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AP1.3: Energie thermique

Problématique :

Etre capable de déterminer l’énergie thermique d'un four par différentes mesures et d'en déterminer son efficacité énergétique

  

I. Présentation du système thermique (four)

    

L’étuve pédagogique sert en milieu industriel à chauffer des baguettes de soudure afin d’évacuer l’humidité résiduelle. En effet, cette dernière crée des défauts de soudure lors de la fusion de la baguette.

II. Etude de la fonction globale du système

            Afin de simplifier l’approche et la compréhension d’un système, on définit une représentation schématisée et simplifiée du système. Cette représentation est une représentation fonctionnelle. Aujourd’hui, on ne définira que le niveau A-0

1)      Donner, par un verbe, la fonction globale

du système «  Matair »

 

2)      Déterminer la matière d’œuvre de sortie

3) Complète l'analyse A-0:

4) Quelles sont les 2 énergies mises en jeu dans ce système :

Energie utile (ou utilisée) :          Wu : …………………………………..

Energie absorbée :                    Wa :…………………………………..

   

5) Compléter la chaîne d’énergie du système à partir des éléments du système :

III. Bilan énergétique  du système thermique :

Pour faire des essais, nous allons utiliser une maquette réalisée par des élèves de 1er STI2D; il s'agit d'une enceinte thermique chauffée par une lampe à incandescence de puissance   28W

La mesure de la température se fait par l'intermédiaire une sonde PT100 et d'un convertisseur: cet ensemble nous permet de mesurer la température à l'intérieur de l'enceinte par une mesure de tension. A l'aide d'une relation, on peut connaitre la température dans l'enceinte: cependant pour des raison pratique, on utilisera un thermomètre.

Cette enceinte permet de changer la nature des parois afin de faire des étude de déperdition énergétique (traité plus tard dans le programme)

Dans votre travail, vous étudierez seulement la notion de détermination d'énergie thermique et de rendement du système

 

Notre système ne fonctionne pas en mode de régulation (réglage d'une température souhaitée et apport de l'énergie en fonction) mais en mode de "boucle ouverte"; cela signifie qu'il n'y a pas  de régulateur qui agit en fonction de la valeur mesurée et celle souhaitée (comme dans le système précédent)

Nous alimentons seulement la lampe qui chauffe l'enceinte thermique jusqu'à une valeur de stabilisation. Pour faire une étude énergétique du système, nous allons procéder à des mesures coté électrique et coté thermique.

les dimensions de l'enceinte thermique  sont: L= 37 cm     l=26 cm et h= 23 cm

 

3.1 Energie absorbée:

Notre système convertit de l'énergie absorbée électrique en une énergie utile (utilisée) thermique. Pour mesurer de façon simple, la puissance absorbée et en déterminer l'énergie absorbée, on utilisera un appareil "compteur d'énergie" branché comme indiqué ci dessous

                 Une action sur "mode+" permet de changer l'affichage de l'écran                 

a. Quel est l'actionneur de notre système? quel est sa fonction principale?

b. A partir de ses caractéristiques, déterminer la valeur de son courant.

c. Après avoir branché l'ensemble et fait vérifier par l'enseignant, relever la valeur du courant sur le "compteur"

d. Analyser la valeur obtenue par rapport à celle calculée. S'il y a une différence, justifier la cause

e. Relever la valeur mesurée de la puissance en essayant de faire une approximation par rapport à l'erreur trouvée; Noter cette valeur dans votre tableau Excel "mesure thermique"

3.2 Energie utilisée:                                          on placera l'appareil de mesure de température le plus près de la lampe

a. De quelle nature est cette énergie utilisée (analyser par rapport à la fonction principale de cette actionneur)

b. Procéder aux mesures de la température (affichée sur l'écran pour les temps indiquée)

 

  

3.3 Calcul à partir des mesures:                  compléter les encadrés  de "mesure thermique"

a. Pour chaque mesure, calculer l'énergie thermique dans l'enceinte.

Pour cela:               - Déterminer le volume de l'enceinte (compléter l'encadré 1)

- Calculer la masse du volume de l'air sachant que la masse volumique est d'environ 1,225 kg/m3
(compléter l'encadré 2)

- Calculer l'énergie thermique utilisée pour la première période de 1 minute sachant que la capacité thermique massique de l'air est C= 1004 J/(C.kg); (compléter l'encadré 3)

                          

- Compléter le tableau à la ligne Qu

b. Calculer l'énergie absorbée: Cette énergie dépend de la puissance de l'actionneur de l'enceinte et du temps soit

Qa= P x Temps    avec Qa en joule, P en Watt et T en seconde

Calculer l'énergie absorbée pour la première période de 1 minute (compléter l'encadré 4)

-  Compléter le tableau à la ligne Qa

c. Calculer le rendement du système de chauffe

η= Qu/Qa avec η en %

- Calculer le rendement pour la première période (compléter l'encadré 5)

- Compléter  le tableau à la ligne η

3.3 Analyse des mesures:

- Comment évolue l'énergie thermique au fur et à mesure de l'élévation de température?

- quel peut en être la cause? justifier votre réponse

- comment évolue l'énergie absorbée? qu'est ce qui peut justifier votre réponse

- Comment évolue l'efficacité de chauffage par la lampe au fur et à mesure de l'élévation de température?

Complément: Faire d'autres série de mesure mais en plaçant le thermomètre  plus loin de la source de chaleur