Séchage

Un article de TerraWiCotta.

Les produits ont été façonnés avec une teneur en eau de 15 à 30 % (chiffres exprimés en % par rapport au poids sec). Il est nécessaire, avant de les soumettre à la cuisson, d’éliminer la plus grande partie de cette eau : c’est l’opération de séchage. Après leur passage dans le séchoir, les produits ne contiennent plus que 1 à 2 % d’eau résiduelle. Le séchage est une phase délicate et importante de la fabrication qui doit être menée judicieusement si l’on veut obtenir des produits de qualité. Nous allons étudier les principaux problèmes technologiques posés par le séchage et décrire les principaux séchoirs utilisés dans l’industrie de la terre cuite.

Rappels sur l’air humide

L’air sec est un mélange d’oxygène, d’azote et d’autres gaz en concentrations plus faibles. L’air humide est un mélange d’air sec et de vapeur d’eau. La pression totale est la somme de la pression de l’air sec et de la pression de vapeur. Si à une température donnée, on augmente lentement la quantité de vapeur d’eau dans l’air, l’air est d’abord non saturé. Puis il existe une pression, dite tension de vapeur saturante, où la saturation est atteinte et une condensation d’eau (brouillard ou condensation superficielle) est observée. L’air humide est alors dit saturé. L’humidité absolue est la quantité de vapeur d’eau, exprimée en kg de vapeur d’eau par kg d’air sec. L’humidité relative (en %) est le rapport entre la pression de vapeur de l'air et la tension de vapeur saturante à la température. Quand l’humidité relative est de 100 %, il y a condensation. L’humidité relative est aussi appelée degré hygrométrique. Sur la figure 24, on a tracé la variation de la vapeur saturante avec la température. La tension de vapeur saturante augmente beaucoup avec la température. En dessous de la courbe, l’air est humide mais non saturé et sans condensation ; on a tracé les courbes correspondant à différentes humidités relatives partielles. Un point au-dessus de la courbe de vapeur saturante est sursaturé ; il n’est pas monophasé et il y a condensation (vapeur + liquide). On prend maintenant un air humide non saturé à une certaine température (par exemple 70 °C à 70 % HR). On en baisse lentement la température ; à une température donnée (62 °C), il va y avoir un début de condensation, c’est le point de rosée (figure 22). On a alors atteint la vapeur saturante à cette température. Ce point de rosée est défini par la température et l’humidité absolue correspondante. Son humidité relative est de 100 %. On nomme la température sèche de l’air la température indiquée par une sonde de température nue placée dans le courant d’air. La température sèche de l’air précédent est de 70 °C. Si on mesure la température du même mélange avec un thermomètre dont le capteur est entouré d’un linge qu’on maintient mouillé et ventilé, on constate que la température mesurée est inférieure. On l’appelle température humide. On admet que l’air humide autour du bulbe mouillé se refroidit en évaporant de l’eau jusqu’à saturation. Ainsi, de l’air à HR = 70 % et à température sèche de 70 °C aura une température humide de 62 °C. L’écart entre la température sèche et la température humide est d’autant plus faible que l’air humide est peu chargé d’eau.

Figure 23 Température sèche et température humide

De façon réciproque, la mesure conjointe des températures humides et sèches permet de connaître le degré d’hygrométrie de l’air. Le pouvoir séchant est la différence entre l’humidité absolue de l’air de séchage et la tension de vapeur saturante à la température, exprimée en kg de vapeur/kg d’air. La chaleur totale de l’air humide, ou son enthalpie, correspond à la quantité de chaleur à fournir pour élever sa température de 1 °C. Elle est égale à la somme de l’enthalpie du gaz sec, de l’enthalpie de la vapeur et des éventuelles chaleurs de vaporisation. Elle est entièrement définie quand on connaît la température et l’humidité de l’air. L'énergie de vaporisation de l'eau est de 44 kJ/mole (2 444 kJ/kg) à 0 °C et 40,7 kJ/mole (2 261 kJ/kg) à 100 °C. Sans parler de l’entropie, il y a donc cinq variables qui peuvent décrire un air humide ; température sèche, température humide, humidité absolue, humidité relative, enthalpie, et deux paramètres à eux seuls sont donc capables de le décrire entièrement, les autres en découlent. Il existe donc différents diagrammes de l’air humide correspondant au choix des deux paramètres représentés. Tous les cycles de séchage se décrivent facilement dans ces diagrammes. Un diagramme couramment utilisé est le diagramme de Mollier. La figure 25 montre ce diagramme, température sèche en ordonnée, humidité absolue en abscisse. Ce diagramme est similaire à celui de la figure précédente, mais abscisse et ordonnée ont été permutées. On a aussi tracé les courbes à enthalpie constante (droites très pentues) et à densité constante (en tiret, presque horizontales). Partons d’un air extérieur (15 °C, 80 % HR).Le point représentatif de cet air humide est en bas à gauche. Il contient 8 g d'eau/kg d'air sec. La densité est de 1,23 kg/m3 et l’enthalpie est alors de 35 kJ/kg. On chauffe cet air à 150 °C. Comme la quantité d’eau ne varie pas, le point représentatif suit une verticale. A 150 °C, la densité est de 0,83 kg/m3 et l’enthalpie est de 170 kJ/kg. Pour le chauffer, il a fallu utiliser 135 kJ/kg d’air. Si cet air évapore maintenant de l’eau sans apport extérieur de chaleur, il va se déplacer à enthalpie constante. Si l’évaporation est arrêtée quand l’air atteint une humidité de 80 %, alors l’air aura une température de 44 °C, il contiendra 49 g eau/kg d’air sec. Il aura donc évaporé 41 g d’eau/kg d’air sec. Le diagramme de Mollier est donc la base des calculs de quantités théoriques d’air de séchage.

