Sujet du Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable 2021 · Métropole remplacement - Innovation Technologique et Eco-conception (ITEC)

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l'épuisement des ressources d'énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L'étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d'avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l'industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes…), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d'utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d'un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l'eau d'un circuit de chauffage central d'un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l'aide d'une télécommande: il suffit d'allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s'arrête automatiquement lorsqu'il n'y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d'utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d'éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d'évacuer l'air, mais piège les poussières à l'intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d'aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Aspiration granulés

Stockage journalier

Vis de dosage

Vis de sécurité

Chambre de combustion

Échangeur air-eau

Ventilateur d'extraction fumées

Conduite d'évacuation des fumées

Sonde lambda

Vis de décendrage

Bac à cendres

Tableau de commande

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d'un échangeur thermique air-eau (6). L'eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l'aspiration des fumées augmente l'apport d'air dans la chambre de combustion.

Partie 1: le chauffage au bois permet-il de réduire les émissions de gaz à effet de serre ?

L'objectif de cette partie est de comparer l'impact environnemental des émissions de gaz à effet de serre des différentes énergies utilisées dans les chauffages domestiques.

Document technique DT1: émissions de gaz à effet de serre et de particules (feuillet 1/2)

Gaz à effet de serre

La combustion de la biomasse est généralement considérée comme neutre en termes d'émission de gaz à effet de serre du fait notamment que le gaz carbonique émis sera ensuite à nouveau recyclé lors de la croissance des végétaux, ce qui est le cas en France et en Europe où la forêt s'accroît régulièrement.

Le système énergétique global, « de la pépinière à la cendre », consomme en revanche des énergies fossiles et émet des gaz à effet de serre lors de l'extraction du combustible, de son conditionnement et de son transport.

Les émissions de gaz à effet de serre de la filière bois-énergie ont été estimées selon la méthode de l'analyse de cycle de vie. Celle-ci consiste à quantifier les émissions de ces gaz pour l'ensemble des activités concernées (extraction du combustible, distribution, utilisation finale chez l'usager...) qui sont liées à la production d'un MW·h utile de chaleur chez l'usager (ADEME).

Le chauffage des foyers français: répartition des énergies utilisées en %

Gaz

Électricité

Fioul

Bois

Autres

GPL bouteilles

Répartition en %

28,6

35,1

15,4

17,3

2,5

1,1

Question 1.1

Indiquer quel combustible émet le plus de gaz à effet de serre en $kg_{\text{équivalent } CO_2}/\text{MW}\cdot\text{h utile}$.

Question 1.2

Indiquer l'énergie la plus utilisée pour le chauffage des foyers français.

Question 1.3

Recopier et compléter le tableau ci-dessous. Indiquer l'énergie qui émet le plus de gaz à effet de serre pour le chauffage des foyers français en $kg_{\text{équivalent } CO_2}/\text{MW}\cdot\text{h utile}$.

Gaz

Électricité

Fioul

Bois

(en moyenne)

Part des émissions de gaz à effet de serre en $kg_{\text{équivalent } CO_2}/\text{MW}\cdot\text{h}$

0,286 × 222 = 63,5

Question 1.4

En déduire par quelle énergie il faut remplacer le fioul pour limiter les émissions de gaz à effet de serre.

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l'épuisement des ressources d'énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L'étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d'avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l'industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes…), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d'utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d'un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l'eau d'un circuit de chauffage central d'un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l'aide d'une télécommande: il suffit d'allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s'arrête automatiquement lorsqu'il n'y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d'utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d'éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d'évacuer l'air, mais piège les poussières à l'intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d'aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Aspiration granulés

Stockage journalier

Vis de dosage

Vis de sécurité

Chambre de combustion

Échangeur air-eau

Ventilateur d'extraction fumées

Conduite d'évacuation des fumées

Sonde lambda

Vis de décendrage

Bac à cendres

Tableau de commande

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d'un échangeur thermique air-eau (6). L'eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l'aspiration des fumées augmente l'apport d'air dans la chambre de combustion.

Partie 2: quel est l'impact du chauffage au bois sur les émissions de particules fines ?

L'objectif de cette partie est de comparer les différentes solutions de chauffage au bois (à foyer ouvert et à granulés).

Dans les questions qui suivent, on s'intéresse aux émissions de particules fines en Île de France en 2010.

