Approches fondamentales et expérimentales des processus d'autovaporisation et de modification structurelle de matériaux surchauffés pendant la détente instantanée controlée vers le vide

par Ismail Sulaiman

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Karim Allaf.

Soutenue le 13-02-2013

à La Rochelle , dans le cadre de Sciences et ingénierie en matériaux mécanique énergétique et aéronautique .

Le président du jury était Alain Graciaa.

Le jury était composé de Václav Sobolík.

Les rapporteurs étaient Eugène Vorobiev, Farid Zerrouq.


  • Résumé

    La modification de la structure des matériaux par Détente Instantanée Contrôlée (DIC), implique nécessairement un processus d’autovaporisation instantanée en conditions thermodynamiques extrêmes de surchauffe du liquide. Les divers processus DIC de modification de la structure par expansion contrôlée, d’extraction et de refroidissement instantané sont d’un intérêt particulier. Les conditions opératoires et les caractéristiques spécifiques du produit interagissent mutuellement pour aboutir au meilleur résultat, principalement en termes de texture. Les modifications des caractéristiques structurelles généralement traduites par des taux d’expansion du produit, dépendent donc des conditions opératoires et des propriétés thermiques et rhéologiques de la matière. De nombreuses études initiales ont montré l’intérêt de déterminer l’évolution des divers processus à travers un suivi et un enregistrement instantané des images, des températures et de la pression à l’échelle de 1000 unités par seconde ; il a ainsi été indispensable de mettre en opération une caméra ultra rapide à 1000 images / s, des capteurs de température et de pression à temps de réponse de l’ordre du ms, placés dans le réacteur et au sein du produit. Une analyse fondamentale a prouvé l’importance de la thermodynamique, du transfert et de la problématique d’expansion pendant le traitement. L’analyse des expériences est réalisée par la détermination des taux d’expansion, surfacique et volumique, de la durée du processus d’expansion proprement dite, de l’analyse des caractéristiques micro-structurelles par MEB, mais principalement par la détermination de la température de transition vitreuse, de la différence de température minimale et d’ébullition, et du taux d’échange de chaleur. Plusieurs produits ont été étudiés (fromage, tofu, pomme, pomme de terre, carotte et banane). Des essais préliminaires adéquats ont permis d’identifier les domaines de variation des paramètres opératoires et d’adopter la méthode des plans d’expériences rota tables à cinq niveaux pour quantifier les diverses réponses nécessaires.

  • Titre traduit

    Fundamental and experimental analysis of auto vaporization and structural modification processes during instant controlled pressure drop operation unit


  • Résumé

    The structural modification of materials by the process of instant controlled pressure drop (DIC), is mainly based on the instant autovaporization process in very far from thermodynamic equilibrium conditions. The structure modification process and the volume evolution strictly depend on DIC operational parameters and the product characteristics mutually interacting to achieve the objective in terms of texture.The change in the structural characteristics of the product is generally revealed through the expansion rates of the product ; it depends on the operating conditions. This study will use a snapshot taken by a high speed video camera 1000 fps, coupled with 1 ms response temperature and pressure sensors, placed in the treatment vessel and inside the product. A fundamental analysis has proved the importance of thermodynamics, the transfer and the specific problematic of expansion during treatment. Study was carried out by determining the3D expansion ratio, the 2D surface expansion ratio, and the volumetric expansion ratio, as well as the durations of expansion just after pressure drops, the analysis of SEM micro-structural characteristics, the different glass transition temperatures Tg, the differences between lowest product and reactor temperatures and boiling temperature, and the heat exchange rate. Various products were considered (cheese, tofu, apple, potato, carrot and banana). The preliminary tests with each have led us to identify the relevant operating parameter ranges. Different fundamental conclusions and industrial application could be thus defined.


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