LE TRANSFERT DE CHALEUR DANS L’INDUSTRIE DE LA TRANSFORMATION DES ALIMENTS

Le transfert de chaleur est l’une des disciplines d’ingénierie couramment utilisées dans la transformation des aliments. Il joue un rôle essentiel dans l’amélioration de la sécurité, des aspects nutritionnels et sensoriels du produit. Il existe de multiples sous-processus comme la stérilisation, la congélation, la conservation et la surgélation dans l’industrie alimentaire. Tous reposent sur la fourniture à ses clients d’une prestation de qualité correcte et constante. 

L’un des défis du transfert de chaleur dans l’industrie alimentaire et des boissons est son caractère régulier et instable dans les différents sous-processus. Ainsi que le chauffage de matières premières aux formes irrégulières, aux propriétés physiques qui varient au cours du cycle de traitement, à la consistance non uniforme et parfois variable. 

En raison de la nature non-newtonienne des aliments, leur comportement thermique est toujours resté un défi à modéliser. Il est donc nécessaire de mieux comprendre l’ingénierie pour résoudre les équations différentielles du transfert de chaleur instationnaire par une solution analytique avec des hypothèses simplificatrices. 

Rôle des échangeurs de chaleur dans le traitement des aliments

Que le produit soit du lait traité UHT, des boulettes de viande en sauce ou de la glace au chocolat, pratiquement tous les processus alimentaires impliquent un échangeur de chaleur. Les traitements thermiques ou les processus de transfert de chaleur constituent des exceptions potentielles à cette règle, mais un transfert de chaleur est toujours impliqué.

Le type d’échangeur de chaleur dépend de plusieurs facteurs liés aux caractéristiques physiques du produit. Par exemple, la taille des particules, la viscosité, la conductivité thermique, la diffusivité thermique et la chaleur spécifique. 

Les produits plus complexes avec des tailles de matières premières irrégulières nécessitent une conception plus complexe de l’échangeur de chaleur pour garantir les caractéristiques d’écoulement visées. L’objectif est d’obtenir un transfert de chaleur plus efficace pour un produit constant et de haute qualité à chaque fois. Les formes les plus courantes d’échangeurs de chaleur utilisés dans l’industrie alimentaire sont les échangeurs de chaleur tubulaires ou à plaques. Leur conception met l’accent sur la prévention de l’encrassement, qui est l’un des problèmes fondamentaux de la transformation des aliments. 

Encrassement

L’encrassement se produit lorsque des dépôts de matières indésirables se forment sur les surfaces de transfert de chaleur. Cela entraîne la formation d’une couche isolante, réduisant ainsi l’efficacité du processus de transfert de chaleur. Cela a un impact négatif sur les performances d’écoulement et la chute de pression. 

Les types d’encrassement les plus courants comprennent l’entartrage causé par : 

• Le carbonate de calcium
• Le sulfate de calcium 
• Les silicates
• La sédimentation
• La croissance biologique
• L’incrustation 

L’échangeur de chaleur tubulaire conçu par Tetra Pak est une conception révolutionnaire des échangeurs de chaleur utilisés dans l’industrie de la transformation des aliments qui a permis de résoudre les problèmes de fuites et d’encrassement des soudures. Dans un échangeur de chaleur traditionnel, les pièces sont soudées ensemble. Or, lorsque le métal se réchauffe et se refroidit, il en résulte des contraintes thermiques qui, à leur tour, entraînent la fissuration des joints soudés et la corrosion sur la durée, ce qui augmente le risque de contamination des aliments. Dans un échangeur de chaleur Tetra Pak, ces soudures sont remplacés par des joints flottants non soudés. 

Les différents types d’échangeurs de chaleur dans l’industrie de la transformation des aliments

Les échangeurs de chaleur couramment utilisés dans la transformation des aliments sont les suivants :

Échangeur de chaleur tubulaire

Il s’agit du type d’échangeur de chaleur le plus simple. Il consiste en un tube à double paroi avec un fluide passant par le tube central et le second fluide passant par l’espace annulaire entre les deux tubes. Il existe également des tuyaux à triple paroi où le fluide traité passe par un passage intermédiaire et les fluides de chauffage et de refroidissement passent par d’autres espaces annulaires de sorte que le fluide traité est entouré des deux côtés. Bien que le coût d’investissement de ces échangeurs soit faible, ils sont moins courants dans l’industrie de la transformation des aliments.

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Un autre échangeur de chaleur simple avec un réservoir à double paroi. L’espace annulaire contient le fluide de chauffage, et ils sont plus couramment utilisés pour la pasteurisation par lots. Parfois, un agitateur est également prévu pour le déplacement du produit sur les surfaces de transfert de chaleur.

Échangeur de chaleur à plaques

C’est l’échangeur de chaleur le plus courant dans l’industrie de la transformation des aliments Il se compose de plaques minces empilées les unes sur les autres pour offrir une surface de transfert de chaleur élevée dans un petit espace. Les échangeurs de chaleur à plaques offrent un faible coût d’investissement et une maintenance aisée en raison de la facilité de démontage et de la possibilité d’utiliser des méthodes de nettoyage en place. 

Échangeur de chaleur à surface raclée

Il est utilisé lorsque le fluide traité est très visqueux et que le risque de formation de grumeaux est élevé. Il consiste en un échangeur tubulaire à double paroi avec un arbre central rotatif. L’arbre élimine toute accumulation excessive de matière sur la paroi intérieure du tube. Cela réduit l’encrassement des fluides hautement visqueux. 

Fluides caloporteurs

Le choix des fluides de transfert de chaleur appropriés est une considération importante pour l’industrie de la transformation des aliments. L’interdiction de la vapeur dans certains cas et l’absence de vapeur dans d’autres constituent un défi particulier, tout en exigeant un transfert de chaleur sûr et efficace pour éviter la contamination. 

Les fluides caloporteurs utilisés dans les installations de transformation des aliments sont certifiés de qualité alimentaire NSF HT-1 pour répondre aux exigences opérationnelles en cas de contact accidentel avec les aliments. Il peut s’agir de fluides caloporteurs de qualité alimentaire à point d’éclair élevé, dont la température de fonctionnement doit être inférieure au point d’éclair du fluide. Habituellement, leur plage de fonctionnement se situe entre 15 ˚C et 340 ˚C. Les fluides basse température de qualité alimentaire peuvent également faire office de nettoyants avec des plages de fonctionnement comprises entre -40 ˚C et 232 ˚C avec une odeur minimale et des tendances au vernissage plus faibles. 

Lors de la sélection du fluide de transfert de chaleur en phase liquide et en phase vapeur approprié pour l’application, il est important de s’assurer que le fluide est conçu pour résister aux formations de solides, empêcher l’encrassement du système et fournir une stabilité thermique à haute température. 

Le programme d’enregistrement NSF HT1 est une ressource internationale pour l’évaluation et l’enregistrement des fluides caloporteurs de qualité alimentaire. 

Impact du chauffage sur les graisses et les huiles

Le transfert de chaleur pour le chauffage de l’huile végétale présente un ensemble unique de défis. Il existe des risques de brûlure de l’huile et de formation d’acides gras. Un réchauffeur à circulation avec un système de contrôle automatisé de la température est une solution courante pour atténuer ces risques. Les réchauffeurs à circulation sont équipés de buses aux deux extrémités et d’un thermoplongeur électrique à bride pour le chauffage indirect du fluide de traitement. Habituellement, pour l’huile végétale, le thermoplongeur électrique utilise un matériau de gaine en acier inoxydable et une faible densité de puissance pour éviter de roussir l’huile végétale et maintenir la bonne viscosité.