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Chapitre III - Séchage

3.1. Considérations générales - rappels
3.2. Principe du séchage
3.3. Séchage artificiel
3.4. Séchage solaire

3.1. Considérations générales - rappels

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

Le rôle du séchage est de déshydrater rapidement les grains jusqu'à une humidité dite de «sauvegarde» (humidité à laquelle le grain sera stabilisé).

Le séchage va se faire par l'air qui apportera l'énergie nécessaire à 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 déterminée par rapport à la matière humide (cf. 1.1.2.2.).

3.1.2. Caractéristiques de l'air (cf. 1.2.2.3.)

a) TEMPÉRATURES CARACTÉRIS71QUES DE L'AIR

- Température (ou «point») de rosée: la température de rosée est la température à laquelle la vapeur d'eau contenue dans l'air commence à se condenser au contact d'une paroi froide, refroidie lentement.

Soit 1 kg d'air à une température donnée, il contient un certain poids de vapeur d'eau. Si l'on abaisse progressivement sa température, son humidité relative augmente jusqu'à 100 %. L'air est alors saturé et un léger abaissement de température provoque la condensation avec apparition de rosée (eau liquide).

Exemple: la température de rosée d'un air contenant 7,9 g de vapeur d'eau par kilogramme d'air sec est de 10° C.

- Température sèche: c'est la température de l'air mesurée classiquement avec un thermomètre à bulbe sec.

- Température humide: placé 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 simultanément enrichissement de l'air en vapeur d'eau et abaissement de sa température. La température humide est la température atteinte par l'air saturé dans ces conditions; elle est généralement mesurée avec un thermomètre dont le bulbe est maintenu humide par un coton imbibé d'eau et placé dans un courant d'air d'une vitesse d'au moins 4 m/s sans autres échanges avec l'extérieur.

b) ENTHALPIE DE L'AIR

L'enthalpie est le terme utilisé en thermodynamique pour exprimer la chaleur totale (ou énergie calorifique) d'un système isolé. Exprimée en kilocalories (kcal) ou millithermies (mth) par kg d'air sec, elle représente la chaleur totale de 1 kg d'air sec + x kg de vapeur d'eau contenus dans cet air, et est donnée 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 = température du mélange en ° C.

L'enthalpie est la somme de la chaleur emmagasinée par le mélange à la température 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 représentent:

0,24 = chaleur spécifique de l'air (en kcal/kg/°C) (quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1° C la température de 1 kg d'air à pression constante)

0,46 = chaleur spécifique de la vapeur d'eau (en kcal/kg/°C) (quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1° C la température de 1 kg de vapeur d'eau à pression constante)

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

Exemple: enthalpie de 1 kg d'air à 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 caractéristiques d'un système sans apport d'énergie extérieure, donc sans modification de sa chaleur totale.

c) VOLUME SPÉCIFIQUE DE L'AIR OU VOLUME MASSIQUE

Il s'exprime en mètre cube d'air humide par kilo d'air sec (V). On obtiendra la masse volumique réelle du mélange 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 m³ d'air humide par kg d'air sec. Il sera donné par le diagramme de l'air humide.

d) DIAGRAMME DE L'AIR HUMIDE

Le diagramme de l'air humide est la représentation graphique des différents états du mélange air-vapeur d'eau. C'est un outil indispensable au technicien du séchage et de la ventilation car il permet, à partir de la connaissance de deux paramètres, de déterminer SANS CALCUL toutes les autres caractéristiques du mélange. Il permet donc de suivre l'évolution de l'état de l'air au cours du séchage. Le point figuratif d'un état donné de l'air s'appelle «point caractéristique».

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

- Teneur en eau

Les points de même teneur en eau sont situés sur les verticales noires (données en g/kg et appelée W).

- L'humidité relative de l'air donnée en % est figurée par les courbes concaves vertes e . La courbe 100 %, ou courbe de saturation, limite le diagramme.

- Températures

• température de rosée: valeur donnée en rouge sur la courbe de saturation (notée tr) et située à la verticale passant par le point figuratif;

• température sèche: droites obliques rouges appelées isothermes sèches;

• température humide: les droites d'isothermes humides ne sont pas représentées mais ont une pente proche des isenthalpes. Les valeurs sont données en rouge sur la courbe de saturation.

- Enthalpie: les points de même enthalpie sont situés sur les obliques noires appelées isenthalpes.

