Influence des paramètres de séchage sur la vitesse de séchage en couche mince 

Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études

Principes de séchage

Il est possible de procéder à un séchage par le biais de plusieurs méthodes différentes. Nous pouvons ainsi distinguer trois types de séchage selon la méthode utilisée : Le séchage mécanique, le séchage chimique et le séchage thermique.

Le séchage mécanique

Lors d’un séchage mécanique, l’élimination de l’eau à l’intérieur d’un produit se fait en utilisant des forces de nature mécanique comme le pressage ou la centrifugation. Dans la plupart des cas, le séchage se fait sans transfert de chaleur, il y a seulement transfert de quantité de mouvement.
Le séchage mécanique ne permet pas d’extraire totalement l’eau contenue dans un produit : il permet d’éliminer une partie de l’eau libre du produit mais pas d’extraire l’eau adsorbée. Un tel procédé de séchage ne peut pas diminuer l’humidité du produit en-dessous de 60%. Par conséquent, il n’a pas besoin de consommer beaucoup d’énergie.

Le séchage chimique

Le séchage chimique est pour la plupart du temps caractérisé par l’utilisation des produits déshydratants pour sécher les produits.

Le séchage thermique

Le séchage thermique est caractérisé par l’existence à la fois du transfert de masse et de chaleur. Il a ainsi besoin de beaucoup plus d’énergie pour pouvoir extraire l’eau à l’intérieur d’un produit. Il se divise lui-même en deux catégories :

Le séchage par ébullition

Porter à ébullition un corps revient à le chauffer jusqu’à ce que des bulles de vapeur d’eau se forment sur sa surface, libérant ainsi les molécules d’eau qu’il contient. Pour pouvoir effectuer cette action, il est indispensable de fournir au produit un apport de chaleur latente d’évaporation. Cet apport peut être transmis par conduction au produit en le mettant en contact avec une surface chauffée, par rayonnement en le mettant dans un milieu électromagnétique comme dans une micro-onde, ou par convection en utilisant des vapeurs d’eau surchauffées ou des fluides portés à haute température.

Le séchage par entrainement

Le séchage par entrainement consiste à envoyer sur la surface du produit à sécher un courant d’air chaud et sec. Il se produit alors un transfert de chaleur du fluide vers le produit à cause de la différence de température entre eux et inversement, un transfert de masse du produit vers le fluide à cause de la différence de concentration en eau. Si l’énergie fournie par le fluide correspond à l’énergie nécessaire à la vaporisation de l’eau, nous disons que le séchage est ‘isenthalpique’.

Types de séchage

D’une façon génerale, il existe deux différents types de séchage, à savoir le séchage naturel et le séchage artificiel.

Le séchage naturel

Le séchage naturel est le type de séchage le plus archaïque et le plus simple dans ce domaine. En effet, il consiste à sécher les produits directement à l’air libre et en utilisant l’énergie provenant du soleil. A cause de la simplicité de cette méthode et du fait qu’il ne coute pas chère, elle est encore utilisée jusqu’à présent pour sécher diverse produits comme les produits agricoles.

Le séchage artificiel

Le séchage naturel présente cependant quelques inconvénients, comme la longue durée de séchage par exemple. Pour pallier à ces problèmes, le séchage artificiel fut inventé. Avec ce type de séchage, la durée du séchage est considérablement réduite par rapport au séchage naturel.

COURBE DE SECHAGE

La figure I.1 montre l’évolution générale du processus de séchage au cours du temps, plus précisément, l’évolution en fonction du temps de l’humidité absolue X. L’humidité absolue se définie comme étant le rapport entre la masse d’eau contenue à l’intérieur du produit et la masse sèche de ce produit.
Sur la figure, nous pouvons constater trois zones distinctes, la zone (A-B), (B-C) et (C-D). En effet, durant le séchage il existe trois phases bien distinctes, donnant ainsi la variation de la vitesse de séchage -dX/dt en fonction du temps .

Phase initiale (A-B)

C’est une phase pendant laquelle il y a déplacement de l’eau dans le réseau capillaire du produit vers la surface. La quantité de chaleur reçue par le produit sert essentiellement à augmenter sa température. Elle est aussi appelée phase transitoire et est de courte durée par rapport au temps de séchage globale. Quelque fois, il peut arriver que des courbes de séchages ne contiennent pas cette phase.

