Le collège de Porticcio et présentent Le goutte à goutte : attention, ça coûte! 1
Introduction : En 5 ème, on a appris que l'eau douce ne représente que 2,7 % de l'eau sur Terre. De plus, cette eau douce est majoritairement stockée dans les calottes polaires et les glaciers. L eau douce n est accessible que dans les nappes phréatiques, les lacs et les rivières et ne représente donc qu environ 0,65% de l eau présente sur Terre. Pour rendre cette eau douce potable, il faut encore lui faire subir quelques traitements qui nécessitent beaucoup d énergie et des produits chimiques. Voilà pourquoi on ne doit pas gaspiller l'eau potable! Et pour éviter de la gaspiller, il faut traquer les fuites! Ce projet consiste donc dans un premier temps, à comprendre comment Kyrnolia rend l eau potable et comment cette entreprise détecte les fuites dans le réseau de distribution. Dans un deuxième temps, nous déterminerons le volume d eau perdu par un robinet qui fuit au goutte à goutte. Enfin, nous construirons une alarme électronique anti fuite. 2
Visite de l usine de potabilisation de l eau d Ajaccio : Description de l usine : L usine de la Confina se trouve en hauteur (130 m d altitude) à l est de la ville d Ajaccio. C est une usine qui est automatisée et télégérée : différents capteurs permettent de contrôler les différentes étapes depuis l arrivée de l eau jusqu à son départ dans les canalisations. L'eau est captée dans des sources souterraines à Baléone (un quartier d Ajaccio), dans un fleuve (le Prunelli) et dans une retenue d eau ( à Ocana). L eau rendue potable est distribuée à Ajaccio. L usine de la Confina produit 40 000 m 3 d eau potable par jour. Les différents captages vus de l usine Les étapes de la potabilisation : L'eau est pompée dans 2 points d'eau naturels ; l eau de la retenue arrive par gravité. L eau subit des pré-traitements avec différents produits chimiques, en particulier avec de l ozone pour oxyder les métaux présents puis l eau est placée dans des «piscines», appelées floculateurs décanteurs. Dans ces bassins, le produit chimique utilisé permet de fabriquer les flocs. Les flocs contiennent les petits solides présents dans l'eau (poussières, débris végétaux ) que le produit chimique a rassemblés pour former de plus grosses particules. Ces flocs vont ensuite décanter, c est à dire couler aux fonds des bassins. Les boues sont récupérées et traitées avant d être évacuées. Ensuite, l'eau clarifiée est dirigée vers des filtres à sable, des filtres qui permettent de retenir les flocs qui pourraient être encore présents. Puis, l'eau est désinfectée grâce à l'ozonation qui sert à éliminer les germes qui peuvent être présents dans l'eau. Cette étape demande beaucoup d énergie car l ozone est fabriqué sur place. 3
La dernière étape de la potabilisation de l'eau est la chloration. On verse du chlore dans l'eau en quantité suffisante pour détruire les dernières bactéries présentes et pour préserver la qualité de l eau pendant son transport. L'eau est ensuite stockée dans des réservoirs ou des châteaux d'eau avant d'être distribuée dans le réseau hydraulique puis consommée par la population. Le suivi des différentes étapes est fait par ordinateur, comme le montre l écran de contrôle ci-dessous : Le coût : Kyrnolia utilise donc des produits chimiques (chlore, chaux) pour rendre l eau potable. Mais, 50% du coût représente l énergie utilisée pour rendre l eau potable : d abord pour faire fonctionner les pompes qui font monter l eau jusqu à l usine ; ensuite, pour fabriquer l ozone. Mais surtout, l eau douce est captée dans la nature et cette ressource n est pas inépuisable. Comment détecter les fuites : Lorsque nous sommes allées visiter l'usine de traitement des eaux, nous avons rencontré un technicien qui travaille dans la détection des fuites. Il nous a expliqué que la fuite peut être déjà repérée par ordinateur en comparant la quantité d eau fournie par l usine et les quantités qui arrivent dans les différents réservoirs de la ville ou dans les différents quartiers. La fuite peut être également repérée par une hausse anormale de la consommation de nuit. 4
Le contrôle des réservoirs Evolution de la consommation au cours du temps Lorsqu une fuite est suspectée, ce technicien va poser des «oreilles» sur les canalisations d eau : ce sont des appareils qui enregistrent les bruits d écoulement des eaux. En cas d écoulement suspect, il rapproche les enregistreurs et il peut ainsi déterminer l endroit précis de la fuite pour faire intervenir des ouvriers pour la réparer. Les enregisteurs les «oreilles» 5
