Cours N 8 : Le Chauffage DÉROULEMENT DE LA SÉANCE TITRE ACTIVITÉS PROF ACTIVITÉS ÉLÈVES MOYEN DURÉE. Page 1 sur Fin du Cours { heures}

Transcription

1 Cours N 8 : Le Chauffage DÉROULEMENT DE LA SÉANCE TITRE ACTIVITÉS PROF ACTIVITÉS ÉLÈVES MOYEN DURÉE Fin du Cours { heures} Page 1 sur 19

2 Tableau de comité de lecture Date de lecture Lecteurs Observation Remarques rédacteur Date modifications 25 octobre 2005 CROCHET David Première écriture et réaménagements mineurs 25 octobre 2005 Quote of my life : Fournir ma contribution aux autres est ma philosophie. Et la vôtre? Si vous avez lu ce T.P. et que vous avez des remarques à faire, n'hésiter pas et écrivezmoi à l'adresse suivante : Ce dossier contient : Crochet.david@free.fr Un dossier élève (pages 4 à ) Un dossier prof (pages à ) Un dossier ressource (page à ) Un transparent (page ) Adresse Professionnel : LP Jean Guéhenno 16 Rue pierre Huet Flers Page 2 sur 19

3 Cours N 5 Le Chauffage Niveau : 2 nd BEP ELEC Lieu : Salle de Techno Durée :? heures LIAISON AU RÉFÉRENTIEL Organisation : classe entière PRÉREQUIS Les élèves doivent être capables : OBJECTIFS Les élèves devront être capables de : Apprendre à (savoir intégré) Apprendre à (savoir actif) NIVEAU D'APPRENTISSAGE Active MÉTHODE Page 3 sur 19

4 B.E.P. ELEC EP1 TECHNO SCHÉMAS TECHNOLOGIE DOSSIER PÉDAGOGIQUE Cours N 5 Le Chauffage Objectif : Matériel : Documents : Secteur : Salle de techno Durée :? heures Nom, Prénom : Classe, Groupe : Page 4 sur 19

5 Conversion électrothermique Un système dont la température varie, ou qui change d'état physique, échange avec le milieu extérieur une énergie thermique. C'est le cas pour tous les procédés de chauffage électrique, qu'ils soient domestiques ou industriels. Cette conversion facilement sans combustion, sans fumée ; sa régulation en température est souple et précise. 1. Conversion de l'électricité 1.1. Rappels d'électrotechnique La conversion de l'énergie électrique s'effectue, par effet Joule, dans une résistance traversée par un courant électrique Loi de Joule : W = U I t W = R I² t Avec : W : énergie [J] U : Tension [V] I : Courant [A] T : Temps de passage du courant [s] R : résistance [Ω] U I W 1.2. Grandeurs en énergie thermique R t La correspondance entre l'énergie électrique en joule et l'énergie thermique est donnée par la relation : 1 calorie [cal] = 4,186 joules [J) La calorie représente la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1 C la température de 1 g d'eau Multiples : 1 kilocalorie [kcal] = 10 3 calories 1 thermie [th] = 10 6 calories 1 calorie = 1 microthermie [µth] Page 5 sur 19

6 Autres unités : Le wattheure 1 Wh = 3600 J Le kilowattheure 1 kwh = 10 3 Wh 1.3. Résistance électrique C'est dans la résistance électrique que s'effectue la transformation de l'énergie électrique en chaleur. Le calcul de la résistance s'effectue, en général, à partir de la puissance à obtenir et de la tension du réseau. A partir des relations : P = U I U = R I On a donc : R = P U² R = L ρ s Avec : P : Puissance dissipée [W] L : longueur du fil [m] S : section du fil [m²] ρ : résistivité du fil [Ωm] ou [Ω.mm².m 1 ] 2. Transmission de la chaleur La chaleur se transmet toujours du point le plus chaud vers le point le plus froid. Selon que l'on a des solides, des liquides ou des gaz, la transmission peut se faire par conduction, par convection, par rayonnement Conduction La conduction est l'écoulement de la chaleur à travers un corps de la partie chaude vers la partie froide. La conduction s'effectue surtout dans les matériaux solides qui sont bons conducteurs de la chaleur (cuivre, aluminium). La propriété inverse de la conduction est l'isolation thermique (amiante, laine de verre). Exemple : Le fer à souder transmet la chaleur à travers sa panne. conduction Résistance Utilisation la chaleur de Page 6 sur 19

