Chap 07_Conception.PDF

1. Manuel de transformation du lait/Chapitre 7 189
Conception d’une ligne
de traitement
Dans une laiterie, le lait cru passe par plusieurs phases de traitement, dans différents
types de matériel, avant d’atteindre le consommateur sous forme de produit fini raffiné.
La production s’effectue habituellement en continu, dans un procédé fermé dont les
principaux éléments sont raccordés par un système de tuyauteries. Le type de
traitement appliqué et la conception du procédé dépendent du produit fini.
Le procédé décrit dans ce chapitre est la pasteurisation générale du lait. Il constitue
l’opération de base du traitement du lait du commerce, ainsi qu’une phase de
prétraitementimportantedansunechaînedeprocédéslaitiersdutypefabricationdu
fromage et production de lait fermenté. Le présent chapitre a pour objectif de vous
Chapitre 7

2. Manuel de transformation du lait/Chapitre 7
190
présenter quelques-uns des problèmes auxquels est confronté le concepteur de
l’installation, lors de la conception d’une unité complète de pasteurisation du lait.
Considérations relatives à la
conception du procédé
De nombreux aspects doivent être pris en compte lors de la conception d’une ligne
detraitement.Ilspeuventêtrevariablesetextrêmementcomplexes,cequiexigedes
personneschargéesdel’étudepréliminaire,untravailconsidérable.L’étudetechnique
duprojetnécessitetoujoursuncompromisentrelesdifférentesexigencessuivantes:
• Exigencesrelativesauproduit-matièrepremière,traitementdecelle-cietqualité
du produit fini.
• Exigences relatives au procédé - capacité de l’unité, choix des éléments et
compatibilitédeceux-ci,niveauderégulationduprocédé,disponibilitédesfluides
de chauffage et de refroidissement, nettoyage du matériel de traitement etc.
• Exigences économiques - coût total de production, aux standards de qualité
requis, aussi bas que possible.
• Exigences légales - législation stipulant les paramètres de traitement, ainsi que
le choix des composants et solutions du système.
Fig. 7.1 Organigramme général du
procédé de pasteurisation du lait.
Arrivée du lait
Stockage
du lait cru
Traitement
thermique
Préparation
de l’eau
chaude
Vapeur
Stockage
intermédiaire
Lait vers
conditionnement
Eau glacée
Clarification
Leprocédéillustrésurlafigure7.1assureletraitementthermiqueetlapasteurisation
de lait entier, par exemple le lait de consommation.
Exigences légales
Dans la plupart des pays où l’on transforme le lait en différents produits, la législation
formule certaines exigences, destinées à protéger les consommateurs contre
l’infection par des micro-organismes pathogènes. La formulation et les
recommandations peuvent différer, mais on trouvera regroupées ci-dessous les
exigences légales les plus fréquentes :
• Traitement thermique
Le lait doit subir un traitement thermique détruisant tous les micro-organismes
pathogènes. Ce traitement doit assurer une température et un temps de chambrage
minimum de 72°C pendant 15 secondes.
• Enregistrement
La température de chauffage doit être enregistrée automatiquement et le relevé
conservé pendant un laps de temps stipulé.
Chambreur

3. Manuel de transformation du lait/Chapitre 7 191
Selon la réglementation de la
Communauté Européenne, le
matérieldetraitementthermiquedoit
être homologué et autorisé par
l’autorité compétente et comporter
au minimum :
• Une régulation automatique de
la température
• Un enregistreur de température
• Un dispositif de sécurité
automatique interdisant tout
chauffage insuffisant
• Un système de sécurité
appropriéinterdisantlemélange
delaitpasteuriséoustériliséavec
du lait insuffisamment chauffé
et
• Un dispositif d’enregistrement
automatique du système de
sécurité susmentionné.
Des exigences légales régissent :
• Le traitement thermique
• L’enregistrement
• La clarification avant
traitement thermique
• La prévention de la
recontamination
• Clarification avant traitement thermique
Lelaitcontenantdessubstancessolidesdutypeparticulesdepoussière,leucocytes
(globules blancs) et cellules somatiques (du tissu mammaire), doit être clarifié. La
pasteurisation risque d’être moins efficace si des bactéries sont nichées dans des
grumeaux et particules du lait, aussi faut-il effectuer une clarification en amont du
chauffage. Le lait peut être clarifié dans un filtre ou, plus efficacement, dans un
clarificateurcentrifuge.
• Prévention de la recontamination
Les échangeurs de chaleur sont calculés de manière à maintenir une pression plus
élevée dans l’écoulement de lait pasteurisé que dans le lait non pasteurisé et les
fluidesdeservice.Encasdefuitedansl’échangeurdechaleur,c’estlelaitpasteurisé
qui doit s’écouler dans le lait non pasteurisé ou le fluide de refroidissement et non le
contraire. Une pompe de surpression est souvent nécessaire pour assurer cette
protection et elle est même exigée par la législation de certains pays.
En cas de baisse de température dans le produit pasteurisé, due à une pénurie
momentanéedefluidedechauffage,l’installationdevraêtreéquipéed’unevannede
dérivation, ramenant le lait insuffisamment chauffé dans le bac de lancement.
Equipements nécessaires
Un procédé commandé à distance exige les équipements suivants :
• Cuves de stockage permettant d’entreposer le lait cru.
• Echangeur de chaleur à plaques assurant le chauffage et le refroidissement,
chambreur et unité de production d’eau chaude.