Document Technique DT1: Émissions de gaz à effet de serre et de particules (feuillet 1/2)

Émissions des particules fines PM10

La combustion du bois provoque l'émanation dans l'air de particules polluantes, comme pour les véhicules diesel.

Le danger vient de leur finesse: plus elles sont fines, plus elles pénètrent dans le système respiratoire.

Ces particules dites « fines » de type PM10 (particules de diamètre inférieur à 10 micromètres) sont considérées comme dangereuses avec des répercussions néfastes sur la santé, puisqu'elles comportent des métaux lourds et des hydrocarbures cancérigènes, équivalent à un tabagisme passif. Sur les humains, les risques sont augmentés pour:

accidents cardiaques;

cancers du poumon;

cancers des sinus de la face;

accidents vasculaires cérébraux.

Question 2.1

Expliquer pourquoi les particules PM10 sont dangereuses pour les humains (indiquer les risques pour la santé).

Document Technique DT1: Émissions de gaz à effet de serre et de particules (feuillet 2/2)

Pour le secteur résidentiel (Île de France en 2010)

Les PM10 proviennent à 80 % des ménages (secteur résidentiel) utilisant un combustible bois.

Selon la DRIEE (direction régionale et interdépartementale de l'environnement et de l'énergie), les appareils à foyer ouvert (exemple sur la photo ci-contre):

représentent 50 % des émissions de PM dues au chauffage au bois;

émettent huit fois plus de particules qu'un foyer fermé avec un insert à granulés.

Question 2.2

Calculer le pourcentage des émissions totales de PM10 liées à la combustion de bois par les ménages et le comparer avec celui du trafic routier.

%

Question 2.3

Calculer le pourcentage des émissions totales de PM10 liées à la combustion de bois de chauffage pour les ménages équipés de cheminées à foyer ouvert.

%

Question 2.4

Évaluer les conséquences du remplacement des appareils à foyer ouvert par un chauffage aux granulés sur le pourcentage des émissions totales de PM10. Conclure sur l'intérêt d'un chauffage bois aux granulés.

%

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l'épuisement des ressources d'énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L'étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d'avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l'industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes…), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d'utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d'un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l'eau d'un circuit de chauffage central d'un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l'aide d'une télécommande: il suffit d'allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s'arrête automatiquement lorsqu'il n'y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d'utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d'éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d'évacuer l'air, mais piège les poussières à l'intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d'aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Aspiration granulés

Stockage journalier

Vis de dosage

Vis de sécurité

Chambre de combustion

Échangeur air-eau

Ventilateur d'extraction fumées

Conduite d'évacuation des fumées

Sonde lambda

Vis de décendrage

Bac à cendres

Tableau de commande

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d'un échangeur thermique air-eau (6). L'eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l'aspiration des fumées augmente l'apport d'air dans la chambre de combustion.

Partie 3: comment évaluer la consommation annuelle en granulés ?

L'objectif de cette partie est d'évaluer la consommation annuelle de granulés et de choisir le silo. L'habitation à équiper est actuellement chauffée au fioul domestique avec une chaudière très ancienne.

Le tableau du DT2 indique la quantité d'énergie thermique dégagée par la combustion de différents types d'énergie.

DT2: comparatif des types d'énergie

Définition du pouvoir calorifique inférieur (PCi): c'est la quantité moyenne d'énergie thermique dégagée par la combustion d'une unité de produit.

Type d'énergie

PCi en kWh

1 litre de fioul domestique

9,97

1 kg de gaz propane

12,66

1 kg de gaz butane

12,56

1 kg de charbon

8,889

1 stère de bûches de bois

1680

1 tonne de granulés de bois

4600

1 tonne de plaquettes bois

2200

Question 3.1

Relever le pouvoir calorifique inférieur (PCi) du fioul et des granulés de bois en précisant bien l'unité de produit correspondante.

La consommation actuelle de fioul domestique est de 1380 L par an.

Question 3.2

Calculer la quantité d'énergie thermique $E_T$ (en kWh) produite par l'ancienne chaudière, dont le rendement est de 75 %.

DT3: caractéristiques de la chaudière Euroclima 32

DT4: caractéristiques de la vis de dosage 2 et des granulés (extrait)

Masse volumique des granulés: 600 kg·m⁻³

Question 3.3

Relever la valeur du rendement à charge partielle de la nouvelle chaudière à granulés.

