BTS FLUIDES ENERGIES ENVIRONNEMENTS Etude des Installations Session 2008 ----------- Eléments de Correction ---------- Coefficient : 4 Durée : 4 heures Page 1 sur 12
1 ère PARTIE : Analyse du schéma de principe initial A) Analyse de la documentation des chaudières : A l aide des documents de l annexe 2 pages 12, 13, 14, 15 et 16/33, donnez tout l appareillage manquant nécessaire au bon fonctionnement de chacune des chaudières. - Une pompe de recyclage par chaudière afin de répondre aux conditions les plus défavorables de température de retour d eau ( 60 C pour la Vitoplex et 65 C pour la Vitomax pour marche au gaz), ou bien un montage V3V en mélange inversé + pompe de charge - Un limiteur de niveau d eau ou pressostat manque d eau, - Un aquastat de sécurité (STB) (incorporé à la chaudière) - Un aquastat de réglage (TR) - Un limiteur de pression maximale (SDB1) - Un limiteur de pression minimale (SDB2) bien que non obligatoire - Un séparateur de liquide (EST) placé sur la conduite de refoulement des soupapes de sécurité B) Analyse du schéma de principe de raccordements hydrauliques : 1) Uniquement d un point de vue de la circulation du fluide caloporteur, à quel risque peut on s attendre au niveau de la chaudière n 1? Expliquez, s il y a lieu, en deux lignes une modification éventuelle du circuit de raccordement de cette chaudière. Le risque provient d une circulation parasite d eau dans la chaudière n 1 alors qu elle est arrêtée. Elle se transforme alors en un grand «radiateur» créant un point de mélange sur le départ commun au primaire et une montée en température de l air de la chaufferie. Il pourrait être prévu un clapet anti-retour (solution la moins coûteuse), ou bien une vanne deux voies motorisées asservie au fonctionnement du brûleur (solution la plus fiable). C) Critique du schéma de principe : 2) L utilisation de brûleurs modulants permettent-ils une sécurité maximale de garantie de fonctionnement des différentes chaudières? Pourquoi? Non. Etant donnée la variation de la température de départ d eau provoquée par la modulation de puissance au brûleur en fonction de l évolution de la température extérieure, la température de retour d eau aux chaudières sera quasiment toujours inférieure à 65 C. Cette température est en fait la température de retour d eau dans les conditions souhaitées de régime d eau et pouvant provoquer le phénomène de condensation au sein des chaudières. 3) Conclusion : Proposez un raccordement hydraulique complet de la chaudière n 2 en complétant le document réponse 3 page 33/33. Vous inclurez l appareillage minimal nécessaire à son bon fonctionnement (cf. sous partie A) Voir annexe Coefficient : 4 Durée : 4 heures Page 2 sur 12
2 ième PARTIE : Sélection de matériels A) Sélection des chaudières : 1) Déterminez la puissance nominale de chacun des 3 générateurs. 2 Vitomax 300 assurant chacune (puisque identiques) 2/3 des besoins, soit : P /chaudière = 2/3 * 4300 = 2900 kw 1 chaudière Vitoplex 300 de puissance : P = 4300 2900 = 1400 kw 2) A partir de l annexe 2 pages 12, 13, 14, 15 et 16/33, sélectionnez les générateurs en donnant toutes les références et indications que vous jugerez utiles. Justifiez vos choix. Vitomax 300 Vitoplex 300 Puissance utile kw 2900 kw 1400 kw Puissance absorbée kw 3135 kw 1514 kw Pression maxi de service 6 bars 6 bars Contre pression fumées 8,5 mbar 4,7 mbar Diamètre raccordement aller 150 mm 150 mm et retour Température de fumées à 180 C 180 C 80 C d eau Rendement global 96% 96% Capacité en eau 6380 litres 2330 litres Les puissances utiles correspondent aux besoins déterminés! Les dimensions ne sont pas utiles ici car on ne connaît pas les dimensions de la chaufferie. 