NOTION GENERALE SUR LE SECHAGE
Intérêt du séchage
Le séchage est un procédé pratiqué depuis la nuit des temps, et se développe même aujourd’hui dans les milieux industriels. Il constitue une part considérable dans le secteur agroalimentaire, il est un moyen efficace de conservation des produits. Sécher un produit consiste à extraire de l’eau, par vaporisation quelque soit la nature du produit à sécher. Le séchage implique des opérations couplées de chaleur, et de masse (de l’eau sous des formes liquides ou vapeurs). Le transfert de chaleur a pour but, de fournir l’énergie nécessaire à l’évaporation de l’eau. Il est gouverné par un gradient de température, tandis que le transfert de masse dépend des gradients au sein du produit, de la concentration en eau liquide, de la pression partielle de vapeur d’eau, de la pression totale , le paramètre moteur du séchage est cependant, le gradient de pression partielle de vapeur d’eau, entre la surface du produit, et l’air ou plus généralement le milieu extérieur. Dans le cas du séchage convectif, l’air chaud a donc deux rôles essentiels : apporter les calories nécessaires à l’évaporation de l’eau, et emporter la vapeur d’eau. Pour cela, plusieurs paramètres doivent être tenus en compte, afin d’obtenir une meilleure qualité du produit fini, lors du séchage d’un produit biologique :
➤ Des modifications biologiques :
● Brunissement résultant de combinaisons entre protéines et glucides accompagnés généralement d’une perte de lysine
● Oxydation de matières grasses
● Destruction de vitamines
● Dénaturation de protéines
● Etc.…
➤ Des pertes d’aromes
➤ Des modifications physiques et mécaniques : migration des solutés vers la surface, fusion et migration de matières grasses, modifications de forme.
Il faut noter aussi que, le séchage n’aseptise pas le produit. Les micro-organismes ne sont pas détruits, d’où l’intérêt de partir d’un produit initial de première qualité ; de veiller à la propreté des instruments de séchage ; de diminuer autant que possible la température du produit ; de veiller à la qualité de stockage du produit sec (il doit être étanche à l’eau, à l’oxygène, aux aromes ; opaque à la lumière et posséder une bonne résistance mécanique).
Isotherme de sorption
L’isotherme de sorption lie la teneur d’équilibre en eau du solide à la teneur en humidité de l’environnement, à une température donnée. Elle est caractéristique, de nombreuses interactions qui ont lieu à l’échelle microscopique, entre le squelette solide et les molécules d’eau. Cette courbe permet donc de décrire, le comportement hygroscopique du solide (un matériau est dit hygroscopique lorsque il absorbe et retient facilement l’humidité de l’air et non hygroscopique lorsqu’il ne fixe pas naturellement les molécules d’eau présentes sous formes de vapeur dans l’air). On peut donc déterminer des isothermes d’adsorption ou de désorption selon que, l’échantillon est soumis à des humidités croissantes (prise d’eau) où décroissantes (perte d’eau).
Les isothermes peuvent adopter différentes allures, selon le type de matériau étudié. Brunauer et al. (1940) [5], ont défini cinq types d’isothermes, pour décrire l’adsorption de gaz sur la surface d’un solide. Cette classification est habituellement utilisée pour caractériser les isothermes d’adsorption- désorption de l’azote, mais a été naturellement étendu aux isothermes d’adsorption désorption de la vapeur d’eau, qui est considérée comme un gaz particulier. Ces isothermes représentent le volume adsorbé en fonction de la pression partielle .
Formes des isothermes
Les isothermes de désorption/adsorption présentent en général trois zones :
➤ Zone A : constitution d’une monocouche moléculaire à la surface du produit. Elle est caractéristique, de l’action des forces de Van Der Waals entre les groupements hydrophiles, et les molécules d’eau. L’adsorption des molécules d’eau, se fait progressivement jusqu’à constituer une monocouche, recouvrant toute la surface externe, et les surfaces des pores du produit. L’eau est dans un état rigide en raison de l’importance, des forces de liaison entre les molécules d’eau et la surface. Le passage à la zone suivante, s’effectue quand toute la surface est saturée.
➤ Zone B : adsorption des molécules sur la monocouche initiale. L’isotherme est linéaire dans cette zone, et l’eau est dans un état intermédiaire entre solide et liquide.
➤ Zone C : L’eau est présente à l’état liquide dans les pores du matériau.
