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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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Performances des principaux agitateurs de proximité
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3. Extrapolation
3.1 Principe de l’extrapolation
Le but de l’extrapolation (« scaling-up ») est de permettre de reproduire à l’échelle industrielle des résultats obtenus à l’échelle pilote ou au laboratoire. Il s’agit donc de dimensionner un système d’agitation à plus grande échelle.
L’extrapolation est fondée sur le principe de similitude selon lequel les rapports d’un ou plusieurs paramètres sont maintenus constants aux deux échelles. On peut considérer cinq similitudes :
-
similitude géométrique : les rapports des dimensions géométriques sont similaires aux deux échelles (exemple : d/t) ;
-
similitude dynamique : les rapports de force sont identiques aux deux échelles (exemple : Re, Fr...) ;
-
similitude cinématique : les rapports des vitesses en des points homologues sont identiques ;
-
similitude chimique : les concentrations sont similaires en des points homologues ;
-
similitude thermique : les températures sont les mêmes en des points homologues.
Cependant, les paramètres géométriques et opératoires sont nombreux dans le domaine de l’agitation/mélange. De ce fait, il paraît difficile de concevoir que le principe de similitude soit respecté pour toutes les grandeurs caractéristiques.
HAUT DE PAGE3.2 Effet du changement d’échelle sur les grandeurs caractéristiques
Lors d’un changement d’échelle d’un système d’agitation, il est intéressant de voir l’évolution des grandeurs caractéristiques en prenant comme critères la vitesse périphérique, la puissance dissipée par unité de volume ou encore le débit de circulation. Le cas particulier de l’extrapolation du transfert thermique en régime laminaire sera traité dans le paragraphe suivant.
L’extrapolation d’une cuve pilote à une installation industrielle peut se faire en similitude géométrique complète selon le critère qui maintient inchangée la grandeur caractéristique de l’opération.
En régime laminaire, dans une cuve d’agitation donnée équipée d’un agitateur de proximité type ruban hélicoïdal,...
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