Transformation d'un refuge, Bts Bâtiment 2019.

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Les propriétaires d’un refuge désirent l’agrandir en restaurant panoramique utilisable en saison hivernale.
 Le refuge n’étant pas relié au réseau électrique et disposant déjà d’un parc de panneaux solaires, l’installation d’une pico-centrale hydroélectrique est donc envisagée.
Thermique (A)
Étude thermique du restaurant.
 Le refuge de montagne est situé à 2350 m d’altitude.
Description de l’extension.


1- Résistances thermiques surfaciques des parois.
  1) Exprimer littéralement la résistance thermique surfacique rp de la porte reliée à l’extérieur. Calculer sa valeur.
Epaisseur ep = 8,0 cm ; largeur 0,95 m ; hauteur : 2,00 m ; lp =0,20 W m-1 K-1.
rp =rsi +rse+ ep / lp =0,11 +0,060 +0,080 / 0,20 =0,57 m2 K W-1.
  2) Exprimer littéralement la résistance thermique surfacique rm d’un mur. Calculer sa valeur.
Composition d'un mur multicouche :
Béton eb = 20 cm, lb= 1,4 ; laine de verre : eL = 20 cm, lL= 0,04 ; plâtre :epl = 1,3 cm, lpl= 0,40.
rm =
rsi +rse+ eb / lb +eL / lL +epl / lpl = 0,11 +0,060 +0,20 / 1,4 +0,20 /0,04 +0,013 /0,4= 0,14286 +5,0 +0,0325 =5,175 ~5,2 m2 K W-1.
rm= 0,17 +0,14286 +5,0 +0,0325 =5,345 ~5,3 m2 K W-1.

2- Transferts thermiques à travers les portes et les murs.
Pour la suite du problème, on prendra : rp =0,57 m2 K W-1 ; rm =5,3 m2 K W-1.
  1) Que peut-on dire du flux thermique pour la paroi séparant le refuge et le restaurant ? Justifier.
Les deux locaux étant à la même température, le flux thermique pour la paroi séparant le refuge et le restaurant est nul.
2. Exprimer littéralement les flux thermiques Fp à travers la porte et Fm à travers l'ensemble des murs. Les calculer.
Fp =Sp (qint-qext) / rp =0,95 x2,00 (21-(-10)) / 0,57 =103,33 ~103 W.
Fm =Sm (qint-qext) / rm  ;
 surface des murs : (15 +10 +15 ) x2,50 - 0,95 x2  - 4 x1,80 x 2,15 =100-1,9 -15,48 =82,62 m2.
Fm =82,62 x31 / 5,3 =483 W.

3- Pertes thermiques par la ventilation.
 Pour renouveler l’air et éviter les problèmes de condensation, une ventilation est installée dans le restaurant.
 Elle prélève l’air extérieur à la température θext = -10°C pour l’injecter à l’intérieur du restaurant.
 Chaque heure, 15% du volume d’air du restaurant est renouvelé.
 capacité thermique de l’air : cair = 1,22.103 J.m-3.K-1

  1) Montrer que l’énergie Q nécessaire pour réchauffer cet air vaut 2,1.106 J par heure de fonctionnement.
Volume du restaurant : 15 x 10 x 2,50 =375 m3.
Volume d'air renouvellé par heure : V =375 x0,15 =56,25 m3.
Q = V Cair Dq=56,25 x 1,22 103 x31 ~2,1 106 J.
  2) Calculer la puissance thermique Φven associée à ce chauffage.
2,1 106 / 3600=591 W.

4- Bilan thermique du restaurant.
 Les flux thermiques perdus par le sol,  le plafond et les baies vitrées du restaurant s’élèvent au total à 340 W.
 Montrer que la puissance thermique Pth que devra apporter le système de chauffage pour maintenir la température à l’intérieur du restaurant est de 1,5 kW.
103 + 483 +591 +340 =1517 W ~1,5 kW.



Mécanique des fluides.

 Une pico-centrale est une installation transformant l’énergie hydraulique d’un cours d’eau en énergie électrique, d’une puissance inférieure à 20 kW.
 La puissance de la centrale est directement proportionnelle à son débit d’équipement et à sa hauteur de chute.
 Une turbine reliée à un alternateur (non représenté) est alimentée par une retenue d’eau.
 Les conduites sont enterrées dans le sol pour éviter le gel.


 

1- La vanne est fermée.
  1) Exprimer littéralement puis calculer la pression relative Pr (B) exercée sur la paroi gauche de la vanne.
Pr(B) = reau g (zA-zB) = 1000 x 9,8 (2368-2353)=1,47 105 Pa ~1,5 bar.
 
2) En déduire la valeur de la force F (B) exercée par l’eau sur le clapet de la vanne sachant que sa surface plane est s = 0,25 cm2.
FB =Pr(B)  s = 1,47 105 x0,25 10-4 ~3,7 N.

