PAC, chauffre - eau solaire, Bts FED 2017.

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A.  Installation et équipements électriques

L’alimentation électrique générale du lycée est caractérisée par une puissance apparente de 240 kVA.

I. En France, l’alimentation en énergie varie en fonction de la puissance souscrite.
·         Lorsque la puissance n’excède pas 250 kVA, le client est directement alimenté par le réseau de distribution public BT 230/400V. Les ouvrages sont appelés ouvrages de 1ère catégorie.

·         Lorsque la puissance supérieures à 250 kVA, le client est alimenté par une alimentation triphasée HTA sans neutre dite de 2ème catégorie, comprise entre 5 kV et 33 kV (généralement 20 kV).

1.   Citer le type de réseau choisi.

Réseau triphasé BT 230 /  400 V.

2.   Préciser la valeur de la tension composée. 400 V.

3.   Citer les avantages et l’inconvénient de l’abonnement en triphasé.

Avantages : distribution sur de longues distances, puissances élevées.

Inconvénient : risque de déséquilibrage.

II.  Le schéma électrique de l’installation est donné.


1.   Reproduire le tableau donné ci-dessous et indiquer la valeur efficace des tensions d’alimentation des différents groupes.
Groupes
 1
 2
 3
Tension d'alimentation ( V) 230
entre une phase et le neutre
 400
entre deux phases
 230
entre une phase et le neutre

2.  Indiquer le rôle du système technique T1 du groupe 2 en précisant les valeurs efficaces des tensions en entrée et en sortie.

Transformateur abaisseur de tension. Entrée 400 V ; sortie 24 V.

3.   Préciser le rôle du système technique T2 du groupe 3.

Redresseur : conversion alternatif - continu.

II.    Un groupe 4 de type motopompe est connecté au réseau.

Le schéma et la plaque signalétique sont donnés.


1.   Indiquer le type de moteur utilisé.

Moteur alternatif triphasé

2.   Calculer la puissance électrique Pélec absorbée par le moteur.

Pu / rendement = 0,37 / 0,74 = 0,50 kW.


B.  Systèmes d’appoint et/ou de secours à la production d’eau chaude par pompe à chaleur, PAC.

Une chaudière à condensation est prévue en appoint voire en secours pour la production d’eau chaude en cas de basses températures ou de défaillance de la PAC.

Un schéma descriptif du fonctionnement d’une chaudière à condensation est donné ci-dessous.


Lors de la mise en marche de la chaudière à condensation, le circuit d’eau est réchauffé par le brûleur de gaz naturel. La combustion du gaz émet des fumées à haute température qui seront valorisées lors du processus de condensation. Ces fumées sont constituées essentiellement de diazote N2, de dioxyde de carbone CO2 et d’eau H2O.

Dans le cas d’une chaudière classique, les fumées sont rejetées dans l’atmosphère.

On s’intéresse à la combustion d’une masse de 1 kg de méthane. Elle produit les quantités suivantes :
  2,25 kg d’eau,  2,75 kg de dioxyde de carbone,  0,875 kg de diazote.

En sortie du corps de chauffe, ces produits sont à l’état gazeux à une température qc de 170 °C.

Après refroidissement, ces produits sont à une température qf de 45 °C.

Chaleur latente de vaporisation de l’eau : Lv = 2,26.103 kJ∙kg-1 Chaleur massique de la vapeur d’eau : cvap eau = 2,01 J∙kg-1∙K-1 Chaleur massique de l’eau liquide : ceau liq = 4,20 kJ∙kg-1∙K-1

Chaleur massique du dioxyde de carbone CO2 et du diazote N2 : c = 1,05 kJ∙kg-1∙K-1

 I.  Condensation de la vapeur d’eau

Calculer l’énergie Q1 reçue par le circuit de chauffage grâce à la condensation de la vapeur d’eau à la température constante 100°C.

Q1 = 2,25 x2,26 103 = 5,085 106 ~5,1 106 kJ.

I.    Refroidissement des produits

1.    Calculer l’énergie Q2 reçue par le circuit de chauffage grâce au refroidissement  du diazote de 170°C à 45°C.

Q2 = 0,875 x1,05 (170-45)=114,84 ~115 kJ.

2.    Calculer l’énergie Q3 reçue par le circuit de chauffage grâce au refroidissement  de la vapeur d’eau de 170°C à 100°C.

Q3 = 2,25 x2,01 (170-100)=316,57 ~317 kJ.

3.    Calculer l’énergie Q4 reçue par le circuit de chauffage grâce au refroidissement  de l’eau liquide de 100°C à 45°C.

Q4 = 2,25 x4,2 (100-45)=519,75 ~520 kJ.