7 2.2. Convection Lorsqu'un liquide ou un gaz chauffé se dilate, son volume augmente, sa masse volumique diminue, il a tendance à s'élever. Il est remplacé par un liquide plus froid, il s'établit un courant de convection. La convection s'opère surtout dans les liquides et les gaz ; elle peut être naturelle ou forcée ; on utilisa alors des ventilateurs ou des pompes. Courant de convection Résistance électrique Résistance emmétrice de rayonnement Rayonnment calorifique à infrarouge Pièce à chauffer par rayonnment 2.3. Rayonnement Lorsqu'une résistance électrique est portée à une température élevée de 700 C à 1100 C, elle émet de l'énergie par rayonnement. Cette énergie se transmet bien aussi dans le vide que dans l'air et se transforme en chaleur dans la masse des corps à chauffer. La transmission de la chaleur par rayonnement s'effectue surtout en chauffage infrarouge, dans l'air ou dans le vide. Page 7 sur 19

8 3. Appareils et procédés de chauffage 3.1. Classification Chauffage des locaux Le développement du chauffage électrique des locaux a donné naissance à une grande variété d'appareils adaptable à tous les besoins. Par action intermédiaire Chauffage des locaux Par action différée Radiateurs A rayonnement convection Radiateur Dalles chauffante lumineux Panneaux radiant Naturelle : Convecteur Forcée : radiateur soufflant A huile statique A accumulateur dynamique Chauffage industriel Les principaux procédés de chauffage industriels sont : Par résistance, directe ou indirecte Par arc électrique Par induction Diélectrique Par rayonnement infrarouge 3.2. Panneaux radiants Isolation thermique Caractéristiques : Puissance jusqu'à 20 kw pour des dimensions de 1 x 6 m. Température de 150 C à 300 C Chaleur dégager par rayonnement Réglable par température résultante du local Emploi pour chauffage des locaux industriels et domestique Résistance électrique 3.3. Convecteurs Caractéristiques : Gammes de puissance : 500 à 2000 W par palier de 250 W, 2500 et 3000 W L'air s'échauffe au contact des éléments chauffants Réglage par interrupteur à thermostat incorporé ou thermostat d'ambiance La convection peut être forcée au moyen d'une turbine ou d'un ventilateur Tôle d'acier Page 8 sur 19

9 3.4. Radiateur à huile Constitution Les radiateurs à huile sont constitués de : un carter avec de l'huile, analogue à un radiateur de chauffage central et monté sur roulette une résistance blindée, à la parti inférieure un thermostat et un interrupteur permettant la commande et la régulation Caractéristiques. puissance de 500 à 3 kw Température du liquide de 80 C à 90 C Circulation de l'huile par thermosiphon Assez grande inertie thermique, convient bien pour les utilisations de longue durée 3.5. Radiateur à accumulation Principe de fonctionnement On emmagasine de la chaleur pendant les heures de la nuit lorsque l'énergie électrique est la moins chère, pour la restituer au cours de la journée Constitution générale La chaleur est emmagasinée dans des briques réfractaires à raison de 50 à 60 kg par kw 3.6. Plancher chauffant Câbles chauffants On utilise l'accumulation de la chaleur dans la dalle du sol, dans laquelle on noie un câble chauffant Caractéristiques: Température de la dalle : 20 à 25 C, maximum 28 C Puissance moyenne : 80 à 170 W.m 2, maximum : 250 W.m 2. Épaisseur de la dalle : de 50 à 90 mm selon les cas Raccordement par câble en cuivre (liaisons froides) Des sondes sont aussi noyées dans la dalle pour régulation ferraillage 4. Contrôle et régulation de la température 4.1. Principe général La régulation de température consiste à amener une grandeur physique (température) à une valeur prédéterminée (consigne) et à la maintenir à cette valeur Affichage de la température Élément de comparaison Élément chauffant Enceinte à Organe de chauffer commande Capteur de température Page 9 sur 19

10 4.2. Régulation Tout ou Rien (T.O.R.) La régulation T.O.R. s'effectue en coupant le circuit dès que l'on atteint la température de consigne. Lorsque la température redescend en dessous de cette valeur, on rétablie le circuit Régulation continue A chaque instant, on contrôle la température et on la compare à une valeur de consigne. Selon l'écart détecté, on règle l'intensité de chauffage, de façon à obtenir, en permanence, la température affichée Mesure des températures Par dilatation On utilise la dilatation des liquides et des gaz dans les thermostats à bulbe ou la dilatation des métaux avec les éléments bimétallique Par variation de résistance On emploie la propriété des matériaux semiconducteurs qui est de faire varie des résistances en fonction de la température. On réalise des thermostats électroniques très précis Par couple thermoélectrique En chauffant une soudure de deux matériaux conducteur différents, on obtient une force électromotrice à leurs extrémités, qui est proportionnelle à la température de la source chaude. G Galvanomètre Fils de liaison Borne de liaison ou soudure froide Plage de mesure en fonction des dispositifs utilisés Jonction de deux métaux de nature différente ou soudure chaude Dilatation liquide Dilatation métal Variation de R Thermocouple CuNi NiAl PlRh 200 C Page 10 sur 19

