Épreuve à caractère scientifique et technologique

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1 6. ANNEXE A : Sujet de l admissibilité Épreuve à caractère scientifique et technologique Durée : 6 heures Aucun document autorisé. Moyens de calcul autorisés : Calculatrice électronique de poche - y compris calculatrice programmable et alphanumérique - à fonctionnement autonome, nom imprimante, autorisée conformément à la circulaire n du 28 juillet Sujet en cinq parties indépendantes à traiter sur copies séparées. - Les données non précisées sont laissées à l initiative du candidat. 18

2 SESSION DE 2005 CA - PLP CONCOURS INTERNE EPREUVE ECRITE D ADMISSIBILITE Section : GENIE CIVIL Option : EQUIPEMENTS TECHNIQUES - ENERGIE ETUDE D UN SYSTEME TECHNIQUE ET / OU D UN PROCESSUS TECHNIQUE Durée : 6 heures - Coefficient : 1 Calculatrice autorisée Aucun document n est autorisé Les différentes parties du sujet sont indépendantes et peuvent être traitées dans un ordre laissé au choix du candidat. Documents à rendre : documents réponses DR N 1 à 16 19

3 SOMMAIRE 1. NOTES PRELIMINAIRES 3 2. ETUDE D UN SYSTEME 3 PRODUCTION DE FROID 3 CHAUFFAGE 4 ELECTRICITE 5 SCHEMA DE PRINCIPE de l INSTALLATION 6 3. TRAVAIL DEMANDE ( Documents réponses) 4 A. FROID et CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT 8 B. AIR HUMIDE 11 C. HYDRAULIQUE 14 D. ELECTROTECHNIQUE 17 E. THERMIQUE 18 F. DESSIN 20 G. MODULE D EXPANSION/ TRAITEMENT DES EAUX DOCUMENTS TECHNIQUES ( annexes ) 24 o Caractéristiques Thermodynamiques du R 407C o Caractéristiques groupe frigorifique o Tour de refroidissement à circuit ouvert o Appareillages électriques o Chaudière de marque Guillot o Pression atmosphérique moyenne de quelques villes o Tableau équivalence débit eau - diamètre o Module d expansion Salmson o Adoucisseur Permo 20

4 1. NOTES PRELIMINAIRES L épreuve permet d évaluer : - les connaissances scientifiques et techniques du candidat ; - la qualité des analyses conduites et la pertinence des choix ; - l exactitude des résultats ; - la pertinence et le cohérence des solutions proposées ; - la qualité graphique des documents produits, la rigueur du vocabulaire ; technique, le respect des normes, des textes en vigueur et des conventions de représentation ; - la clarté et la rigueur de l expression écrite et de la composition. Les appareils de l installation ne sont pas tous représentés sur le schéma de principe. Les résultats numériques ne seront pris en compte qu avec les unités S.I. La clarté des documents, la qualité graphique et le détail des calculs sont pris en compte. Toute copie ajoutée doit être repérée avec le numéro de la partie concernée. Tout renseignement technique manquant sera laissé à l initiative des candidats. 2. ETUDE D UN SYSTEME Le thème a pour support une centrale thermo-frigorifique pour la production d énergie utilisée dans un laboratoire d essais et de mesures, à Grenoble. La construction de la centrale se fera en plusieurs tranches de travaux, nous n étudierons que la tranche initiale appelée phase 1. Production de froid. La production d eau glycolée est assurée par un circuit frigorifique. L énergie est évacuée dans une tour de refroidissement ouverte. Nous n étudierons ici qu un seul groupe frigorifique. Chaque groupe est composé de deux circuits frigorifiques indépendants, fonctionnant avec du R407C. Ils sont équipés de motocompresseurs. Dans chaque groupe frigorifique, le condenseur à eau, de type multitubulaire, est irrigué par une pompe, ( régime nominal de l eau 30/35 C ). Le refroidissement du groupe de production est assurée par une tour de refroidissement à circuit ouvert Carrier de type 22 TO, qui assure une température d'eau à l'entrée du condenseur de 30 C. On estime que le refroidisseur de liquide doit fournir une puissance frigorifique de 330 kw L évaporateur multitubulaire est irrigué par une pompe d un débit qvo (m 3.h -1 ) qui alimente ensuite une bouteille hydraulique. La température de sortie de l eau glycolée est maintenue constante. La distribution au secondaire permet d alimenter par un ensemble de deux pompes deux circuits indépendants. Les batteries froides sont alimentées séparément à des températures d eau à l entrée sont 6 C. 21

