


Notion d’équilibre et d’activité de l’eau

H20g

H20g H20g

H20g

Atmosphère Solide humide

Constituants organiques, minéraux et

eau liée

Eau libre

ew P

Pa =Activité de l’eau

aw HR

À l’équilibre HR = aw Tair = Tproduit



Air HR = 60%

Air HR = 60%

Eau

Eau

Produit sec (biscuit,poudre, etc…)

0,2<aw<0,5

Produit humide(légumes, viandes,etc…)

0,9<aw<1

aw = 0,6

Produit enéquilibre avecl’air

Relation entre l’activité de l’eau et l’humidité de l’air



Micro-organismes aw minimale

Bactéries 0,910

Levures 0,187

Moisissures 0,70

Valeurs minimales de l’activité de l’eau permettant la croissance des principaux types de micro-organismes

Le séchage permet d’obtenir un produit stable, mais non stérile!


Séchage convectif par air chaud, par entraînement

Produit

Air A de séchage (chaud et sec) :Ta, εa, va

Flux de chaleur

Flux de matière

Transfert de chaleur

Transfert d’eau

Produit humide :Tp, Xp, mp

Ta>Tp


Propriétés de l’air humide : diagramme enthalpique de l’air humide

Le diagramme enthalpique de l’air humide permet de représenter toutes lespropriétés d’un air donné (humidité relative εa, teneur en eau Ya, enthalpie Ha,etc.) par un point caractéristique tel que A, à partir de deux données.

Humidité absolue (teneur en eau)

AS

VA m

mY =

Humidité relative (taux de saturation)

satV

V

mm

=ε


Ts (sec) en amont

Th (humide) en aval

Air humide

Air à caractérise

r

Température humide

Principe de fonctionnement d’un psychromètre

L’air humide circule dans la canalisation où il rencontre successivement unthermomètre normal s, dit thermomètre sec donnant une température Ts

(température sèche), puis un thermomètre h, dit thermomètre humide, entouréd’une mèche imbibée d’eau liquide. Le séchage de la mèche humide fait que cesecond thermomètre indique une température Th<Ts, appelée températurehumide.


Bilan sur les séchoirs

Chauffage de l’air

Séchoir

A0

A1

P1

A2

P2

ma

Y0, Ha0

ma

Y1, Ha1

ma

Y2, Ha2

ms

X1

ms

X2


Bilan de l’eauL’eau que perd le produit est gagnée par l’air, le débit d’eau s’écrit alors :

)()( 2112 XXmYYmm saeau −=−=•••

Bilan enthalpique

222111 ppaaPpaa HmHmHmHm••••

+=+

Le bilan de l’eau et le bilan enthalpique dans un sécheur permet de calculer la quantité d’air nécessaire au séchage du produit.

Consommation énergétique

Elle correspond à la quantité de chaleur à fournir à un séchoir pour sécher 1 Kg d’eau (J.Kg-1)

Documents

Cours_GIA_2011