Comment fonctionne un chauffe-eau solaire?

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1 Thème 1 : Confort dans l habitat Activité Le chauffage dans l habitat Comment fonctionne un chauffe-eau solaire? Quels sont tous les transferts thermiques qui permettent de produire de l eau chaude (ou chauffer une maison) à partir de l énergie solaire? DOC1 : Les transferts thermiques L existence d une différence de température entre deux systèmes, ou au sein d un système, induit un transfert spontané d énergie de la partie chaude vers la partie froide. On parle de transfert thermique. Lorsque les deux systèmes sont à la même température, le transfert thermique cesse : on est alors à l équilibre thermique. Remarque : Les transferts thermiques sont la plupart du temps irréversibles : le système ne peut pas spontanément revenir à son état initial. Par exemple, le mélange d un verre d eau chaude avec un verre d eau froide donne de l eau tiède. Une fois le mélange effectué, il est impossible d obtenir l eau chaude et l eau froide à partir de ce verre d eau tiède. Les transferts thermiques peuvent s effectuer sous trois formes : le transfert par conduction, le transfert par convection, et le transfert par rayonnement

2 Activité 11 DOC2 : Le transfert thermique par conduction Le transfert thermique par conduction se produit essentiellement dans les solides. Les entités chimiques constituant un solide (molécules ou atomes) s agitent en permanence autour d une position d équilibre. Plus la température est élevée, plus les entités s agitent et vibrent autour de leur position. Leurs vibrations entraînent la vibration des entités voisines. La chaleur se transmet ainsi de proche en proche, sans transport de matière. DOC3 : Le transfert thermique par convection La convection résulte d un transfert thermique par mise en mouvement de la matière. Cela concerne les fluides (liquides et gaz). La convection s observe quand on fait bouillir de l eau dans une casserole. L eau, chauffée par le fond de l ustensile, se dilate : les molécules ayant une agitation plus élevée, sont alors plus éloignées les unes des autres et l eau a un volume qui augmente. L eau chaude devenant plus légère que l eau froide, remonte en surface où elle va progressivement céder sa chaleur. En parallèle, l eau plus froide en surface va descendre en longeant les parois latérales. Une fois au fond, elle est chauffée, et remonte. Il en résulte un déplacement collectif des molécules d eau, effectuant ces mouvements de convection. De même, dans une pièce, l air chauffé au contact d un radiateur s élève (on sait qu il fait plus chaud en haut d une pièce qu au niveau du sol!), et est remplacé par de l air froid Au contraire de la conduction, il y a un déplacement macroscopique de la matière lors de la convection. DOC4 : Le transfert thermique par rayonnement Tous les corps chauds émettent des rayonnements électromagnétiques : lumière visible ou invisible (IR). Cette lumière transporte de l énergie qui peut permettre de chauffer. Le soleil comme une table à induction cède de la chaleur par rayonnement. Lors d un transfert thermique par rayonnement, l absorption ou l émission d onde électromagnétique modifie l agitation thermique. Ce mode de transfert s effectue même dans le vide.

3 DOC5 : Le chauffe-eau solaire Activité 11 Un chauffe-eau solaire se compose d un capteur solaire thermique (1) Le rayonnement solaire traverse la vitre. Dans le caisson du panneau solaire, une surface absorbante capte l'infrarouge du rayonnement. Elle est traitée pour en réémettre le moins possible. Le rayonnement infrarouge est piégé par la vitre. Entre la plaque absorbante et l'isolation arrière du panneau, un circuit d'eau collecte la chaleur. Cette chaleur est ensuite acheminée du capteur au chauffe-eau par un circuit d'eau glycolée (pour éviter le gel en cas de grand froid sans soleil). Dans le circuit primaire (2) circule un liquide caloporteur (généralement de l eau avec un antigel). Ce liquide s échauffe lorsqu il passe dans les tubes du capteur solaire et se dirige vers le ballon de stockage (5) de l eau sanitaire. Le liquide caloporteur cède sa chaleur à l eau sanitaire par l intermédiaire d un échangeur thermique (3). Une fois refroidi, le liquide caloporteur repart vers le capteur solaire où il sera à nouveau chauffé. Une pompe électrique (7) met en mouvement le liquide caloporteur lorsque la température de celui-ci est supérieure à celle de l eau sanitaire du ballon. L énergie solaire ne peut assurer la production d eau chaude quelle que soit la saison. C est pourquoi le ballon de stockage est également équipé d un dispositif de chauffage d appoint (ensemble 11 et 12) DOC6 : Calorimétrie ou mesure des quantités de chaleur La quantité Q de chaleur transférée (en J), lorsque la température d un solide ou liquide varie d une valeur initiale θi à une valeur θf, est donnée par la relation : Q = m C ( θ f θ ) i m : masse en kg (ou en g) C : capacité calorifique massique en J.kg -1. C -1 (ou en J.g -1. C -1 ) θ : température en C

