ÉPREUVE ÉCRITE D ADMISSIBILITÉ N 1

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1 CONCOURS DE RECRUTEMENT DE PROFESSEUR DE LYCEE PROFESSIONNEL AGRICOLE PLPA SESSION 2008 Concours : EXTERNE Section : Sciences et technologies des agroéquipements et des équipements des aménagements hydrauliques. Option A : Agroéquipements. ÉPREUVE ÉCRITE D ADMISSIBILITÉ N 1 Sciences et techniques des équipements et des machines (Coefficient : 3 - Durée : 4 heures) Matériel(s) et document(s) autorisés : Calculatrice Rappel : Au cours de l épreuve, la calculatrice est autorisée pour réaliser des opérations de calculs, ou bien élaborer une programmation, à partir des données fournies par le sujet. Tout autre usage est interdit. Certains équipements contribuent à l amélioration des conditions de travail de l éleveur et à la prise en compte des contraintes d hygiène et environnementales, facteurs qui sont des gages de viabilité et de durabilité des élevages laitiers. Dans ce contexte, les questions (qui peuvent être traitées de façon indépendante) portent sur l analyse des sous-systèmes suivants : - Machine à traire Question A : 6 points - Refroidissement du lait Question B : 12 points - Agitation du lait dans le tank Question C : 12 points - Gestion des effluents Question D : 10 points Les annexes sont à rendre avec la copie STAEAH-E-1SN 1/18

2 SUJET Question A Analyse du sous-système machine à traire A1. La machine à traire facilite la récolte du lait, elle est le cœur de l installation de traite mécanique. Transcrire sous la forme d un diagramme Pieuvre utilisé dans la méthode APTE (APplication aux Techniques d'entreprise) les fonctions de service de cette machine citées ci-après : - assurer les conditions optimales de la sécrétion lactée grâce à une bonne stimulation et à une adaptation de la machine à la physiologie de l animal. - assurer la vidange complète de la mamelle dans un temps ne dépassant pas celui de production de celle-ci (6 min environ, correspondant à la production de l ocytocine). - permettre le nettoyage facile des différents organes de la machine. - améliorer les conditions de travail de l utilisateur (limitation de la durée de la séance de traite) - assurer la sécurité de l utilisateur et de l animal. A2. L unité de traite, décrite sommairement dans le document 1 (1a et 1b), comprend un faisceau trayeur et un pulsateur. Elle est reliée au lactoduc et au circuit de vide. Ces circuits comprennent : une chambre de réception du lait ; une pompe à lait ; un vacuomètre ; un piège sanitaire ; un régulateur de vide ; une pompe à vide ; un intercepteur de vide et un pulsateur. Le document 2 représente de façon simplifiée le schéma de principe de ce sous-système. Le schéma de principe de l ensemble du système est fourni dans le document 3. A2.1 Nommer les composants du système repérés par les nombres de 1 à 6 sur le document 2. A2.2 La pression absolue déduite de la mesure au vacuomètre est de 52 kpa. Citer la fonction du vacuomètre. Calculer la pression relative lue au vacuomètre. Nota : Considérer que : - l accélération de la pesanteur est égale à 9,81 m.s -2, - la pression atmosphérique locale est égale à 760 mm Hg, - la masse volumique du mercure est égale à Kg.m -3. A2.3 Le fonctionnement du pulsateur est sommairement décrit dans le document 1 b. A2.31 Réaliser l analyse fonctionnelle du pulsateur en vous limitant à la représentation de l actigramme de niveau (A-0) de la méthode SADT. A2.32 Indiquer à quels éléments du sous-système de traite sont reliés les orifices repérés par les nombres 1, 2 et 3 dans le document 1 b. A2.33 Recopier et nommer la représentation normalisée utilisée dans le document 3 pour symboliser le pulsateur. Question B Analyse du sous-système refroidissement du lait Lors de la traite, le lait doit être refroidi rapidement, en général jusqu à 3 ou 4 C, pour permettre sa conservation. Le principe de refroidissement le plus courant, consiste à la mise en contact du lait avec l évaporateur du groupe froid contre la cuve à lait ou par immersion dans le lait (tank à lait à détente directe). Toutefois, nous nous intéresserons plus particulièrement aux tanks à réfrigération indirecte dits «à aspersion d eau glacée» ayant une température comprise entre 1 et 3 C. Ce sous-système de refroidissement est présenté sommairement dans le document 4 (4a et 4b). B1. Les mesures d un bureau d études mettent en évidence l intérêt économique de la technologie à réfrigération indirecte dite «à aspersion d eau glacée» pour un élevage laitier. Elles sont reportées dans le document 4a. B1.1 Montrer, en comparant les consommations journalières des deux technologies (à détente directe ou indirecte), que la différence de consommation électrique est faible dans le cas étudié. B1.2 Citer la (ou les) condition(s) qui permet(tent) de justifier l affirmation «le fonctionnement d un tank «à aspersion d eau glacée» génère des économies financières substantielles pour l éleveur». STAEAH-E-1SN 2/18

