Dans un procédé de séchage — alimentaire, pharmaceutique, céramique, bois ou linge — la vitesse de séchage évolue dans le temps et se trouve limitée par deux mécanismes différents.
La période à vitesse constante
Au début, la surface du produit est mouillée. L'évaporation se produit en surface et sa vitesse est fixée par la rapidité avec laquelle l'air évacue l'humidité. Le côté limitant est l'externe : vitesse de l'air, température et humidité relative.
Dans cette période, augmenter le débit d'air ou élever la température aide directement. La température de surface reste proche de la température de bulbe humide de l'air grâce au refroidissement par évaporation — un tampon naturel qui protège le produit.
La période à vitesse décroissante
À mesure que la surface sèche, le front d'évaporation recule dans le produit. L'humidité doit désormais atteindre la surface et la vitesse est fixée par la diffusion interne.
Dans cette période, les améliorations côté air n'ont presque aucun effet. Fournir plus de débit ne fait que consommer de l'énergie. Pire : comme la surface n'est plus refroidie par l'évaporation, la température du produit monte rapidement — brûlures, fissuration et perte de qualité surviennent précisément dans cette période.
La conséquence pour la conception
Un bon séchoir fournit des conditions différentes pour les deux périodes : fort débit et température élevée au début, puis une réduction par paliers. Un séchoir à conditions constantes traverse soit lentement la première période, soit endommage le produit dans la seconde.
Modélisation
L'évaporation est une source de masse et d'énergie. La vapeur qui quitte la surface élève l'humidité de l'air et la chaleur latente refroidit la surface ; les deux doivent être résolus ensemble. Pour l'évaporation de gouttes ou de surfaces poreuses, on utilise les relations classiques de transfert de masse [1].
La distribution est critique. Si chaque pièce d'une charge doit sécher de façon identique, ce qui compte n'est pas le débit total mais la façon dont ce débit se répartit entre les plateaux — un classique problème de distribution.
Le côté produit se modélise séparément. La diffusion interne relève du modèle de produit plutôt que de la solution d'écoulement ; les deux se rejoignent à la surface.
Références
- Ranz, W. E. & Marshall, W. R. (1952). Evaporation from drops. Chemical Engineering Progress, 48, 141–146 (Part I) and 173–180 (Part II).
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605