Etude expérimentale et modélisation d'emballages de produits de santé utilisant des matériaux à changement de phase

par Thibault Pech

Thèse de doctorat en Thermique énergétique

Sous la direction de Philippe Haberschill.

Soutenue le 22-04-2016

à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (Villeurbanne) , en partenariat avec CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) (laboratoire) , Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (laboratoire) .

Le président du jury était Michel Feidt.

Le jury était composé de Philippe Haberschill, Michel Feidt, Jean-Pierre Bedecarrats, Michel De Paepe, Frédéric Kuznik.

Les rapporteurs étaient Jean-Pierre Bedecarrats, Michel De Paepe.


  • Résumé

    Les emballages thermiques, fabriqués à partir de matériaux isolants et associés à des matériaux à changement de phase, constituent une solution à la problématique de la conservation de produits thermosensibles tout au long de la chaîne de distribution. Cependant, l'optimisation des configurations représente un défi, compte tenu du nombre de paramètres en jeu, et la voie expérimentale demeure coûteuse en temps et en ressources. C'est pourquoi un modèle numérique simplifié a été développé dans le cadre de cette thèse. La thèse comporte un volet expérimental sur la détermination de la perméabilité des emballages ainsi que l'observation de la répartition des températures au sein d'un modèle d'emballage, et un volet numérique. Le volet expérimental a permis de déterminer les coefficients de perméabilité de deux types d'emballages pour différentes configurations, montrant des différences notables selon le modèle de caisse considéré. Les fuites d'air sont principalement dues à l'ouverture de la porte, d'où l'importance du type de joint utilisé et du système de fermeture. Le corps de la caisse, de par sa méthode de manufacture, présente lui aussi des fuites, rendant impossible l'éventualité d'une caisse totalement imperméable. L'observation des températures au sein d'un emballage met en évidence une certaine stratification des températures intérieures, pouvant être diminuée par la présence d'un volume d'air suffisamment important pour permettre des mouvements de convection. Un test avec simulation d'ensoleillement a permis d'observer l'impact important du flux solaire sur le comportement thermique de la caisse, tout en mettant en évidence l'efficacité des matériaux à changement de phase pour l'absorption des variations de température. Le modèle développé est basé sur une méthode nodale. Le programme a été construit de manière à pouvoir simuler un grand nombre de configuration en faisant varier l'agencement des éléments et leur nature. La simulation d'un certain nombre de ces configurations a permis de déterminer la sensibilité du système à divers paramètres. Ainsi il a été montré que la nature du chargement (caractérisée par les valeurs de conductivité, densité et capacité thermique) constitue un paramètre influent sur le système, et donc la connaissance des produits transportés s'avère indispensable à la définition d'une configuration optimale. De la même manière, la nature des matériaux à changement de phase, et en particulier la température de fusion, a une importance notable sur le comportement du système. En revanche, la température d'introduction des MCP a peu d'influence, du moment que le matériau est introduit dans la bonne phase correspondant à son application. La perméabilité de l'emballage quant à elle montre peu d'incidence sur les résultats à long terme, mais des effets de sursaut de température ponctuels dus à des variations brusques de pression extérieure peuvent être observés localement.

  • Titre traduit

    Experimental study and modeling of health goods packaging using phase change materials


  • Résumé

    Thermal packaging made from insulating materials and associated with phase change materials are a solution to the problem of preservation of temperature sensitive products throughout the distribution chain. However, optimizing configurations is challenging, given the number of parameters involved, and experimentally remains costly in time and resources. This is why a simplified numerical model was developed as part of this thesis. The thesis includes an experimental part on determining the permeability of packaging as well as observation of the temperature distribution within a packaging model, and a digital component. The experimental component made it possible to determine permeability coefficients of two types of packaging for different configurations, showing significant differences in the packaging considered. Air leaks are primarily due to the opening of the door, hence the importance of the type of seal used and the closure system. The body of the box, due to its manufacturing method, presents leaks, making impossible the possibility of a completely impermeable case. The observation of the temperatures within a package highlights some stratification of internal temperatures, which can be reduced by the presence of a sufficiently large volume of air to allow convection movements. A test with sunlight simulation allowed to observe the impact of the solar flux on the thermal behavior of the fund, while highlighting the effectiveness of phase change materials to absorb temperature changes. The developed model is based on a nodal method, associating with each node a wall thickness, which are solved for the associated heat balance equations. Treatment of the phase change is by a method called "equivalent heat capacity". The program was constructed to be able to simulate a large number of configuration by varying the arrangement of the elements and their nature. Simulating a number of these configurations enabled to determine the sensitivity of the system to various parameters. Thus it has been shown that the nature of the load (characterized by the values ​​of conductivity, density and thermal capacity) is a parameter influencing the system, and therefore knowledge of the transported products is essential to the definition of an optimal configuration . Similarly, the nature of phase change materials, and in particular the melting temperature, has a significant importance on the system behavior. In contrast, the PCM introduction temperature has little influence as long as the material is fed in the proper phase corresponding to its application. The permeability of the packaging shows little impact on long-term results, but occasional startle temperature effects due to the rapid changes in external pressure can be observed locally.


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