Étude des écoulements d'air et des transferts de chaleur en régime instationnaire au sein d'une palette de produits qui dégagent de la chaleur tout au long de la chaîne du froid : application au cas des fromages

An unsteady state study of airflow and heat transfer within a pallet of heat-generating products along the cold chain: application to cheese

• Auteur / Autrice : Dihia Aguenihanai
• Direction : Jean Moureh
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Inscription en doctorat le 01/04/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FRISE - Génie des Procédés Frigorifiques pour la Sécurité alimentaire et l'Environnement- UR INRAE Antony
• Partenaire(s) de recherche : Référent : AgroParisTech
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)

Mots clés

Mots clés libres

Palette de fromage à pâte molle

Dégagement de chaleur

Convection mixte

Modélisation CFD

Modélisation zonale

Chaîne du froid

Pallet of soft cheese

Heat generation

Mixed convection

CFD modelling

Zonal modelling

Cold chain

Résumé

Certains produits alimentaires continuent à avoir une activité biologique après leur fabrication et donc durant toute la chaîne du froid. C'est le cas des fromages à pâte molle, dans lesquels la présence de ferments induit une activité respiratoire associée à un dégagement de chaleur. Ainsi, la maîtrise des températures de ces denrées tout au long de la chaîne du froid représente un enjeu industriel majeur afin de préserver leurs qualités. La démarche scientifique adoptée s'appuie sur la mise en œuvre d'outils numériques et expérimentaux (laboratoire et essais terrain). Elle vise à caractériser et à prédire les cinétiques de refroidissement au sein d'une palette entière de produits fromagers. L'étude prend en compte l'état thermique initial (température initiale homogène ou hétérogène) ainsi que les principaux paramètres qui pilotent les écoulements et les transferts de chaleur, dont notamment les flux de chaleur dégagés par le fromage et le niveau de ventilation externe. À l'échelle laboratoire, les expérimentations ont été effectuées au sein d'une chambre froide, à vitesse et température d'air maîtrisées, sur une maquette représentant une palette de produits fromagers qui dégagent de la chaleur. Les différents niveaux de la palette ont été instrumentés par des thermocouples. Des mesures de vitesses au sein de la palette ont été effectuées avec un anémomètre laser (Laser Doppler Velocimetry) et à fil chaud. Les résultats thermiques ont montré une augmentation des températures dans le sens de l'écoulement d'air (de l'amont à l'aval) et également dans le sens vertical du bas vers le haut de la palette pour des nombres de Richardson (Ri > 1). Pour des faibles nombres de Richardson Ri ≤ 1, la température des produits devient homogène sur la hauteur de la palette. Les résultats aérauliques ont montré que l'augmentation du dégagement de chaleur entraîne une augmentation du débit vertical au sein de la palette, notamment à la partie avale. L'émergence d'un panache thermique dans les conditions de convection mixte transversale favorise les transferts de chaleur et réduit les temps caractéristiques du refroidissement. Dans la partie numérique, deux approches de modélisation ont été élaborées : CFD et zonale. Une nouvelle approche de modélisation CFD (RANS) 3D appelée hybride a été développée sous ANSYS Fluent, permettant de combiner la modélisation explicite des caisses de produits incluant la position et les dimensions des orifices, et la modélisation de l'intérieur des caisses par un milieu poreux. Ce modèle a été validé en comparaison aux résultats expérimentaux. Un modèle simplifié en régime instationnaire, destiné à une utilisation industrielle, a été développé à l'échelle d'une palette sous Python. Il prend en considération la convection naturelle. La validation du modèle a été réalisée par comparaison avec les données expérimentales. En raison de sa rapidité de calcul, le modèle simplifié a été utilisé pour la prédiction de l'évolution de température des produits au sein d'une palette sur l'ensemble d'un circuit logistique en prenant en considération les conditions opératoires en termes de vitesse, température d'air de chacun des maillons et la surface des orifices des caisses. Il servira comme outil d'aide aux industriels pour l'optimisation des conditions opératoires et l'amélioration des modes de conditionnement et de palettisation des produits.

Some food products continue to have biological activity after they have been produced and, therefore, throughout the cold chain. Such is the case with soft cheeses, in which the presence of ferments induces respiratory activity associated with heat generation. Controlling the temperature of these products throughout the cold chain is, therefore, a major industrial challenge if their quality is to be preserved. The scientific approach adopted is based on the use of numerical and experimental methods (laboratory and field tests). It aims to characterise and predict the cooling kinetics within an entire pallet of cheese products. The study takes into account the initial thermal state (homogeneous or heterogeneous initial temperature) as well as the main parameters that control airflow and heat transfers, including, in particular, the heat fluxes generated by the cheese and the external ventilation level. On a laboratory scale, the experiments were carried out in a cold room, at controlled air velocity and temperature, on a set-up representing a pallet of cheese generating heat. The different pallet levels were instrumented with thermocouples. Velocity measurements within the pallet were carried out using a laser anemometer (Laser Doppler Velocimetry) and a hot-wire anemometer. The thermal results showed a temperature increase in the direction of airflow (from upstream to downstream) and also in the vertical direction from the bottom to the top of the pallet for Richardson numbers (Ri > 1). For low Richardson numbers Ri ≤ 1, product temperature tends to be homogeneous over the height of the pallet. The aeraulic results showed that the increase in heat generation leads to an increase in vertical flow within the pallet, particularly at the downstream part. The emergence of a thermal plume under conditions of mixed transverse convection promotes heat transfer and reduces the cooling characteristic times. For the numerical part, two modelling approaches were developed: CFD and zonal. A new hybrid 3D CFD (RANS) modelling approach was developed in ANSYS Fluent, combining explicit modelling of the product boxes, including the position and dimensions of the orifices, with modelling of the inside of the boxes using a porous medium. This model was validated by comparison with experimental results. A simplified unsteady-state model, intended for industrial use, was developed on the scale of a pallet using Python. It takes into account natural convection. The model was validated by comparison with experimental data. Due to its low computing time, the simplified model has been used to predict the temperature evolution of products within a pallet over an entire logistical circuit, taking into account the operating conditions in terms of air velocity and temperature for each link and the surfaces of the box vents. It will be used as a tool to help manufacturers to optimise operating conditions and improve product packaging and palettisation.