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Pulvérisation de produits visqueux

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 :

droplet size vs pressure equation

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 : 

Equation showing relative droplet size as a function of specific gravity

Vétant la viscosité du fluide en cp (1 pour l’eau)
Df Taille des gouttes du fluide
DTaille des gouttes pour l’eau

Flow rate pressure formula 

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.  


Cp

Taille des gouttes comparée à l’eau

Augmentation de la pression pour compenser

Augmentation du débit en résultant

Eau

1

1

0

0

Lait

3

1.25

100%

41%

Huile d’olive

40

2.09

1167%

355%

Crème

50

2.19

1363%

382%

Crème épaisse

120

2.60

2400%

500%

Miel

2000

4.57

15830%

1262%

Sirop de maïs

15,000

6.84

60700%

2466%

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.

 

Key applications

Engineering considerations