- Volume spécifique de l'air: représenté 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: Caractéristiques d'un air dont la température sèche est de 60° C et la température humide (mesurée avec un thermomètre à bulbe humide) de 34,5° C.

R: Le point figuratif de cet air sur le diagramme est à l'intersection de l'isotherme sèche 60° C et de l'isotherme humide (confondue avec l'isenthalpe) 34,5° C. On obtient alors le point caractéristique A.

Fig. 23 a.

On peut maintenant lire directement les autres caractéristiques de cet air:

- humidité relative: 20 %;
- teneur en vapeur d'eau ou poids de vapeur d'eau qu'il contient par kg d'air sec: 25 g;
- température de rosée: 28,6° C;
- enthalpie: 30 mth/kg ou 30 kcal/kg;
- volume spécifique: V = 0,98 m³/kg soit une masse volumique réelle de:

1/0,98 (1 + 0,025) = 1,05 kg/m³.

Fig. 23 b.

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

Fig. 23 c.

Température de rosée: 28,6° C.
Enthalpie: 30 kcal/kg.
Volume specifique: 0,98 m³/kg

2^e exemple:

Q: quelles seront les caractéristiques de ce même air réchauffé de 16° C?

R: le réchauffage de l'air ne modifie pas la quantité d'eau qu'il contient. C'est donc une transformation «Isohydre» sans modification de la teneur en eau. Le point figuratif se déplace sur la verticale 25 g d'eau (isohydre 25 g) jusqu'à l'isotherme sèche 76° C (60° C + 16° C), on a alors le nouveau point figuratif B.

3^e exemple:

Q: quelle est la capacité maximum d'absorption de vapeur d'eau ou «pouvoir séchant» par l'air à 60° C, 20 % d'humidité relative?

R: l'air à 20 % peut théoriquement absorber de l'eau vapeur jusqu'à saturation (100 %). La chaleur totale du système est conservée (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 déplace sur l'isenthalpe 30 kcal/kg jusqu'à l'intersection avec la courbe d'humidité relative 100 %. Les caractéristiques de l'air sont alors:

Température sèche - température 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'humidité est donc de:

35,5 - 25 = 10,5 g.

4^e exemple:

Q: quelle peut être l'influence du réchauffement de 16° C de l'air à 60° C - 20 % HR (exemple 2)?

R: de la même façon que dans l'exemple 3, on calcule la capacité d'absorption de l'air à 76° C - 10 % HR (point B).

Le point figuratif B se déplace sur l'isenthalpe 34 kcal/kg jusqu'à 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 à saturation une teneur en eau de 35,5 g/kg, on pourra obtenir du point B une teneur en eau à saturation de 41 g/kg. On voit donc que notre réchauffement de 16° C permet au kilo d'air sec considéré d'absorber 41 - 35,5 = 5,5 g de vapeur d'eau de plus.

Fig. 24: Schéma d'utilisation du diagramme de Mollier.

3.2. Principe du séchage

3.2.1. Le séchage par air chaud
3.2.2. Quantité d'eau à enlever au cours du séchage
3.2.3. Débit spécifique ou débit de renouvellement d'air
3.2.4. Consommation thermique spécifique ou massique
3.2.5. Pouvoir calorifique des combustibles

3.2.1. Le séchage par air chaud

Le séchage par air chaud est basé sur l'échange de chaleur et d'humidité entre l'air et le produit.

La chaleur transportée par l'air est utilisée pour:

- réchauffer les grains de leur température initiale à la température d'évaporation,
- fournir la chaleur nécessaire à l'évaporation de l'eau des grains.

Le bilan de l'opération se traduit par:

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

L'eau contenue dans une masse de grains est liée plus ou moins fortement à ceux-ci.

Fig. 25: Schéma de fixation de l'eau dans le grain.

L'eau de types 1 et 2 est fortement liée au produit. Non solvante elle n'interviendra pas dans les processus de dégradation. Il n'est donc pas nécessaire de l'éliminer au cours du séchage.

L'eau de types 3 et 4 est solvante et responsable de la dégradation du produit, c'est donc cette eau que l'on cherchera à éliminer par le séchage.

L'eau libre est facilement évacuée car elle n'est pas adsorbée.

En régions chaudes, pour du maïs par exemple, cette eau est déjà en grande partie éliminée au moment de la récolte par le séchage naturel.

Pour avoir un grain bien stabilisé, il est nécessaire d'éliminer toute l'eau osmotique (3^e type). En climats tempérés on peut ne pas totalement éliminer 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 régions chaudes, cette eau osmotique qui favorise les réactions enzymatiques et le développement des moisissures doit être intégralement évaporée.

