Microwave heating and heat transfer in multiphase media

Microwave technology is a process which knows many applications within food process industry. However this process is still badly known because of complex interactions between the microwaves and the matter. Within the framework of this numerical and experimental thesis, the study focuses on the microwave thawing process of a model product, the tylose gel. The heat generation due to microwaves is modelled by using the numerical resolution of the Maxwell's equations via a finite element method. The simulated temperatures are compared with experimental measurements and semi analytical solutions available in the literature. First of all, the frozen phase (low dielectric) and the defrosted phase (high dielectric) are studied separately. The results highlight the resonance phenomena with variable locations of the hot spots within the frozen product. The influence of the dielectric properties is also highlighted by using a reverse technique intended for their estimation. In the defrosted phase, the numerical and semi analytical solutions are in good agreement with the experimental data. The study is then extended to the microwave thawing process. The model sensitivity is characterised with the temperature dependent dielectric properties during the phase transition. Lastly, several recommendations are proposed for predictive control of temperature profiles during the microwave heating process.; La technologie micro-onde est un procédé qui connaît de nombreuses applications en industrie agroalimentaire. Toutefois ce procédé reste encore mal maîtrisé en raison de complexes interactions entre les micro-ondes et la matière. Dans le cadre de cette thèse à la fois numérique et expérimentale, on s’intéresse au procédé de décongélation micro-onde d’un produit modèle, la tylose. La génération de chaleur par micro-ondes est modélisée à partir de la résolution numérique des équations de Maxwell par l’intermédiaire de la méthode des éléments finis. Les températures simulées sont comparées à des mesures expérimentales et à des solutions semi analytiques disponibles dans la littérature. Tout d’abord, les phases congelée (faible diélectrique) et décongelée (fort diélectrique) sont traitées séparément. Les résultats mettent en relief les phénomènes de résonance avec une localisation variable des points chauds au sein du produit congelé. L’influence des propriétés diélectriques est aussi mise en évidence avec l’utilisation d’une méthode inverse destinée à l’estimation de ces paramètres. En phase décongelée, les solutions numérique et semi analytiques sont en accord avec les données expérimentales. L’étude est ensuite étendue au procédé de décongélation par micro-ondes. La sensibilité du modèle est caractérisée avec des propriétés diélectriques fortement dépendantes de la température au cours du changement de phase. Enfin, plusieurs recommandations sont proposées en perspective d’étude dans un objectif de commande prédictive de la température au cours du procédé de traitement par microondes.