Etape de stérilisation du lait L'objectif de cette opération est de stériliser le lait écrémé de façon continue en le portant de 4 C à 130 C pendant 10 s. 0/ Déterminer le débit de lait écrémé à stériliser. 1/ Dans un premier temps, on utilise un échangeur tubulaire à tubes cylindriques concentriques pour réaliser cette opération. Le lait s écoule dans la conduite interne de diamètre 2,5 cm. Le fluide chaud utilisé dans l espace annulaire entre les conduites interne et externe est de la vapeur saturante pouvant être produite à 140 C (à 3,6 bar) (Figure 1). Vapeur saturante Lait en écoulement Figure 1. Schéma de l'échangeur tubulaire Quels sont les modes élémentaires de transfert permettant un transfert d énergie depuis la vapeur saturante vers le fluide en écoulement? Quels sont les facteurs influençant ces modes de transfert et comment peut-on formaliser la puissance transférée entre la vapeur saturante et le fluide en écoulement? 1a/ En supposant un fonctionnement de l appareil en régime permanent, écrivez un bilan enthalpique sur une tranche de fluide à la distance x de l entrée de l échangeur. 1b/ Calculez la longueur d échangeur nécessaire pour porter le fluide de 4 C à 130 C en utilisant de la vapeur à 140 C en considérant que le coefficient de transfert global entre le lait et la vapeur vaut 2000 W.m - ².K -1. 1c/ Quel est le débit de vapeur nécessaire pour réaliser cette opération? UC3 «Transformation», Génie des Procédés -
1d/ Discuter ces résultats avec le cas d'un chauffage avec l'eau chaude sous pression à 140 C, dans deux configurations : co-courant et contre-courant. Vous utiliserez la relation des échangeurs (cf annexe). 2/ Afin de minimiser la consommation de vapeur, il semble intéressant de préchauffer le lait avant de terminer son chauffage par utilisation de vapeur. Une idée serait d utiliser le lait chaud stérilisé à 130 C pour préchauffer le lait froid entrant à 4 C. L échangeur utilisé porte alors le nom de récupérateur (hglob= 1000 W.m - ².K -1 ). Le chauffeur (échangeur pour terminer le chauffage du lait et le porter à 130 C) utilise de la vapeur saturante à 140 C comme fluide chaud (hglob= 2000 W.m - ².K -1 ). Le refroidisseur (échangeur pour refroidir le lait à 4 C avant conditionnement) utilise quant à lui de l eau refroidie à 2 C comme fluide froid (hglob= 1000 W.m - ².K -1 ). Au final, l installation complète se compose de 3 échangeurs tubulaires (fonctionnant à contre-courant) et d un appareil appelé chambreur permettant de maintenir le débit de lait pendant une dizaine de secondes à 130 C pour le stériliser (Figure 2). Ts Refroidisseur Te=2 C T6=4 C T4 T5 Chambreur T1=4 C Récupérateur T2 Tv=140 C Chauffeur T3=130 C Tc Figure 2. Schéma de la ligne de stérilisation On décide de travailler avec un débit d eau refroidie de 2000 L/h. Le débit de vapeur saturante peut être fixé à une valeur comprise entre 20 et 160 kg/h. 2a/ Sur cette installation, identifiez les facteurs de conception et variables de conduite de l installation influençant ses performances énergétiques. 2b/ En argumentant votre choix, déterminez le débit de vapeur permettant de minimiser la surface d échange totale des trois échangeurs de cette installation? On vous propose pour répondre à cette question de remplir le tableau préparé sur la page suivante. UC3 «Transformation», Génie des Procédés -
2c/ Discutez le réalisme de la solution retenue et les améliorations à apporter à cette solution Débit vapeur (kg/h) 20 40 60 80 100 120 140 160 Puissance (kw) Chauffeur Récupérateur Refroidisseur S tot ΔTml ( C) Surface Puissance (kw) ΔTml ( C) Surface Q (kw) ΔTml ( C) Surface Taux récupération 1 1 Le taux de récupération est par définition la puissance mise en œuvre au récupérateur divisée par la puissance totale nécessaire pour chauffer le lait de 4 à 130 C. UC3 «Transformation», Génie des Procédés -
Données : Annexe Cplait écrémé= 3,93 kj.kg -1.K -1 Les condensats sortent à leur température de condensation. Propriétés de la vapeur saturante Adapté de Singh, R.P. & Heldman, D.R. (2009). Introduction to Food Engineering Fourth Edition. Academic Press : Burlington, MA, USA Température ( C) Pression de vapeur (kpa) Enthalpie massique (kj/kg) Liquide Vapeur 0,01 0,6113 0,00 2501,4 3 0,7577 12,57 2506,9 6 0,9349 25,20 2512,4 9 1,1477 37,80 2517,9 12 1,4022 50,41 2523,4 15 1,7051 62,99 2528,9 18 2,0640 75,58 2534,4 21 2,487 88,14 2539,9 24 2,985 100,70 2545,4 27 3,567 113,25 2550,8 30 4,246 125,79 2556,3 33 5,034 138,33 2561,7 36 5,947 150,86 2567,1 40 7,834 167,57 2574,3 45 9,593 188,45 2583,2 50 12,349 209,33 2592,1 55 15,758 230,23 2600,9 60 19,940 251,13 2609,6 65 25,03 272,06 2618,3 70 31,19 292,98 2626,8 75 38,58 313,93 2635,3 80 47,39 334,91 2643,7 85 57,83 355,90 2651,9 90 70,14 376,92 2660,1 95 84,55 397,96 2668,1 100 101,35 419,04 2676,1 105 120,82 440,15 2683,8 110 143,27 461,30 2691,5 115 169,06 482,48 2699,0 120 198,53 503,71 2706,3 125 232,1 524,99 2713,5 130 270,1 546,31 2720,5 135 313,0 567,69 2727,3 140 361,3 589,13 2733,9 145 415,4 610,63 2740,3 150 457,8 632,20 2746,5
ELEMENTS DE COURS : Dimensionnement échangeurs (valable en co- et contre-courant) Puissance gagnée par le fluide froid = = puissance perdue par le fluide chaud = = puissance échangée entre les deux fluides (comptée positivement) =h Ln avec hglob le coefficient de transfert global entre les deux fluides (W/m 2.K) et A la surface totale d échange dans l appareil
ILLUSTRATIONS : Technologie échangeurs Echangeurs tubulaires Multi-tubulaire Mono-tubulaire Echangeurs à plaques Documentation Alfa Laval : Alfa Laval - Technologie des plaques. Consulté le 9 mars 2012. < http://local.alfalaval.com/fr-fr/technologies-cles/echange-thermique/plate-heatexchangers/echangeurs-plaques-joints-phe/pages/default.aspx>
ILLUSTRATIONS : Installation industrielle de stérilisation du lait Lait cru Homogénéisation Traitements thermiques Lait UHT Stockage Conditionnement