CONCOURS e4a / 2000 - PHYSIQUE II ETUDE D'UNE INSTALLATION DE CHAUFFAGE MIXTE SOLAIRE-GAZ Corrigé détaillé PREMIERE PARTIE COMPORTEMENT THERMIQUE DE LA DALLE SOLAIRE I.1. Introduction I.1.1. Dimension de j : [j] = [φ]/[L]2 où φ est le flux thermique (en watt). [λ] = [j][L]/[T] = [φ]/[L][T] (λ) = W.m-1.K-1 I.1.2. Entre t et t+dt, la tranche dx de masse dm = ρSdx reçoit dQx - dQx+dx = jxSdt - jx+dxSdt et sa température varie de dT, d'où le bilan : ∂T ∂j ∂ 2T ∂T λ ∂ 2T = d'où la dt = − dxSdt = λ 2 dxSdt , ∂t ∂x ∂t ρc ∂x 2 ∂x λ diffusivité thermique a = , de dimension [a] = [L]2/[t] d'après l'équation de ρc ρcSdxdT = ρcSdx (a) = m2.s-1 . la chaleur A2, I.1.3. [h] = [j]/[T] = [φ]/[L]2[T] (h) = W.m-2.K-1 Physiquement, h dépend essentiellement des propriétés thermophysiques de l'air (conductivité thermique, viscosité, etc), de la vitesse de l'air, et de la forme et de la structure de la surface d'échange. I.2. Analyse dimensionnelle I.2.1. De l'équation générale (T-Ti)m j0n hp λq ar tu Hv xw = 1, on déduit l'équation aux dimensions : [T]m. ([φ][L]-2)n. ([φ][L]-2[T]-1)p. ([φ][L]-1[T]-1)q. ([L]2[t]-1)r. [t]u. [L]v. [L]w = 1, soit : [T]m-p-q [φ]n+p+q [L]2r+v+w-2n-2p-q [t]u-r = 1, d'où le système d'équations : m - p - q = 0 ; n + p + q = 0 ; 2r + v + w - 2n - 2p - q = 0 ; u - r = 0. Il y a quatre coefficients indépendants que l'on peut choisir, par exemple m, q, r et w, les autres étant exprimés en fonction d'eux. On en déduit : n = - m ; p = m - q ; u = r ; v = - 2r - q - w , que l'on substitue dans l'équation générale : m − m m−q q r r −2 r − w − q w (T − Ti ) . j 0 .h .λ .a .t .H .x = 1 , ce qui conduit aux regroupements par coefficients : m æ h(T − Ti ) ö æ λ ö æ at ö æ x ö çç ÷÷ .ç = 1 , donc ÷ .ç ÷ .ç j0 è hH è H 2 è H è q r w m æ h(T − Ti ) ö x çç ÷÷ .(Bi )− q .(Fo )r .æç ö = 1 . j0 èH è w 1/12 I.2.2. Le nombre de Fourier peut s'écrire Π3 = Fo = t/τd avec τd = H2/a . A.N.: τd = 75100 s = 20,9 h. Ld = (at)½ . A.N.: Ld = 0,279 m. On peut aussi écrire Fo = Ld2/H2 I.2.3. Le nombre de Biot apparaît comme le rapport du flux de chaleur convectif en surface au flux transféré par conduction dans le solide (rapport résistance thermique conductrice de la dalle / résistance thermique de sa surface) ; il traduit donc l'importance relative du transfert par convection et par conduction entre le solide et le fluide qui le baigne. Si Bi << 1, la conduction domine et le phénomène convectif a peu d'influence sur le profil thermique intérieur au solide dont l'épaisseur est donc négligeable ; si Bi >> 1, la convection domine et le matériau peut être considéré comme peu conducteur, donc d'épaisseur importante, avec un profil thermique fortement influencé par la convection à la frontière. Ici, Bi = 0,99 . On constate d'autre part que τd est un peu inférieur à la durée d'une journée, que Ld est de l'ordre de l'épaisseur de la dalle, ce qui implique que la diffusion thermique dans la dalle n'est pas assez lente pour considérer la dalle comme infiniment épaisse, et que la convection doit être prise en compte. I.3. Régime permanent ∂ 2T ∂T = 0 entraîne =0 ∂t ∂x 2 T(x) = Ax + B, comme j(x) = - λA = j0 = h [T(H) - Ti] = h [AH + B - Ti], on en déduit : A = -j0/λ et B = Ti + j0/h + j0 H/λ, T(x) = Ti + j0/h + j0 H/λ - j0 x/λ. A.N.: T(H) - Ti = j0/h T(H) - Ti = 3 degrés. I.4. Régime périodique I.4.1. Les équinoxes sont les instants auxquels la Terre passe aux deux points d'intersection du plan de l'écliptique avec le plan équatorial (printemps, automne), de sorte que les durées du jour et de la nuit sont égales. Le terme δ est donc nul aux équinoxes. 2/12 I.4.2. Méthode de séparation des variables : j(x,t) = f(t)g(x) d'où : ∂j ∂t = g ( x) f ' (t ) = a ∂2 j ∂x 2 f ' (t ) = a f (t ) g " ( x) , f (t ) =a g" ( x) g ( x) . Les deux fonctions sont égales, quelles que soient les valeurs de t et x, donc égales à une constante C. On en déduit f(t) = F exp(Ct); comme le régime est sinusoïdal de pulsation ω, C = iω. Il s'ensuit : ω g " ( x) = i g ( x) dont la solution générale est g ( x) = G1e a ω (1+ i ) x 2a + G2 e − ω (1+i ) x 2a . La dalle étant semi-infinie, le premier terme ne reste fini que si G1 = 0, d'où la solution générale : j ( x, t ) = FG 2 e α= − ω x 2a .e æ ω ö i çç ωt − x a 2 è = j0 e − ω x 2a æ æ æ ω ö÷ ω ö÷ ö .ç cosçç ωt − x ÷ + i sin çç ωt − x ç 2a 2a ÷ è è è ω . 2a La chaleur se propage donc dans la dalle comme une onde plane progressive sinusoïdale à la célérité c = 2aω , avec une amplitude décroissant exponentiellement avec la profondeur de pénétration. La célérité étant fonction de la pulsation ω, la dalle constitue un milieu dispersif pour les ondes thermiques. æ I.4.3. En x = H, l'amplitude de l'onde est : j0 expçç − è π ö H , soit 19,1 % de celle aJ en x = 0. On définit le temps caractéristique τp = H/c , soit τp = 6,31 h . I.4.4. Il s'agit de la décomposition en série de Fourier de la fonction périodique : {0 pour t ∈[-J/2,0], j0 sin ωt pour t ∈[0,J/2]}, de forme générale : j (0, t ) = a 0 + ∞ a m cos mωt + bm sin mωt . m =1 I.5. Influence des conditions aux limites I.5.1. La courbe j(H,t) de la figure 4 ne présente pas la forme de demi-alternance de j(0,t) car le milieu étant dispersif, les termes de fréquence élevée présents dans la série de Fourier se propagent plus vite en étant davantage amortis. De ce fait, on obtient une sinusoïde de période J = 24 h déformée, la montée étant rapide (temps courts dominés par les harmoniques élevés) et la décroissance lente (temps longs, dominés par les basses fréquences et le fondamental). 3/12 La densité du flux est maximale à t ≈ 11,6 h, soit un décalage ∆t1 = 5,6 h par rapport au midi solaire, inférieur à τp (temps de propagation du fondamental) du fait précisément de la transmission plus rapide des harmoniques de fréquence élevée. L'amplitude crête à crête d'environ 0,205 W.m-2 peut être comparée à l'amplitude j0 de 1 W.m-2 de la demi-alternance, ce qui donne une amplitude relative de 20,5 % un peu supérieure à l'amplitude relative calculée en 1.4.3 dans le cas d'une sollicitation purement sinusoïdale ; ce dépassement est dû à la présence des harmoniques dont la vitesse est d'autant plus grande que la fréquence est élevée. On peut aussi comparer l'amplitude