Figure 24 Diagramme de Mollier

Isotherme d’absorption des argiles

Quand un matériau comme l’argile se trouve en équilibre dans une atmosphère d’une humidité relative donnée, à une température donnée, il adsorbe lui-même une certaine quantité d’eau jusqu’à une concentration d’équilibre. Si on mesure les teneurs en humidité d’une argile à l'équilibre (kg H2O/kg argile sèche) en fonction de l’humidité relative de l’air, on obtient une courbe qui s’appelle l’isotherme d’adsorption de l’eau de cette argile (ou la courbe de sorption hygroscopique). Si on trace la courbe en absorption ou en désorption, on observe généralement une hystérésis. L’isotherme d’adsorption des argiles varie selon la nature de l’argile, la structure granulométrique et la présence de sels. Sur la figure 26, on montre l’isotherme d’adsorption de quelques argiles. Pour une humidité relative donnée, la kaolinite adsorbe peu d’eau ; elle est peu hygroscopique. La montmorillonite en absorbe beaucoup ; elle est beaucoup plus hygroscopique.

Figure 25 Humidités d'équilibre de différentes argiles en fonction de l’humidité de l’air

Théorie du séchage

Cinétique du séchage

On examine comment la vitesse de séchage évolue dans le temps. Quand on met un morceau d’argile humide dans un courant d’air, de température et d'humidité données, avec une vitesse d’air connue, on observe trois périodes successives durant le séchage (voir figure 27).

Phase 1 : liquide externe

Dans un premier temps, la température du produit humide, ou tout au moins de sa surface, va tendre vers la température humide de l’air, comme le bulbe du thermomètre humide. Si l’eau qui s’évapore est chargée en sels solubles, la température en sera légèrement modifiée. Quand la température est stable, la vitesse d’évaporation reste constante tant que du liquide est présent à la surface de la pièce. Durant cette période, le phénomène limitatif est l’évaporation de l’eau à la surface, qui est régie par les conditions de l’air extérieur. La vitesse d’évaporation est constante. La quantité séchée est proportionnelle au temps et peu fonction de l’argile (sauf par la présence de sels solubles qui peuvent changer la tension de vapeur). On distingue cette phase sur la Figure 27 seulement à basse température car l’échantillon est très mince (2mm).

Figure 26 Vitesse de séchage d’un ruban d’argile à différentes températures

(épaisseur 2 mm, air HR 67 %, 0,43 m/s) 

Cette vitesse d’évaporation est fixée par la capacité de sécher l’air et par l’apport de chaleur rendue disponible par la convection. La quantité d’eau évaporée est proportionnelle à un coefficient de transfert lié à la vitesse de l’air et à la différence température sèche/température humide. Équation 2 m/t= a/L x T , avec :

• m/t vitesse de séchage par unité de surface (kg/m2/s) ;
• a coefficient de transfert thermique (W/(m2.K) ;
• L chaleur de vaporisation de l’eau (J/kg) ;
• T différence des températures (°C) sèches et humides de l’air.

En convection libre, les valeurs courantes du coefficient a vont de 8 à 15 W/(m2.K). En convection forcée, elles sont couramment de 20 à 80 W/(m2.K), selon les conditions géométriques et la vitesse de l'air. a augmente avec la vitesse de l’air. Il existe plusieurs relations empiriques qui l’évalue. Une relation empirique simple est la suivante : Équation 3 a = 30.w0,5 avec :

• w vitesse de l’air en m/s.

Comme l’eau mouille bien les pores de l’argile, elle est apportée continuellement par la pression capillaire dans un milieu non saturé (voir chapitre 14). Selon Jurin et Cantor, cette pression capillaire est : Équation 4 P = 2/r avec :

• p pression capillaire (Pa) ;
•  tension de surface de l’eau (0,066 N/m à 60 °C) ;
• r rayon du capillaire (m).

Pour un pore de rayon 10 µm, la pression capillaire est de 13 200 Pa, soit 0,13 atm. Elle est plus grande pour les pores plus petits. Ce flux d’eau liquide est par contre limité par la perte de charge dans les pores.

Phase 2 : peau externe sèche

Puis la diffusion de l’eau dans l’argile diminue au point que le flux diffusé n’est plus capable d’équilibrer l’évaporation. La surface de l’argile ne contient plus d’eau liquide et le front de vaporisation vapeur/liquide se retire à l’intérieur du produit. Une croûte sèche se forme alors à la surface. La pression capillaire modifie la pression de vapeur au-dessus de l’eau dans le pore, ce qui entraîne une réduction de la vitesse de séchage. Les pores sèchent de façon non uniforme en commençant par les plus gros où la pression capillaire est plus faible. La température de la surface monte pour atteindre la température sèche de l’air de séchage. Cette phase se décompose en fait elle-même en deux.

