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Dans une cuve de mélange alimentaire, les deux grandeurs qui déterminent la puissance du moteur sont la consistance (viscosité) du produit et la vitesse de l'arbre de l'agitateur ; un moteur choisi sans les considérer ensemble peine lorsque la consistance augmente, ou se révèle inutilement gros. Une petite hélice tournant vite suffit pour un sirop aqueux, alors qu'un grand agitateur à ancre tournant lentement dans de la crème, du caramel ou une garniture de fruits exige un couple bien plus élevé. Dans cet article, nous expliquons comment consistance et vitesse se répercutent sur le choix du moteur et du réducteur.
Type d'agitateur et plage de vitesse
Les agitateurs de cuve sont construits avec des géométries différentes selon la fluidité du produit traité, et chacun travaille dans une plage de vitesse d'arbre différente :
- Hélice et turbine à pales inclinées : utilisées pour les produits qui coulent comme l'eau (sirop, saumure, jus, lait). Elles tournent à vitesse relativement élevée et créent un écoulement axial dans la cuve. Sur certaines petites cuves, le moteur est accouplé directement, sans réducteur.
- Turbine à disque et tête de dispersion : utilisées pour les opérations demandant du cisaillement, comme la dissolution de poudres ou la préparation d'émulsions ; elles peuvent fonctionner à grande vitesse sur de courtes durées.
- Agitateur à ancre et racleurs : il tourne en raclant la paroi de la cuve dans les produits épais comme la crème, le flan, la confiture, le caramel ou la garniture au chocolat. La vitesse d'arbre est faible et le besoin en couple élevé.
- Agitateur à ruban hélicoïdal : il fait monter et descendre le produit dans les produits très épais, à consistance de pâte ; c'est le groupe qui tourne aux vitesses les plus basses avec le couple le plus élevé.
Le type compte, car la vitesse de l'agitateur détermine la qualité de traitement du produit. Dans un produit épais, augmenter la vitesse n'améliore pas l'homogénéité ; cela peut abîmer la structure du produit, incorporer de l'air et augmenter rapidement la charge du moteur.
Comment la puissance et le couple évoluent-ils quand la consistance augmente ?
La puissance d'agitation augmente à peu près avec le cube de la vitesse d'arbre et à peu près avec la puissance cinq du diamètre des pales ; la masse volumique et la consistance du produit agissent comme multiplicateurs de cette relation. En écoulement turbulent à faible viscosité, la puissance dépend surtout de la masse volumique. Quand la viscosité augmente, l'écoulement ralentit, le produit oppose une résistance devant la pale et la puissance nécessaire à la même vitesse augmente nettement.
La conséquence pratique tient en deux règles :
- Un produit épais demande une vitesse faible et un couple élevé. Pour fournir la même puissance à une vitesse d'arbre plus basse, le rapport du réducteur augmente et le couple de sortie du réducteur s'accroît. Même si la puissance du moteur ne change pas, la capacité de couple du réducteur devient déterminante.
- La consistance évolue au cours du procédé. Dans des procédés comme la cuisson de confiture, la concentration de caramel ou la gélification de l'amidon, le produit est fluide au début et épais à la fin. Le moteur est choisi pour le moment le plus épais du procédé ; le faible courant du début est trompeur.
La température du produit modifie aussi la consistance : crème, chocolat ou sirop de sucre qui refroidissent s'épaississent. Redémarrer le matin avec un produit refroidi dans la cuve pendant la nuit peut être le moment le plus dur de la journée pour le moteur et le réducteur.
Adapter le réducteur à la vitesse du moteur
La vitesse de l'arbre d'agitation est généralement obtenue en sortie de réducteur. Le rapport du réducteur étant fixe, lorsque la vitesse du moteur change, celle de l'agitateur change dans la même proportion. C'est pourquoi il est indispensable de conserver le nombre de pôles lors du remplacement du moteur d'une cuve existante : si l'on monte un moteur de classe 1000 tr/min à la place d'un moteur de classe 1500 tr/min, l'agitateur ralentit d'environ un tiers ; dans le cas inverse, le produit subit un cisaillement excessif.
Pour un nouveau projet de cuve, le choix se fait dans l'autre sens : on fixe d'abord la vitesse et le couple d'agitation requis, puis on choisit le rapport du réducteur et le nombre de pôles du moteur. La même vitesse de sortie peut être obtenue avec un moteur 4 pôles et un réducteur de rapport plus élevé, ou avec un moteur 6 pôles et un réducteur de rapport plus faible. À puissance égale, un moteur 6 pôles fournit un couple nominal plus élevé ; par exemple, à 5,5 kW, le couple nominal du modèle 4 pôles 132S-4 est de 36 Nm, contre 54,3 Nm pour le modèle 6 pôles 132M2-6.
La bride d'entrée IEC et l'ajustement d'arbre entre réducteur et moteur sont vérifiés séparément. Les informations générales sur les applications avec réducteur figurent sur la page moteurs électriques pour réducteurs. Vous pouvez consulter les modèles HEM Motor adaptés et les prix actuels sur la page acheter des moteurs électriques.
Variateur de fréquence pour une consistance variable
Pour les produits dont la consistance change au cours du procédé, il est courant de régler la vitesse d'agitation par variateur : vitesse élevée au début pour mélanger rapidement, vitesse basse à mesure que le produit épaissit. La mention générale de notre site s'applique ici : nos séries triphasées conviennent au réglage de vitesse par variateur de fréquence ; en fonctionnement prolongé à basse vitesse et couple plein, une ventilation forcée peut être nécessaire, et si le câble entre variateur et moteur est long, un filtre dv/dt ou sinus est envisagé ; ces conditions sont indiquées à la commande.
Mélanger un produit épais à basse vitesse correspond exactement au cas du « couple plein à basse vitesse ». Le ventilateur propre du moteur tournant avec l'arbre, le refroidissement diminue ; si le procédé est long, une ventilation forcée est envisagée. Si un variateur doit être utilisé, cela doit impérativement être indiqué à la commande. Les détails sont résumés dans la question sur l'utilisation avec un variateur de fréquence.