• Clarificateur centrifuge (le traitement se limitant à du lait cru, un séparateur
centrifuge est inutile dans notre exemple).
• Cuve de stockage intermédiaire, pour le stockage tampon du lait traité.
• Tuyauteries et raccords permettant de raccorder les principaux éléments et
vannes à commande pneumatique régulant et distribuant le produit et les fluides
de nettoyage.
• Pompes assurant le transport du lait dans toute l’installation de traitement.
• Matériel de contrôle du débit, de la température de pasteurisation et de position
des vannes.
• Différents systèmes de service :
– Alimentation en eau
– Production de vapeur
– Réfrigération du fluide frigorigène
– Air comprimé pour les appareils à commande pneumatique
– Puissance électrique
– Evacuations et eaux usées.
Laplupartdecessystèmessontdécritsauchapitre6.11.Lesexigencesenfluides
deservicesontcalculéesunefoisconvenudelaconceptiondel’unité.Leprogramme
detempératuredepasteurisationetlescaractéristiquesdetouslesautresdomaines
exigeantunchauffageetunrefroidissement(stockageàfroid,systèmesdenettoyage
etc.) devront donc être connus pour que l’on puisse déterminer le nombre et la
puissance des machines électriques, le nombre d’appareils à commandes
pneumatique, les heures de fonctionnement de l’installation etc. Ces calculs ne
figurent pas dans ce manuel.
Choix de l’équipement
Cuves de stockage
Lenombreetlatailledescuvesdestockagedépendentdesprogrammesdelivraison
du lait cru et du volume des différentes livraisons. Pour assurer une exploitation
continue de l’unité, sans interruptions dues à une pénurie de matière première, on
devra disposer de 7 heures d’alimentation en lait cru.
Celaitdevraavoirétéstocké,depréférence,pendantaumoins1à2heuresavant
d’être traité, le dégazage naturel du lait s’effectuant dans ce laps de temps. De
courtes périodes d’agitation sont admissibles, mais l’agitation n’est pas vraiment
nécessaire,sauf5à10minutesenvironavantledébutdusoutirage,pouruniformiser
la qualité générale. Ceci évite de perturber le processus de dégazage naturel.

4. Manuel de transformation du lait/Chapitre 7
192
TI Indicateur de température
PI Indicateur de pression
Vapeur
Fluide de chauffage
Eau, condensats compris
TI PI
PI
TI
Fig. 7.2 Principe du système de production d’eau chaude raccordé à un pasteurisateur.
1 Vanne d’arrêt de vapeur
2 Vanne de régulation de vapeur
3 Echangeur de chaleur
4 Purgeur de vapeur
5
7
4 3
8 6
2 1
Echangeur de chaleur à plaques
Lapasteurisationdulaitapourprincipalobjectifladestructiondesmicro-organismes
pathogènes. Pour y parvenir, le lait est habituellement chauffé à 72°C minimum
pendantaumoins15secondes,puisrefroidirapidement.Cesparamètresconstituent
des exigences légales dans de nombreux pays.
Lorsquel’onconnaitlesparamètrescorrespondants,ilestpossibledecalculerla
surface de plaques (dimensionnement de l’échangeur de chaleur à plaques). Dans
le présent exemple, ces paramètres sont les suivants :
• Capacité de l’installation 20 000 l/h
• Programme de température 4°C - 72°C - 4°C
• Effet de récupération 94 %
• Température du fluide de chauffage 74 - 75°C
• Température du fluide frigorigène +2°C
Les besoins en fluides de service (vapeur, eau et eau glacée) sont également
calculés, car ils influent fortement sur le choix des vannes de régulation de vapeur
et d’alimentation en eau glacée.
Les plaques de raccordement entre les différentes sections de l’échangeur de
chaleur à plaques sont équipées d’orifices d’entrée et de sortie du produit et des
fluides de service. Les raccords d’entrée et de sortie peuvent être orientés à la
verticale ou à l’horizontale. Les extrémités de l’échangeur de chaleur à plaques (bâti
et plateau de serrage) peuvent être également équipées d’entrées et de sorties.
Les paramètres de dimensionnement de l’échangeur de chaleur à plaques
figurent au chapitre 6.1.
Systèmes de production d’eau chaude
Onpeututiliserdel’eauchaudeoudelavapeursaturéeàlapressionatmosphérique
commefluidedechauffagedespasteurisateurs.Cependant,lavapeursouspression
n’est pas utilisée en raison d’un écart de température trop important par rapport au
produit. Le fluide de chauffage le plus fréquemment utilisé est donc l’eau chaude,
habituellement à une température supérieure de 2 à 3°C à la température du produit
désirée.
La vapeur est fournie par la chaudière de la laiterie à une pression de 600 à
700kPa (6 à 7 bars). Cette vapeur ser t à chauffer l’eau qui, pour sa part, chauffe le
produit à la température de pasteurisation.
Le réchauffeur d’eau illustré sur la figure 7.2 est un système fermé constitué d’un
échangeur de chaleur à plaques compact à une section (3), spécialement conçu,
équipé d’une vanne de régulation de vapeur (2) et d’un purgeur de vapeur (4). La
pompe centrifuge (5) assure la circulation de l’eau de service, en passant par le
réchauffeur (3) et la section de chauffage du pasteurisateur.
5 Pompe centrifuge
6 Vanne de régulation d’eau
7 Vase d’expansion
8 Vannes de sécurité et de ventilation

5. Manuel de transformation du lait/Chapitre 7 193
Fig. 7.3 Boucle de régulation
automatique de la température.
