TD3-Thermique Analyse fonctionnelle d un CHAUFFE-EAU SOLAIRE INDIVIDUEL (CESI)

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Marie-Madeleine Dupuis
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1 D3-hermique Analyse fonctionnelle d un CHAUFFE-EAU SOLAIRE INDIVIDUEL (CESI) COMPEENCES AENDUES : L élève doit être capable de : - Identifier les principaux constituants d un système Chauffe Eau Solaire Individuel (CESI). - Expliquer simplement le principe de fonctionnement d un tel système. - Identifier les composants de sécurité du système et d expliquer leur principe de fonctionnement. PREREUIS : - Notion de puissance, énergie thermique, quantité de chaleur DONNEES : - Schéma de principe de l installation. - Symboles normalisés des composants de tuyauteries et Instrumentation. OBJECIF OPERAIONNEL : L élève doit être capable de : - Identifier les principaux composants du système. - Evaluer les énergies mises en jeu dans le système «CESI» - Représenter par un chronogramme le fonctionnement de la régulation. CONDIIONS DE REALISAION : emps : 2 heures Situation : ravail par binôme en autonomie ravail demandé : Voir Folios joints CRIERES D EVALUAION : La capacité ou la compétence sera reconnue si : - Les principaux constituants du système CESI sont correctement identifiés en présence du professeur et leur rôle définis (1 erreur tolérée). - Les calculs de puissance et d énergie sont corrects (aucune erreurs tolérées) - Le chronogramme du fonctionnement de la régulation du système est complété correctement (aucune erreur tolérée). - Le rôle du vase d expansion. 1/6

2 1) Repérage des éléments constitutifs de l installation On vous donne ci-dessous le schéma de principe de l installation d Eau Chaude sanitaire. A partir de l annexe donné en fin de dossier et du fichier présentation chauffe-eau, identifiés et précisés le rôle des différents constituants d un CESI. (Document réponse) R C 2 kw Eau chaude sanitaire 6 Eau Froide 16 2/6

3 On vous demande de : - placer le numéro de chaque constituant à coté de chaque organe sur le schéma et de compléter le rôle de chaque constituant dans le tableau (document réponse): Numéro Nom Rôle 1 Mitigeur 2 Purgeur d air Chasser l air du circuit, au moment du remplissage de ce dernier 3 Groupe de sécurité Eviter la surpression dans les ballons d eau chaude. 4 Vanne de réglage Régler un débit maximum dans une branche d un circuit hydraulique 5 Vanne d arrêt ouverte Autorise le passage du fluide dans une branche du circuit hydraulique. 6 Vanne d arrêt fermée 7 Sonde de régulation 8 Régulation Commander le circulateur quand les conditions de température sont obtenues 9 Manomètre 10 Sonde de température (2 appareils à repérer) 11 Clapet anti retour 12 Soupape de sécurité 13 Echangeur Céder de l énergie depuis un fluide (primaire) vers un autre (secondaire) 14 Vase d expansion Amortir les variations de dilatation du fluide soumis à des variations de température et maintenir une pression minimale dans un circuit hydraulique 15 Circulateur 16 Compteur d eau 17 Compteurs d énergie (3 appareils à repérer) 18 Capteur solaire 19 Ballon ECS 20 Appoint électrique 3/6