moyenne (égale à la moitié de l'amplitude crête à crête) à j0/2, amplitude du fondamental, ce qui revient au même. I.5.2. La densité du flux de chaleur en surface de dalle de la figure 5 atteint son maximum pour t ≈ 13,3 h soit un décalage par rapport au midi solaire ∆t2 ≈ 7,3 h , plus élevé que ∆t1. On peut interpréter ce retard par le fait que le flux en surface est proportionnel à l'écart (T-Ti) ; or d'après la loi de Fourier j(x,t) est en retard spatial sur T(x,t), donc T(x,t) est en retard temporel sur le flux conductif dans la dalle. L'amplitude crête à crête de j(H,t) de 0,127 W.m-2 (amplitude relative de 12,7 % par rapport à j0) est plus faible que dans l'hypothèse semi-infinie du fait de la résistance thermique que procure le film d'air convectif, qui amortit les variations du flux conductif dans la dalle à sa surface. On voit donc que la convection en surface modifie de manière importante l'ensemble du comportement thermique de la dalle en termes d'amplitude et de déphasage des variations du flux de chaleur solaire imposé, et doit être prise en compte dans l'étude dynamique du plancher solaire. Le modèle semi-infini est donc à rejeter en faveur du modèle à épaisseur finie. 4/12 DEUXIEME PARTIE ETUDE HYDRAULIQUE DU CIRCUIT SOLAIRE II.1. Puissance thermique du circuit solaire II.1.1. Le bilan d'énergie s'écrit η A Esm = G V (Tim - Tem) J . A.N.: A = 23,6 m2 . Comme Pch/η = S h [T(H)m - Tim], on obtient T(H)m = 23,2 °C . II.1.2. Rth = ∆T/φ. Or φ = Sh [T(H)m - Tim] et φ = Sλ [T(0)m - T(H)m]/H ∆T = T(0)m - Tim= φ/S.(1/h + H/λ) Rth = H/λS + 1/hS . A.N.: Rth = 2,98.10-3 K/W et φ = Pch/η T(0)m = 27,3 °C ∆T = 8,3 °C II.1.3. La puissance thermique moyenne absorbée par les panneaux solaires est : φ = dQ/dt = D ρf cf ∆Tsm = Pch/η d'où : D = Pch/ηρfcf∆Tsm , soit D = 2,35.10-4 m3.s-1 = 0,848 m3/h . II.1.4. B est un facteur sans dimension représentant la fraction de l'éclairement solaire effectivement absorbée optiquement par les panneaux solaires avant pertes par conduction et convection. K est homogène à un coefficient d'échange thermique h, caractérisant les pertes thermiques vers l'atmosphère. La puissance transférée au liquide solaire est D ρf cf ∆Ts = A [BE - K(Tsm-Te)]. Si l'on veut assurer le fonctionnement pour E = Emin, avec ∆Ts > ∆Tsmin, il faut D < Dlim = A [BEmin - K(Tsm - Te)]/ ρf cf ∆Tsmin A.N.: Dlim = 3,56.10-4 m3.s-1 = 1,28 m3/h . II.2. Caractéristiques hydrauliques du circuit solaire II.2.1. Dans un écoulement laminaire, les lignes de courant sont stables ; elles deviennent temporellement fluctuantes puis chaotiques dans un écoulement turbulent. 5/12 II.2.2. Nombre de Reynolds critique : Rec ≈ 2000. Re = 1638 A.N.: Re = 4D/πDHν soit II.2.3.Tout plan contenant l'axe Ox est plan de symétrie de l'écoulement, donc du champ de vitesse, et tout plan perpendiculaire à Ox est plan d'antisymétrie. Le vecteur vitesse étant un vecteur polaire, est normal aux plans d'antisymétrie et contenu dans les plans de symétrie, donc parallèle à Ox. De plus, il est invariant en x et θ, donc V = V (r )u x . Physiquement, la vitesse est nulle sur les