Pulvérisation de produits visqueux pour l'industrie alimentaire
La pulvérisation de produits visqueux peut présenter certains défis. Dans l'industrie alimentaire, il y a beaucoup de fluides visqueux qui doivent être pulvérisés.
Mesure de la viscosité
La viscosité est une mesure de la résistance d'un fluide aux contraintes de cisaillement. C'est une mesure approximative de "l'épaisseur" d'un liquide. La viscosité est mesurée en pascal secondes. L'eau à 20° Celcius a une viscosité de 1,002 mP.s. Ceci est le plus souvent redéfini comme l'unité Centipoise (cps), un cps étant équivalent à 1 millipascal seconde, par exemple l’eau a un Cp environ à température ambiante.
Quelque fluides communs et leur viscosité en centipoises
L’eau : 1
Le lait : 3
L’huile d’olive : 40
La crème : 50
La crème épaisse : 120
Le miel : 1,800 – 3,000
Sour cream : 15,000
Sirop de maïs : 15,000
Effets de la viscosité sur les propriétés du fluide
Lorsque la viscosité d'un fluide augmente, il a tendance à former de plus grosses gouttelettes lorsqu'il est pulvérisé. Pour les fluides très visqueux, cela aura un effet néfaste sur les applications de revêtement car les gouttelettes de petite taille produisent un revêtement uniforme. Cela peut également affecter l'adhérence du revêtement sur la cible. En effet, les pulvérisations composées de gouttelettes plus petites ont une surface par volume beaucoup plus grande que celles composées de grosses gouttelettes. Les pulvérisations plus fines sont plus aptes à s'étaler sur leur surface cible.
Cet effet est moindre pour les fluides avec des viscosités inférieures à 10 cps mais devient plus prononcé avec des viscosités plus élevées. Par exemple, une pulvérisation de crème épaisse (Cps 120) formerait des gouttelettes d'environ 2,6 fois la taille de celles d'eau pulvérisée par la même buse. Cela signifie que la pulvérisation aurait 2,6 fois moins de rapport surface / volume, ce qui la rendrait moins susceptible d'adhérer à la surface et de former une couche uniforme.
Il peut être possible de compenser cela en augmentant la pression du fluide car une pression accrue réduira la taille des gouttelettes mais la pulvérisation à des pressions plus élevées augmente également les débits. Le tableau ci-dessous montre l'augmentation de la taille des gouttelettes par rapport à l'eau et l'augmentation de pression requise pour compenser, c'est-à-dire obtenir la même taille de gouttelette que celle attendue pour la pulvérisation d'eau. La dernière colonne montre l’augmentation du débit qui en résulte.
Les données pour la formule sont :
Les fluides visqueux auront tendance à former de plus grandes tailles de gouttelettes. Une buse qui pulvérise de l'eau qui va former une taille de gouttelette de Dw formera une taille de gouttelette de Df selon la formule ci-dessous :
Taille des gouttelettes en fonction de la pression :
D1 – Taille des gouttes à P1
D2 – Taille des gouttes à P2
P1 – Pression 1
P2 – Pression 2
Taille des gouttelettes en fonction de la viscosité :
Vf étant la viscosité du fluide en cp (1 pour l’eau)
Df Taille des gouttes du fluide
Dw Taille des gouttes pour l’eau
Débit / Pression
Q Débit à une pression P
K – Débit à 1 bar en l/min
P – Pression en bar
Remarque: l'exposant de 0,5 pour P peut varier en fonction de la buse utilisée
En utilisant la formule ci-dessus, nous pouvons produire cette table pour une pulvérisation ordinaire.
Comme le montre ce tableau, la taille des gouttelettes augmente considérablement avec la viscosité et il n'y a pas vraiment de moyen pratique de compenser cela, car toute augmentation de la pression aura un effet d'augmentation du débit. Dans la plupart des applications, d'autres méthodes d'atomisation pour les fluides visqueux sont nécessaires, c’est pourquoi les atomiseurs sont utilisés pour obtenir de bonnes tailles de gouttelettes sans avoir à augmenter les pressions et débits.