Au contact de l'air chaud, l'eau de la périphérie du grain va être évacuée sous l'effet du gradient d'humidité entre l'air et le grain. L'eau osmotique va migrer de l'intérieur du grain vers cette périphérie «séchée»par différence de pression osmotique. Au cours du séchage, cette diffusion de cellule à cellule sera de plus en plus freinée par les cellules qui «auront tendance à retenir leur eau». Les derniers % (ou points) * d'humidité seront donc plus difficiles à retirer que les premiers.

La vitesse de diffusion doit être prise en compte pour déterminer la vitesse de séchage de chaque produit afin d'éviter un «surséchage» de la périphérie des grains.

L'échange d'eau entre l'air et le produit tend vers une limite qui est donnée par les courbes d'équilibre air-grain (cf. chapitre I). Dans le cas du séchage rapide par air chaud, cet équilibre se situe à des humidités très faibles pour le produit car un réchauffement important de l'air abaisse très fortement son humidité relative.

Par exemple de l'air ambiant à 25° C et 90 % d'humidité relative et réchauffé de 35° C voit son humidité relative abaissée jusqu'à 15 %.

3.2.2. Quantité d'eau à enlever au cours du séchage

la quantité d'eau E à enlever pour ramener 1 kg de produit de Hi % à Hf % est donnée 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: quantité d'eau à enlever à 100 kg de maïs à 25 % pour le sécher à 13 %

kg d'eau

Puissance évaporatoire - Débit d'un séchoir:

La puissance évaporatoire d'un séchoir est la quantité d'eau qu'il évapore en 1 heure. Elle s'exprime en kilogrammes d'eau évaporés par heure. Lorsque la puissance évaporatoire est donnée, connaissant la quantité d'eau à enlever par quintal du produit, on en déduit le débit du séchoir en quintaux/heure.

Exemple: séchoir avec capacité d'évaporation de 300 kg d'eau à l'heure.

En reprenant l'exemple précédent E = 13,8 kg d'eau, ce séchoir aura un débit de:

L'expression «le débit du séchoir est de 21,7 quintaux/heure» est-elle satisfaisante? - Réponse: NON.

Nous devons préciser davantage et dire: le débit d'entrée du séchoir est de 21,7 q/h de produit HUMIDE séché de 25 % à 13 %.

Par rapport au produit sec, pour une même puissance évaporatoire, on aura un débit de sortie du séchoir de:

NB: Les relations suivantes permettent de calculer, en fonction des humidités initiales et des humidités finales:

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

Lorsque l'on parle du débit d'un séchoir, il est donc important de préciser s'il s'agit de la quantité de produit HUMIDE séchée en une heure ou de la quantité de produit SEC sortant du séchoir en une heure.

Si par exemple un séchoir traite 15 q/h de produit humide de 25 % à 13 sa puissance évaporatoire est de:

kg d'eau/h

alors qu'un séchoir débitant 15 q/h de produit sec, séché de 25 % à 13 % a une puissance évaporatoire de:

kg d'eau/h

Il est nécessaire d'apporter ces précisions pour que l'utilisateur sache exactement à quoi correspondent les débits annoncés par les constructeurs dans la documentation commerciale, et à ce propos une autre remarque est importante.

Très souvent la puissance évaporatoire est donnée en «points par heure». Le «point d'humidité» est défini comme étant la quantité d'eau correspondant à 1 % d'humidité. Par exemple, un séchoir de 100 points/heure séchant un produit de 23 % à 13 %, soit 10 %, aura un débit de 100/10 = 10 q/h (on devrait en fait parler d'un séchoir de 100 quintaux humides points/heure permettant un débit de 10 q humides/h).

Cette notion de «point» a l'avantage d'être très simple mais l'inconvénient grave de ne pas refléter exactement la réalité, car suivant les humidités, «le point» ne représente pas la même quantité d'eau.

Ainsi un «point» d'humidité entre 39 % et 40 % représente

kg d'eau par quintal

alors qu'un «point d'humidité» entre 13 % et 14 % représente seulement

kg d'eau à enlever par quintal

On voit que la valeur de ce point dépend uniquement de l'humidité finale:

Il arrive souvent que le «point d'humidité» soit évalué à 1,2 kg d'eau par quintal, ce qui, nous venons de le voir, n'est qu'une approximation.

