Apport de la thermodynamique pour la compréhension du fonctionnement d'une cigarette électronique

Thermodynamics contribution to the understanding of the electronic cigarette functioning

• Auteur / Autrice : Sébastien Soulet
• Direction : Jean Toutain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 22/01/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Wahbi Jomaa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean Toutain, Wahbi Jomaa, Vincent Gerbaud, Jérémie Pourchez, Xuân-Mi Meyer, Marie Duquesne, Sophie Maria, Jean-Jacques Letourneau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Gerbaud, Jérémie Pourchez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cigarettes électroniques

Ébullition

Thermodynamique

Mots clés libres

Thermodynamique

Ebullition

Cigarette électronique

Thermodynamics

Boiling

Electronic cigarette

Résumé

La cigarette électronique est un outil délivrant de la nicotine en vaporisant un e-liquide. Actuellement, la littérature se focalise sur l'étude des risques pour le consommateur et notamment sur l'analyse chimique de l'aérosol et non sur les processus conduisant à sa génération. Cette thèse a pour objectif principal d'apporter une compréhension de ces processus grâce à la thermodynamique puis d'en proposer une modélisation. L'étude expérimentale porte sur l'influence des paramètres du vapotage sur la quantité de liquide vaporisé par rapport à la puissance appliquée. Trois régimes de vaporisation sont observés: un régime de préchauffe ne générant pas d'aérosol, un régime optimal limité par une puissance minimale et une maximale et un régime de surchauffe qui sont reliées aux flux de déclenchement et critique de l'ébullition nucléée. La notion de flux critique s'avère être une limite de fonctionnement à partir de laquelle le risque pour le consommateur augmente significativement. Ensuite, le modèle développé est construit sur un schéma en trois étapes : 1) ébullition du e-liquide ; 2) mélange adiabatique de la vapeur générée avec de l’air frais ; 3) transport du mélange qui en résulte. Les résultats de simulation présentent un accord qualitatif avec les mesures expérimentales. Ils montrent également que la distribution en taille et en composition de l'aérosol généré est fortement dépendante de chacune de ces étapes.

The e-cigarette is a nicotine delivery tool that vaporizes an e-liquid. At present, the literature focuses on the study of risks to the consumer and in particular on the chemical analysis of the aerosol and not on the processes leading to its generation. The main objective of this thesis is to provide an understanding of these processes through thermodynamics and then to propose a modeling of them. The experimental study examined the influence of vaping parameters on the amount of liquid vaporized relative to the power applied. Three vaporization regimes are observed: a pre-heating regime that does not generate aerosol, an optimal regime limited by a minimum and maximum power and a overheating regime that are related to the triggering and critical flows of nucleated boiling. The notion of critical flow proves to be a limit of operation from which the risk for the consumer increases significantly. Then, the developed model is built on a three-step diagram: 1) boiling of the e-liquid; 2) adiabatic mixture of the steam generated with fresh air; 3) transport of the resulting mixture. The simulation results have a qualitative agreement with the experimental measurements. They also show that the size and composition distribution of the aerosol generated is highly dependent on each of these steps.