5 Eau glycolée : Capacité thermique massique est C = 3,4 kj.kg -1.K -1. Masse volumique? = 1068 kg.m -3. Conditions nominales de fonctionnement des groupes frigorifiques :?? Température de condensation? K = C à déterminer?? Température d évaporation? O = C à déterminer?? Température à l entrée du détendeur.? u = C à déterminer?? Température à la sortie de l évaporateur? b = C à déterminer Caractéristiques du moteur du compresseur : voir conditions constructeur Conditions extérieures de base : Température sèche Humidité relative ETE 32 C 50 % HIVER -9 C 90 % Chauffage La chaufferie est constituée :?? Deux chaudières acier identiques de marque Guillot, de type Totaltub ST 610, de rendement 92% sur PCI et de puissance unitaire 620 kw,?? Brûleurs de marque Cuenod C 70, à deux allures fonctionnant au gaz naturel, type 2H, pression 300 hpa. PCI = 10,6 kwh/m 3 (aux conditions normales).?? L alimentation gaz comprend un poste de détente, une vanne de barrage, une bouteille tampon, une vanne d isolement brûleur, un filtre à gaz, une électrovanne et une mise à l air libre des électrovannes.?? Température ambiante chaufferie = 17 C?? Deux soupapes de sécurité par chaudière?? Bouteille Casse- Pression séparant le circuit primaire du circuit secondaire?? Régime de l eau boucle primaire 90/70 C La distribution secondaire alimente deux circuits : - Circuit ECS :?? deux ballons de stockage ECS d une capacité de 2500 litres à température de 75 C - Circuit radiateurs Les circuits eau chaude et eau glycolée seront équipés d un groupe de maintien de pression du réseau, de marque Salmson (module d expansion), équipé de deux pompes, d un déverseur et d une bâche. L installation sera équipée d une centrale de traitement d eau comprenant :?? 1 filtre type «PERMOFLASH»?? 1 adoucisseur par permutation sodique de marque PERMO, type «A4X CONTROL»?? Un groupe de dosage d injection des produits de conditionnement?? TH eau de ville : 33 f et TH eau traitée imposé dans le circuit eau chaude chauffage, = 2 f maximum. 22

6 Electricité Réseau électrique triphasé 400 V plus neutre, schéma de liaison à la terre type TN. Si on considère les caractéristiques de l installation suivante sur un réseau 230 / 400V 50Hz. Le facteur de puissance normalisé de l installation doit être de 0,93. Pa ( kw ) cos f tri/ mono Y /? Moteurs compresseurs 110 0,82 tri Y Moteur ventilateur tour 10 0,77 tri Y Moteurs pompes EG 8 0,72 tri Y Moteurs pompe tour 12 0,75 tri Y Résistances 20 tri Y 23

7 SCHEMA DE PRINCIPE GMPEC: groupe de maintien pression eau chaude GMPEG: groupe de maintien pression eau glycolée GDEC: groupe de dosage anti-corrosion circuit eau chaude GDEG: groupe de dosage anti-corrosion circuit eau glycolée GDER1: groupe de dosage anti-corrosion circuit de refroidissement GDER2: groupe de dosage biocide circuit eau de refroidissement BA D D GDEC D GDEG D D ECHANGEUR ECS RADIATEURS GMP EC GMP EG GDER1 GDER2 25