%

Calculer la masse de granulés à stocker (en kg) pour alimenter la chaudière pendant une saison de chauffe afin de produire la même quantité d'énergie thermique $E_T$.

DT5: silo ECO200P

Article

Longueur (cm)

Largeur (cm)

Hauteur (cm)

Volume (m³)

Tonnage (t)

ECO200P

200

200

180-230

3,2-4,6

2,1-3,1

Question 3.4

Calculer le volume de granulés à stocker (en m³) pour alimenter la chaudière pendant une saison de chauffe.

Justifier le choix du silo proposé sur le document DT5.

DT6: production et consommation de granulés de bois en France

Question 3.5

Déterminer graphiquement ces deux valeurs pour l'année 2019.

Expliquer l'écart entre ces deux valeurs (production et consommation).

La consommation annuelle moyenne de granulés pour un foyer est de 2,5 tonnes.

Question 3.6

Déterminer le nombre de foyers qui auraient pu se chauffer avec des granulés produits en France en 2019.

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l'épuisement des ressources d'énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L'étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d'avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l'industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes…), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d'utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d'un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l'eau d'un circuit de chauffage central d'un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l'aide d'une télécommande: il suffit d'allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s'arrête automatiquement lorsqu'il n'y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d'utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d'éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d'évacuer l'air, mais piège les poussières à l'intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d'aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Aspiration granulés

Stockage journalier

Vis de dosage

Vis de sécurité

Chambre de combustion

Échangeur air-eau

Ventilateur d'extraction fumées

Conduite d'évacuation des fumées

Sonde lambda

Vis de décendrage

Bac à cendres

Tableau de commande

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d'un échangeur thermique air-eau (6). L'eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l'aspiration des fumées augmente l'apport d'air dans la chambre de combustion.

Question 3.7

Expliquer pourquoi la chaudière à granulés est une solution d'avenir dans le cadre du développement durable (économie, social et environnement) en se basant sur l'ensemble des questions précédentes (parties 1 à 3).

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l'épuisement des ressources d'énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L'étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d'avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l'industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes…), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d'utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d'un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l'eau d'un circuit de chauffage central d'un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l'aide d'une télécommande: il suffit d'allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s'arrête automatiquement lorsqu'il n'y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d'utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d'éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d'évacuer l'air, mais piège les poussières à l'intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d'aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Aspiration granulés

Stockage journalier

Vis de dosage

Vis de sécurité

Chambre de combustion

Échangeur air-eau

Ventilateur d'extraction fumées

Conduite d'évacuation des fumées

Sonde lambda

Vis de décendrage

Bac à cendres

Tableau de commande

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d'un échangeur thermique air-eau (6). L'eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l'aspiration des fumées augmente l'apport d'air dans la chambre de combustion.

Partie 4: comment optimiser le fonctionnement de la chaudière ?

Afin de devenir une solution s'inscrivant dans une démarche de développement durable et respectueuse de la santé, le fonctionnement de la chaudière à granulés doit être optimisé. Afin d'obtenir le rendement maximum, il convient notamment de veiller à ce que la combustion des granulés soit complète. Ceci permettra d'une part de réduire la consommation de combustible, d'autre part de diminuer les rejets: émissions polluantes ($CO_2$, $NO_x$,...) et cendres.

L'objectif de cette partie est de répondre à la problématique: comment déterminer, pour un point de fonctionnement donné, l'ajustement optimal du mélange air / combustible solide afin que la combustion soit complète ?

Question 4.1: Sur le diagramme de blocs internes du DR1 ci-dessous, identifier les flux suivants:

flux d'information: concernant la température

flux de matière: concernant les granulés

flux d'énergie

Sélectionnez pour chacune des liaisons repérées ci-dessous la nature du flux correspondant:

1.

2.

3.

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l'épuisement des ressources d'énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L'étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d'avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l'industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes…), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d'utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d'un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l'eau d'un circuit de chauffage central d'un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l'aide d'une télécommande: il suffit d'allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s'arrête automatiquement lorsqu'il n'y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d'utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d'éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d'évacuer l'air, mais piège les poussières à l'intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d'aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Aspiration granulés

Stockage journalier

Vis de dosage

Vis de sécurité

Chambre de combustion

Échangeur air-eau

Ventilateur d'extraction fumées

Conduite d'évacuation des fumées

Sonde lambda

Vis de décendrage

Bac à cendres

Tableau de commande

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d'un échangeur thermique air-eau (6). L'eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l'aspiration des fumées augmente l'apport d'air dans la chambre de combustion.