• Dans un premier temps, c’est la capillarité qui est le phénomène limitant de l’apport d’eau liquide vers le front de vaporisation.
• La longueur de diffusion de la vapeur croît et le facteur limitant devient maintenant la diffusion de l’eau sous forme de vapeur dans les pores jusqu’à la surface.

On observe ainsi une baisse de la vitesse de séchage avec le temps et finalement la vitesse s’annule.

Humidité hygroscopique

A la fin du séchage, il reste une humidité résiduelle qui correspond à l’hygroscopie de l’argile, en équilibre avec l’humidité de l’air ambiant.

Retrait de séchage d’une argile et aptitude au séchage

Lorsqu’un mélange argileux très humide est soumis à un séchage très lent de façon que l’humidité reste uniforme dans l’échantillon, on observe un changement de la structure du mélange: les particules élémentaires, primitivement dispersées dans l’eau (état A de la figure 28), tendent à se rapprocher de plus en plus puis à s’imbriquer, ce qui entraîne d’une part un retrait, et d’autre part une consolidation ou prise de cohésion.

Figure 27 Structure du mélange argileux au cours du séchage

Lorsque les particules sont en contact, il reste encore de l’eau entre elles (état C), qui continue à s’évacuer alors qu’il ne se produit plus de retrait dans la pièce. Ces phénomènes sont illustrés sur la figure 29, où le retrait du volume de l’argile et le volume d’eau retiré sont tracés en fonction du temps. Selon la représentation de Bourry, on distingue trois phases :

• la première consiste à retirer l’eau autour des particules et le volume de retrait de l’argile correspond au volume de l’eau retirée. L’eau qui part au cours de la première phase (avec retrait) est appelée « eau colloïdale » dont on a déjà parlé au chapitre 2 ;
• puis des particules viennent en contact et le retrait diminue ; le départ de l’eau devient partiellement compensé par la création de porosités. Cette phase dépend de l’arrangement des particules qui se crée et est typique de chaque mélange. En particulier l’espace est plus ou moins rempli selon la répartition des granulométries et les particules sont plus ou moins organisées selon le mélange et les conditions du façonnage. Ainsi sur la figure 29, après 70 h de séchage, l’argile a pris un retrait HI, des porosités IJ se sont formées et le volume d’eau résiduel est JL ;
• dans la partie finale, il n’y a plus de retrait et le départ de l’eau est totalement compensé par la création de porosités. L’eau qui part au cours de la troisième phase (sans retrait) est appelée « eau d’interposition ». Elle dépend de l’arrangement des particules d’argile. Quand l’argile est dans cet état, elle a perdu sa plasticité et les Anglo-saxons disent qu’elle est « leather hard », c'est-à-dire qu’elle a la «dureté du cuir ».

On notera que ces trois phases sont différentes en principe des trois périodes précédentes observées en cinétique. Quand le séchage est très lent, la fin de la première période correspond à la fin de la deuxième phase : toutes les particules se touchent, il n’y a plus de retrait mais tous les espaces sont encore remplis d’eau et la couche liquide de surface est encore là.

Figure 28 Variation des volumes au séchage

Une autre représentation de la courbe précédente consiste à tracer la variation de volume de retrait de l’argile humide en fonction du volume d’eau retiré, en supprimant le temps qui est fonction des conditions de séchage. On obtient la courbe de la figure 30 , qui est plus, ou peu, fonction du temps. Quand il y a beaucoup d’eau colloïdale, toute diminution de la quantité d’eau correspond à une diminution de volume équivalente de l’argile humide. Sur cette représentation, la pente en début de séchage est égale à 1. Puis les gros grains commencent à se toucher, les particules rentrent en contact les unes dans les autres et la courbe change de pente. Finalement le volume de l’argile ne diminue plus quand l’humidité baisse encore. La fin du séchage se fait à volume d’argile constant. On peut tracer en coordonnées normées avec l’état sec comme référence : le changement de volume relatif, et le volume d’eau rapportés au volume sec de l’argile. La pente en début de séchage est toujours égale à 1. On peut choisir le point sec comme origine. De façon pratique, Bigot et ses successeurs ont proposé plusieurs modifications de la courbe de séchage :

• tracer la figure en coordonnées normées avec l'état sec comme référence ;
• choisir l'état sec comme origine des axes ;
• tracer la variation relative de longueur de l'argile, plutôt que celle du volume. La variation relative de longueur est égale au tiers de la variation du volume pour un solide isotrope ;
• tracer les variations du volume d’eau par rapport au poids de l’argile sec et non à son volume. Mais dans ce cas la densité de l’argile sèche intervient.

Sur la figure 31, on montre des courbes de séchage selon Bigot pour différentes argiles. Le retrait initial est toujours linéaire. Par contre les pentes dépendent maintenant de la densité de l’argile sèche et de l’anisotropie du matériau. Les non linéarités initiales éventuelles sont principalement liées à la présence de porosités préexistantes dans l’éprouvette. La partie la plus caractéristique des courbes se situe quand sa linéarité s’achève. On commence généralement le test de séchage pour courbe de Bigot avec un mélange « normal » ou un mélange réaliste de caractéristique mécanique donnée. Plus la courbe est longue, plus le retrait est important par définition. Plus elle est haute, plus il faut éliminer d’eau. Une forte eau d’interposition indique une argile facile à sécher car l’eau colloïdale est réduite d’autant et parce que c'est une indication de la porosité du matériau sec. Pour les pâtes utilisées dans la terre cuite, les concentrations d’eau totale sont de l’ordre de 17 à 30 % et les concentrations d’eau d’interposition sont de 9 à 14 %. Le retrait varie de 4 à 8 % environ (selon la nature minéralogique de l’argile, la granulométrie, la teneur en éléments dégraissants, la teneur en eau de façonnage, la compression subie par l’argile lors de son passage dans la filière, etc.). Les retraits supérieurs à 8 % posent beaucoup de problèmes de production.

