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Jean VASSEUR : Ingénieur GREF - Docteur Ingénieur - Professeur à AgroParisTech-MASSY (ex-ENSIA) - UMR 1145 – Génie des Procédés Alimentaires
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les articles précédents [J 2 451] et [J 2 452] ont présenté le « séchage par air chaud », ses applications industrielles et les techniques d'économie d'énergie, pour le cas courant où c'est l'air chaud qui apporte au produit l'énergie de vaporisation de l'eau, via des transferts convectifs air/produit. Les deux articles suivants [J 2 453] et [J 2 454] décrivent les « autres modes de séchage que par air chaud », où l'air circulant autour du produit est généralement plus froid que le produit, et où ce n'est pas lui qui apporte la chaleur utile à la vaporisation de l'eau, mais d'autres modes de chauffage, avec des avantages et des inconvénients spécifiques qui seront décrits. En particulier, on va démontrer la possibilité de diviser dans certains cas la consommation d'énergie par 2 à 15 par rapport au séchage par air chaud, en changeant de mode de séchage, ce qui est du plus haut intérêt industriel. Les articles [J 2 453] et [J 2 454] sont classés selon le mode d'apport de chaleur.
Dans [J 2 453] (présent article) :
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séchage par conduction : le produit est mis au contact d'une paroi chauffée à la température de source chaude (oC) en surface, et la chaleur est apportée au produit par conduction à travers cette paroi, puis par conduction dans le produit. Selon les conditions, notamment de température de plaque en regard de la pression ptot régnant côté produit, le séchage sera en mode « par ébullition » ou « par entraînement » (les définitions sont développées au § 1.1, puis reprises et résumées en [J 2 454] § 1). On présentera les possibilités d'économie d'énergie associées : la consommation est, selon le cas, de 2 à 10 fois moindre que dans le séchage par air chaud ;
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séchage par vapeur d'eau surchauffée (VES) : on remplace l'air chaud circulant autour du produit par de la vapeur d'eau quasi-pure surchauffée, c"est-à-dire dont la température est nettement plus élevée que sa température de saturation à la même pression ptot de fonctionnement. Ce gaz « sec » peut donc chauffer le produit par convection sans se condenser, et apporter ainsi au produit l'énergie de vaporisation du séchage. En atmosphère de VES quasi-pure (en l'absence d'air), le mode de séchage est alors forcément par « ébullition » (§ 1.1). On verra que cette technique permet potentiellement une réduction considérable de la consommation d'énergie pour le séchage, qui peut tendre vers 0 quand la vapeur émise par le produit peut être utilisée et valorisée par ailleurs.
Dans [J 2 454] (prochain article) :
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séchage par rayonnement : l'énergie est apportée au produit par rayonnement, ce qui décrit les cas de chauffage par infrarouge, micro-ondes, hautes fréquences, ainsi que le séchage solaire à ensoleillement direct ;
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séchage par friture : le produit est immergé dans un bain d'huile chaude (friture par immersion), où le séchage a lieu par ébullition, situation voisine du séchage VES avec cependant des différences de mise en œuvre ;
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séchage par « lyophilisation » : la lyophilisation concerne un produit préalablement congelé, tel que l'eau passe directement de l'état solide (glace) vers la phase vapeur sans passer par l'étape de fusion, ce changement d'état étant appelé « sublimation ». Ce séchage peut se faire en atmosphère de vapeur d'eau pure sous vide, ou en présence d'un certain taux de gaz incondensables dans l'atmosphère autour du produit, la pression de vapeur étant alors une pression partielle ppa ;
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séchage par zéolithes : le séchage se fait par transfert de vapeur entre le produit et les zéolithes régénérées, avides d'eau, et fonctionne sur le mode de « l'ébullition » quand on est dans une atmosphère de vapeur d'eau pure sous vide, comme pour la lyophilisation sans air.
