Partie spécifique - Partie B (Choix 2) : Optimisa… · Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable Métropole remplacement - ITEC 2021

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.