parois du fait des forces d'interaction entre molécules et paroi (forces de Van der Waals), ce qui entraîne la formation d'une couche limite dans laquelle la vitesse tend vers 0 sur la paroi par viscosité. II.2.4. • on peut effectuer le bilan des forces sur la particule fluide élémentaire : la tension visqueuse exercée par une couche fluide sur la couche fluide sousjacente moins rapide est dans le sens de l'écoulement et vaut dF/dS = µ dV/dn (gradient de vitesse normal au plan de l'écoulement). Ici, la vitesse est nulle à la paroi, donc dV/dr < 0. Le bilan des forces sur la particule liquide est donc: force visqueuse : sur la face r, − µ µ ∂V r + dr (r + dr )dθ dx ∂r ∂V r rdθ dx et sur la face r+dr, ∂r force pression stat. : sur la face x, Px dr rdθ et sur la face x+dx, -Px+dx dr rdθ force de pesanteur projetée sur Ox : -ρg cosα dx dr rdθ = -ρg dz dr rdθ En régime permanent laminaire, l'accélération locale est nulle ainsi que la somme des forces sur la particule : ∂V r + dr ∂V ù (r + dr ) − µ r r dθ dx − ρg dz dr rdθ = 0 ∂r ∂r ë ∂P ∂ é ∂V ù − dx dr rdθ + êµ r dr dθ dx − ρg dz dr rdθ = 0 , donc : ∂x ∂r ë ∂r ∂ ( P + ρgz ) ∂P ∂ é ∂V ù dz ∂ é ∂V ù − ρg = 0 d'où : − r + êµr r=− r + µ êr ú ∂x ∂r ë ∂r dx ∂x ∂r ë ∂r ∂Pg 1 ∂ é ∂V ù =µ r . ∂x r ∂r êë ∂r ú (Px − Px + dx )dr rdθ + éêµ 6/12 • on peut aussi appliquer directement l'équation des forces volumiques : on obtient, par unité de volume : − grad P + ρg + µ∆V = 0 . Par projection sur Ox: − cos α = ∂P − ρg cos α + µ∆V = 0 , avec ∂x 1 ∂ æ ∂V ö dz et ∆V = , ce qui donne bien l'équation (B3). çr r ∂r è ∂r dx Par projection sur les axes perpendiculaires à Ox, le laplacien de la vitesse est nul car V n'a de composante que sur Ox. − grad P + ρg = − grad P − Comme d (ρgz ) u z = − grad ( P + ρgz ) , dz les deux composantes du gradient de Pg dans un plan perpendiculaire à Ox sont donc nulles, donc Pg ne dépend que de x. II.2.5. L'égalité des deux fonctions indépendantes, l'une de x, l'autre de r, implique qu'elles sont toutes deux égales à une même constante C : ∆Pg 1 d æ dV ö d æ dV ö C = C , donc = r d'où : çr çr r dr è dr dr è dr µ L dx te dV C C dV C C 2 r+ r = rdr + C te = r + C te , d'où = . 2µ dr 2µ r µ dr dPg =C = et µ Comme V est finie en r = 0, la constante est nulle. De plus V(R) = 0, donc V= 1 ∆Pg 2 r + C2 , 4µ L V =− 1 ∆Pg 2 R − r2 . 4µ L ( ) Le profil obtenu est parabolique avec son maximum en r = 0, car la contrainte visqueuse est maximale à la paroi et nulle au centre du tube. II.2.6. Le débit élémentaire entre r et r+dr est dD = V.2πr.dr, d'où : D= R 0 − π ∆Pg π ∆Pg rR 2 − r 3 dr = − 2µ L 2µ L ( ) æ R4 R4 ö π ∆Pg 4 ç D R = − , donc − ç 2 8 µ L 4 è II.2.7. L'énergie volumique du liquide e = Pg + ρV2/2 diminue de ∆Pg sur une longueur L. En multipliant cette perte par le débit volumique, on obtient la perte d'énergie par unité de temps, donc la puissance dissipée par les tensions visqueuses que doit compenser la puissance Pu de la pompe : Pu = P dissipée = D ∆Pg = 8µL 2 D . πR 4 A.N.: Pu = 92,6 W . 