Partie 4: comment optimiser le fonctionnement de la chaudière ?

Détermination de la puissance de chauffe nécessaire

Le graphe de programmation horaire définit les consignes de température intérieure (Consigne θint) de la maison au cours de la journée.

Au point de fonctionnement étudié (juste avant 5 h du matin), la situation thermique est la suivante:

4.2

Déterminer graphiquement la température eau départ chauffage θedc qui permettra d'obtenir la température confort dans l'habitation (arrondir à la valeur entière supérieure) après 5 heures du matin.

On définit la quantité de chaleur Q [J] nécessaire pour élever la température d'un corps de masse m [kg] et de capacité thermique massique C [J·kg⁻¹·°C⁻¹], de la température initiale θi [°C] à la température finale θf [°C] par: $Q = m \cdot C \cdot (\theta_f - \theta_i)$.

Eau: masse volumique ρ = 1000 kg·m⁻³, capacité thermique C = 4185 J·kg⁻¹·°C⁻¹.

4.3

Calculer la quantité de chaleur $Q_E$ (en J) que devra fournir la chaudière afin d'obtenir la température « eau départ chauffage » désirée en sachant que la température « eau retour chauffage » est de 23°C. (Il y a 90 L d'eau dans la chaudière - DT3)

4.4

Calculer la puissance de chauffe nécessaire $P_c$ (en W) pour une montée en température de la chaudière jusqu'à θedc en 10 minutes.

Pour fournir la puissance de chauffe nécessaire Pc, la carte gestion chaudière va devoir déterminer les quantités optimales de granulés et d'air.

Détermination de la quantité optimale de granulés par cycle

DT4: masse volumique des granulés = 600 kg·m⁻³. Volume utile disponible pour contenir les granulés: V = 125 000 mm³ par tour de vis.

4.5

Convertir la masse volumique des granulés en g·mm⁻³ et en déduire la masse maximale de granulés (en g) qui peuvent être amenés pour un tour de la vis de dosage.

Le moteur est commandé de façon discontinue pour effectuer des cycles d'alimentation d'une durée de 20 s.

DT8: Motoréducteur pour Poêle à Granulés – Alimentation 220VCA, Vitesse: 3 rpm, Tôles feuilletées: 32 mm, Diamètre arbre: 8,5 mm.

4.6

Calculer le nombre de tours effectués par la vis pour un cycle d'alimentation en vous aidant de la documentation technique du motoréducteur.

4.7

Calculer la masse totale de granulés, pour un temps de chauffe de 10 minutes, lorsque le débit moyen de granulés est de 0,7 g·s⁻¹. En déduire le nombre de cycles d'alimentation électrique du moteur.

Détermination du volume optimal d'air par cycle

Il faut m = 75 g de granulés par cycle de 20 s pour produire une puissance de chauffe de 13 kW. Le rendement maximum de la chaudière est obtenu en ajustant de façon optimale le mélange air-granulés pour que la combustion soit complète. Un capteur appelé sonde lambda (λ) contrôle le pourcentage d'oxygène imbrûlé dans les fumées.

4.8

Relever sur le DT9, le rapport A/G (masse Air / masse Granulés) pour la valeur de référence $\lambda_{réf} = 1{,}3$. Calculer la masse d'air puis le volume d'air nécessaire à l'obtention de la combustion complète (pour un cycle de 20 s) sachant que la masse volumique de l'air est de ρ = 1,204 kg·m⁻³.

4.9

Déduire le débit d'air correspondant (en m³·h⁻¹) et vérifier la capacité du moto-ventilateur à fournir ce débit.

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l'épuisement des ressources d'énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L'étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d'avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l'industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes…), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d'utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d'un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l'eau d'un circuit de chauffage central d'un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l'aide d'une télécommande: il suffit d'allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s'arrête automatiquement lorsqu'il n'y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d'utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d'éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d'évacuer l'air, mais piège les poussières à l'intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d'aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Aspiration granulés

Stockage journalier

Vis de dosage

Vis de sécurité

Chambre de combustion

Échangeur air-eau

Ventilateur d'extraction fumées

Conduite d'évacuation des fumées

Sonde lambda

Vis de décendrage

Bac à cendres

Tableau de commande

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d'un échangeur thermique air-eau (6). L'eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l'aspiration des fumées augmente l'apport d'air dans la chambre de combustion.