TT Transmetteur de température
1 Chambreur
2 Pompe de surpression
3 Vanne de dérivation
Produit
Vapeur
Fluide de chauffage
Fluide de refroidissement
Recyclage
Produit
Fluide de chauffage
Fluide de refroidissement
TT
TT
2 1
3
TT Transmetteur de température
Fig. 7.4 Système de refroidissement du
pasteurisateur.
Levased’expansion(7)apourfonctiondecompenserl’augmentationdevolume
de l’eau lors de son chauffage. Le système comprend également des indicateurs de
pression et de température, ainsi que des vannes de sécurité et de ventilation (8).
Régulation de la température
Un régulateur de température agissant sur la vanne de régulation de vapeur (n°2 de
lafigure7.2)maintientunetempératuredepasteurisationconstante.Toutetendance
à la baisse de la température du produit est immédiatement détectée par un capteur
monté sur la canalisation de produit, en amont du chambreur. Le capteur modifie
alors le signal envoyé au régulateur, qui ouvre la vanne de régulation de vapeur pour
fournir davantage de vapeur à l’eau. Ceci augmente la température de l’eau en
circulation et stoppe la baisse de température du produit.
Chambrage
Lalongueuretlediamètreduchambreur,montéàl’extérieur,secalculenten
fonction du temps de chambrage et du débit horaire de l’installation,
préalablement connus, et du calibre de la canalisation, habituellement
identique à celui des tuyaux alimentant l’installation de pasteurisation. Les
paramètres de dimensionnement du chambreur figurent au chapitre 6.1. Le
chambreur est habituellement recouvert d’un capot en acier inoxydable,
pour éviter aux opérateurs des brûlures par contact ou par rayonnement.
Régulation de la pasteurisation
Il est primordial de s’assurer de la pasteurisation correcte du lait avant qu’il ne quitte
l’échangeur de chaleur à plaques. Si la température tombe au-dessous de 72°C, le
lait non pasteurisé devra être maintenu à l’écart du produit déjà pasteurisé. Pour y
parvenir,untransmetteurdetempératureetunevannededérivationsontmontéssur
la canalisation en aval du chambreur. La vanne ramène le lait non pasteurisé au bac
de lancement, si le transmetteur de température détecte au passage un chauffage
insuffisant du lait.
Système de refroidissement du pasteurisateur
Comme indiqué plus haut, le refroidissement du produit s’effectue principalement
grâceàunéchangethermiqueparrécupération.L’efficacitépratiquemaximaledela
récupération est d’environ 94 - 95%., la température la plus faible que permet
d’obtenir un refroidissement par récupération étant donc de 8 à 9°C
environ. La réfrigération du lait à 4°C pour stockage exige un fluide de
refroidissement, à une température d’environ 2°C. On ne peut utiliser de
l’eau glacée que si la température finale est supérieure à 3 - 4°C.
Aux températures inférieures, il faut employer de la saumure ou
des solutions alcooliques, pour éviter le risque de congélation du
fluide de refroidissement.
Le fluide frigorigène circule depuis l’installation de réfrigération
de la laiterie jusqu’au point d’utilisation comme illustré sur la figure
7.4. Le débit de fluide frigorigène jusqu’à la section de refroidissement
du pasteurisateur est régulé, de manière à maintenir une température constante du
produit en sortie. Ceci s’effectue grâce à un circuit de régulation comprenant un
transmetteur de température, monté sur la canalisation de sortie du produit, un
régulateur de température sur le tableau de commande et une vanne de régulation
sur la canalisation d’alimentation en fluide frigorigène. Le régulateur modifie la
positiondelavannederégulationenfonctiondessignauxenvoyésparletransmetteur.
Le signal du transmetteur est directement proportionnel à la température du
produit en sortie du pasteurisateur. Ce signal est souvent raccordé à un enregistreur
de température monté sur le tableau de commande et enregistré sur un diagramme,
ainsi que la température de pasteurisation et la position de la vanne de dérivation.
Prévention de la recontamination par pompe
de surpression
Ondevras’efforcerd’évitertoutrisquedecontaminationduproduitpasteurisépardu
produit non pasteurisé ou par le fluide de refroidissement. S’il se produit une fuite
dans le pasteurisateur, le sens d’écoulement devra être du produit pasteurisé vers
le produit non pasteurisé ou le fluide de refroidissement.

6. Manuel de transformation du lait/Chapitre 7
194
Leproduitpasteurisédoitêtre,parconséquent,àunepressionsupérieureàcelle
du fluide circulant de l’autre côté des plaques de l’échangeur de chaleur. On monte
donc une pompe de surpression (n°2 de la figure 7.3) sur la canalisation de produit,
après la section de chambrage ou avant la section de chauffage. Ce dernier
emplacement réduit au minimum la température de fonctionnement de la pompe et
en prolonge la durée de vie. La pompe augmente la pression et maintient une
pression différentielle positive du côté produit pasteurisé, tout au long des sections
de récupération et de refroidissement du pasteurisateur.
Dans certains pays, l’installation d’une pompe de surpression fait partie des
exigences légales régissant la pasteurisation.
Le pasteurisateur complet
Un pasteurisateur de lait moderne, complet, avec tous l’équipement nécessaire au
fonctionnement, à la surveillance et à la régulation du procédé, est un assemblage
d’éléments assortis composant un module de traitement évolué.
