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Génie Industriel Alimentaire Dr. GUEROUI Yacine Chapitre I : Notions de transfe

Génie Industriel Alimentaire Dr. GUEROUI Yacine Chapitre I : Notions de transfert de chaleur 1. Notion d'opérations unitaires Les techniques d'élaboration et de stabilisation sont nombreuses et évolutives. Les opérations communes tirées de ses techniques sont appelées « opérations unitaires ». Les opérations unitaires sont toute opération de nature physique commune à plusieurs procédés de transformation et de traitement de la matière alimentaire. Elles représentent donc un concept utilisé par les ingénieurs afin de permettre de façon optimale la transformation des substances brutes déterminées en un ou plusieurs produits (naturels ou artificiels) commercialisables. 1.1. Classification Une classification universelle et exhaustive satisfaisante est difficile. Cependant, malgré l’appareillage très varié nécessaire pour la production industrielle, il est possible de classifier les opérations unitaires de plusieurs manières. Les principales opérations mettant essentiellement en jeu des processus physiques, on peut ainsi les rattacher à trois grandes familles suivantes : a. Le transfert de chaleur Dans l’industrie alimentaire, les transferts de chaleur occupent une large place, que ce soit au niveau général tel que l’isolation d’un entrepôt ou d’une chambre froide, qu’au niveau des procédés tels que les opérations de chauffage ou de refroidissement, de pasteurisation, de stérilisation, d’évaporation, de congélation, etc. La chaleur se déplace naturellement d’un milieu chaud à un milieu froid. Autrement dit, pour qu’il y ait un transfert de chaleur, il faut que l’on ait une différence de température. Le transfert d'énergie sous forme de chaleur est obtenu chaque fois qu'un gradient de température existera au sein d'un système ou lorsque deux systèmes, à températures différentes, seront mis en contact par l'intermédiaire d'une surface d'échange. Modes de transmission de chaleur On distingue trois modes de transmission de la chaleur : conduction, convection et rayonnement. Le chauffage par rayonnement est le mode le moins utilisé dans l'industrie alimentaire mais devient de plus en plus utilisé avec les micro-ondes. * Transfert de chaleur par conduction La conduction est le mode de transfert de chaleur sans déplacement apparent de la matière sous l'effet d'un gradient de température. La chaleur se propage de proche en proche à travers 1 Génie Industriel Alimentaire Dr. GUEROUI Yacine la matière sans qu’il n’ait de transfert de cette dernière. C'est le seul mode de transfert intervenant au sein des milieux solides (la chaleur passe d'un corps à un autre, par contact). Figure 01 : Transfert de chaleur par conduction. Le transfert de chaleur par conduction à l'intérieur d'un corps s'effectue selon deux mécanismes distincts : une transmission par la vibration des atomes et une transmission par les électrons libres. * Transfert de chaleur par convection La convection se réfère aux transferts thermiques qui s'appuient sur un milieu matériel avec mouvement de la matière. Par conséquent, ce mode de transfert concerne exclusivement les fluides : liquides et gaz. Le mouvement du fluide peut résulter des variations de masse volumique de ce même flui de en raison des différences de températures induites par le transfert de chaleur entre le fluide et la paroi, on parle alors de convection naturelle ou libre. Autrement dit : dans un fluide les différences de température produisent des différences de densité pouvant amener à des mouvements de la matière dits mouvements de convection (un corps qui se déplace emmène la chaleur qu'il contient). * Transfert de chaleur par rayonnement Le rayonnement est une forme particulière de transfert thermique dans laquelle l'énergie est protée par des ondes électromagnétiques. Le phénomène de rayonnement est crée par l'émission et l'absorption des ondes électromagnétiques et par la transformation de celle-ci en chaleur. Ce mode de transfert ne nécessite aucun support matériel et ne fait intervenir ni déplacement de la matière, ni contact entre les objets ou les milieux échangeant de l'énergie (les corps émettent de l’énergie par leur surface sous forme des radiations). 2 Génie Industriel Alimentaire Dr. GUEROUI Yacine Figure 02 : Les trois types de transfert de la chaleur. b. Le transfert de matière Le transfert de matière consiste en la migration de composés à l'intérieur d'une phase ou entre des phases. Cette migration résulte d'un changement dans l'équilibre d'un système causé par une/des différences de potentiel(s) : différence de concentration d'une espèce d'un point à un autre, différence de température et/ou différence de pression. Il existe deux types de transfert de la matière : *Par diffusion La diffusion est un processus lent : les molécules migrent dans un solide ou dans un fluide considéré comme immobile. Exemple : diffusion des molécules de sucre, dispersion par agitation moléculaire suivant des trajectoires aléatoires entre les molécules d'eau. Figure 03 : Transfert de matière par diffusion. *Par convection La convection est un processus rapide : les molécules sont entraînées dans un courant de fluide naturel ou forcé (convection naturelle ou forcée). Exemple : l'agitation avec une cuillère est une convection forcée. 