Figure 30 Courbes de Bigot

Durant le séchage de pièces réelles, au cours des premières phases de séchage, les gradients d’humidité en travers de la pièce vont générer des déplacements différentiels et donc des contraintes préjudiciables à la qualité des produits. Ces contraintes sont d'autant plus importantes que le retrait est grand. Dans ce sens, un mélange argileux présente une bonne aptitude au séchage quand le retrait de séchage est limité.

Concentration d’eau hygroscopique, reprise d’humidité et aptitude au séchage

Dans cette section, on caractérise l’aptitude au séchage par la possibilité d’obtenir une faible humidité résiduelle après séchage. Si on veut obtenir au final un produit très sec, il faut l’exposer et le conserver dans une atmosphère très sèche. Suivant les argiles, il faut des atmosphères plus ou moins sèches selon l’isotherme d’adsorption. On peut donc connaître les humidités finales des produits que l’on peut obtenir dans un séchoir avec un air d’humidité donnée. De façon pratique, les humidités résiduelles doivent au moins être inférieures à l’humidité d’interposition où le retrait s’arrête. Ce n’est cependant pas suffisant : quand les pièces vont rentrer dans le four et être chauffées rapidement, l’eau résiduelle absorbée va s’évaporer rapidement et la pression de vapeur peut endommager les produits. On recherche donc des teneurs en humidité plus faibles. Le séchage / humidification est un phénomène réversible. Si on expose des produits secs à une atmosphère humide, ils vont reprendre de l’humidité. A la sortie du séchoir, le produit sec tendra à réabsorber de l’humidité jusqu’à cette concentration d’équilibre. De façon réciproque, on peut voir si une argile sèche risque ou non de reprendre beaucoup d’eau pendant une exposition à l’atmosphère. La montmorillonite est donc très défavorable sous cet aspect. Dans cette optique, l’aptitude au séchage est la possibilité d’obtenir des faibles humidités résiduelles de l’argile et son aptitude ou non à ne pas reprendre d’humidité.

Résistance à la fissuration et aptitude au séchage

Jusqu’à présent, on a parlé de l’aptitude au séchage sans faire intervenir le paramètre pratique le plus limitatif du séchage : la formation de fissures de séchage quand le séchage est trop rapide. Quand on sèche trop vite, on produit de forts gradients d’humidité et donc de forts gradients de volume spécifique, d’où des contraintes de séchage importantes. L’argile peut ou ne peut pas résister à ces contraintes car ses propriétés mécaniques changent elles aussi au cours du séchage. Au cours des premières périodes de séchage, le matériau perd sa plasticité mais se renforce, en particulier dans la deuxième période. Pendant la troisième période de séchage (sans retrait), le matériau se renforce encore. Ainsi sur un kaolin, le module de Young passe de 1MPa à 40% d’humidité à 10 MPa à la fin du retrait (27% d’humidité) et 25 MPa à l’état sec. Pour un mélange, les résistances à la flexion varient aussi avec la nature du mélange, l’humidité et la vitesse d’application de la charge, de 0.1 à 2 MPa à la fin du départ de l’eau colloïdale avec 10 à 20 % d’humidité 20%, jusqu’à 2 à 12 MPa lorsqu'il est complètement sec. Quand l’argile ne peut plus résister aux contraintes de séchage, elle se fissure. On peut aussi définir l’aptitude au séchage comme la résistance à la fissuration sous les contraintes des déformations de séchage. Suivant sa nature, l’argile présente plus ou moins de résistance. Une argile très grasse possède de bonnes propriétés mécaniques mais présente un fort retrait et se fissure. Une argile très dégraissée a moins de retrait mais aussi moins de résistance mécanique et elle se fissure aussi. Un optimum est généralement à rechercher entre les deux extrêmes. Il faut enfin remarquer qu’il n’y a pas de relation univoque entre les trois façons de définir l’aptitude au séchage…

Modélisation du séchage de pièce en argile

Une modélisation détaillée du séchage et un calcul des efforts générés sont possibles en principe par éléments finis et un exemple se trouve décrit par Augier et al. . Le calcul est assez compliqué même s’il n’envisage pas toute la complexité de la pâte d’argile (viscoélasticité,..) Il tient compte des propriétés détaillées de l’argile qui interviennent dans le séchage et qu’il est utile de détailler ci-dessous (Tableau 22) : ce sont en principe les paramètres matériaux à contrôler pour un séchage reproductible.

