Valoriser la "chaleur fatale" des centres de stockage de données, bac général 2021.

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a "chaleur fatale" ou chaleur perdue est la chaleur produite par un site de production industriel alors qu'elle n'en constitue pas l'objectif. La valorisation de cette chaleur est envisagée pour le chauffage urbain.
La "chaleur fatale" issue des centres de stockage de données est estimé à 490 GWh par an en Ile de France.
Le fluide technique 3M Novec 7500  est un fluide ininflammable utilisé dans les applications de transfert de chaleur.
Pour un logement moyen ( 70 m2), on peut estimer la consommation d'énergie pour l'eau chaude à environ 10 MWh par an.
1. Déterminer le nombre de logements moyens qui pourraient être chauffés sur une année si toute la chaleur fatale des centres de stockage de données d'Ile de France était valorisée. Commenter.
490 103 / 10 =4,9 103 soit une ville de près de 150 000 habitants.
Il faudra transférer cette chaleur fatale des salles informatiques vers le circuit de chauffage urbain à l'aide d'un ou plusieurs échangeurs thermiques. le fluide caloporteur d'un tel échangeur permet d'évacuer la chaleur produite lors du fonctionnement du centre de stockage de données. Trois schémas différents des transferts d'énergie qui s'effectuent dans ce système sont proposés :

2. En supposant que les flèches représentent le sens réel des transferts d'énergie, sélectionner la schématisation appropriée en justifiant.
Le centre de stockage de données reçoit de l'énergie électrique. Celle-ci est en partie convertie en énergie thermique qui doit être transférée au fluide caloporteur. Schéma 1.
3. Indiquer en justifiant le signe du transfert thermique lorsque le centre de données est pris comme système thermodynamique d'étude.
Le centre de données cède de l'énergie thermique au fluide caloporteur. Ce transfert thermique est compté négativement.

Le centre de données reçoit une puissance électrique P. Cette énergie électrique est supposée totalement convertie en chaleur. Le fluide caloporteur travers le centre de stockage de données avec un débit volumique Dv et permet le maintien à une valeur constante de la température des machines évacuant la chaleur produite.
Te : température du fluide à l'entrée du centre ; Ts :
température du fluide à la sortie du centre.

4. Identifier l'unique proposition correcte pour chacune des trois affirmations suivantes. Justifier.
4.1. Par rapport à la température Te, la température Ts est :
supérieure, vrai ; égale ; inférieure.
Le fluide reçoit de l'énergie et sa température croît.
4.2. Avec Te et P constants, si le débit Dv augmente, alors la température Ts :
augmente ; reste constante ; diminue, vrai.
Si le débit Dv augmente, la masse de fluide par unité de temps croît ; la chaleur reçue par le fluide et la température initiale Te étant constantes, la température Ts diminue.
4.3. Avec Te et Dv constants, si lapuissance électrique P augmente, alors la température Ts :
augmente, vrai ; reste constante ; diminue.
Si P augmente, la puissance thermique à évaquée croît ; la  température initiale Te et le débit étant constants, la température Ts augmente.
5. On fixe une durée de référence tref.
5.1. Déterminer la masse m de fluide caloporteur qui entre ou sort de l'installation pendant cette durée en fonction de Dv, r et tref.
Volume = débit fois durée ; masse = volume x masse volumique.
m = Dv tref r.
5.2. En appliquant le premier principe de la thermodynamique au système " centre de stockage de données" pour la durée tref, déterminer l'expression du transfert thermique reçu par le fluide caloporteur pendant cette durée.
Energie reçue par le système : P tref.
Energie cédée par le système : m c (Ts-Te) =
Dv tref r c (Ts-Te)
Conservation de l'énergie : P=  Dv  r c (Ts-Te).
5.3. On peut établir l'expression suivante : Ts = Te+ P / (
Dv  r c)
 avec c la capacité thermique massique du fluide. Commenter cette expression en étudiant l'influence des différents paramètres sur la valeur de Ts.
Ts augmente si Te croît à débit et P constants.
Ts augmente si P croît à Te et débit constants.
Ts augmente si Dv diminue à Te et P constants.
On considère : Te = 10°C ; Ts = 50°C ; Deau =150 L /s ; DNovec =345 L /s.
5.4. Calculer le débit volumique si le fluide est de l'air. Commenter.
Ts = Te+ P / ( Dair  r c) ; rair = 1,29 kg m-3 ; cair = 1,01 103 J kg-1 K-1.
Dair =P /
( rair cair (Ts-Te)).
Deau =P / ( reau ceau (Ts-Te)).
Dair / Deau = reau ceau  / ( rair cair ).
Dair  =Deau reau ceau  / ( rair cair ) =150 x 1000 x4,18 103 /(1,29 x1,01 103) ~4,8 105 L /s.
Le débit de l'air est bien trop important. Ce fluide ne peut pas convenir.
6. Identifier pour chacun des trois fluides caloporteurs ses avantages et ses inconvénients d'utilisation dans la perspective d'un chauffage urbain.
L'air n'est pas à retenir, le débit est trop grand.
L'eau peut geler et ne peut pas être utilisée en contact direct pour le refroidissement par immersion.
Le Novec est le plus approprié : il est ininflammable, compatible avec la plupart des composants électroniques et peut être utilisé par contact direct pour le refroidissement par immersion.

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