11 4.5. Régulateur programmable Principe C'est un appareil qui associe un régulateur et un programmateur ; il tient compte à la fois des températures et du temps (utilisé pour le chauffage des locaux) Réglage des paramètres. Sur un régulateur de température ambiante, on rencontre les réglages : limiteur : affiche la température intérieure à ne pas dépasser (ex : 25 C) Base de temps : c'est la valeur du cycle complet de chauffage et d'arrêt de chauffage. Elle est réglée de 5 à 20 min. Consigne : c'est la température extérieure audelà de laquelle le chauffage doit s'arrêter (ex : 19 C) Écart : c'est la différence entre la consigne et la température la plus froide voulu de la zone climatique (exemple température la nuit) (ex. : 2 C) Page 11 sur 19

12 B.E.P. ELEC EP1 TECHNO SCHÉMAS TECHNOLOGIE DOSSIER PROFESSEUR Cours N 5 Le Chauffage Objectif : Matériel : Documents : Secteur : Salle de techno Durée :? heures Nom, Prénom : Classe, Groupe : Page 12 sur 19

13 Conversion électrothermique Un système dont la température varie, ou qui change d'état physique, échange avec le milieu extérieur une énergie thermique. C'est le cas pour tous les procédés de chauffage électrique, qu'ils soient domestiques ou industriels. Cette conversion facilement sans combustion, sans fumée ; sa régulation en température est souple et précise. 1. Conversion de l'électricité 1.1. Rappels d'électrotechnique La conversion de l'énergie électrique s'effectue, par effet Joule, dans une résistance traversée par un courant électrique Loi de Joule : W = U I t W = R I² t Avec : W : énergie [J] U : Tension [V] I : Courant [A] T : Temps de passage du courant [s] R : résistance [Ω] U I W 1.2. Grandeurs en énergie thermique R t La correspondance entre l'énergie électrique en joule et l'énergie thermique est donnée par la relation : 1 calorie [cal] = 4,186 joules [J] La calorie représente la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1 C la température de 1 g d'eau Multiples : 1 kilocalorie [kcal] = 10 3 calories 1 thermie [th] = 10 6 calories 1 calorie = 1 microthermie [µth] Page 13 sur 19

14 Autres unités : Le wattheure 1 Wh = 3600 J Le kilowattheure 1 kwh = 10 3 Wh 1.3. Résistance électrique C'est dans la résistance électrique que s'effectue la transformation de l'énergie électrique en chaleur. Le calcul de la résistance s'effectue, en général, à partir de la puissance à obtenir et de la tension du réseau. A partir des relations : P = U I U = R I On a donc : R = P U² R = L ρ s Avec : P : Puissance dissipée [W] L : longueur du fil [m] S : section du fil [m²] ρ : résistivité du fil [Ωm] ou [Ω.mm².m 1 ] 2. Transmission de la chaleur La chaleur se transmet toujours du point le plus chaud vers le point le plus froid. Selon que l'on a des solides, des liquides ou des gaz, la transmission peut se faire par conduction, par convection, par rayonnement Conduction La conduction est l'écoulement de la chaleur à travers un corps de la partie chaude vers la partie froide. La conduction s'effectue surtout dans les matériaux solides qui sont bons conducteurs de la chaleur (cuivre, aluminium). La propriété inverse de la conduction est l'isolation thermique (amiante, laine de verre). Exemple : Le fer à souder transmet la chaleur à travers sa panne. conduction Résistance Utilisation la chaleur de Page 14 sur 19

15 2.2. Convection Lorsqu'un liquide ou un gaz chauffé se dilate, son volume augmente, sa masse volumique diminue, il a tendance à s'élever. Il est remplacé par un liquide plus froid, il s'établit un courant de convection. La convection s'opère surtout dans les liquides et les gaz ; elle peut être naturelle ou forcée ; on utilisa alors des ventilateurs ou des pompes. Courant de convection Résistance électrique Résistance emmétrice de rayonnement Rayonnment calorifique à infrarouge Pièce à chauffer par rayonnment 2.3. Rayonnement Lorsqu'une résistance électrique est portée à une température élevée de 700 C à 1100 C, elle émet de l'énergie par rayonnement. Cette énergie se transmet bien aussi dans le vide que dans l'air et se transforme en chaleur dans la masse des corps à chauffer. La transmission de la chaleur par rayonnement s'effectue surtout en chauffage infrarouge, dans l'air ou dans le vide. Page 15 sur 19