     à la diffusion de la

Tableau 22 Paramètres matériaux nécessaires au calcul du séchage

Ce calcul fait intervenir différents mécanismes couplés, avec un matériau dont les propriétés changent avec l’humidité:

• calcul des échanges thermiques dans l’argile et à sa surface, avec les chaleurs d’évaporation
• calcul des échanges hydriques sous forme liquide en milieu non saturé par capillarité, les transferts en phase vapeur dans l’argile et à sa surface et l’évaporation,
• évaluation des retraits locaux provoqués par les changements d’humidité de l’argile,
• calcul des contraintes générées par ce retrait,
• choix d’un critère de rupture ou de fissuration,

Il tient compte des conditions initiales (température et humidité initiales) et des conditions aux limites (température et humidité de l’air de séchage, vitesse de l’air ou coefficient d’échanges superficiels thermiques et hydriques).

Tests d’aptitude au séchage

En discutant précédemment l’aptitude au séchage, on a vu que cette aptitude recouvrait différents aspects. Il existe donc de nombreux tests de séchage qui s’intéressent à ces différents aspects, de façon séparée ou de façon combinée.

Courbe de Bigot

La courbe de Bigot permet de connaître les propriétés de retrait du mélange argileux. On utilise un barélattographe qui trace les pertes de masse en fonction du retrait, l’état sec (séché à 105 °C) étant pris comme état de référence. Les courbes de Bigot sont obtenues en séchage naturel, statique et lent, en atmosphère contrôlée si possible. La concentration d’eau reste uniforme dans l’échantillon et on mesure donc bien une propriété du matériau. Il faut noter que la représentation de Bigot est simple quand on travaille sur de l’argile pure. Par contre si on rajoute un dégraissant, il convient de comparer la diminution de l’humidité en se référant à l’argile seule car le retrait, lui, n’est fonction que de la présence d’argile. Le retrait sera fonction de la quantité de dégraissant mais aussi de la granulométrie et de la morphologie du dégraissant.

Tests de séchage au séchoir rapide

Un séchoir rapide instrumenté à atmosphère contrôlée permet de réaliser des tests de séchage rapide en variant la vitesse, la température et l’humidité de l’air de façon contrôlée, tout en mesurant la perte de poids et le retrait de l’argile. Dans le séchage rapide, l’humidité n’est plus homogène dans l’échantillon. Il est intéressant de mesurer ou calculer :

• les vitesses de séchage en fonction des conditions opératoires et de détecter les différentes phases du séchage ; de cette vitesse de séchage, il est possible d’évaluer les coefficients de diffusion de l’eau en phase non saturée et en phase vapeur.
• les retraits sur les pièces séchées. Dans ce cas, il existe des gradients d’humidité et de retrait dans la pièce. On ne mesure donc pas une propriété de l’argile lui-même mais la déformation de la pièce globale avec une couche extérieure plus sèche, mise en tension par la couche intérieure plus humide. Différents résultats peuvent d’ailleurs être obtenus selon la position du capteur de déplacement ;
• la formation éventuelle de fissures. L’apparition de fissures se détecte parfois par un changement dans la longueur mesurée mais plus facilement elle est observée visuellement par l’opérateur ou par une caméra de télévision avec un traitement d’image.

On peut déterminer la capacité au séchage rapide de différents mélanges argileux de façon comparative selon le critère de la fissuration. Pour cela on expose des barrettes d’épaisseur réaliste (ex : 10 mm) à des conditions standard constantes de séchage, et on mesure le temps d'apparition des premières fissures sur les différentes éprouvettes. De la même façon, pour un temps fixe, on peut faire varier les différents paramètres du séchage et en déterminer la valeur critique de fissuration. Ce paramètre peut être l’épaisseur de l’éprouvette, la température, l’humidité ou la vitesse de l’air. Cela peut être aussi le pouvoir séchant de l’air… On peut comparer ces valeurs à celles de tests de référence effectués sur les mélanges de production d’usines connues. On peut ainsi calculer différents critères d’aptitude au séchage pour les différents mélanges. On liste ci-dessous quelques critères d’aptitude au séchage de mélanges argileux qui ont été proposés .

     <o:p></o:p>

     faible

     temps de fissuration

     <o:p></o:p>

     à <st1:metricconverter

     <o:p></o:p>

     une face

     7.5h x retrait

     à la

Tableau 23 Différents critères d'aptitude au séchage des argiles

On peut aussi simuler et optimiser un séchage industriel en prenant des éprouvettes de tests de même épaisseur que celles de l’application industrielle. Cet équipement permet alors de déterminer de façon expérimentale, pour une argile donnée, les conditions optimales de séchage, qui donnent le séchage le plus rapide sans dégradation des propriétés mécaniques après cuisson. L’extrapolation de ces résultats dans la pratique industrielle exige cependant l’emploi de facteurs de sécurité liés aux variations d’épaisseur des pièces réelles mais surtout à l'inhomogénéité des conditions de séchage des séchoirs industriels : les produits y sont disposés dans des empilements et ne voient pas tous forcément des conditions identiques de séchage. Les conditions locales peuvent être très différentes des conditions moyennes.

