Analyse thermophysique et solutions d'ingénierie vers la durabilité de la chaîne du froid

Thermophysical analysis and engineering solutions towards cold chain sustainability

• Auteur / Autrice : Kostadin Fikiin
• Direction : Alain Le Bail
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et bioprocédés
• Date : Soutenance le 10/10/2023
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génie des Procédés Environnement – Agroalimentaire (GEPEA) (Saint-Nazaire)
• Jury : Président / Présidente : Brice Tremeac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Le Bideau, Jack Legrand, Corinne André Miral
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Brice Tremeac, Laurence Fournaison

Mots clés

Mots clés contrôlés

Industries agroalimentaires

Mots clés libres

Chaîne du froid

Réfrigération

Congélation

Hydrofluidisation

Cold chain

Chilling

Freezing

Hydrofluidisation

Résumé

La thèse met l'accent sur le froid alimentaire et la chaîne du froid pour les bioproduits périssables. Le travail porte sur des modèles mathématiques innovants du transfert de chaleur non-stationnaire pendant la réfrigération et congélation des aliments et des systèmes aqueux de diverses configurations. L'attention est portée sur méthodes enthalpiques et transformes de variables pour résoudre des problèmes de transfert de chaleur non-linéaires par des techniques numériques. Une méthode améliorée d'enthalpie et de transformation de Kirchhoff est introduite pour le scénario le plus courant des changements de phase graduels et non-isothermes. Equations prédictives pour les caractéristiques thermophysiques sont établies pour des aliments congelés et non-congelés et reconnu internationalement. Une nouvelle méthode d’''hydrofluidisation'' est lancée pour réunir les avantages des techniques de fluidisation de l'air et de congélation par immersion (en utilisant des liquides non-congelables ou des coulis de glace biphasiques comme milieux refroidissants et agents de fluidisation). Solutions techniques de pointe pour la collecte et conversion de l'énergie, intégrant de multiples sources renouvelables dans l’entreposage frigorifique, sont conceptualisées. Une stratégie de réponse à la demande est testée pour le stockage ''passif'' de l'énergie renouvelable dans les entrepôts frigorifiques afin d'agir comme des ''batteries virtuelles'' pour l'écrêtement des pointes de consommation, et pour l'équilibrage et la décarbonisation du réseau électrique, en tenant également compte de l'effet des fluctuations de température et des cycles de congélation-décongélation sur la qualité du produit final.

The thesis spotlights food refrigeration and cold chain for foods and perishable bioproducts. The work addresses innovative mathematical models, simulation and optimisation of unsteady-state heat transfer during chilling and freezing (warming and thawing) of foods and moisture-containing systems of various configurations. Attention is paid to enthalpy methods and variables’ transforms for solving highly non-linear heat transfer problems by numerical techniques. An improved enthalpy and Kirchhoff transform method is firstly introduced for the most common food refrigeration scenario of gradual non-isothermal phase changes. Predictive equations for the thermophysical characteristics, enthalpy and Kirchhoff function are established for unfrozen and frozen foods, which received an international recognition. A novel chilling and freezing method, named ‘hydrofluidisation’, is launched to bring together the advantages of both air fluidisation and immersion food freezing techniques by using unfreezable liquids or two-phase ice slurries as refrigerating media and fluidising agents. State-of-the-art engineering solutions for energy harvesting and conversion, enabling proper integration of multiple renewable energy sources in the refrigerated warehousing of foods, are conceptualised and systematised. A demand response strategy is tested for ‘passive’ storage of renewable energy in refrigerated warehouses to serve as ‘virtual batteries’ for power peak ‘shaving’, and electrical grid balancing and decarbonising, taking also into account the effect of temperature fluctuations and freeze-thaw cycles on the end product quality.