Atomiseurs
De nombreux atomiseurs mélangent le fluide et l'air à l'intérieur de la buse avant d'être éjectées par l'orifice. Ceci est parfaitement acceptable pour les fluides de faible viscosité comme l'eau mais pas avec des fluides supérieurs à 100 cps. Les plus grandes tailles de gouttelettes et les bulles qui se forment dans la chambre gênent la formation de la pulvérisation. Cela peut entraîner des blocages et une pulvérisation quelconque.
Pour résoudre ce problème, il faut utiliser les atomiseurs à mélange externe. Ceux-ci mélangent l'air avec le fluide après la sortie de la buse.
Température
La viscosité d'un fluide aura tendance à diminuer à mesure qu'il est chauffé. Inversement, en refroidissant les liquides deviennent plus visqueux. Un exemple pratique : le chocolat. À température ambiante, il est solide et ne peut donc pas être pulvérisé, mais lorsqu'il est chauffé, il devient liquide. A un peu au-dessus du point de fusion, le chocolat est encore trop visqueux pour une pulvérisation pratique, mais en augmentant un peu sa température la pulvérisation devient réalisable. Un degré de différence de température peut représenter une grosse différence entre un fluide de 1000 cps (pas vraiment pulvérisable) et un fluide de 100 cps pouvant être pulvérisé.
Comme les augmentations de viscosité peuvent être très rapides, même à de petites différences de température, il faut faire attention à ce type de pulvérisation. Un refroidissement indésirable de seulement quelques degrés avant la pulvérisation peut avoir de grosses conséquences. C’est pourquoi, les bains marie sont souvent utilisées pour maintenir le fluide à une température jusqu'à la pulvérisation.
Viscosité vs onctuosité
Bien que de nombreux fluides visqueux soient très collants, la viscosité n'est pas la même chose que l’onctuosité. Certains fluides très visqueux comme la crème sour ne sont pas si collants que d'autres, comme le miel. L’onctuosité peut présenter d'autres problèmes de pulvérisation en plus de ceux causés par un fluide visqueux.
Choix de buse
Buses hydrauliques
Les fluides visqueux peuvent être difficiles à pulvériser avec de simples buses hydrauliques. Plus un fluide est visqueux, plus l'angle de pulvérisation est faible. Un angle de pulvérisation de 90° pour l'eau, par exemple, peut ne donner qu'un angle de 60° pour un fluide plus visqueux. Il est possible d'augmenter la pression mais, avec de simples buses hydrauliques, cela affecte le débit, ce qui a une incidence sur la forme de la pulvérisation, entraînant une surpulvérisation.
Il y a néanmoins certaines options. La partie de la buse la plus sujette aux colmatages est l’orifice de sortie. Avec la buse de pulvérisation spirale « TF », le jet est formé après sortie de l’orifice de la buse, ce qui fait qu’elle n’est pas vraiment sujette aux colmatages. Cette très large gamme, permet d’obtenir une grande variété d’angles de pulvérisation et est adaptée à de nombreuses situations. Elles peuvent être fabriquées en inox alimentaire 316L ou en PTFE.
Les buses de la gamme “Maxipass” ont une chambre de turbulence conçue spécialement pour la pulvérisation de produits épais.
Buses à commande électronique
Avec les buses électroniques, il est possible de compenser ce phénomène dans une certaine mesure en utilisant la modulation de largeur d'impulsion (MLI). Nous pouvons pulvériser à ces pressions plus élevées et, en cas de surpulvérisation due à la pression plus élevée et au débit plus important qui en résulte, nous pouvons activer et désactiver la buse de manière très, très rapide.
Toutefois, les buses électriques sont limitées dans les pressions auxquelles elles peuvent pulvériser et ne peuvent pas fonctionner à plus de 20 bars. Elles ne peuvent donc pas pulvériser des fluides dépassant 25 centipoises.
Buses à atomisation pneumatique
Les buses à pulvérisation d'air utilisent l'énergie de l'air ou du gaz comprimé pour produire des pulvérisations de liquides finement atomisés à des pressions de fonctionnement relativement faibles. Lorsqu'un fluide visqueux doit être pulvérisé/atomisé et qu'il n'est pas possible de le pulvériser avec une buse hydraulique à un seul fluide, une buse à pulvérisation d'air à deux fluides est souvent la meilleure option. Les systèmes de buses à faible débit XA10 et XA11 peuvent être utilisés avec FlexFlow™ pour atteindre une variété d'objectifs de pulvérisation d'air, avec un choix de configurations de mélange internes ou externes.