En réalité, au cours du cycle d'approvisionnement en granulés, la valeur de $\lambda$ varie. Si l'on souhaite conserver le mélange air - granulés optimum, il est nécessaire de mettre en œuvre une régulation automatique. Ceci est réalisé par la carte gestion chaudière dont la chaîne d'information et d'action de la partie étudiée est la suivante:

Volume d'air de fumées extrait = volume d'air frais entrant dans la chaudière.

DT9: richesse d'un mélange combustible-comburant

Question 4.10

Relever les valeurs limites $\lambda_{\text{mini}}$ et $\lambda_{\text{maxi}}$ pour rester dans la zone idéale.

Question 4.11

Compléter, sur le DR2, l'algorigramme de traitement des informations du microcontrôleur de sorte que la vitesse de rotation du moto-ventilateur s'adapte automatiquement pour fournir le volume d'air optimal.

Conditions des deux blocs de test de l'algorigramme:

Mise en situation

L'installation d'une chaudière à granulés répond aux attentes en ce qui concerne la réduction de l'usage de combustibles issus de ressources non renouvelables (gaz, fioul). Cependant cette technologie sera plébiscitée si elle n'amène pas de contraintes supplémentaires lors du fonctionnement.

C'est pourquoi la société Euroclima, qui commercialise ces chaudières, souhaite procurer à ses clients une installation technique permettant:

une autonomie annuelle en besoin de granulés (Partie A);

une sureté de fonctionnement de l'alimentation en granulés (Partie B);

une automatisation de l'alimentation en granulés de la chaudière (Partie C).

Travail demandé

PARTIE A - CHOIX 1: Comment adapter le stockage des granulés ?

La société EUROCLIMA souhaite proposer à ses clients une solution complète incluant la fonction « stockage des granulés ».

Les particuliers investissant dans une chaudière à granulés n'ont souvent pas prévu la zone de stockage du combustible. Une solution consiste à installer un silo de stockage dans le local choisi.

Silo de stockage installé dans un local, raccordé à la chaudière à granulés

Le système de stockage (DTS3) est constitué d'une structure porteuse démontable, pour être transportée puis assemblée dans le local, et d'une poche textile souple pour contenir la réserve de granulés.

La structure (cadre + pieds) est entièrement réalisée à partir de profilés carrés creux de section 80 x 80 x épaisseur 4 (figure ci-contre)

Section carrée creuse du profilé: 80 mm x 80 mm, épaisseur 4 mm

Elle est constituée d'un cadre supérieur de 2,20 m de côté, soutenu par un piétement de 4 barres.

La hauteur de la structure (sans la poche textile) fait 2 m.

Pour les besoins de chauffage de l'habitat à équiper, on estime la consommation annuelle utile de granulés à 5 000 L, qui correspond à une masse de granulés M = 3 000 kg.

La société EUROCLIMA souhaite proposer à ses clients une solution complète incluant la fonction « stockage des granulés ». Le système de stockage (DTS3) est constitué d'une structure porteuse démontable et d'une poche textile souple pour contenir la réserve de granulés.

La structure (cadre + pieds) est entièrement réalisée à partir de profilés carrés creux de section 80 x 80 x épaisseur 4:

Elle est constituée d'un cadre supérieur de 2,20 m de côté, soutenu par un piétement de 4 barres. La hauteur de la structure (sans la poche textile) fait 2 m. Pour les besoins de chauffage de l'habitat à équiper, on estime la consommation annuelle utile de granulés à 5 000 L, ce qui correspond à une masse de granulés M = 3 000 kg.

DTS1: Caractéristiques des granulés bois

DTS2: Silo textile pour stockage des granulés de bois

DTS3: Solutions proposées par le bureau d'études

A.1

Relever les dimensions minimales (surface au sol et hauteur) que devra avoir la zone d'installation du silo complet (avec structure).

A.2

Justifier le paramétrage par la charge linéique q représentée ci-contre sur la structure. Déterminer la valeur de la charge linéique q (en N·m⁻¹).

