Table des mati�res - Pr�c�dente - Suivante

Chapitre III - S�chage

3.1. Consid�rations g�n�rales - rappels
3.2. Principe du s�chage
3.3. S�chage artificiel
3.4. S�chage solaire

3.1. Consid�rations g�n�rales - rappels

3.1.1. Teneur en eau du produit
3.1.2. Caract�ristiques de l'air (cf. 1.2.2.3.)

Le r�le du s�chage est de d�shydrater rapidement les grains jusqu'� une humidit� dite de �sauvegarde� (humidit� � laquelle le grain sera stabilis�).

Le s�chage va se faire par l'air qui apportera l'�nergie n�cessaire � la vaporisation de l'eau (air caloporteur), absorbera cette eau-vapeur, et la transportera (air vapo-transporteur).

3.1.1. Teneur en eau du produit

Elle est d�termin�e par rapport � la mati�re humide (cf. 1.1.2.2.).

3.1.2. Caract�ristiques de l'air (cf. 1.2.2.3.)

a) TEMP�RATURES CARACT�RIS71QUES DE L'AIR

- Temp�rature (ou �point�) de ros�e: la temp�rature de ros�e est la temp�rature � laquelle la vapeur d'eau contenue dans l'air commence � se condenser au contact d'une paroi froide, refroidie lentement.

Soit 1 kg d'air � une temp�rature donn�e, il contient un certain poids de vapeur d'eau. Si l'on abaisse progressivement sa temp�rature, son humidit� relative augmente jusqu'� 100 %. L'air est alors satur� et un l�ger abaissement de temp�rature provoque la condensation avec apparition de ros�e (eau liquide).

Exemple: la temp�rature de ros�e d'un air contenant 7,9 g de vapeur d'eau par kilogramme d'air sec est de 10� C.

- Temp�rature s�che: c'est la temp�rature de l'air mesur�e classiquement avec un thermom�tre � bulbe sec.

- Temp�rature humide: plac� au contact d'un corps humide, l'air se charge en eau sous forme de vapeur. La transformation d'eau liquide en eau vapeur absorbe de la chaleur: il y aura donc simultan�ment enrichissement de l'air en vapeur d'eau et abaissement de sa temp�rature. La temp�rature humide est la temp�rature atteinte par l'air satur� dans ces conditions; elle est g�n�ralement mesur�e avec un thermom�tre dont le bulbe est maintenu humide par un coton imbib� d'eau et plac� dans un courant d'air d'une vitesse d'au moins 4 m/s sans autres �changes avec l'ext�rieur.

b) ENTHALPIE DE L'AIR

L'enthalpie est le terme utilis� en thermodynamique pour exprimer la chaleur totale (ou �nergie calorifique) d'un syst�me isol�. Exprim�e en kilocalories (kcal) ou millithermies (mth) par kg d'air sec, elle repr�sente la chaleur totale de 1 kg d'air sec + x kg de vapeur d'eau contenus dans cet air, et est donn�e par la relation:

i = 0,24 q + x (0,46 q + 597)

dans laquelle:

i = enthalpie en kcal/kg d'air sec (ou mth/kg)
x = poids (en kg) de vapeur d'eau contenue dans 1 kg d'air sec
q = temp�rature du m�lange en � C.

L'enthalpie est la somme de la chaleur emmagasin�e par le m�lange � la temp�rature q

- par 1 kg d'air sec: 0,24 q

- par x kg de vapeur d'eau

• sous forme sensible: x 0,46 q
• sous forme latente: x 597

Les coefficients repr�sentent:

0,24 = chaleur sp�cifique de l'air (en kcal/kg/�C) (quantit� de chaleur n�cessaire pour �lever de 1� C la temp�rature de 1 kg d'air � pression constante)

0,46 = chaleur sp�cifique de la vapeur d'eau (en kcal/kg/�C) (quantit� de chaleur n�cessaire pour �lever de 1� C la temp�rature de 1 kg de vapeur d'eau � pression constante)

597 = chaleur latente de vaporisation de l'eau � 0� C (en kcal/kg d'eau).

Exemple: enthalpie de 1 kg d'air � 60� C contenant 25 g de vapeur d'eau

i = 0,24 x 60 + 0,025 (0,46 x 60 + 597)
i = 14,4 + 0,025 (27,6 + 597)
i = 14,4 + 15,615 # 30 kcal/kg ou 30 mth/kg.