Bac de lancement
La vanne d’entrée, commandée par flotteur, régule le débit de lait et maintient un
niveau constant dans le bac de lancement (bac tampon). Si l’alimentation en lait est
interrompue, le niveau se met à baisser.
Lepasteurisateurdevantêtrepleinenpermanence,lorsdufonctionnement,pour
éviterqueleproduitnebrûlesurlesplaques,lebacdelancementestsouventéquipé
d’uneélectrodedeniveaubas,quitransmetunsignaldésqueleniveauatteintlepoint
minimum.Cesignalactionnelavannededérivation,quiramèneleproduitaubacde
lancement.
Le lait est remplacé par de l’eau, la circulation est maintenue pendant un certain
temps, puis le pasteurisateur est stoppé.
Pompe d’alimentation
Lapomped’alimentationalimente
lepasteurisateurenlait,àpartir
dubacdelancement,assurant
ainsi une hauteur de charge
constante.
Eau froide
Eau glacée
2
1
13
9
8
3
4 4 6
12
7
5
11 11 10 10
Produit
Vapeur
Fluide de chauffage
Fig. 7.5 L’installation de pasteurisation
complètecomprend:
1 Bac de lancement
2 Pompe d’alimentation
3 Régulateur de débit
4 Sections de préchauffage par
récupération
5 Clarificateurcentrifuge
6 Section de chauffage
7 Chambreur
8 Pompe de surpression
9 Système de production d’eau
chaude
10 Sections de refroidissement par
récupération
11 Sections de refroidissement
12 Vanne de dérivation
13 Tableau de commande
IP

7. Manuel de transformation du lait/Chapitre 7 195
Régulateur de débit
Le régulateur de débit maintient le débit à travers le pasteurisateur au niveau
approprié. Ceci garantit une régulation stable de la température et un temps de
chambrageconstant,assurantl’effetdepasteurisationdésiré.Lerégulateurdedébit
est souvent monté après la première section de récupération.
Préchauffage par récupération
Le lait froid non traité est pompé dans la première section du pasteurisateur, la
section de préchauffage. Il y est chauffé par récupération de la chaleur du lait
pasteurisé, qui est refroidi simultanément.
Si le lait doit être traité à une température se situant entre les températures
d’entrée et de sortie de la section de récupération - par exemple, une clarification à
55°C - la section de récupération est divisée en deux sections. La première section
est dimensionnée de manière à ce que le lait la quitte à la température désirée, soit
55°C. Après sa clarification, le lait est ramené au pasteurisateur, où le préchauffage
par récupération est parachevé dans la seconde section.
Pasteurisation
Le chauffage final à la température de pasteurisation, à l’aide d’eau chaude
habituellement à une température de 2 à 3°C supérieure à la température de
pasteurisation ( ∆t
= 2 à 3°C), s’effectue dans la section de chauffage. Le lait chaud
poursuitsoncheminjusqu’àunchambreurtubulaire.Aprèschambrage,latempérature
du lait est vérifiée par un capteur, monté sur la canalisation. Celui-ci transmet un
signalcontinuaurégulateurdetempératuredutableaudecommande.Cesignalest
en outre transmis à un enregistreur, qui enregistre la température de pasteurisation.
Dérivation du lait (recyclage)
Un capteur en aval du chambreur transmet un signal au contrôleur de température.
Dés que ce signal tombe au-dessous d’un niveau prédéfini, correspondant à la
température minimale spécifiée, le contrôleur passe la vanne de dérivation en
recyclage. Dans de nombreuses installations, la position de la vanne de dérivation
est enregistré conjointement à la température de pasteurisation.
Différentessolutionssontpossiblespourl’emplacementdelavannededérivation,
afin de satisfaire aux recommandations et réglementations locales. On trouvera ci-
dessous trois variantes fréquemment utilisées :
1 Montage de la vanne de dérivation juste après le chambreur. En cas d’installation
d’une pompe de surpression, la vanne est montée avant la pompe. Si la température
tombeau-dessousduniveaupréréglé,lavannedérivelelaitverslebacdelancement
et la pompe est stoppée. L’écoulement dans les sections de récupération et de
refroidissement s’arrête donc (même en l’absence de pompe de surpression).
Auboutd’uncourtlapsdetemps,silatempératuren’apasaugmenté,l’échangeur
dechaleurestvidé,nettoyéetdésinfecté.L’installationestremiseenmarchedésqu’il
est possible d’assurer un chauffage satisfaisant.
2 Montage de la vanne de dérivation après la section de refroidissement de
l’installation. En cas de baisse de la température, l’écoulement est dérivé vers le bac
de lancement et l’installation est vidée, nettoyée et désinfectée. L’installation est
alors prête à être remise en marche dés que les conditions de température seront à
nouveauacceptables.
3 Montagedelavannededérivationentrelechambreuretlapompedesurpression.
En cas de baisse de la température, la vanne dérive l’écoulement. La pompe de
surpression n’est pas stoppée, mais les autres vannes en amont et en aval de
l’échangeur de chaleur sont positionnées automatiquement de manière à faire
circuler le lait dans les sections de récupération et de refroidissement et à maintenir
ainsilapressionnécessairedansl’installation.Cecipréserveégalementunéquilibre
thermiqueapproprié.Lorsquelesconditionsdechauffageredeviennentacceptables,
le procédé peut être remis en marche sans nettoyage intermédiaire.