3 B2. Les tanks sont associés à des machines frigorifiques à compression. Représenter et légender le schéma normalisé d une machine frigorifique à compression. Décrire brièvement son fonctionnement. B3. La production et l utilisation des CFC et des HCFC sont réglementées au niveau européen (règlement CE n 2037/2000). Ces fluides sont amenés à disparaître dans les installations frigorifiques et sont remplacés par des HFC (ex : R134 A) B3.1 Expliciter les abréviations CFC et HFC. B3.2 Citer deux raisons justifiant cette suppression. B3.3 Le cycle du moteur frigorifique correspondant au sous-système de refroidissement est donné dans l annexe A B3.31 Identifier les différentes parties de ce cycle. B3.32 Entourer sur le cycle tracé sur l annexe A, les points permettant de déterminer la puissance frigorifique fournie par l évaporateur. Déterminer cette puissance. Nota : Considérer que le débit massique du fluide frigorigène est égal à 0,122 kg.s -1. B3.33 Choisir, dans la gamme proposée dans le document 4b, la capacité frigorifique du tank approprié. En déduire l'efficacité énergétique (COP froid : COefficient de Performance en froid) de l ensemble du sous-système «refroidissement du lait» retenu. B4. Lors du fonctionnement du tank à lait, une quantité de chaleur importante est produite au niveau du condenseur. Elle est évacuée le plus souvent par circulation d air. Il est intéressant de récupérer une partie de cette chaleur pour le préchauffage de l eau de lavage de la machine à traire et du tank, le réchauffage de l eau des abreuvoirs, ou comme appoint pour le chauffage de locaux (à basse température). B4.1 Citer les numéros des composants du document 3 qui récupèrent de l énergie. B4.2 Expliquer le fonctionnement d un de ces éléments. B5. Pour maintenir une température homogène de 4 C afin d éviter le risque de cryoscopie, l agitateur du tank à lait fonctionne en respectant les consignes suivantes : - si la température est supérieure à 14 C : le lait est agité pendant 4 min à la vitesse V 1. Un temps de repos de 28 min suit cette agitation ; - si la température est inférieure ou égale à 14 C : le lait est agité pendant 2 min à la vitesse V 2. Un temps de repos de 13 min suit cette agitation. Toutefois, au début de la première traite, la quantité de lait dans le tank n est pas suffisante pour toucher les pâles de l agitateur. Pour pallier à cet inconvénient, le démarrage de l agitateur est retardé de 20 min dès que la température est supérieure à 14 C. L arrêt du cycle d agitation est effectué par le déclenchement du cycle de lavage du tank réalisé par le laitier (organisme collecteur). La fin du cycle de lavage s effectue par une mise hors tension du système. B5.1 Expliciter le terme GRAFCET. B5.2 Ecrire le GRAFCET permettant de décrire le fonctionnement de l agitateur du point de vue de la partie opérative. Question C Analyse du sous-système agitation du lait dans le tank L étude porte sur l ensemble «agitateur du tank à lait». L hélice suspendue par un arbre cylindrique creux est entraînée par un moteur électrique équipé d un réducteur (motoréducteur). C1. Le métal utilisé pour la construction de l agitateur (et du tank) est : X 5 Cr Ni selon la norme NF EN C1.1 Désigner ce matériau par son nom usuel. C1.2 Citer les différents alliages qui composent ce matériau. Préciser leur pourcentage en masse. C1.3 Citer les principales caractéristiques de ce matériau qui justifient son usage dans le sous-système agitation du lait dans le tank. STAEAH-E-1SN 3/18