Quel est le volume gaspillé par un robinet qui fuit au goutte à goutte? Principe du calcul : Pour calculer le volume gaspillé par un robinet qui fuit au goutte à goutte, il faut d abord connaître le nombre de gouttes qui tombent par seconde (c est à dire la fréquence des gouttes) mais aussi le volume de chaque goutte. Problèmes rencontrés et hypothèses posées. Fréquence des gouttes : Nous avons choisi la fréquence d une goutte par seconde car c est un rythme que l on arrive facilement à imposer au robinet. En effet, lorsqu on simule une fuite d eau, il faut ouvrir suffisamment le robinet pour que le goutte à goutte soit régulier, mais pas trop, sinon, les mesures ne sont pas reproductibles : lorsqu on a pris les gouttes en photo, on s est aperçu que si il y plus qu une goutte par seconde, les gouttes n ont pas la même taille. Par contre, avec cette fréquence, toutes les gouttes ont la même taille et les mesures sont reproductibles. Et puis, cela nous a facilité les calculs pour calculer le volume d eau gaspillé. Taille et forme du robinet : Pour réaliser nos premières mesures, nous avons utilisé les robinets de la salle de SVT ; puis nous avons poursuivi nos mesures chez nous. Nous nous sommes vite aperçues que les résultats étaient très différents d un robinet à l autre. Le diamètre du robinet semble avoir de l importance sur la taille de la goutte, ainsi que la présence d un embout : plus le robinet est large, plus la goutte est grosse. L embout perturbe l écoulement de l eau et semble modifier la taille des gouttes. 6
Conclusions : Nous pouvons donc conclure que la quantité d'eau gaspillée à cause d un goutte à goutte dépend de la taille et la forme du robinet, et aussi de la fréquence des gouttes qui tombent. Pour faire nos expériences, pour pouvoir les comparer, et en tirer des conclusions, nous avons utilisé les mêmes robinets de la salle de sciences, sans embout en imposant la chute d une goutte par seconde. Comment mesurer le volume d une goutte? Avec l éprouvette graduée : Pour mesurer le volume d une goutte avec une éprouvette graduée, il faut choisir un nombre de gouttes puis le recueillir dans une éprouvette graduée. Quand le nombre de gouttes choisi est tombé dans l éprouvette on lit le volume occupé dans l éprouvette. Puis on le divise par le nombre de gouttes. Nombre de gouttes Volume des gouttes en ml Volume d une goutte en ml 20 30 40 50 60 2,4 3,6 4,8 6 7,2 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 7
Avec la fiole jaugée : Pour mesurer le volume d'une goutte avec une fiole jaugée, il suffit de compter le nombre de gouttes nécessaires pour remplir une fiole jaugée de 5 ml. Ensuite, on divise 5 ml par le nombre de gouttes, ce qui nous donnera le volume d une goutte. On remarque qu avec 41 gouttes, le trait de jauge n est pas atteint mais que le volume de 42 gouttes est légèrement supérieur à 5 ml. On peut donc encadrer le volume d une goutte : 0,119 ml < V goutte < 0,122 ml Avec la balance : On a appris en 5 ème qu un litre d eau a une masse de 1kg. Avec une balance précise, on va peser la masse d un certain nombre de gouttes d eau puis en déduire la masse d une goutte. Nombre de gouttes Masse des gouttes en g Volume d une goutte en ml 20 30 40 50 60 2,4 3,6 4,8 6 7,2 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 Avec l appareil photo : Pour mesurer le volume d'une goutte avec l'appareil photo, nous avons d'abord établi un goutte à goutte sur notre robinet, puis nous avons fixé une règle près du robinet. Ensuite, nous avons pris en photo, les gouttes qui tombaient le long de cette règle. Cela nous a permis de constater que les gouttes sont rondes! Nous avons également observé que si on augmente la fréquence des gouttes, elles n ont pas toute la même taille. Ensuite, nous avons mesuré le diamètre de la goutte grâce à la règle sous le robinet. Ensuite, nous nous sommes servies de la formule mathématique permettant de calculer le volume d'une sphère : 4/3 x π x (Rayon)³. 8