7/12 TROISIEME PARTIE COMMANDE DU SYSTEME SOLAIRE III.1. Linéarisation des sondes de température III.1.1. U = R U cc . On peut effectuer le dév. limité de U à l'ordre 2 : R + R0 aU U ≈ 0 cc R0 + a 0 ö æ a1 a 2 2 öæç a1 a2 a12 2 2÷ çç1 + θ+ θ ÷÷ 1 − θ− θ + θ a0 a0 R0 + a 0 R0 + a 0 (R0 + a 0 )2 ÷ø è øçè æ a 0U cc é a1 R0 R0 a12 ç U≈ a2 − θ+ ê1 + R0 + a 0 ëê a 0 (R0 + a 0 ) a 0 (R0 + a 0 ) çè R0 + a 0 ö 2ù ÷θ ú , ÷ ø ú 1 2 ou utiliser la formule de Taylor à l'ordre 2 : U ≈ U (0) + U ' (0) θ + U " (0) θ 2 : U ' (θ) = U " (θ) = R0U cc ( R + R0 ) 2 R' (θ) ,donc U ' (0) = ( R0U cc R" ( R + R0 ) − 2 R' 2 ( R + R0 ) 3 R0U cc a1 (a0 + R0 ) 2 et ) d'où U " (0) = R U (2a (a 0 cc 2 0 + R0 ) − 2a12 (a0 + R0 ) 3 ) , ce qui conduit bien à la même relation. Le terme de 2ème degré vaut moins de 1 % de celui du premier degré si : æ a2 a1 ö çç − θ < 0,01 soit θ < 97,4 °C è a1 a0 + R0 tension linéaire dans tout le domaine de température utile III.1.2. I est maximal lorsque R est minimal (350 Ω à 0 °C) : Umax = (R0 + Rmin)Imax conduit à : Umax = 3,46 V. III.2. Etude de la commande électronique solaire III.2.1. Le circuit AO1 est monté en amplificateur de différence ; son rôle est donc de produire une tension proportionnelle à l'écart de température entre les deux sondes de température. L'AO2 est monté en trigger de Schmitt (comparateur à hystérésis) ; il doit enclencher et déclencher la mise en fonctionnement du moteur en fonction des écarts-seuil de température souhaités en évitant les phénomènes d'oscillation intempestifs autour des seuils grâce à la fonction hystérésis. 8/12 III.2.2. La diode D est une diode de roue libre, chargée d'écrêter la surtension inverse d'autoinduction dans le bobinage de l'électroaimant lors de l'ouverture du contact K, qui risquerait d'endommager l'étage de sortie de l'AO2. III.2.3. M est mis en fonctionnement lorsque la sortie de l'AO2 passe à l'état bas, ce qui se produit lorsque le potentiel de son entrée inverseuse passe audessus de celle de l'entrée non inverseuse. L'amplificateur inverseur AO1 doit donc produire une tension croissante lorsque la différence de température Ts - Td augmente. Par conséquent, la sonde A mesure Ts et la sonde B mesure Td puisque les résistances RA et RB augmentent avec la température. III.2.4. Le calcul peut être mené rapidement par le théorème de Millman appliqué à la tension de l'entrée inverseuse de l'AO1 : U - = (UBR2 + U1R1) / (R1 + R2) ; comme U - = U+ = UA R2 /(R1 + R2), on en déduit : U1 = (UA-UB) R2/R1, U 1 = U cc R0 R2 a1 R1 (R0 + a 0 ) 2 (Ts − Td ) . III.2.5. Lorsque le moteur est mis en marche, la sortie de l'AO2 passe à l'état bas, donc U1 doit passer au-dessus de U+ lorsque la sortie est encore à l'état haut : Um est donc égale à la tension de l'entrée non-inverseuse de l'AO2 à l'état haut, soit : Um = xU ref + U sat 1+ x Inversement, Ua est égale à U+ lorsque la sortie de l'AO2 est à l'état bas juste avant de passer à l'état haut : U a = III.2.6. A.N.: et U ref = xU ref 1+ x U sat ( R0 + a 0 ) 2 R2 soit R2/R1 = 22,1 = R1 U cc R0 a1 (1 + x)(∆θ m − ∆θ a ) U sat ∆θ a , soit Uref = 0,13 V x ∆θ m − ∆θ a III.2.7. Puisque Um - Ua = Vsat/(1+x), R4 règle la différence des seuils, alors que Uref règle essentiellement le seuil d'arrêt. On remarque que le réglage des seuils n'est pas indépendant. 