4 C2. Le motoréducteur représenté sur le document 5 est accouplé à un réducteur dont le rapport de réduction de 1/90. Il est équipé d un moteur électrique asynchrone d une puissance de 0,75 kw dont rendement est de 0,8. Lorsque ce moteur est alimenté par un réseau électrique V 50 Hz, la vitesse de sortie est de 32 tours par minute. C2.1 Représenter la chaîne cinématique normalisée de ce réducteur. C2.2 Proposer une démarche permettant de vérifier que le rapport de réduction est bien 1/90. Nota : Ne pas recalculer le rapport de réduction. C2.3 Calculer le moment du couple appliqué sur l arbre de l hélice. En déduire l intensité des forces appliquées sur l hélice. Nota : considérer que : - le centre de poussée des pales de l hélice se situe au 2/3 du diamètre de l hélice, - le diamètre de l hélice est de 750 mm. C3. L arbre de l agitateur est un tube circulaire soumis à une torsion simple. Données : Désignation Valeurs Moment de torsion 150 Nm Module de torsion transversal 73 GPa Résistance pratique au cisaillement 10 da N/mm 2 Ordre de grandeur du rapport des diamètres intérieur (d) et d 0,8 D extérieur (D) de l arbre creux d entraînement de l hélice À toutes fins utiles, on rappelle les relations suivantes (unités non fournies) : t M avec 0 : Contrainte en torsion 0 = I t 0 M : Moment de torsion V I 0 : Module de torsion V 4 4 ( D d ) I0 = avec I 0 : moment d inertie (moment quadratique polaire) 32 C3.1 Représenter sur votre copie la répartition de contraintes de torsion sur la section du tube. C3.2 Choisir dans le tableau ci-dessous le tube adapté. Justifiez votre choix. Source : Chevalier, Guide du dessinateur, Hachette, 2004 Tableau 1 : Tubes de précision soudés longitudinalement C4. Une variante de montage de l arbre de sortie du motoréducteur de l agitateur est proposée en annexe B. La modification du type de roulements et de leur montage a induit un changement de la flasque F et des bâtis fixes A et B. C4.1 Réaliser, sur votre copie, le schéma normalisé de ce montage. C4.2 Désigner le type de roulements utilisés. Nommer le type de montage utilisé. C4.3 Nommer et justifier la fonction de la pièce P 1. C4.4 Proposer une autre solution d étanchéité sur la partie inférieure du mécanisme. Représenter celle-ci sur la flasque F du dessin de l annexe B. STAEAH-E-1SN 4/18

5 C4.5 Dessiner, sur l annexe B, l assemblage de la flasque F sur le bâti B avec une vis CHc M dans la direction xx C4.6 Désigner les caractéristiques des ajustements Ad et AD (Cf annexe B). Justifiez votre réponse. C4.7 Citer un avantage et un inconvénient de cette variante par rapport à celle proposée par le constructeur dans le document 5. Question D Analyse du sous-système gestion des effluents Pour faciliter, voire automatiser, la gestion des effluents d élevage, l'hydrocurage (ou chasse d'eau ) est une solution efficace. Elle se substitue de plus en plus au raclage classique qui use le béton, dérange les animaux et consomme plus d énergie. Le document 6 représente de façon simplifiée ce type de circuit d hydrocurage. Ce sous-système est constitué d une réserve d eau (réservoir de re-circulation R 1, volume : 15 m 3 ) équipé d une vanne motorisée permettant de lâcher 2 à 3 fois par jour le volume stocké. En ruisselant sur l aire d exercice, l eau entraîne les excréments vers la fosse de collecte (préfosse R 2 ). Un séparateur mécanique permet de séparer les phases. La phase solide est évacuée vers la fumière. La phase liquide est refoulée vers une fosse R 3. À partir de cette fosse R 3, une électropompe P permet de retourner le liquide traité vers le réservoir de re-circulation. L exploitant peut faire fonctionner l hydrocurage en circuit fermé (recyclage) mais a la possibilité d épandre le liquide traité ou de s en servir pour irriguer. Ce sous-système est relié à un réseau électrique V. Les caractéristiques du fonctionnement hydraulique du circuit de recyclage ont été établies à l aide d un logiciel professionnel à partir des données et des hypothèses suivantes : - la conduite de refoulement a une longueur égale à 100 m et son diamètre intérieur est de 65 mm ; - la cote du plan d aspiration de l électropompe P est 340,00 m NGF (Niveau Général Français) ; - la cote de déversement de la conduite de recyclage est 350,00 m NGF ; - les pertes dues aux différentes pièces de robinetterie et raccords sont estimées par la formule: 2 U Avec j S : perte de charge singulières en mce ; j S = 40 U : vitesse moyenne m.s g - les pertes de charge linéaires ont été calculées à l aide de la formule de Lechapt et Calmon : j L = 1,1 L Q 1,89 D -5,01 Avec j L : perte de charge linéaire en mce ; L : longueur de la conduite en km ; Q : débit en m 3.s -1 ; D : diamètre intérieur en m. - le liquide refoulé a des caractéristiques hydrauliques similaires à celles de l eau. D1 Les résultats du logiciel professionnel et les caractéristiques de l électropompe (pompe et moteur) sont fournis dans le document 7. D1.1 En vous référant au document 7 Expliciter l abréviation HMT. Nommer et différencier les termes «Puissance1» et «Puissance 2». Nommer les courbes repérées par les lettres A, B et C. D1.2 Vérifier le point de fonctionnement de la pompe. Détailler vos calculs de HMT. D1.3 Citer un dispositif permettant d arrêter la pompe P lorsque le réservoir R 1 est plein. D1.4 Citer le type de clapet à utiliser sur la conduite de refoulement lorsque l on pompe des liquides légèrement chargés. D1.5 Déterminer la valeur de réglage du dispositif de protection thermique du moteur électrique entraînant la pompe. D1.6 Calculer l intensité en ligne lorsque la pompe débite 20,1 m 3.h -1. STAEAH-E-1SN 5/18