- Transformation isenthalpique

Une transformation isenthalpique est une modification des caract�ristiques d'un syst�me sans apport d'�nergie ext�rieure, donc sans modification de sa chaleur totale.

c) VOLUME SP�CIFIQUE DE L'AIR OU VOLUME MASSIQUE

Il s'exprime en m�tre cube d'air humide par kilo d'air sec (V). On obtiendra la masse volumique r�elle du m�lange par la formule

r = (1 + x)

r: en kg d'air humide par ml d'air humide
x: poids (en kg) de vapeur d'eau contenue dans 1 kg d'air sec
V: en m� d'air humide par kg d'air sec. Il sera donn� par le diagramme de l'air humide.

d) DIAGRAMME DE L'AIR HUMIDE

Le diagramme de l'air humide est la repr�sentation graphique des diff�rents �tats du m�lange air-vapeur d'eau. C'est un outil indispensable au technicien du s�chage et de la ventilation car il permet, � partir de la connaissance de deux param�tres, de d�terminer SANS CALCUL toutes les autres caract�ristiques du m�lange. Il permet donc de suivre l'�volution de l'�tat de l'air au cours du s�chage. Le point figuratif d'un �tat donn� de l'air s'appelle �point caract�ristique�.

Il existe plusieurs repr�sentations de ce diagramme. Nous choisirons dans les exemples qui suivent, pour illustrer les utilisations les plus fr�quentes, le diagramme de Mollier (voir annexe 2 et fig. 24).

- Teneur en eau

Les points de m�me teneur en eau sont situ�s sur les verticales noires (donn�es en g/kg et appel�e W).

- L'humidit� relative de l'air donn�e en % est figur�e par les courbes concaves vertes e . La courbe 100 %, ou courbe de saturation, limite le diagramme.

- Temp�ratures

• temp�rature de ros�e: valeur donn�e en rouge sur la courbe de saturation (not�e tr) et situ�e � la verticale passant par le point figuratif;

• temp�rature s�che: droites obliques rouges appel�es isothermes s�ches;

• temp�rature humide: les droites d'isothermes humides ne sont pas repr�sent�es mais ont une pente proche des isenthalpes. Les valeurs sont donn�es en rouge sur la courbe de saturation.

- Enthalpie: les points de m�me enthalpie sont situ�s sur les obliques noires appel�es isenthalpes.

- Volume sp�cifique de l'air: repr�sent� par les droites obliques bleues (v).

Pour se familiariser avec ce diagramme, prenons quelques exemples Fig. 23 a - 23 b - 23 c.

1^er exemple:

Q: Caract�ristiques d'un air dont la temp�rature s�che est de 60� C et la temp�rature humide (mesur�e avec un thermom�tre � bulbe humide) de 34,5� C.

R: Le point figuratif de cet air sur le diagramme est � l'intersection de l'isotherme s�che 60� C et de l'isotherme humide (confondue avec l'isenthalpe) 34,5� C. On obtient alors le point caract�ristique A.

Fig. 23 a.

On peut maintenant lire directement les autres caract�ristiques de cet air:

- humidit� relative: 20 %;
- teneur en vapeur d'eau ou poids de vapeur d'eau qu'il contient par kg d'air sec: 25 g;
- temp�rature de ros�e: 28,6� C;
- enthalpie: 30 mth/kg ou 30 kcal/kg;
- volume sp�cifique: V = 0,98 m�/kg soit une masse volumique r�elle de:

1/0,98 (1 + 0,025) = 1,05 kg/m�.

Fig. 23 b.

Humidit� relative: 20 %.
Teneur en vapeur d'eau: 25 g/kg.

Fig. 23 c.

Temp�rature de ros�e: 28,6� C.
Enthalpie: 30 kcal/kg.
Volume specifique: 0,98 m�/kg

2^e exemple:

Q: quelles seront les caract�ristiques de ce m�me air r�chauff� de 16� C?

R: le r�chauffage de l'air ne modifie pas la quantit� d'eau qu'il contient. C'est donc une transformation �Isohydre� sans modification de la teneur en eau. Le point figuratif se d�place sur la verticale 25 g d'eau (isohydre 25 g) jusqu'� l'isotherme s�che 76� C (60� C + 16� C), on a alors le nouveau point figuratif B.

3^e exemple:

Q: quelle est la capacit� maximum d'absorption de vapeur d'eau ou �pouvoir s�chant� par l'air � 60� C, 20 % d'humidit� relative?