9/12 QUATRIEME PARTIE REGULATION DU CHAUFFAGE D'APPOINT IV.1. Modélisation du plancher chauffant IV.1.1. La fonction de transfert d'un système du 2ème ordre correspond à l'équation différentielle : τ 2 s(t ) + 2ξτ s(t ) + s (t ) = e(t ) . Les réponses d'un système du 2èmeordre dépendent de l'amortissement : - ξ < 1 : la réponse est pseudo-périodique (sinusoïde amortie exp.) - ξ = 1 : la réponse est apériodique critique (le régime permanent est atteint sans oscillation le plus rapidement) ξ > 1 : le régime est apériodique (amortissement exponentiel sans oscillation, 1,4 1,2 S(t) 1 0,8 1er ordre 0,6 2ème ordre (amort. 0,5) 0,4 2ème ordre (amort. 1) 2ème ordre (amort. 1,5) 0,2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 t/ττ plus lent que le précédent). On notera que, contrairement au cas d'un système du 1er ordre, la vitesse d'un système du 2ème ordre est nulle à t = 0. IV.1.2. τ = τ1 τ 2 et ξ = τ1 + τ 2 2 τ1τ 2 . IV.1.3. La limite de s(t) lorsque t→r est obtenue par développement limité au 2ème ordre, soit s(t) ≈ (t-r)2/2τ1τ2 , donc β = 1/2τ1τ2 . Le profil parabolique initial fournit les valeurs : s(4) ≈ 0,05 donc β ≈ 0,05/3² = 5,6.10-3 h-2, donc τ1τ2 ≈ 1/2β = 90 h². 10/12 Lorsque t → ∞, comme τ1 << τ2 , s(t) → [1 - exp (-(t-r)/τ2)], de sorte que l'on peut mesurer approximativement 3(τ2 + r) ≈ 87 h , donc τ2 ≈ 28 h et τ1 ≈ 3,2 h . On en tire τ ≈ (τ1τ2)1/2 ≈ 9,5 h et ξ ≈ 1,65 . IV.2. Loi de chauffe en régime permanent IV.2.1. En supposant que le rendement de dalle est toujours η (l'hypothèse n'est pas obligatoire), la puissance à l'intérieur du bâtiment est Pch = GV (Ti-Te) = η(Ta-Ti)/Rtha , donc (Ta-Ti) est bien proportionnel à (Ti-Te). IV.2.2. On en déduit la relation Ta = Ti (1+GV Rtha/η) - TeGV Rtha/η que doit vérifier en particulier la température de base Ta base quand la température extérieure descend à Te base : Ta base = Ti base (1+GV Rtha/η) - Te base GV Rtha/η . IV.2.3. Comme Ta − Ti Ta base − Ti base GVRtha , on obtient l'expression de la = = Ti − Te Ti base − Te base η température Ta du circuit d'appoint que le régulateur doit imposer comme consigne : Ta cons = Ta base − Te base Ti base − Te base Ti cons − Ta base − Ti base Ti base − Te base Te . A.N.: Ta cons = 1,357 Ti cons - 0,357 Te . IV.3. Régulation en boucle fermée IV.3.1. La température de consigne déterminée par R est corrigée par le bloc correcteur de sorte que : ( ) Tda cons = P1Ti cons − P2Te − C Ti − Ti cons − 1 τi (Ti − Ti cons )dt . En appelant e(t) la différence (Ti - Ti cons), la sortie du bloc correcteur est : s(t) = Ce(t) + 1 e(t)dt , d'où : τi S(p) = CE(p) +E(p)/pτi , S(p)/E(p) = H(p) = (C + 1/τip). 11/12 Globalement, le bloc correcteur : - anticipe sur les variations de l'ensoleillement qui agissent sur la température intérieure, ce que ne fait pas la loi de chauffe classique - élimine l'écart entre la température intérieure et la température de consigne grâce à l'intégration. IV.3.2. Te P2 P1 − + + Ti cons Tda cons 1 τi p C+ + − Ti FIN DU CORRIGE 12/12