Études numérique et expérimentale des transferts couplés masse-chaleur modélisation, simulation et optimisation d'un traitement thermique dynamique de surface d'un produit alimentaire

Numerical and experimental studies of coupled heat and mass transfers : Modelisation, simulation and optimisation of a dynamic thermal treatment of a food surface

• Auteur / Autrice : Ruben Zuñiga Ulloa
• Direction : Alain Le Bail, Michel Havet, Lionel Boillereaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Nantes
• Jury : Président / Présidente : Yvon Jarny
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Kondjoyan, Alain Le Bail, Michel Havet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Christophe Batsale, Denis Flick

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs (technologie)

Chaleur -- Convection

Logiciels -- Développement

Évaporation

Industrie alimentaire

Procédés de fabrication

Résumé

Ce travail concerne le procédé de décontamination de la surface des produits alimentaires par convection avec de l'air chaud. Ce procédé a pour but de détruire la majeure partie des organismes pathogènes à la surface des aliments. Si ce traitement thermique trouve un regain d'intérêt, il n'en demeure pas moins nécessaire de parfaitement maîtriser l'évolution de la température de surface au cours du procédé. Dans cet objectif, nous avons développé un modèle de transferts couplés de matière et de chaleur. Ce modèle prend en compte les mécanismes de convection, de diffusion, d'évaporation et de rétractation du produit au cours du traitement. La variation des propriétés thermophysiques avec la teneur en eau a été considérée. Après détermination expérimentale du coefficient d'échange convectif, nous avons validé ce modèle en le confrontant à des expérimentations menées dans une chambre de traitement spécifique. L'exploitation de ce modèle nous a conduit à mettre en évidence l'influence considérable de la diffusivité de l'eau au sein du produit. Nous avons optimisé par méthodes inverses cette propriété et montré son évolution en fonction de l'échange convectif. Enfin, ce modèle a servi de référence pour construire un algorithme de commande permettant de suivre une trajectoire imposée pour la température de surface. Cette loi de commande nécessitant la connaissance d'une température interne, nous avons élaboré un capteur logiciel.

This work concerns the decontamination of the surface of a food, consisting in blowing hot air onto the food surface with the objective of inactivating the bacteria located on the surface. This process has a renewal of interest but it is still a challenge to accurately control the evolution of the surface temperature. In this aim, a coupled heat and mass transfer model has been developed taking into account convective and diffusive mechanisms, evaporation and shrinkage of the product during the treatment. It also accommodates the dependence of the thermal properties with the moisture content. A specific heat treatment chamber was used to validate the model. Some parameters of the model were taken from the literature whereas the convective heat transfer coefficient was experimentally determined. From simulations, we highlighted the great influence of the water diffusivity on the surface temperature prediction. Reverse methods were then used to optimize this parameter and we pointed out its correlation with the convective heat transfer. Finally, this model was used as a simulator to design a control law allowing surface temperature tracking. This algorithm required the knowledge of an internal temperature, which was supplied by a software sensor.