Cycle industriel de séchage

Le séchage optimal sera celui qui est le plus économique tout en conservant les propriétés mécaniques du produit. Économique, ici, veut dire rapide, avec un bon rendement thermique et avec peu de défauts sur les produits secs. Pour cela il conviendra d’avoir d’abord le séchage le plus uniforme possible. La vitesse limite de séchage est celle qui permet d’évacuer l’eau assez lentement pour que les faces externes et certains points singuliers comme les coins ne sèchent pas trop rapidement avant que l’eau interne ne soit évacuée. Ceci est spécialement valable pour les pièces épaisses et aux formes complexes. L’air qui est en contact avec les faces des produits doit donc avoir une capacité d’évaporation qui correspond à la vitesse optimale à tous les stades, ce qui nécessite un séchage en atmosphère contrôlée. Cela oblige à ventiler correctement toutes les faces des produits, éventuellement en inversant périodiquement le sens de l’air. Le séchage sera assez lent pour limiter les gradients, tout au moins tant que la pièce prend du retrait. On voit donc que si on veut minimiser les temps de séchage, il convient de sécher en étapes successives, avec différents réglages, qui tiennent compte du niveau de séchage local. Généralement on commence l’opération de séchage avec un air très humide qui va permettre d’augmenter la température de la pièce à sécher tout en gardant une vitesse de séchage lente et uniforme. Selon Kneule, le flux liquide dans un milieu poreux non saturé est lié à la tension de surface et inversement proportionnel à la viscosité. La viscosité de l’eau diminue beaucoup avec la température. De son côté, la tension de surface diminue un peu avec la température. Le tableau 24 montre le grand intérêt de travailler à haute température, de façon à améliorer la vitesse de diffusion de l’eau liquide dans l’argile.

Un séchage à haute température favorise la diffusion de l'eau, limite les gradients d’humidité et diminue donc les risques d’apparition de fissures. Cependant si on introduit une tuile à température ambiante dans un séchoir dont l’air est chaud et très humide, il va y avoir une condensation néfaste sur la brique, d’où une certaine limitation. Dans les changements de température, comme à l’entrée dans le séchoir, il faut toujours éviter que la température de surface du produit soit inférieure au point de rosée du nouvel air de séchage pour éviter toute re-condensation momentanée, source de fissuration. Lorsque la première phase du départ d’eau est achevée, on peut alors sécher avec un air de plus en plus sec. Pratiquement, on réalise un épuisement rationnel : l’air chaud et sec est envoyé sur les produits en fin de séchage, il se charge progressivement d’humidité, sa température s’abaisse et l’air humide est envoyé sur les produits en début de séchage. Une partie de l’air humide peut être réinjectée dans le séchoir, soit dans l’air chaud, soit en différents points du séchoir, c’est ce qu’on appelle le recyclage. Les vitesses de ventilation varient de 1 à 10 m/s avec plus fréquemment de 2 à 5 m/s. L’air utilisé au début du séchage est souvent à une température de 35 à 50 °C avec une humidité relative de 75 à 90 %, et l’air utilisé en fin de séchage est à une température de 70 à 160 °C, avec une faible humidité relative. On conclura par quelques remarques sur le produit :

• indépendamment des caractéristiques des mélanges utilisés, le profil, les dimensions et épaisseurs des parois des produits fabriqués ont une influence sur le programme de séchage à employer ;
• l'ajout de dégraissants a une action favorable sur l’aptitude au séchage en favorisant la diffusion ;
• la qualité des produits cuits dépend en grande partie de la façon dont le séchage a été conduit.

Énergie consommée par l’opération de séchage

L’enthalpie d’évaporation théorique de l’eau est environ 2259 kJ/kg (540 kcal/kg) par kg d’eau évaporée à 100 °C. On peut calculer la valeur théorique de l'énergie de séchage avec les hypothèses suivantes :

• air de départ 15 °C et 60 % HR ;
• chauffage à 160 °C (à humidité constante – ligne verticale). Le diagramme de Mollier permet de suivre les transformations et les besoins en énergie de façon typique ;
• dans le séchoir, l’air perd de la chaleur sensible et se charge d’humidité et l’état de l’air se déplace sur une ligne isenthalpique ;
• l’air sort du séchoir ; il a une certaine température, par exemple 30 °C et il ne peut pas être complètement saturé en humidité ;
• le séchoir est suffisamment grand (long) pour que les produits soient en équilibre avec l’air final.

Dans ce cas, l’enthalpie théorique nécessaire est de 3100 kJ/kg eau (741 kcal/kg). Il y a donc environ 40% de perte. Sur la figure 32, on a tracé les enthalpies minimales en fonction de la température de l’air initial (son humidité ici est fixée à 60 %) et de la température de l’air chaud fourni au séchoir. On voit, bien sûr que, l’été les consommations du séchoir sont plus faibles et qu'elles sont plus importantes l’hiver. A la valeur précédente de 3100 kJ/kg eau, il faut ajouter les pertes dues au chauffage des produits, les pertes à travers les parois du séchoir, et l’énergie utilisée pour ventiler la charge, une forte ventilation améliore le rendement thermodynamique mais augmente les puissances électriques des ventilateurs et leur consommation. Par ailleurs, les séchoirs ne fonctionnent généralement pas de façon continue mais ils ont un rythme journalier et hebdomadaire qui suit généralement le façonnage qui souvent ne travaille pas de nuit ni le week end, ce qui limite les rendements thermiques. Pour des séchoirs bien réglés, il faut donc compter une consommation variant de 3 500 à 4 000 kJ/kg d’eau évacuée. Une étude récente donne une valeur moyenne de 4 300 kJ/kg d’eau pour l'industrie allemande. Les pertes représente 90% de l’énergie théorique de séchage ; le rendement est de 53%.