3) Déterminez la puissance utile totale de la chaufferie. Puissance utile totale de la chaufferie : Pt = 2 * 2900 + 1400 = 7200 kw 4) Déterminez le diamètre de raccordement primaire et secondaire de la bouteille de découplage. Les hypothèses seront justifiées. - Débit volumique à 100 % de charge : qv 4300 3,6 4,18 75 60) qv = 247 m 3 /h - Vitesse maximale admissible : w = 1,5 m/s - Diamètre intérieur : di = 241 mm choix d un DN 250 Autre choix Si w = 2 m/s ------------------------------ di = 209 mm Choix d un DN200 Justification : Le choix d une vitesse de 2 m/s peut être accepté du fait que la chaufferie se situe à l extérieur du bâtiment. Le bruit éventuel n est pas gênant. 5) Représentez la bouteille de découplage avec les côtes de réalisation Règle des 3D 3D = 3 * 209 = 627 mm (si w = 2 m/s) 3D = 3 * 241 = 723 mm (si w = 1,5m/s) Coefficient : 4 Durée : 4 heures Page 3 sur 12
B) Sélection des brûleurs : Le récupérateur de chaleur n est pas raccordé 1) Expliquez en quelques lignes ce que signifie et implique le terme : «Brûleur Modulant». Le brûleur modulant permet une adaptation des besoins en chauffage en fonction de la température extérieure par variation du débit de combustible et du débit d air comburant. La température de départ est donc modulée en fonction de la variation de la température extérieure. La puissance délivrée par le brûleur peut varier théoriquement de 0 à 100% suivant les besoins. 2) Choisir, à l aide de l annexe 4 pages 21, 22, et 23/33, le modèle qui convient, en utilisant les courbes «tête de combustion ouverte» (voir fin de pages 21 ou 23/33). Justifiez vos choix. - Données fondamentales : Vitomax 300 Vitoplex 300 Puissance absorbée kw 3135 kw 1514 kw Contre pression fumées 8,5 mbar 4,7 mbar Type de brûleur Mixte gaz+fioul Gaz uniquement - Choix d après documentations : Vitomax 300 Vitoplex 300 Puissance absorbée kw 3135 kw 1514 kw Contre pression fumées 8,5 mbar 4,7 mbar Type de brûleur RGL 10/1D ZM G7/1D ZM Le point de lecture obtenu sur chaque graphe de sélection est proche de la courbe maximale. Un point trop à l intérieur indique un brûleur potentiellement adapté mais d un coût plus élevé C) Choix et sélection du système d expansion : 1) Expliquez, en quelques lignes, le fonctionnement de ce système d expansion lors de la mise en chauffe ainsi que lors de l arrêt de l installation. a) Elévation de température : A la mise en route du brûleur la température et donc la pression du circuit augmente. Dès que la pression dépasse la valeur de réglage du déverseur, celui-ci s ouvre et laisse fuir vers la bâche de stockage l excédent du volume d eau dilaté (phase d expansion), jusqu à retrouver sa valeur de réglage. b) Baisse de température A l arrêt du brûleur la température du fluide baisse et la pression statique chute (phase de contraction). Dès que la pression atteint le seuil de pression mini à maintenir dans l installation, la pompe est mise en route par le pressostat de commande. La pompe aspire dans la bâche de stockage et refoule dans le circuit pour faire remonter la pression, jusqu à retrouver sa valeur d arrêt pompe. Lorsque la pression dans l installation est stable, le déverseur et la pompe ne fonctionnent pas. 2) Donnez les différents paramètres nécessaires à son dimensionnement rapide. D après la documentation, il convient d avoir pour la sélection : - la puissance totale de l installation : 4300 kw - la pression à maintenir : Hauteur statique de l installation : 9 * 3 m = 27 m 2,7 bars effectifs La hauteur de 27 m est définie par le fait que les ventiloconvecteurs sont placés au sol (cf. introduction) La documentation est en pression absolue (3,7 bars) - Volume en eau de l installation : Bien que déduit de la lecture sur abaque, on peut le définir suivant les données du fabricant : soit 12 litres par kw ( 12 * 4300 = 51,6 m 3 ) Coefficient : 4 Durée : 4 heures Page 4 sur 12
