Partie 4 - Puissance et dosage · Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable Métropole remplacement - AC 2021

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 ?

Détermination de la puissance de chauffe nécessaire

La chaudière produit de la chaleur pour réchauffer l'eau qui circule dans les tuyaux jusqu'aux appareils de chauffage de l'habitation (radiateurs, plancher chauffant...).

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, à l'aide du document DT7 ci-dessous.

°C

On définit la relation de 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 $\rho = 1000\ kg \cdot m^{-3}$, capacité thermique C = 4185 $J \cdot kg^{-1} \cdot °C^{-1}$.

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. Voir DT3 () pour la contenance en eau de la chaudière.

J

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.

W

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

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

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.

g

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

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 (DT8).

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.

g

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 λréf = 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.

g

m³

4.9

Déduire le débit d'air correspondant (en m³·h⁻¹) et vérifier la capacité du moto-ventilateur à fournir ce débit (voir DT3,).

m³/h