Coupling crystallization-foaming within a scraped surface heat exchanger during sorbet production | Couplage cristallisation-foisonnement au sein d’un échangeur de chaleur à surface raclée lors de la production de sorbet

English. During sorbet production, a crucial step is the initial freezing in a scraped surface heat exchanger (SSHE), whose main goals is to generate small ice crystals (by crystallization) and air bubbles (by foaming) to obtain a product with a smooth texture. The crystallization-foaming coupling undertake diverse interactions which lead to a modification of the product in terms of flow, mixing, phase change, heat transfers and rheology, which in turn, can affect the crystallization mechanisms and therefore the size distributions.The objective of this thesis is to provide a better knowledge of the mechanisms involved during crystallization and simultaneous foaming in an SSHE and their impact on the structural and textural properties of the final product. This thesis made possible a better understanding the phenomena induced by the foaming on the crystallization processes during the manufacture of sorbet in an SSHE, thanks to a combined approach of experimentation and modeling.The study of the influence of the operating conditions of the freezing process on the size distributions of ice crystals and air bubbles was carried out through the development of a discriminatory granulometry technique using a refrigerated glove box. It demonstrated the strong coupling between the mechanisms of crystallization and foaming.The overall characterization of the flows within the SSHE was made through an experimental and numerical study of the residence time distribution (RTD) during the simultaneous process of crystallization and foaming. In particular, the RTD revealed the presence of an almost stagnant air pocket inside the heat exchanger.A 3D digital flow model was developed to study the thermal transfer flow coupling in the absence of air. It made it possible to highlight recirculation zones which can influence the transfers and the dynamics of air bubble formation.Another model based on local air bubble fragmentation mechanisms has been developed using a CFD approach. It allows, as a first approach, to identify the zones of formation of the first air bubbles and to predict the order of magnitude of the size of the largest air bubbles.

French. Lors de la fabrication de sorbet, une étape cruciale est la congélation initiale dans un échangeur de chaleur à surface raclée (ECSR), où l’on cherche à générer des petits cristaux de glace (par cristallisation) et des bulles d'air (par foisonnement) afin d’obtenir un produit avec une texture lisse. Le couplage cristallisation-foisonnement met en œuvre diverses interactions qui entrainent une modification du produit en termes d’écoulement, de mélange, de changement de phase, de transferts thermiques et de rhéologie, pouvant affecter les mécanismes de cristallisation et donc les distributions de tailles.L’objectif de ce travail de thèse est d’apporter une meilleure connaissance des mécanismes mis en jeu lors de la cristallisation et du foisonnement simultané dans un ECSR et de leur incidence sur les propriétés structurales et texturales du produit final. Cette thèse a permis de mieux appréhender les phénomènes induits par le foisonnement sur les processus de cristallisation lors de la fabrication de sorbet dans un ECSR, grâce à une approche combinée d’expérimentations et de modélisation.L’étude de l'influence des conditions opératoires du procédé de congélation sur les distributions des tailles de cristaux de glace et de bulles d’air a été réalisée à travers la mise au point d’une technique de granulométrie discriminatoire à l’aide d’une boîte à gants réfrigérée. Elle a mis en évidence le fort couplage entre les mécanismes de cristallisation et de foisonnement.La caractérisation globale des écoulements au sein de l’ECSR s’est faite grâce à une étude expérimentale et numérique de la distribution des temps de séjour (DTS) pendant le processus simultané de cristallisation et de foisonnement. La DTS a notamment révélée la présence d'une poche d'air quasi- stagnante à l'intérieur de l'échangeur.Un modèle numérique d’écoulement en 3D a été développé pour étudier le couplage écoulement transfert thermique en absence d’air. Il a permis de mettre en évidence des zones de recirculation qui peuvent influer sur les transferts et la dynamique de formation des bulles d’air.Un autre modèle basé sur les mécanismes locaux de fragmentation des bulles d’air a été développé grâce à une approche CFD. Il permet, en première approche, d’identifier les zones de formation des premières bulles d’air et de prédire l’ordre de grandeur de la taille des bulles d’air les plus larges.