Période à vitesse ou flux constant
Pendant cette phase souvent isenthalpique, l’eau est évacuée à flux constant (zone B-C). Le qualitatif isenthalpique est employé, lorsque la chaleur échangée par convection, est intégralement utilisée pour la vaporisation de l’eau. Ceci n’est pas vrai, lorsqu’une partie de la chaleur est échangée par rayonnement, ou par conduction en plus de la convection. On considère que l’évaporation s’effectue à la surface du matériau, et que la surface est couverte d’un film d’eau continu. L’eau éliminée est libre, et la surface conserve la température humide, mentionnée dans la première période. Cette phase perdure, tant que la surface est alimentée de matière suffisante en eau venant de l’intérieur du solide. Le flux de chaleur demeure aussi constant pendant toute cette période. Les résistances aux transferts, se situent presque exclusivement dans la couche limite. La vitesse de séchage ne dépend donc principalement que des conditions externes, c’est-à-dire la vitesse superficielle, l’humidité et la température de l’agent séchant, la surface exposée au séchage et la pression. Toute fois, l’état de surface peut avoir une importance : le flux peut être important, pour une surface rugueuse que pour une surface plane (Geankoplis, 1993 in Angélique LEONARD, 2002).
Les deux périodes de ralentissement
Les interprétations diffèrent quelque peu selon le modèle évoqué. Deux modèles sont couramment cités : le ‘receding front model’ et le ‘wetted-surface model’ (Keey, 1978 in Angélique LEONARD, 2002). Le premier modèle pose l’hypothèse que, le front de vaporisation se déplace vers l’intérieur du matériau, alors que le second postule que la vaporisation se déroule en surface, mais que celle-ci est partiellement sèche.
Le receding front model
La première période de ralentissement (zone C-D), commence lorsque la surface du matériau en contact avec l’air chaud atteint, soit le seuil hygroscopique (toute l’eau libre a été éliminée en surface)-une partie du matériau se situant dans le domaine hygroscopique, soit une teneur en eau nulle pour les matériaux non hygroscopiques. On définit Xcrit, la teneur en eau à partir de laquelle, le ralentissement se produit. Le front de séchage qui se trouvait en surface, migre vers l’intérieur du matériau. Dans cette phase, ce sont les différentes résistances internes du matériau aux transferts de chaleur et de matière qui contrôlent la vitesse de séchage. Ces résistances, seront d’autant plus grandes que le front de séchage se situe loin de la surface externe du matériau [5]. Une fois que l’ensemble du matériau se situe dans le domaine hygroscopique, c’est-à-dire qu’il ne subsiste plus que de l’eau liée, la seconde phase de ralentissement commence. Le séchage est terminé, lorsque le solide a atteint sa teneur en eau d’équilibre, dans les conditions opératoires considérées (zone D-E’). Pour rappel, la teneur d’équilibre ne dépend que de la température et de l’humidité relative de l’agent séchant. Si le matériau est non hygroscopique, cette seconde période n’existe pas : la première zone de décroissance se poursuit jusqu’au terme du séchage (zone D-E).
Wetted-surface model
La chute du flux de séchage, est liée à l’apparition de zones sèches à la surface du matériau, correspondant à une teneur en eau globale qui vaut Xcrit. Cependant, si on rapporte le flux à la fraction de surface mouillée, celui-ci est constant. Cette période se poursuit jusqu’à assèchement complet de la surface externe (Keey, 1978 ; Nadeau et Puiggali, 1995 in Angélique LEONARD, 2002) (zone C-D). La seconde zone de ralentissement, est le reflet d’un contrôle de la vitesse par la diffusion de l’eau à l’intérieur du matériau. Le séchage se termine à siccité nulle (zone D-E’’), ou à Xe pour les matériaux hygroscopiques (zone D-E’). Le front de séchage peut également se retirer dans le matériau et on retrouve alors le premier modèle.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I : APPROCHE GENERALE DES PROCEDES DE SECHAGE