Il convient donc d'être prudent lorsque la capacité d'évaporation est exprimée en points/heure, et de savoir à quelle humidité finale il est fait référence. De même pour les débits on devra préciser s'il s'agit de grains humides entrant ou de grains secs sortant du séchoir.

De ces remarques il ressort que seule la puissance évaporatoire exprimée en kilogrammes d'eau par heure donne une idée juste des performances d'un séchoir.

3.2.3. Débit spécifique ou débit de renouvellement d'air

Le débit spécifique est le volume d'air qui traverse 1 unité de volume de produit pendant 1 unité de temps.

Les débits d'air varient selon les «écoles». Certains constructeurs emploient de très forts débits d'air (6 000 à 8 000 m³/h/m³) pour faire un séchage rapide, alors que d'autres préfèrent des débits plus faibles (2 000 à 4 000 m³/h/m³). Les forts débits d'air permettent d'augmenter le débit du séchoir; mais la dessication rapide des grains peut accroître leur fragilité au cours des manutentions et des transformations ultérieures.

Une augmentation du débit spécifique de l'air permet de réduire le temps de séchage mais entraîne une augmentation de la dépense en énergie (directement proportionnelle au débit d'air).

Un débit spécifique faible permet une meilleure utilisation de la chaleur, donc de meilleures performances thermiques, mais une baisse de la capacité du séchoir. Il faut donc tenir compte de ces différents facteurs pour choisir le débit spécifique, donc le séchoir.

3.2.4. Consommation thermique spécifique ou massique

Elle exprime la quantité 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 évaporée.

Cette chaleur est utilisée pour réchauffer le grain, évaporer l'eau, réchauffer le séchoir. Il s'y ajoute des pertes par rayonnement, insaturation de l'air à la sortie, etc.

Sur des séchoirs continus, classiques, des essais faits en France par le CEMAGREF ont montré que des rendements évaporatoires de 1 100 à 1 200 mth/kg d'eau évaporée peuvent être considérés comme honorables.

Les séchoirs statiques par contre auront une consommation thermique spécifique supérieure à 1 500 mth/kg.

Exemple: séchoir classique à échangeur: Rendement 1 150 mth/kg d'eau.

La connaissance de la consommation thermique spécifique nous permettra d'apprécier la consommation en combustible.

3.2.5. Pouvoir calorifique des combustibles

C'est la quantité de chaleur fournie par la combustion de l'unité de poids ou de volume du combustible. Il peut être exprimé sous 2 formes:

- Pouvoir Calorifique Supérieur (P.C.S.): qui comprend la chaleur de condensation de la vapeur d'eau (l'eau est à l'état liquide au stade final de la combustion).

- Pouvoir Calorifique Inférieur (P.C.I.): quantité de chaleur fournie par combustion complète sans récupération de la chaleur latente de vaporisation de la vapeur produite, ce qui est le cas usuel.

CARACTÉRISTIQUES DES PRINCIPAUX COMBUSTIBLES

Connaissant le pouvoir calorifique d'un matériau sec (0 % d'humidité), le pouvoir calorifique à l'humidité H % est calculé par la relation:

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

Application: PCI de râfles de mais à 20 % d'humidité.

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

La chaleur utilisée au niveau d'un séchoir est fournie par un générateur d'air chaud (G.A.C.) qui sera caractérisé par sa puissance calorifique: quantité de chaleur fournie par heure (en thermies) et son rendement thermique.

3.3. Séchage artificiel

3.3.1. Séchage et séchoirs
3.3.2. Les générateurs d'air chaud
3.3.3. Économie d'énergie au niveau des séchoirs
3.3.4. Utilisation de la biomasse pour le séchage

Lorsqu'il faut sécher de grandes masses de produit dans un délai court, quelles que soient les conditions atmosphériques, il est nécessaire de faire appel à des moyens de séchage artificiel. Ces moyens, plus coûteux en énergie, plus compliqués et aussi plus onéreux que les moyens naturels, sont nécessaires pour obtenir un produit stable et commercialisable.

Il est probable qu'à l'avenir, avec l'introduction de nouvelles variétés à fort rendement, les mises en culture hors saison et les récoltes dès maturités des produits, il sera nécessaire de renforcer. les moyens de séchage artificiel existant aujourd'hui.

TECHNIQUES DE SÉCHAGE

Pour le séchage des produits granuleux et notamment des grains, la technique généralement utilisée est le séchage à courants croisés.

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