A.3

Dans le cas du modèle 1:

Hypothèse: la charge totale se répartit également sur les 4 pieds. Déterminer les efforts appliqués sur chacun des 4 pieds. Préciser la sollicitation subie par chaque pied.

A.4

Dans le cas du modèle 1:

Calculer la contrainte dans un pied. On rappelle que les pieds de la structure sont constitués de profilés creux de section 80 x 80 x épaisseur 4.

DTS4: Résultats des simulations - Modèle 1

A.5

Dans le cas du modèle 1:

Les liaisons entre les différents éléments de la structure (cadre et pieds) sont des encastrements rigides (voir schéma ci-dessous). La simulation présentée en DTS4 fait apparaitre une flexion des pieds. Expliquer en quoi la nature des liaisons induit ce phénomène (il peut être utile de faire un schéma).

A.6

Dans le cas du modèle 1:

Expliquer ce qui peut se produire si un effort latéral accidentel est appliqué en haut de la structure.

Dans le cas du modèle 2:

Expliquer en quoi le modèle 2 apporte une solution à ce problème.

La structure est constituée de profilés en S235 de limite élastique Re = 235 MPa.

DTS5: Résultats des simulations - Modèle 2 (Contraintes)

A.7

Dans le cas du modèle 2:

En vous aidant des valeurs des contraintes affichées sur la simulation (DTS5), vérifier la résistance de la structure.

A.8

Conclure sur l'intérêt du modèle 2.

Mise en situation

L'installation d'une chaudière à granulés répond aux attentes en ce qui concerne la réduction de l'usage de combustibles issus de ressources non renouvelables (gaz, fioul). Cependant cette technologie sera plébiscitée si elle n'amène pas de contraintes supplémentaires lors du fonctionnement.

C'est pourquoi la société Euroclima, qui commercialise ces chaudières, souhaite procurer à ses clients une installation technique permettant:

une autonomie annuelle en besoin de granulés (Partie A);

une sureté de fonctionnement de l'alimentation en granulés (Partie B);

une automatisation de l'alimentation en granulés de la chaudière (Partie C).

Travail demandé

PARTIE A - CHOIX 1: Comment adapter le stockage des granulés ?

La société EUROCLIMA souhaite proposer à ses clients une solution complète incluant la fonction « stockage des granulés ».

Les particuliers investissant dans une chaudière à granulés n'ont souvent pas prévu la zone de stockage du combustible. Une solution consiste à installer un silo de stockage dans le local choisi.

Silo de stockage installé dans un local, raccordé à la chaudière à granulés

Le système de stockage (DTS3) est constitué d'une structure porteuse démontable, pour être transportée puis assemblée dans le local, et d'une poche textile souple pour contenir la réserve de granulés.

La structure (cadre + pieds) est entièrement réalisée à partir de profilés carrés creux de section 80 x 80 x épaisseur 4 (figure ci-contre)

Section carrée creuse du profilé: 80 mm x 80 mm, épaisseur 4 mm

Elle est constituée d'un cadre supérieur de 2,20 m de côté, soutenu par un piétement de 4 barres.

La hauteur de la structure (sans la poche textile) fait 2 m.

Pour les besoins de chauffage de l'habitat à équiper, on estime la consommation annuelle utile de granulés à 5 000 L, qui correspond à une masse de granulés M = 3 000 kg.

PARTIE B – CHOIX 2: Comment optimiser l'alimentation en granulés ?

Le rendement thermique d'une chaudière à granulés est garanti si l'alimentation en granulés est optimale. Dans le cas contraire, un manque de combustible entraîne la baisse de la température dans la chambre à combustion et réduit les performances de la chaudière. Une cause de défaillance est le bourrage des granulés lors de leur cheminement.

Le système d'alimentation doit pallier le risque de retour de flamme lors du fonctionnement de la chaudière. Pour cela une écluse anti-retour de flamme à sas rotatif est ajoutée (DTS6).

L'ensemble est mis en rotation par un seul motoréducteur entraînant le pignon moteur (20) à la vitesse maxi $N_{20\text{ Maxi}} = 1{,}5\text{ tr}\cdot\text{min}^{-1}$.

Les granulés sont dosés par la vis sans fin (3), puis transportés et déversés dans le sas rotatif (13). Celui-ci dépose les granulés sur la vis de sécurité (4), qui les emmène jusqu'à la chambre de combustion.