Refroidissement
Ensortiedelasectiondechambrage,lelaitestramenéauxsectionsderécupération,
pourrefroidissement.Lelaitpasteurisééchangesescaloriesaveclelaitfroidentrant.
Le lait pasteurisé sortant est alors réfrigéré à l’aide d’eau froide, d’eau glacée, d’une
solution de glycol ou d’un autre fluide frigorigène, suivant la température désirée. La
L’effetderécupérationetd’économie
d’énergie dans un pasteurisateur de
lait se situe habituellement entre 90
et 96%.

8. Manuel de transformation du lait/Chapitre 7
196
température du lait réfrigéré est habituellement enregistrée avec la température de
pasteurisationetlapositiondelavannededérivation.Lediagrammecomportedonc
trois courbes.
Clarificateur centrifuge
Lelaitnedevantpasêtreséparéenlaitécréméetencrème,dansleprésentexemple,
vous trouverez un clarificateur centrifuge illustré sur la figure 7.6.
Certaineslaiteriesexigentuneclarificationcentrifugedulaitcrufroid(<6°C)juste
après son arrivée à la laiterie, en particulier si le lait doit être entreposé jusqu’au
lendemain. Une clarification à 55°C environ est cependant beaucoup plus efficace,
la viscosité du lait étant plus faible à cette température.
Le lait alimentant le clarificateur est donc prélevé dans la première section de
chauffage par récupération, à 55°C.
Conception du réseau de tuyauteries
Dans l’exemple de ce chapitre, 20 000 litres de lait par heure doivent circuler dans
les tuyauteries, raccords et matériels de traitement lors de la production. La vitesse
du produit dans les canalisations dépend de la taille du passage, c’est à dire du
diamètre intérieur du tuyau. Plus ce diamètre est important et plus la vitesse du
produit est faible.
A un débit de 20 000 litres/heure, la vitesse du produit dans un tuyau de 76 mm
(3pouces)estde1,25m/s.Elleserade2,75m/sdansuntuyaude51mm(2pouces).
Des vitesses supérieures entraînent un frottement plus élevé dans le liquide
même, et entre le liquide et la paroi du tuyau. Le produit subit donc un traitement
mécanique plus intense. Il existe pour chaque produit une limite supérieure de
vitesse qui ne devra pas être dépassée pour satisfaire aux exigences de qualité du
produit. Pour le lait, cette vitesse est d’environ 1,8 m/s.
Il pourrait donc sembler judicieux de choisir un diamètre de tuyau supérieur au
minimumexigéparlesimpératifsdevitesse.Maisdestuyauxdeplusgranddiamètre
impliquent des éléments de plus grandes dimensions et une forte augmentation des
coûts. On choisit donc le diamètre le plus proche de la limite, soit, dans notre cas,
2,5pouces (63,5 mm), ce qui correspond à une vitesse de 1,75 m/s, comme le
montre la figure 7.7.
Ecoulements laminaires et turbulents
L’écoulement laminaire est un type d’écoulement dans lequel les particules se
déplacent en un mouvement régulier et continu, sur des trajectoires parallèles. Ce
type d’écoulement se rencontre, par exemple, dans des tuyaux ronds rectilignes ou
entre des parois parallèles, à faible vitesse.
Dans un écoulement turbulent, par contre, le déplacement des particules est
irrégulier avec de fortes turbulences.
Surlafigure7.8,lalongueurdesflèchesillustrelavitessemoyennedesparticules
en différents points de la section du passage. Dans un écoulement laminaire, la
vitesse est la plus élevée au centre du passage. Du fait du frottement entre les
couches, la vitesse se ralentit progressivement vers les parois, où elle est nulle.
Dans un écoulement turbulent, les couches se mélangent entre elles et la vitesse
duliquideestdoncàpeuprèslamêmedanslapartiecentraledupassagemaischute
rapidement vers les parois. Sur ces dernières, une très fine couche laminaire de
liquide a une vitesse instantanée nulle.
Pour obtenir un écoulement laminaire dans un tuyau rond, le diamètre devra être
faible, la vitesse réduite et la viscosité du liquide élevée.
Résistance à l’écoulement
Tous les éléments de la canalisation opposent une résistance à l’écoulement,
lorsqu’un liquide est forcé dans un réseau de tuyauterie. Dans les tuyaux droits, la
résistance est due au frottement du liquide sur les parois. Dans les coudes, le
changement de direction forcé du liquide engendre un frottement supplémentaire.
De même, le frottement, les changements de direction et les variations de section
engendrentunerésistancedanslesraccords,lesvannesetlematérieldetraitement.
L’ampleur de cette résistance dépend de la vitesse du liquide dans le système.
Fig. 7.8 Profils de vitesse d’un
écoulement laminaire et d’un
écoulement turbulent.
Ecoulement turbulent
Fig. 7.6 Bol d’un clarificateur
centrifuge.
Ecoulement laminaire
Fig. 7.7 Diagramme de débit et de
vitesse du produit.
3.0
25 mm
(1")
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
38 mm
(11/2")
25 mm
(2")
76 mm
(3")
101.6 mm
(4")
63.5 mm
(21/2")
5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Vitesse
v m/s
Débit Q l/h

9. Manuel de transformation du lait/Chapitre 7 197
Larésistancedesdifférentsélémentsdelacanalisationpeutêtreobtenueàpartir
du coefficient de résistance indiqué par le fabricant. On peut donc calculer la
résistance totale de la canalisation en multipliant la somme des coefficients par le
carrédelavitessed’écoulementetendivisantlerésultatpar2g(g=accélérationde
la pesanteur, soit 9,81 m/s2
).