L’énergie Q5 reçue par le circuit de chauffage grâce au refroidissement du dioxyde de carbone est égale à 361 kJ.

II.    Intérêt de la chaudière à condensation

À partir des résultats précédents, expliquer pourquoi cette chaudière est appelée « à condensation » et non « à récupération de chaleur »
Q1 est très supérieure à Q2 +Q3 +Q4 +Q5.


C.  Chauffe-eau solaire pour les logements individuels

Le chauffe-eau solaire, dont le schéma est représenté ci-dessous, est constitué d’un ensemble de 10 capteurs solaires de surface 2,00 m2 chacun.



Le liquide du circuit primaire qui est exposé au rayonnement solaire est de l’eau glycolée (mélange d’eau et de monopropylène glycol).

I.  Mise en service du circuit primaire

Le technicien procède à la mise en service. La capacité d’un capteur solaire est de 2,90 L. L’ensemble de la tuyauterie a une capacité de 15 L.

1.    Les températures extrêmes sur le site peuvent être de l’ordre de -13°C.

À partir du diagramme , donner le pourcentage de monopropylène glycol à utiliser.

1.    À la suite d’une erreur de livraison, le technicien dispose de 5 bidons de contenance unitaire égale à 10,0 L à 60 % dans lesquels la proportion de monopropylène glycol vaut 60 %.
 Proposer la procédure de remplissage de l’ensemble des capteurs et déterminer le nombre de bidons à utiliser
 Volume d'eau glycolée à 30 % : 10 x 2,9 +15 = 44 L
A 22 L d'eau glycolée à 60 % ajouter 22 L d'eau. On utilisera un peu plus de 2 bidons.
II.  Élévation de température de l’eau du ballon.
L’ADEME (Agence De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie) donne pour un capteur solaire dans le sud de la France une énergie moyenne de rayonnement de1,80 kW∙h∙m-2∙jour-1.
Le rendement énergétique du capteur solaire est de 70,0 %. Le ballon a une contenance de 500 L.

La chaleur massique de l’eau liquide Ceau liq est égale à 4,20 kJ∙kg-1∙K-1. La masse volumique de l’eau est de 1000 kg.m-3.
1.   Montrer que l’énergie E fournie à l’eau du ballon par les capteurs solaires en une journée est égale à 90,7 MJ.
E =2,00 x1,80  x0,70=2,52 kWh = 2,52 x3600 kJ=9072 kJ =90,7 MJ.

2.   En déduire la valeur de l’élévation de température de l’eau ΔTmax durant une journée si on n’utilise pas d’eau chaude sanitaire.

DTmax = E / (m ceau liq) = 90,7 103 / (500 x4,2)=43,2 °C.

3.    Après plusieurs jours de fort ensoleillement sans soutirage, indiquer le risque encouru par l’installation.

La température de l'eau va croître jusqu'à l'ébullition. On risque de détériorer le circuit.

 

D.  Nettoyage du ballon d’eau chaude

Au bout de trois années pendant lesquelles le chauffe-eau a fonctionné, la température de l’eau chaude sanitaire fournie par le ballon a beaucoup baissé.

I.   Sachant que l’établissement scolaire est situé dans l’Hérault ( eau extrèmement dure ), proposer une explication du dysfonctionnement.
L'eau étant très dure, des minéraux se sont déposés sur le ballon.

II.  Le ballon étant en acier inoxydable, on utilise de l’acide chlorhydrique de pH égal à 1 pour le nettoyer.

La réaction chimique entre l’acide chlorhydrique (H3O++Cl-) et le calcaire CaCO3 est précisée ci-dessous :

CaCO3(s) + 2H3O+(aq) + 2Cl-(aq) → Ca2+(aq) + CO2(g) +3H2O + 2Cl-(aq)

1.    Déterminer le volume V d’acide chlorhydrique nécessaire pour éliminer une masse de 1,0 kg de calcaire.

On pourra commencer par déterminer le nombre de moles de calcaire nCaCO3 contenu dans un kilogramme de calcaire et en déduire le nombre de moles d’ions H3O+ nécessaires, nH3O+.

M(CaCO3) = 40 +12 +3 x16 =100 g / mol.

nCaCO3 =1000 / 100 = 10 mol.

nacide = 2 nCaCO3 = 20 mol.

Volume d'acide :  n acide / concentration de l'acide = 20 /0,1 = 200 L.

2.   Le volume obtenu étant relativement important, préciser si ce nettoyage est réaliste. Proposer une autre solution.

Utliser une solution acide plus concentrée.

Utiliser un adoucisseur d'eau en amont.


  

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