L’eau sort généralement des séchoirs sous forme vapeur et donc toute la chaleur de condensation est perdue. Il semblerait intéressant d’essayer de la récupérer. En pratique, il est difficile de récupérer facilement de la chaleur à basse température et cette dernière n’est pas récupérée sur les séchoirs conventionnels de la terre cuite. Jusqu'à présent, on a calculé les énergies en fonction de la masse d'eau évaporée. On peut les rapporter à la masse d'argile sèche. L'énergie de séchage dépend de l'humidité initiale de l'argile. Pour le séchage d’une tonne de produits (en sec), dont l’humidité initiale était de 25 %, il faut 25 % de l’énergie précédente soit environ 875 à 1 000 kJ/kg produit sec pour le même séchoir bien réglé. Les consommations électriques des ventilateurs sont, elles, de l’ordre de 6 à 13 kWh/t produit sec (22 à 47 kJ/kg produit sec). L’apport calorifique nécessaire au séchoir est d’abord fourni par la récupération d’air chaud sur les fours (air préchauffé dans le four dans la zone de refroidissement des produits). Le complément est fourni par des foyers directs à brûleurs (au gaz, au fuel, au bois,..), des générateurs d’air chaud, des échangeurs ou des chaudières. Quand on parlera du bilan thermique de la cuisson, on verra comment les besoins du séchage peuvent en bonne partie être couverts par l’énergie de récupération disponible du four.

Différents séchoirs industriels

Avant 1950, le séchage était réalisé à l’extérieur sur des claies avec des protections contre la pluie et le soleil («séchoir hâlette »). Il était aussi réalisé au-dessus des fours (« séchoir percher »). Ce sont toujours les techniques utilisées dans de nombreux pays en développement. Pour des raisons de rendement, de qualité, d’automatisation, ces technologies n’ont plus qu’un intérêt historique dans les pays développés. Dans l’industrie de la terre cuite, le séchage est réalisé de façon assez conventionnelle avec de l’air chaud et sec, à pression atmosphérique, sans condensation et sans autres apports. On distingue différents groupes de séchoirs.

Séchoirs statiques à chambres

Dans les séchoirs statiques ou séchoirs à chambres à grande ventilation (Figure 33), chaque chambre est remplie de produits posés sur des étagères. Chaque chambre est séchée de façon individuelle par de l’air qui y est brassé énergiquement, les caractéristiques de l’air variant avec le temps. L’air chaud provient du four et d’une chambre de combustion avec son brûleur. Le fonctionnement continu de l’usine implique l’emploi d’un grand nombre de chambres similaires (par exemple 10), le réglage de chaque chambre influant moins sur celui des autres. De plus en plus d’ailleurs, chaque chambre est munie de brûleurs individuels et autonomes. Les cycles de chaque chambre sont facilement contrôlés, en particulier grâce à l’informatique. Chaque chambre est ventilée de façon séparée, souvent avec des ventilateurs réversibles, et l’air est recyclé. De façon pratique, le fonctionnement du brûleur permet de réguler la température de la chambre et l’humidité est contrôlée par le renouvellement d’air produit par le fonctionnement de deux boisseaux : entrée d’air chaud et sec et sortie d’air frais et humide. Ces séchoirs sont bien adaptés aux temps relativement longs de séchage (de 12 à 72 h) liés aux terres délicates, ainsi qu’aux produits difficiles à sécher de formes variées. Ces séchoirs sont très flexibles pour traiter différents produits. Par contre, les séchoirs à chambre impliquent généralement un coût de séchage plus élevé: investissement plus important et coût d’opération plus élevé (manipulation plus complexe des produits sur les étagères, consommation d’énergie).

Séchoirs tunnels continus

Dans les séchoirs à circulation continue des produits (Figure 35), le produit à sécher passe à travers le séchoir. Les produits sont entassés en empilage sur des wagons se déplaçant lentement sur des rails. Plusieurs lignes de wagons sont séchées en parallèle. A son entrée le wagon est envoyé sur une des lignes disponibles. Souvent ces séchoirs continus sont coupés en plusieurs zones, partiellement isolées, pour améliorer les possibilités de contrôle des conditions de séchage. On distingue souvent trois zones :

• zone de préchauffage,
• zone de séchage avec retrait,
• zone de séchage de l’eau interstitielle.

L’air chaud provient du four et d’une chambre de combustion avec un brûleur. Différents modes de contrôle sont utilisés selon les zones. Les temps de séchage sont plus courts que dans les séchoirs à chambre. Ils vont souvent de 12 à 48h. Les avantages des séchoirs continus sont le plus faible coût de séchage pour de grandes productions assez homogènes.