Phase à vitesse de séchage constante (B-C)

Pendant cette phase, il y a migration de l’humidité de l’intérieur vers la surface du produit formant ainsi une couche fine d’eau sur la surface, jusqu’à saturation. Ici, le séchage peut être considéré comme le processus d’évaporation de l’eau et qui ne dépend plus que des propriétés du milieu extérieur. La vitesse de séchage reste donc constante.

Phase à vitesse décroissante (C-D)

Arriver au point C, appelé point critique, les forces capillaires commencent à véhiculer difficilement l’humidité à l’extérieur. Il y a donc ralentissement de la vitesse de séchage et les propriétés physiques du produit sont à présent les seuls facteurs sur lesquelles se reposera la durée du séchage.

PROPRIETES PHYSIQUES DE L’AIR HUMIDE

L’air est un fluide qui est généralement employé dans les séchoirs utilisant le transfert d’énergie par convection. Il est donc important de connaitre ses propriétés physiques pour bien comprendre le phénomène de séchage.

Air humide

L’air humide n’est qu’une autre appellation de l’air réel qui nous entoure. L’air réel est composé essentiellement de l’air sec, qui est lui-même composé de plusieurs gaz dont les majoritaires sont l’oxygène, l’azote, l’hydrogène et le dioxyde de carbone. Mais il contient aussi d’autres particules humides qui sont constituées par des vapeurs d’eau. La quantité de ces vapeurs d’eau peut variée selon les conditions du milieu sur lequel l’air se déplace, et elle est caractérisée généralement par l’humidité absolue, ou par l’humidité relative de l’air.

Humidité absolue de l’air

L’humidité absolue de l’air notée X, appelée aussi teneur en eau ou humidité spécifique est le rapport entre la masse des vapeurs d’eau contenue dans l’air et sa masse sèche. (I.2)
mv : Masse des vapeurs d’eau [kgeau]
mas : Masse de l’air sec [kgas]

Humidité relative de l’air

L’humidité relative de l’air est également appelée degré hygrométrique. Elle est obtenue en comparant l’humidité absolue d’un air ambiant à l’humidité absolue qu’il aurait s’il était saturé, c’est-à-dire s’il ne pouvait plus absorber des vapeurs d’eau à une température donnée 100 (I.3) X : Humidité absolue de l’air ambiant [kgeau/kgas] Xsat : Humidité absolue à la saturation [kgeau/kgas]

ISOTHERME DE SORPTION

L’isotherme de sorption est une relation d’équilibre liant l’humidité absolue d’un corps à l’activité de l’eau ou à l’humidité relative de l’air environnant à une température constante donnée. Il permet de connaitre les propriétés hygroscopiques d’un corps et peut être déterminé soit par adsorption, soit par désorption. Il y a adsorption lorsqu’un corps, initialement sec est placé dans une atmosphère humide, entrainant ainsi une augmentation de l’humidité relative de l’air. Inversement, il y a désorption lorsqu’un corps, initialement humide est placé dans un milieu sec, causant une perte d’eau dans ce corps. Ainsi, pour un même produit, il est possible d’obtenir deux courbes distinctes représentant l’adsorption et la désorption, d’où l’existence d’un phénomène d’hystérésis comme le montre la figure I.2.

Principe de l’effet de serre

Une serre est constituée essentiellement d’une chambre couverte de vitres ou des plastiques transparents. Quand le rayonnement solaire arrive sur la vitre, une partie de lui est immédiatement réfléchie à l’extérieur, une partie est absorbée par la vitre et une partie est transmise à l’intérieur de la serre. Le corps à l’intérieur de la serre qui a reçu une partie de cette énergie rayonne à son tour et dégage un rayonnement de grande longueur d’onde, dont essentiellement l’infrarouge, vers la vitre. Or la vitre ne peut pas laisser passer le rayonnement car elle lui est totalement opaque. Elle absorbe une partie de cette énergie et réfléchie le reste à l’intérieur de la serre. Ainsi le rayonnement est emprisonné dans la serre, augmentant ainsi la température à l’intérieur de la serre.

