Characterization of heat transfer and airflow within a pallet of heat-generating product : applied to cheese pallets

Le fromage, comme tout produit frais, doit être conservé à basse température tout au long de la chaîne du froid. Une particularité des fromages à pâte molle (camembert, par exemple) est qu’ils dégagent un flux de chaleur important à cause de la respiration des microorganismes qui y sont présent. D’un point de vue thermique, suffisamment d’air froid doit entrer dans une palette de fromage pour évacuer la chaleur dégagée afin de maintenir une température stable dans le système. D’un point de vu aéraulique, l’échauffement du produit induit de la convection naturelle à l’intérieur de la palette. Plusieurs modes de convection sont donc présents : la convection forcée imposée par les ventilateurs de la chambre froide autour de la palette et la convection mixte, combinaison de convections forcée et naturelle, à l’intérieur de la palette. Ceci augmente par conséquent la complexité de l’écoulement d’air. Le régime de convection mixte apparait surtout à faible vitesse de ventilation ce qui est souvent le cas lors du stockage en chambre froide. De plus, le système est influencé par un grand nombre de paramètres : l’orientation de la palette, l’ajourage des cartons, la vitesse de soufflage, la puissance de chauffage…L’objectif de la thèse est d'apporter de nouvelles connaissances sur les écoulements d'air et les transferts thermiques au sein d'empilements de produits dégageant de la chaleur et faiblement ventilés. Ces connaissances visent également à répondre à des problématiques industrielles. Les acquis du projet doivent contribuer à améliorer la conception aéraulique des emballages et des modes de palettisation du fromage, qui à ce jour est réalisée de manière empirique. Il convient également de noter que la problématique scientifique abordée dans ce projet (interactions aérodynamiques et thermiques entre convection forcée et naturelle autour et au sein d'empilements d’objets) présente des applications dans d’autres domaines tels que le refroidissement des circuits électroniques.La thèse se compose de deux parties principales : Une étude expérimentale et une étape de modélisation. Dans l’approche expérimentale, une maquette de palette à l’échelle 1 a été conçue dans laquelle les produits ont été remplacés par des blocs de plâtre munis de résistances chauffantes afin de simuler le flux de chaleur dégagé par le produit. Les expérimentations ont été réalisées dans une cellule à température et vitesse d’air maitrisées pour deux vitesses amont : 0.31 et 0.73 m.s-1, trois puissances de chauffage : 0.05 W, 0.15 W et 0.30 W par produit (0.25kg) et deux orientations de la palette. L’utilisation d’un vélocimètre laser par effet Doppler (LDV) et d’un anémomètre à fil chaud ont permis de caractériser les écoulements (profils de vitesses, débit d’air dans les orifices) selon la vitesse amont et la puissance de chauffage. L’implantation de 200 thermocouples répartis dans l’ensemble du montage expérimental a par ailleurs permis d’obtenir les profils de température de l’air et des produits au sein de la palette selon ces mêmes paramètres.La partie modélisation a été réalisée selon deux approches: une simulation détaillée par mécanique des fluides numériques (CFD) avec un maillage de plusieurs millions de cellules et un modèle zonal (une vingtaine de zones) assimilant le système à un réseau hydraulique. Les deux modèles ont été validés grâce aux données expérimentales. L’approche CFD a permis d’obtenir des informations non accessibles à partir des mesures expérimentales ce qui a facilité la compréhension des phénomènes. L’approche zonale, de par sa simplicité d’utilisation et son faible temps de calcul est quant à elle plus adaptée pour une utilisation industrielle.Cheese, like any fresh product, must be kept at a low temperature throughout the cold chain. A particularity of soft cheeses (Camembert, for example) is that they generate a significant amount of heat due to the respiration of the microorganisms. From a thermal point of view, cold air must flow within a cheese pallet to remove the heat released in order to achieve better production temperature control. From an airflow point of view, heat generated by the product induces natural convection inside the pallet. Several convection modes are therefore present: the forced convection imposed by the fans of the cold room around the pallet and the mixed convection, combination of forced and natural convection, inside the pallet. This therefore increases the complexity of the airflow. The mixed convection regime appears mainly at low fan speed which is often the case during storage. In addition, the system is influenced by many parameters: the orientation of the pallet, the opening area of the cartons, the blowing speed, the heat flux...The aim of the PhD is to provide inner knowledge on air flows and heat transfer within pallets of heat-generating products with low ventilation. This knowledge also aims to answer industrial problems. The PhD’s results should contribute to improve the design of vented cheese packaging and palletizing methods, which is currently done empirically. It should also be noted that the scientific topic addressed in this project related to aerodynamic and thermal interactions between forced and natural convection around and within the pallet has applications in other areas such as the cooling of electronic circuits.The PhD consists of two main parts: an experimental and a numerical study. In the experimental approach, a full scale pallet was built in which the products were replaced by plaster blocks inserted with heating resistance to simulate the heat flow generated by cheese. The experiments were carried out in a controlled temperature and air velocity room for two air inflow velocities: 0.31 and 0.73 m.s-1, three heat fluxes: 0.05 W, 0.15 W and 0.30 W per product (0.25 kg) and two orientations of the palette. The use of a laser Doppler velocimetry (LDV) and a hot-wire anemometer allowed characterizing airflows (velocity profiles, air flow rate in the vent holes) according to the air inflow velocity and the heat flux. The implementation of 200 thermocouples distributed throughout the experimental set-up also made it possible to obtain the temperature levels of the air and the products within the pallet according to these same parameters.The numerical study was performed by two approaches: a detailed model by computational fluid dynamics (CFD) with several millions of elements and a zonal model (about twenty zones) assimilating the system to a hydraulic network. Both models were validated using experimental data. The CFD gave complement information which is not accessible by the experimental measurements, which facilitated the understanding of the phenomena. The zonal approach, by its simplicity of use and its low computing time is more suitable for an industrial use