Heat transfer and airflow in an insulated box with phase change material for food transport : experimental and modelling approaches

Transfert thermique et écoulement au sein d'un conteneur isotherme avec matériau à changement de phase pour le transport de produits alimentaires : approches expérimentales et de modélisation

• Auteur / Autrice : Tanathep Leungtongkum
• Direction : Onrawee Laguerre, Denis Flick
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 24/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-….)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génie des procédés frigorifiques pour la sécurité alimentaire et l'environnement (Antony, Hauts-de-seine ; 2012-....) - AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Fournaison
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrew East, Michel Havet, Hayat Benkhelifa
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Andrew East, Michel Havet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Chaîne du froid

Industries agroalimentaires -- Qualité -- Contrôle

Modèles mathématiques

Physique

Recherche

Glacières (constructions)

Mots clés libres

Caisson isotherme

Transport des denrées

Transfert de chaleur

Modélisation

Insulated box

Food transport

Heat transfer

Numerical modeling

Résumé

Les caissons isothermes équipées d'un matériau à changement de phase (PCM Phase Change Material) jouent un rôle important dans le transport des aliments en raison de leur faible coût et de leur flexibilité. Cependant, le maintien d'une température adéquate est complexe en raison de la variabilité des conditions de fonctionnement, ce qui peut entraîner une dégradation du produit. Une approche empirique est principalement utilisée dans la pratique pour choisir le caisson et le PCM pour des conditions spécifiques. Ainsi, des modèles physiques permettant de prédire l'évolution de la température des aliments pour de larges gammes de conditions de transport sont nécessaires. Le développement de tels modèles nécessite la compréhension des transferts de chaleur et des écoulements d'air.En ce qui concerne l'étude bibliographique, plusieurs travaux ont considéré uniquement la conduction thermique dans l'air à l'intérieur de la caisse, certains travaux récents ont pris en compte la convection naturelle. A notre connaissance, aucune étude n'a inclus le rayonnement entre le produit et les surfaces de paroi et de PCM. De nombreuses études fondamentales concernent tous les modes de transfert de chaleur dans des cavités vides, elles imposent souvent deux températures de paroi différentes tandis que les autres parois sont adiabatiques. Certaines incluent la présence d'un objet solide ou d'un milieu poreux. Ces travaux ne peuvent pas être appliqués au transport alimentaire en caisson isotherme avec PCM.Ainsi, ce travail de doctorat vise à développer des méthodologies expérimentale et numérique pour étudier les transferts de chaleur et les écoulements d'air dans cet équipement.Dans un premier temps, deux types de mesures ont été entreprises : la température par thermocouples et la vitesse d'air par vélocimétrie par images de particules. Dans ces études, les caissons isothermes (45 litres) avaient un coefficient de transmission thermique de 0,9 W‧m-2‧K-1, le PCM était de la glace (point de fusion ~ 0°C, 3,5 kg) et le produit test était de la Tylose (16 kg) dont les propriétés thermo-physiques sont proches de celles de la viande. Les paramètres étudiés étaient : i) conditions de chargement (vide, chargé de polystyrène extrudé et chargé de produit test), ii) position du PCM (sur une paroi latérale et en haut), iii) forme géométrique de la boîte (hauteur/longueur ≈ 1 et 1,7), iv) température ambiante (10°C à 30°C), v) température initiale du produit (4°C et 10°C) et vi) espacement sous le produit (pas d'espace et 20 mm). Les résultats ont montré l'importance de la convection naturelle dans le caisson. Le PCM doit être placé en haut d'un caisson de faible rapport d'aspect (hauteur/longueur). Il faut éviter de charger des produits chauds. La quantité requise de PCM peut être estimée en fonction de la température ambiante.Dans un second temps, trois modèles numériques ont été développés: a) le modèle global prédit la température moyenne du produit mais ne peut pas identifier les positions les plus chaudes/froides, b) le modèle zonal prend en compte les différents transferts de chaleur et l'écoulement d'air, il différencie les régions les plus chaudes et les plus froides et c) le modèle CFD décrit en détail les champs de température et de vitesse d'air, mais a recours à des ressources de calcul importantes. Ces modèles ont été validé en comparant avec les données expérimentales et ont montré un bon accord. Enfin, cette thèse montre comment utiliser ces modèles pour répondre à plusieurs questions pratiques telles que l'effet de la conception des caissons et des conditions de fonctionnement.

Insulated boxes equipped with a Phase Change Material (PCM) play an important role in food transport due to low cost and flexibility. However, temperature control during the transport is complex due to the variation of operating conditions, which may lead to product degradation. An empirical approach is mainly used in practice to choose the box and PCM for some specific conditions. Thus, physical-based models allowing the prediction of food temperature evolution under wide ranges of transport conditions are necessary. The development of such models requires the understanding of heat transfer and airflow.Regarding literature study, several works considered only heat conduction in the air inside the box, some recent works took natural convection into account. According to our knowledge, no study included radiation between product and wall/PCM surface. Many fundamental studies concern all heat transfer modes in empty cavities. They often imposed two different wall temperatures while the other walls were adiabatic. Some works included a small solid object or porous media. These works could not be applied to food transport in an insulated box with PCM.This Ph.D. thesis aimed to develop an experimental and numerical methodologies to study heat transfer and airflow in this equipment.First, two types of measurements were undertaken: temperature by thermocouples and air velocity by Particle Image Velocimetry. In these studies, the 45-L insulated boxes had a heat transmission coefficient of 0.9 W‧m-2‧K-1, PCM was ice (melting point ~ 0°C, 3.5 kg) and the test product was Tylose (16 kg) whose thermo-physical properties are close to ones of meat. The influence of several parameters was studied: i) loading conditions (empty, loaded with extruded polystyrene and loaded with test product), ii) PCM position (on a side wall and at the top), iii) aspect ratio of box (height/length ≈ 1 and 1.7), iv) ambient temperature (10°C to 30°C), v) initial test product temperature (4°C and 10°C) and vi) spacing beneath the test product (no space and 20 mm). The results showed the importance of natural convection in the box. PCM should be placed at the top of a box of low aspect ratio. Loading the product with high temperature should be avoided. The required amount of PCM can be estimated in function of ambient temperature.Second, three numerical models were developed: a) lumped model predicts average product temperature but cannot identify the warmest/coldest positions, b) zonal model takes heat transfer and airflow into account, it differentiates the warmer and colder regions and c) CFD model describes in-depth temperature and air velocity fields, but high computing resources are inevitable. These models were validated by comparison with the experimental results and showed good agreement. Finally, this thesis demonstrates how to use these models to answer several practical questions such as the effect of box design and operating conditions.