EXERCICES SECHAGE 2

Ce laboratoire porte sur l'étude et la pratique du séchage industriel, en particulier le séchage d'oignons et de légumes dans un tunnel de déshydratation. Il permet de comprendre l'utilisation du diagramme enthalpique de l'air humide, le calcul des masses d'eau évaporées, et l'évaluation des puissances thermiques nécessaires au séchage. Pour réaliser ce TP, il est nécessaire de disposer des données d'entrée sur les conditions d'air et des caractéristiques des produits à sécher, ainsi que du diagramme enthalpique de l'air humide.

Objectifs

• Calculer la masse d'eau à évaporer lors du séchage.
• Utiliser un diagramme enthalpique pour suivre l'évolution de l'air humide dans un séchoir.
• Déterminer la puissance thermique nécessaire au chauffage de l'air de séchage.
• Analyser le fonctionnement d'un tunnel de déshydratation de légumes.
• Calculer les débits d'air sec nécessaires et la répartition de l'eau éliminée dans chaque zone du séchoir.

Prérequis et installation

• Connaissances de base sur l'air humide et les propriétés thermodynamiques.
• Accès au diagramme enthalpique de l'air humide (fourni en annexe).
• Données sur les conditions d'entrée et de sortie de l'air et des produits.
• Calculatrice ou logiciel capable de manipuler les données thermodynamiques.
• Compréhension des notions de masse sèche (MS) et d'humidité relative.

Exercice 1 : Utilisation du diagramme enthalpique

Ce premier exercice consiste à déterminer la masse d'eau à évaporer et la puissance thermique nécessaire pour sécher des oignons. On part d'oignons frais à 90 % d'eau, que l'on souhaite sécher à 5 % d'eau, avec un débit de 200 kg/h de bulbes secs. L'air de séchage est initialement à 10°C et 75 % d'humidité, puis chauffé à 135°C avant d'entrer dans le séchoir. L'air sort du séchoir à 40°C et 80 % d'humidité.

1. Calculer la masse horaire d'eau à évaporer :

La masse d'eau à évaporer correspond à la différence d'eau contenue dans les oignons frais et dans les oignons séchés, multipliée par le débit de matière sèche.

2. Calculer le coût énergétique du chauffage de l'air (en kW puis en kWh) et la puissance de la batterie de chauffage :

La puissance thermique nécessaire correspond à l'énergie requise pour chauffer l'air de 10°C à 135°C, en tenant compte du débit d'air utilisé. La puissance est exprimée en kW, et l'énergie consommée en kWh.

Exercice 2 : Étude d'un tunnel de déshydratation de légumes

A. Description du séchoir

Le séchoir est de type tunnel. Après préparation (nettoyage, pelage, blanchiment), les légumes sont transportés sur un tapis permettant le passage de l'air. L'air circule en contre-courant croisé par rapport au sens de déplacement des légumes. Quatre batteries chaudes (BC1, BC2, BC3, BC4) assurent le réchauffage de l'air :

• BC2, BC3, BC4 sont alimentées en parallèle par de l'eau à 70°C, portant l'air à 65°C.
• BC1 est alimentée en série par l'eau à 55°C provenant des autres batteries, portant l'air à 50°C.

L'air extrait des batteries BC1 et BC2 traverse deux fois la couche de légumes avant de passer à la batterie suivante ou d'être rejeté à l'extérieur.

B. Paramètres de fonctionnement

• Le débit d'air de séchage peut varier de 90 % à 100 % du débit nominal.
• Le temps de séjour des légumes dans le séchoir est ajustable via la vitesse du tapis.
• Le pouvoir séchant de l'air est modifiable en faisant varier la température de l'eau dans les échangeurs eau-air (batteries chaudes).

Les paramètres indiqués sur la figure 1 (non fournie ici) sont constants et déterminés expérimentalement, indépendamment des conditions ambiantes.

C. Données du séchage

• Débit horaire moyen de légumes humides entrant : 4080 kg/h.
• Taux de matière sèche (MS) à l'entrée : 10 %.
• Taux de MS à la sortie : 86 %.
• Température et humidité relative de l'air ambiant en saison chaude : 15°C, 70 %.

D. Travail demandé

1. Représenter l'évolution de l'air de séchage dans le séchoir sur le diagramme enthalpique de l'air humide, en utilisant les caractéristiques de l'air à l'entrée et à la sortie de chaque zone (en sortie des batteries chaudes). Le séchage est supposé adiabatique.
2. Calculer la masse horaire d'eau à extraire des légumes :

La masse d'eau éliminée correspond à la différence entre la masse d'eau contenue dans les légumes à l'entrée et à la sortie du séchoir.

3. Calculer le débit masse horaire d'air sec nécessaire au séchage, en supposant qu'il n'y a pas d'air parasite introduit :

Ce calcul se base sur les teneurs en eau de l'air à l'entrée et à la sortie du séchoir.

4. Calculer la puissance thermique totale théorique (en USI) à fournir à l'air, à partir des enthalpies de l'air à l'entrée de la batterie BC1 et à la sortie de la batterie BC4, ainsi que du débit d'air sec de séchage :

On ne tient pas compte des variations des chaleurs sensibles des légumes et du tapis ni des pertes thermiques.

5. Calculer la masse horaire d'eau éliminée dans chaque zone du séchoir.
6. Calculer la puissance thermique théorique fournie par chaque batterie chaude.
7. Lire la température de l'air sortant de chaque zone de séchage.

Résultats attendus

À l'issue de ces exercices, vous devez obtenir :

• La masse d'eau totale à évaporer dans les deux cas (oignons et légumes).
• La puissance thermique nécessaire pour chauffer l'air de séchage dans chaque étape.
• La représentation graphique de l'évolution de l'air humide sur le diagramme enthalpique, montrant les changements de température et d'humidité relative dans chaque zone.
• Le débit d'air sec nécessaire pour assurer le séchage sans introduction d'air parasite.
• La répartition de la masse d'eau éliminée et de la puissance thermique fournie par chaque batterie chaude dans le tunnel.
• Les températures de sortie de l'air pour chaque zone, cohérentes avec les données des batteries chaudes.

Pièges courants

• Confondre masse sèche et masse humide des légumes, ce qui fausse le calcul de la masse d'eau à évaporer.
• Oublier que le séchage est supposé adiabatique, donc aucune perte ou gain de chaleur externe n'est pris en compte.
• Ne pas utiliser correctement le diagramme enthalpique, notamment en confondant humidité relative et teneur en eau absolue.
• Ignorer la variation de température de l'air entre les différentes batteries chaudes, ce qui fausse le calcul des puissances thermiques.
• Ne pas tenir compte de l'absence d'air parasite dans le calcul du débit d'air sec, ce qui peut entraîner une surestimation du débit nécessaire.
• Confondre les unités de puissance (kW, kWh, USI) et ne pas convertir correctement les valeurs.