3 Génie Industriel Alimentaire Dr. GUEROUI Yacine Figure 04 : Transfert de matière par convection. c. Le transfert de quantité de mouvement Le transfert de quantité de mouvement est un transport de quantité de mouvement par frottement de couche en couche perpendiculairement à celle-ci, à l’exclusion de transferts d’éléments liquides dans ce sens. Tableau 01 : Les opérations unitaires selon J.J. BIMBENET. Classement Opérations unitaires Milieu Opération mécanique Pesé, découpage, broyage, triage, stockage Transfert de chaleur Chauffage, refroidissement, réfrigération, congélation, cuisson, appertisation Transfert de matière Evaporation Séchage Distillation Extraction par solvant Liquide Solide Liquide Solide-liquide Transfert de quantité de mouvement Pompage, agitation, malaxage, décantation, centrifugation, filtration Liquide-gazeux Solide-liquide Le transfert de chaleur, transfert de matière et transfert de quantité de mouvement sont des grandeurs mesurables. On appel une grandeur mesurables quand on peut définir la somme, le rapport et l’égalité de deux grandeurs. Il existe deux sortes d’unités : les unités fondamentales ou de base ou primaires et les unités secondaires. Dans le SI, on dénombre 7 grandeurs de base: Longueur, temps, masse, quantité de matière, température, intensité de courant et intensité lumineuse auxquelles on associe les grandeurs dérivées (secondaire). 4 Génie Industriel Alimentaire Dr. GUEROUI Yacine 2. Séchage La déshydratation des aliments est réalisée par différentes techniques comme le séchage, l’évaporation ou la lyophilisation. Elle permet de diminuer l’activité de l’eau d’un aliment à des valeurs proches de 0. Cependant, c’est une technique coûteuse de point de vue investissement matériel et de point de vue consommation énergétique. Par définition, Le séchage est l’un des procédés de conservation des aliments les plus anciens dont le principe consiste à abaisser l’activité de l’eau jusqu’à ce que les microorganismes ne puissent plus se développer, et en général jusqu’à ce que la plupart des réactions de dégradation (réaction chimique et enzymatique) soient ralenties. Le séchage ne tue donc pas les microorganismes qui contaminent les aliments mais arrête leur développement. Le séchage, en plus de préserver l’aliment, diminue le poids de l’aliment, ce qui est un avantage important pour le transport. 2.1. Transfert de chaleur et de matière Le processus de séchage comporte deux étapes fondamentales, à savoir : - L’échange thermique, c’est-à-dire la transmission de la chaleur pour l’évaporation du liquide. Le séchage des aliments consiste à chauffer le produit dans des conditions contrôlées afin d’évaporer la majorité de l’eau qu’il contient. Ceci implique deux phénomènes simultanés :  Le transfert de chaleur externe qui apporte l’énergie nécessaire au changement de phase de l’eau (liquide en vapeur) ;  Le transfert de chaleur interne de l’eau en vapeur dans l’aliment. - Le transfert de matière ou le transfert de liquide dans le solide et sous forme vapeur à partir de la surface du solide. Le transfert de matière se produisant lors d’un séchage s’effectue par vaporisation ou par sublimation. La vitesse et la qualité du produit déshydraté ou séché et le coût de séchage sont influencés par la température de séchage, la vitesse de l’air autour du produit, l’humidité relative et la surface du produit en contact avec l’air. 2.2. Modes de séchage Il existe de très nombreux modes de séchage dont le choix dépend essentiellement du type de produit à sécher (état physique, texture, thermosensibilité, etc.). On distingue, selon le mode de chauffage utilisé : 5 Génie Industriel Alimentaire Dr. GUEROUI Yacine *Séchage direct ou par convection C’est le mode de séchage utilisé par la très grande majorité des installations de l’industrie chimique. L’échange thermique est obtenu par contact direct entre le solide humide et des gaz (air) chauds qui agissent comme moyen de transport pour le fluide évaporé. La circulation de l’agent séchant peut être naturelle ou forcée; lorsque la matière à sécher et le gaz circulent dans le même sens, l’opération est appelée antiméthodique. Le mode de séchage méthodique (produit et agent sont de sens contraires) s’applique aux produits peu sensibles aux chocs thermiques. *Séchage par contact indirect ou par conduction L’échange thermique est obtenu par contact entre le solide humide et une paroi métallique réchauffée par un fluide (eau, vapeur, etc.). Le liquide évaporé est éliminé par aspiration sous vide ou bien par émission de gaz de transport. Figure 05 : Séchage par contact (conduction). *Séchage par rayonnement L’échange thermique est obtenu par absorption par le solide humide uploads/Industriel/ chapitre-i 8 .pdf