R: l'air � 20 % peut th�oriquement absorber de l'eau vapeur jusqu'� saturation (100 %). La chaleur totale du syst�me est conserv�e (il n'y a pas apport de chaleur). L'absorption de vapeur d'eau est donc une transformation isenthalpique. Le point figuratif (A) de l'air se d�place sur l'isenthalpe 30 kcal/kg jusqu'� l'intersection avec la courbe d'humidit� relative 100 %. Les caract�ristiques de l'air sont alors:

Temp�rature s�che - temp�rature humide: 34,5� C

Poids de vapeur d'eau par kilogramme d'air sec: 35,5 g

Le pouvoir d'absorption de vapeur d'eau par kilogramme d'air sec de l'air 60� C, 20 % d'humidit� est donc de:

35,5 - 25 = 10,5 g.

4^e exemple:

Q: quelle peut �tre l'influence du r�chauffement de 16� C de l'air � 60� C - 20 % HR (exemple 2)?

R: de la m�me fa�on que dans l'exemple 3, on calcule la capacit� d'absorption de l'air � 76� C - 10 % HR (point B).

Le point figuratif B se d�place sur l'isenthalpe 34 kcal/kg jusqu'� la courbe de saturation 100 %.

Le poids de vapeur d'eau par kg d'air sec est de: 41 g.

Conclusions:

Alors que du point A (60� C - HR 20 %) on peut obtenir � saturation une teneur en eau de 35,5 g/kg, on pourra obtenir du point B une teneur en eau � saturation de 41 g/kg. On voit donc que notre r�chauffement de 16� C permet au kilo d'air sec consid�r� d'absorber 41 - 35,5 = 5,5 g de vapeur d'eau de plus.

Fig. 24: Sch�ma d'utilisation du diagramme de Mollier.

3.2. Principe du s�chage

3.2.1. Le s�chage par air chaud
3.2.2. Quantit� d'eau � enlever au cours du s�chage
3.2.3. D�bit sp�cifique ou d�bit de renouvellement d'air
3.2.4. Consommation thermique sp�cifique ou massique
3.2.5. Pouvoir calorifique des combustibles

3.2.1. Le s�chage par air chaud

Le s�chage par air chaud est bas� sur l'�change de chaleur et d'humidit� entre l'air et le produit.

La chaleur transport�e par l'air est utilis�e pour:

- r�chauffer les grains de leur temp�rature initiale � la temp�rature d'�vaporation,
- fournir la chaleur n�cessaire � l'�vaporation de l'eau des grains.

Le bilan de l'op�ration se traduit par:

• la dessication du grain,
• l'accroissement de la temp�rature du grain,
• l'augmentation de la teneur en eau de l'air,
• l'abaissement de la temp�rature de l'air.

L'eau contenue dans une masse de grains est li�e plus ou moins fortement � ceux-ci.

Fig. 25: Sch�ma de fixation de l'eau dans le grain.

L'eau de types 1 et 2 est fortement li�e au produit. Non solvante elle n'interviendra pas dans les processus de d�gradation. Il n'est donc pas n�cessaire de l'�liminer au cours du s�chage.

L'eau de types 3 et 4 est solvante et responsable de la d�gradation du produit, c'est donc cette eau que l'on cherchera � �liminer par le s�chage.

L'eau libre est facilement �vacu�e car elle n'est pas adsorb�e.

En r�gions chaudes, pour du ma�s par exemple, cette eau est d�j� en grande partie �limin�e au moment de la r�colte par le s�chage naturel.

Pour avoir un grain bien stabilis�, il est n�cessaire d'�liminer toute l'eau osmotique (3^e type). En climats temp�r�s on peut ne pas totalement �liminer cette eau car des techniques de conservation (ventilation froide notamment) permettent de rendre inactive la portion de ce type d'eau restante (cf. 1.2.2.3.). Par contre, en r�gions chaudes, cette eau osmotique qui favorise les r�actions enzymatiques et le d�veloppement des moisissures doit �tre int�gralement �vapor�e.

Au contact de l'air chaud, l'eau de la p�riph�rie du grain va �tre �vacu�e sous l'effet du gradient d'humidit� entre l'air et le grain. L'eau osmotique va migrer de l'int�rieur du grain vers cette p�riph�rie �s�ch�e�par diff�rence de pression osmotique. Au cours du s�chage, cette diffusion de cellule � cellule sera de plus en plus frein�e par les cellules qui �auront tendance � retenir leur eau�. Les derniers % (ou points) * d'humidit� seront donc plus difficiles � retirer que les premiers.

La vitesse de diffusion doit �tre prise en compte pour d�terminer la vitesse de s�chage de chaque produit afin d'�viter un �surs�chage� de la p�riph�rie des grains.

L'�change d'eau entre l'air et le produit tend vers une limite qui est donn�e par les courbes d'�quilibre air-grain (cf. chapitre I). Dans le cas du s�chage rapide par air chaud, cet �quilibre se situe � des humidit�s tr�s faibles pour le produit car un r�chauffement important de l'air abaisse tr�s fortement son humidit� relative.