8 LIVRET REPONSE 3. TRAVAIL DEMANDE A. FROID a) cycle frigorifique DR N 1 p 8 b) diagramme enthalpique R407C DR N 2 p 9 c) sélection du refroidisseur de liquide DR N 3 p 10 B. AIR HUMIDE a) diagramme de l air humide DR N 4 p 11 b) tour de refroidissement DR N 5 p 12 c) schéma de principe de la tour DR N 6 p 13 C. HYDRAULIQUE a) pompe circuit eau glacée DR N 7 p 14 DR N 8 p 15 b) vanne de réglage DR N 8 p 15 DR N 9 p 16 D. ELECTROTECHNIQUE Facteur de puissance DR N 10 p 17 E. THERMIQUE a) combustion DR N 11 p 18 b) diagramme d Ostwald DR N 12 p 19 F. DESSIN a) vue isometrique chaufferie DR N 13 p 20 b) implantation chaufferie DR N 14 p 21 G. MODULE D EXPANSION/ TRAITEMENT DES EAUX a) module d expansion DR N 15 p 22 b) traitement des eaux DR N 16 p 23 26

9 A- FROID a) Cycle frigorifique DR N 1 Conditions nominales de fonctionnement des groupes : Déterminer les conditions de fonctionnement du refroidisseur de liquide Régime d eau à l évaporateur : Régime d eau au condenseur : Il vous appartient de préciser les informations qui vous semblent nécessaires au condenseur :? Tk = Tk Twe = 10 K A l évaporateur :? To =? Tw =?? Température de condensation? K = C.?? Température à l entrée du détendeur.? u = C.?? Température d évaporation? O = C.?? Température à la sortie de l évaporateur? b = C. b) Diagramme enthalpique R407C a Déterminer l évolution du fluide frigorifique sur le diagramme enthalpique du R407C à l aide des tables thermodynamiques. b Compléter le tableau des données thermodynamiques qui caractérise l évolution du cycle dans ces conditions c Représenter sur le diagramme ( h, Log p ), l'évolution du fluide dans l'installation et préciser les caractéristiques de celui ci. On estime que le refroidisseur de liquide doit fournir une puissance frigorifique de 330 kw Caractéristiques thermodynamiques des points Points Pression Temp. v h s x bar C dm 3 /kg kj/kg kj/kg.k %

10 Diagramme du R 407C : représentation du cycle DR N 2 29

11 c) Sélection Refroidisseur de liquide DR N 3 Sélectionner le refroidisseur de liquide répondant au cahier des charges. (a) Justifier ce choix. Valeur de référence :? o = kw LCTW = C -> ->? o= kw LWT = C -> Pa = kw ->? k = kw Après avoir sélectionné le refroidisseur de liquide : Déterminer : ( prendre pour les calculs :? o = 330 kw ) (b) Le débit horaire massique de fluide frigorifique débit massique (c) Le débit horaire volumique aspiré par le compresseur débit volumique (d) Le taux de compression taux (e) Le rendement volumétrique du compresseur rendement volumétrique (f) Le volume horaire balayé du compresseur volume balayé (g) Les coefficients de performance théorique et réel du refroidisseur COP réel COP th (h) Le nombre de bouteilles de fluide nécessaire à prévoir pour la charge de ce refroidisseur, si on considère qu une bouteille a un volume utile de 16 litres bouteilles (i) Préciser s il y a une précaution particulière pour réaliser une charge en fluide avec le R407C. Expliquer et justifier 30

12 B AIR HUMIDE DR N 4 a) Diagramme de l air humide Caractéristiques des points points Ts Th Tr H V r C C C kj / kgas m 3 / kgas kg / kgas Entrée de la tour Sortie de la tour 31