Dans le paragraphe 1.1 du présent article, l'accent est mis sur la distinction fondamentale entre les deux modes de séchage « par ébullition » et « par entraînement », sur l'exemple du séchage chauffé par conduction. En effet, l'ébullition est un mode de séchage courant quand ce n'est plus l'air chaud qui apporte l'énergie au produit. Cette problématique – séchage « par ébullition » ou « par entraînement » – sera reprise tout au long des deux articles ([J 2 453] et [J 2 454]), et il nous semble utile de lire le paragraphe 1.1 avant d'aborder chaque type de séchage traité : les lois de transfert, les histoires hydro-thermiques suivies par le produit au cours du séchage, la façon de piloter les flux et la consommation énergétique du séchage sont nettement différents dans les deux cas.
On continuera dans tous les cas de s'appuyer sur le concept d'activité de l'eau aw et de courbe de sorption (cf. [J 2 451] § 1), qui caractérise la liaison de l'eau sur la matière sèche du produit notamment au cours du séchage. L'activité de l'eau étant une caractéristique d'état attachée à l'interaction eau/produit, est par là indépendante du mode de séchage (par ébullition ou par entraînement). Mais en ébullition, on utilisera plutôt les « isobares » de sorption à pv = Cte (pression supposée connue ou fixée) et à variable, au lieu des isothermes de sorption à fixée et pv variable, telles qu'utilisées précédemment pour le séchage par entraînement dans l'air chaud.
L'ensemble « Séchage industriel » est constitué de plusieurs articles :
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[J 2 451] : Principes du séchage – Le séchage convectif par air chaud ;
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[J 2 452] : Séchage convectif par air chaud : applications industrielles, et économies d'énergie ;
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[J 2 453] : Autres modes de séchage que l'air chaud : séchage par conduction, par vapeur d'eau surchauffée (VES) ;
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[J 2 454] : Autres modes de séchage que l'air chaud : séchage par rayonnement, par friture, par lyophilisation et zéolithes (à paraître en 2011) ;
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[J 2 455] : Technologie et choix des séchoirs (P. Arlabosse).
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2. Séchage convectif par vapeur d'eau surchauffée (VES)
Nous décrivons d'abord le principe du séchage par vapeur d'eau surchauffée, notée VES, qui est un chauffage par convection gaz/produit et un mode de séchage par ébullition tel que défini au § 1.1.1, le produit étant entouré de vapeur quasi pure. Il y a des analogies avec d'autres techniques de séchage par ébullition, comme le séchage par friture par immersion décrit en [J 2 454].
2.1 Principes du séchage en atmosphère en VES
La vapeur d'eau surchauffée est définie comme une vapeur à température plus élevée que sa température saturante à la même pression, et elle est supposée faite de vapeur pure psat = ptot , donc en l'absence d'air. Pour ptot = 1 bar absolu, la température saturante est qsat = 100 oC, mais si cette vapeur est réchauffée par exemple à qVES = 180 oC dans un échangeur à pression constante (chauffage isobare), elle n'est plus saturante mais dite « sèche », et elle possède 80 oC de surchauffe Δq = (qVES – qsat). Elle peut alors fournir de la chaleur « sensible » en se refroidissant de 180 oC à 140 oC par exemple, par des transferts convectifs avec le produit à sécher, et sans se condenser puisqu'elle a encore 40 oC de surchauffe (à...
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Séchage convectif par vapeur d'eau surchauffée (VES)
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BASSAL (A.), sous la direction de VASSEUR (J.) - Le séchage par la valeur d'eau surchauffée – État de l'art. (synthèse bibliographique). - Cahier de l'AFSIA no 13, Éd. LAGEP, Lyon, 83 p. (1996).
-
(2) - PONSART (G.), VASSEUR (J.), FRIAS (J.M.), DUQUENOY (A.), MEOT (J.M.) - Modeling of stress due to shrinkage, during drying of spaghetti. - Journ. of Food Engineering, 57(3), p. 277-285 (2003).
-
(3) - GPA Génie des procédés alimentaires. - Éd. Dunod, 573 p. (2002).
-
(4) - PÉRRÉ (P.), MOSER (M.), MARTIN (M.) - Advances in transport phenomena during convective drying with superheated steam and moisture air. - Intern. Journ. of Heat and Mass Transfer, 36(11), p. 2725-2746 (1993).
-
(5) - NADEAU (J.P.), PUIGALLI (J.R.) - Séchage, des processus physiques aux procédés industriels. - Éd. Lavoisier Tec. & Doc., Paris, 307 p. (1995).
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