Modélisation et commande de la décongélation par micro-ondes

Modeling and control of defrosting by microwaves

• Auteur / Autrice : Elias Akkari
• Direction : Lionel Boillereaux, Sylvie Chevallier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mécanique, thermique et génie civil (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques - École polytechnique de l'Université de Nantes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande linéaire

Transfert de chaleur

Chauffage par microondes

Aliments surgelés

Résumé

La décongélation est une étape clé de l’industrie alimentaire à plusieurs titres : la remise en température d’un produit s’accompagne généralement d’une reprise d’activité microbiologique et cette opération est particulièrement consommatrice d’énergie. De plus, la qualité finale du produit est étroitement liée à la technique utilisée. Ainsi, la décongélation doit être une opération rapide, durant laquelle le produit doit rester homogène en température, ne pas subir de transformation non souhaitée ou encore de dégradation sur un plan aussi bien organoleptique que microbiologique. La décongélation par micro-ondes répond bien au critère de rapidité, mais elle présente des hétérogénéités de chauffage, phénomène appelé emballement thermique. Dans ce mémoire, nous proposons de contrôler l’emballement thermique à l’aide d’algorithmes de commande avancée, en agissant sur la puissance micro-onde et un jet d’air froid additionnel. Cette thèse s’organise autour de trois grandes parties. La première partie est consacrée au développement d’un modèle simple mais précis. Le terme source lié aux micro-ondes est calculé à partir d’un fonction simple qui ne nécessite pas la résolution des équations de Maxwell, ni la connaissance des propriétés diélectriques. Une géométrie 2D est considérée dans un guide d’onde en mode fondamental TE01. Cette fonction peut alors être aisément identifiée par des méthodes inverses. Le modèle obtenu est un modèle à paramètres distribués non linéaire, qui est alors réduit en modèle à paramètres localisés, toujours non linéaire, à l’aide d’un schéma aux volumes finis. La seconde partie est consacrée à la reconstruction de l’état thermique interne du produit lors de la décongélation. Pour cela, des observateurs (notamment Observateurs de Luenberger et Filtre de Kalman) sont utilisés pour estimer le vecteur d’état à partir d’une seule mesure de température de surface. La troisième partie traite de la mise en place de lois de commande pour contrôler le procédé. Deux approches ont été proposées et comparées : la commande LQE (linéaire quadratique Etendue) et la linéarisation Entrée / Sortie (Global Linarizing Control). Des résultats ont été obtenus avec cette dernière, à la fois en configurations mono et multivariable. Toutes les étapes de ce travail ont été validées expérimentalement avec succès lors de la décongélation d’un produit modèle, la tylose, pour la reproductibilité des expériences, et dont les propriétés thermophysiques sont proches de celles de la viande de bœuf. Les expérimentations ont été réalisées à l’aide d’un générateur micro-onde à puissance variable (mode fondamental TE01, 2,45 GHz).

Defrosting is a key operation of the food industry for several reasons: the heating-up of a food material is usually associated with a renewal of microbiological activity, particularly the consumption of energy. Moreover, the final quality of the product is closely related to the technique used. Thus, the defrosting must be as short as possible; the product must remain as homogeneous as possible and must not undergo unexpected transformation or damage, either organoleptic or microbiological. The microwave-assisted defrosting fits the rapidity criterion well, but has heating heterogeneities, i. E. , a phenomenon called thermal runaway. In this report, we propose to use advanced control laws to control the thermal runaway, by acting on the microwave power and on an additional cooling air jet. This thesis is presented in three major parts. The first part is dedicated to the design of a simple but accurate model. The source term, bound to the microwaves, is computed using a simple function, which requires neither the resolution of Maxwell’s equations nor the knowledge of the dielectric properties. A 2D geometry, in a fundamental mode of propagation TE01, is considered. This function can easily be evaluated using reverse techniques. The obtained model is a nonlinear distributed parameters system, which is finally reduced in a lumped parameter, nonlinear, using a finite volumes scheme. The second part deals with the internal thermal state of the product during the defrosting. Observers (Luenberger’s observers or Kalman Filters) are used for the reconstruction of the whole state vector from a single surface temperature measurement. In the third part, two control approaches applied to our process are presented. The first one, based on the famous LQ technique, is extended to the nonlinear case and discussed in terms of advantages and limits. The second one, the Global Linearizing Control, is presented and carried out in SISO and MIMO configurations. All the steps of this work have been successfully validated during the defrosting of a model product, tylose, which has thermal properties close to that of beef muscle, for the repeatability of the operations Experiments have been realized thanks to a microwave with a variable power generator (fundamental mode TE01, 2. 45 GHz)