Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Pour notre consommation, le secteur agroalimentaire élabore de plus en plus de produits aux caractéristiques rhéologiques complexes. Ces produits alimentaires nécessitent lors de leur fabrication des mises en agitation de plus en plus étudiées. Cette agitation a pour objectif, par apport d’énergie, de contribuer aux échanges de matière et de chaleur des différentes substances en présence. Cet article présente les différents équipements adaptés aux fluides visqueux, ainsi que leurs grandeurs.
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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
Le secteur agroalimentaire est aujourd’hui de plus en plus confronté à la mise en circulation ou à l’élaboration de produits rhéologiquement complexes (plats cuisinés, assaisonnements, yaourts…). Les goûts et les critères de choix des consommateurs sont directement responsables de cet état de fait. Pour donner un ordre de grandeur, il faut savoir qu’aujourd’hui plus de 80 % des fluides traités dans l’industrie alimentaire ont un comportement rhéologique non newtonien.
Ces nouveaux produits sont très souvent obtenus en mettant en contact les différentes substances nécessaires à leur élaboration (ingrédients, épaississants, colorants) dans des cuves mécaniquement agitées.
L’agitation mécanique du système a principalement pour but d’apporter de l’énergie mécanique au milieu et donc de favoriser le contact intime entre les différentes substances ou phases, pour réaliser dans les meilleures conditions les transferts de matière ou de chaleur.
Ces dernières années, l’agitation est passée progressivement de l’état « d’art » à l’état « de science », dû notamment aux avancées des techniques expérimentales (vélocimétrie laser, particle image velocimetry PIV, tomographie, techniques ultrasonores) et des techniques numériques (computational fluid dynamic CFD).
Lorsque l’on aborde un problème d’agitation-mélange, la première question qu’on est amené à se poser est de savoir quel type de mobile d’agitation peut être utilisé pour répondre aux objectifs de l’opération de mélange préalablement définis, en particulier lorsqu’il s’agit de traiter des milieux rhéologiquement complexes et/ou fortement visqueux.
Nous proposons, dans ce dossier, de présenter les différents équipements de mélange traitant des fluides visqueux. Puis les principales grandeurs caractéristiques concernant plus spécifiquement les systèmes mécaniquement agités seront reportées, notamment la puissance consommée, les temps de mélange et de circulation, ainsi que le transfert de chaleur au sein de ces systèmes d’agitation.
Dans une deuxième partie seront abordées les performances des appareils d’agitation.
Pour plus d’informations concernant la rhéologie, la texture et la texturation des produits alimentaires, le lecteur pourra se reporter au dossier [F 3 300].
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Équipements de mélange pour fluides visqueux
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3. Conclusion
Si l’on peut escompter une bonne précision dans l’estimation de la puissance d’agitation et du coefficient de transfert de chaleur pour un agitateur donné, notamment due aux avancées et à la précision des moyens de mesure, la détermination des temps de mélange demeure très imprécise, en particulier pour les milieux viscoélastiques, puisqu’elle est fortement tributaire de la technique expérimentale utilisée.
Les agitateurs de proximité paraissent s’imposer pour l’homogénéisation de produits pâteux. De même, il semble préférable d’utiliser de tels systèmes d’agitation équipés d’une double enveloppe lorsque l’on a une opération de transfert de chaleur à réaliser avec des pâtes. Toutefois, l’optimisation de leurs caractéristiques géométriques et opératoires doit être conduite avec de grandes précautions pour éviter d’éventuels dysfonctionnements dus à la complexité rhéologique.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - WICHTERLE (K.), WEIN (O.) - Threshold of mixing of non-newtonian liquids. - Int. Chem. Eng. 21, pp. 116-120 (1981).
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(2) - NAGATA (S.), YANAGIMOTO (M.), YOKOYAMA (T.) - Studies on the mixing of high viscous liquids. - Memoirs of the faculty of engineering – Kyoto University, 18, p. 444-60 (1956).
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(3) - CHAVAN (V.V.), ULBRECHT (J.) - Power correlation for close-clearance helical impellers in non-newtonian liquids. - Ind. Eng. Chem. Process Des. and Dev. 12, 4, p. 472-76 (1973).
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(4) - LAFON (P.) - Mélange laminaire de fluides miscibles en cuve agitée. - Thèse de doctorat, INP. Toulouse, France (1989).
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(5) - CAUSSANEL-LAURENT (O.) - Agitation industrielle de fluides visqueux newtoniens et pseudoplastiques : Approches expérimentale et numérique. - Thèse de doctorat ès sciences physiques, INP Toulouse, France (1990).
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(6)...
1 Performances hydrauliques et thermiques de mélangeurs statiques commerciaux
(liste non exhaustive)
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