Concentration d`une solution de sucre dans un évaporateur

Fiche de présentation de la ressource
Classe : Terminale
Enseignement : Sciences Physiques et chimiques en
laboratoire
THEME du programme : Systèmes et Procédés
Concentration d'une solution de sucre dans un évaporateur
Extrait du BOEN
NOTIONS ET CONTENUS
CAPACITES
A/ Echange thermique
Tale PCL
Flux thermique en régime permanent.
Échangeur thermique.
Tale PC
Transfert thermiques et changements d'état.
Transformations physiques et effets thermiques
associés
1ère PC
Flux thermique
Tale PCL
Choix du matériau
Déterminer expérimentalement le flux thermique
échangé par les fluides dans un échangeur liquide –
liquide.
Évaluer à partir de données expérimentales le
coefficient global d’échange.
Utiliser l'enthalpie de changement d'état pour effectuer
un bilan énergétique.
Classer des matériaux selon leurs propriétés isolantes.
Proposer, en argumentant à partir d’une
documentation, un matériau adapté à une partie d’un
système donné, en fonction d'un cahier des charges
(propriétés d'usage, capacités de durabilité,
durée de vie, recyclage, impact économique, impact
environnemental et sociétal).
B/ Mécanique des fluides
Tale PC
Pression dans un fluide parfait et incompressible en
équilibre : pressions absolue, relative et différentielle.
Écoulement stationnaire.
Débit volumique et massique.
Tale PCL
Conservation de l’énergie.
Fluide incompressible en mouvement.
Puissance hydraulique.
Pertes de charge.
Mesurer des pressions (absolue et relative).
Expliciter la notion de vitesse moyenne d'écoulement
dans une canalisation.
Mesurer un débit.
Énoncer et exploiter la loi de conservation de l’énergie
d’un fluide incompressible en mouvement.
Déterminer expérimentalement l’influence de quelques
paramètres sur les pertes de charge : vitesse
d’écoulement, longueur et section de la canalisation,
singularités.

C/ Contrôle et régulation
Tale PCL
Grandeurs fonctionnelles :
grandeurs réglées, réglantes et perturbatrices
Régulation à action continue (PI) :
critères de performance d’une boucle
d’asservissement ou de régulation :
• Précision
• rapidité
• amortissement
Identifier les grandeurs fonctionnelles d’une boucle de
régulation.
Mesurer les critères de performance en boucle fermée,
autour d’un point de fonctionnement, suite à un
échelon de consigne :
• l’écart statique ;
• le temps de réponse à 5% ;
• la valeur du 1er dépassement.
En asservissement et en régulation, pour un échelon de
consigne ou de la perturbation :
• Mettre en évidence expérimentalement l’influence
du gain sur l’écart statique, le temps de réponse à 5%
et le dépassement pour une correction proportionnelle.
• Mettre en évidence expérimentalement l’influence
d’une correction intégrale sur l’écart statique, le temps
de réponse à 5% et le dépassement.
D/ Capteurs de température
1ère MI
Capteur et principe physique associé.
Utilisation des appareils de mesure.
Choix des appareils.
Tale PCL
Modèle d’un dipôle actif, limitation du modèle
Caractéristique de transfert statique d’un capteur
Conditionneur de capteur
Associer la mesure d’une grandeur au principe
physique d’un capteur.
― connaître la grandeur mesurée
― choisir un instrument de mesure adapté en
fonction de ses caractéristiques (sensibilité, temps de
réponse, fidélité, justesse, étendue de mesure)
Déterminer expérimentalement la caractéristique de
transfert statique d’un capteur.
Visualiser la réponse temporelle d’un capteur.
Déterminer le temps de réponse d’un capteur.
Visualiser et exploiter la caractéristique de transfert
d’un ensemble capteur – conditionneur.
E/ Alimentation électrique
1ère PC
Energie et puissance électriques : tension, intensité.
Réaliser un circuit électrique d’après un schéma
donné.
Mesurer une tension électrique, une intensité
électrique dans un circuit en régime continu ainsi que
dans un circuit en régime sinusoïdal.
Visualiser une représentation temporelle de ces
grandeurs et en analyser les caractéristiques.

