Etude des performances thermique et hydraulique d'une cellule à effet Joule direct avec jet de fluide : applications aux fluides visqueux et encrassants

par Sami Ghnimi

Thèse de doctorat en Génie des procédés industriels et développement durable

Sous la direction de Jean-François Maingonnat.

Soutenue en 2008

à Compiègne .


  • Résumé

    L'objectif principal de cette étude est de quantifier les performances énergétique, thermique et hydrodynamique d'une cellule ohmique à jet innovante. Ceci pour traiter thermiquement des fluides visqueux et encrassants. Tout d'abord, les bilans de puissance, réalisés en aval et en amont du convertisseur triphasé/monophasé ainsi que celle dissipée dans le jet de fluide, nous ont permis de quantifier les rendements énergétiques de ce nouveau procédé ohmique. Ce travail préliminaire a permis de proposer un modèle, prédisant le temps non-conduit à imposer, pour parvenir à dissiper la puissance thermique requise tout en conservant des rendements énergétiques élevés. Ensuite, au niveau hydrodynamique des essais de visualisation des écoulements dans la cellule ohmique ont permis de mettre en évidence qu'il pouvait, selon la viscosité des fluides et les conditions opératoires, se produire des écoulements secondaires dans le réceptacle de la cellule à jet de fluide. De plus, des mesures de Distribution des Temps de Séjour dans le réceptacle ont montré que celles ci étaient aussi fortement influencées par la viscosité et les conditions opératoires dans le jet de fluide. Deux modèles, constitués d'assemblage de réacteurs idéaux, ont été proposés pour décrire les Distributions des Temps de Séjour obtenues pour certains cas limites. Enfin, au niveau thermique, un modèle mathématique a été développé puis validé, avec des mesures infrarouges, pour prédire la température le long du jet de fluide en fonction des conditions opératoires. Couplé au modèle analytique du profil de vitesse dans le jet, ceci permet à un utilisateur d'obtenir le barème thermique (couple temps-température) subi par le produit dans le jet. Ce travail nous a également permis d'affirmer que le niveau de fluide dans le réceptacle est le paramètre critique de régulation de cette cellule ohmique à jet. Une nouvelle géométrie de cellule ohmique à jet de fluide avec un capteur radar a été développée pour obtenir une détection plus fiable de cette commande et permettre une régulation plus aisée du procédé. Finalement, des essais avec des fluides modèles encrassants dans la nouvelle cellule ohmique à jet ont montré que le dépôt protéique est essentiellement localisé sur l'électrode de masse et qu'il n'a pas d'influence (dans le domaine exploré) sur les performances hydraulique, thermique ou énergétique du procédé. Des essais de comparaison, sur produits réels, laissent présager que ce nouveau procédé ohmique présentait des avantages en termes d'encrassement par rapport aux procédés thermiques traditionnels.

  • Titre traduit

    Study of thermal and hydraulic performances of an ohmic heating cell by using fluid jet : applications to viscous and fouling fluids


  • Résumé

    The main objective of this experimental work was to quantify the energetic, thermal and hydrodynamic performances of an innovative fluid jet ohmic heater designed for the heat treatment of viscous and highly fouling liquids. First, energy balance, in the upstream-downstream of the power supply and that dissipated in the fluid jet, enabled the quantification of the energy efficiency of this new ohmic heating process. This preliminary work has led to propose an empirical model to predict the imposed delay time, in order to dissipate the required power while maintaining high energy efficiency in the ohmic system. Then, the hydrodynamic study, in the non-fouled ohmic heater, showed that dead zones should exist in the receptacle of the ohmic cell according to the fluid viscosity and operating conditions. The Residence Time Distribution in this receptacle was interpreted using an arrangement of simple ideal reactors. In addition, measurements of the Residence Time Distribution, in this receptacle of the ohmic heater, showed that they were also heavily influenced by the viscosity and the operating conditions in the fluid jet. Two models, using an arrangement of simple ideal reactors, were proposed to describe the Residence Time Distribution of some borderline cases. Lastly, in the thermal study, a mathematical model was developed and validated, using experimental infrared thermography, to predict the material temperature rise along the ohmically heated fluid jet. The predicted temperature and velocity profiles along the fluid jet can be further used for obtaining the sterilising or pasteurising effect of heat in ohmic fluid jet. This work has also highlighted that the fluid level in the receptacle of the ohmic heater is the primarily critical process factor. Thus, new ohmic heater geometry with a radar sensor was designed and validated for more reliable detection of this fluid level and easier regulation of this parameter. Finally, tests with fouling model fluids in the new ohmic cell showed that the protein deposit is essentially located on the electrode of mass and did not affect (in the explored area) the hydraulic, energetic or thermal performances of the new ohmic heater. Comparison tests, with real products, suggest that this new ohmic heating were advantageous in terms of fouling, compared to conventional heating.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (186 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 120 réf.

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  • Bibliothèque : Université de Technologie de Compiègne. Service Commun de la Documentation.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2008 GHN 1759
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