6 D2 Pour permettre un lâcher rapide de l eau contenue dans la réserve R 1 dans la tuyère de largage située en haut de l aire d exercice, on utilise une vanne papillon motorisée dont l ouverture se fait en un quart de tour. Le fonctionnement de la vanne motorisée est le suivant : un appui sur le bouton poussoir S1 commande l ouverture de la vanne par l alimentation de la bobine du contacteur KM1, un appui sur le bouton poussoir S2 commande la fermeture par l alimentation de la bobine du contacteur KM2 qui permet l inversion du sens de rotation. L arrêt peut être assuré par le bouton poussoir S3 à tout moment du cycle ou par le capteur de fin de course d ouverture S5, ou par le capteur de fin de course de fermeture S6. Le relais thermique F1 permet de protéger le moteur. Une lampe H1 signale un défaut moteur. D2.1 Citer la fonction des composants : Q1 ; Q3 et F1. D2.2 Compléter les circuits électriques (puissance et commande) ébauchés dans l annexe C. D2.3 Citer les 2 dispositifs utilisés pour interdire l alimentation et le fonctionnement des 2 contacteurs KM1 et KM2 en cas d appui simultané sur les boutons poussoirs S1 et S2. STAEAH-E-1SN 6/18

7 Document 1 a L unité de traite D après les documents : Institut Babcock ; consulté le 02/05/07 - G.A. Garland ;MAAR Ontario ; (consulté le 02/05/07 - BP N 125 ; Matériel de traite ; 1978 De manière similaire à un veau pour extraire le lait de la mamelle, le sous-système unité de traite génère une alternance de la pression exercée sur le trayon (extrémité du pis) afin de permettre l alternance des phases de traite et de massage (Cf document 1 b). Il est composé d un faisceau trayeur et d un pulsateur Faisceau trayeur Griffe à lait Pis Phase de massage Phase de traite Trayon Gobelet Manchon Chambre de pulsation à la pression atmosphérique Chambre de pulsation sous Vide Raccordement au pulsateur Air Distributeur Lait Raccordement au lactoduc Principe de fonctionnement du faisceau trayeur STAEAH-E-1SN 7/18

8 Document 1 b L unité de traite (suite) 52 kpa Phase de traite Phase de massage Succion Pression Atmosphérique Cycle de pulsation Variation de pression Temps Alternance des phases de traite et de massage La variation de la pression est générée par le pulsateur qui agit simplement comme une valve qui s ouvre ou se ferme alternativement. Le schéma de principe ci-dessous est celui d un pulsateur électrique. solénoïde D après document de l Institut de l Elevage Schéma de principe d un pulsateur électrique STAEAH-E-1SN 8/18

9 Document 2 Schéma de principe du sous-système de traite D après document BP N 125 ; Matériel de traite ; Piège sanitaire 4 5 Vacuomètre 6 Faisceau trayeur STAEAH-E-1SN 9/18