Exemple : La vitesse du produit dans un système de tuyauterie est de 1,75 m/s
(tuyau de 2,5 pouces de diamètre et débit de produit de 20 000 litres/heure). La
somme des coefficients de résistance est de 190. La résistance à l’écoulement sera
donc :
La résistance à l’écoulement s’exprime sous forme de la colonne de liquide, ou
hauteur de charge, nécessaire pour compenser la perte de charge due à la
résistance.Cemodedecalculremonteàl’utilisationpremièredupompage,consistant
à soulever de l’eau d’un niveau bas à un niveau haut, par exemple du fond d’un puits
de mine jusqu’à la surface. On jugeait des performances de la pompe d’après la
hauteur à laquelle elle pouvait soulever l’eau. Dans notre cas, la résistance totale
dans le réseau de tuyauterie équivaut au travail effectué par une pompe soulevant
un liquide à 30 mètres à la verticale.
Cela signifie également qu’une colonne d’eau de 30 mètres de haut exercerait
une pression suffisante pour vaincre la résistance à l’écoulement, comme illustré sur
la figure 7.9.
Fig. 7.9 Ligne de traitement illustrant
l’exemple d’une hauteur de charge de
30 mètres entre la cuve et le procédé.
Produit
Fluide de chauffage
Fluide de refroidissement
1,75 x 1,75 x 190
2 x 9,81
= 29,7 mètres de colonne de liquide
ou de hauteur de charge
Fig. 7.11 Diagramme de perte de
charge d’une vanne d’arrêt.
Fig. 7.10 La perte de charge peut être indiquée par des manomètres montés sur
la canalisation de traitement.
Perte de charge
La résistance à l’écoulement d’un liquide dans un élément entraîne une perte de
charge. Si l’on mesure la pression à l’aide d’un manomètre (figure 7.10) avant et
après l’élément, la pression sera inférieure en sortie. L’élément - une vanne d’arrêt,
par exemple - engendre une perte de charge dans la canalisation. Cette perte de
charge, mesurée sous forme de hauteur de charge, équivaut à la résistance à
l’intérieur de l’élément et son ampleur dépend de la vitesse, autrement dit du débit
et du diamètre des canalisations.
La perte de charge d’un élément est souvent indiquée sous forme de perte de
hauteur de charge en mètres à différents débits, et non par le coefficient de
résistance. Le diagramme de la figure 7.11 couvre des débits allant de 5 000 litres/
heure pour le plus petit diamètre de canalisation - 1,5 pouces (38 mm) - à
200000litres/heure pour le plus important - vanne d’arrêt de 4 pouces (101,6 mm).
Pour un débit de 20 000 litres/heure et un diamètre de canalisation de 2,5 pouces
(63,5 mm), soit une vitesse de 1,75 m/s, le diagramme indique une perte de charge
- ou perte de hauteur de charge - de 0,4 mètre à travers la vanne à pleine ouverture.
La perte de charge dans les différents éléments de la canalisation à un débit
donné peut être déterminée de manière identique. La perte de charge totale dans le
système s’obtient en additionnant ces chiffres.
Les différents éléments de la canalisation devront être dimensionnés de manière
à entraîner la perte de charge la plus faible possible. Toute perte de charge entraîne
une élévation de la vitesse d’écoulement, sous forme de turbulences ou d’une
accélération locale dans les passages. Des vitesses supérieures se traduisent par
une augmentation du frottement sur les surfaces des tuyaux et autres équipements
et par des forces plus élevées dans les coudes etc. Ceci augmente le traitement
mécaniqueduproduit.
30 m
5 10 30
20 40
70
60 80100 200
50 90 150
0.2
0.3
0.4
0.6
0.8
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
0.5
6.0
7.0
8.0
10.0
38 51 63.5 76 101.6
Hauteur
decharge
en mètres
x 1000 l/h

10. Manuel de transformation du lait/Chapitre 7
198
Dans le cas du lait, ceci risque de provoquer une rupture des globules gras,
exposant la matière grasse ainsi libérée à une attaque par des enzymes lipases. La
teneur élevée en acides gras libres qui en découle a finalement un effet néfaste sur
le goût du lait. La présence d’air lors du traitement mécanique du produit aggrave le
problème. Ceci peut se produire si de l’air est aspiré par des raccords-unions
présentant un défaut d’étanchéité. Pour d’autres produits comme le yaourt, le
traitementdoitêtreparticulièrementdoux.Lechoixdeséléments,ledimensionnement
et la conception de la ligne de traitement devront faire l’objet des plus grands soins.
Le diamètre de la tuyauterie d’un système devra être prévu de manière à ce que
la vitesse du liquide ne dépasse pas le seuil critique pour le produit (1,8 m/s pour le
lait,moinspourd’autresproduitslaitiers).Lenombredevannesdelalignedevraêtre
réduit au minimum et la perte de charge à travers celles-ci maintenue à un niveau
aussi bas que possible. On devra en outre les placer de manière à éviter tout
changement de direction inutile.
Matériel de régulation du procédé
Pour assurer un fonctionnement sans problème et obtenir la qualité de produit
désirée, il est impératif de maintenir à des niveaux prédéterminés des grandeurs
commelesniveauxdeliquide,débits,températures,
pressions, concentrations et pH. Le matériel
permettantdecontrôleretderéglercesparamètres
comprend différents types de transmetteurs,
régulateurs et matériels de commande. La figure
7.12 illustre une boucle de régulation.
