Microscopic study of the behavior of water in a single pore under vibration to intensify drying

par Wangshu Chen

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Patrick Perré.

Le président du jury était Benoît Goyeau.

Le jury était composé de Patrick Perré, Benoît Goyeau, Romain Rémond, Fethi Aloui, Julien Colin, Mohamed Ben Amara.

Les rapporteurs étaient Romain Rémond, Fethi Aloui.

  • Titre traduit

    Étude microscopique du comportement de l'eau dans un pore unique soumis à des vibrations pour intensifier le séchage


  • Résumé

    Une meilleure performance économique du séchage industriel consiste à la fois en l'amélioration de la qualité des produits et de l’optimisation énergétique. Plusieurs technologies peuvent être appliquées pour intensifier le processus de séchage. Ce travail s’intéresse à l'effet des vibrations, qui peuvent accélérer le séchage via un échauffement par dissipation visqueuse, une amélioration de la migration de l’eau liquide et de la vapeur à l'intérieur du milieu poreux et une augmentation des coefficients de transferts externes de chaleur de masse. Toutefois, malgré les études numériques et expérimentales antérieures, l'évaluation de l'importance relative de ces mécanismes d'intensification doit encore être améliorée.Ce travail porte sur l'échelle du pore, simulée par un tube capillaire, partiellement rempli d'eau soumis à des vibrations sinusoïdales. Un dispositif expérimental complet a été conçu, développé et utilisé. Grâce à une procédure de traitement d'images pertinente, le comportement de l'eau à l'intérieur du tube (déplacement et le rayon du ménisque) ont été étudiés pour différentes configurations de vibrations (fréquence, amplitude, taille du tube). Les expériences avec des géométries symétriques et asymétriques sont destinées à imiter le transfert d'humidité pendant le séchage d'un milieu poreux. Quelle que soit la configuration étudiée, l'intensification du séchage a été clairement confirmée.Pour la configuration symétrique, une nouvelle cartographie 2D basée sur des nombres adimensionnels est définie pour résumer les effets capillaires et visqueux, et ainsi expliquer le comportement de l'eau en fonction des conditions vibratoires (rayon du tube, fréquence et amplitude). Pour la configuration asymétrique, les résultats expérimentaux sont discutés et comparés aux simulations obtenues avec deux modèles numériques (un modèle 0-D et un modèle 1-D). Le potentiel de la modélisation a été mis en évidence, mais il est encore limité par les hypothèses physiques aux interfaces. D'autres développements sont proposés afin d'augmenter la plage de validité et d'approfondir l'étude de ce système physique.


  • Résumé

    A better economic performance of industrial drying consists both in product quality improvement and energy efficiency enhancement. Several technologies can be applied to intensify the drying process. This work is focused on the effect of vibration that can assist the drying through heating-up due to viscous dissipation, enhancement of liquid and vapor migration inside the porous medium and the increase of the external heat and mass transfer. However, despite previous numerical and experimental studies, the assessment of the relative importance of these intensification mechanisms has still to be improved.This work is focused on the pore scale, simulated by a capillary tube, partially filled with water subjected to sinusoidal vibrations. A full experimental device was conceived, developed and used. Thanks to a relevant image processing chain, the behavior of water inside the tube (displacement and meniscus radius), was investigated for various vibration configurations (frequency, amplitude, tube size). Experiments with both symmetrical and asymmetrical geometries are intended to mimic the moisture transfer during drying of a porous medium. Whatever the configuration, the drying intensification was clearly confirmed.For the symmetrical configuration, a new 2D dimensionless number map is set to summarize the capillary and viscous effects and thus to explain the water behavior depending on vibration conditions (tube radius, frequency and amplitude). For the asymmetrical configuration, the experimental results are discussed and compared to the simulations obtained with two computational models (a 0-D model and 1-D model). The potential of modeling was evidenced but still limited by the surrounding physical assumptions. Further developments are proposed to increase the validity range and further investigate this physical system


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