16 3. Appareils et procédés de chauffage 3.1. Classification Chauffage des locaux Le développement du chauffage électrique des locaux a donné naissance à une grande variété d'appareils adaptable à tous les besoins. Par action intermédiaire Chauffage des locaux Par action différée Radiateurs A rayonnement convection Radiateur Dalles chauffante lumineux Panneaux radiant Naturelle : Convecteur Forcée : radiateur soufflant A huile statique A accumulateur dynamique Chauffage industriel Les principaux procédés de chauffage industriels sont : Par résistance, directe ou indirecte Par arc électrique Par induction Diélectrique Par rayonnement infrarouge 3.2. Panneaux radiants Isolation thermique Caractéristiques : Puissance jusqu'à 20 kw pour des dimensions de 1 x 6 m. Température de 150 C à 300 C Chaleur dégager par rayonnement Réglable par température résultante du local Emploi pour chauffage des locaux industriels et domestique Résistance électrique 3.3. Convecteurs Caractéristiques : Gammes de puissance : 500 à 2000 W par palier de 250 W, 2500 et 3000 W L'air s'échauffe au contact des éléments chauffants Réglage par interrupteur à thermostat incorporé ou thermostat d'ambiance La convection peut être forcée au moyen d'une turbine ou d'un ventilateur Tôle d'acier Page 16 sur 19

17 3.4. Radiateur à huile Constitution Les radiateurs à huile sont constitués de : un carter avec de l'huile, analogue à un radiateur de chauffage central et monté sur roulette une résistance blindée, à la parti inférieure un thermostat et un interrupteur permettant la commande et la régulation Caractéristiques. puissance de 500 à 3 kw Température du liquide de 80 C à 90 C Circulation de l'huile par thermosiphon Assez grande inertie thermique, convient bien pour les utilisations de longue durée 3.5. Radiateur à accumulation Principe de fonctionnement On emmagasine de la chaleur pendant les heures de la nuit lorsque l'énergie électrique est la moins chère, pour la restituer au cours de la journée Constitution générale La chaleur est emmagasinée dans des briques réfractaires à raison de 50 à 60 kg par kw 3.6. Plancher chauffant Câbles chauffants On utilise l'accumulation de la chaleur dans la dalle du sol, dans laquelle on noie un câble chauffant Caractéristiques: Température de la dalle : 20 à 25 C, maximum 28 C Puissance moyenne : 80 à 170 W.m 2, maximum : 250 W.m 2. Épaisseur de la dalle : de 50 à 90 mm selon les cas Raccordement par câble en cuivre (liaisons froides) Des sondes sont aussi noyées dans la dalle pour régulation ferraillage 4. Contrôle et régulation de la température 4.1. Principe général La régulation de température consiste à amener une grandeur physique (température) à une valeur prédéterminée (consigne) et à la maintenir à cette valeur Affichage de la température Élément de comparaison Élément chauffant Enceinte à Organe de chauffer commande Capteur de température Page 17 sur 19

18 4.2. Régulation Tout ou Rien (T.O.R.) La régulation T.O.R. s'effectue en coupant le circuit dès que l'on atteint la température de consigne. Lorsque la température redescend en dessous de cette valeur, on rétablie le circuit Régulation continue A chaque instant, on contrôle la température et on la compare à une valeur de consigne. Selon l'écart détecté, on règle l'intensité de chauffage, de façon à obtenir, en permanence, la température affichée Mesure des températures Par dilatation On utilise la dilatation des liquides et des gaz dans les thermostats à bulbe ou la dilatation des métaux avec les éléments bimétallique Par variation de résistance On emploie la propriété des matériaux semiconducteurs qui est de faire varie des résistances en fonction de la température. On réalise des thermostats électroniques très précis Par couple thermoélectrique En chauffant une soudure de deux matériaux conducteur différents, on obtient une force électromotrice à leurs extrémités, qui est proportionnelle à la température de la source chaude. G Galvanomètre Fils de liaison Borne de liaison ou soudure froide Plage de mesure en fonction des dispositifs utilisés Jonction de deux métaux de nature différente ou soudure chaude Dilatation liquide Dilatation métal Variation de R Thermocouple CuNi NiAl PlRh 200 C Page 18 sur 19

19 4.5. Régulateur programmable Principe C'est un appareil qui associe un régulateur et un programmateur ; il tient compte à la fois des températures et du temps (utilisé pour le chauffage des locaux) Réglage des paramètres. Sur un régulateur de température ambiante, on rencontre les réglages : limiteur : affiche la température intérieure à ne pas dépasser (ex : 25 C) Base de temps : c'est la valeur du cycle complet de chauffage et d'arrêt de chauffage. Elle est réglée de 5 à 20 min. Consigne : c'est la température extérieure audelà de laquelle le chauffage doit s'arrêter (ex : 19 C) Écart : c'est la différence entre la consigne et la température la plus froide voulu de la zone climatique (exemple température la nuit) (ex. : 2 C) Page 19 sur 19