3) Sélectionnez le système le plus approprié. Précisez le volume de la bâche. Choix du modèle : d après lecture : Type EXPANSION V V205 Bâche de 2000 litres 4) Déterminez, à priori, les valeurs de réglage des différents pressostats et du déverseur. D après les indications page 26/33 du sujet : 1) Pressostat de commande automatique : Evaluation théorique des valeurs de réglages avant Ajustement sur site en fonctionnement : Pression de marche minimum = Hauteur statique du bâtiment + garde de sécurité (5 à 10 mètres) = (3,0 * 9) + 5 = 32 m (soit 3,2 bars) Pression d arrêt = Pression de marche + différentiel du pressostat (0,5 bar) = 3,2 + 0,5 = 3,7 bars 2) Pressostat de sécurité Pression trop forte : Pression d arrêt pompe augmentée de 0,5 à 1 bar. Soit 3,7 + 0,5 = 4,2 bars 3) Pressostat de sécurité Pression trop faible : Pression d arrêt pompe diminuée de 1 à 1,3 bar. Soit 3,7 1 = 2,7 bars 4) Déverseur : Pression d arrêt pompe diminuée de 0,1 bar environ Soit 3,7 0,1 = 3,6 bars 5) L utilisation de soupapes de sécurité est-elle justifiée? Pourquoi? Si oui, donnez la valeur de tarage des soupapes de sécurité. Malgré la présence du pressostat de sécurité «Pression trop forte» s ouvrant à une pression de 4,2 bar, il convient d employer des soupapes de sécurité afin de se garantir d une défection du pressostat d arrêt et donc de protéger correctement la chaudière. La valeur de tarage des soupapes doit être légèrement supérieure à la pression d arrêt des pompes ; elle peut être de 6 bars maxi, correspondant à la pression maximale de service des chaudières. Coefficient : 4 Durée : 4 heures Page 5 sur 12
3 ième PARTIE : Etude du récupérateur de chaleur VITOTRANS333 - Durée : 50 min A) Sélection du récupérateur de chaleur : 1) A l aide de l annexe 3 pages 17, 18, 19 et 20/33, choisir le type de récupérateur à raccorder. Précisez la référence. Le choix se fait en fonction de la puissance de chaudière raccordée. Chaudière VITOPLEX300 type TZ3 Modèle de récupérateur : Pu = 1400 kw Z000779 2) Déterminez la puissance réelle fournie par le récupérateur, la température de fumées sortie chaudière (ou entrée récupérateur) sera considérée égale à 180 C. En fonctionnement à 100% de charge (2 chaudières en fonctionnement) la température de retour secondaire est de 60 C. D après la documentation page 18/33 : Puissance développée dans ce cas de figure : Courbe B (180 C) Température retour 60 C Coef = 0,54 P récupérateur = 0,54 * 140 kw P récupérateur = 75,6 kw 3) Evaluez le rendement du groupement «Chaudières + récupérateur» en utilisant la page 20./33. B) Economie réalisée : D après la documentation page 20/33 : le rendement global s obtient en additionnant les deux rendements (Chaudières + récupérateurs), soit : Régime d eau : 75/60 C Vitoplex et Vitomax 300 rendement global = 96% Récupérateur Z000779 rendement additionnel = 9% R = 96 + 9 = 105 % 1) Déterminez la quantité de gaz consommée par le groupement des 2 chaudières avec le récupérateur en fonctionnement. Pu Temps Volume de gaz consommé = = 4300 2100 = 843 137 m 3 R PCI 1,05 10,2 2) Evaluez l économie de gaz en m 3 / an obtenue, si la quantité de gaz consommée dans les conditions citées sans le récupérateur de chaleur est de 922 180 m 3. Donnez la valeur du gain réalisé en %. Economie réalisée dans la période de 100% de charge : 922 180 843 137 = 79 043 m 3 D où un gain de : 79043 100 = 8,5% 922180 3) Temps de retour sur investissement du récupérateur : a) Consommation initiale par an : C1 = 922180 * 10,2 = 9406236 kwh b) Consommation finale par an : C2 = 843137 * 10,2 = 8599997,4 kwh c) Gain en euro : Gain = (C1-C2)*Prix Gain = (9306236 8599997,4) * 0,0556 = 44 826,8662 Euros d) Soit un temps de retour de : Temps de retour = Investissement/coût d exploitation = 15800/44826,8662 = 0,353 an (soit en 4 mois et 22 jours environ) Coefficient : 4 Durée : 4 heures Page 6 sur 12