Séchoirs rapides

Les séchoirs « rapides » sèchent plus rapidement, généralement en moins de 12 h. Ce terme de « rapide » est mal défini, il veut dire « plus rapide » que les séchoirs continus conventionnels alors que le temps de séchage dépend aussi de l’argile et de la forme de la pièce. Le principe des séchoirs "rapides" consiste à sécher les produits de façon individuelle, sans empilage, chacun étant exposé réellement et directement au flux d’air séchant et le séchage se réalisant par toutes les ouvertures possibles et pas simplement par l’extérieur des empilages (Figure 34). Comme les conditions de séchage au niveau du produit sont plus homogènes, le séchoir peut travailler souvent à plus haute température. Les produits sont posées un par un sur des balancelles transportées par des chaînes en circuit fermé. Les briques extrudées peuvent entrer immédiatement dans le séchoir et profiter de la chaleur de l’extrusion. Ainsi une brique à perforation qui sèche en 12 h dans un séchoir conventionnel sèche en 4 h dans un séchoir rapide. Pour les briques perforées, on s’efforcera de faire passer l’air dans les perforations. Les tuiles seront posées sur des claies supports les plus ouvertes possible. De nouveaux systèmes sont mêmes proposés dans lesquels le vent n’est plus parallèle à la tuile mais perpendiculaire pour accélérer l’échange. Dans ces séchoirs on peut se rapproche ainsi des courbes de séchage théoriques optimales du produit, déterminées dans les séchoirs rapides de laboratoire puisque la tuile est exposée pratiquement aux conditions moyennes de l’air. Les séchoirs rapides ont une grande productivité et économisent l’énergie mais ils sont plus complexes mécaniquement, nécessitent un contrôle plus sophistiqué des conditions de séchage. On ne peut sécher qu’un produit mince (tuile ou brique perforée). Par ailleurs, ils ont une flexibilité plus faible si on change le produit ou si on modifie le mélange. Ill arrive que le séchoir soit en ligne avec le four et on peut utiliser les même posages céramiques pour le séchage et la cuisson. On économise en manipulation mais on perd beaucoup en flexibilité.

Opération des séchoirs

Les ordres de grandeur des tonnages pouvant être séchés par tous ces séchoirs varient de 1 à 40t à l’heure et même plus, suivant les types et la capacité de l’usine. Dans certaines usines, le fonctionnement des séchoirs est limité aux postes de travail de jour en semaine, le séchoir étant souvent arrêté pour le poste de nuit et ceux des week-ends. Il faut alors sécher des produits en avance et stocker la production à cuire durant ces périodes d’arrêt. Cette pratique, appliquée généralement pour des raisons sociales de personnel, n’est par contre pas optimale sous l’aspect énergétique car le four dispose de trop d’énergie quand le séchoir ne fonctionne pas. Réciproquement, on manque d’énergie durant les périodes limitées où le séchoir fonctionne. L’automatisation complète des séchoirs permet leur plus large utilisation et généralement une amélioration du rendement énergétique.

Recirculation de l’air et convection forcée

Pour sécher de grande production de terre cuite, il faut des débits d’air très importants. Si il faut 1kg d’air pour sécher 40g d’eau, il faudra, par exemple 190t/h d’air pour une production de 30t/h d’argile humide, d’où des circuits d’air lourds et complexes. Pour augmenter encore la convection forcée, accélérer le séchage et le rendre plus uniforme, les séchoirs utilisent en plus de forts brassages et des recirculations internes de l’air pour accélérer la vitesse locale sans modifier le débit global:

• le flux d’air peut être soufflé transversalement au mouvement de la terre cuite ;
• le flux peut être longitudinal, c'est-à-dire qu’on recycle de l’air sur une longueur limitée (séchoirs Anjou, Bourgogne…).

Pour accélérer la vitesse locale de l’air de façon homogène, on utilise de nombreux ventilateurs de types différents :

• axiaux ou radiaux ;
• à vitesse fixe ou variable ;
• à fonctionnement constant ou intermittent ;
• monodirectionnels ou à sens alternatifs ;
• fixes ou circulants dans le séchoir ;
• synchrones ou asynchrones ;
• de différents diamètres.

Ils sont mis en œuvre de différentes façons :

• placement au milieu des empilements ou à l’extérieur, par exemple accrochés au plafond ;
• emploi de grands ventilateurs circulants entre les wagons ;
• emploi de colonnes de ventilation qui soufflent sur toute la hauteur des empilements grâce a plusieurs ventilateurs superposés ou à un ventilateur puissant avec un tube de distribution vertical et des buses superposées ;
• emploi d’une paroi glissante alternative qui change les trajectoires de l’air fourni par des ventilateurs fixes.

L’ingéniosité des ingénieurs s’est déchaînée dans la conception de ces systèmes, ce qui montre la difficulté d’obtenir un séchage uniforme, homogène, peu coûteux et peu bruyant, et l’absence de solution générale. Le nombre de ventilateurs peut être très important et dépasser la cinquantaine pour un séchoir tunnel. L’augmentation de la vitesse de séchage se paie par les consommations plus grandes d’énergie électrique.

Pose des produits dans le séchoir

La pose des produits dans les empilements est un élément important pour obtenir un bon séchage. Le positionnement des produits à sécher doit laisser passer l'air et chaque produit doit être exposé de façon homogène. Les briques sont souvent empilées selon un empilement lâche en quinconce, les perforations dans le sens de l’air, de façon que la vitesse de l’air soit la plus homogène possible entre les différentes cavités, perforations intérieures, espace entre produits et espace entre produits et parois du séchoir. Elles peuvent être aussi posées sur des claies auto empilables. Les tuiles sont souvent déposées sur des supports individuels. Ces supports doivent être utilisables pour les différents types de tuiles produites sur la ligne et peuvent comprendre des inserts ou pions déplaçables.

Défauts de séchage

On indique ci-dessous quelques défauts qui sont rendus apparents au moment du séchage. Certains des défauts, mis en évidence à la sortie du séchoir, ont une cause antérieure, d’autres proviennent réellement du séchage :