13 b) Tour de refroidissement DR N 5 a) Déterminer le débit massique d'eau de la pompe du circuit de refroidissement du condenseur ( capacité thermique massique de l'eau = 4,18 kj / kg. C) débit massique de la pompe condenseur : qm w = b) Sélectionner la tour de refroidissement de cette installation Veuillez indiquer les critères de sélection : Puissance condenseur :? k = Condition climatique : Ts = HR = % => Tb.h. = C => tableau Tbh = C Déterminer l approche => facteur de correction = pour un? Tw = Calculer la puissance corrigée de la tour => puissance corrigée = => modèle de la tour son débit d air est de : qv a = c) Déterminer l'écart de température sur l'air aspiré par le ventilateur de la tour pour la pleine puissance si on considère que l'air à la sortie se trouve à une température humide de 32 C d) Indiquer la pression de pulvérisation retenue par le constructeur pour sélectionner la pompe, pression de pulvérisation,( kpa ) si on considère que? k = A partir des conditions de l air extérieur : Déterminer les caractéristiques de l air en sortie de la tour de refroidissement Tsa e) Expliquer comment la variation de puissance est obtenue sur la tour de refroidissement. Justifier ce choix technique en mettant en évidence la grandeur réglée 32

14 c) Schéma de principe de la tour DR N 6 A partir d un schéma de principe, proposer une autre solution technique permettant de réguler la puissance de la tour de refroidissement. schéma fluidique de principe proposé : 33

15 C- HYDRAULIQUE DR N 7 a) Pompe circuit eau Glacée a) Calculez le débit de l eau glycolée dans l évaporateur. Déterminer le débit qm w de la pompe E.G. : qm w => b) Déterminer les caractéristiques de la pompe du circuit d'eau glacée, si on considère que les pertes de charges dans les tuyauteries sont égales au double de celle dans l'évaporateur circuits évaporateurs => c) Déterminer la hauteur manométrique de la pompe pour le débit volumique qv w circuit EG. Hmt = Tracer la courbe de réseau. m 3 /h kpa d) Placer pour chacune d elles sur l abaque correspondant 1. Le point de fonctionnement théorique ( 1 ) 2. Le point de fonctionnement réel ( 2 ) e) Pour assurer le régime d eau prévu il est nécessaire de régler le débit des pompes P Pour cela proposer deux solutions possibles en utilisant une vanne de réglage a. 1 solution b. 2 solution f) Placer le point de fonctionnement réel de cette pompe pour chacune de ces solutions 1 solution : point ( 3 ) 2 solution : point ( 4 ) 34

16 b) Vanne de réglage DR N 8 a) Calculer les grandeurs hydrauliques caractéristiques de ces vannes et indiquer leur nombre de tours. vanne de réglage montée en série : Lorsque le? p et le débit sont connus,utiliser la formule pour calculer la valeur Kv ou déterminer à partir de l abaque => Kv = => vanne D =125 mm => tours vanne de réglage montée en parallèle : Utiliser la formule pour calculer la valeur Kv ou déterminer à partir de l abaque Débit pompe = Débit de by pass = => Kv = => vanne D =125 mm => tours 35

17 DR N 9 b) Déterminer le coefficient d échange K de l évaporateur, pour une surface d échange de 50 m 2, lorsque le coefficient d encrassement E est à sa valeur nominale ( voir donnée constructeur). K c) Dans ce cas quelle est la valeur de la température Ts w de l eau, à la sortie de l évaporateur? Ts W 36

18 D- ELECTROTECHNIQUE DR N 10 Il vous est demandé d équiper l armoire électrique de cette installation, et de ce fait de sélectionner le matériel nécessaire (1) Quel appareil préconisez-vous d installer en tête de cette armoire qui doit rendre indépendante cette armoire du reste du bâtiment? (2) Déterminer le calibre de cet appareil sur cette installation comportant plusieurs types de moteurs, plusieurs groupes de résistances Le facteur de puissance normalisée de l installation doit-être de 0,93 P T = Q T = S T = I T = (3) Préciser le calcul à effectuer pour vérifier si cette installation respecte les normes imposées par EDF ( facteur de puissance) (a) Si ce n est pas le cas que devez-vous faire, et comment dimensionnez-vous ces composants? Soit pour un cos f de 0,93 (4) Sélectionner le matériel de puissance ( commande et protection ) d un compresseur du groupe et pour un groupement de résistance d une puissance active de 20 kw Pour les moteurs : Intensité : A sous V Référence contacteur moteur : Référence relais thermique : Pour les groupes de résistances : Référence contacteur moteur : Référence disjoncteur magnéto-thermique : 37