Question B.1

Le DTS6 précise le sens de rotation de la roue (23). Justifier le choix de ce sens de rotation.

Question B.2

Sur le DRS1 ci-dessous, représenter par des flèches les sens de rotation des roues (20), (21), (22) ainsi que le sens de déplacement de la chaîne (24).

Question B.3

À l'aide des documents DTS6 et DTS7, justifier le choix d'installer une chaîne au lieu d'une courroie.

Transmission

Avantages

Inconvénients

Températures de fonctionnement

Courroie plate

Vitesses importantes, Silencieuse

Glissement possible, Couples faibles, Réglage de la tension

Moyenne

Courroie synchrone

Synchrone - Silencieuse, Vitesses importantes

L'entraxe doit être réglable

Courroie trapézoïdale

Faible glissement, Vitesses moyennes

L'entraxe doit être réglable

Chaînes

Durée de vie importante, Couples importants

Bruyante, Mise en place d'un système de tension

Importantes

Question B.4

Calculer successivement les vitesses de rotation de la vis de dosage (3), du sas rotatif (13), et de la vis de sécurité (4).

Rappel: $r = \frac{Z_{\text{Moteur}}}{Z_{\text{Récepteur}}} = \frac{N_{\text{Récepteur}}}{N_{\text{Moteur}}}$

Élément · Nombre de dents

Pignon (20) · $Z_{20} = 13$ dents

Roue (21) · $Z_{21} = 20$ dents

Roue (22) · $Z_{22} = 28$ dents

Roue (23) · $Z_{23} = 28$ dents

Question B.5

Le sas rotatif (13) comporte 8 logements (chambres) permettant de recevoir et déverser les granulés d'une vis sans fin à l'autre. Le débit de chaque vis est précisé sur le DTS6. L'ensemble est entraîné à vitesse constante par le motoréducteur.

Calculer les débits (en $\text{mm}^3\cdot\text{min}^{-1}$) de granulés transportés par les vis (3) et (4), ainsi que par le sas (13). Justifier ce principe de transport des granulés au regard des risques de bourrage des granulés.

Système

Pas

Débit Maxi ($\text{mm}^3\cdot\text{tr}^{-1}$)

Vis de dosage · À droite · 125 000

Vis de sécurité · À droite · 250 000

Sas rotatif · X · 150 000

Question B.6

À l'aide du DTS6, expliquer en quoi le sas rotatif pallie au risque de retour de flamme.

Question B.7

La vis de sécurité permet d'alimenter directement la chambre de combustion en granulés. Son extrémité est alors soumise à des températures de fonctionnement pouvant avoisiner les $600\text{ }^\circ\text{C}$. Une solution de fabrication consiste à préformer l'hélice puis à l'assembler par soudage sur un axe pré-usiné.

À l'aide du DTS8, choisir un type de matériau pour la fabrication de la vis de sécurité, justifier ce choix.

Question B.8

Conclure sur la validité des différents choix effectués pour respecter les contraintes de l'alimentation en granulés.

Mise en situation

L'installation d'une chaudière à granulés répond aux attentes en ce qui concerne la réduction de l'usage de combustibles issus de ressources non renouvelables (gaz, fioul). Cependant cette technologie sera plébiscitée si elle n'amène pas de contraintes supplémentaires lors du fonctionnement.

C'est pourquoi la société Euroclima, qui commercialise ces chaudières, souhaite procurer à ses clients une installation technique permettant:

une autonomie annuelle en besoin de granulés (Partie A);

une sureté de fonctionnement de l'alimentation en granulés (Partie B);

une automatisation de l'alimentation en granulés de la chaudière (Partie C).

Travail demandé

PARTIE A - CHOIX 1: Comment adapter le stockage des granulés ?

La société EUROCLIMA souhaite proposer à ses clients une solution complète incluant la fonction « stockage des granulés ».

Les particuliers investissant dans une chaudière à granulés n'ont souvent pas prévu la zone de stockage du combustible. Une solution consiste à installer un silo de stockage dans le local choisi.

Silo de stockage installé dans un local, raccordé à la chaudière à granulés

Le système de stockage (DTS3) est constitué d'une structure porteuse démontable, pour être transportée puis assemblée dans le local, et d'une poche textile souple pour contenir la réserve de granulés.

