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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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Lire l’articleAuteur(s)
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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 Mélange des produits pâteux- Caractéristiques d’un système agité.
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Extrapolation
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2. Exemples de calculs pour des systèmes d’agitation
2.1 Puissance d’agitation et couple nécessaire
On calcule la puissance nécessaire à l’entraînement d’un mobile d’agitation (N = 100 tr/min) de type ruban hélicoïdal dont les principales caractéristiques géométriques sont :
Le mobile est placé dans une cuve de 0,346 m de diamètre t, contenant un liquide visqueux newtonien (V = 30 L) de masse volumique ρ = 1 400 kg/m3 et de viscosité µ = 40 Pa.s.
Les constantes KP et Ks déterminées au préalable sont respectivement égales à 315 et 32. On en déduit la puissance dissipée par unité de volume de liquide P/V, ainsi que la vitesse périphérique du mobile d’agitation.
Les agitateurs de type ruban hélicoïdal sont particulièrement adaptés au mélange de produits visqueux puisqu’ils sont capables de promouvoir un mouvement de circulation du fluide dans l’ensemble du volume de la cuve.
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Régime d’écoulement
Le nombre de Reynolds d’un agitateur de type ruban hélicoïdal est défini comme suit :
![]()
Le nombre de Reynolds étant inférieur à 100 voire 50 pour certains auteurs, dans le cas des agitateurs de proximité, le régime d’écoulement est donc laminaire pour les conditions opératoires optées.
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Puissance d’agitation
En régime laminaire, le produit NP × Re est une constante KP qui dépend uniquement de la géométrie du système d’agitation. La constante KP du mobile d’agitation utilisé vaut 315. La puissance nécessaire à l’entraînement du ruban hélicoïdal s’exprime de la façon suivante :
![]()
...
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