Différents types de séchoir solaire

En comparant avec d’autre types de séchoir, le séchoir solaire est facile à réaliser, le coût de sa fabrication est assez abordable et son rendement peut être considéré comme satisfaisant.
Il existe deux types de séchoir solaire : Le séchoir solaire à armoire de séchage vitré, c’est-à-dire un séchage direct et le séchoir solaire à armoire non vitrée ou séchage indirecte. Pour le séchage direct, les produits à sécher se trouvent juste en dessous de la vitre, donc en contact directe avec le rayonnement solaire. Quant au séchage indirect, les produits à sécher se trouvent dans un autre compartiment qui est relié à un insolateur plan et ne sont pas en contact direct avec le rayonnement solaire. Dans ces deux cas, les séchoirs peuvent fonctionnés aussi bien par convection naturelle ou par convection forcée et leurs rendements dépendront des conditions du milieu où elles se trouvent, principalement de la quantité de soleil et de l’humidité de l’atmosphère. La différence majeure qui existe entre ces deux types de séchage réside dans leurs utilisations. Le séchage indirect est plutôt réservé à des industries à cause du coût de fonctionnement qui est assez cher, alors que le séchage direct est à la portée de tout le monde et convient donc à l’usage domestique.
Quelque fois, il est préférable d’utiliser des appoints électriques, comme des résistances pour garder la température élevée au sein du séchoir lors de l’absence d’ensoleillement.

DESCRIPTION DU SECHOIR SERRE DE SECTION DROITE TRIANGULAIRE ISOCELE

Nous allons décrire ci-dessous les caractéristiques du séchoir utilisé lors des expérimentations. Il s’agit d’un séchoir serre de section droite triangulaire isocèle.
Le séchoir serre à section droite triangulaire isocèle est représenté sur la figure I.5. Les surfaces S1 et S2 représentent les surfaces des deux couvertures inclinés couvrant la serre, S3 et S4 représentent les surfaces des deux pignons latéraux et S5 représente la surface de la sole de la serre. L’armature de la serre est en bois léger tandis que la couverture est constituée par un film de polyéthylène (PE) ou de polychlorure de vinyle (PVC) pour assurer le phénomène de l’effet de serre. Dans les expérimentations, nous avons utilisés le polyéthylène comme couverture du séchoir. La ventilation naturelle à l’intérieur de la serre est assurée par des ouvertures rectangulaires dénivelées dont celles du bas se trouvent sur les pignons latéraux tandis que celles du haut sur la couverture inclinée. Pour protéger les produits contre des éventuelles humidités comme de l’averse ou de la pluie, une faîtière de même nature que la couverture est placée à son sommet.
La conception de la serre à section droite triangulaire isocèle se fonde sur le principe qu’elle doit être accessible à tous, c’est-à-dire que sa réalisation doit être simple et les matériels utilisés ne doivent pas être trop chers, car les cibles principales à viser dans notre étude sont les paysans malagasy. Ainsi, les matériaux qui constituent la serre sont choisis de telle manière à remplir ces exigences.

Description de la plante

Le riz est une plante annuelle qui est cultivée généralement dans des champs inondés. Selon le type de riz, sa hauteur peut variée de moins d’un mètre jusqu’à cinq mètre. Ses tiges sont regroupées en bouquet, ses racines fasciculées, ses fleurs forment une panicule de 20 à 30cm de long et le fruit, ou caryopse est emprisonné dans deux glumelles. L’ensemble du caryopse et des glumelles forme le riz complet.
Selon l’apparence du caryopse, trois grandes variétés de riz peuvent être souligné : Le riz à tégument blanc, le riz à tégument rouge et le riz gluant. La plupart des riz cultivés en Afrique sont des riz à tégument rouge.

Structure et constituant des grains de riz

Un grain de riz mûr contient trois constituants distinctes. De l’extérieur vers l’intérieur, ils sont respectivement : La balle ou la coque, le son qui est constitué par le péricarpe et l’embryon, et enfin l’endosperme ou grain de riz. La figure II.1 représente ces différents constituants.
• La balle est composée de deux feuilles modifiées : Le palea et le lemme. C’est une protection naturelle pour le noyau. Une balle forte permet de stocker les grains en tout sécurité mais il rend par contre difficile le décorticage. La masse de la balle représente 18 à 20% de la masse totale du grain.
• Le grain de riz ou endosperme constitue la réserve de nourriture pour l’embryon et représente environ 74 à 78% de la masse du grain.
• L’embryon est le constituant le plus important pour la survie de l’espèce car il peut se développer pour donner vie à des futures plantes. Il est très petit et se trouve juste au sommet du grain. Le germe est particulièrement riche en lipide, protéine et vitamine.

