Lait 82 (2002) 541-551
DOI: 10.1051/lait:2002031

Heat balance of a multistage spray-dryer: principles and example of application

Jean-Jacques Bimbenet^a, Pierre Schuck^b, Michel Roignant^c, Gérard Brulé^c and Serge Méjean<sup>b

a</sup>  ENSIAA, 1 avenue des olympiades, 91744 Massy, France
^b  Laboratoire de Recherches de Technologie Laitière, INRA, 65 rue de Saint Brieuc, 35042 Rennes Cedex, France
^c  Département agro-alimentaire, ENSAR, 65 rue de Saint-Brieuc, 35042 Rennes Cedex, France

Abstract
The authors present the principles of isenthalpic air drying, the use in drying of the enthalpic diagram of air and mass and enthalpy balances. As an application of these principles, a pilot multistage spray-dryer, operating on skim milk, was experimentally studied. Air flow rates were measured by a hot wire anemometer at different positions of the air pipes. It was checked that the mass flow rate of air delivered by a fan was independent of air temperature. A thermohygrometer was used to measure the temperature and relative humidity of the air. The mass flow rate of concentrated skimmilk was estimated from the characteristics of the spraying nozzle. Introduction of air into the internal and external fluid beds was taken into account. From these data, the heat balance showed a difference between inputs and outputs of 2.9% which may be interpreted as heat losses and probable errors. The specific heat consumption was close to 4 900 kJ kg ^-1 of evaporated water. This overall value includes the rather low energetic efficiency of the small flow rates of air used in both fluid beds. This specific heat consumption corresponds to 2.1 times the latent heat of vaporisation of water at 70 °C, i.e. a thermal efficiency of 48.8%. These figures represent a use of energy less efficient than in industrial dryers, which may be explained by the small size of the plant, operating at only 122 kg of concentrate and 70 kg of evaporated water per hour.

Résumé
Bilan énergétique d'une tour de séchage multiple effet. Les auteurs présentent les principes du séchage isenthalpique par l'air chaud, de l'utilisation du diagramme enthalpique de l'air humide et des bilans de chaleur et de matière en séchage à l'air chaud. Ces principes sont appliqués à l'étude expérimentale d'un séchoir pilote par pulvérisation, à lits fluidisés interne et externe, traitant du lait écrémé. Les mesures ont été effectuées en régime établi. Les débits d'air ont été mesurés par des anémomètres à fil chaud, les teneurs en eau de l'air par des hygromètres et le débit de produit estimé à partir des caractéristiques de la buse. À partir de ces données, le bilan thermique donne un écart de 2,9 % entre les entrées et les sorties, explicable par des pertes de chaleur et les erreurs probables. La consommation énergétique massique calculée est de 4 910 kJ kg ^-1 d'eau évaporée, ce qui représente 2,1 fois la chaleur latente d'évaporation de l'eau à 70 °C. La faible efficacité énergétique des lits fluidisés est incluse dans ces valeurs globales. Ces chiffres correspondent à une efficacité moindre que celle des séchoirs industriels, ce qui peut s'expliquer par la faible température moyenne des airs de séchage et la petite taille (70 kg d'eau évaporée par heure) de l'installation étudiée.

Key words: Spray-dryer / skimmilk / heat and mass balance

Mots clés : Séchoir par pulvérisation / séchage par atomisation / lait écrémé / bilan masse et énergie

Correspondence and reprints: Pierre Schuck Tel.: 33 (0)2 23 48 53 22; fax: 33 (0)2 23 48 53 50;
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