4 Puis de réaliser les différents tracés : - racer en rouge la circulation d eau chaude du circuit primaire (eau chauffée par le soleil). - racer le sens de circulation de l eau dans le circuit primaire. - racer en orange la circulation d eau chaude du circuit secondaire (eau pour la distribution). - racer en vert la circulation d eau froide du circuit secondaire (eau pour la distribution). - racer le sens de circulation de l eau dans le circuit secondaire. 2) Principe de fonctionnement de l installation. 21) Énergie solaire L irradiation solaire s exprime en W/m², elle peut atteindre à la surface du globe 1000 W/m². L absorbeur des panneaux solaires capte ce rayonnement et le transforme en chaleur qui est transmise au fluide caloporteur de la boucle primaire de l installation. 22) Énergie thermique Lorsque la température d'une substance diminue ou augmente, cela signifie qu'elle perd ou absorbe de l'énergie thermique. Il est possible de calculer cette quantité d'énergie (voir cours échanges thermiques). 221) Rappeler la relation permettant de calculer cette chaleur à partir de la chaleur massique du fluide permettant l échange, de sa masse et de la variation de température : =. : énergie thermique en joules (J) m : masse de la substance en grammes (kg) : variation de température en Kelvin (K) c : chaleur massique (ou capacité thermique massique). En J/kg.K 222) A partir du fichier propriété thermodynamique de certaines substance relevé la chaleur massique de l eau, de l éthanol et de l éthylène glycol. Lequel de ces fluides conduit le mieux la chaleur. uel est l inconvénient principal de l eau? Préciser la température d ébullition de ces substances en C.(rappel : K = C + 273,15) 223) On vous demande de calculer l énergie (en Joule et en kwh) nécessaire pour faire passer la température des 300 litres d eau du ballon de 20 C à 55 C (1 litre d eau pèse 1kg et 1 Wh = 3600 Joule). 4/6

5 23) Equivalence chauffe-eau électrique : Une résistance d appoint permet de prendre le relais en cas de mauvais temps. Pendant combien de temps doit-on commander la résistance d appoint pour faire passer la température des 300 litres d eau du ballon de 20 C à 55 C? (la résistance d appoint fournit une puissance de 2,4 kw). 24)Dilatation volumique d un liquide. La dilatation est l'augmentation du volume d'un corps occasionnée par son réchauffement. Cette augmentation de volume est donnée par la relation suivante : V = V 0 (1 + a (- 0 )) V : volume du liquide à la température en litre ( l ) V0 : volume liquide à la 0 en litre ( l ) et 0 température du liquide en degré Celsius ( C) a : coefficient de dilatation volumique en K ) Dans le CESI quel élément permet de compenser les variations de volume. Où se situe cet élément? Préciser quel effet va produire cette dilatation? 242) uel élément assure la sécurité dans le circuit échangeur en cas d augmentation de pression trop importante? uel élément assure la sécurité dans le ballon en cas d augmentation de pression trop importante dans le ballon d eau chaude? 243) On estime le volume d eau de l installation dans le circuit échangeur à 15l (détail : panneau : 4,4 l, échangeur du ballon : 7,5 l et tuyauterie : 15,4 cl/m pour un diamètre intérieur de 14 mm). Le coefficient de dilatation volumique de l eau est a = 0, K -1. a) Calculer la longueur de tuyauterie utilisée. b) Calculer l augmentation du volume de l eau du chauffe-eau solaire lorsque la température passe de 20 C à 140 C. 25) Rôle de la régulation. Elle commande la mise en route du circulateur à partir des températures de sortie haute du capteur ( CH ) et de l entrée basse de l échangeur ( EB ). Lorsque le circulateur est arrêté : si ( CH - EB ) >8 C alors le circulateur est commandé. Lorsque le circulateur est en fonctionnement : si ( CH - EB ) < 4 C alors le circulateur est arrêté. La régulation réalise donc une commande différentielle ( CH - EB ) avec hystérésis (le seuil de commande est différent du seuil d arrêt). Compléter sur le chronogramme ci-dessous d évolution des températures le signal de commande du circulateur.(document réponse) 5/6

6 empérature [ C] sortie capteurs sortie échangeur Différentiel démarrage Différentiel arrêt pas d'acquisition 6/6

7 ANNEXES SYMBOLES UILISES EN HYDRAULIUE : mitigeur : Clapet anti -retour : Purgeur d air : Soupape de sécurité : Groupe de sécurité : Échangeu r : Vanne de réglage : Sens de circulation : Vanne d arrêt fermée : Vase d expansion : Vanne d arrêt ouverte : Circulateur : Sonde de régulation : Compteur d eau R : Régulation C : Compteur d énergie : Manomètre : Débitmètre : Sonde de température D : Détecteur crépusculaire 7/6

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