Formes commercialisés du riz

A partir de sa cueillette jusqu’à sa blanchissement finale, le riz peut se trouver à plusieurs stade de transformation.
• Le riz paddy : C’est le riz à l’état brut c’est-à-dire qui est non décortiqué et conserve encore sa balle après le battage.
• Le riz cargo : Connu aussi sous le nom de riz complet ou riz brun, c’est le riz décortiqué dont l’embryon est encore conservé tandis que la balle est éliminée.
• Le riz blanc : Appelé aussi riz usiné ou riz blanchi, c’est le riz qui est dépourvu d’embryon et du péricarpe et qui ne contient plus que des réserves d’amylacées ou endospermes.
• Le riz étuve : nommé aussi riz incollable, c’est le riz obtenu à partir d’une transformation du riz cargo ou du riz blanc. Une transformation dans laquelle des procédés thermique sont mise en jeu pour empêcher les grains de se coller enter eux. La figure II.2 illustre ces différents types de riz. En moyenne, un kilogramme de riz paddy peut donner sept cent cinquante gramme de riz cargo et six cent gramme de riz blanc. Le riz peut être commercialisé à chaque stade de ces transformations.

Le riz comme aliment

Le riz occupe une place importante dans l’alimentation humaine. En effet, il tient la première place dans le classement des céréales qui font parties de la nourriture de l’homme. Il constitue même l’aliment de base dans beaucoup de pays comme en Chine, au Japon ou à Madagascar.

LES FEUILLES DE MANIOC

Définition

Le manioc, appelé scientifiquement Manihot Esculenta appartient à la famille des Euphorbiaceae et originaire de l’Amérique du sud. C’est une plante annuelle cultivée en générale dans les zones tropicales ou subtropicales. La partie la plus exploitée de cette plante est sa racine qui est riche en amidon et en glucide, mais certains pays utilisent aussi ses feuilles à des fins alimentaires. C’est le cas notamment en Afrique, en Asie, au Brésil, à Madagascar et dans beaucoup d’autre pays.

Description de la plante

Le manioc, comme toute autre plante, est composé de plusieurs constituants, à savoir les racines, les tiges, les feuilles, les fleurs, les inflorescences, les fruits et les graines. Mais les constituants les plus utilisés de cette plante sont notamment les racines, les tiges et les feuilles.

Les racines

Le manioc possède des centaines de racines mais seulement quelques unes d’entre elles arrivent à se transformer en tubercule. A maturité, un tubercule de manioc peut avoir une longueur de 20 à 80 cm, un diamètre de 5 à 15 cm et une masse de 100 g à 3 kg. Ces racines sont très appréciées comme nourriture dans les pays qui les cultivent. En effet, elles y sont consommées en grande quantité et fait même partie de l’aliment de base dans certains pays africains. Le manioc est très riche en glucide, en amidon et en hydrate de carbone mais il est très pauvre en protéine. La préparation du manioc requiert beaucoup d’attention puisqu’il contient des toxines, plus précisément des acides cyanhydriques qu’il est préférable d’extraire avant de manger le produit pour éviter l’intoxication.
Dans plusieurs pays comme le Brésil, le manioc est quelque fois transformé en farine pour pouvoir les conserver ou pour les utiliser sous d’autre forme, comme la fabrication des tapiocas.

Les tiges

Un pied de manioc peut avoir une ou plusieurs tiges de longueur variable, allant de 1 à 6m de longueur pour 3 à 4 cm d’épaisseur et qui se dressent plus ou moins verticalement. Arriver à une certaine hauteur, une tige peut se diviser en deux ou trois ramifications et ces ramifications peuvent à leurs tours engendrer d’autres ramifications. Ces tiges sont caractérisées par des nœuds dont le rôle est de protéger un œil. Ces nœuds sont disposés de façon spiralée et la distance entre deux nœuds croît en fonction de l’altitude, c’est-à-dire que les entre-nœuds au sommet de la tige sont plus long que ceux d’en bas.
La tige est la partie la plus importante pour la perpétuation de la race de la plante. En effet, ce sont eux qui sont remise sous terre pour donner d’autre nouvelle génération de manioc.

