Etude de l’évaporation d’une goutte d’eau dans une boîte ventilée (~0.001 m3)

Etude de l’évaporation d’une goutte d’eau dans une boîte ventilée (~0.001 m3) 

Le séchage, causant un stress hydrique, amène à la destruction microbienne (Dupont et al. 2014). La compréhension des liens entre séchage et inactivation microbienne est ainsi nécessaire dans l‘objectif de prévenir la contamination bactérienne dans les ateliers agroalimentaires. Pour cela, cette étude a été réalisée en collaboration avec l‘UMR PAM (Procédés Alimentaires et Microbiologiques, Dijon) dans le but d‘analyser le mécanisme d‘évaporation d‘une goutte et de déduire une corrélation simple pour prédire le temps de séchage en fonction de la température et de l‘humidité relative ambiante. Ensuite, une analyse associant le temps de séchage et la perte de cultivabilité de Listeria monocytogenes a été réalisée pour différentes humidités relatives, la température d‘air étant fixée à 20°C.

Matériels et méthodes
Des expériences ont été réalisées dans une boîte hermétique en polypropylène (longueur x largeur x hauteur = 25 x 11 x 6 cm3 , Figure 1) dans laquelle la température, la vitesse et l‘humidité relative étaient contrôlées. L‘humidité relative était imposée à l‘aide d‘une solution de sel saturée : 11% (LiCl), 43% (K2CO3), 76% (NaCl), 85% (KCl). Pour homogénéiser l‘air dans la boîte, un ventilateur (5 volts) était placé à l‘intérieur. La boîte hermétique était dans une cellule où la température y était contrôlée ce qui permettait de maîtriser la température à l‘intérieur de la boîte à 20°C.

Deux types de liquide ont été étudiés : de l‘eau distillée et de l‘eau mélangée avec une substance nutritive (du « jus » de saumon). Dans la boîte hermétique, une goutte de liquide (eau distillée ou jus de saumon) d‘environ 360 µL était placée sur une boîte de Pétri (en polypropylène) à l‘aide d‘une pipette. Pour suivre l‘évolution de la surface projetée de la goutte au cours de l‘évaporation, une caméra était positionnée au-dessus de la boîte, au niveau de la goutte. Des images étaient prises à un intervalle de temps régulier et à l‘aide d‘un logiciel d‘analyse d‘image (Image J), la surface projetée de la goutte était déterminée. Le même type de boîte contenant différentes solutions saturées de sel a été utilisé dans des expériences de cultivabilité de Listeria monocytogènes par l‘UMR PAM. La température était fixée à 25°C et une goutte de 10 µL contenant des cellules en suspension était déposée sur une boîte de Pétri. La cultivabilité, exprimée en log10 du nombre de bactérie à l‘instant t sur le nombre initial de bactérie a été mesurée toutes les 30 min pendant les 3 premières heures puis à 16 et 24h.

Publication :
Cette étude est présentée en détails dans l‘article 1 « Influence of air relative humidity on the evolution of a liquid droplet on a solid plate and relation with microbial destruction » : influence de l‘humidité relative sur le séchage d‘une goutte et relation avec la destruction microbienne (Soumis à Food Research International le 5 Avril 2016). Les résultats expérimentaux de l‘inactivation microbienne ont par ailleurs permis de modéliser la cinétique et la fraction résiduelle en fonction de l‘humidité relative, puis, ce modèle a été inclus dans le modèle thermique et massique d‘un atelier agro-alimentaire. Cela a permis de prédire l‘évolution de la Listeria monocytogènes sur les surfaces d‘un atelier agro-alimentaire en fonction des conditions ambiantes .

Etude de l’évaporation de plusieurs gouttes d’eau dans une soufflerie (~0.02m3)

Dans un atelier agro-alimentaire le matériau utilisé pour fabriquer les équipements est principalement l‘inox. Afin de comprendre le mécanisme d‘évaporation de l‘eau sur cette surface, des expériences ont été réalisées dans une soufflerie de section 19 x 19 cm² (volume d‘environ 0.02 m3 ) où la température, la vitesse d‘air et l‘humidité relative sont bien maitrisées. Lors de cette étude, une méthodologie expérimentale a été développée pour caractériser le taux d‘évaporation de l‘eau déposée sur une plaque en inox à différentes conditions ambiantes. Un modèle empirique prédisant la cinétique de l‘évaporation en fonction de la température, la vitesse, l‘humidité de l‘air et la répartition initiale de l‘eau sur la plaque en inox a été établi.

Deux études numériques considérant l‘évaporation d‘une goutte d‘eau sur une plaque dans les mêmes conditions que celles expérimentales ont, par la suite, été réalisées. La première est une modélisation simplifiée en régime quasi-statique . La conduction dans la plaque et dans la goutte ainsi que les échanges convectifs (chaleur, masse) avec l‘air sont pris en compte. Une simulation quasistatique a pu être envisagée car il a été observé lors des expériences que le taux d‘évaporation était quasiment constant pendant la plupart du temps. Les taux d‘évaporation expérimentaux et numériques pendant cette période ont été comparés pour valider le modèle. Ensuite un second modèle en régime transitoire a été mis au point pour étudier l‘évaporation de façon plus approfondie. L‘influence des caractéristiques du matériau de la plaque (épaisseur, inox ou PVC) et des gouttes (taille, fraction de surface mouillée) sur le taux d‘évaporation a été étudiée. La simulation a été réalisée en utilisant la méthode des éléments finis sur le logiciel Comsol (version 5.0).