4 Activité 11 Expériences sur les transferts thermiques Le transfert thermique - Verser dans un gros bécher de l eau chauffée par une bouilloire. Placer un thermomètre dans le bécher. - Placer un bécher sur une balance ; tarer la balance - Verser environ 200 g d eau froide dans le bécher (noter m 1 la masse d eau froide introduite). - Relever la température initiale de l eau froide: θ i,1 - Placer le bécher dans le calorimètre. - Relever la température initiale de l eau chaude: θ i,2 - Placer un second bécher sur la balance ; tarer la balance - Verser environ 100 g de l eau chaude dans le bécher (noter m 2 la masse d eau chaude introduite). - Verser rapidement l eau chaude dans le bécher contenu dans le calorimètre. Fermer le calorimètre, agiter l eau dans le bécher et relever la température finale de l eau :θ f C eau = 4,18 J.g -1. C -1 Reproduire, et compléter le tableau suivant, récapitulant les différentes mesures effectuées m 1 θ i,1 m 2 θ i,2 θ f Calculer Q Th1, la chaleur gagnée par l eau froide Calculer Q Th2, la chaleur perdue par l eau chaude Comparer Q Th1 et Q Th2 ; comment peut-on expliquer cette différence ; calculer le rapport QTh1 Q Th2 La conduction On dispose d une étoile à 4 branches métalliques reliées entre-elles - Placer des petits morceaux de cire de bougie aux extrémités des branches et chauffer le centre de l étoile. Qu observe-ton?

5 Activité 11 La convection - Dans un tube cylindrique contenant de l eau, verser quelques grains de permanganate de potassium qui colorent partiellement l eau en violet. - Chauffer le tube à un endroit ponctuel. Qu observe-ton? Le rayonnement On dispose d une maquette constituée de 2 petits disques paraboliques (l un recouvert d une substance réfléchissante, et l autre peint en noir) de part et d autre d une lampe. Un thermomètre permet de relever la température de chacun des disques. - Allumer la lampe et observer les variations de température de chacun des disques Qu observe-ton? Le chauffe-eau solaire Quel mode de transfert thermique intervient : - au niveau du capteur (1) - au niveau de l échangeur thermique (3) - à l intérieur du ballon de stockage (5) Application (1) Dans un capteur solaire, le fluide caloporteur du circuit primaire avec un débit constant de 20 L/h. Une sonde de température mesure la température du fluide à l entrée du capteur (15 C), et à la sortie (40 C). 1) Calculer la quantité de chaleur absorbée par l eau circulant dans le capteur pendant une heure. Exprimer le résultat en kj puis en kw.h Données : Capacité calorifique massique du fluide caloporteur C = 4100 J.kg -1. C -1 1 L de fluide caloporteur a une masse de 1,02 kg 2) En déduire la puissance thermique reçue par le liquide caloporteur et reçue par l eau du réservoir de stockage 3) Le capteur solaire de surface 2 m 2, reçoit une puissance solaire estimée à 800 W.m -2. Calculer le rendement du capteur solaire.

6 Application (2) Activité 11 Le capteur d un chauffe-eau solaire reçoit par jour une énergie rayonnée de 16,8 MJ/m 2. Son rendement est de 50%. On désire déterminer la surface du capteur permettant de chauffer quotidiennement l eau d un chauffe-eau de 200 L. 1) Calculer la quantité de chaleur qu il faut fournir à 200 L d eau pour la faire passer de 20 C à 60 C (C eau = 4,18 kj.kg -1. C -1 ) 2) Calculer l énergie que doit recevoir le capteur solaire de rendement 50%. 3) Calculer la surface que doit avoir le capteur solaire Application (3) Par ciel bleu et clair, le rayonnement solaire disponible peut atteindre 1000 W/m 2 1) Déterminer la puissance que reçoit un chauffe-eau solaire rectangulaire de dimensions 1,50 m x 1,60 m 2) Le rendement du chauffe-eau est de 30%. Montrer que la puissance thermique du chauffe-eau est de 720 W. 3) Quelle énergie est disponible au bout de 2 heures de fonctionnement? Exprimer cette énergie en joule. 4) le débit du fluide caloporteur dans le capteur est de 20L/h. On considère que le fluide caloporteur est de l eau. - Quel volume de fluide circule dans le panneau durant 2 heures? - en déduire la masse de fluide correspondante. - Déterminer l élévation de température du fluide au bout de ces 2 heures. Application (4) On chauffe une cuve de chauffe-eau de 100 litres. On souhaite que l eau chaude sorte à une température de 55 C du chauffe-eau, alors qu elle y entre à 5 C. C eau = 4,18 kj.kg -1. C -1 On dispose de 5 m 2 de panneaux solaires. On estime le rendement à 40% et on estime un rayonnement de 1000 W/m 2 1) Quelle quantité de chaleur doit-on apporter pour chauffer cette eau? 2) Quelle durée d éclairement faut-il pour chauffer cette eau?