Le transmetteur est un élément de détection
mesurant la grandeur réelle. Sa conception et son
fonctionnement varient en fonction des exigences.
Les transmetteurs de température, de pression et
depHenconstituentdesexemples.Letransmetteur
convertitlavaleurmesuréeenunsignalpneumatique
ouélectriqued’intensitécorrespondante.Cesignal
esttransmisàunrégulateur,quiestainsiinforméde
la valeur instantanée de la grandeur. Cette valeur est également appelée valeur
mesurée.
Ledispositifderégulationestessentiellementundispositifderéglage.Ilestmonté
sur la ligne de traitement et peut être constitué par un moteur de pompe à vitesse
variable ou une vanne de régulation. L’ampleur de la grandeur qu’il régit dépend de
son réglage - vitesse du moteur ou position du clapet de la vanne. Le dispositif de
régulationreçoitunsignalcontinu(pneumatiqueouélectrique)d’unrégulateuretson
réglage dépend de l’intensité de ce signal.
Le régulateur constitue le “cerveau” du système de régulation. Il reçoit le signal
du transmetteur et est donc informé en permanence de la valeur mesurée de la
grandeur concernée. Le régulateur la compare à une valeur de référence prédéfinie
ou point de consigne. Le réglage du régulateur est correct si les deux valeurs sont
identiques.
En cas de variation de la valeur mesurée, le signal du transmetteur varie en
conséquence. La valeur mesurée n’est plus égale à la valeur requise et le régulateur
modifie en conséquence le signal qu’il envoie au dispositif de régulation, d’où un
ajustementduréglagedecedernier(vitesseoupositiondelavanne).Letransmetteur
détecte immédiatement la variation de la grandeur et transmet cette information au
régulateur. Ce cycle de comparaison et de correction - la boucle de régulation - se
répète jusqu’à ce que la grandeur mesurée se situe à nouveau au niveau préréglé.
Transmetteurs
La conception et le fonctionnement des transmetteurs des systèmes de régulation
sont très variables. Certains transmetteurs réagissent directement aux variations de
la valeur mesurée. Dans le transmetteur de pression de la figure 7.13, la pression du
produit sur la membrane est transmise au capteur, par l’intermédiaire d’un tube
capillaire. Le capteur transmet un signal électrique directement proportionnel à la
pressionduproduit.Lerégulateurdeniveauàflotteur,souventutilisédanslescuves,
constitue un autre exemple de dispositif de commande directe.
Fig. 7.12 Boucle de régulation de
pression, comprenant un transmetteur,
un régulateur et une vanne de
régulation à commande pneumatique.
Manomètre
Produit
Pompe
Vanne de
régulation
Transmetteur
de pression
Régulateur

11. Manuel de transformation du lait/Chapitre 7 199
Tableau 7.1
Variations de la résistance avec la température
pour une caractéristique donnée.
Température Résistance
°C Ω
0 100,00
10 103,90
20 107,79
30 111,67
40 115,54
50 119,40
60 123,24
80 130,89
100 138,50
Fig. 7.15 Régulateur.
La plupart des transmetteurs agissent cependant de manière indirecte. Ils
mesurent les variations d’une autre grandeur physique en relation constante avec la
grandeur régulée. Ce type de transmetteur a déjà été présenté, en liaison avec le
transport du liquide dans la canalisation. Le débit désiré est maintenu en mesurant
la pression du produit en sortie de pompe et en la gardant constante.
Le transmetteur de pression susmentionné peut être également utilisé pour
mesurer le niveau dans une cuve. Monté au fond de la cuve, il mesure la pression
statique de la colonne de liquide au-dessus de la membrane. Cette pression est
proportionnelle à la profondeur du liquide. Un signal électrique est transmis à un
appareil indicateur de niveau.
De nombreux types de transmetteurs utilisent la variation caractéristique de la
résistance électrique des métaux en fonction de la température. Le transmetteur de
température classique, illustré sur la figure 7.14, en constitue un exemple. Un fil de
platine, nickel ou autre métal, est monté dans un tube protecteur, introduit dans la
canalisation de manière à y être chauffé par le liquide. Le Tableau 7.1 indique les
valeurs de résistance d’un fil de platine à différentes températures.
La résistance peut se mesurer en raccordant le fil métallique à un circuit
électrique. Toute variation de la résistance correspondra à une variation donnée de
la température et l’on pourra ainsi déterminer la température du produit.
Les transmetteurs décrits ci-dessus sont les plus utilisés dans les laiteries. Il en
existe, cependant, de nombreux autres types.
Régulateurs
Le régulateur de la figure 7.15 constitue le cerveau du système de régulation de
température et il est également disponible sous de nombreuses formes différentes.
Selonladéfinitionsusmentionnée,c’estunappareilquicompareencontinulavaleur
mesuréeàunevaleurderéférenceoupréréglée(pointdeconsigne).Toutedifférence
déclenchera la transmission d’un signal correctif, du régulateur au dispositif de
régulation,lequelmodifierasonréglageenconséquence.Leprocessusdecorrection
se poursuivra jusqu’à ce que la valeur mesurée et le point de consigne coïncident à
nouveau.