Protection contre les risques du courant électrique.
Tale PCL
Conversion statique de l’énergie électrique.
Citer le rôle d’un transformateur de tension.
Associer le redresseur à un convertisseur alternatif-
continu
F/ Etude énergétique du procédé
Tale PC
Débit volumique et massique.
Tale PCL
Flux thermique en régime permanent.
Échangeur thermique.
1ère MI
Notion d’incertitude.
Mesurer un débit.
Analyser par réfractométrie la composition d’un
mélange à partir d’une courbe d’étalonnage.
Déterminer expérimentalement le flux thermique
échangé par les fluides dans un échangeur liquide –
liquide.
Evaluer les incertitudes associées à chaque source
d’erreur.
Comparer le poids des différentes sources d’erreur.
Evaluer l’incertitude d’une mesure :
― à partir de la documentation du constructeur
― à l’aide d’une formule d’évaluation (fournie à
l’élève)
Evaluer la valeur moyenne et l’écart-type
expérimental d’une série de mesures effectuées dans
des conditions de répétabilité.
Evaluer l’incertitude de répétabilité à l’aide d’une
formule d’évaluation (fournie à l’élève).
Compétences transversales et attitudes
 Mobiliser ses connaissances
 Formuler des hypothèses
 Définir une procédure de résolution
 Choisir une solution et la justifier d’un point de vue scientifique, technologique, socio-économique
 Rendre compte d'une démarche et de résultats à l’écrit
Type de ressource
 Activité documentaire
 Activité expérimentale
 Démarche d’investigation

Résumé du contenu de la ressource et conditions de mise en œuvre
Le système étudié est un évaporateur permettant la concentration d'une solution de sucre. On peut le
caractériser ainsi :
Entrée
Sortie
solution aqueuse de sucre
solution aqueuse de sucre concentrée
vapeur d'eau
Besoin : concentration de la solution avant cristallisation du sucre
Le système a été décomposé en six thèmes dont cinq correspondent à différentes fonctions réalisées
dans l'installation et un dernier plus général qui vise à déterminer le coût énergétique du procédé.
Il s'agit de :
A/ Echange thermique
B/ Mécanique des fluides
C/ Contrôle et régulation
D/ Capteurs de température
E/ Alimentation électrique
F/ Etude énergétique du procédé
Les thèmes étudiés correspondent à des séances de deux à trois heures. Ils sont conçus pour être
traités chacun par un groupe de deux à trois élèves. La rotation des groupes s'effectue sur six semaines
correspondant aux 6 thèmes.
Il est nécessaire d'effectuer en classe entière une présentation préalable de l'étape d'évaporation dans
le procédé sucrier. Le site suivant fournit à ce sujet une présentation intéressante.
www.labetterave.com/getFile.aspx?FILEID=306
Il paraît difficile de réaliser les activités proposées sans avoir au préalable abordé certaines notions
complémentaires à celles du tronc commun. Cette première approche peut avoir été effectué lors de l'étude
d'un autre système ou par un autre type d'activité comme par exemple une étude documentaire en classe
entière. Dans le système étudié, les prérequis des notions complémentaires sont :
 Flux thermique en régime permanent et échangeur thermique
 Fluide incompressible en mouvement, puissance hydraulique et perte de charge
 Aspect fonctionnel d'une boucle de régulation
Le matériel particulier nécessaire pour ces activités est :
 un banc d'évaporateur
 un banc de mécanique des fluides
 un banc d'échangeurs thermiques
 un banc de régulation
Les documents fournis en début de chaque activité sont très réduits afin de favoriser la démarche
d'investigation. L'enseignant ne doit intervenir qu'en cas de blocage sur la démarche ou de difficulté à
maîtriser un appareil.

Par contre l'objectif n'est pas pour l'élève de maîtriser le fonctionnement d'un banc. Pour toutes les
activités expérimentales sur les bancs précédents et surtout sur le banc d'évaporation, il faut fournir le "mode
d'emploi" de l'appareil. Autrement dit, il faut indiquer à partir d'un schéma de l'appareillage avec
numérotation des vannes et accessoires principaux, les actions nécessaires pour, par exemple, démarrer une
pompe, alimenter l'évaporateur ou chauffer un fluide. La difficulté pour l'élève ne doit pas être de réaliser
une évaporation.
Dans les activités expérimentales décrites, aucun détail n'est donné par exemple sur les valeurs
numériques à utiliser. Il est bien évident qu'en fonction de l'équipement des différents établissements il
faudra adapter le contenu des thèmes.
Pour l'évaporateur, l'équipement suivant est suffisant :
- un évaporateur avec un fluide chaud (températures d'entrée et de sortie ainsi que débit ou
pression disponibles). La description des thèmes A/ et F/ est basée sur un évaporateur dont la
préchauffage de l'alimentation et le chauffage de l'évaporateur sont réalisés en utilisant une
huile organique comme fluide chaud
- un condenseur-réfrigérant avec un fluide froid (températures d'entrée et de sortie
disponibles)
- une pompe d'alimentation avec un débit mesurable
- un bidon d'alimentation et deux bidons pour les recettes (concentrat et eau évaporée)
- une balance
Mots clés de recherche : évaporateur, transfert thermique, isolant, mécanique des fluides, capteur,
régulation, redresseur
Provenance : TRIBOULET Philippe ([e-mail])