C) Vérification de fonctionnement : 1) Donnez la contre pression que devra vaincre le brûleur de la chaudière n 3. Ce brûleur devra vaincre la contre pression chaudière + la perte de charge côté fumées du récupérateur. Soit : Cp = 4,7 + 1,6 mbar = 6,3 mbar. 2) Indiquez si le choix initial (cf. limites d étude) était correct. Justifiez votre réponse. Brûleur de type G7/1D - P brûleur = 1514 kw Cp = 6,3 mbar Le point d intersection se situe juste en dehors de la courbe du G7/1D. Ce brûleur ne convient pas. Coefficient : 4 Durée : 4 heures Page 7 sur 12
4 ième PARTIE : Etude du réseau hydraulique de raccordement au récupérateur 1) Hormis la modulation de débit d eau, quel est l intérêt majeur de l utilisation d une pompe à vitesse de rotation variable? L intérêt majeur de l utilisation d une pompe à vitesse de rotation variable est l économie réalisée sur les consommations d énergie électrique par rapport à une pompe à vitesse de rotation constante. 2) A l aide de l annexe 3 pages 17, 18, 19 et 20/33, définir la page de débit pour laquelle la pompe pourra être sélectionnée? La page 19/33 indique la plage de débit que pourra supporter le récupérateur de chaleur. Modèle de récupérateur : Courbe de perte de charge : Z000779 G Plage de débit : de 14 à 100 m 3 /h 3) Déterminez le débit d eau maximum de la pompe en considérant un écart de température sur l eau maintenu à 5 C grâce à l action des capteurs de température sur la pompe. Il se calcule pour la puissance maximale que fournira le récupérateur : Soit : Température des fumées : 180 C Température de retour d eau : 20 C Page 18/33 : coef de correction de puissance = 1,1 Puissance du récupérateur : 1,1 * 140 = 154 kw Débit d eau maximum : 3, 6 4,18 154 = 26,5 m 3 /h 5 Remarque aux correcteurs : Le calcul est en fait plus complexe. Il faudrait tenir compte de la baisse de température des fumées et donc du débit des fumées à faible charge malgré l apport de chaleur due à la condensation, ainsi que d un débit élevé de fumées à 180 C à pleine charge avec un retour haut en température d eau, le tout sous un faible taux de condensation!! La différence de température entrée sortie d eau étant fixée à 5 C, il est difficile de définir de façon rigoureuse le moment précis où le débit maxi sera obtenu. Dans la mesure où il n existe pas, dans la documentation, des données suffisantes pour définir cet échangeur, le calcul du débit d eau maxi pour la puissance maxi est accepté, correspondant à un redémarrage de l installation! 4) Sélectionnez la pompe nécessaire ici, en considérant les pertes de charge des différents équipements hors récupérateur sont évaluées à 1,2 bar. Indiquez sa référence complète. Pour cela vous utiliserez l annexe 6 pages 27, 28 et 29/33. Pertes de charge totale du réseau : 1,2 bar + pdc récupérateur 1,2 + 0,004 = 1,204 bar qv = 26,5 m 3 /h Courbe B pdc récupérateur = 4 mbar Perte de charge totale à vaincre = 12,27 mce Choix de la pompe : TPE D 65 190/2 Coefficient : 4 Durée : 4 heures Page 8 sur 12
5 ième PARTIE : Régulation des systèmes - Durée : 30 min 1) Quelle est la valeur de consigne de l aquastat de réglage de chaque chaudière? Bien qu ayant une régulation modulant la puissance en fonction des besoins, l aquastat de chaudière permet une limite haute de température utile notamment pour la production d ECS. Valeur de réglage : 75 C (régime de fonctionnement) 2) Donnez la valeur de la pente du régulateur général Vitotronic333. Conditions : -10 C extérieur pour 75 C départ EAU 20 C extérieur pour 20 C départ EAU Pente : 1,8 (par lecture uniquement) 3) Proposez un schéma de principe de régulation de la chaudière n 2 directement sur le document réponse 2 page 32/33. Voir annexe Coefficient : 4 Durée : 4 heures Page 9 sur 12
Réponse 3 Coefficient : 4 Durée : 4 heures Page 10 sur 12
Réponse 1 (NON DEMANDE DANS LA VERSION EXAMEN 2008) RETOUR DEPART Coefficient : 4 Durée : 4 heures Page 11 sur 12
Réponse 2 Coefficient : 4 Durée : 4 heures Page 12 sur 12