Ben amara, Sami (2005) Ecoulements et transferts thermiques en convection naturelle dans les milieux macro-poreux alimentaires application aux refrigerateurs menagers. PhD thesis Génie des procédés, INAPG 2005INAP0006.

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Abstract

In this work, the airflow and heat transfer by natural convection have been investigated in a stack of foodstuffs and particularly in domestic refrigerators. Both experimental and numerical approaches were conducted. Firstly, an experimental study was carried out using an ordered stack of spheres that was subjected to low air velocities (u<0.2 m s-1). The convective heat transfer coefficients between the objects and the air and between the wall of the cavity and the air were characterized according to the position and air velocity. The results showed that conduction and radiation effects between the objects and with the walls were of the same order of magnitude as convection. Measurements of the air velocity (using Particle Imaging Velocimetry) and temperature were made in an enclosure representing a domestic refrigerator model for various configurations (empty model, model loaded with stacking of inert products and model loaded with stacking of heat exchange products). A transient state behavior was observed at the bottom of the empty enclosure at a Rayleigh of 3´108. The presence of object stacks (even thermally inert) was shown to significantly modify the airflow and heat transfer characteristics. The numerical simulations using computational fluid dynamic software for various configurations (carried out for the model and real refrigerator) were shown to satisfactorily predict the experimental measurements.
Keywords: macro-porous media, natural convection, convective heat transfer, radiation, conduction, domestic refrigerator, numerical simulation (CFD)