Mais les résultats trouvés par cette méthode ne sont pas précis pour plusieurs raisons : - la goutte n est pas toujours parfaitement sphérique. - les reflets dans la goutte ne permettent pas toujours de déterminer exactement son diamètre. - et surtout, la goutte n est pas toujours exactement dans le plan de la règle ce qui entraine une erreur d échelle. Conclusion: Toutes ces mesures ont été réalisées plusieurs fois, sur le même robinet, avec la même fréquence de goutte. On peut donc en conclure que, lorsque le robinet de la salle 14 perd une goutte par seconde, chaque goutte a un volume de 0,12 ml Calcul du volume gaspillé : Pour calculer le volume d eau perdu, on a supposé que le robinet perd une goutte de 0,12 ml par seconde. Résultats pour un robinet : Durée 1s 60s Volume en ml Volume en L 3600 s = 1 heure 86400 s = jour 2 592 000s = 1 mois 31 557 600s = 1 an 0,12 7,2 432 10 368 311 040 3 784 319 0,432 10 311 3 784 Coût de la fuite : Sur une facture de Kyrnolia, nous avons calculé que 1 m 3 coûte environ 3 euros. Cela signifie que si la fuite dure 1 mois cela coutera au consommateur 1 euro. Cela semble peu mais c est sans compter l énergie et les produits chimiques que Kyrnolia a utilisé pour rendre cette eau potable inutilement. 9
Fabrication d un système d alarme en cas de fuite. Principe de fonctionnement du montage : Pendant nos expériences, nous avons constaté que l eau du robinet laisse passer un très faible courant. Donc, si la goutte d'eau touche deux fils de connexion légèrement espacés, un faible courant circulera dans le circuit électrique. Nous avons donc construit un circuit électrique alimenté par une pile et contenant un récepteur pouvant nous alerter en cas de fuite : une DEL ou un buzzer. Mais il fallait trouver un moyen de faire tomber la goutte exactement entre les 2 fils. Nous avons essayé d utiliser plusieurs fils pour multiplier les chances que la goutte les relie mais l ensemble n était pas très facile à positionner. La réalisation du détecteur : Pour améliorer la détection de la fuite, nous avons travaillé avec notre professeur de technologie M. Frébet : il nous a donné l idée de remplacer les fils par 2 grilles métalliques superposées mais légèrement espacées par des plaques de plastique. Pour couper les grilles, nous avons utilisé un massicot, un appareil qui permet de couper le fer grâce à une lame puissante actionnée par un bras de levier. Pour découper proprement les plaques de plastique M. Frébet a utilisé une «Charly» (machine à découpe numérique) : il a d abord utilisé un logiciel pour faire les plans de nos plaques puis son ordinateur a commandé la fraiseuse qui les a découpées. Cette machine coûte le prix d'une voiture! Le massicot la «Charly» Puis nous avons mis des bornes électriques pour pouvoir relier ce détecteur à notre circuit électrique 10
L alarme lumineuse : Pour fabriquer l alarme lumineuse, nous avons placé notre détecteur en série avec une pile, une DEL et une résistance. Lorsqu une goutte tombe sur le détecteur, le circuit se ferme mais la DEL ne brille presque pas : le courant qui circule est trop faible. Nous avons alors retiré la résistance : la DEL brille parfaitement. Mais, La DEL n est pas une alarme efficace : il faut être dans la même pièce pour la voir et, à ce moment-là, on entend la goutte qui tombe! On a voulu la remplacer par un buzzer mais l eau du robinet n est pas assez conductrice : le buzzer n a pas assez d énergie. L alarme sonore : M. Frébet nous a alors montré des composants que l on ne connaissait pas : les transistors. Ces transistors amplifient l intensité du courant qui circule dans le buzzer, ce qui lui fournit assez d énergie pour le faire fonctionner. Mais le circuit est encombrant ; nous avons alors reporté notre circuit sur une plaque de circuit imprimé que nous avons d abord percée puis sur laquelle nous avons soudé les composants afin de miniaturiser l alarme sonore. L alarme avec la carte arduino: Pour que l alarme soit encore plus efficace, nous avons utilisé une carte arduino qui est une carte programmable. Nous avons relié notre détecteur à un transistor pour qu il fonctionne en tout ou rien : lorsqu une goutte d eau tombe, elle fait circuler le courant de base et le transistor devient passant. Lorsqu il n y a pas de contact, il n y a pas de courant de base et le transistor est bloqué. 11
Puis on a programmé la carte pour 3 types d alarmes : les deux premières gouttes déclenchent l allumage d une DEL ; les deux suivantes déclenchent une alarme sonore. Puis les suivantes envoient un message en bluetooth à un récepteur, (ordinateur, tablette ou téléphone). Visé par M. Poli, principal du collège de Porticcio, le 24 /03 /2015. 12