I.1.NOTION GENERALE SUR LE SECHAGE
I.1.1. Intérêt du séchage
I.1.2. Activité de l’eau dans un produit
I.1.3. Isotherme de sorption
I.1.4. Modélisations des isothermes
I.1.5. Formes des isothermes
I.1.6. Chaleur iso- stérique de sorption
I.2. DIFFERENTES ETAPES DU SECHAGE D’UN PRODUIT HUMIDE
I.2.1. Etablissement des courbes de séchage
I.2.2. Analyse globale des courbes de Krischer
I.2.2.1. Période de mise en température
I.2.2.2. Période à vitesse ou flux constant
I.2.2.3. Les deux périodes de ralentissement
I.2. 3. Classification de Sherwood
I.2.4. Evolution de la température
I.3. MODELISATION SIMPLIFIEE DES PHASES DE SECHAGE
I.3.1. Période à flux constant
I.3.2. Période à flux décroissant
I.3.2.1. Modes de transport de l’eau
I.3.2.2. Modélisation
I.3.2.3 Courbe caractéristique de séchage
I.4. PRINCIPE DU SECHAGE SOLAIRE SOUS SERRE
CHAPITRE II : MODELISATION DE LA SERRE DE SECTION DROITE TRIANGULAIRE ISOCELE
II.1.DESCRIPTION DU SYSTEME ETUDIE
II.2. MODELISATION MATHEMATIQUE DU SYSTEME ETUDIE
II.2.1. Hypothèses simplificatrice
II.2.2. Equations des bilans énergétiques
II.2.3. Modèles des coefficients d’échange thermique
II.2.3.1. Echange par convection
II.2.3. 2.Echange par conduction
II.2.3.3. Echange par rayonnement
II.2.3.4. Coefficient d’échange massique
II.2.4. calcul des apports solaires au sein du système
II.2.4.1 .Origine de l’énergie solaire
II.2.4. 2.Rayonnement solaire arrivant sur une surface horizontale
II.2.4.3. Densités de flux du rayonnement solaire direct transmis par les deux couvertures et les deux pignons
II.2.4.4. Densités de flux du rayonnement solaire diffus transmis par les couvertures et les deux pignons
II.2.4.5. Puissance solaire globale transmise par les couvertures transparentes inclinées et les pignons
II.2.4.6. Densités de flux solaire absorbés par les couvertures et les pignons
II.2.4.7. Densité de flux solaire absorbé par le produit à sécher
II.2.5. Calcul des facteurs de forme géométrique entre les différentes surfaces de la serre
II.2.5.1. Facteur de forme géométrique entre les deux pignons
II.2.5.2. Facteur de forme entre le pignon de la serre et le sol de la serre
II.2.5.3. Facteur de forme géométrique entre la couverture de la serre et le pignon latéral
II.2.5.4. Facteur de forme géométrique entre les deux couvertures
II.2.6. Calcul des coefficients optiques de la couverture
II.2.6.1. Calcul de la réflexivité, transmitivité et de l’absorptivité
II.2.6.2. Calcul de la réflexivité diffus, transitivité diffus et de l’absorptivité diffus
II.2.7. Débit volumique de l’air à l’intérieur de la serre
II.2.8. Modèle du coefficient de pression due au vent
II.2.9. Modèles des cinétiques de séchage des produits à sécher
II.2.9.1. Modèle de la cinétique du séchage de la pomme
II.2.9.2.Modèle de la cinétique du séchage de l’ananas
II.2.10. Organigramme du programme principal du séchage
CHAPITRE III : SIMULATIONS ET INTERPRETATIONS DES RESULTATS
III.1.INTERACTION ENTRE LA TEMPERATURE DE L’AIR INTERIEUR ET LA TEMPERATURE DE L’AIR EXTERIEUR
III.1.1. L’effet radiatif
III.1.2.L’effet convectif
III.1.3.La puissance globale reçue
III.2.INFLUENCE DES VARIABLES OPERATOIRES SUR LE SECHAGE
III.2.1.Influence de l’humidité relative de l’air
III.2.2.Influence de la température de l’air
III.2.3.Influence de l’épaisseur de l’ananas sur le temps de séchage
III.2.4.Influence des paramètres géométriques de la serre sur le temps de séchage
III.2.4.1.Influence de la hauteur de la serre sur le temps de séchage
III.2.4.2. Influence de la longueur de la serre sur le temps de séchage
III.2.4.3. Influence de la largeur de la serre sur le temps de séchage
III.2.5.Variations simultanées des paramètres de la serre deux à deux
III.2.5. 1.Variations simultanées de la longueur et de la largeur de la serre
III.2.5.2. Variation simultanée de la longueur de la serre et de sa hauteur
III.2.5.3.Variations simultanées de la largeur de la serre et de sa hauteur
III.2.5.4.Variations simultanées des deux ouvertures de la serre
CONCLUSION