Les feuilles

Les feuilles de manioc sont des palmilobées qui contient environ 3 à 10 lobes par feuille comme l’indique la figure II.3. Chaque feuille peut mesurée entre 10 à 20 cm de long et est portée par un pétiole dont la longueur varie de quelque millimètre jusqu’à 6 cm.
Les feuilles de manioc font partie des nourritures humaines dans plusieurs pays. Elles sont consommées avec du riz en République démocratique du Congo sous le nom de « mpondu », « saka-saka » en république centre africaine et « Ravitoto » à Madagascar. Il est cependant nécessaire de bien faire attention à la préparation de cet aliment à cause de l’existence du cyanure à l’intérieur de la plante.

MATERIELS ET METHODES

Instrumentation

Caractéristiques géométriques du séchoir

Le séchoir serre de section droite triangulaire isocèle utilisé pendant l’expérimentation est caractérisé par sa longueur L = 108cm, sa largeur l = 85cm et sa hauteur H= 55cm. Les ouvertures rectangulaire sur les pignons latéraux sont caractérisées par sa longueur Lp = 45cm et sa largeur lp = 8.5cm. Les ouvertures au sommet de la couverture inclinée sont caractérisées par une longueur Lc = 49cm et une largeur lc = 7cm. La sole de la serre est constituée par de la terre battue reconstituée enduite de fumier de zébu et par de la plaque de granite. Le tout est couvert par un film en polyéthylène à basse densité linéaire d’épaisseur 5mm, de densité 0.92 g.cm-3 et de conductivité thermique 0,34 W.m-1.K-1.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I : ETUDES THEORIQUES SUR LE SECHAGE
I.1 GENERALITES SUR LE SECHAGE
I.1.1 Définition
I.1.2 Principes de séchage
I.1.3 Types de séchage
I.2 COURBE DE SECHAGE
I.2.1 Phase initiale (A-B)
I.2.2 Phase à vitesse de séchage constante (B-C)
I.2.3 Phase à vitesse décroissante (C-D)
I.3 PROPRIETES PHYSIQUES DE L’AIR HUMIDE
I.3.1 Air humide
I.3.2 Humidité absolue de l’air
I.3.3 Humidité relative de l’air
I.4 ISOTHERME DE SORPTION
I.5 DETERMINATION DE LA CINETIQUE DE SECHAGE
I.5.1 Généralités sur la cinétique de séchage
I.5.2 Proposition de formules
I.5.3 Expression de l’humidité absolue du produit en fonction du temps
I.5.4 Influence des paramètres de séchage sur la vitesse de séchage en couche mince
I.5.5 Vitesse de séchage en couche mince en fonction de la température du produit
I.6 CREATION D’UN MODELE
I.7 CALCUL D’ERREURS
I.7.1 Régression linéaire et coefficient de détermination
I.7.2 Erreur quadratique moyenne
I.8 SECHOIRS SOLAIRE
I.8.1 L’effet de serre
I.8.2 Différents types de séchoir solaire
I.9 DESCRIPTION DU SECHOIR SERRE DE SECTION DROITE TRIANGULAIRE ISOCELE
I.10 PROPRIETES PHYSIQUES DU POLYETHYLENE
I.10.1. Le polyéthylène à basse densité (PEBD)
I.10.2 Le polyéthylène à basse densité linéaire (PEBDL)
I.10.3 Le Polyéthylène à haute densité (PEHD ou HDPE)
CHAPITRE II : PROCEDURES EXPERIMENTALES
II.1 LE RIZ
II.1.1 Définition
II.1.2 Description de la plante
II.1.3 Structure et constituant des grains de riz
II.1.4 Formes commercialisés du riz
II.1.5 Le riz comme aliment
II.2 LES FEUILLES DE MANIOC
II.2.1 Définition
II.2.2 Description de la plante
II.3 MATERIELS ET METHODES
II.3.1 Instrumentation
II.3.2 Préparation
II.3.3 Protocoles expérimentales
II.4 DETERMINATION EXPERIMENTALE DES ISOTHERMES DE DESORPTION ET DE LA CINETIQUE DE SECHAGE A L’INTERIEUR DU SECHOIR SERRE A SECTION DROITE TRIANGULAIRE ISOCELE
II.4.1 Séchage du paddy Rojo mena 137 sur des plaques de granite
II.4.2 Séchage du paddy Rojo mena 137 en utilisant de la terre battue reconstituée enduite de fumier de zébu comme sole
II.4.3 Séchage des feuilles de manioc pilées en utilisant des plaques de granite comme sole
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQHES ET WEBOGRAPHIQUES

Télécharger le rapport complet