Le régulateur peut être de type pneumatique ou électrique. Si le transmetteur est
de type pneumatique et le régulateur de type électrique, les signaux devront passer
par un convertisseur pneumatique-électrique.
Lesrégulateursclassiquescomportentunboutonderéglagedelavaleurdésirée,
indiquée par une aiguille sur un indicateur gradué. La valeur mesurée (le signal de
sortie du transmetteur) est affichée en permanence sur l’indicateur. Un autre
indicateur affiche le signal de sortie vers le dispositif de commande.
Lorsqu’il est en mode automatique, l’appareil n’exige aucun réglage manuel. Il
peut être passé en mode manuel et actionné alors à l’aide d’un bouton. Le réglage
du régulateur est affiché sur l’indicateur de signal de sortie.
Fig. 7.13 Transmetteur de pression.
1 Ecrou
2 Pression du procédé
3 Membrane
4 Tube capillaire
5 Pression de référence
6 Capteur
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
R L
C
STORE
TUNE
SET
PROG
PV % SP
L
40
80
60
20
0
100
SATTCONTROL
ALFA-LAVAL
M
Fig. 7.14 Transmetteur de température
type résistance.
1
2
3
4
5
6

12. Manuel de transformation du lait/Chapitre 7
200
Certainsrégulateursontunefonctiondecommutation.Onpeutdonclesréglerde
manière à ce qu’ils émettent un signal spécial à un niveau maximum ou minimum
donné. Ce signal peut être amplifié et utilisé pour apporter une modification au
procédé.
Dans notre procédé, nous souhaitons que la vanne de dérivation recycle
l’écoulementsilatempératureàlasortiedelasectiondechambragedel’échangeur
de chaleur tombe au-dessous de 72°C. On utilise habituellement un thermostat
préréglé séparé pour contrôler la température de pasteurisation.
Ce thermostat est raccordé au régulateur de température et transmet un signal
par l’intermédiaire d’un relais incorporé si la température tombe au-dessous de la
valeur de consigne. Si le thermostat est réglé de manière à se déclencher à 71,9°C,
il enverra un signal dés que la température du produit atteindra ce chiffre. Par
l’intermédiaire du régulateur, ce signal sera acheminé jusqu’à l’électrovanne
commandantl’amenéed’airdelavannededérivation.L’électrovannecouperaalors
l’amenée d’air et la vanne passera d’“écoulement direct” en “écoulement dérivé”.
Dispositif de régulation
L’ampleur de la grandeur concernée dépend du réglage du dispositif de régulation
actionné par le régulateur. Le dispositif de régulation peut être constitué par une
pompe à vitesse variable. Le signal de sortie du régulateur règle, dans ce cas, la
vitesse de la pompe de manière à obtenir le débit désiré. La vanne de régulation
constitue cependant la forme la plus courante de dispositif de régulation dans les
laiteries.
Unevannederégulationpneumatique(voirfigure7.16)comprendessentiellement
un corps, équipé d’un siège destiné au clapet, lui-même fixé à l’extrémité inférieure
de la tige. La vanne est modulée de la position ouverte à la position fermée en
modifiant la différence de pression entre les faces supérieure et inférieure du piston.
Le servomoteur comporte un piston à double effet. Lorsque la pression est plus
élevée du côté inférieur, le piston remonte, soulevant le clapet de son siège. Une
pression supérieure au sommet du piston ferme la vanne.
La commande s’effectue essentiellement de la manière suivante : les signaux
pneumatiquesdurégulateursontamenésàundispositifdecommandeproportionnelle
- le positionneur - monté au sommet de la vanne. Grâce à l’action de ce positionneur,
la position du clapet par rapport au siège est toujours proportionnelle à l’intensité du
signal du régulateur. Si le signal correspond à la valeur préréglée, le positionneur
équilibre les pressions des deux côtés du piston, de manière à ce que la position du
clapet reste constante. Dans cet état d’équilibre, la perte de pression à travers la
vanne se situe exactement au niveau désiré et la valeur mesurée, enregistrée par le
transmetteur, coïncide avec la valeur préréglée.
En cas de baisse de pression du produit, le transmetteur réduit le signal envoyé
au régulateur. La valeur mesurée ne coïncidant plus avec la valeur préréglée, le
régulateur réagit en augmentant le signal transmis au servomoteur de la vanne. Le
positionneur augmente alors la pression du côté supérieur du piston, faisant
remonter le clapet vers le siège. L’augmentation de la résistance à l’écoulement de
la vanne qui en découle augmente la pression du produit et déclenche la série
d’opérations inverse, freinant la descente du piston. Lorsque la pression dans la
canalisation est revenue à la valeur préréglée, le positionneur maintient à nouveau
le piston de la vanne à l’état d’équilibre.
Régulation automatique de la température
Dans un système de régulation automatique de la température, le thermomètre est
un transmetteur de température à résistance, monté sur la canalisation de produit.
Ledispositifderégulationestunevannederégulationpneumatiquedelacanalisation
devapeur.Elleestcommandéeparunrégulateurpneumatique,montésurletableau
de commande du procédé. On affiche la valeur désirée sur le régulateur qui, par
l’intermédiaire de la vanne, règle l’amenée de vapeur à l’échangeur de manière à ce
que la valeur mesurée soit toujours égale à la valeur préréglée de 72°C.
Fig. 7.16 Vanne de régulation
pneumatique.
1 Indicateur de position visuel
2 Raccordement du signal électrique
3 Raccordement de l’air comprimé
3
2
1