19 E- THERMIQUE DR N 11 Données techniques supplémentaires : Débit de gaz en 1 ère allure = 70% du débit nominal Facteur de correction K = (Pa + Pg) x Tg avec : Pa, pression atmosphérique en hpa Pg, pression de gaz au compteur en hpa Tg, température gaz au compteur en C Un relevé de combustion effectué lors de la mise en service de la chaudière 1 donne : % CO 2 = 7 et % O 2 = 3 a) Déterminer le débit de gaz théorique pour une chaudière. Qv gaz théorique =. b) Calculer le facteur de correction K pour cette opération et en déduire le débit de gaz relevé au compteur. F =.. Qv gaz lu compteur =. c) Calculer le débit de gaz à relever au compteur en 1 ère et en 2 ème allure. Qv gaz 1 ère allure = d) Donner l équation de combustion stoechiométrique du gaz naturel. e) Déterminer le volume de la bouteille tampon d après la «règle du millième» et à partir du débit de gaz théorique nécessaire au fonctionnement. Volume bouteille tampon =. 39

20 Diagramme d Ostwald DR N 12 f) Positionner le point de combustion obtenu de la chaudière 1 sur le diagramme de combustion. g) En déduire le taux d émission de CO et d excès d air dans les fumées. Quels en sont les risques sur l environnement? % CO =. % Excès d air = % défaut d air = Risques : h) Que préconisez-vous pour améliorer la combustion? 40

21 F- DESSIN DR N 13 a) Vue isométrique chaufferie Réaliser l implantation fluidique du circuit primaire jusqu à la bouteille de mélange sur la vue isométrique. IMPLANTATION CHAUFFERIE Cote a EMP EC Cote b Cote c 41

22 b) Implantation chaufferie DR N 14 a) Relever les cotes indiquées sur la vue isométrique de la chaudière Guillot ainsi que le diamètre du piquage retour. Cote a =. Cote b =. Cote c =. DN Bride Piquage retour = b) Le circuit primaire nécessite-t-il la pose de vanne(s) d équilibrage? Justifier. Pose vanne(s) d équilibrage (entourer la bonne réponse) : oui non Justification : c) Après avoir calculé le débit d eau du circuit primaire, déterminer la hauteur de la bouteille de mélange d après la règle des 3 D. Qv 1 aire =.. Hauteur bouteille de mélange = Ø D 3D 3D 3D 4 D 3D 3D 3D 3D 42

23 G- MODULE D EXPANSION / TRAITEMENT DES EAUX DR N 15 a) Module d expansion eau chaude Salmson Données techniques supplémentaires : Hauteur de charge = 55 m On considère 14 litres d eau par kw de puissance thermique Marge de sécurité enclenchement des pompes = 30 kpa Variation de la pression dans l installation = 120 kpa Différentiel entre Pression de tarage soupapes de sécurité chaudières et Ouverture maximale du déverseur = 50 kpa a- Donner la pression minimale d enclenchement des pompes. Pression minimale enclenchement pompes :.. b- Déterminer le type de module d expansion et la capacité de la bâche. Type de module : c- Donner la pression d ouverture maximale du by-pass. Pression ouverture by-pass :.. d- Donner la pression d ouverture des soupapes. Pression ouverture soupapes : 43

24 b) Traitement des eaux DR N 16 a- Calculer la dureté de l eau à traiter pour une période de fonctionnement d un mois. b- Choisir l adoucisseur Permo le mieux adapté. c- Donner le pouvoir d échange et la quantité de sel nécessaire pour une période de fonctionnement d un an. d- L introduction d un produit anti - corrosion pour l installation eau chaude nécessite un dosage de 40ml/m 3. Calculer la quantité exacte de ce produit 44