10 Document 3 Schéma de principe d une installation de traite 20 Sorties PC Entrées DT T T Début traite (DT) Identité (I) Calendrier Temporisation (T) Q) Débit (Q) Electroconductivité (EC) Q Câble EC EC C Eau 65 C 28 C Résistance C 1 52 kpa 3 Nota : Composant 6 non repéré Tous les composants ne sont pas normalisés 7 17 C 4 C 9 10 Tank à lait Réserve Abreuvoir C Réseau d eau potable Lait Eau 3 5 Pompe à lait I 8 Abreuvoir STAEAH-E-1SN 10/18

11 Document 4 a Sous-système de refroidissement du lait D après les documents :! " «Maîtrise de la demande d électricité, Catalogue des outils et techniques de MDE en réseaux ruraux» Dans les tanks «à aspersion d eau glacée», le refroidissement du lait est effectué par l intermédiaire d une réserve d eau glacée. Ce type de matériel est représenté de façon simplifiée ci-dessous. Moteur électrique avec réducteur Pompe à eau glacée Agitateur Rampes d aspersion d eau glacée Évaporateur Source : Packo Nota : Le groupe frigorifique n est pas représenté Représentation simplifiée d un tank «à aspersion d eau glacée» Par rapport aux tanks à détente directe, les puissances installées des tanks à lait à aspersion d eau glacée sont généralement moindres ( 20%), par contre la consommation s en trouve augmentée ( 20%). La répartition journalière est bien différente (Voir figure ci-dessous) Pourtant le fonctionnement d un tank «à aspersion d eau glacée» génère des économies financières substantielles pour l éleveur. Puissance active (W) Légende : Répartition journalière (h) Tank à détente directe Tank à eau glacée Source : Élevage de 70 vaches en Maine & Loire -mesures Fr2e STAEAH-E-1SN 11/18

12 Document 4 b Caractéristiques du sous-système de refroidissement du lait D après les documents :#"$%$& STAEAH-E-1SN 12/18

13 Document 5 Motoréducteur D après document SIREM. B A F Échelle non fournie Agitateur STAEAH-E-1SN 13/18

14 Document 6 Caractéristiques du sous-système de gestion des effluents D après document de l Institut de l Elevage : Automatisation de la gestion des effluents d élevage, mars Schémas de principe Vue de dessus Vanne motorisée Réservoir de re-circulation R 1 Aire d exercice Phase solide Tuyère Préfosse R 2 Phase liquide Pompe P Fosse R 3 Conduite de recyclage : - diamètre intérieur = 65 mm - longueur = 100 m Séparateur mécanique Nota : l électropompe permettant l épandage ou l irrigation n est pas représentée. Vue en coupe STAEAH-E-1SN 14/18

15 Document 7 Caractéristiques hydrotechniques du sous-système de gestion des effluents D après le logiciel GRUNFOS WinCAPS B A Caractéristiques du moteur électrique C Résultat du logiciel au point de fonctionnement Débit : 20,1 m 3.h -1 HMT : 21,1 m CE Puissance 1 : 2,65 kw Puissance 2 : 1,96 kw Rendement hydraulique : 58,6 % Rendement total : 43,4 % (pompe+moteur) STAEAH-E-1SN 15/18

16 MINISTERE DE L AGRICULTURE CONCOURS : Nom : Section : (EN MAJUSCULES) Spécialité ou Option : Prénoms : EPREUVE : N ne rien inscrire Date de naissance : 19 Centre d épreuve : Date : ANNEXE A Cycle du moteur du sous-système de refroidissement (à compléter et à rendre avec la copie) N ne rien inscrire STAEAH-E-1SN 16/18

17 MINISTERE DE L AGRICULTURE CONCOURS : Nom : Section : (EN MAJUSCULES) Spécialité ou Option : Prénoms : EPREUVE : N ne rien inscrire Date de naissance : 19 Centre d épreuve : Date : ANNEXE B (à compléter et à rendre avec la copie) N ne rien inscrire Variante de montage de l arbre de sortie du motoréducteur Échelle 1 : 1 AD Ad B Autres engrenages (non représentés) F A x x P 1 STAEAH-E-1SN 17/18

18 MINISTERE DE L AGRICULTURE CONCOURS : Nom : Section : (EN MAJUSCULES) Spécialité ou Option : Prénoms : EPREUVE : N ne rien inscrire Date de naissance : 19 Centre d épreuve : Date : ANNEXE C Schéma électrique (à compléter et à rendre avec la copie) N ne rien inscrire STAEAH-E-1SN 18/18