Partie 4 - Questions 4.2 à 4.9 : Bilan énergétiqu… · Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable Métropole remplacement - ITEC 2021

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.