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En anglaisRÉSUMÉ
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 Mélange des produits pâteux- Performances des agitateurs 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 Rhéologie, texture et texturation des produits alimentaires[F 3 300].
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2. Grandeurs caractéristiques d’un système agité
2.1 Puissance consommée par un agitateur
2.1.1 Cas d’un fluide newtonien
Pour une information plus détaillée sur l’application des principes de similitude et de l’analyse dimensionnelle au calcul de la puissance consommée pour un système agité lors du mélange de fluides newtoniens, le lecteur se référera au dossier Mélange des produits pâteux- Performances des agitateurs.
La puissance P consommée par un système d’agitation est une fonction des propriétés physiques du fluide, des caractéristiques géométriques du système, de la vitesse de rotation de l’agitateur et d’autres grandeurs physiques comme l’accélération due à la pesanteur par exemple. Cette puissance consommée P peut donc s’exprimer en fonction des grandeurs suivantes :
Une analyse dimensionnelle montre que cette relation [2] peut s’écrire à l’aide de nombres adimensionnels sous la forme suivante :
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Grandeurs caractéristiques d’un système agité
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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(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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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
1 Performances hydrauliques et thermiques de mélangeurs statiques commerciaux
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