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Theses Year : 2016

Experimental characterization and modelling of the evaporation phenomena on surfaces of a cold room

Caractérisation expérimentale et modélisation des phénomènes d'évaporation sur les parois d'une enceinte réfrigérée

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Abstract

The aim of this Ph.D. thesis is to develop a methodology to predict drying rate on walls in a food processing plant. This methodology is based on studies at different scales to analyze the heat and mass (water) exchanges in a food plant. Three laboratory studies were performed: a ventilated box (~0.001 m 3), a wind tunnel (~0.02 m3), a cold room (~30 m3) and one in a food processing plant (~450 m 3). Numerical (Comsol) and analytical models were developed to predict water evaporation rate on a solid surface (stainless steel, PVC) and validated with experimental data obtained in the wind tunnel and the cold room. For the experimental conditions studied, the results shown that relative humidity was the most influential factor on the evaporation rate. A simplified heat and mass transfer model was developed to predict the water mass evolution on the walls of a food plant in function of ambient conditions. This model is based on a zonal approach that considers three walls: wall, floor and equipment. The influence of a dehumidifier was studied. The experimental and numerical results showed that the dehumidifier allowed the reduction of relative humidity in the room from 90% to 60% which reduced the drying time by about 1.5 times. It was shown that the equipment dries the slowest due to its low thermal inertia, consequently, water was still remained after 2h (drying duration in the food plant). In order to increase the evaporation rate on the equipment, it was estimated by the model that 50 W.m-2 of heat supply could be provided to complete drying. Finally, this model was coupled to predictive microbiology model where the parameters were identified using the experimental data of the Listeria monocytogenes cultivability exposed to different relative humidity in the ventilated box (UMR PAM and ANSES collaboration). The results showed that the inactivation was the highest at 68% of relative humidity and that with the heat supplied to equipment of 50 W.m-2, the minimal of bacterial load would be reached after 5 hours instead of 12 hours without heat supply.
L‘objectif de cette thèse est de développer une méthodologie permettant de prédire la cinétique de séchage des parois d‘un atelier agro-alimentaire. Cette méthodologie se base sur des études à différentes échelles dans le but d‘analyser les phénomènes liés aux échanges thermique et massique (eau) dans un atelier. Trois études en laboratoire ont été réalisées : dans une boîte ventilée (~0.001 m 3), une soufflerie (~0.02 m3), une cellule d‘essai (~30 m3) et une étude sur site dans un atelier agro-alimentaire (~450 m3). Des modèles numériques (Comsol) et analytiques ont été développés permettant de prédire le taux d‘évaporation d‘eau sur une surface (inox, PVC) et validés avec les données expérimentales obtenues en soufflerie et en cellule d‘essai. Pour les conditions expérimentales étudiées, les résultats ont montré que l‘humidité relative était le facteur le plus influant sur le taux d‘évaporation. Ces études ont permis le développement d‘un modèle simplifié des échanges thermique et massique permettant de prédire l‘évolution de la masse d‘eau sur les parois d‘un atelier en fonction des conditions ambiantes. Ce modèle se base sur une approche zonale en considérant trois parois : un mur, un sol et un équipement. Cela a permis d‘étudier l‘influence de l‘implantation d‘un déshumidificateur d‘air. Les résultats expérimentaux et numériques ont mis en évidence l‘intérêt de l‘utilisation d‘un tel appareil pour améliorer le séchage des parois. L‘humidité relative de l‘air dans l‘atelier était réduite de 90% à 60% avec un déshumidificateur, ce qui diminuait le temps de séchage d‘un facteur 1,5. Il a été montré que l‘équipement séchait le plus lentement à cause de sa faible inertie thermique, par conséquent, il restait encore de l‘eau même après 2h (durée de séchage de l‘atelier). Pour augmenter le taux d‘évaporation sur l‘équipement, il a été estimé par le modèle qu‘un apport de chaleur de 50 W.m-2 serait suffisant pour sécher les équipements. Ce modèle a ensuite été couplé avec un modèle de microbiologie prévisionnelle dont les paramètres ont été identifiés en utilisant les données expérimentales de la cultivabilité de la Listeria monocytogenes à différentes humidités relatives dans la boîte ventilée (collaboration l‘UMR PAM et l‘ANSES). Les résultats ont montré que l‘inactivation bactérienne était la plus importante pour une humidité relative aux alentours de 68% et qu‘un apport de chaleur à l‘équipement de 50 W.m-2 permettait d‘atteindre un minimum de charge bactérienne au bout de 5 heures au lieu de 12 heures sans apport de chaleur.
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Dates and versions

tel-03383724 , version 1 (18-10-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03383724 , version 1

Cite

Logan Lecoq. Caractérisation expérimentale et modélisation des phénomènes d'évaporation sur les parois d'une enceinte réfrigérée. Génie des procédés. Institut agronomique, vétérinaire et forestier de France, 2016. Français. ⟨NNT : 2016IAVF0005⟩. ⟨tel-03383724⟩
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