Par exemple de l'air ambiant � 25� C et 90 % d'humidit� relative et r�chauff� de 35� C voit son humidit� relative abaiss�e jusqu'� 15 %.

3.2.2. Quantit� d'eau � enlever au cours du s�chage

la quantit� d'eau E � enlever pour ramener 1 kg de produit de Hi % � Hf % est donn�e par:

en kg d'eau par kg de produit humide

Si l'on raisonne sur 1 quintal, soit 100 kg de produit, la relation est:

kg d'eau par quintal de produit humide.

Exemple: quantit� d'eau � enlever � 100 kg de ma�s � 25 % pour le s�cher � 13 %

kg d'eau

Puissance �vaporatoire - D�bit d'un s�choir:

La puissance �vaporatoire d'un s�choir est la quantit� d'eau qu'il �vapore en 1 heure. Elle s'exprime en kilogrammes d'eau �vapor�s par heure. Lorsque la puissance �vaporatoire est donn�e, connaissant la quantit� d'eau � enlever par quintal du produit, on en d�duit le d�bit du s�choir en quintaux/heure.

Exemple: s�choir avec capacit� d'�vaporation de 300 kg d'eau � l'heure.

En reprenant l'exemple pr�c�dent E = 13,8 kg d'eau, ce s�choir aura un d�bit de:

L'expression �le d�bit du s�choir est de 21,7 quintaux/heure� est-elle satisfaisante? - R�ponse: NON.

Nous devons pr�ciser davantage et dire: le d�bit d'entr�e du s�choir est de 21,7 q/h de produit HUMIDE s�ch� de 25 % � 13 %.

Par rapport au produit sec, pour une m�me puissance �vaporatoire, on aura un d�bit de sortie du s�choir de:

NB: Les relations suivantes permettent de calculer, en fonction des humidit�s initiales et des humidit�s finales:

- le poids sec � partir du poids humide (et inversement)

Lorsque l'on parle du d�bit d'un s�choir, il est donc important de pr�ciser s'il s'agit de la quantit� de produit HUMIDE s�ch�e en une heure ou de la quantit� de produit SEC sortant du s�choir en une heure.

Si par exemple un s�choir traite 15 q/h de produit humide de 25 % � 13 sa puissance �vaporatoire est de:

kg d'eau/h

alors qu'un s�choir d�bitant 15 q/h de produit sec, s�ch� de 25 % � 13 % a une puissance �vaporatoire de:

kg d'eau/h

Il est n�cessaire d'apporter ces pr�cisions pour que l'utilisateur sache exactement � quoi correspondent les d�bits annonc�s par les constructeurs dans la documentation commerciale, et � ce propos une autre remarque est importante.

Tr�s souvent la puissance �vaporatoire est donn�e en �points par heure�. Le �point d'humidit� est d�fini comme �tant la quantit� d'eau correspondant � 1 % d'humidit�. Par exemple, un s�choir de 100 points/heure s�chant un produit de 23 % � 13 %, soit 10 %, aura un d�bit de 100/10 = 10 q/h (on devrait en fait parler d'un s�choir de 100 quintaux humides points/heure permettant un d�bit de 10 q humides/h).

Cette notion de �point� a l'avantage d'�tre tr�s simple mais l'inconv�nient grave de ne pas refl�ter exactement la r�alit�, car suivant les humidit�s, �le point� ne repr�sente pas la m�me quantit� d'eau.

Ainsi un �point� d'humidit� entre 39 % et 40 % repr�sente

kg d'eau par quintal

alors qu'un �point d'humidit� entre 13 % et 14 % repr�sente seulement

kg d'eau � enlever par quintal

On voit que la valeur de ce point d�pend uniquement de l'humidit� finale:

Il arrive souvent que le �point d'humidit� soit �valu� � 1,2 kg d'eau par quintal, ce qui, nous venons de le voir, n'est qu'une approximation.

Il convient donc d'�tre prudent lorsque la capacit� d'�vaporation est exprim�e en points/heure, et de savoir � quelle humidit� finale il est fait r�f�rence. De m�me pour les d�bits on devra pr�ciser s'il s'agit de grains humides entrant ou de grains secs sortant du s�choir.

De ces remarques il ressort que seule la puissance �vaporatoire exprim�e en kilogrammes d'eau par heure donne une id�e juste des performances d'un s�choir.

3.2.3. D�bit sp�cifique ou d�bit de renouvellement d'air

Le d�bit sp�cifique est le volume d'air qui traverse 1 unit� de volume de produit pendant 1 unit� de temps.