2- La vanne est ouverte.
 L’eau circule dans l’installation et sort de l’injecteur vers la turbine Pelton qui se met en rotation.
 Au bout de quelques secondes, on suppose que le régime permanent est atteint.
 L’eau est considérée comme fluide parfait incompressible et on suppose que les niveaux de l’eau dans les retenues amont et aval restent constants.
Vitesses de l’eau et débit
  1) En appliquant l’équation de Bernoulli entre deux points à préciser, montrer que la vitesse d’écoulement vc du fluide au point C (sortie de l’injecteur) vaut 17 m.s-1.
Entre les points A et C : vA = 0 ; PA = PC = Patm ; zA-zB =15 m.
Equation de Bernoulli : 0,5 r ( vA2-vC2) +rg(zA-zC)+PA-PC=0.
0,5 x1000(-vC2)+1000 x9,8 x15 =0 ; vC2=9,8 x15 / 0,5 =294 ; vC =17,14 ~17 m /s.
2) Exprimer littéralement puis calculer, en m3.s-1, le débit volumique qv de l’eau dans la conduite d’alimentation.
Diamètre de la conduite  : 0,10 m. Section :S = 3,14 x0,102 / 4 = 0,00785 m2.
Diamètre de la sortie de l'injecteur : 0,04 m ; section S' = 3,14 x0,042 / 4 = 1,257 10-3 m2.
Conservation du débit  qv = vC S' =17,14 x
1,257 10-3 = 0,02154 ~0,022 m3 s-1.
3) Exprimer littéralement puis calculer la vitesse vB de l’eau dans la conduite d’alimentation.
Conservation du débit qv = vB S  ; vB = 0,02154 / 0,00785 = 2,744 ~2,7 m /s.

Puissance de la pico-centrale

 La puissance maximale Pext récupérable est égale à 3,0 kW.
 Le rendement de la turbine est η = 60%.
  4) Calculer la puissance électrique Pélec produite par l’alternateur, supposé sans perte.
Pélec = Pext x rendement =3,0 x 0,60 =1,8 kW.
  5) La pico-centrale permettra-t-elle un apport de puissance suffisant pour le refuge après transformation ?  Justifier.
 Oui : la puissance électrique de la picocentrale est supérieure à la puissance thermique du système de chauffage.

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Solutions aqueuses (C)
Analyse de l’eau du circuit hydraulique.
 L’eau circulant dans la pico-centrale doit être contrôlée pour assurer le bon fonctionnement de l’installation : une eau trop « dure » favorise l’entartrage des canalisations et de l’injecteur, alors qu’une eau trop « douce » favorise la corrosion de la turbine en acier ; de même, une eau trop alcaline ou trop basique est « agressive » vis-à-vis des canalisations et favorise également le dépôt de tartre.

1- Nature acido-basique de cette eau.
 Un laboratoire a mesuré une concentration molaire volumique en ions oxonium  dans cette eau égale à 1,6.10-6 mol.L-1.
  1) Calculer le pH de cette eau.
pH = -log(1,6 10-6) =5,8.
  2) Préciser la nature acido-basique de cette eau, en justifiant.
Le pH de l'eau étant inférieur à 7, l'eau est acide.

2- Mesure du TAC (titre alcalimétrique complet).
Le TAC est égal au volume (mL) d’acide chlorhydrique à 0,020 mol.L-1 nécessaire pour doser 100 mL d’eau en présence d’un indicateur coloré, l’hélianthine.( zone de virage [ 2,4 ; 4,4 ].
 Il s’exprime en degrés français et ses valeurs optimales sont comprises entre 10°f et 25°f.
 En pratique, pour déterminer le TAC, on prélève 50 mL d’eau auquel on rajoute 3 gouttes d’hélianthine.
 Le dosage est réalisé sous agitation magnétique en rajoutant progressivement de l’acide chlorhydrique à 0,020 mol.L-1, jusqu’au volume équivalent.
  1) Faire un schéma en coupe et annoté du dispositif expérimental de dosage.


  2) Quelle est la couleur de l’indicateur coloré au début du dosage ? Justifier
Le pH de l'eau est voisin de 5,8, valeur supérieuire à 4,4 ; l'hélianthine est jaune.
  3) Comment voit-on que l’équivalence est atteinte ?
Changement de couleur de la solution : jaune ---> rouge.
 Pour l’eau alimentant la pico-centrale, on trouve VE = 7,1 mL.
  4) En déduire son TAC et conclure.
TAC = 2 x7,1 = 14,2°f, valeur comprise entre 10 et 25°f.

Dureté de l'eau.
 L’eau alimentant la pico-centrale possède une concentration massique volumique de 55 mg.L-1 en ions calcium et 13 mg.L-1 en ions magnésium.
 Calculer le titre hydrotimétrique TH de cette eau et conclure.
TH =10 ([Mg2+] + (Ca2+] ), les concentrations étant exprimées en mmol / L.
[Ca2+]= 55 / 40 ~1,375 mmol /L ; [Mg2+]= 13 / 24 ~0,542 mmol /L ;TH = 10 (1,375 +0,542) ~19°f, valeur comprise entre 15 et 40 : l'eau est moyennement dure.

 

 


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