La structure (cadre + pieds) est entièrement réalisée à partir de profilés carrés creux de section 80 x 80 x épaisseur 4 (figure ci-contre)

Section carrée creuse du profilé: 80 mm x 80 mm, épaisseur 4 mm

Elle est constituée d'un cadre supérieur de 2,20 m de côté, soutenu par un piétement de 4 barres.

La hauteur de la structure (sans la poche textile) fait 2 m.

Pour les besoins de chauffage de l'habitat à équiper, on estime la consommation annuelle utile de granulés à 5 000 L, qui correspond à une masse de granulés M = 3 000 kg.

PARTIE C: Comment assurer l'alimentation en granulés de façon autonome ?

La réduction des opérations de manutention des granulés est un critère de confort lors du fonctionnement de la chaudière.

La solution retenue consiste à installer un convoyeur à vis sans fin et tube flexible présenté ci-dessous et sur le document DTS9.

Un motoréducteur électrique entraîne la vis sans fin insérée dans le tube de convoyage pour acheminer les granulés du silo à la chaudière.

Contraintes géométriques imposées par le lieu d'installation:

distance chaudière – axe du silo: d = 4 m;

fixation du convoyeur sous le silo: l'axe du tube flexible est à une hauteur h = 300 mm de la surface du sol;

positionnement de la sortie du tube du convoyeur au-dessus de la chaudière: H = 2 200 mm.

Question C.1

À partir des dimensions précédentes, reporter ces valeurs sur le document DRS2 (ci-dessous).

Question C.2

En vous aidant de la présentation du convoyeur sur le document DTS9 et des caractéristiques des granulés sur le document DTS1, vérifier que la densité des granulés est compatible avec les caractéristiques de ce type de convoyeur.

Le convoyeur de référence MA40 présenté sur le DTS9 fonctionne correctement si son rayon de courbure $R$ et l'angle $\alpha$ respectent les valeurs limites imposées par le constructeur. Lors de la mise en place du convoyeur, on positionne l'ensemble tel que R = 800 mm et α = 45°.

Question C.3

Sur le document DRS2, tracer l'axe du tube du convoyeur entre son point de départ D et son point d'arrivée A. Reporter les valeurs $R$ et $\alpha$ sur le DRS2.

Question C.4

En vous aidant des tracés effectués précédemment sur le DRS2, déterminer la longueur approchée du tube du convoyeur à installer.

Mise en situation

L'installation d'une chaudière à granulés répond aux attentes en ce qui concerne la réduction de l'usage de combustibles issus de ressources non renouvelables (gaz, fioul). Cependant cette technologie sera plébiscitée si elle n'amène pas de contraintes supplémentaires lors du fonctionnement.

C'est pourquoi la société Euroclima, qui commercialise ces chaudières, souhaite procurer à ses clients une installation technique permettant:

une autonomie annuelle en besoin de granulés (Partie A);

une sureté de fonctionnement de l'alimentation en granulés (Partie B);

une automatisation de l'alimentation en granulés de la chaudière (Partie C).

Travail demandé

PARTIE A - CHOIX 1: Comment adapter le stockage des granulés ?

La société EUROCLIMA souhaite proposer à ses clients une solution complète incluant la fonction « stockage des granulés ».

Les particuliers investissant dans une chaudière à granulés n'ont souvent pas prévu la zone de stockage du combustible. Une solution consiste à installer un silo de stockage dans le local choisi.

Silo de stockage installé dans un local, raccordé à la chaudière à granulés

Le système de stockage (DTS3) est constitué d'une structure porteuse démontable, pour être transportée puis assemblée dans le local, et d'une poche textile souple pour contenir la réserve de granulés.

La structure (cadre + pieds) est entièrement réalisée à partir de profilés carrés creux de section 80 x 80 x épaisseur 4 (figure ci-contre)

Section carrée creuse du profilé: 80 mm x 80 mm, épaisseur 4 mm

Elle est constituée d'un cadre supérieur de 2,20 m de côté, soutenu par un piétement de 4 barres.

La hauteur de la structure (sans la poche textile) fait 2 m.

Pour les besoins de chauffage de l'habitat à équiper, on estime la consommation annuelle utile de granulés à 5 000 L, qui correspond à une masse de granulés M = 3 000 kg.

PARTIE D: Synthèse

Question D.1

En vous aidant des résultats obtenus dans les différentes parties, conclure sur la validité des différentes solutions mises en œuvre.