Table of content

Introduction - 19
I. Analyse Bibliographique - 23
I-1. Généralités sur les réfrigérateurs ménagers - 23
I-1-1. Exigences du produit: La chaîne du froid - 23
I-1-2. Importance des températures dans la maîtrise du développement microbien - 24
I-1-3. Différents types de réfrigérateurs ménagers - 26
I-1-4. Réglementations - 27
I-1-5. Consommation énergétique - 28
I-1-6. Enjeux économiques - 28
I-2. Transferts thermiques dans les réfrigérateurs ménagers - 28
I-2-1. Analyse qualitative des échanges - 28
A. Echanges thermiques dans les réfrigérateurs - 28
B. Exemples d'évolution de température dans les réfrigérateurs ménagers - 29
1 -2-2. Etudes expérimentales et numériques - 30
I-3. Convection naturelle en milieu libre - 32
I-3-1. Equations générales de la convection naturelle - 33
A. Equations de conservation - 33
B. Equations d'état et de transfert, hypothèses simplificatrices - 33
C. Forme adimensionnelle en convection mixte - 34
D. Forme adimensionnelle en convection naturelle - 35
I-3-2. Convection naturelle externe: notion de couche limite thermique et hydrodynamique - 36
A. Développement de la couche limite laminaire sur une plaque verticale - 36
B. Effet de la turbulence - 39
C. Corrélations empiriques - 40
I-3-3. Convection naturelle interne - 40
A. Convection interne dans un espace entre deux plaques parallèles horizontales - 40
B. Convection interne dans une cavité rectangulaire fermée - 41
I-3-4. Rayonnement dans une cavité - 44
I-4. Ecoulements et transferts en milieu poreux - 44
I-4-1. Caractérisation des écoulements en milieu poreux - 44
I-4-2. Modélisation des transferts thermiques en milieu poreux - 47
A. Modèle à une température - 48
B. Modèles à deux températures - 57
I-4-3. Convection naturelle en milieu poreux - 61
A. Convection externe - 61
B. Convection interne - 62
I-5. Conclusion - 64
II. Matériels et Méthodes - 67
II-1. Caractérisation expérimentale des différents modes d'échange dans un empilement ordonné de sphères à faible vitesse d'air - 67
II-1-1. Dispositif expérimental - 68
II-1-2. Méthodes - 69
A. Caractérisation de la perte de charge dans l'empilement - 69
Tables des Matières
10B. Caractérisation des différents modes de transfert au sein de l'empilement - 70
C. Caractérisation expérimentale des échanges convectifs entre la paroi de la conduite et l'air - 75
II-2. Caractérisation des écoulements et des transferts dans une maquette de réfrigérateur ménager - 77
II-2-1. Dispositif expérimental: Maquette de réfrigérateur - 78
A. Caractéristiques des réfrigérateurs commerciaux - 78
B. Caractéristiques de la maquette - 79
II-2-2. Méthodes - 81
A. Mesures thermiques - 81
B. Mesures de l'écoulement de l'air dans la maquette par vélocimétrie par images de particules
(PIV) - 86
II-3. Caractérisation des transferts thermiques dans un réfrigérateur ménager - 91
III. Modélisations et Simulations - 97
III-1. Modèle ‘macro-poreux' - 97
III-1-1. Description du modèle macro-poreux - 98
A. Equation de conservation de la masse - 98
B. Equation de conservation de la quantité de mouvement - 99
C. Bilan des échanges de chaleur au niveau de la surface du produit - 99
D. Bilan des échanges de chaleur dans l'air - 100
E. Echange entre l'air et le produit - 100
F. Echange entre l'air et la paroi - 101
G. Conduction radiale dans le produit - 101
III-1-2. Algorithme et résolution - 102
A. Algorithme - 102
B. Résolution - 103
III-1-3. Validation du code de calcul - 103
III-2. Modélisation directe: Approche CFD - 104
III-2-1. Phénomènes et hypothèses - 104
III-2-2. Discrétisation et résolution - 105
III-2-3. Conditions initiales et conditions aux limites (CFD Fluent) - 107
III-2-4. Tests de convergence - 109
A. Principe - 109
B. Comparaison des résultats - 111
III-2-5. Influence du pas de temps - 113
A. Principe - 113
B. Comparaison des résultats - 113
III-2-6. Etude du maillage - 114
A. Principe - 114
B. Comparaison des résultats - 114
III-2-7. Etude du rayonnement - 115
A. Principe - 115
B. Comparaison des résultats - 117
III-2-8. Paramètres de résolution adoptés - 119
III-3. Conclusion - 119
Tables des Matières
11IV. Résultats et Discussions - 123
IV-1. Caractérisation expérimentale des écoulements et des transferts dans un empilement ordonné de sphères à faible vitesse d'air - 123
IV-1-1. Caractérisation expérimentale de la perte de charge dans l'empilement - 123
A. Comparaison avec la littérature - 124
B. Expression de la perte de charge sous forme adimensionnelle - 125
IV-1-2 Caractérisation expérimentale des transferts au sein de l'empilement de sphères - 125
A. Estimation du coefficient de transfert par convection, par conduction et par rayonnement - 125
B. Caractérisation expérimentale des échanges par conduction entre deux sphères en fonction de leur conductivité - 128
C. Influence des paramètres opératoires sur le coefficient de transfert par convection - 130
IV-1-3. Caractérisation expérimentale des transferts au niveau de la paroi de la conduite et l'air
- 133
A. Estimation de la conductance entre la paroi de la conduite et les sphères - 133
B. Influence des paramètres opératoires sur le coefficient de transfert convectif entre la paroi de la conduite et l'air - 134
IV-1-4. Conclusion - 139
IV-2. Caractérisation des écoulements et des transferts par convection naturelle dans des enceintes remplies ou non d'empilements de produits - 139
IV-2-1. Ecoulements et transferts dans des enceintes vides - 140
A. Cas de la maquette de réfrigérateur vide - 140
B. Cas du réfrigérateur ménager vide (sans étagères) - 159
IV-2-2. Ecoulements et transferts dans des enceintes remplies de produits inertes thermiquement
- 161
A. Cas de la maquette de réfrigérateur remplie de quatre blocs de sphères creuses - 161
B. Cas du réfrigérateur ménager vide avec étagères en verre - 172
IV-2-3. Ecoulements et transferts dans des enceintes remplies de produits échangeant de la chaleur - 174
A. Cas de la maquette expérimentale chargée avec un bloc de sphères en gel - 174
B. Cas de l'enceinte parallélépipédique complètement remplie de sphères en gel - 181
C. Cas du réfrigérateur ménager chargé avec des paquets de méthyle cellulose - 187
IV-2-4. Conclusion - 190
Conclusion Générale - 193
Références Bibliographiques - 199
Annexes - 205

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