Contribution to the multi-physics study of porous media heated intermittently by RF energy in a coaxial cell

par Li Wu

Thèse de doctorat en Micro-ondes, Électromagnétisme et Optoélectronique

Sous la direction de Junwu Tao et de Jean-Louis Lacout.

Le président du jury était Patricia Arlabosse.

Le jury était composé de Junwu Tao, Jean-Louis Lacout, Jean-François Rochas.

Les rapporteurs étaient Lionel Estel, Kama Huang.

  • Titre traduit

    Contribution à l'étude multi-physique du chauffage de milieux poreux par énergie radiofréquence intermittente dans une cellule coaxiale


  • Résumé

    Avec l'explosion économique et démographique, le besoin en matériaux poreux tels que la nourriture, le bois ou la brique connait une croissance telle que leur commerce est très actif dans le monde entier. La déshydratation des milieux poreux étant l'une des plus importantes et stables méthodes pour leur préservation, il est parfois nécessaire d'utiliser cette méthode pour stocker, transporter et mieux utiliser ces matériaux. Depuis la Seconde Guerre Mondiale, il existe des méthodes de chauffage RF dans bien des domaines. Bien que beaucoup de nouvelles technologies de chauffage sont devenues extrêmement importantes du point de vue commercial et très largement utilisées, le chauffage RF est préféré aux autres moyens de chauffage pour plusieurs raisons: 1) le résultat est plus rapide, nécessitant un moindre temps pour atteindre la température désirée; 2) le chauffage radiofréquence peut être spatialement plus uniforme que les méthodes conventionnelles de chauffage; 3) le chauffage par radiofréquences peut être allumé ou éteint instantanément; 4) il est plus efficace pour un grand volume de nourriture; 5) l'investissement nécessaire est moindre, etc. Cependant on trouve très peu d'information sur le chauffage radiofréquence pour la déshydratation des matériaux poreux dans la littérature. Par conséquent, il est intéressant d'étudier les interactions entre les radiofréquences et les milieux poreux. Afin d'améliorer le taux d'énergie radiofréquence utilisé, cette thèse propose une cavité coaxiale pour étudier le cycle de chauffage radiofréquence d'une pomme de terre dans différents états : solide, liquide et gazeux. Dans un premier temps nous avons étudié les mécanismes de transport de masse et de chaleur dans le milieu poreux sans radiofréquence sur le modèle d'une brique 1D à l'aide d'un code Matlab. Les résultats de simulation ont été comparés qualitativement avec ceux du papier de référence. A partir de ce modèle, nous avons construit et simulé un modèle 2D axisymétrique avec le chauffage radiofréquence périodique d'une pomme de terre. L’équation de Landau et Lifshitz, Looyenga a été utilisées pour prédire le changement de permittivité effective dans la simulation car il est difficile d'obtenir une donnée précise pour un milieu poreux. La salinité de l'échantillon chauffé (qui est une caractéristique très importante) a été estimée. Les effets de différentes périodes, hauteurs de l'échantillon et puissances de la distribution en température ont été étudiés et analysés. Nous avons également mené des expériences similaires pour mesurer les changements de température durant le processus de chauffage. Tous les résultats de simulations sont comparés qualitativement avec les résultats mesurés. De même nous avons effectué des analyses de sensibilité et en avons conclu quelques suggestions concernant l'amélioration des effets du chauffage. A partir de ces suggestions, nous avons proposé un nouveau modèle de chauffage radiofréquence afin de s'affranchir des défauts du modèle précédent.


  • Résumé

    With the rapid growth of economic and population explosion, the demands for porous media such as foods, woods and bricks enlarge so wildly that their trades are busy around the world. To be stored, transported and utilized better, dehydration of porous media is necessary since drying is one of the most important and stable methods for preserving materials. After World War two, possible RF heating in many domains was suggested. Even though a lot of novel heating technologies have become extremely commercially important and been widely used, RF heating is preferred to the other heating means for several significant reasons: 1) it is rapid and requires less time to come up to the desired process temperature; 2) radio frequency heating may be relatively spatially more uniform than conventional heating; 3) radio frequency heating systems can be turned on or off instantly; 4) it is better for large, thick food; 5) it requires lower investment costs, and so on. However, little information on radio frequency heating for commercial drying of porous media is available in the published literature. Therefore, it will be interesting to research the interaction between RF and porous media. This thesis, to improve the use ratio of RF energy further, proposed a coaxial cell to research RF cycling heating potato with different phases: solid, liquid and gas. The mechanism of mass and heat transport in the porous media without RF energy was studied first by solving the governing equations of 1D brick model with Matlab codes. The calculated results compared qualitatively with those in the reference paper. Based on that model, an axisymmetric 2D model with periodically RF heating potato was built and simulated. Landau and Lifshitz, Looyenga equation was employed to predict the effective permittivity change in the simulation since it is difficult to get the accurate measurement data of porous media. The salinity of heated sample- a very important parameter of the mixing rule-was estimated. The effects of different process period, variation of height of sample and power on the temperature distributions were studied and analyzed. Corresponding experiments were also conducted to measure the temperature change during the heating process. All the simulated results compared qualitatively with the measured ones. Sensitivity analysis was also done and some suggestions on the improvement of heating effect were concluded. Based on the suggestions, a new RF heating model was proposed to overcome the drawbacks of our previous model.


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