Les d�bits d'air varient selon les ��coles�. Certains constructeurs emploient de tr�s forts d�bits d'air (6 000 � 8 000 m�/h/m�) pour faire un s�chage rapide, alors que d'autres pr�f�rent des d�bits plus faibles (2 000 � 4 000 m�/h/m�). Les forts d�bits d'air permettent d'augmenter le d�bit du s�choir; mais la dessication rapide des grains peut accro�tre leur fragilit� au cours des manutentions et des transformations ult�rieures.

Une augmentation du d�bit sp�cifique de l'air permet de r�duire le temps de s�chage mais entra�ne une augmentation de la d�pense en �nergie (directement proportionnelle au d�bit d'air).

Un d�bit sp�cifique faible permet une meilleure utilisation de la chaleur, donc de meilleures performances thermiques, mais une baisse de la capacit� du s�choir. Il faut donc tenir compte de ces diff�rents facteurs pour choisir le d�bit sp�cifique, donc le s�choir.

3.2.4. Consommation thermique sp�cifique ou massique

Elle exprime la quantit� de chaleur qu'il faut fournir pour enlever 1 kg d'eau au produit. Elle s'exprime en millithermies (1 mth = 1 kcal) par kilogramme d'eau �vapor�e.

Cette chaleur est utilis�e pour r�chauffer le grain, �vaporer l'eau, r�chauffer le s�choir. Il s'y ajoute des pertes par rayonnement, insaturation de l'air � la sortie, etc.

Sur des s�choirs continus, classiques, des essais faits en France par le CEMAGREF ont montr� que des rendements �vaporatoires de 1 100 � 1 200 mth/kg d'eau �vapor�e peuvent �tre consid�r�s comme honorables.

Les s�choirs statiques par contre auront une consommation thermique sp�cifique sup�rieure � 1 500 mth/kg.

Exemple: s�choir classique � �changeur: Rendement 1 150 mth/kg d'eau.

La connaissance de la consommation thermique sp�cifique nous permettra d'appr�cier la consommation en combustible.

3.2.5. Pouvoir calorifique des combustibles

C'est la quantit� de chaleur fournie par la combustion de l'unit� de poids ou de volume du combustible. Il peut �tre exprim� sous 2 formes:

- Pouvoir Calorifique Sup�rieur (P.C.S.): qui comprend la chaleur de condensation de la vapeur d'eau (l'eau est � l'�tat liquide au stade final de la combustion).

- Pouvoir Calorifique Inf�rieur (P.C.I.): quantit� de chaleur fournie par combustion compl�te sans r�cup�ration de la chaleur latente de vaporisation de la vapeur produite, ce qui est le cas usuel.

CARACT�RISTIQUES DES PRINCIPAUX COMBUSTIBLES

Connaissant le pouvoir calorifique d'un mat�riau sec (0 % d'humidit�), le pouvoir calorifique � l'humidit� H % est calcul� par la relation:

PCI/_MH = PCI/_MS (1 - ) - 600 x

Application: PCI de r�fles de mais � 20 % d'humidit�.

PCI/kg _MH = 3 900 (1 - 20/100) - 600 x 20/100 = 3 000 mth/kg MH

La chaleur utilis�e au niveau d'un s�choir est fournie par un g�n�rateur d'air chaud (G.A.C.) qui sera caract�ris� par sa puissance calorifique: quantit� de chaleur fournie par heure (en thermies) et son rendement thermique.

3.3. S�chage artificiel

3.3.1. S�chage et s�choirs
3.3.2. Les g�n�rateurs d'air chaud
3.3.3. �conomie d'�nergie au niveau des s�choirs
3.3.4. Utilisation de la biomasse pour le s�chage

Lorsqu'il faut s�cher de grandes masses de produit dans un d�lai court, quelles que soient les conditions atmosph�riques, il est n�cessaire de faire appel � des moyens de s�chage artificiel. Ces moyens, plus co�teux en �nergie, plus compliqu�s et aussi plus on�reux que les moyens naturels, sont n�cessaires pour obtenir un produit stable et commercialisable.

Il est probable qu'� l'avenir, avec l'introduction de nouvelles vari�t�s � fort rendement, les mises en culture hors saison et les r�coltes d�s maturit�s des produits, il sera n�cessaire de renforcer. les moyens de s�chage artificiel existant aujourd'hui.

TECHNIQUES DE S�CHAGE

Pour le s�chage des produits granuleux et notamment des grains, la technique g�n�ralement utilis�e est le s�chage � courants crois�s.

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