La soufflerie  était placée dans une cellule dans laquelle la température de l‘air et l‘humidité relative étaient maîtrisées. Pour vérifier ces paramètres dans la soufflerie, un hygromètre capacitif (Testo 174H, + 3%) et des thermocouples type T (1 mm diamètre, + 0.2°C précision) étaient placés à l‘intérieur de la veine. L‘évolution de la surface mouillée au cours de l‘évaporation était suivie par la prise d‘images avec une caméra et à l‘aide d‘un logiciel d‘analyse d‘image. La masse d‘eau sur la plaque était mesurée pendant l‘expérience à l‘aide d‘une balance (précision ± 0.001 g). La vitesse d‘air était mesurée sur une section de la soufflerie juste avant la plaque avec un anémomètre à fil chaud (TESTO 435-2, plage de valeurs 0-20 m.s-1 , ± 0.03 m.s1 précision). Le coefficient de transfert convectif sur la plaque était mesuré en utilisant un fluxmètre (Captec, largeur x hauteur x épaisseur: 4 cm x 4 cm x 450 µm).

Résultats de l‘étude numérique

Modélisation en régime quasi-statique

Les comparaisons des taux d‘évaporation expérimentaux et numériques ont montré que pour la première période d‘évaporation, l‘hypothèse d‘un régime quasi-statique était valide (écart relatif moyen entre les deux résultats de 7.8%). L‘avantage de ce modèle est de fournir une bonne estimation du taux d‘évaporation dans les conditions étudiées tout en utilisant un modèle simple. De plus, l‘évaporation de l‘eau sur une surface moins conductrice peut aussi être estimée avec ce modèle, ce qui n‘est pas le cas avec la corrélation empirique développée expérimentalement   valable pour une conduction supposée infinie.

Publication :
L‘étude expérimentale ainsi que ce modèle sont présentés en détails dans l‘article 2 «Study of the water evaporation rate on stainless steel plate in controlled conditions»: influence des conditions ambiantes (humidité relative, température, vitesse d‘air) et de la surface mouillée sur l‘évaporation de gouttes d‘eau déposées sur une plaque en inox : développement d‘un modèle empirique et numérique (Soumis à International Journal of Thermal Sciences le 12 Février 2016).

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Table des matières

1. CHAPITRE 1 : Introduction générale
1.1. Organisation de la thèse
1.2. Etude de l’évaporation d’une goutte d’eau dans une boîte ventilée (~0.001 m3)
1.2.1. Introduction
1.2.2. Matériels et méthodes
1.2.3. Résultats et perspectives
1.3. Etude de l’évaporation de plusieurs gouttes d’eau dans une soufflerie (~0.02m3)
1.3.1. Introduction
1.3.2. Matériels et méthodes
1.3.3. Résultats de l’étude expérimentale
1.3.4. Résultats de l’étude numérique
1.4. Etude de l’évaporation d’eau dans une cellule d’essai (~30 m3)
1.4.1. Introduction
1.4.2. Matériels et méthode
1.4.3. Résultats
1.5. Etude du séchage après nettoyage dans un atelier agro-alimentaire et de son influence sur
la prolifération bactérienne (~450 m3)
1.5.1. Introduction
1.5.2. Matériels et méthodes
1.5.3. Développement d’un modèle simplifié des échanges de chaleur et de masse
1.5.4. Etude expérimentale et numérique de l’impact sur le séchage de la mise en place d’un déshumidificateur dans un atelier
1.5.5. Couplage du modèle thermique et massique avec la microbiologie prévisionnelle
1.6. Valorisation des travaux de thèse
1.6.1. Articles dans des revues internationales
1.6.2. Article dans une revue technique
1.6.3. Conférences internationales
2. CHAPITRE 2 : Etude de l’évaporation d’une goutte d’eau dans une boîte ventilée
Article 1: Influence of air relative humidity on the evolution of a liquid droplet on a solid plate and relation with microbial destruction (soumis à Food Research International)
3. CHAPITRE 3 : Etude de l’évaporation de plusieurs gouttes d’eau dans une soufflerie
3.1. Article 2 : Study of the water evaporation rate on stainless steel plate in controlled conditions (Soumis à International Journal of Thermal Sciences)
3.2. Article 3 : Droplet evaporation on a solid surface exposed to forced convection: experiments, simulation and dimensional analysis (En préparation)
4. CHAPITRE 4 : Etude de l’évaporation d’eau dans une cellule d’essai
Article 4 : Study of the drying process of wetted surfaces in food processing like conditions (En preparation)
5. CHAPITRE 5 : Etude du séchage après nettoyage dans un atelier agro-alimentaire et de son influence sur la prolifération bactérienne
5.1. Article 5 : Simplified heat and mass transfer modeling in a food processing plant (Journal of Food Engineering, 171: 1-13)
5.2. Article 6 : Influence of air dehumidification on water evaporation in a food plant (Soumis à International Journal of Refrigeration)
5.3. Article 7 : Influence of the relative humidity on the water drying rate and on microbial growth and inactivation in a food processing plant: Numerical study (Soumis à Journal of Food Engineering)
6. CHAPITRE 6 : Conclusion

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