Estimation and variation laws of heat transfer coefficient surface/ liquid for a liquid food in falling film evaporator - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2008

Estimation and variation laws of heat transfer coefficient surface/ liquid for a liquid food in falling film evaporator

Estimation et lois de variation du coefficient de transfert de chaleur surface/ liquide en ébullition pour un liquide alimentaire dans un évaporateur à flot tombant

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Abstract

The heat transfer coefficient value is necessary to calculate the heat exchange surface when designing an evaporator, as currently used to concentrate liquids in food industry. The boiling heat transfer coefficient on the liquid side (h) is the most uncertain and: it depends on the liquid thermo-physical properties (ηL, σL, λL, ρL , CpL,...) as well as on the process conditions (type of evaporator, φ or Δθ, Γ (δ), P, surface roughness, fouling, etc). Also, h depends on the boiling regime (non- nucleate or nucleate) and on the flow regime (laminar or turbulent) according to the film Reynolds number in falling film evaporators. The objective of our work is to define an economical and robust method to estimate h in a falling film evaporator, which is common in food industry for concentrating fruit juice, milk and sugar solutions. The first section of our study was a bibliographic analysis which revealed the important dispersion among the h values calculated from the formulas cited in literature. The second section was to design and construct a laboratory scale falling film evaporator (pilot) used to estimate h at stationary parameters conditions. The third section was to describe the results and variation laws of h versus the liquid dry matter concentration XMS, the boiling temperature θL, the heat flux φ or temperature gap Δθ and mass flow rate per unit of perimeter length Γ (with describing the critical mass flow for some solutions) noted that the nature of heating surface is kept constant during our work. We described the effect of each variable separately on h, where the other variables being kept constant. Also we studied the transition from non nucleate regime to nucleate regime, which varied with the nature of liquid and the liquid concentration. Finally, we presented the experimental models for h = f (XMS, θL, φ, Γ) for a Newtonian liquid (sugar solution) and non-Newtonian solution (CMC) that may be used for industrial evaporator design after their validation. We have also proposed a method for the simplification of the experimental design.
Le coefficient de transfert de chaleur est nécessaire pour concevoir et dimensionner un évaporateur utilisé pour concentrer un liquide, tel que rencontré couramment dans les industries alimentaires. Le coefficient de transfert de chaleur le plus variable et le plus incertain est du coté produit, entre paroi et liquide, noté « h ». Il varie à la fois avec les propriétés thermo-physiques du liquide traité (ηL, σL, λL, ρL , CpL, ω, ...) et avec les paramètres du procédé (type d'évaporateur, φ ou Δθ, Γ (δ), P, rugosité de la surface, encrassement, etc), ces grandeurs étant définies dans le texte. Mais h est aussi lié au régime d'ébullition (nucléée ou non nucléée), et pour les évaporateurs de type « flot tombant », au régime d'écoulement laminaire ou turbulent, selon le nombre de Reynolds en film Ref. Nous avons étudié le cas des évaporateurs « à flot tombant », très utilisés dans les industries alimentaires pour concentrer le lait et les produits laitiers, les jus sucrés, les jus de fruits et légumes. L'objectif de notre travail était de définir une méthode fiable et économique pour évaluer a priori le coefficient de transfert de chaleur h coté liquide en ébullition, dans un évaporateur flot tombant. La première partie de la thèse a été consacrée à l'analyse bibliographique, qui a révélé une grande incertitude actuelle dans la prévision de h, sur la base des formules de la littérature, et des paramètres descripteurs proposés. La deuxième partie de la thèse a été de concevoir et construire un pilote utilisable pour estimer h, dans des conditions stationnaires connues et reproductibles. Dans la troisième partie, on présente les résultats et commente les lois de variations de h en fonction de la concentration de matière sèche du liquide XMS, de la température d'ébullition de liquide θL (ou P), du flux de chaleur φ ou (Δθ), et du débit massique de liquide par unité de périmètre de tube Γ, pour des propriétés de surface de chauffe fixées (ici, paroi en acier inoxydable poli Rs ≈ 0,8 μm). On commente l'effet sur h de chaque variable isolément, les autres étant maintenues constantes, ce qui confirme l'importance de la transition du régime non-nucléé au régime nucléé, cette transition variant avec la nature du liquide, sa concentration, et le flux de chaleur. On a montré la possibilité de modéliser un produit donné dans l'ensemble du domaine expérimental, où tous les paramètres peuvent varier simultanément, avec peu de coefficients, selon deux types d'équations (polynomiale et puissance). On a comparé le cas d'un liquide Newtonien (jus sucré) et non-Newtonien (solution de CMC dans l'eau). On a aussi observé le débit de mouillage critique Γcri et ses lois de variation. On a aussi démontré la possibilité de simplifier le plan d'expérience, aussi bien pour les liquides Newtoniens que non-Newtoniens, tout en gardant un coefficient de corrélation satisfaisant dans le domaine Γ > Γcri, cette modélisation pouvant servir de base de données produit pour l'ingénierie.
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Dates and versions

pastel-00004544 , version 1 (13-01-2009)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00004544 , version 1
  • PRODINRA : 246667

Cite

Tarif Ali-Adib. Estimation et lois de variation du coefficient de transfert de chaleur surface/ liquide en ébullition pour un liquide alimentaire dans un évaporateur à flot tombant. Sciences de l'ingénieur [physics]. AgroParisTech, 2008. Français. ⟨NNT : 2008AGPT0007⟩. ⟨pastel-00004544⟩
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