Étude et modélisation des processus d'humidification et de refroidissement évaporatif par mélange d'un brouillard d'eau dans un flux d'air

Study and modelling of humidification and evaporative cooling processes by mixing a water mist in an air flow

• Auteur / Autrice : Emilie Powaga
• Direction : François Cauneau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Procédés, Énergies Renouvelables et Systèmes Énergétiques. Sophia-Antipolis
• Jury : Président / Présidente : Antoine Sellier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Cauneau, Pascal Henry Biwole, Mohamad Ibrahim
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Amina Meslem, Jean Moureh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aliments -- Conservation

Modélisation CFD

Nébulisation

Écoulement diphasique

Refroidissement

Mots clés libres

Écoulement diphasique

Refroidissement évaporatif

Vitrine réfrigérée

Nébulisation

Mesure expérimentale

Mécanique des fluides numérique

Two-Phase flow

Evaporative cooling

Refrigerated display case

Nebulization

Experimental measurement

Computational Fluid Dynamics

Résumé

Une fois récoltés, les fruits et légumes sont des produits hautement périssables. Du fait des progrès décisifs qu’ils ont permis d’accomplir dans le domaine de la conservation des denrées alimentaires vivantes, les dispositifs basés sur la nébulisation d’eau sont prometteurs. L'évaporation des gouttelettes d'eau sur la surface des produits réfrigérés augmente le transfert de chaleur et réduit la perte d'eau pendant le processus de réfrigération, améliorant significativement leur durée de conservation. L'objectif de ce travail doctoral était d'améliorer la compréhension des mécanismes d'écoulement et d'évaporation des gouttelettes d'eau au sein d'une vitrine verticale ouverte afin de disposer d'un modèle numérique d'écoulement diphasique représentant correctement les processus mis en jeu. Des études expérimentales et numériques du couplage d'un dispositif de nébulisation à une vitrine verticale ouverte ont été menées pour répondre à ces objectifs. Les études expérimentales ont permis d'évaluer l'influence de différents paramètres d'intégration du dispositif de nébulisation et des caractéristiques de la vitrine sur la répartition spatiale du brouillard dans l'enceinte, mais aussi de caractériser les écoulements au sein de la vitrine. Un modèle numérique diphasique a été développé pour prédire le transport et l'évaporation d'un nuage de gouttelettes nébulisées dans un flux d'air turbulent, en régime stationnaire. Un travail conséquent a été réalisé pour définir un terme source massique entre les fruits et légumes et leur environnement, en fonction des caractéristiques intrinsèque du produit et des conditions thermo-hydriques de l'environnement. Les résultats expérimentaux ont servi à qualifier le modèle numérique diphasique développé dans le cadre de cette étude doctorale. Ce travail est novateur car, à ce jour, peu d'études sur l'utilisation d'aérosols d'eau dans les équipements frigorifiques ont été conduites et aucune d'elles n'évalue la répartition spatiale du brouillard dans l'enceinte en présence de produits vivants. Ce travail de thèse a été mené en étroite collaboration avec le laboratoire PERSÉE de l'École des Mines de Paris et l'entreprise ARECO, leader de l'humidification par nébulisation.

Once harvested, fruits and vegetables are highly perishable products. Because of the decisive progress they have made in the field of preservation of live foodstuffs, devices based on water nebulization are promising. The evaporation of water droplets on the surface of refrigerated products increases heat transfer and reduces water loss during chilling process, significantly improving their shelf life. The objective of this PhD work is to improve the understanding of the flow and evaporation mechanisms of water droplets within an open vertical display case to have a numerical model of two-phase flow correctly representing the processes involved. Experimental and numerical studies of the coupling of a fogging device to an open vertical display case were conducted to meet these objectives. The experimental studies allowed to evaluate the influence of different integration parameters of the fogging device and the characteristics of the display case on the spatial distribution of the fog in the enclosure, but also to characterize the flows within the display case. A two-phase numerical model was developed to predict the transport and evaporation of a cloud of nebulized droplets in a turbulent airflow, in steady state. A consequent work has been done to define a mass source term between the fruits and vegetabless and their environment according to the intrinsic characteristics of the product and the thermo-hydric conditions of the environment. The experimental results were used to qualify the two-phase numerical model developed in the framework of this PhD study. This thesis work was conducted in close collaboration with the PERSÉE laboratory of the École des Mines de Paris and the company ARECO, leader in the field of humidification by nebulization.